气体钻井管汇用径向方位角无级调角机构的制作方法

本发明涉及到气体钻井管汇，特别是一种气体钻井管汇用径向方位角无级调角机构，属于油气钻井（钻探）工程技术领域。

背景技术：

气体钻井是一种以气体作为循环和携砂介质的钻井方式，与常规钻井液钻井相比，气体钻井井底压力远低于井底液柱压力，钻进过程中始终保持负压，实现了欠平衡钻井。气体钻井作为20世纪80年代在国内发展并成熟起来的新技术，形成了干气钻井（空气、氮气）、雾化钻井、泡沫钻井及充气钻井四大主体技术，具有提高机械钻速、治理恶性井漏、发现和保护储层等优势。近年来，在国内各油气田得到推广应用，并取得良好应用效果。

根据《气体钻井技术规范 第一部分：空气钻井、氮气钻井、空气雾化钻井、氮气雾化钻井、空气泡沫钻井》规定：井场内排砂管线采用法兰连接，宜平直连接出井场外。但是，经常因现场条件限制（包括钻机底座结构和地面设备摆放等），必须采用弯管来调整排砂管线走向，只有这样才能接出井场外。由于现有的弯管的弯曲角度均是固定不变的，然而绝大多数时候，现场排砂管线的安装都没有办法严格、精确的按照固定角度弯管的方向布置。固定角度的弯管并不能根据现场实际情况随意调整自身的角度。因此，在排砂管线安装期间，经常采用尝试性的连接方法，经常反复安装和拆卸，直到调整好排砂管线的走向为止。加之排砂管线重量很大，导致管线安装起来十分不方便。这不仅大大增加了安装作业时间，增加了工作人员的工作量和工作强度，还提高了作业人员成本和吊车使用费用，甚至会造成钻机等停，延长钻井周期的严重后果。

现有技术中，适用于气体钻井的排砂管线，公开号201412067，公开日2010年2月24日，描述了一种卡箍式排砂管线连接方式，这也是目前气体钻井领域排砂管线唯一的连接方式。该发明只是一种连接方式，并不能在安装过程中随意调整管线角度和走向，依然是采用尝试性的连接方法，经常反复安装和拆卸，工作强度和作业时间都很高。

另外，气体钻井用安全排砂管汇中，公开号203188949，公开日2013.09.11，描述了一种排砂管线泄压的装置（破裂盘），当管线内部压力憋升到一定值，破裂盘打开泄压以达到保障管线安全的目的。但该发明所描述的管线依然是传统管线，并不能在安装过程中随意调整管线角度和走向，依然是采用尝试性的连接方法，经常反复安装和拆卸，工作强度和作业时间都很高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种气体钻井管汇用径向方位角无级调角机构。本发明可以轻松、便捷、随意地调整排砂管线走向，快速将排砂管线连接出井场外，避免反复安装和拆卸，大幅度降低工作人员的工作量和工作强度，缩短安装作业周期，节省作业人员成本和吊车使用费用，避免出现钻机等停、延长钻井周期等严重后果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种气体钻井管汇用径向方位角无级调角机构，其特征在于：包括固定短节、卡紧件、螺杆套件、悬挂法兰和旋转短节，旋转短节上端与固定短节插接且密封配合，下端设置有预制固定角度的出口连接端，悬挂法兰套设在旋转短节上，卡紧件位于固定短节下端面与悬挂法兰之间，旋转短节悬挂在卡紧件上，悬挂法兰与固定短节下端通过螺杆套件固定连接，卡紧件与悬挂法兰之间的环形空间内设置有滚子轴承，卡紧件与固定短节下端面之间设置有滚子轴承。

所述卡紧件包括两个半圆卡，两个半圆卡通过螺钉连接，旋转短节上设置有卡槽，半圆卡卡接在卡槽中与旋转短节间隙配合。

所述卡紧件与悬挂法兰之间的环形空间内设置的滚子轴承为推力调心滚子轴承。

所述卡紧件与固定短节下端面之间设置的滚子轴承为推力圆柱滚子轴承。

所述悬挂法兰与固定短节下端通过螺杆套件固定连接后，悬挂法兰、推力调心滚子轴承、半圆卡、推力圆柱滚子轴承与固定短节下端面为轴向端面接触。

所述推力调心滚子轴承和推力圆柱滚子轴承与旋转短节之间为间隙配合。

所述固定短节上端与排砂管线连接，下端与旋转短节上端插接且密封配合。

所述旋转短节与固定短节插接处设置有多道“O”型密封圈，旋转短节与固定短节通过多道“O”型密封圈密封配合。

所述卡紧件与悬挂法兰之间的环形空间内还设置有防尘尼龙圈，推力调心滚子轴承设置在防尘尼龙圈内。

所述卡紧件与固定短节下端面之间还设置有防尘尼龙圈，推力圆柱滚子轴承设置在防尘尼龙圈内。

所述防尘尼龙圈沿旋转短节轴向设置有4—6mm的活动空间。

所述旋转短节上开有多个手动旋转孔。

所述旋转短节预制的固定角度为90°时，旋转短节上端与固定短节插接且密封配合，下端通过盲板封闭，盲板通过法兰螺栓套件固定在旋转短节下端，出口连接端位于盲板上方。

采用本发明的优点在于：

1、本发明结构简单、零部件少和易于加工。

2、采用本发明安装、操作方便，可以与现有的整套排砂管线配套使用。

3、采用本发明可以实现径向360°任意角度的无级变换（即径向方位角360°的无级调节）。

4、本发明内部的主要转动阻力为滚动摩擦，滚动摩擦较静摩擦、滑动摩擦小很多，因此，本发明可以根据现场条件和排砂管线的架设高度，快速且轻松地调整排砂管线的走向，完全避免了反复安装和拆卸这个过程，大大缩短了安装作业周期、减轻了劳动强度，同时也节约了安装成本。

5、本发明具有防尘结构，可有效避免环境中砂尘进入机构内部，同时也可以避免管线内部砂尘堆积造成机构无法转动的问题。

6、本发明主要用于气体钻井排砂管汇中，具有很高的抗内压强度，能够保证气体钻井作业的安全性，同时，该机构通过调整设计参数之后也可以用于供气管汇的连接，甚至可以扩展应用到其它领域的硬管汇系统当中去。

7、采用本发明，可根据现场实际情况随意、精确地调整管线走向和角度，大大减少安装作业时间，降低工作人员的工作量和工作强度，可削减作业人员成本和吊车使用费用，避免造成钻机等停，延长钻井周期等严重问题。

附图说明

图1为本发明剖视结构示意图；

图2为图1中的I部放大示意图；

图3为本发明中的两个半圆卡装配示意图；

图4为本发明主视结构示意图。

图中标记为：1、固定短节，2、“O”型密封圈，3、半圆卡，4、螺杆套件，5、悬挂法兰，6、旋转短节，7、法兰螺栓套件，8、盲板，9、推力调心滚子轴承，10、防尘尼龙圈a，11、防尘尼龙圈b，12、推力圆柱滚子轴承，13、螺钉，14、旋转孔，15、活动空间，16、出口连接端。

具体实施方式

实施例1

一种气体钻井管汇用径向方位角无级调角机构，包括固定短节1、卡紧件、螺杆套件4、悬挂法兰5和旋转短节6，旋转短节6上端与固定短节1插接且密封配合，下端设置有预制固定角度的出口连接端16，悬挂法兰5套设在旋转短节6上，卡紧件位于固定短节1下端面与悬挂法兰5之间，旋转短节6悬挂在卡紧件上，悬挂法兰5与固定短节1下端通过螺杆套件4固定连接，卡紧件与悬挂法兰5之间的环形空间内设置有滚子轴承，卡紧件与固定短节1下端面之间设置有滚子轴承。

本实施例中，所述卡紧件包括两个半圆卡3，两个半圆卡3通过螺钉13连接，旋转短节6上设置有卡槽，半圆卡3卡接在卡槽中与旋转短节6间隙配合。

本实施例中，所述卡紧件与悬挂法兰5之间的环形空间内设置的滚子轴承为推力调心滚子轴承9。

本实施例中，所述卡紧件与固定短节1下端面之间设置的滚子轴承为推力圆柱滚子轴承12。

本实施例中，所述悬挂法兰5与固定短节1下端通过螺杆套件4固定连接后，悬挂法兰5、推力调心滚子轴承9、半圆卡3、推力圆柱滚子轴承12与固定短节1下端面为轴向端面接触。

本实施例中，所述推力调心滚子轴承9和推力圆柱滚子轴承12与旋转短节6之间为间隙配合。

本实施例中，所述固定短节1上端与排砂管线连接，下端与旋转短节6上端插接且密封配合。

本实施例中，所述旋转短节6与固定短节1插接处设置有多道“O”型密封圈2，旋转短节6与固定短节1通过多道“O”型密封圈2密封配合。

本实施例中，所述卡紧件与悬挂法兰5之间的环形空间内还设置有防尘尼龙圈，推力调心滚子轴承9设置在防尘尼龙圈内。

本实施例中，所述卡紧件与固定短节1下端面之间还设置有防尘尼龙圈，推力圆柱滚子轴承12设置在防尘尼龙圈内。

本实施例中，所述防尘尼龙圈沿旋转短节6轴向设置有4—6mm的活动空间15。

本实施例中，所述旋转短节6上开有多个手动旋转孔14。

本实施例中，所述旋转短节6预制的固定角度为90°时，旋转短节6上端与固定短节1插接且密封配合，下端通过盲板8封闭，盲板8通过法兰螺栓套件7固定在旋转短节6下端，出口连接端位于盲板8上方。

实施例2

本实施例结合附图对本发明做进一步说明。本发明可以用于干气体钻井（空气、氮气）、雾化钻井、泡沫钻井及充气钻井等气体钻井工艺以及其它领域管汇系统中。

本发明包括固定短节1、“O”型密封圈2、半圆卡3、长螺杆套件4、悬挂法兰5、旋转短节6、法兰螺栓套件7、盲板8、推力调心滚子轴承9、防尘尼龙圈a10、防尘尼龙圈b11、推力圆柱滚子轴承12。长螺杆套件4包括螺杆、螺母、弹簧垫圈。法兰螺栓套件包括螺栓、螺母、弹簧垫圈。

固定短节1固定在上游排砂管线上。旋转短节6与固定短节1之间属于插接关系，二者通过三道“O”型密封圈2实现径向密封。通过长螺杆套件4拉紧悬挂法兰5，从而将半圆卡3、推力调心滚子轴承9、推力圆柱滚子轴承12与固定短节1压紧。悬挂法兰5、半圆卡3、推力调心滚子轴承9、推力圆柱滚子轴承12与固定短节1为轴向上端面接触，相互之间无其他约束。旋转短节6悬挂在半圆卡3上。半圆卡3与旋转短节6为间隙配合，结合紧密。悬挂法兰5内径大于旋转短节6相应位置处的外径，二者之间存在5mm左右的间隙，相互不接触。推力调心滚子轴承9和推力圆柱滚子轴承12，二者与旋转短节6之间为间隙配合，便于装配。

旋转短节6在转动时，带动半圆卡3转动，半圆卡3带动推力调心滚子轴承9和推力圆柱滚子轴承12转动。旋转短节6与固定短节1之间用多层（通常为3层）“O”型密封圈2实施径向密封，二者间隙内涂抹黄油若为润滑，大大降低旋转短节6在转动时产生的静摩擦。旋转短节6在旋转过程中，除了与固定短节1插接的地方有少许静摩擦力，其余均为推力调心滚子轴承9和推力圆柱滚子轴承12产生的滚动摩擦。由于滚动摩擦远远小于静摩擦力，故旋转短节6可以在360°范围内轻松、快速地调整角度。

防尘尼龙圈a10套在调心滚子轴承9外面，防尘尼龙圈b11套在推力圆柱滚子轴承12外面，目的是为了防止外界环境的杂质进入到调心滚子轴承9和推力圆柱滚子轴承12内部，导致两个轴承无法转动。防尘尼龙圈a10位于半圆卡3和悬挂法兰5之间的凹槽内，且防尘尼龙圈a10在轴向上有5mm左右活动空间，可避免产生静摩擦力而给径向360°无级变角转动造成阻力。防尘尼龙圈a11位于半圆卡3和固定短节1之间的凹槽内，且防尘尼龙圈a11在轴向上也有5mm左右活动空间15，目的也是避免在转动时产生静摩擦力。

旋转短节6与固定短节1插接处的两个端面有2mm左右的间隙。半圆卡3为两个，二者之间通过螺钉紧固，避免径向360°无级变角在转动时二者发生相对位移甚至脱落。旋转短节6上开有6个旋转孔14，一旦人力无法转动该机构时，可将加力杠插入其中，增加力臂，提高旋转扭矩。旋转短节6是预制好的固定角度短节，可以是90°，也可以是其它角度。盲板8处可以连接其它短节或管线。

本发明在装配时，首先应当依次将悬挂法兰5、推力调心滚子轴承9、防尘尼龙圈a10、半圆卡3、推力圆柱滚子轴承12和防尘尼龙圈b11贯入旋转短节6中，然后压上固定短节1，最后穿入长螺杆套件4并拉紧。在此过程中，需要给推力调心滚子轴承9、推力圆柱滚子轴承12以及“O”型密封圈2三处地方涂抹足够的黄油。

本发明若用于排砂管线中，其入口端和出口端可以是法兰连接，也可以是卡箍连接，具体连接方式由相邻管线连接方式决定。同时，固定短节1、半圆卡3、悬挂法兰5、旋转短节6、盲板8均采用钢级为J55和N80的套管材料制成（符合API标准）。

旋转短节6可以绕固定短节1的轴线作360°转动，实现方位角的无级变换。