一种换钻头装置的制作方法

本发明涉及海洋石油天然气钻井装备技术领域，特别涉及一种换钻头装置。

背景技术：

随着陆地油气资源的短缺，世界沿海国家陆续对海洋油气资源进行了勘探与开采，且对海洋油气资源的勘探与开采已逐步成为国内外油气工业发展的主要趋势。此外，随着我国经济持续高速增长，油气资源供应不足将成为阻碍经济发展的主要矛盾，为提高油气资源的占有量，海洋油气的勘探和开采已经成为我国实现能源可持续发展的战略重点。

海洋油气的开采发展至今，钻井开采仍为油、气开采的主要方式。一口油气井从开钻到完井，需进行以下三项主要工作：破碎井底岩石、将破碎的岩石(即岩屑)运移至海洋平台、完成固井，而钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的关键破岩工具。在现有技术中，当钻头被地层磨损，或钻头遇到硬地层、研磨性地层、页岩层等复杂地层时，需将井底旧钻头起钻至海洋平台以更换新钻头；起钻时，需使用液压大钳将钻杆单根一一卸扣拆下，从而使旧钻头提升至海洋平台，并在海洋平台上对被磨损的旧钻头进行更换，或更换与复杂地层不相匹配的旧钻头。当旧钻头更换完成后，需进行下钻作业，下钻时，需使用液压大钳将钻杆单根一一上扣形成钻柱，从而使新钻头下入井底。当新钻头下入井底后，重新开泵进行钻井作业，进而实现提高钻井速度、降低钻井综合成本的目的。

然而更换旧钻头带来的起钻、下钻作业时间长，增加了海洋油气井的钻井周期和提高了劳动强度，大大增加了钻井成本。

技术实现要素：

为了克服现有更换钻头装备的上述缺点，本发明的目的在于提供一种换钻头装置，该装置可在海底井口装置处对旧钻头进行更换作业，以缩短钻头的起钻时间和钻头的下钻时间，进而缩短海洋油气井的钻井时间。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种换钻头装置，由水平推拉系统1、夹持系统2、升举油缸系统3、隔离油缸系统4、动力钳系统5和密封壳体6构成，其特征为：密封壳体6内安装有动力钳系统5、水平推拉系统1，水平推拉系统1上安装有升举油缸系统3，举升油缸系统3与夹持系统2销轴连接，隔离油缸系统4位于密封壳体6中心；

所述升举油缸系统3的下安装板37安装于水平推拉系统1的滑轨11上；升举油缸系统3的上安装板35与举升油缸螺栓连接；举升油缸的活塞杆与夹持系统2销轴连接；

所述夹持系统2包括壳体21、夹爪22、定位盖板23、大锥齿轮24、小锥齿轮25、电机、连接板27；所述壳体21的上端表面设计有t型槽28，t型槽28内安装有夹爪22；壳体21的内部由内圆环30和外圆环31构成；壳体21内圆环30的下侧外表面设计有小轴承安装孔32，小轴承安装孔32内安装有小轴承，小轴承与小锥齿轮25的小轴端相配合；壳体21内圆环30的下端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将定位盖板23紧固于内圆环30的下端面；壳体21外圆环31的下侧外表面设计有大轴承安装孔33，大轴承安装孔33内安装有大轴承，大轴承与小锥齿轮25的大轴端相配合；外圆环31的大轴承安装孔33外侧设计有矩形凸台29，矩形凸台29端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将电机26紧固于矩形凸台29的端面；壳体21的外圆环31下端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将连接板27紧固于外圆环31的下端面；

所述夹爪22安装于壳体21的t型槽28内，夹爪22呈t形，夹爪22的内侧端面设计有三角形卡牙，夹爪22的下侧表面设计有平面螺纹；所述大锥齿轮24呈空心圆柱状，大锥齿轮24的内侧表面与壳体21的内圆环30相互配合，大锥齿轮24的上端设计有平面螺纹，大锥齿轮24的平面螺纹与夹爪22的平面螺纹相互啮合，大锥齿轮24的下端表面设计锥齿；所述小锥齿轮25的中部设计有锥齿，小锥齿轮25的锥齿与大锥齿轮24的锥齿相互啮合；小锥齿轮25的左侧小轴端外套有小轴承，小锥齿轮25的右侧大轴端外套有大轴承；小锥齿轮25的右侧大轴端内部设计有矩形凹腔，矩形凹腔与电机26的连接；

所述连接板27呈圆盘状，连接板27沿周向设计有通孔，螺栓穿过通孔将连接板27紧固于壳体21下端面；连接板27端面中心处设计有矩形双耳环，矩形双耳环内设计有圆形通孔。

与现有技术比较，本发明的有益效果是：该装置可在海底进口装置处对旧钻头进行更换作业，可缩短钻头的起钻时间和钻头的下钻时间，进而降低海洋石油天然气资源钻井开采的综合成本。

附图说明

图1为升举油缸系统和夹持系统的三维示意图。

图2为升举油缸系统和夹持系统的三维剖示图。

图3为升举油缸系统下端的零部件平面示意图。

图4为升举油缸系统下端的零部件三维示意图。

图5为水平推拉系统的滑轨和滚珠丝杠示意图。

图6为夹持系统示意图。

图7为壳体示意图。

图8为壳体三维剖视图。

图9为夹持系统内部零件示意。

图10为夹持系统内部零件三维剖视示意。

图11为夹爪示意图。

图12为大锥齿轮与小锥齿轮啮合的示意图。

图13为大锥齿轮与夹爪啮合的示意图。

图14为定位盖板示意图。

图15为连接板示意图。

图16为本发明各系统处于初始状态时的示意图。

图17为动力钳松扣时的示意图。

图18为夹持系统使钻头和钻杆分离时的示意图。

图19为夹持系统移运旧钻头至钻头更换位置时的示意图。

图20为夹持系统拆卸下新钻头时的示意图。

图21为夹持系统夹持新钻头至钻杆处，并使钻头与钻杆初始连接时的示意图。

1.水平推拉系统，2.夹持系统，3.升举油缸系统，4.隔离油缸系统，5.动力钳系统，6.密封壳体；11.滑轨、12.滚珠丝杆；21.壳体，22.夹爪，23.定位盖板，24.大锥齿轮，25.小锥齿轮，26.电机，27.连接板；28.t形槽，29.矩形凸台，30.内圆环，31.外圆环，32.小轴承安装孔，33.大轴承安装孔，34.盖板圆孔；35.上安装板，36.支撑环，37.下安装板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细叙述。

参照图1～图2，以及图16～图21，一种换钻头装置，由水平推拉系统1、夹持系统2、升举油缸系统3、隔离油缸系统4、动力钳系统5和密封壳体6构成。密封壳体6的下表面与海底井口装置螺栓连接；密封壳体6内部的左侧底面螺栓连接有水平推拉系统1，水平推拉系统1上侧螺栓连接有升举油缸系统3，升举油缸系统3上侧与夹持系统2销轴连接；密封壳体6内部右侧螺栓连接有动力钳系统5，隔离油缸系统4位于壳体21中心。

海底换钻头装置的工作原理为：参照图16，旧钻头正常钻井时，隔离油缸系统4的活塞杆处于伸长的状态，使隔水管与井口装置连通，从而防止钻井时的循环泥沙进入密封壳体6的左右两侧。参照图17，当需要更换旧钻头时，需将钻头提升至海底井口装置处，关闭泥浆泵，且使隔离油缸系统4的活塞杆收回，并将旧钻头提升至动力钳的高度处，然后启动动力钳处的电机，使滚珠丝杠旋转，进而使动力钳系统5伸出至旧钻头处；最后启动动力钳，使动力钳夹紧旧钻头进行松扣作业。参照图18，当钻头卸扣作业即将完成时就停止卸扣，并启动动力钳处的电机使滚珠丝杠旋转，进而使动力钳系统5收回至原始位置；然后启动水平推拉系统1处的电机使滚珠丝杠12旋转，进而使升举油缸系统3和夹持系统2运动至旧钻头处；最后使升举油缸系统3的活塞杆升出至旧钻头处，并使夹持系统2夹紧旧钻头进行旋转作业，从而使旧钻头彻底与钻杆分离。参照图19，当旧钻头与钻杆分离后，使升举油缸系统3的活塞杆收回，并启动水平推拉系统1处的电机，使滚珠丝杠12旋转，进而使升举油缸系统3和夹持系统2回退至原始位置；当升举油缸系统3回退至原始位置后，升举油缸系统3的活塞杆升出，并使夹持系统2旋转，从而使旧钻头安装于钻头悬挂架上。参照图20，当旧钻头安装于悬挂架后，启动并水平推拉系统1处的电机，使滚珠丝杠12旋转，进而使升举油缸系统3和夹持系统2运动至新钻头处；当升举油缸系统3运动至新钻头处后，夹持系统2的活塞杆伸出并夹紧新钻头，然后启动升举油缸系统3处的电机，使夹持系统2旋转，进而使新钻头与悬挂架分离。参照图21，当新钻头与悬挂架分离后，使升举油缸系统3的活塞杆收回，并启动并水平推拉系统1处的电机，使滚珠丝杠12旋转，进而使升举油缸系统3和夹持系统2运动至钻杆处；当新钻头运动至钻杆处后，使升举油缸系统3的活塞杆伸出，并使升举油缸系统3出的电机旋转，进而使新钻头与钻杆连接，实现初步上扣；当新钻头与钻杆初步上扣完成后，使升举油缸系统3和夹持系统2回退至原始位置；最后使动力钳运动至新钻头处，再启动动力钳对新钻头进行紧扣作业。动力钳紧扣作业完成后回退至初始位置，被使隔离油缸系统4的活塞杆伸出，从新建立隔水管与井口流动通道。

参照图1～图5，升举油缸系统3的下端安装于水平推拉系统1的滑轨11上，升举油缸系统3的上端与夹持系统2销轴连接。升举油缸系统3包括举升油缸、上安装板35，支撑环36，下安装板37。升举油缸系统3的下安装板37下侧安装于水平推拉系统1的滑轨11上，下安装板37的上侧与支撑环36接触并用螺栓连接；支撑环36的上表面设置有圆弧形凹槽，凹槽内安装有滚珠，滚珠与上安装板35接触，滚珠用于减小上安装板35与支撑环36之间的摩擦阻力；下安装板37上表面中心处通过螺栓紧固连接有电机，电机的传动轴与上支撑板形成花键连接，电机用于使上支撑板旋转，进而使夹持系统2旋转。

参照图3～图4，上支安装板33中心处设计有花键槽，花键槽外侧设计有螺纹孔。花键槽用于与电机的花键轴连接，螺纹孔用于将举升油缸固定于上支撑板的上端面。

参照图6～图10，所述夹持系统2包括壳体21、夹爪22、定位盖板23、大锥齿轮24、小锥齿轮25、电机26、连接板27。夹持系统2的工作原理为：电机26正向旋转使小锥齿轮25旋转，小锥齿轮25的锥齿与大锥齿轮24的锥齿相互啮合，从而使小锥齿轮25带动大锥齿轮24旋转；大锥齿的平面螺纹与夹爪22的平面螺纹相互啮合，从而使夹爪22沿大锥齿轮24的径向移动；夹爪22沿径向移动，从而使夹爪22夹紧钻头。当需夹爪22松开钻头时，电机26反向旋转，使夹爪22沿径向回退，从而实现夹爪22松开钻头的目的。

参照图6～图10，所述壳体21内部安装有夹爪22、定位盖板23、大锥齿轮24、小锥齿轮25，壳体21的下端螺栓连接有连接板27。所述壳体21的上端表面设计有t型槽28，t型槽28用于安装夹爪22。壳体21的内部由内圆环30和外圆环31构成；壳体21内圆环30的下侧外表面设计有小轴承安装孔32，小轴承安装孔32内安装有小轴承，小轴承与小锥齿轮25的小轴端相配合。壳体21内圆环30的下端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将定位盖板23紧固于内圆环30下端面。壳体21外圆环31的下侧外表面设计有大轴承安装孔33，大轴承安装孔33内安装有大轴承，大轴承与小锥齿轮25的大轴端相配合。外圆环31的大轴承安装孔33外侧设计有矩形凸台29，矩形凸台29端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将电机26紧固于矩形凸台29端面。壳体21的外圆环31下端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将连接板27紧固于外圆环31的下端面。

参照图11，所述夹爪22安装于壳体21的t型槽28内，夹爪22呈t形，夹爪22的内侧端面设计有三角形卡牙，三角形卡牙用于增加夹爪22与钻头之间的摩擦力。夹爪22的下侧表面设计有平面螺纹，夹爪22的平面螺纹与大锥齿轮24的平面螺纹相互啮合，进而实现传递电机26运动的目的。

参照图12～图13，所述大锥齿轮24呈空心圆柱状，大锥齿轮24安装于壳体21的内圆环30和外圆环31之间，且大锥齿轮24的内侧表面与壳体21的内圆环30相互配合，大锥齿轮24的上端设计有平面螺纹，大锥齿轮24的平面螺纹与夹爪22的平面螺纹相互啮合，大锥齿轮24的下端表面设计锥齿，大锥齿轮24的锥齿与小锥齿轮25的锥齿相互啮合。大锥齿轮24锥齿的下侧与定位盖板23接触，定位盖板23用于大锥齿轮24的轴向定位与安装。

参照图14，所述定位盖板23呈杯状，定位盖板23的顶端用于与大锥齿轮24接触，实现大锥齿轮24的轴向定位与安装。定位盖板23的中部外表面设计有盖板圆孔34，盖板圆孔34内有小锥齿轮25的小轴端穿过。

参照图12～图13，所述小锥齿轮25的中部设计有锥齿，小锥齿轮25的锥齿与大锥齿轮24的锥齿相互啮合。小锥齿轮25的左侧小轴端外套有小轴承，小锥齿轮25的右侧大轴端外套有大轴承，进而实现小锥齿轮25在壳体21内做旋转运动得目的。小锥齿轮25的右侧大轴端内部设计有矩形凹腔，矩形凹腔用于电机26的轴连接。

参照图15，所述连接板27呈圆盘状，连接板27沿周向设计有通孔，螺栓穿过通孔将连接板27紧固于壳体21下端面。连接板27端面中心处设计有两对矩形双耳环，矩形双耳环内设计有圆形通孔，销轴穿过圆形连接板27的矩形双耳环与升举油缸的单耳环，进而实现夹持系统2与升举系统的销轴连接。