煤层气欠平衡钻井配套旋转控制头

摘要

本发明所涉及的煤层气欠平衡钻井配套旋转控制头，主要用于欠平衡钻井，属于欠平衡钻井井控装备领域。本发明包括旋转总成、卡箍总成和壳体总成，旋转总成坐入壳体总成内，安装在壳体上端的卡箍总成采用手动方式关闭卡箍本体，固定旋转总成完成设备组装。卡箍本体内侧双锥面设计，增强扶正效果，旋转总成采用集中润滑结构润滑向心、推力轴承组合和动密封组件，延长设备使用寿命，下端装有胶芯，导流上返的钻井介质，实现安全控制。壳体总成采用壳体本体和旁通口分离结构，方便更换，增强控制头连续作业能力，提高设备利用率。该装置结构简单、紧凑，便于运移，设备成本低，维修、维护方便，稳定性和安全性高，适应我国“三低”地质特征的煤层开采需要。

说明书

技术领域

本发明属于煤层气钻井作业中的一种井控装置，具体涉及在煤层气欠平衡钻井作业中提供安全有效的井口压力控制和导离井内液体的旋转控制装置。

背景技术

在我国煤层气开发起步比较晚，基础理论和技术上都无法与常规天然气开发相比，尤其是煤层特殊的“三低”即低压、低饱和、低渗透的地质特征又造成煤层气单井产量普遍较低，而我国目前煤层气钻井技术比较单一，现有的钻井技术、装备和工具大都是从石油钻井中借鉴的，与煤层气钻井的特殊工况不配套，导致钻井成本偏高，这些原因构成了严重制约我国煤层气大规模开发的主要因素，即单井产量低、钻井成本高、钻井技术不配套、专用工具及装备匮乏等。欠平衡钻井技术由于突出的储层保护能力和较高的钻井速度等方面特点，使得其在煤层气开采上具有明显的技术优势，可以减少外来流体中的固体颗粒对煤气层的损害、减少煤气层内部颗粒运移造成的损害、减少泥浆中粘土颗粒的水化膨胀堵塞孔隙、避免流体的不配性对煤气层的损害、避免水锁效应等。因此研究适用于煤层气的欠平衡钻井技术，可以降低煤层气钻井成本、保护储层、提高钻井速度，有利于进行大规模的煤层气开发，完成煤层气的产能规划指标。

大力发展煤层气欠平衡钻井技术，必须要有适用于煤层气欠平衡钻井技术的工具及装备为支撑。由于煤层气钻井独特的地质条件和特殊的井身结构，直接将用于石油钻井的欠平衡钻井工具及装备移植到煤层气欠平衡钻井中就暴露出成本高、体积大，不利于迅速搬迁和提高钻速等一系列问题。目前煤层气钻井中使用的旋转控制头是从石油钻井中引入的，约人民币50万元/台，且体积大、高度超过了小型车载钻机(修井机)的安装高度，使用时需要将车载钻机(修井机)底盘抬高，影响了钻进过程中的稳定性和安全性。因此，在现有基础上研制出适用于煤层气欠平衡钻井的专用工具及装备有利于降低单井作业成本，提高钻井速度，增强装备可运移性，对于煤层气开发的总体规划十分必要与迫切。

中国专利公开号CN 101182760A，公开日2008年5月21日，发明创造的名称为欠平衡钻井旋转控制装置，该申请案公开了欠平衡钻井旋转控制装置，其不足之处在于：旁通口和壳体采用的是焊接方式连接，经上返的钻井介质反复冲蚀，壳体本体和旁通口相贯部位容易出现损坏，维修时只能将壳体总成整体换下，延长了作业时间；该装置增加液缸，以控制卡箍的开关，使设备体积偏大，而轴承总成采用多级传动方式，结构复杂，设备高度也超过了小型车载钻机的安装高度，使用时需要将车载钻机底盘抬高，影响了钻进过程中的稳定性和安全性，不利于钻速提高和设备搬迁，投入成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种专门用于煤层气欠平衡钻井的旋转控制头装置，一方面解决设备与工况不配套的问题，另一方面解决投入与产出不平衡的问题，即单井产量低、投入成本高，以实现在低成本下稳定、安全地完成对煤层气井的钻进过程。

为了达到以上目的，本发明提供如下的技术解决方案：本发明所涉及的煤层气欠平衡钻井配套旋转控制头，包括旋转总成、卡箍总成和壳体总成组成，卡箍总成安装于壳体总成上端，旋转总成穿过壳体密封环坐入在壳体总成内，转动卡箍总成上的活结螺栓，拧紧台肩螺母关闭卡箍，固定旋转总成，壳体密封环密封旋转总成与壳体总成间的间隙，实现整个旋转控制装置的装配。

本发明所涉及的煤层气欠平衡钻井配套旋转控制头，所述的旋转总成上端直接接方钻杆驱动器，由方钻杆带动，它包括中心筒、挡泥环、轴承盖、上向心轴承、下向心轴承、上推力轴承、下推力轴承、动密封组件、旋转壳体、动密封压盖、胶芯和胶芯连接盘，中心筒上端安装有挡泥环，轴肩处两侧分别安装上推力轴承和下推力轴承，上轴承垫圈安装于上推力轴承一侧，下轴承垫圈安装于下推力轴承一侧，上向心轴承安装于上轴承垫圈侧，下向心轴承安装于下轴承垫圈侧，在上、下向心轴承外侧分别安装上轴用挡圈、下轴用挡圈，轴承、轴承垫圈、中心筒安装在旋转壳体内；所述的轴承盖通过六角头螺栓与旋转壳体连接，外侧设有轴承盖静密封圈，内侧设有两组o型密封圈；动密封组件由油压盘根、带孔隔环、井压盘根和小隔环组成，安装在旋转壳体动密封槽内，通过动密封压盖固定，动密封压盖内侧设有防尘圈，与旋转壳体连接处设有压盖密封圈；胶芯连接盘安装在中心筒下端，通过内六角螺钉连接，胶芯连接盘上端设有胶芯连接盘静密封圈，实现与中心筒的静密封，胶芯安装在胶芯连接盘下端，通过载丝螺栓和螺母连接，胶芯与钻杆配合，导流钻井液。

本发明所涉及的煤层气欠平衡钻井配套旋转控制头，所述的壳体总成由壳体本体、壳体密封环、卡箍支撑块、限位螺钉、卡箍铰链座、吊耳、栽丝螺栓和双头螺柱组成，壳体总成采用壳体本体和旁通口分离结构，将旁通口分离出来做成双法兰短节，所述双法兰短节与壳体本体通过栽丝螺栓和六角螺母安装在壳体本体上；壳体密封环安装于壳体本体上端的密封槽内；卡箍铰链座、卡箍支撑块和吊耳与卡箍本体通过焊接工艺连接，四个吊耳均布与壳体本体圆柱面上；限位螺钉通过螺纹安装在卡箍支撑块上；盲板法兰与双法兰短节通过双头螺柱和六角螺母连结。

本发明所涉及的煤层气欠平衡钻井配套旋转控制头，所述的卡箍总成由左、右本体卡箍、活结螺栓、卡箍销轴、活结螺栓销轴、吊环螺钉和台肩螺母组成，左本体卡箍和右本体卡箍通过卡箍销轴连接，安装在壳体总成的铰链座上；吊环螺钉安装在卡箍本体上；活结螺栓通过活结螺栓销轴安装在右本体卡箍上；所述的卡箍总成采用双锥面结构，分别卡在壳体总成上端锥面和旋转壳体上的锥面。

本发明具有一下优点：该装置为圆柱形结构，最大总高度为944毫米，最大直径为564毫米，适用于的油压小于7兆帕斯卡的欠平衡钻井，适合5寸半及以下尺寸钻杆使用；采手动关闭的卡箍结构，简化设备结构，降低设备投入，卡箍总成的左右卡箍本体采用双锥面结构，扶正效果好；旋转总成的轴承组合采用向心轴承和推力轴承分别承担钻井施工中的轴向力和侧向力，轴承之间受力合理、结构紧凑；对轴承组合和动密封件采用集中润滑结构，将动密封变为湿摩擦，延长动密封件使用寿命，减小维护投入，下端装有胶芯，密封钻具，实现压力控制，保障施工安全性；壳体总成采用壳体本体和旁通口分离结构，方便更换旁通口，利于延长旋转控制头作业时间，提高设备利用率。该装置结构简单、紧凑，装运方便，设备成本低，所有零配件实现国产化，制造、维护，安全性和稳定性高，利于提高钻速，延长钻头寿命。

附图说明

图1是煤层气欠平衡钻井配套旋转控制头结构示意图

图2是旋转总成结构示意图

图3是动密封组件剖视图

图4是旋转壳体剖视图

图5是卡箍总成结构示意图

图6是卡箍截面图

图7是壳体总成结构示意图

图中：旋转总成1 卡箍总成2 壳体总成3 挡泥环4 六角头螺栓5 轴承盖6 上轴用挡圈7 上向心轴8承上推力轴承9 下推力轴承10 下向心轴承11 压盖螺钉12 胶芯连接盘13 胶芯14 内六角螺钉15 胶芯连接盘静密封圈16 防尘圈17 动密封压盖18 压盖密封圈19 动密封组件20下轴用挡圈21 下轴承垫圈22旋转壳体23 心筒24 上轴承垫圈2 轴承盖静密封圈26 型密封圈27 油压盘根28 井压盘根29 井压盘根隔环30 带孔隔环31 出油口32 回油流道33 动密封进油流道34 轴承腔进油流道35 进油口36 台肩螺母37 活结螺栓38 吊环螺钉39 右本体卡箍40 左本体卡箍41卡箍销轴42活结螺栓销轴43 壳体密封环44 壳体本体45 支撑块46 限位螺钉47 卡箍铰链座48 吊耳49 双法兰短节50 盲板法兰51 双头螺柱52 载丝螺栓53

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1、2所示，本发明所涉及的旋转控制头，包括旋转总成(1)、卡箍总成(2)和壳体总成(3)，旋转总成(1)上端接方钻杆驱动器，由方钻杆带动，使得旋转总成(1)内的中心筒(24)和胶芯(14)相对于壳体总成(3)转动，钻井介质经环空通过双法兰短节(50)流出，进入固控系统，实现旋转控制头的功能：井眼环空与钻台之间的封隔；提供安全有效的压力控制；将井眼返出的流体导离井口。如图2所示，本发明所涉及的旋转总成由中心筒(24)、挡泥环(4)、轴承盖(6)、O型密封圈(27)、上向心轴承(8)、下向心轴承(11)、上推力轴承(9)、下推力轴承(10)、动密封组件(20)、旋转壳体(23)和动密封压盖(18)组成。中心筒(24)轴肩处两侧分别安装上推力轴承(9)和下推力轴承(10)，通过轴肩单向定位；上轴承垫圈(25)安装于上推力轴承(9)一侧，下轴承垫圈(22)安装于下推力轴承(10)一侧，上向心轴承(8)安装于上轴承垫圈(25)侧，下向心轴承(11)安装于下轴承垫圈(22)侧，在上、下向心轴承外侧分别安装上轴用挡圈(7)、下轴用挡圈(21)，轴承、轴承垫圈、中心筒(24)安装在旋转壳体(23)内，单向定位；轴承盖(6)通过六角头螺栓(5)与旋转壳体(23)连接，定位轴承，所述轴承盖(6)外侧设有轴承盖静密封圈(26)，实现旋转壳体(23)和轴承盖(6)的静密封，避免润滑油的泄露，内侧设有两组O型密封圈(27)，实现与中心筒(24)的旋转动密封；在中心筒上端安装了一个挡泥环(4)，避免在起、下钻过程中带出的钻井液污染O型密封圈(27)降低该处动密封寿命；动密封组件(20)安装在旋转壳体(23)动密封槽内，通过动密封压盖(18)固定；动密封压盖(18)内侧设有防尘圈(17)，旋转壳体(23)与动密封压盖(18)连接处设有压盖密封圈(19)；胶芯连接盘(13)安装在中心筒(24)下端，通过内六角螺钉(15)连接；胶芯连接盘(13)上端设有胶芯连接盘静密封圈(16)，实现与中心筒的静密封；胶芯(14)安装在胶芯连接盘(13)下端，通过载丝螺栓和螺母连接。

如图3所示，本发明所涉及的动密封组件(20)由油压盘根(28)、带孔隔环(31)、井压盘根(29)和小隔环(30)组成。旋转控制头工作时，润滑油通过带孔隔环(31)进入中心筒(24)与动密封组件(20)的接触区域，形成油膜润滑；轴承腔室内的润滑油由于压力的作用会进入到油压盘根(28)和中心筒(24)的接触区域，实现润滑作用。同时，润滑油的压力可以辅助油压盘根(28)密封，井口压力可以辅助井压盘根(29)密封井压。

如图4所示，本发明所涉及的冷却、润滑油路主要是在旋转壳体(23)内部钻孔，在下向心轴承(11)位置处设有轴承腔进油流道(35)，带孔隔环(31)处设有动密封进油流道(34)，分别冷却、润滑轴承和动密封组件(20)。进入轴承腔的冷却、润滑油实现作用后，通过出油口(32)流出；进入动密封组件(20)的冷却、润滑油从回油流道(33)流入轴承腔，随冷却、润滑轴承的油一起从出油口(32)流出，周而复始，实现轴承和动密封件的的冷却、润滑。

如图1、5所示，本发明所涉及的卡箍总成(2)包括左本体卡箍(41)、右本体卡箍(40)、活结螺栓(38)、卡箍销轴(42)、活结螺栓销轴(43)、吊环螺钉(39)和台肩螺母(37)。其特征在于，左本体卡箍(41)和右本体卡箍(40)通过卡箍销轴(42)连接，安装在壳体总成(3)的铰链座上；吊环螺钉(39)安装在卡箍本体上，用于井口吊装作业；活结螺栓(38)通过活结螺栓销轴(43)安装在右本体卡箍(40)上；转动活结螺栓(38)至左本体卡箍(41)凹槽内，拧紧台肩螺母(37)，即可实现卡箍总成(2)的卡进作用；参加图6，卡箍截面为双锥面结构，分别卡在壳体总成(3)上端锥面和旋转壳体(23)上的锥面，扶正效果更好。

如图7所示，本发明所涉及的壳体总成(3)由壳体本体(45)、壳体密封环(44)、卡箍支撑块(46)、限位螺钉(47)、卡箍铰链座(48)、吊耳(49)、双法兰短节(50)、栽丝螺栓(53)和双头螺柱(52)组成。其特征在于，壳体密封环(44)安装于壳体本体(45)上端的密封槽内，实现旋转总成(1)壳体总成(3)的静密封；卡箍铰链座(48)、卡箍支撑块(46)和吊耳(49)与卡箍本体(45)通过焊接工艺连接，卡箍铰链座(48)给卡箍总成(2)提供旋转中心，卡箍支撑块(46)主要是在卡箍总成(2)打开时给予卡箍本体支撑，四个吊耳(49)均布与壳体本体(45)圆柱面上，方便设备维护和井口安装；限位螺钉(47)通过螺纹安装在卡箍支撑块(46)上，限制卡箍总成(2)打开的角度，防止卡箍本体脱离壳体总成(3)；双法兰短节(50)与壳体本体(45)通过栽丝螺栓(53)和六角螺母安装在壳体本体(45)上；盲板法兰(51)与双法兰短节(50)通过双头螺柱(52)和六角螺母连结。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。