一种深水钻井三级密封球形接头的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种深水钻井三级密封球形接头,它主要由球芯、防沙罩、密封系统、电磁控制系统、自动压差调节系统组成。球芯中心设有通孔，其底部为喇叭形开口；所述防沙罩为锥形与环形组合防沙罩，由四块锥形薄板通过双头螺栓拼装而成；所述密封系统由球芯、第三级球面组合密封、第三级密封件、第三级组合密封、第二级密封件、第二级球面组合密封、第二级组合密封、第一级组合密封、第一级密封件、第一级球面组合密封、外壳组成；电磁控制系统由第一电磁球阀，第二电磁球阀，第三电磁球阀，第四电磁球阀，第五电磁球阀组成；自动压差调节系统由一级增压缸和二级增压缸组成；本发明密封性能好；操作方便，安全性高；适用于深水和超深水钻井。
【专利说明】
一种深水钻井三级密封球形接头
技术领域
[0001]本发明涉及一种深水钻井三级密封球形接头，既多级球面密封的万向旋转接头，尤其涉及适用于海洋石油深水钻井装置中的球形接头，属于机械工程装置技术领域。
【背景技术】
[0002]在海洋石油深水钻井装置中，球形接头是一种介于隔水管和防喷器之间的连接装置。其上部连接隔水管，下部固定在防喷器上。装置外部工作环境为海水，内部工作环境为高压的钻井液，因此对球形接头的密封性要求较高。当隔水管与钻井船受到海洋洋流、风浪的作用时，连接接头会绕轴线呈O?360°周向旋转和绕球心呈-10°?10°径向偏转，为实现这一功能，需要一种密封性能好，既能实现周向旋转，同时又能实现径向偏转的连接装置，球形接头便是实现该功能的最佳选择。
[0003]国外对适用于深水的球形接头的研究大都是对其力学方面的研究，如美国T.J.Kozik等人对球形接头受到的复杂的应力进行了详细分析，但对其详细结构却没有涉及。国内目前对球形接头的研究基本上仅停留于浅海钻井，并且大都采用单级密封，满足不了深水钻井对球形接头及其密封技术的需求，现存的深水钻井接头普遍采用挠性接头，然而这种接头由于挠性体的局限性，使得其转动角度小，且容易产生疲劳破坏。本发明特意针对目前缺乏高性能的深水球形接头这一技术难题研究了一种适用于深水钻井的三级密封球形接头。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服目前的深水钻井球形接头的存在技术难题，提供一种适用于深水钻井的三级密封球形接头，适用于3000米水深、密封性能好、安全性高、转动角度大、多级密封的球形接头。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]本发明一种深水钻井三级密封球形接头，主要由球芯、防沙罩、密封系统、电磁控制系统、自动压差调节系统组成。所述球芯中心设有通孔，其底部为喇叭形开口，轴颈处焊接有支撑环，支撑环上设有8个螺钉孔，能实现绕球接头的轴线呈0°?360°周向旋转，绕球心呈-10°?10°径向偏转。
[0007]所述防沙罩为锥形与环形组合防沙罩，由四块锥形薄板通过双头螺栓拼装而成，其主体为锥形，顶端水平焊接环形薄板，底端竖直焊接环形薄板。整个防沙罩通过8个螺钉固定在支撑环上，防止防沙罩在球芯的轴颈处上下移动和转动。该防沙罩既可防止杂物从竖直方向掉进装置开口处，又可防止杂物在洋流作用下从水平方向进入装置开口处，锥形防沙罩还可使堆积在防沙罩上的杂物在重力作用下自动掉落到装置之外，采用筋板式拼装方式既能使安装方便，又能承受安装过程中防沙罩克服海水阻力受到的力矩
[0008]所述密封系统由球芯、第三级球面组合密封、第三级密封件、第三级组合密封、第二级球面组合密封、第二级密封件、第二级组合密封、第一级球面组合密封、第一级密封件、第一级组合密封、外壳组成。第三级密封件为剖分结构，其小端面外径处设有台阶，台阶内安装第三级组合密封，第三级密封件的球面内设有凹槽，凹槽内安装第三级球面组合密封；第二级密封件为整体式结构，其大端面外径处设有台阶，第二级密封件的球面内设有凹槽，凹槽内安装第二级球面组合密封;第一级密封件为整体式结构，其小端面外径处设有台阶；第一级密封件的球面内设有凹槽，凹槽内安装第一级球面组合密封。每一级密封件的球面都与球芯的球面配合密封，同时，每一级球面组合密封都与球芯的球面配合密封，防止液体从球面泄漏；另外，外壳内表面两端分别具有一个台阶，台阶上具有“背靠背”的两凹槽，凹槽内分别安装第二级组合密封和第一级组合密封，防止液体从外壳内表面泄漏，以上两种形式的密封共同组成装置的密封系统。
[0009]所述电磁控制系统由第一电磁球阀，第二电磁球阀，第三电磁球阀，第四电磁球阀，第五电磁球阀组成。第一电磁球阀为常开式电磁球阀，并联于一级增压缸的小端;第二电磁球阀为常闭式电磁球阀，串联于一级增压缸的大端，第三电磁球阀为常开式电磁球阀，与高压密封腔底部的法兰串联，第五电磁球阀为常闭式电磁球阀，串联于一级增压缸的大端，然后再与常开式的第四电磁球阀并联。在安装过程中，电磁阀断电，常开式电磁球阀均打开，常闭式电磁球阀均关闭，实现安装过程中自动向密封腔内注水，同时使两增压缸的活塞在海水的压力作用下保持在大端，保证增压过程活塞有足够的行程。安装完毕后，电磁球阀通电，此时常开式电磁球阀均关闭，常闭式电磁球阀均开启，形成两个密封腔。
[0010]所述自动压差调节系统由一级增压缸和二级增压缸组成。一级增压缸大端与第二电磁球阀串联，其小端与第一电磁球阀并联。二级增压缸大端与第五电磁球阀串联之后再与第四电磁球阀并联:并联后二级增压缸大端一侧与低压密封腔通过法兰接通，其小端与高压密封腔通过法兰接通。当电磁球阀通电后，常闭式电磁球阀均打开，常开式电磁球阀均关闭，一级增压缸自动实现一级增压，调节低压密封腔与海水之间的压差，二级增压缸自动实现二级增压，调节高压密封腔与低压密封腔之间的压差和高压密封腔与装置内的钻井液之间的压差。此外，当第一级密封件失效时，钻井液进入高压密封腔，使高压密封腔压力迅速增加，二级增压缸的活塞在压力作用下向大端移动，为低压密封腔增压，自动减小此时两密封腔之间的压差，起到自动压差调节作用。
[0011]本发明的优点是:具有转动角度大，密封性能好;操作方便，安全性高;适用于深水和超深水钻井。
【附图说明】
[0012]图1为本发明一种深水钻井三级密封球形接头的结构示意图；
[0013]图2为本发明的电磁控制系统示意图；
[0014]图3为本发明的定位环示意图；
[0015]图4为本发明的第三级密封示意图。
[0016]图中:1.球芯，2.支撑环，3.防沙罩，4.上端盖，5.第三级球面组合密封，6.第三级密封件，7.第三级组合密封，8.第一电磁球阀，9.一级增压缸，10.第二电磁球阀，11.外壳，12.低压密封腔，13.定位环，14.第二级密封件，15.第二级球面组合密封，16.第二级组合密封，17.第三电磁球阀，18.高压密封腔，19.第一级组合密封，20.第一级密封件，21.第一级球面组合密封，22.下端盖，23.二级增压缸，24.第四电磁球阀，25.第五电磁球阀。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0018]如图1、图2、图3、图4所示，本发明一种深水钻井三级密封球形接头，主要由球芯1、防沙罩3、密封系统、电磁控制系统、自动压差调节系统组成。所述球芯I中心设有通孔，其底部为喇叭形开口，轴颈处焊接有支撑环，支撑环上设有8个螺钉孔，能实现绕球接头的轴线呈0°?360°周向旋转，绕球心呈-10°?10°径向偏转。
[0019]所述防沙罩3为锥形与环形组合防沙罩，由四块锥形薄板通过双头螺栓拼装而成，其主体为锥形，顶端水平焊接环形薄板，底端竖直焊接环形薄板;整个防沙罩3通过8个螺钉固定在支撑环2上，防止防沙罩3在球芯I的轴颈处上下移动和转动。该防沙罩3既可防止杂物从竖直方向掉进装置开口处，又可防止杂物在洋流作用下从水平方向进入装置开口处，锥形防沙罩还可使堆积在防沙罩3上的杂物在重力作用下自动掉落到装置之外;采用筋板式拼装方式既能使安装方便，又能承受安装过程中防沙罩3克服海水阻力受到的力矩
[0020]所述密封系统由球芯1、第三级球面组合密封5、第三级密封件6、第三级组合密封
7、第二级密封件14、第二级球面组合密封15、第二级组合密封16、第一级组合密封19、第一级密封件20、第一级球面组合密封21、外壳11组成。第三级密封件6为剖分结构，其小端面外径处设有台阶，台阶内安装第三级组合密封7，第三级密封件6的球面内设有凹槽，凹槽内安装第三级球面组合密封5;第二级密封件14为整体式结构，其大端面外径处设有台阶，第二级密封件14的球面内设有凹槽，凹槽内安装第二级球面组合密封15;第一级密封件20为整体式结构，其小端面外径处设有台阶;第一级密封件20的球面内设有凹槽，凹槽内安装第一级球面组合密封21。每一级密封件的球面都与球芯的球面配合密封，同时，每一级球面组合密封都与球芯的球面配合密封，防止液体从球面泄漏;另外，外壳11内表面两端分别具有一个台阶，台阶上具有“背靠背”的两凹槽，凹槽内分别安装第二级组合密封16和第一级组合密封19，防止液体从外壳11的内表面泄漏，以上两种形式的密封共同组成装置的密封系统。
[0021]所述电磁控制系统由第一电磁球阀8，第二电磁球阀1，第三电磁球阀17，第四电磁球阀24，第五电磁球阀25组成。第一电磁球阀8为常开式电磁球阀，并联于一级增压缸9的小端;第二电磁球阀10为常闭式电磁球阀，串联于一级增压缸9的大端，第三电磁球阀17为常开式电磁球阀，与高压密封腔18底部的法兰串联，第五电磁球阀25为常闭式电磁球阀，串联于二级增压缸23的大端，然后再与常开式的第四电磁球阀24并联。在安装过程中，电磁阀断电，常开式电磁球阀均打开，常闭式电磁球阀均关闭，实现安装过程中自动向密封腔内注水，同时使两增压缸的活塞在海水的压力作用下保持在大端，保证增压过程活塞有足够的行程。安装完毕后，电磁球阀通电，此时常开式电磁球阀均关闭，常闭式电磁球阀均开启，形成两个密封腔。
[0022]所述自动压差调节系统由一级增压缸9和二级增压缸23组成。一级增压缸9大端与第二电磁球阀10串联，其小端与第一电磁球阀8并联。二级增压缸23大端与第五电磁球阀25串联之后再与第四电磁球阀24并联，并联后二级增压缸23大端一侧与低压密封腔12通过法兰接通，其小端与高压密封腔18通过法兰接通。当电磁球阀通电后，常闭式电磁球阀均打开，常开式电磁球阀均关闭，一级增压缸9自动实现一级增压，调节低压密封腔12与海水之间的压差，二级增压缸23自动实现二级增压，调节高压密封腔18与低压密封腔12之间的压差和高压密封腔18与装置内的钻井液之间的压差。此外，当第一级密封件20失效时，钻井液进入高压密封腔18，使高压密封腔18压力迅速增加，二级增压缸23的活塞在压力作用下向大端移动，为低压密封腔12增压，自动减小此时两密封腔之间的压差，起到自动压差调节作用。
[0023]球芯I上具有支撑环2，用以支撑固定防沙罩3，防止防沙罩3在球芯I的轴颈处发生上下移动或转动；防沙罩3采用锥形和环形组合防沙罩，既可防止杂物从竖直方向掉进装置开口处，又可防止杂物在洋流作用下从水平方向进入装置开口处，锥形防沙罩还可使堆积在防沙罩3上的杂物在重力作用下自动掉落到装置之外，采用筋板式拼装方式既能使安装方便，又能承受安装过程中防沙罩3克服海水阻力受到的力矩;上端盖4和第三级密封件6都采用剖分结构，便于安装和测量;密封系统包括两种密封形式，其中第三级密封件6、第三级组合密封7、定位环13、第二级密封件14、第二级组合密封16、外壳11、第一级密封件20、第一级组合密封19为第一种密封形式，主要防止液体沿着外壳内表面泄漏，第三级密封件6、第三级球面组合密封5、第二级密封件14、第二级球面组合密封15、第一级密封件20、第一级球面组合密封21、球芯I为第二种密封形式，主要防止液体沿着球面泄漏，这两种形式的密封共同组成装置的密封系统；电磁控制系统实现在安装过程中海水自动充入装置和保证一级增压缸9、二级增压缸23的活塞处于大端底部，保证增压缸能够正常工作，同时实现安装完毕后将两个密封腔自动隔开，在增压缸的作用下自动形成低压密封腔12和高压密封腔18;自动压差调节系统由一级增压缸9和二级增压缸23组成，一级增压缸9自动实现一级增压，调节低压密封腔12与海水之间的压差，二级增压缸23自动实现二级增压，调节高压密封腔18与低压密封腔12之间的压差和高压密封腔18与装置内的钻井液之间的压差。此外，当第一级密封件20失效时，钻井液进入高压密封腔18，使高压密封腔18压力迅速增加，二级增压缸23的活塞在压力作用下向大端移动，为低压密封腔12增压，自动减小此时两密封腔之间的压差，起到自动压差调节作用。
【主权项】
1.一种深水钻井三级密封球形接头，主要由球芯(I)、防沙罩(3)、密封系统、电磁控制系统、自动压差调节系统组成，其特征在于:所述球芯(I)中心设有通孔，其底部为喇叭形开口，轴颈处焊接有支撑环;所述防沙罩(3)为锥形与环形组合防沙罩，由四块锥形薄板通过双头螺栓拼装而成，其主体为锥形，顶端水平焊接环形薄板，底端竖直焊接环形薄板;所述密封系统由球芯(I)、第三级球面组合密封(5)、第三级密封件(6)、第三级组合密封(7)、第二级密封件(14)、第二级球面组合密封(15)、第二级组合密封(16)、第一级组合密封(19)、第一级密封件(20)、第一级球面组合密封(21)、外壳(11)组成;所述电磁控制系统由第一电磁球阀(8)，第二电磁球阀(1)，第三电磁球阀(17)，第四电磁球阀(24)，第五电磁球阀(2 5)组成;第一电磁球阀(28)为常开式电磁球阀，并联于一级增压缸(9)的小端;第二电磁球阀(10)为常闭式电磁球阀，串联于一级增压缸(9)的大端;第三电磁球阀(17)为常开式电磁球阀，与高压密封腔(18)底部的法兰串联;第五电磁球阀(25)为常闭式电磁球阀，串联于二级增压缸(23)的大端，然后再与常开式的第四电磁球阀(24)并联;所述自动压差调节系统由一级增压缸(9)和二级增压缸(23)组成;一级增压缸(9)大端与第二电磁球阀(10)串联，其小端与第一电磁球阀(8)并联;二级增压缸(23)大端与第五电磁球阀(25)串联之后再与第四电磁球阀(24)并联，并联后二级增压缸(23)大端一侧与低压密封腔(12)通过法兰接通，其小端与高压密封腔(18)通过法兰接通。2.根据权利要求1所述的一种深水钻井三级密封球形接头，其特征在于:第三级密封件(6)为剖分结构，其小端面外径处设有台阶，台阶内安装第三级组合密封(7)，第三级密封件(6)的球面内设有凹槽，凹槽内安装第三级球面组合密封(5);第二级密封件(I4)为整体式结构，其大端面外径处设有台阶，第二级密封件(14)的球面内设有凹槽，凹槽内安装第二级球面组合密封(15);第一级密封件(20)为整体式结构，其小端面外径处设有台阶;第一级密封件(20)的球面内设有凹槽，凹槽内安装第一级球面组合密封(21);外壳(11)内表面两端分别具有一个台阶，台阶上具有“背靠背”的两凹槽，凹槽内分别安装第二级组合密封(I6)和第一级组合密封(19)，防止液体从外壳(11)的内表面泄漏。3.根据权利要求1所述的一种深水钻井三级密封球形接头，其特征在于:当电磁球阀通电后，常闭式电磁球阀均打开，常开式电磁球阀均关闭；一级增压缸(9)自动实现一级增压，调节低压密封腔(12)与海水之间的压差;二级增压缸(23)自动实现二级增压，调节高压密封腔(18)与低压密封腔之间的压差和高压密封腔(18)与装置内的钻井液之间的压差。
【文档编号】E21B33/037GK106089143SQ201610436789
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】侯勇俊, 唐迁, 方潘, 王钰文, 杜长成
【申请人】西南石油大学