一种能防内喷及钻井液漏失的钻杆接头的制作方法

本发明涉及一种应用在油田钻井平台钻进时防止钻井液内喷以及续接单根时钻井液大量漏失的钻杆结构。

背景技术：

油田开发已进入剩余油开采阶段，油气开采逐渐进入高温高压层段。钻井是油气开采的第一步，当前环境下，新井钻进的最后阶段钻杆将无可避免地钻进高温高压地层，地层的瞬间压力上升将对钻杆的防喷控制技术提出很大考验。目前的钻进技术对外喷已经能够很好控制，但钻杆内喷的危害更大，尚未有效解决；而且在深井钻进过程中需要反复续接单根，起卸钻杆的过程会造成大量钻井液漏失，对钻井平台操作安全形成威胁，且使操作人员的工作环境变得恶劣。虽然上个世纪九十年代已经提出了防喷溅接头设计，但其结构存在使用寿命短、存在密封延迟、频繁出现密封失效等弊端，有学者对旧式结构提出了创新设计，加入了弹簧结构以避免密封问题频繁出现，但由于弹簧结构与钻井液直接接触，极易造成弹簧的冲蚀及腐蚀问题，造成自动密封失效等问题出现，无法满足钻进工作要求。综上所述，需要设计出一种能够有效防止钻进过程中钻井液内喷以及具备较长使用寿命且能有效防止续接单根时钻井液漏失的新型特殊钻杆结构。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种能防内喷及钻井液漏失的钻杆接头，该种钻杆接头原理简单，使用方便，钻进时需要首先将本钻杆接头与钻铤上方的转换接头上端连接，在方钻杆下端也需要连接一根钻杆接头，以此保证钻进期间不会发生钻井液内喷现象，续接单根的时候也能够保证钻井液不发生喷溅，从而从两个方面降低钻井工作的风险，达到安全生产目的。

本发明的技术方案是：该一种能防内喷及钻井液漏失的钻杆接头，包括主密封结构和副密封结构，其特征在于：所述主密封结构包括固定十字隔环、移动十字隔环、限位环、中心十字管、密封胶环、球头限位环、密封球头、弹簧装置底座、内密封胶筒、外密封胶筒、固定螺栓、弹簧、弹簧装置外密封壳、球头连杆以及上钻杆接头；

其中，所述固定十字隔环由内外圆环与十字限位筋结构构成，十字限位筋宽度宽于中心十字管的十字滑槽宽度，内圆环内壁与球头连杆粗头外壁配合，完成球头连杆的径向定位，在球头连杆轴向移动时起到轴向扶正功能；

所述移动十字隔环的结构亦由内圆环及十字限位筋组成；所述移动十字隔环上端面与球头连杆的台肩面贴紧，下端面与弹簧装置底座上端面靠紧，从而完成轴向定位，圆环内表面与球头连杆的细杆部分的外圆柱面配合，完成径向定位；

所述弹簧装置底座、内密封胶筒、外密封胶筒、固定螺栓、弹簧和弹簧装置外密封壳构成弹簧组件；所述弹簧组件径向上由内至外依次为内密封胶筒、弹簧、外密封胶筒和弹簧装置外壳；所述内、外密封胶筒与弹簧装置外壳通过周向上均布的定螺栓固定在弹簧装置底座上；所述弹簧组件整体由球头连杆的细杆部分完成径向定位；

所述限位环的结构与移动十字隔环结构相同，由内圆环结构与十字限位筋构成；所述限位环的上端面与弹簧装置底座下端面压紧，其下端面与中心十字管的十字滑槽底面压紧，十字限位筋的侧面与十字滑槽侧面配合，完成周向限位；

所述中心十字管整体由多段不同厚度、相同外径的圆筒结构组成，所述圆筒结构的薄筒部分具有互成九十度的十字滑槽，厚筒部分由上到下依次有80.9°、26.6°和44°的三段密封锥面，并有与密封胶环相配合的台肩面，从而实现轴向和径向限位；

所述密封球头具有锥面、两段不等径圆弧面以及导流圆柱，所述密封球头通过螺纹连接方式与球头连杆相连，所述密封球头的锥面部分与中心十字管的第二段密封锥面锥角相同，均为26.6°；

所述密封胶环由丁腈橡胶制成，与球头限位环和中心十字管压紧，依靠方钻杆拧紧后通过固定十字隔环、中心十字管传递的轴向压力完成坐封，通过弹性变形对上钻杆接头的内壁间隙进行密封；

所述球头限位环、密封胶环、中心十字管和固定十字隔环由下至上依次安放于上钻杆接头的内腔，轴向定位依靠方钻杆接头的下端面以及上钻杆接头的内腔台肩面共同完成，径向定位依靠上钻杆接头的内腔圆柱面完成；

所述副密封结构包括副密封球头、下密封胶环、副球头密封座、副球头连杆、滤芯、下钻杆接头以及中钻杆接头；其中，所述副密封球头结构与主密封结构中的密封球头结构相同，所述副密封球头通过螺纹连接与副球头连杆相连；所述副球头密封座为厚壁圆筒结构，并具有与中心十字管相同的三段锥面，其中第一段锥面锥角为44°，副密封球头的锥面形成型面密封结构；

所述下密封胶环为圆筒结构，采用丁腈橡胶材料制成；所述下密封胶环的上、下端面分别与上钻杆接头锥段下端面以及副球头密封座的上端面相接触，上钻杆接头与中钻杆接头拧紧后受挤压变形，密封中钻杆内壁的径向间隙；

所述副球头连杆的连杆主体为阶梯杆结构，且在台肩位置以及粗杆位置分别具有十字筋条，且细杆端部拥有细牙螺纹；

所述滤芯，为硬质塑料材质，其结构是在周向上均布有φ80mm滤孔的空心阶梯轴结构，且阶梯轴大端具有135°锥角；

所述下钻杆接头，在距离大端锥螺纹结束位置590mm处焊接有滤芯挡板，且滤芯挡板具有135°的锥角；

所述中钻杆接头，在距离大端锥螺纹结束位置960mm处焊接有密封座挡板；

所述主密封结构和副密封结构通过拧接的上钻杆接头和中钻杆接头，拧接的钻杆接头和下钻杆接头，完成主密封结构与副密封结构的组合。

本发明具有如下有益效果：本发明中所述的特殊钻杆结构在使用时上端与方钻杆相连接，下端与普通钻杆接头连接。只需要将设计的特殊钻杆接头与钻铤上方的转换接头上端连接，并在方钻杆下端也连接一根特殊钻杆接头即可完成装置在钻井平台上的安装。而在钻井平台续接单根时只需要拆接特殊钻杆接头下方所连接的普通钻杆接头即可实现续接单根操作，操作较为方便。特殊钻杆结构的主密封结构可以起到钻进过程防内喷以及续接单根时防止钻井液漏失等作用，其具体实现方法为：正常钻进过程中，井口通过高压水龙头向钻杆内部注入钻井液，此时，球头左侧密封面受到较高的流体压力，推动移动十字隔环向右移动，弹簧被压缩，钻杆接头内部产生环空流道，钻井液注入下一节钻杆，而内外密封胶筒可以保证弹簧与钻井液隔离，球头限位环可以防止弹簧过度压缩产生压翻现象，当遇到高压地层时，井下压力将显著提升，出现内喷趋势，此时球头右侧的流体压力高于其左侧流体压力，弹簧在弹力作用下复位，球头自动密封，从而避免了内喷危险。当井口停止打压，进行续接单根操作时，球头右侧流体在自重作用下流入井底，球头右侧受到的流体压力变为零，左侧压力仅剩接头上方静液柱压力，无法克服弹簧的预压力打开环空流道，从而保证拧开与本接头相连的下一节钻杆接头时，接头上方的钻井液被球头密封无法流下，避免了续接单根时钻井液大量漏失的问题。上述工作状态详见说明书附图中的图18-图19。

副密封结构部分则具有钻井液反向过滤功能以及续接单根的辅助密封等有益效果，当井下压力过大，有内喷趋势时，副密封结构的滤芯可以过滤较大的岩屑，防止岩屑随钻井液上返，损坏密封部件，影响球头密封能力。而当下方钻杆被拧下时，副密封球头与滤芯分离，靠重力下行坐封，实现辅助密封功能，从而避免主密封球头损坏后，续接单根时钻井液无法密封的问题。工作过程详见说明书附图中的图20-图21。

综上所述，本发明所述的防内喷及钻井液漏失的特殊钻杆结构较为简单，设计巧妙，拆装容易，能够直接运用于钻井平台，实现钻进过程中防钻井液内喷以及续接单根过程中钻井液漏失的功能，易于实现对所有钻井平台的改进，具有极高的实际应用价值。

附图说明：

图1为本发明的装配图。

图2为本发明所述主密封结构。

图3为本发明所述副密封结构。

图4为本发明所述的弹簧组件。

图5为本发明所述的固定十字隔环结构。

图6为本发明所述的移动十字隔环结构。

图7（a)为本发明所述的中心十字管结构的等轴侧视图。

图7（b）为本发明所述的中心十字管结构的全剖视图。

图8所示为本发明所述密封胶环。

图9（a)为本发明所述的球头限位环结构的等轴测视图。

图9（b）为本发明所述的球头限位环结构的全剖视图。

图10为本发明所述的密封球头。

图11为本发明所述的球头连杆。

图12所示为本发明所述下密封胶环。

图13所示为本发明所述的副球头密封座。

图14所示为本发明所述的副球头连杆。

图15（a)为本发明所述的滤芯结构的等轴测视图。

图15（b）为本发明所述的滤芯结构的全剖视图。

图16为本发明所述的中钻杆接头。

图17为本发明所述的下钻杆接头。

图18（a)为本发明所述的主密封结构钻井液注入时工作状态示意图。

图18（b）为本发明所述的主密封结构钻进过程防内喷原理示意图。

图19为主密封结构续接单根时防止钻井液漏失的原理示意图。

图20为副密封结构的反向过滤功能原理示意图。

图21副密封结构续接单根时的辅助密封原理示意图。

图中1-固定十字隔环，2-移动十字隔环，3-限位环，4-中心十字管，5-密封胶环，6-球头限位环，7-密封球头，8-弹簧装置底座，9-内密封胶筒，10-外密封胶筒，11-固定螺栓，12-弹簧，13-弹簧装置外密封壳，14-球头连杆，15-上钻杆接头，16-副密封球头，17-下密封胶环，18-副球头密封座，19-副球头连杆，20-滤芯，21-下钻杆接头，22-中钻杆接头，23-外圆环，24-内圆环，25-十字限位筋，26-外圆环外壁，27-内圆环内壁，28-十字限位筋，29-内圆环，30-十字限位筋外圆环，31-内圆环内圆柱面，32-中心管外圆柱面，33-十字滑槽底面，34-十字滑槽侧面，35-中心管上端面，36-中心管上锥面，37-中心管中锥面，38-中心管下锥面，39-中心管下端面，40-中心管台肩面，41-密封胶环上端面，42-密封胶环台肩面，43-密封胶环中心圆环面，44-密封胶环外圆柱面，45-限位环下端面，46-限位环台肩面，47-限位环外圆柱面，48-限位环上端面，49-球头限位孔，50-球头导流圆柱面，51-球头圆弧面，52-球头副圆锥面，53-球头主密封锥面，54-球头螺纹孔，55-导流球面，56-大端圆柱面，57-球头连杆台肩面，58-小端圆柱面，59-球头连杆螺纹段，60-下密封胶环上端面，61-下密封胶环外圆柱面，62-下密封胶环下端面，63-下密封胶环内圆柱面，64-副球头密封座上端面，65-副球头密封座上锥面，66-副球头密封座中锥面，67-副球头密封座外圆柱面，68-副球头密封座下锥面，69-副球头密封座下端面，70-副球头连杆螺纹段，71-上十字筋条，72-下十字筋条，73-连杆下端面，74-滤芯上端面，75-滤芯滤孔，76-定位锥面，77-中接头上台肩面，，78-下接头上台肩面，79-下接头滤芯挡环，80-滤芯挡环锥面。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明可以达到下述目的：在钻进过程中当钻入高压地层时，通过特殊接头的防喷结构设计迅速自动封闭过流面积，防止钻井液内喷；当钻井平台进行续接单根时，泵压降低为零，通过密封结构的自动复位功能自动关闭环空流道，依靠弹簧预紧力抵消上方流体静压，实现防止续接单根时钻井液漏失功能。填补了国内在防止钻进过程中钻井液内喷的钻杆结构设计的空白。

如图1结合图2所示，本发明所述主密封结构包括固定十字隔环1、移动十字隔环2、限位环3、中心十字管4、密封胶环5、球头限位环6、密封球头7、弹簧装置底座8、内密封胶筒9、外密封胶筒10、固定螺栓11、弹簧12、弹簧装置外密封壳13、球头连杆14和上钻杆接头15等零部件。其中在装配使用时，密封球头和球头连杆通过球头螺纹孔54以及球头连杆螺纹段59相连。弹簧装置底座8、内密封胶筒9、外密封胶筒10、固定螺栓11、弹簧12和弹簧装置外密封壳13构成弹簧组件。

球头限位环、密封胶环、中心十字管，固定十字隔环由下至上依次安放于上钻杆接头的内腔，轴向定位依靠方钻杆接头的下端面以及上钻杆接头的内腔台肩面共同完成，径向定位依靠上钻杆接头的内腔圆柱面完成。

所述固定十字隔环结构类似于方向盘结构，由内外圆环与十字限位筋结构构成，其中十字限位筋宽度略宽于中心十字管的十字滑槽宽度，其内圆环内壁与球头连杆粗头外壁配合，完成球头连杆的径向定位，在球头连杆轴向移动时起到轴向扶正功能。

所述移动十字隔环结构由内圆环及十字限位筋组成，其上端面与球头连杆的台肩面贴紧，下端面与弹簧装置底座上端面靠紧，从而完成轴向定位，圆环内表面与球头连杆的细杆部分的外圆柱面配合，完成径向定位。

所述弹簧组件整体由球头连杆的细杆部分完成径向定位，弹簧组件径向上由内之外依次为内密封胶筒、弹簧、外密封胶筒、弹簧装置外壳，内外胶筒与弹簧装置外壳通过周向上均布的固定螺栓固定在弹簧装置底座上。

所述限位环结构与移动十字隔环结构相同，由内圆环结构与十字限位筋构成。限位环上端面与弹簧装置底座下端面压紧，其下端面与中心十字管的十字滑槽底面压紧，十字限位筋的侧面与十字滑槽侧面配合，完成周向限位。

所述中心十字管整体为多段不同厚度、相同外径的圆筒结构组成，其特殊之处在于上述圆筒结构为整体结构，其薄筒部分具有互成九十度的十字滑槽，厚筒部分由上到下依次设计有80.9°、26.6°、44°的密封锥面，并设计了台肩面与密封胶环相配合，从而实现轴向和径向限位。

所述密封球头由锥面、两段不等径圆弧面以及导流圆柱构成，通过螺纹连接方式与球头连杆相连，其特殊之处在于其锥面部分与中心十字管的第二段锥面锥角均为26.6°。

所述密封胶环由丁腈橡胶制成，其特殊之处在于与球头限位环、中心十字管压紧，依靠方钻杆拧紧后通过固定十字隔环、中心十字管传递的轴向压力完成坐封，通过弹性变形对上钻杆接头的内壁间隙进行密封。

弹簧装置底座8、内密封胶筒9、外密封胶筒10、固定螺栓11、弹簧12以及弹簧装置外密封壳13按照图4所示方式安装，利用均布的固定螺栓11固定相对位置，弹簧组件整体按照图2所示方式套装在球头连杆14的小端圆柱面58上，装配后弹簧组件的上下端面分别与移动十字隔环2以及限位环3的端面压紧，并利用球头连杆台肩面57完成轴向定位。而径向定位则通过移动十字隔环2及限位环3的十字限位筋28与中心十字管的十字滑槽34侧面完成。其余限位方法参照图示配合关系。

如附图18（a）所示，钻进过程中，井口通过高压水龙头向钻杆内部注入钻井液，此时，球头左侧密封面受到较高的流体压力，推动移动十字隔环向右移动，弹簧被压缩，钻杆接头内部产生环空流道，钻井液注入下一节钻杆，而内外密封胶筒可以保证弹簧与钻井液隔离，球头限位环可以防止弹簧过度压缩产生压翻现象，如附图18（b）当遇到高压地层时，井下压力将显著提升，出现内喷趋势，此时球头右侧的流体压力高于其左侧流体压力，弹簧在弹力作用下复位，球头自动密封，从而避免了内喷危险。如附图19所示，当井口停止打压，进行续接单根操作时，球头右侧流体在自重作用下流入井底，球头右侧受到的流体压力变为零，左侧压力仅剩接头上方静液柱压力，无法克服弹簧的预压力打开环空流道，从而保证拧开与本接头相连的下一节钻杆接头时，接头上方的钻井液被球头密封无法流下，避免了续接单根时钻井液大量漏失的问题。

如附图3结合附图12-图17及附图20及附图21所示，所述副密封结构包括副密封球头16、下密封胶环17、副球头密封座18、副球头连杆19、滤芯20、下钻杆接头21以及中钻杆接头22等零部件。

所述副密封球头结构与主密封结构的密封球头结构相同，通过螺纹连接与副球头连杆相连，所述副球头密封座为厚壁圆筒结构，并具有与中心十字管相同的三段锥面，其中第一段锥面锥角为44°，与副密封球头的锥面形成型面密封结构。

所述下密封胶环为圆筒结构，采用丁腈橡胶材料制成。其上下端面分别于上钻杆接头锥段下端面以及副球头密封座的上端面相接触，上钻杆接头与中钻杆接头拧紧后受挤压变形，密封中钻杆内壁的径向间隙。

所述副球头连杆为一杆状结构，其特别之处在于连杆主体为阶梯杆结构，且在台肩位置以及粗杆位置分别具有十字筋条，且细杆端部拥有细牙螺纹。所述滤芯，为硬质塑料材质，其特别之处在于其结构是在周向上均布有φ80mm滤孔的空心阶梯轴结构，且阶梯轴大端具有135°锥角。所述下钻杆接头，其特别之处在于在距离大端锥螺纹结束位置590mm处焊接有滤芯挡板，且滤芯挡板具有135°的锥角。所述中钻杆接头，其特别之处在于距离大端锥螺纹结束位置960mm处焊接有密封座挡板。

在装配使用时，副密封球头通过球头螺纹孔和副球头连杆螺纹段70完成连接，上钻杆接头与中钻杆接头拧紧后，下密封胶环被上钻杆接头下端面推动发生变形，完成径向间隙的密封，同时滤芯的定位锥面76被下钻杆接头的滤芯挡环锥面80限位，从而通过滤芯上端面74推动连杆下端面73，打开球头与副球头密封座之间的环空流道。如附图20所示，当井下压力过大，有内喷趋势时，钻井液带着岩屑上返，通过滤芯上均布的滤芯滤孔75可以将大岩屑过滤掉，防止岩屑随钻井液上返，损坏密封部件，影响球头密封能力。如附图21所示，当下方钻杆被拧下时，副密封球头与滤芯分离，靠重力下行坐封，实现辅助密封功能，从而避免主密封球头损坏后，续接单根时钻井液无法密封的问题。下行过程中副球头连杆19可以通过上十字筋条71和下十字筋条72实现扶正功能，防止下行偏斜造成副球头密封失效。

所述主密封结构和副密封结构完成在相应位置处的安装后，将上钻杆接头和中钻杆接头拧接，再将中钻杆接头和下钻杆接头拧接，完成主密封结构与副密封结构的组合，从而形成所述特殊钻杆接头的完整结构。