专利名称：连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油行业中的钻井装备领域，具体是一种连续循环钻井系统在接 单根操作时实现钻杆接头准确定位的控制方法。
背景技术：
目前，连续循环钻井系统能够在接单根期间保持泥浆的连续循环，从而在整个钻 进期间实现稳定的当量循环密度和不间断的钻屑排出，避免停泵和开泵循环时引起的井底 压力波动，全面改善井眼条件和钻井安全，有效降低钻井事故。在接单根时，连续循环钻井系统必须在主机的腔体总成内完成钻杆接头的上卸扣 操作，而操作人员是无法直接观测到腔内情况的。要确保在腔体总成内能够成功完成接头 的对接和上卸扣，关键之一就在于钻杆接头的准确定位。钻杆接头定位的目标，其一是要 确保钻杆接头准确定位，使背钳能够卡紧下部钻杆接头，实现顺利卸扣；其二是确保母接头 位于下半封间板和全封间板之间，在钻杆接头分离后，全封间板能够顺利闭合，形成隔离的 上、下两个腔室；其三是在钻杆接头对接时，能够准确判断公母接头的相对位置，进而及时 调整控制参数，确保钻杆接头顺利对扣和上扣。由于操作人员无法通过目视观察腔体总成内接头的准确位置，因此必须通过必要 的控制手段和措施来解决钻杆接头的定位问题。目前国外主要采用钻杆接头与间板碰触的 方法进行定位，具体实施步骤是先提升主机至一定高度，然后再提升钻柱，当钻杆接头提 至腔内后，关闭上半封间板并下放主机，当上半封间板与钻杆接头碰触时停止下放，接着关 闭下半封间板，再次提升主机，当下半封间板与钻杆接头碰触时停止提升，这样钻杆接头就 能准确定位在需要的位置上。上述方法虽然操作简单，但存在以下几个问题一是在提升或 下放主机时，半封间板必须抱住钻杆体，可能造成橡胶过早磨损而影响其密封性能和使用 寿命；二是当闸板与钻杆接头碰触时，容易造成闸板损坏，影响闸板使用寿命；另外，利用 四个长行程液压缸提升或下放主机时，存在液压缸的同步问题。本实用新型提出的钻杆接头定位控制方法，是利用光电传感技术和挡板机构，在 腔体总成内实现钻杆接头的准确定位，避免了机械闸板定位时造成的橡胶磨损以及闸板损 伤，并去掉了长行程液压缸支腿，降低了故障隐患。
发明内容本实用新型的目的是提供一种连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置，解决连 续循环钻井系统在主机腔体总成内实现钻杆接头准确定位的控制问题。利用光电传感技术 和挡板机构，在主机腔体总成内实现钻杆接头的准确定位，使腔内背钳能够顺利夹持钻杆 接头，并且能够正确判断对接接头的相对位置，确保在卸扣后全封闸板能够顺利闭合，形成 隔离的上下两个腔室，而在上扣时钻杆接头能够顺利对接，从而提高上卸扣控制的安全可 靠性。本实用新型采用的技术方案是连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置，主要由主机、绞车、井架、钻杆动力钳、支架总成、钻井动力卡瓦、激光测距仪、位移传感器A、位移传 感器B、旋转编码器、压力传感器、环形标记I、环形标记II和环形标记III组成。在钻机底 座上固定有主机，并且主机与井口相对。主机是主要由钻杆动力钳、平衡补偿装置、腔体总 成、支架总成和钻井动力卡瓦组成；其中平衡补偿装置由四个平衡补偿油缸构成，平衡补偿 油缸固定在支架总成的上连接板上；钻杆动力钳与平衡补偿油缸的活塞杆固定连接；腔体 总成固定在支架总成上，腔体总成由上半封间板、全封间板、背钳和下半封间板自上而下连 接在一起；钻井动力卡瓦固定在底座的转盘补心内，并通过承载梁与支架总成连接为一体； 支架总成座于底座上。在底座固定有井架，在井架的一侧并在底座上固定有绞车，钢丝绳的 一端缠绕在绞车上，钢丝绳绕过井架顶部的天车定滑轮并通过游车动滑轮悬挂有顶驱，顶 驱的两侧有顶驱导轨，顶驱导轨垂直固定在主机的上方；钢丝绳的另一端作为死绳固定在 死绳固定器上，死绳固定器固定在底座上。在顶驱的下端连接有顶驱下部钻杆。在底座上并在主机旁固定有支架，激光测距仪固定的支架上，在顶驱下部钻杆上 固定有环形标记I、环形标记II和环形标记III ；激光测距仪通过检测和识别具有不同外径 的环形标记来确定顶驱下部钻杆的高度位置，使腔内背钳能及时够顺利夹持钻杆上接头。 即环形标记I、环形标记II和环形标记III的外径长度不同。在顶驱导轨上固定有位移传感器B，同时将旋转编码器安装在绞车滚筒上，用于检 测和确定顶驱、顶驱下部钻杆以及新接钻杆接头的位置。在支架总成的上连接板上固定有位移传感器A，用于检测主机钻杆动力钳的运动 位置，以此来判断腔内对接接头的相对位置。压力传感器固定安装在死绳固定器上，用于检测提升系统的大钩载荷，以此来判 断动力卡瓦牙板是否夹紧钻杆或新接钻杆接头是否与挡板碰触。在支架总成的上连接板上固定有挡板机构，通过挡板油缸驱动挡板摆动，通过下 放新接钻杆碰触挡板确定新接钻杆接头的位置，钻杆动力钳和顶驱配合完成新接钻杆与顶 驱下部钻杆之间的对接。简述连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置的使用，有助于理解本实用新型。连 续循环钻井的钻杆接头定位，包括钻井接单根过程中卸扣和上扣时的钻杆接头定位。参阅图2和图5。卸扣时的钻杆接头定位正常钻进过程中，当激光测距仪8检测 到顶驱下部钻杆5上的标记I 32时，停止钻进并利用绞车2提升顶驱6和钻杆12 ；当激光 测距仪8检测到顶驱下部钻杆5上的标记III 34时，停止提升；启动钻井动力卡瓦20夹紧钻 杆12后，用绞车2下放顶驱6，利用死绳固定器11上的压力传感器35检测大钩载荷，确保 动力卡瓦牙板30牢固夹紧钻杆12并承受整个钻杆12的重量；与此同时，如果激光测距仪 8检测到顶驱下部钻杆5上的标记II 33，则说明钻杆上接头37所处位置不正确，背钳28不 能夹紧钻杆上接头37，此时必须松开动力卡瓦牙板30，并提升顶驱6和钻杆12，重新进行定 位；如果没有检测到标记II 33的信号，则说明钻杆上接头37定位正确；同时，利用安装在 顶驱导轨7上的位移传感器B31或安装在绞车2滚筒上的旋转编码器36来检测顶驱6的 位置，对上述定位情况进行确认；在准确定位后，关闭腔内背钳28夹紧钻杆上接头37，同时 启动动力钳牙板22夹紧顶驱下部钻杆5 ；在关闭上半封间板26和下半封间板29后，开始 卸扣操作，利用钻杆动力钳13和平衡补偿装置17卸开钻杆上接头37后，通过绞车2提升 顶驱下部钻杆5，并带动钻杆动力钳13上行；在提升过程中，利用安装在顶驱导轨7上的位移传感器B31或安装在绞车2滚筒上的旋转编码器36和主机上连接板15上的位移传感器 A14来检测和确定顶驱下部钻杆5的位置，当确定顶驱下部钻杆5提升至全封间板27上部 时，停止提升；在完成钻井液循环通道切换后，关闭全封闸板27，完成卸扣操作。上扣时的钻杆接头定位参阅图2和图6。首先用绞车2提升顶驱6，将新接钻杆 38提至主机1的上部；启动挡板机构16的挡板油缸24关闭挡板23后，用绞车2下放顶驱 6，并通过死绳固定器11上的压力传感器35检测大钩载荷，以此判断新接钻杆接头39是否 与挡板23碰触，当确定与挡板23碰触时，停止下放；利用动力钳牙板22夹紧新接钻杆38， 并与顶驱6配合完成新接钻杆38与顶驱下部钻杆5之间的上扣操作；然后松开动力钳牙板 22并打开挡板23，用绞车2下放顶驱6，将新接钻杆接头39放入主机1上腔40内，下放时 用安装在顶驱导轨7上的位移传感器B31或安装在绞车2滚筒上的旋转编码器36检测和 确定新接钻杆接头39下放位移，当新接钻杆接头39到达设定位置时，停止下放；用平衡补 偿油缸25将钻杆动力钳13提升至一定高度后，启动动力钳牙板22夹紧新接钻杆38，并关 闭上半封闸板26;在打开全封闸板27，并完成钻井液循环通道切换后，利用平衡补偿油缸 25驱动钻杆动力钳13带动新接钻杆38下行，此时通过安装在顶驱导轨7上的位移传感器 B31或安装在绞车2滚筒上的旋转编码器36以及主机上连接板15上的位移传感器A14检 测和确定新接钻杆38下行位移，以此来判断新接钻杆接头39与钻杆上接头37的相对位置 和运动速度；当两个接头靠近时，及时调整控制参数，确保接头顺利对扣并完成上扣操作。顶驱6、激光测距仪8、钻杆动力钳13、钻井动力卡瓦20、上半封闸板26、全封闸板 27、背钳28、下半封间板29和顶驱24采用的是现有设备。顶驱6的全称是顶部驱动钻井装 置；上半封间板26和下半封间板29分别是半封间板防喷器；全封间板27是全封间板防喷
ο本实用新型的有益效果本实用新型连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置，能 够在连续循环钻井系统的主机腔体总成内实现钻杆接头的准确定位，确保了腔内背钳能够 顺利夹持钻杆接头，并正确判断对接接头的相对位置，提高了上卸扣操作的安全可靠性，同 时该方法避免了机械闸板定位时造成的橡胶磨损和闸板损伤，并去掉了长行程液压缸支 腿，降低了故障隐患。
图1是连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置示意图，是主机安装位置示意图。图2是主机结构示意图。图3是顶驱和加长接头示意图。 图4是死绳固定器示意图。图5是卸扣时的接头定位示意图。图6是上扣时的接头定位示意图。图中，1-主机；2-绞车；3-钢丝绳；4-井架；5-顶驱下部钻杆；6_顶驱；7_顶驱导 轨；8-激光测距仪；9-支架；10-死绳；11-死绳固定器；12-钻杆；13-钻杆动力钳；14-位 移传感器A ； 15-上连接板；16-挡板机构；17-平衡补偿装置；18-腔体总成；19-支架总成； 20-钻井动力卡瓦；21-底座；22-动力钳牙板；23-挡板；24-挡板油缸；25-平衡补偿油缸； 26-上半封闸板；27-全封闸板；28-背钳；29-下半封闸板；30-动力卡瓦牙板；31-位移传
5感器B ；32-标记I ；33-标记II ；34-标记III ；35-压力传感器；36-旋转编码器；37-钻杆上 接头；38-新接钻杆；39-新接钻杆接头；40-上腔。
具体实施方式
实施例1 以一个连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置为例，对本实用新型作 进一步详细说明。参阅图1和图2。连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置，主要由主机1、绞车2、 井架4、钻杆动力钳13、支架总成19、钻井动力卡瓦20、激光测距仪8、位移传感器A14、位移 传感器B31、旋转编码器36、压力传感器35、环形标记I 32、环形标记II 33和环形标记III34 组成。在底座21上固定有主机1，并且主机1与井口相对。主机1是由钻杆动力钳13、平 衡补偿装置17、腔体总成18、支架总成19和钻井动力卡瓦20组成；其中平衡补偿装置17 由四个平衡补偿油缸25构成，平衡补偿油缸25固定在支架总成19的上连接板15上；钻杆 动力钳13与平衡补偿油缸25的活塞杆固定连接；腔体总成18固定在支架总成19上，由上 半封间板26、全封间板27、背钳28和下半封间板29组成；钻井动力卡瓦20安放在底座21 的转盘补心内，并通过承载梁与支架总成19连接为一体；支架总成19座于底座21上。在 底座21固定有井架4，在井架4的一侧并在底座21上固定有绞车2，钢丝绳3的一端缠绕 在绞车2上，钢丝绳3绕过井架4顶部的天车定滑轮并通过游车动滑轮悬挂有顶驱6，顶驱 6的两侧有顶驱导轨7，顶驱导轨7垂直固定在主机1的上方；钢丝绳3的另一端作为死绳 10固定在死绳固定器11上，死绳固定器11固定在底座21上。在顶驱6的下端连接有顶驱 下部钻杆5。参阅图1。在底座21上并在主机1旁固定有支架9，激光测距仪8固定的支架9 上，激光测距仪8高出主机0.3米。在顶驱下部钻杆5上固定有环形标记I 32、环形标记 II 33和环形标记III 34 ；环形标记I 32、环形标记II 33和环形标记III 34的外径长度不同， 上部的环形标记I 32外径比中部的环形标记II 33大；下部的环形标记III 34外径比中部的 环形标记II 33小。用于表示顶驱下部钻杆5的不同高度位置，激光测距仪8通过检测外径 长度来识别不同的环形标记，以此确定顶驱下部钻杆5的实际高度。参阅图3。在顶驱导轨7上固定有一个位移传感器B31，同时将旋转编码器36安 装在绞车2滚筒上。参阅图2。在支架总成19的上连接板15上固定有一个位移传感器A14。参阅图4。压力传感器35固定安装在死绳固定器11上。参阅图2。在支架总成19的上连接板15上固定有挡板机构16。
权利要求1.一种连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置，主要由主机(1)、绞车(2)、井架(4)、 钻杆动力钳(13)、支架总成(19)、钻井动力卡瓦(20)、激光测距仪(8)、位移传感器A (14)、 位移传感器B (31)、旋转编码器(36)、压力传感器(35)、环形标记I (32)、环形标记II (33) 和环形标记III (34)组成，其特征在于在钻机底座(21)上固定有主机(1)，并且主机(1)与 井口相对，主机(1)是主要由钻杆动力钳(13)、平衡补偿装置(17)、腔体总成(18)、支架总 成(19)和钻井动力卡瓦(20)组成；其中平衡补偿装置(17)由四个平衡补偿油缸(25)构 成，平衡补偿油缸(25)固定在支架总成(19)的上连接板(15)上；钻杆动力钳(13)与平衡 补偿油缸(25)的活塞杆固定连接；腔体总成(18)固定在支架总成(19)上，腔体总成(18) 由上半封闸板(26)、全封闸板(27)、背钳(28)和下半封闸板(29)自上而下连接在一起；钻 井动力卡瓦(20)固定在底座(21)的转盘补心内，并通过承载梁与支架总成(19)连接为一 体；支架总成(19)座于底座(21)上；在底座(21)固定有井架(4)，在井架(4)的一侧并在 底座(21)上固定有绞车(2)，钢丝绳(3)的一端缠绕在绞车(2)上，钢丝绳(3)绕过井架 (4)顶部的天车定滑轮并通过游车动滑轮悬挂有顶驱(6)，顶驱(6)的两侧有顶驱导轨(7)， 顶驱导轨(7)垂直固定在主机(1)的上方；钢丝绳(3)的另一端作为死绳(10)固定在死绳 固定器(11)上，死绳固定器(11)固定在底座(21)上，在顶驱(6)的下端连接有顶驱下部 钻杆(5)；在底座(21)上并在主机(1)旁固定有支架(9)，激光测距仪(8)固定的支架(9)上，在 顶驱下部钻杆(5)上固定有环形标记I (32)、环形标记II (33)和环形标记III (34)；在顶驱导轨(7)上固定有位移传感器B(31)，同时将旋转编码器(36)安装在绞车(2) 滚筒上；在支架总成(19)的上连接板(15)上固定有位移传感器A (14)； 压力传感器(35)固定安装在死绳固定器(11)上； 在支架总成(19)的上连接板(15)上固定有挡板机构(16)。
2.根据权利要求1所述的连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置，其特征在于所采 用环形标记I (32)、环形标记II (33)和环形标记III (34)的外径长度不同。
专利摘要连续循环钻井的钻杆接头定位控制装置，应用于石油钻井技术领域。在钻机底座上固定有主机，钻井动力卡瓦固定在底座的转盘补心内，并通过承载梁与支架总成连接为一体；在底座上并在主机旁固定有支架，激光测距仪固定的支架上，在顶驱下部钻杆上固定有环形标记Ⅰ、环形标记Ⅱ和环形标记Ⅲ；在顶驱导轨上固定有位移传感器B；在支架总成的上连接板上固定有位移传感器A。效果是能够在连续循环钻井系统的主机密封腔内实现钻杆接头的准确定位，确保了腔内背钳能够顺利夹持钻杆接头，并正确判断对接接头的相对位置，提高了上卸扣操作的安全可靠性，降低故障隐患。
文档编号E21B19/24GK201778700SQ20102051571
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者王爱国, 肖建秋, 胡志坚, 马青芳 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油集团钻井工程技术研究院