连续循环钻井主动密封式旋转控制头的制作方法

本实用新型涉及钻井装备技术领域，特别涉及一种连续循环钻井主动密封式旋转控制头。

背景技术：

旋转控制头是连续循环钻井装备中的关键装备，在连续循环装置中起到半封装置的作用，其功能是配合其他装置形成上下两个密封腔体，上部钻柱公接头穿过旋转控制头在上密封腔体内，下部密封腔体内封隔着下部钻柱的母接头，母接头注入钻井液，使井筒内保持循环。连续循环上扣过程中，上部密封腔体增压后与下部腔体连通，动力钳机构带动上部钻柱旋转使其公接头与下部钻柱的母接头完成上扣过程；连续循环卸扣过程反之亦然。

目前，可以作为连续循环装置的半封装置有常规半封闸板防喷器、常规被动密封式旋转控制头以及其他类型的主动式旋转控制头；常规半封闸板胶芯直接受到钻杆直接磨擦，胶芯易损坏寿命短；常规被动密封式旋转控制头高度大，且需要引锥引导穿入胶芯，但在连续循环装置上扣时钻杆无法使用引锥。在目前已公开的专利中，专利CN 204984334U公开了主动密封式旋转控制头，但体积大、重量大，而且采用环形防喷器类似的胶芯，胶芯闭合后再次张开的时间较长，不适合钻柱接卸扣的频繁张开、闭合胶芯的操作；专利CN 101761320A公开了主动密封式旋转控制头，该主动密封式旋转控制头的胶芯设计不合理，胶芯上下密封面没有压力助封作用，胶芯内部与钻柱密封面为光面，密封作用差，而且腔体内压力对胶芯与钻柱间的密封无助封作用，需要较高的密封油压力抵消腔体内的压力；而且下壳体没有旁通释放腔体内的压力；壳体上的注、放油孔设计不合理，无法快速注入、排出液压油，胶芯闭合、张开效率低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种能够实现密封旋转钻柱，完成钻柱连续循环上卸扣的连续循环钻井主动密封式旋转控制头。

为此，本实用新型技术方案如下：

一种连续循环钻井主动密封式旋转控制头，包括设置在一壳体内的旋转筒、胶芯支撑筒、上胶芯压盘、下胶心压盘和胶芯筒；所述旋转筒、胶芯支撑筒和胶芯筒自外向内依次套装；具体地：

所述旋转筒顶端内壁和底端内壁向内延伸分别形成有上环形台阶和下环形台阶；所述胶芯支撑筒套装在所述胶芯筒外侧，且所述胶芯支撑筒和所述胶芯筒的顶端和底端分别通过所述上胶芯压盘和所述下胶心压盘压配在所述上环形台阶的下端面和所述下环形台阶的上端面上；所述胶芯支撑筒内壁向内斜向向下凸起形成有至少两组间隔设置的用于抱住钻杆的锥形环；

所述胶芯筒外壁向内凹陷形成有一环形凹槽，使所述胶芯支撑筒与所述胶芯筒之间形成有第一环空空间；所述旋转筒的内径大于所述胶芯支撑筒的外径，使所述旋转筒和所述胶芯支撑筒之间形成有第二环空空间；所述胶芯支撑筒的侧壁上沿轴向开设有多排连通所述第一环空空间和所述第二环空空间的过油孔组，每排过油孔组包括沿圆周方向开设的多个过油孔；所述旋转筒侧壁上设有连通所述旋转筒内外的进液孔道；

所述旋转筒分别通过上轴承系统和下轴承系统设置并固定在所述壳体内，使所述旋转筒能够相对于所述壳体转动；在所述壳体侧壁上设有与所述壳体与所述旋转筒之间环空空间连通的第一通孔和第二通孔；所述壳体底部侧壁上设有旁通孔；所述壳体顶面和底面上分别设有与所述壳体与所述旋转筒之间环空空间连通的第三通孔和放油孔。

进一步地，所述上轴承系统包括在所述旋转筒顶端侧壁上自上而下依次设置的上圆锥滚子轴承和上滚动轴承，且在所述上圆锥滚子轴承和所述上滚动轴承之 间设置有上轴承挡圈；所述下轴承系统包括在所述旋转筒底端侧壁上自上而下依次设置的下滚动轴承和下圆锥滚子轴承，且在所述下滚动轴承和所述下圆锥滚子轴承之间设置有下轴承挡圈。

进一步地，所述旋转筒包括上旋转筒和下旋转筒；在所述上旋转筒的底端端面上和所述下旋转筒顶端端面上分别沿圆周方向设有多个间隔设置的第一能凸起部和第二凸起部；其中，所述第一能凸起部轴向长度大于所述第二凸起部的轴向长度且所述第一能凸起部与所述第二凸起部能够相互配合，使所述上旋转筒和下旋转筒之间通过凸起部插装为一体。

进一步地，所述密封壳体包括上密封盖和下密封壳体；所述下密封壳体下部内径小于上部内径且在变径处形成有一用于设置所述旋转筒的环形台阶；所述上密封盖盖装并通过沿圆周方向设置的多个第一螺丝固定在所述下密封壳体上，所述上密封盖底面压配在所述旋转筒的顶面上。

进一步地，在所述上密封盖和所述下密封壳体的接触壁面之间设有双道密封圈，使所述上密封盖密封加盖并固定在所述下密封壳体上。

进一步地，所述上旋转筒外壁与所述壳体的接触壁面之间、所述下旋转筒外壁与所述壳体的接触壁面之间设有双道密封圈。

进一步地，所述上胶芯压盘的外壁与所述上旋转筒的内壁之间、所述下胶芯压盘与的外壁与所述下旋转筒的内壁之间也设置有双道密封圈。

与现有技术相比，该连续循环钻井主动密封式旋转控制头结构简单新颖，能够有效实现压力助封功能，操作简单且胶芯不易磨损，可以作为连续循环钻井装置的钻杆半封装置，实现密封旋转的钻柱，完成钻柱的连续循环上卸扣的功能。

附图说明

图1为本实用新型的连续循环钻井主动密封式旋转控制头的剖面结构示意图；

图2为本实用新型的连续循环钻井主动密封式旋转控制头的上旋转筒和下旋 转筒咬合面B向结构示意图；

图3为图1中上旋转筒的A-A剖面结构示意图；

图4为本实用新型的连续循环钻井主动密封式旋转控制头的上旋转筒和下旋转筒的相互插装配合的立体结构示意图；；

图5为图1的局部放大图；

图6为本实用新型的连续循环钻井主动密封式旋转控制头的胶芯筒的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。

如图1所示，该连续循环钻井主动密封式旋转控制头包括设置在一壳体内的旋转筒、胶芯支撑筒5、上胶芯压盘6、下胶芯压盘7和胶芯筒8；其中，所述旋转筒、所述胶芯支撑筒5和所述胶芯筒8自外向内依次套装；具体地：

如图2～4所示，所述旋转筒包括上旋转套筒3和下旋转套筒4；所述上旋转套筒3的底端端面上设有多个沿圆周方向间隔设置的第一凸起部，所述下旋转套筒4的顶端端面上设有多个沿圆周方向间隔设置的第二凸起部，所述第一凸起部与所述第二凸起部能够相互配合插装且所述第一凸起部的轴向长度大于所述第二凸起部的轴向长度，使所述上旋转套筒3和所述下旋转套筒4上下插装为一体且插装处留有过液间隙；

所述旋转筒顶端和底端内壁均向内延伸并分别形成有第一环形凸台和第二环形凸台；所述上胶芯压盘6和所述下胶芯压盘7的外径与所述旋转筒的内径一致，且中心开设有与第一环形凸台和第二环形凸台内径一致的通孔；所述上胶芯压盘6底端外壁和所述下胶芯压盘7顶端外壁向内凹陷形成有对称的第一环形台阶和第二环形台阶，并在所述第一环形台阶和所述第二环形台阶的端面上分别对称地开设有一组环形凹槽，使所述胶芯支撑筒5的顶端和底端分别插装在所述上 胶芯压盘6和所述下胶芯压盘7的环形凹槽内形成支撑，将所述上胶芯压盘6和所述下胶芯压盘7分别抵在所述第一环形凸台和所述第二环形凸台的下端面和上端面上；其中，所述第一环形凸台和所述第二环形凸台处的内径与所述上胶芯压盘6和所述下胶芯压盘7的中心通孔孔径以及所述胶芯筒8的内径一致，且均大于钻杆外径；

所述胶芯筒8套装在所述胶芯支撑筒5的内侧；所述胶芯筒8的顶端和底端内壁均向内凹陷并分别形成有与所述第一环形台阶和所述第二环形台阶相互配合的第三环形台阶和第四环形台阶；其中，如图5所示，所述胶芯筒8在浇筑时，顶端和低端内部分别内设有环形上螺丝连接板17和环形下螺丝连接板19，且在所述上螺丝连接板17和所述下螺丝连接板19上沿圆周开设有多个固定孔，使当所述胶芯筒8的顶端和底端分别插装并压配在所述上胶芯压盘6和所述下胶芯压盘7上时，通过沿圆周方向分布并轴向插入至所述上胶芯压盘6和所述下胶芯压盘7的至少十个第二螺钉16和至少十个第三螺钉18将所述上胶芯压盘6和所述下胶芯压盘7紧固在所述胶芯筒8的顶端和底端，其中，所述第二螺钉16和所述第三螺钉18的底端均插装在环形上螺丝连接板17和环形下螺丝连接板19的固定孔内；

如图6所示，所述胶芯筒8中部外壁向内凹陷形成有环形凹槽，使所述胶芯支撑筒5和所述胶芯筒8之间形成第一环空空间；所述旋转筒的内径大于所述胶芯支撑筒5的外径，使所述旋转筒和所述胶芯支撑筒5之间形成第二环空空间；在所述胶芯支撑筒5的侧壁中部沿轴向开设有多排过油孔组，每排过油孔均包括多个沿圆周方向均布的过油孔20；

所述胶芯筒8采用橡胶制成，如图6所示，其内壁局部向内斜向向下凸起沿轴向自上而下依次形成有间隔设置的第一锥形环和第二锥形环；所述第一锥形环和所述第二锥形环的内径与钻杆外径一致，环抱钻杆使作为多级压力助封结构的胶芯筒受到进入第一环空空间内液压油的作用挤压钻杆起到压力助封的作用；其 中，第一锥形环和第二锥形环相隔的距离空间可以贮存胶芯闭合时所挤出的橡胶；

所述壳体包括上密封盖1和下密封壳体2；所述上密封盖1的底端端面上设设置有双道密封圈，使所述上密封盖1通过沿圆周方向均布的至少十六个第一螺钉15密封固定在所述下密封壳体2上形成壳体整体；所述下密封壳体2上部内径大于下部内径且在变径处形成有第五环形台阶，使所述旋转筒设置在所述第五环形台阶上、顶端压配有所述上密封盖1进行固定；

所述下密封壳体2上部内径大于所述旋转筒的外径，所述旋转筒通过设置在顶端外壁上的上轴承系统和设置在底端外壁上的下轴承系统设置并固定在所述下密封壳体2上部内侧；具体地，所述上轴承系统包括自上而下依次设置在所述上旋转筒3顶端外壁上的上圆锥滚子轴承9和上滚动轴承10，在所述上圆锥滚子轴承9和所述上滚动轴承10之间设置有上轴承挡圈；对应地，所述下轴承系统包括自上而下依次设置在所述下旋转筒4底端外壁上的下滚动轴承12和下圆锥滚子轴承14，在所述下滚动轴承12和所述下圆锥滚子轴承14之间设置有下轴承挡圈13；其中，所述上旋转筒3和所述下旋转筒4的外壁上各设置有一环形凸缘，对所述上轴承系统和所述下轴承系统进行限位或支撑；

所述下密封壳体2上部的对侧侧壁上分别开设有与所述第二环空空间连通的第一通孔201和第二通孔202，所述第一通孔201和所述第二通孔202用于向第一环空空间内注入液压油；在所述上密封盖1和所述下密封壳体2还分别开设有用于排气的第三通孔101和用于泄油的放油孔203；所述下密封壳体2下部内径与所述胶芯筒8内径一致；在所述下密封壳体2下部侧壁上开设有一用于注入钻井液的旁通孔204；其中，所述第一通孔201、第二通孔202、放油孔204和第三通孔101均加工为丝扣连接孔，且所述第一通孔201、第二通孔202、放油孔203通过连接管线与外部液压油系统连接，所述旁通孔204四周侧壁上形成有栽丝盲孔并所述旁通孔204通过转换接头与外部钻井液系统连接；在所述第一通孔201 和第二通孔202的连接管线上安装有节流阀；

由于该装置通过对液压油施压于所述胶芯筒8实现密封作用，为此所述上密封盖1底端内壁和所述下密封壳体2的第五环形台阶上侧均向内凹陷形成有第六环形台阶和第七环形台阶，并在所述上旋转筒3的外壁与所述第六环形台阶的接触壁面之间和所述下旋转筒4的外壁与所述第七环形台阶的接触壁面之间设有双道密封圈；此外在所述上胶芯压盘6的外壁与所述上旋转筒3的内壁之间、所述下胶芯压盘7与的外壁与所述下旋转筒4的内壁之间也设置有双道密封圈。

该连续循环钻井主动密封式旋转控制头使用时与多闸板压力密封装置配合使用，具体地，多闸板压力密封装置通过所述连续循环钻井主动密封式旋转控制头的底端的连接法兰205连接固定；胶芯筒8在液压油的挤压下产生径向变形并向中心轴线方向挤压环抱钻柱外表面，顶驱旋转钻柱，胶芯随钻柱转动，下部钻柱通过多闸板压力密封装置的相关机构固定并夹持下部钻柱，完成钻柱的卸扣和上扣作业；具体操作步骤如下：

1)设备准备：将连续循环钻井主动密封式旋转控制头的法兰连接205与下部多闸板压力密封装置连接，旁通204通过转换接头与相关地面钻井液循环管路连接，油路控制系统与通孔201、202以及放油孔203连接；

2)设备工作：

①卸扣：上提钻柱，钻柱接头到位后，油路控制系统通过第一通孔201、第二通孔202注入液压油，第三通孔101在液压油注入初期打开排气，液压油排气后关闭第三通孔101，继续注入液压油并使胶芯筒外壁处充满液压油，液压油推动胶芯筒8的壁面沿径向变形向中心轴线方向挤压环抱钻柱外表面，当设置在壳体内的油压传感器检测到油压压力达到一定值时停止注入液压油；开启与旁通孔204连接的连接管路，通过下密封壳体2的旁通孔204向装置腔体内注入钻井液，腔体内钻井液注满后，关闭旁通孔204对应的连接管路，通过下部多闸板压力密封装置的旁通孔向腔体内继续注入钻井液使腔体内液体增压，多闸板压力密封装 置的相关机构固定并夹持钻柱下部，上部钻柱反向旋转完成卸扣；小幅上提卸钻柱，当该钻柱的公接头到位后，关闭多闸板压力密封装置的全封闸板，形成上下两个腔体，再次开启旁通孔(204)对应的连接管路，使上腔体内排液泄压，然后排空上腔体内的钻井液；开启排油孔203，释放油压，使胶芯筒8复位后上提出所卸钻柱，可以进行下步的连续循环上扣作业。

②上扣：钻柱公接头穿过胶芯筒8的锥形环部到达预定位置，油路控制系统通过第一通孔201和第二通孔202注入液压油，液压油推动胶芯筒8的壁面沿径向变形向轴线方向挤压环抱钻柱外表面形成密封，当油压压力达到一定值时停止注入；保持旁通孔204对应连接管路处于关闭状态，通过钻柱公接头向腔体内注入钻井液使上腔体内注满钻井液并增压，当上腔体内压力达到下部腔体内的压力相同时打开全封闸板，使钻柱在密封状态下慢速旋转下放，与下部的母接头完成上扣；开启旁通孔204对应连接管路，腔体排液泄压至腔体内钻井液排空，即完成连续上扣的其他后续操作步骤；开启排油孔203，释放液压油油压，胶芯筒8复位，完成上扣过程，即可继续其他钻进作业。