一种起下管柱钻井液灌注和循环装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种起下管柱钻井液灌注和循环装置及方法，属于石油天然气行业钻井起下管柱作业技术领域。
【背景技术】
[0002]在石油天然气工业中，钻井是打通从地面到油气储层通道的过程，在油气资源勘探和开发的过程中起着十分重要的作用。在钻井过程中，井口动力设备依靠钻柱将动力传输到钻头上，钻头在井底不断破岩钻进的同时也在逐渐磨损，引起钻速下降，当磨损到一定程度的时候就需要更换钻头。这时就需要将井下的全部钻柱起出起钻，更换钻头后再将全部钻柱下入井内下钻，这就是钻井中的起下钻作业。在已经钻成的井眼中按照规定深度下入一定规格的套管，用以稳定井眼、封隔复杂地层，为进一步钻进或开采做准备，这就是钻井中的下套管作业。概括起来，这些在钻井过程中反复的将管柱包括钻杆、套管等下入井底或提升至井口的过程就是起下管柱作业。钻井液在钻井过程中起着非常重要的作用，例如清除井底岩屑、平衡地层压力、冷却和润滑钻头及钻柱、获取所钻地层资料以及传输钻井动力等。在起下管柱的过程中，应该根据不同情况，进行灌注或循环钻井液作业，避免由于起下管柱引起的井底压力激动，减少和避免遇阻、遇卡和井喷等事故的发生。
[0003]我国石油钻井除少数重点井采用顶驱钻井外，常规井主要采用转盘钻井，一般需要通过接方钻杆来实现钻井液的灌注和循环，这是上扣和卸扣的反复操作过程，费时费力。在起下钻过程中如果遇阻，由于此时接方钻杆困难，很难及时实现钻井液的循环，容易导致卡钻事故或井喷事故的发生。随着钻井向着复杂、高风险方向发展，如何降低转盘钻井起下管柱的风险，已经迫在眉睫。从钻井生产安全和提高效率角度出发，为保证钻井生产的正常进行，迫切需要一套能够在起下管柱过程中实现钻井液灌注和循环的装置。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种起下管柱钻井液灌注和循环装置及方法。
[0005]一种全新的适用于常规转盘钻机的起下管柱钻井液灌注和循环装置，可快速建立钻井液循环通道，实现起下钻过程中与管柱的可靠连接，免除了由于钻井液循环所需要的频繁的接卸方钻杆操作，提高钻机安全性，减少起下钻过程中遇阻或遇卡事故的发生；另夕卜，此装置的使用可以避免由于快速起下管柱引起的井口泥浆溢流，提高起下管柱效率。
[0006]本发明采用的技术方案是:
[0007]一种起下管柱钻井液灌注和循环装置，耳座、U型螺栓固定在钻机吊环上，其安装位置应该根据吊卡中夹持的管柱的端面确定，连接接头的位置应高出管柱端面130mm?150_左右为宜；耳座、U型螺栓应根据钻机使用的不同规格的吊环进行匹配；
[0008]马达安装在减速箱的输入端，减速箱内部为齿轮减速机构，通过减速获得合适的输出扭矩和输出转速；
[0009]连接接头与减速箱的输出端连接，连接接头上装有连接密封，起下管柱钻井液灌注和循环装置通过连接接头和连接密封与管柱进行连接和密封；
[0010]连接密封可通过密封压块、螺钉等安装在连接接头上；
[0011]管线连接机构的上端为钻井液循环管线接口，管线连接机构的下端与连接接头相连接，形成钻井液循环的通道；连接接头为转动件；
[0012]第一气缸通过销轴与滑座相连，驱动第一气缸可带动滑座沿导轨上下运动；连杆机构通过第五销轴和第六销轴与滑座连接；连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、驱动轴、驱动缸以及第五销轴、第六销轴；
[0013]第二气缸的一端通过第七销轴与滑座相连，另一端通过第四销轴与连杆机构连接，第二气缸推动连杆机构转动；
[0014]驱动轴是连杆机构的转动轴，其下端与减速箱的箱体连接，推动减速箱与连杆机构同步运动；
[0015]控制系统由气源处理原件、第二压力表、压力旁通阀、第四调压阀、第五压力表、第六换向阀、第七换向阀、第八换向阀、第九压力表、第十调压阀组成；
[0016]马达的控制管路上分别安装有第十调压阀、第九压力表以及第八换向阀，通过控制第八换向阀实现马达的正反转；
[0017]第一气缸为单作用气缸，连接缸筒上端的气源管线，缸筒下侧通大气；当压力旁通阀和第六换向阀打开，气缸上端接通气源压力，对应动作为推动滑座向上运动；当压力旁通阀关闭、第六换向阀打开时，可调节第四调压阀使第一气缸的上推力略小于装置本体的重力，对应动作为滑座缓慢下降；
[0018]第二气缸为双作用气缸，该气缸的行程决定了连杆机构的转动角度，气缸收回对应了装置的收回状态；气缸推出对应了装置的连接密封状态。
[0019]吊卡卡持的管柱上方时，通过控制系统启动马达正转，通过减速箱带动连接接头与管柱快速旋扣；连接密封安装在连接接头上；连接密封与管柱端面发生接触并发生一定的压缩量；当完成起下管柱作业中钻井液灌注和循环时，通过控制系统控制马达反向转动，连接接头与管柱快速卸扣；通过控制系统操作驱动第一气缸和第二气缸，推动连接接头向上移动并摆动至吊卡外侧。
[0020]一种起下管柱钻井液灌注和循环装置及方法，含有以下步骤；
[0021]步骤1、通过U型螺栓等紧固件将起下管柱钻井液灌注和循环装置的本体固定在钻机的吊环上，连接钻井液管线及马达、气缸的控制气路管线；
[0022]步骤2、在钻井起下管柱作业中，当需要灌注和循环钻井液时，通过控制系统分别操作两个驱动缸，推动连接接头摆动到井口位置并下降至吊卡夹持的管柱上方；
[0023]步骤3、通过控制系统操作马达正向转动，通过减速箱带动连接接头与管柱快速旋扣，此时连接密封与管柱端面发生接触并发生一定的压缩量，产生密封效果。此时可以开启钻机的灌浆阀门，根据需要进行灌注和循环钻井液；
[0024]步骤4、当灌注或循环钻井液结束时，关闭钻机的灌浆阀门，通过控制系统操作马达反向转动，连接接头与管柱快速卸扣；
[0025]步骤5、通过控制系统操作驱动缸，推动连接接头向上运动并摆动至吊卡外侧，留出管柱作业空间，不与正常起下管柱作业发生干涉，此时可以进行正常的起下管柱作业；
[0026]重复步骤2?步骤5，直至完成全部起下管柱作业中钻井液的灌注和循环。
[0027]本发明的有益效果是:起下管柱钻井液灌注和循环装置，提供一种全新的适用于常规转盘钻机的起下管柱钻井液灌注和循环的途径和方法，该装置采用连杆机构定位对正，采用马达旋转驱动连接螺纹建立钻井液循环通道，能够实现起下管柱过程中与管柱的快速连接，随时进行钻井液灌注和循环，减少由于起下管柱引起的井底压力激动，避免因起钻导致钻井液液面下降、井筒压力失衡及溢流的发生，提高钻井起下管柱作业的安全性，减少起下钻过程中遇阻、遇卡和井喷事故的发生；同时，该装置的使用可以避免常规钻井中由于钻井液循环所需要的频繁的接卸方钻杆操作，具有安全、高效等特点。
[0028]本发明是全新的设计，根据查新，目前国内还不存在该类设备，因而本发明属于填补空白的技术发明。
[0029]本发明的原理样机经厂内台架试验测试表明，满足设计要求，具有安装快捷、操作方便、安全可靠的特点，达到了预期的设计目的。
【附图说明】
[0030]当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中:
[0031]图1是起下管柱钻井液灌注和循环装置的主视图，此时装置处于收回状态，避开井口位置，可以进行正常的起下钻作业；
[0032]图2是该装置处于工作状态示意图，装置与井口管柱建立连接，此时可以进行钻井液灌注和循环；
[0033]图3是该装置俯视图，此时装置处于收回状态；
[0034]图4是该装置俯视图，此图对应图2的管柱连接状态；
[0035]图5是连接接头和连接密封的剖视图；
[0036]图6是控制系统的原理图。
[0037]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
【具体实施方式】
[0038]显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
[0039]实施例1:如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，起下管柱钻井液灌注和循环装置，包括:马达1、减速箱2、连接密封3、连接接头4、驱动轴5、导轨座9、第一气缸10、销轴
11、滑座12、连杆机构13、导轨14、耳座15、U型螺栓16、钻井液循环管线接口 17、管线连接机构18、驱动缸19、密封压块21、螺钉22和控制系统20等组成。为辅助说明，图纸还包括钻机的吊卡6、管柱7、吊环8。其组成关系如下:
[0040]如图1、图2所示，起下管柱钻井液灌注和循环装置可以通过耳座15、U型螺栓16等固定在钻机吊环8上，其安装位置应该根据吊卡6中夹持的管柱7的端面确定，连接接头4的位置应高出管柱7端面130_?150_左右为宜。耳座15、U型螺栓16应根据钻机使用的不同规格的吊环8进行匹配；
[0041]马达I安装在减速箱2的输入端，减速箱内部为齿轮减速机构，通过减速获得合适的输出扭矩和输出转速；
[0042]连接接头4与减速箱2的输出端连接，连接接头4上装有连接密封3，起下管柱钻井液灌注和循环装置通过连接接头4和连接密封3与管柱7进行连接和密封；
[0043]连接密封3可通过密封压块21、螺钉22等安装在连接接头4上，如图5所示；
[0044]管线连接机构18的上端为钻井液循环管线接口 17，管线连接机构18的下端与连接接头4相连接，形成钻井液循环的通道；因为连接接头4为转动件,钻井液循环管线为非转动部分，因此连接机构18需可实现转动和静止的分离；
[0045]第一气缸10通过销轴11与滑座12相连，驱动第一气缸10可带动滑座12沿导轨14上下运动；连杆机构13通过第五销轴13.5和第六销轴13.6与滑座12连接；连杆机构13包括第一连杆13.1、第二连杆13.2、第三连杆13.3、驱动轴5、驱动缸19以及第五第五销轴13.5、第六销轴13.6