可实现角度万向调节的气体钻井管汇系统

摘要

本发明公开了一种可实现角度万向调节的气体钻井管汇系统，包括多个调节单元，相邻两调节单元之间通过硬管线管体连接；调节单元至少包括无级变角机构，无级变角机构用于沿管汇径向在360°范围内进行任意角度的调节。本发明可以轻松、便捷、随意地调整排砂管线走向，快速将排砂管线连接出井场外，避免反复安装和拆卸，大幅度降低工作人员的工作量和工作强度，缩短安装作业周期，节省作业人员成本和吊车使用费用，避免出现钻机等停、延长钻井周期等严重后果。

说明书

技术领域

本发明涉及到气体钻井管汇，特别是一种可实现角度万向调节的气体钻井管汇系统，属于油气钻井（钻探）工程技术领域。

背景技术

气体钻井是一种以气体作为循环和携砂介质的钻井方式，与常规钻井液钻井相比，气体钻井井底压力远低于井底液柱压力，钻进过程中始终保持负压，实现了欠平衡钻井。气体钻井作为20世纪80年代在国内发展并成熟起来的新技术，形成了干气钻井（空气、氮气）、雾化钻井、泡沫钻井及充气钻井四大主体技术，具有提高机械钻速、治理恶性井漏、发现和保护储层等优势。近年来，在国内各油气田得到推广应用，并取得良好应用效果。

根据《气体钻井技术规范 第一部分：空气钻井、氮气钻井、空气雾化钻井、氮气雾化钻井、空气泡沫钻井》规定：井场内排砂管线采用法兰连接，宜平直连接出井场外。但是，经常因现场条件限制（包括钻机底座结构和地面设备摆放等），必须采用弯管来调整排砂管线走向，只有这样才能接出井场外。由于现有的弯管的弯曲角度均是固定不变的，然而绝大多数时候，现场排砂管线的安装都没有办法严格、精确的按照固定角度弯管的方向布置。固定角度的弯管并不能根据现场实际情况随意调整自身的角度。因此，在排砂管线安装期间，经常采用尝试性的连接方法，经常反复安装和拆卸，直到调整好排砂管线的走向为止。加之排砂管线重量很大，导致管线安装起来十分不方便。这不仅大大增加了安装作业时间，增加了工作人员的工作量和工作强度，还提高了作业人员成本和吊车使用费用，甚至会造成钻机等停，延长钻井周期的严重后果。

现有技术中，适用于气体钻井的排砂管线，公开号201412067，公开日2010年2月24日，描述了一种卡箍式排砂管线连接方式，这也是目前气体钻井领域排砂管线唯一的连接方式。该发明只是一种连接方式，并不能在安装过程中随意调整管线角度和走向，依然是采用尝试性的连接方法，经常反复安装和拆卸，工作强度和作业时间都很高。

另外，气体钻井用安全排砂管汇中，公开号203188949，公开日2013.09.11，描述了一种排砂管线泄压的装置（破裂盘），当管线内部压力憋升到一定值，破裂盘打开泄压以达到保障管线安全的目的。但该发明所描述的管线依然是传统管线，并不能在安装过程中随意调整管线角度和走向，依然是采用尝试性的连接方法，经常反复安装和拆卸，工作强度和作业时间都很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种可实现角度万向调节的气体钻井管汇系统。本发明可以轻松、便捷、随意地调整排砂管线走向，快速将排砂管线连接出井场外，避免反复安装和拆卸，大幅度降低工作人员的工作量和工作强度，缩短安装作业周期，节省作业人员成本和吊车使用费用，避免出现钻机等停、延长钻井周期等严重后果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可实现角度万向调节的气体钻井管汇系统，其特征在于：包括多个调节单元，相邻两调节单元之间通过硬管线管体连接；调节单元至少包括无级变角机构，无级变角机构用于沿管汇径向在360°范围内进行任意角度的调节。

所述调节单元还包括与旋转短节的出口连接端固定连接的万向角度微调机构，万向角度微调机构用于调节管汇轴向角度。

所述无级变角机构包括固定短节、卡紧件、螺杆套件、悬挂法兰和旋转短节，旋转短节上端与固定短节插接且密封配合，下端设置有预制固定角度的出口连接端，悬挂法兰套设在旋转短节上，卡紧件位于固定短节下端面与悬挂法兰之间，旋转短节悬挂在卡紧件上，悬挂法兰与固定短节下端通过螺杆套件固定连接，卡紧件与悬挂法兰之间的环形空间内设置有滚子轴承，卡紧件与固定短节下端面之间设置有滚子轴承。

所述万向角度微调机构包括固定球头短节、球铰法兰、螺栓套件和万向旋转短节，所述万向旋转短节和球铰法兰通过螺栓套件连接在固定球头短节上，连接后万向旋转短节和球铰法兰能够围绕固定球头短节的球面旋转，且万向旋转短节和球铰法兰均与固定球头短节密封配合。

所述万向旋转短节内设置有台阶和向万向旋转短节内腔倾斜的倾斜面，万向旋转短节的旋转面通过台阶过渡到倾斜面，台阶、倾斜面和固定球头短节的球面配合形成防砂结构。

所述万向旋转短节和球铰法兰均通过设置的“O”型密封圈与固定球头短节密封配合。

所述卡紧件包括两个半圆卡，两个半圆卡通过螺钉连接，旋转短节上设置有卡槽，半圆卡卡接在卡槽中与旋转短节间隙配合。

所述卡紧件与悬挂法兰之间的环形空间内设置的滚子轴承为推力调心滚子轴承；卡紧件与固定短节下端面之间设置的滚子轴承为推力圆柱滚子轴承。

所述悬挂法兰与固定短节下端通过螺杆套件固定连接后，悬挂法兰、推力调心滚子轴承、半圆卡、推力圆柱滚子轴承与固定短节下端面为轴向端面接触。

所述推力调心滚子轴承和推力圆柱滚子轴承与旋转短节之间为间隙配合。

所述固定短节上端与排砂管线连接，下端与旋转短节上端插接且密封配合。

所述旋转短节与固定短节插接处设置有多道“O”型密封圈，旋转短节与固定短节通过多道“O”型密封圈密封配合。

所述卡紧件与悬挂法兰之间的环形空间内还设置有防尘尼龙圈，推力调心滚子轴承设置在防尘尼龙圈内；卡紧件与固定短节下端面之间还设置有防尘尼龙圈，推力圆柱滚子轴承设置在防尘尼龙圈内。

所述防尘尼龙圈沿旋转短节轴向设置有4—6mm的活动空间。

所述旋转短节上开有多个手动旋转孔。

所述旋转短节预制的固定角度为90°时，旋转短节上端与固定短节插接且密封配合，下端通过盲板封闭，盲板通过法兰螺栓套件固定在旋转短节下端，出口连接端位于盲板上方。

采用本发明的优点在于：

1、本发明结构简单、零部件少和易于加工。

2、采用本发明安装、操作方便，可以与现有的整套排砂管线配套使用。

3、本发明中，万向角度微调机构可以自转，也可以绕径向360°无级变角机构公转，两个机构形成一种行星式的转动系统。通过将径向360°无级变角机构、万向角度微调机构和硬管线本体三者组合使用，便可实现排砂管汇角度的万向调节。

4、本发明内部的主要转动阻力为滚动摩擦，滚动摩擦较静摩擦、滑动摩擦小很多，因此，本发明可以根据现场条件和排砂管线的架设高度，快速且轻松地调整排砂管线的走向，完全避免了反复安装和拆卸这个过程，大大缩短了安装作业周期、减轻了劳动强度，同时也节约了安装成本。

5、本发明万向角度微调机构中具有防尘结构，可有效避免环境中砂尘进入机构内部，同时也可以避免管线内部砂尘堆积造成机构无法转动的问题。

6、本发明主要用于气体钻井排砂管汇中，具有很高的抗内压强度，能够保证气体钻井作业的安全性，同时，该机构通过调整设计参数之后也可以用于供气管汇的连接，甚至可以扩展应用到其它领域的硬管汇系统当中去。

7、采用本发明，可根据现场实际情况随意、精确地调整管线走向和角度，大大减少安装作业时间，降低工作人员的工作量和工作强度，可削减作业人员成本和吊车使用费用，避免造成钻机等停，延长钻井周期等严重问题。

8、本发明中的万向角度微调机构可以自转，即在轴向做一定程度的角度无级调整（此处可以理解为倾角，调整范围可以设计，比如-10°~10°，或者-35°~35°）。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明调节单元剖视结构示意图；

图3为图2中的I部放大示意图；

图4为本发明中的两个半圆卡装配示意图；

图5为本发明调节单元采用90°旋转短节的主视结构示意图；

图6为本发明调节单元采用150°旋转短节的主视结构示意图。

图中标记为：1、固定短节，2、“O”型密封圈，3、半圆卡，4、螺杆套件，5、悬挂法兰，6、旋转短节，7、法兰螺栓套件，8、盲板，9、法兰，10、固定球头短节，11、球铰法兰，12、螺栓套件，13、万向旋转短节，14、防砂结构，15、推力调心滚子轴承，16、防尘尼龙圈a，17、防尘尼龙圈b，18、推力圆柱滚子轴承，19、螺钉，20、活动空间，21、旋转孔，22、调节单元。

具体实施方式

实施例1

一种可实现角度万向调节的气体钻井管汇系统，包括多个调节单元22，相邻两调节单元之间通过硬管线管体连接；调节单元22至少包括无级变角机构，无级变角机构用于沿管汇径向在360°范围内进行任意角度的调节。

本实施例中，所述调节单元还包括与旋转短节6的出口连接端固定连接的万向角度微调机构，万向角度微调机构用于调节管汇轴向角度。

本实施例中，所述无级变角机构包括固定短节1、卡紧件、螺杆套件4、悬挂法兰5和旋转短节6，旋转短节6上端与固定短节1插接且密封配合，下端设置有预制固定角度的出口连接端，悬挂法兰5套设在旋转短节6上，卡紧件位于固定短节1下端面与悬挂法兰5之间，旋转短节6悬挂在卡紧件上，悬挂法兰5与固定短节1下端通过螺杆套件4固定连接，卡紧件与悬挂法兰5之间的环形空间内设置有滚子轴承，卡紧件与固定短节1下端面之间设置有滚子轴承。

本实施例中，所述万向角度微调机构包括固定球头短节10、球铰法兰11、螺栓套件12和万向旋转短节13，所述万向旋转短节13和球铰法兰11通过螺栓套件12连接在固定球头短节10上，连接后万向旋转短节13和球铰法兰11能够围绕固定球头短节10的球面旋转，且万向旋转短节13和球铰法兰11均与固定球头短节10密封配合。

本实施例中，所述万向旋转短节13内设置有台阶和向万向旋转短节13内腔倾斜的倾斜面，万向旋转短节13的旋转面通过台阶过渡到倾斜面，台阶、倾斜面和固定球头短节10的球面配合形成防砂结构14。

本实施例中，所述万向旋转短节13和球铰法兰11均通过设置的”O”型密封圈2与固定球头短节10密封配合。

本实施例中，所述卡紧件包括两个半圆卡3，两个半圆卡3通过螺钉19连接，旋转短节6上设置有卡槽，半圆卡3卡接在卡槽中与旋转短节6间隙配合。

所述卡紧件与悬挂法兰5之间的环形空间内设置的滚子轴承为推力调心滚子轴承15；卡紧件与固定短节1下端面之间设置的滚子轴承为推力圆柱滚子轴承18。

本实施例中，所述悬挂法兰5与固定短节1下端通过螺杆套件4固定连接后，悬挂法兰5、推力调心滚子轴承15、半圆卡3、推力圆柱滚子轴承18与固定短节1下端面为轴向端面接触。

本实施例中，所述推力调心滚子轴承15和推力圆柱滚子轴承18与旋转短节6之间为间隙配合。

本实施例中，所述固定短节1上端与排砂管线连接，下端与旋转短节6上端插接且密封配合。

本实施例中，所述旋转短节6与固定短节1插接处设置有多道”O”型密封圈2，旋转短节6与固定短节1通过多道”O”型密封圈2密封配合。

本实施例中，所述卡紧件与悬挂法兰5之间的环形空间内还设置有防尘尼龙圈，推力调心滚子轴承15设置在防尘尼龙圈内；卡紧件与固定短节1下端面之间还设置有防尘尼龙圈，推力圆柱滚子轴承18设置在防尘尼龙圈内。

本实施例中，所述防尘尼龙圈沿旋转短节6轴向设置有4—6mm的活动空间20。

本实施例中，所述旋转短节6上开有多个手动旋转孔21。

本实施例中，所述旋转短节6预制的固定角度为90°时，旋转短节6上端与固定短节1插接且密封配合，下端通过盲板8封闭，盲板8通过法兰螺栓套件7固定在旋转短节6下端，出口连接端位于盲板8上方。

实施例2

本实施例结合附图对本发明做进一步说明。本发明可以用于干气体钻井（空气、氮气）、雾化钻井、泡沫钻井及充气钻井等气体钻井工艺以及其它领域管汇系统中。

本发明包括多个调节单元，相邻两调节单元通过硬管线管体C连接。每个调节单元至少包括径向360°无级变角机构A，还可以包括万向角度微调机构B。

径向360°无级变角机构A，包含固定短节1、“O”型密封圈2、半圆卡3、长螺杆套件4、悬挂法兰5、旋转短节6、法兰螺栓套件7、盲板8、推力调心滚子轴承15、防尘尼龙圈a16、防尘尼龙圈b17、推力圆柱滚子轴承18。长螺杆套件4包括螺杆、螺母、弹簧垫圈。法兰螺栓套件7包括螺栓、螺母、弹簧垫圈。

万向角度微调机构B，包含固定球头短节10、球铰法兰11、长螺栓套件12（含螺栓、螺母、弹簧垫圈）、万向旋转短节13、“O”型密封圈2。径向360°无级变角机构A与万向角度微调机构B之间用法兰9实现连接，也可以用卡箍的方式连接。

径向360°无级变角机构A为该行星式气体钻井管汇用无级变角机构的核心部分，处于万向角度微调机构B的上游位置。固定短节1固定在上游排砂管线上。旋转短节6与固定短节1之间属于插接关系，二者通过三道“O”型密封圈2实现径向密封。通过长螺杆套件4拉紧悬挂法兰5，从而将半圆卡3、推力调心滚子轴承15、推力圆柱滚子轴承18与固定短节1压紧。悬挂法兰5、半圆卡3、推力调心滚子轴承15、推力圆柱滚子轴承18与固定短节1为轴向上端面接触，相互之间无其他约束。旋转短节6悬挂在半圆卡3上。半圆卡3与旋转短节6为间隙配合，结合紧密。悬挂法兰5内径大于悬挂短节6相应位置处的外径，二者之间存在5mm左右的间隙，相互不接触。推力调心滚子轴承15和推力圆柱滚子轴承18，二者与旋转短节6之间为间隙配合，便于装配。

旋转短节6在转动时，带动卡紧件转动，卡紧件带动推力调心滚子轴承15和推力圆柱滚子轴承18转动。旋转短节6与固定短节1之间用多层（通常为3层）“O”型密封圈2实施径向密封，二者间隙内涂抹黄油若为润滑，大大降低旋转短节6在转动时产生的静摩擦。旋转短节6在旋转过程中，除了与固定短节1插接的地方有少许静摩擦力，其余均为调心滚子轴承15和推力圆柱滚子轴承18产生的滚动摩擦。由于滚动摩擦远远小于静摩擦力，故旋转短节6可以在360°范围内轻松、快速地调整角度。

防尘尼龙圈a16套在调心滚子轴承15外面，防尘尼龙圈b17套在推力圆柱滚子轴承18外面，目的是为了防止外界环境的杂质进入到调心滚子轴承15和推力圆柱滚子轴承18内部，导致两个轴承无法转动。防尘尼龙圈a16位于半圆卡3和悬挂法兰5之间的凹槽内，且防尘尼龙圈a16在轴向上有5mm左右活动空间20，可避免产生静摩擦力而给径向360°无级变角机构A转动造成阻力。防尘尼龙圈b17位于半圆卡3和固定短节1之间的凹槽内，且防尘尼龙圈b17在轴向上也有5mm左右活动空间20，目的也是避免在转动时产生静摩擦力。

旋转短节6与固定短节1插接处的两个端面有2mm左右的间隙。卡紧件由两个半圆卡3组成，二者之间通过螺钉19紧固，避免径向360°无级变角机构A在转动时二者发生相对位移甚至脱落。旋转短节6上开有6个旋转孔21，一旦人力无法转动该机构时，可将加力杠插入其中，增加力臂，提高旋转扭矩。旋转短节6是预制好的固定角度短节，可以是90°，也可以是其它角度。为90°时，旋转短节6下端通过盲板封闭，盲板8处可以连接其它短节或管线。

万向角度微调机构B属于该该行星式气体钻井管汇用无级变角机构的辅助部分。径向360°无级变角机构A用于调整360°范围内的方位角，而万向角度微调机构B则是对方位角、倾角进行调整。万向旋转短节13和球铰法兰11通过长螺栓套件12拉紧。万向旋转短节13和球铰法兰11可围绕固定球头短节10的球面进行旋转，旋转角度根据球面大小有关。万向角度微调机构B具有方向性，固定球头短节10处于上游位置，万向旋转短节13处于下游位置。万向角度微调机构B具备一处细小的防砂结构14，十分重要。当万向旋转短节13与固定球头短节10球面之间出现杂质（岩屑、砂子等）堵塞时，该防砂结构14可以通过转动万向旋转短节13的方式将杂质刮除。在万向旋转短节13和球铰法兰11内部各有一道密封槽用于安放“O”型密封圈2，安装时此处需涂抹黄油。

硬管线管体C为可选择现有成熟产品，符合API相关标准。

本发明在安装和布置之前，先将径向360°无级变角机构A和万向角度微调机构B提前装配好，然后直接根据需要将径向360°无级变角机构A、万向角度微调机构B和硬管线管C体进行灵活组合即可（图1所示为其中一种管汇系统布置方式）。装配可以分两步，先装配径向360°无级变角机构A，再装配万向角度微调机构B，然后将径向360°无级变角机构A和万向角度微调机构B通过法兰或者卡箍的方式连接起来。装配径向360°无级变角机构A时，应当依次将悬挂法兰5、推力调心滚子轴承15、防尘尼龙圈a16、半圆卡3、推力圆柱滚子轴承18和防尘尼龙圈b17贯入旋转短节6中，然后压上固定短节1，最后穿入长螺杆套件4并拉紧。在此过程中，需要给推力调心滚子轴承15、推力圆柱滚子轴承18以及“O”型密封圈2三处地方涂抹足够的黄油。装配万向角度微调机构B时，直接将球铰法兰11和万向旋转短节13通过长螺栓套件12拉紧即可，注意给“O”型密封圈2涂抹足够的黄油。

本发明若用于排砂管线中，其入口端和出口端可以是法兰连接，也可以是卡箍连接，具体连接方式由相邻管线连接方式决定。同时，固定短节1、半圆卡3、悬挂法兰5、旋转短节6、盲板8、固定球头短节10、球铰法兰11和万向旋转短节13均采用钢级为J55和N80的套管材料制成（符合API标准）。

旋转短节6可以绕固定短节1的轴线作360°转动，实现方位角的无级变换。万向旋转短节13可以绕固定球头短节10的球面作万向转动。当旋转短节6的方位角调整到位以后，可以通过万向旋转短节13对下游管线的方位角、倾角进行微调。万向旋转短节13可绕固定球头短节10的球面旋转，旋转角度可以从-10°到10°，也可以从-35°到35°。旋转角度范围可以针对不同的情况进行设计以满足实际应用的需要。径向360°无级变角机构A和万向角度微调机构B共同作用，实现管线走向（方位角、倾角）的无级调节。