一种高压泥浆管汇及其使用方法与流程

1.本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种高压泥浆管汇及其使用方法。


背景技术：

2.高压泥浆管汇是高压喷射钻井中提高钻井速度的必要设备，其通过汇集泥浆泵排出的泥浆，借助于阀门组的控制，将高压泥浆液输入钻杆内腔从钻杆钻头喷出，产生高压泥浆激流，实现高压喷射钻井，钻井速度大大提高，降低了钻井成本。目前，高压泥浆循环管汇虽然在承压能力上有所保障，但在设计方面往往不够人性化，存在使用不方便，震动大等问题。此外，阀门组中的阀门多为手动阀门，需要工人现场手动控制其开关，劳动强度大且危险系数高，若操作失误或设备出现质量问题，极易造成人员伤亡。因此，需要提出一种结构合理、安全可靠、能够大大节省人力的高压泥浆循环管汇。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题至少之一，本发明提供了一种高压泥浆管汇，包括钻台阀门组，所述钻台阀门组分别连接泥浆泵和立管，所述泥浆泵连接泥浆循环罐，所述立管连接钻杆钻头，所述钻台阀门组包括撬座，所述撬座上设有平板闸阀、电动阀组、泥浆泵接口组、单向阀组以及连接管路，所述平板闸阀设于所述泥浆循环罐和所述电动阀组之间，所述泥浆泵接口组设于所述电动阀组和所述单向阀组之间，所述单向阀组连接所述立管。
4.优选的，所述高压泥浆管汇包括单泵运行模式、双泵运行模式和保护模式，所述单泵运行模式启用一台泥浆泵，通过钻台阀门组限定出一条泥浆管路，所述双泵运行模式启用两台泥浆泵，通过钻台阀门组限定出两条泥浆管路，所述保护模式通过钻台阀门组开启泥浆泄压管路。
5.优选的，所述电动阀组包括第一电动阀、第二电动阀和第三电动阀，所述泥浆泵接口组包括第一泥浆泵接口和第二泥浆泵接口，所述单向阀组包括第一单向阀和第二单向阀，所述第一泥浆泵接口设于所述第一电动阀和所述第一单向阀之间，第二泥浆泵接口设于所述第二电动阀和所述第二单向阀之间，所述第三电动阀并列设于所述第一电动阀和所述第二电动阀之间。
6.优选的，所述第一单向阀和第二单向阀结构相同，包括中空的壳体，所述壳体两端分别设有泥浆入口和泥浆出口，所述壳体内沿泥浆流动方向依次设有阀座和阀芯，所述阀芯连接弹簧的一端，所述弹簧的另一端固定于所述壳体上，所述阀芯内设有圆柱形的空腔，泥浆通过所述空腔流入所述泥浆出口，所述空腔包括入口段、减震段和出口段，所述入口段和所述减震段的内径一致。
7.优选的，所述阀芯包括阀芯本体，所述阀芯本体包括依次连接的封堵部和滑动部，所述封堵部可抵接封堵所述阀座，所述滑动部的外侧壁两端分别设有环状凸缘，所述环状凸缘滑动抵接所述壳体的内侧壁，所述滑动部的内侧壁圆周设有环形的第一凹槽，第一弹性体套筒密封嵌设于所述滑动部的内侧壁，与所述第一凹槽共同围合成密闭的第一气腔，
所述第一气腔位于所述减震段内，所述第一弹性体套筒的内径与所述减震段的内径一致。
8.优选的，所述空腔内设有稳流机构，所述稳流机构包括长球形本体和设于所述长球形本体两端的第一固定轴和第二固定轴，所述长球形本体位于所述减震段内，所述稳流机构的中心线与所述空腔的中心线吻合；所述减震段和所述出口段的交接处设有格栅，所述格栅包括中心圆盘和圆周等距设于所述中心圆盘上的支撑柱，所述支撑柱固定于所述减震段的内侧壁上；所述稳流机构一端固定于所述空腔入口段的内端面，另一端固定于所述中心圆盘上。
9.优选的，所述长球形本体包括圆柱体，所述圆柱体的两端分别设有第二球头部，一个所述第二球头部连接所述第一固定轴，另一个连接第二固定轴，所述圆柱体的外侧壁圆周设有环形的第二凹槽，第二弹性套筒密封套设于所述圆柱体的外圆周，其外径与所述第二球头部的直径相等，所述第二弹性套筒与所述第二凹槽围合成密封的第二气腔。
10.优选的，所述阀座包括阀座本体和设于所述阀座本体中心且互相连通的圆柱孔和球面孔；所述圆柱孔连通所述泥浆入口，所述球面孔与所述阀芯配合，所述阀芯本体的封堵部包括封堵所述球面孔的半圆形的第一球头部以及沿所述第一球头部底面延伸的颈部，所述颈部径向设有连通所述空腔内入口段的通孔。
11.优选的，所述滑动部的靠近所述泥浆出口的一端设有环形活塞，靠近所述泥浆出口一端的壳体内壁上设有限位机构，所述限位机构包括间隔套设的内圆环和外圆环，所述内圆环、所述外圆环和所述壳体共同围合成与所述环形活塞相应的滑动腔，所述内圆环的内径等于所述减震段的内径；所述环形活塞的侧壁轴向设有导向槽，所述滑动腔内设有与所述导向槽相应的导向凸起。
12.本发明提供了一种高压泥浆管汇的使用方法，包括以下步骤：步骤s100、单泵运行模式，具体包括以下步骤：步骤s110、在钻进过程中，单台泥浆泵运行，另一台泥浆泵处于备用状态，此时，将第一电动阀、第二电动阀和第三电动阀全部关闭，泥浆依次通过第二泥浆泵接口、第二单向阀进入立管，经立管进入钻杆钻头内进行井内高压泥浆循环；步骤s120、进入冬季时，另一台备用泥浆泵对应的第一电动阀及平板闸阀开启，间歇性启动备用泥浆泵进行泥浆循环罐内低压循环，防止低压管线冻结；步骤s200、双泵运行模式，在钻进过程中，两台泥浆泵同时运行，将第一电动阀、第二电动阀和第三电动阀全部关闭，泥浆依次通过第一泥浆泵接口、第二泥浆泵接口分别经第一单向阀和第二单向阀进入立管，经立管进入钻杆钻头内进行井内高压泥浆循环；步骤s300、保护模式，具体包括以下步骤：步骤s310、当遇到突发情况需要泄压时，打开第三电动阀泄压；步骤s320、当电动阀组中第一电动阀、第二电动阀和第三电动阀之一出现泄漏时，关闭平板闸阀，强制进行井内高压泥浆循环。
13.与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：1、采用电动阀组和单向阀组互相配合，改变在额定压力范围内的泥浆流向，操作控制简单、方便，降低了现场工人的劳动强度，提高了安全系数，满足钻井现场防爆及安全要求；
2、本发明包括单泵运行模式、双泵运行模式和保护模式，适用范围宽，调节灵活；3、采用具有减震效果的单向阀结构，在阀芯的空腔内设置减震段，可以降低高压泥浆对管路引起的震颤，入口段和减震段的内径一致，可以避免因为孔径不一致形成的阶台引起的高压泥浆流动紊乱，使高压泥浆平稳的流入减震段进一步降低震颤；4、通过第一弹性体套筒和第一凹槽围合成密闭的第一气腔形成减震结构，高压泥浆对第一弹性体套筒施加径向的力，第一弹性体套筒被压缩，同时向第一气腔的方向产生形变，高压泥浆的过流体积增大，可以减少流体压力，抑制震颤，第一弹性套筒的内径与减震段的内径一致，可以避免因孔径不一致形成的阶台引起的高压泥浆流动紊乱，使高压泥浆平稳的在减震段内流动，进一步降低震颤；5、内圆环与空腔的减震段以及泥浆出口形成等直径的流体通路，高压泥浆从减震段平稳的进入该流体通路，最终进入泥浆出口，降低了由于阶台引起的流体紊乱，进一步提高了减震效果；6、通过稳流机构对减震段内的高压泥浆进行稳流，高压泥浆在减震段内形成稳定的层流体，配合稳流机构上的减震结构，进一步降低了震颤；综上所述，本发明的减震效果好，操作控制简单、方便，降低了现场工人的劳动强度，提高了安全系数，满足钻井现场防爆及安全要求。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图；图2为钻台阀门组的结构示意图；图3为单泵运行模式的工作状态示意图；图4为单泵运行模式下低压循环开启后工作状态示意图；图5为双泵运行模式的工作状态示意图；图6为保护模式的工作状态示意图；图7为第一单向阀的结构示意图；图8为阀座和阀芯的结构示意图；图9为阀芯本体的结构示意图；图10为稳流机构的结构示意图；图11为限位机构的结构示意图；图12为高压泥浆正向流通状态下单向阀的结构示意图。
15.附图标记说明：01、泥浆循环罐，02、泥浆泵，03、钻台阀门组，04、立管，05、钻杆钻头，1、撬座，2、平板闸阀，3、电动阀组，4、泥浆泵接口组，5、单向阀组，31、第一电动阀，32、第二电动阀，33、第三电动阀，41、第一泥浆泵接口，42、第二泥浆泵接口，51、第一单向阀，52、第二单向阀，100、壳体，200、泥浆入口，300、泥浆出口，400、阀座，410、阀座本体，420、圆柱孔，430、球面孔，500、阀芯，510、阀芯本体，511、封堵部，5111、第一球头部，5112、颈部，5113、通孔，512、滑动部，5121、第一凹槽，5122、第一弹性体套筒，5123、第一气腔，5124、环状凸缘，513、环形活塞，5131、导向槽，520、空腔，521、入口段，522、减震段，523、出口段，530、稳流机
构，531、长球形本体，5311、圆柱体，5312、第二球头部，5313、第二凹槽，5314、第二弹性套筒，5315、第二气腔，532、第一固定轴，533、第二固定轴，540、格栅，541、中心圆盘，542、支撑柱，600、弹簧，700、限位机构，710、内圆环，720、外圆环，730、滑动腔，731、导向凸起。
具体实施方式
16.下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
17.实施例1结合附图1和2，本实施例提供了一种高压泥浆管汇，包括钻台阀门组03，所述钻台阀门组03分别连接泥浆泵02和立管04，所述泥浆泵02连接泥浆循环罐01，所述立管04连接钻杆钻头05，所述钻台阀门组03包括撬座1，所述撬座1上设有平板闸阀2、电动阀组3、泥浆泵接口组4、单向阀组5以及连接管路，所述平板闸阀2设于所述泥浆循环罐01和所述电动阀组3之间，所述泥浆泵接口组4设于所述电动阀组3和所述单向阀组5之间，所述单向阀组5连接所述立管04。
18.上述技术方案中，泥浆循环罐01内盛放钻井用泥浆，泥浆泵02将泥浆循环罐01内的泥浆高压泵送至钻台阀门组03的泥浆泵接口组4处，泥浆泵接口组4包含与泥浆泵02的数量一致的泥浆泵接口；高压泥浆经泥浆泵接口组4进入连接管路，通过由电动阀组3和单向阀组5限定出的流路流向立管04，电动阀组3包含多个低压电动阀，单向阀组5包含与泥浆泵02数量一致的高压单向阀；高压泥浆从立管04进入钻杆钻头05的钻杆内腔并从钻头喷出，产生高压泥浆激流，实现高压喷射钻井。
19.本实施例中采用电动阀组3取代常规的手动低压阀门，采用单向阀组5取代常规的高压手动阀，两者互相配合，改变在额定压力范围内的泥浆流向，操作控制简单、方便，反应速度快，极大的减小了操作时间，降低了现场工人的劳动强度，满足钻井现场防爆及安全要求；电动阀组3通过远程控系统可实现在较远的司钻房等安全及操作方便的区域进行远程控制，提高了安全系数，避免了安全隐患。
20.优选的，电动阀门组3中的电动阀包括电动和手动两种操作方式，在现场电路出现故障的情况下，可实现对阀门的手动操作。
21.实施例2结合附图2至6，在实施例1的基础上，本实施例提供了一种具有多种运行模式的高压泥浆管汇，所述高压泥浆管汇包括单泵运行模式、双泵运行模式和保护模式，所述单泵运行模式启用一台泥浆泵02，通过钻台阀门组03限定出一条泥浆管路，所述双泵运行模式启用两台泥浆泵02，通过钻台阀门组03限定出两条泥浆管路，所述保护模式通过钻台阀门组03开启泥浆泄压管路。
22.所述电动阀组3包括第一电动阀31、第二电动阀32和第三电动阀33，所述泥浆泵接口组4包括第一泥浆泵接口41和第二泥浆泵接口42，所述单向阀组5包括第一单向阀51和第二单向阀52，所述第一泥浆泵接口41设于所述第一电动阀31和所述第一单向阀51之间，第二泥浆泵接口42设于所述第二电动阀32和所述第二单向阀52之间，所述第三电动阀33并列设于所述第一电动阀31和所述第二电动阀32之间。
23.上述技术方案中，共设置两台泥浆泵，在单泵运行模式下，只启用一台泥浆泵，另一台泥浆泵备用，如图3所示，关闭第一电动阀31、第二电动阀32和第三电动阀33，泥浆泵将高压泥浆泵送至第二泥浆泵接口42处，高压泥浆通过第二单向阀52流入立管，最后经立管进入钻头钻干（图中未示出），完成单泵运行模式；当进入冬季后，天气比较寒冷，如图4所示，另一台备用的泥浆泵对应的第一电动阀31和平板闸阀2开启，可间歇性启动该备用的泥浆泵进行泥浆循环罐内低压循环，防止低压管线冻结。
24.在双泵运行模式下，同时启用两台泥浆泵，如图5所示，关闭第一电动阀31、第二电动阀32和第三电动阀33，两台泥浆泵分别将高压泥浆泵送至第一泥浆泵接口41和第二泥浆泵接口42处，高压泥浆分别经第一单向阀51和 第二单向阀52流入立管，最后经立管进入钻头钻干（图中未示出），完成双泵运行模式；当钻井过程中遇到井壁坍塌、堵水眼、泥浆循环阻力变大引起钻井泵憋泵等突发情况，可以打开第三电动阀33进行泄压；当第一电动阀31、第二电动阀32和第三电动阀33之一出现泄漏时，如图6所示，可关闭平板闸阀2，强制进行井内高压泥浆循环。
25.实施例3结合附图7至12，本实施例提供了一种具有减震效果的高压单向阀结构，所述第一单向阀51和第二单向阀52结构相同，包括中空的壳体100，所述壳体100两端分别设有泥浆入口200和泥浆出口300，所述壳体100内沿泥浆流动方向依次设有阀座400和阀芯500，所述阀芯500连接弹簧600的一端，所述弹簧600的另一端固定于所述壳体100上，所述阀芯500内设有圆柱形的空腔520，泥浆通过所述空腔520流入所述泥浆出口300，所述空腔520包括入口段521、减震段522和出口段523，所述入口段521和所述减震段522的内径一致。
26.上述技术方案中，如图8所示，高压泥浆通过阀芯500上的空腔520流出第一单向阀51，在空腔520内设置减震段522，减震段522可以降低高压泥浆对管路引起的震颤，减震段522可以采用现有技术中的任意具有减震效果的结构设计。其中入口段521和减震段522的内径一致，可以避免因为孔径不一致形成的阶台引起的高压泥浆流动紊乱，使高压泥浆平稳的流入减震段522，进一步降低震颤。
27.如图8和图9所示，本实施例提供了一种优选的阀芯500的技术方案，所述阀芯500包括阀芯本体510，所述阀芯本体510包括依次连接的封堵部511和滑动部512，所述封堵部511可抵接封堵所述阀座400，所述滑动部512的外侧壁两端分别设有环状凸缘5124，所述环状凸缘5124滑动抵接所述壳体100的内侧壁，所述滑动部512的内侧壁圆周设有环形的第一凹槽5121，第一弹性体套筒5122密封嵌设于所述滑动部512的内侧壁，与所述第一凹槽5121共同围合成密闭的第一气腔5123，所述第一气腔5123位于所述减震段522内，所述第一弹性体套筒5122的内径与所述减震段522的内径一致。
28.上述技术方案中，通过第一弹性体套筒5122和第一凹槽5121围合成密闭的第一气腔5123形成减震结构，第一弹性体套筒5122优选为采用氢化丁腈橡胶制备的泡棉，泡棉的
闭孔率大于90%。高压泥浆对第一弹性体套筒5122施加径向的力，第一弹性体套筒5122被压缩，同时向第一气腔5213的方向产生形变，高压泥浆的过流体积增大，可以减少流体压力，抑制震颤。第一弹性套筒5122的内径与减震段522的内径一致，可以避免因孔径不一致形成的阶台引起的高压泥浆流动紊乱，使高压泥浆平稳的在减震段522内流动，进一步降低震颤。第一凹槽5121优选采用具有弧形曲面的底面，一方面平滑的弧形曲面可以降低应力集中，提高阀芯的使用寿命，另一方面弧形曲面与形变时的第一弹性套筒5122的适配性更好。
29.优选的，如图8和图9所示，所述阀座400包括阀座本体410和设于所述阀座本体410中心且互相连通的圆柱孔420和球面孔430；所述圆柱孔420连通所述泥浆入口200，所述球面孔430与所述阀芯500配合，所述阀芯本体510的封堵部511包括封堵所述球面孔430的半圆形的第一球头部5111以及沿所述第一球头部5111底面延伸的颈部5112，所述颈部5112径向设有连通所述空腔520内入口段521的通孔5113。
30.上述技术方案中，圆柱孔420优选采用与泥浆入口200等内径，可以降低阶台引起的流体紊乱，第一球头部5111和颈部5112形成一个长半圆形，第一球头部5111可以使泥浆入口200进入的高压泥浆平滑分流，然后通过颈部5112进入空腔520内，减轻震颤。
31.优选的，如图9和图11所示，所述滑动部512的靠近所述泥浆出口300的一端设有环形活塞513，靠近所述泥浆出口300一端的壳体100内壁上设有限位机构700，所述限位机构700包括间隔套设的内圆环710和外圆环720，所述内圆环710、所述外圆环720和所述壳体100共同围合成与所述环形活塞513相应的滑动腔730，所述内圆环710的内径等于所述减震段522的内径；所述环形活塞513的侧壁轴向设有导向槽5131，所述滑动腔730内设有与所述导向槽5131相应的导向凸起731。
32.上述技术方案中，在高压泥浆正向流动时，如图12所示，阀芯500向泥浆出口300的方向滑动，弹簧600压缩，环形活塞513完全插入滑动腔730内，此时内圆环710与空腔520的减震段522以及泥浆出口300形成等直径的流体通路，高压泥浆从减震段522平稳的进入该流体通路，最终进入泥浆出口300，降低了由于阶台引起的流体紊乱，进一步提高了减震效果。
33.实施例4结合附图8至10，本实施例提供了一种可应用于实施例中空腔520内的稳流机构530，所述稳流机构530包括长球形本体531和设于所述长球形本体531两端的第一固定轴532和第二固定轴533，所述长球形本体531位于所述减震段522内，所述稳流机构530的中心线与所述空腔520的中心线吻合；所述减震段522和所述出口段523的交接处设有格栅540，所述格栅540包括中心圆盘541和圆周等距设于所述中心圆盘541上的支撑柱542，所述支撑柱542固定于所述减震段522的内侧壁上；所述稳流机构530一端固定于所述空腔520入口段521的内端面，另一端固定于所述中心圆盘541上。
34.上述技术方案中，通过稳流机构530对减震段522内的高压泥浆进行稳流，高压泥浆沿稳流机构530的光滑曲面流入减震段522内，使不稳定的高压泥浆经长球形本体531的导流形成稳定的层流体，使减震段522内的高压泥浆流速达到稳定状态，进一步降低了震颤。
35.格栅540的支撑柱542优选为2-4个，沿所述中心圆盘541圆周等距排列，所述支撑柱542优选采用圆形或椭圆形截面的长条形，对流过的高压泥浆进行平缓分流。
36.优选的，如图10所示，所述长球形本体531包括圆柱体5311，所述圆柱体5311的两端分别设有第二球头部5312，一个所述第二球头部5312连接所述第一固定轴532，另一个连接第二固定轴533，所述圆柱体5311的外侧壁圆周设有环形的第二凹槽5313，第二弹性套筒5314密封套设于所述圆柱体5311的外圆周，其外径与所述第二球头部5312的直径相等，所述第二弹性套筒5314与所述第二凹槽5313围合成密封的第二气腔5315。
37.上述技术方案中，长球形本体531的中段采用了第二弹性套筒5314搭配第二凹槽5313的形式，所述第二凹槽5313优选采用弧形曲面，其作用与前述实施例中第一弹性体套筒5122搭配第一凹槽5121的减震原理相同，不再赘述，该结构使稳流机构530同时具备稳流和减震作用，进一步提高了稳流段522的减震效果。
38.实施例5结合附图3至6，本实施例提供了一种高压泥浆管汇的使用方法，包括以下步骤：步骤s100、单泵运行模式，具体包括以下步骤：步骤s110、在钻进过程中，单台泥浆泵运行，另一台泥浆泵处于备用状态，此时，将第一电动阀31、第二电动阀32和第三电动阀33全部关闭，泥浆依次通过第二泥浆泵接口42、第二单向阀52进入立管，经立管进入钻杆钻头内进行井内高压泥浆循环；步骤s120、进入冬季时，另一台备用泥浆泵对应的第一电动阀31及平板闸阀2开启，间歇性启动备用泥浆泵进行泥浆循环罐内低压循环，防止低压管线冻结；步骤s200、双泵运行模式，在钻进过程中，两台泥浆泵同时运行，将第一电动阀31、第二电动阀32和第三电动阀33全部关闭，泥浆依次通过第一泥浆泵接口41、第二泥浆泵接口42分别经第一单向阀51和第二单向阀52进入立管，经立管进入钻杆钻头内进行井内高压泥浆循环；步骤s300、保护模式，具体包括以下步骤：步骤s310、当遇到突发情况需要泄压时，打开第三电动阀33泄压；步骤s320、当电动阀组3中第一电动阀31、第二电动阀32和第三电动阀33之一出现泄漏时，关闭平板闸阀2，强制进行井内高压泥浆循环。
39.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。