一种安全快速更换旋转总成的系统及方法与流程

本发明涉及旋转总成，具体的，涉及一种安全快速更换旋转总成的系统及方法。

背景技术：

1、随着我国油气勘探开发不断加深加快，由地层多压力系统导致的钻井溢漏风险不断加大，利用旋转总成封闭钻具与套管之间的环空，实施欠平衡/控压钻井作业以适当降低钻井液密度，可有效减少或避免井下复杂的发生。但由于胶芯——旋转总成重要组件易受磨损，因此在实施欠平衡/控压钻井作业时，需定期进行旋转总成的更换。

2、当前，在取出旋转总成过程中，需要钻台人员将吊索工具下放到位后，作业人员需攀爬至离地面10米高的狭窄井口，进行吊索工具的牵引与挂靠并手动打开旋转总成锁紧装置，待锁紧装置打开，钻台人员上提吊索工具，从而完成旋转总成的取出，作业期间需要人员娴熟的配合且存在较高的安全风险。因此，提供一种安全快速更换旋转总成的系统及方法具有重要的意义。

3、申请号为“cn202310013408.1”，名称为“一种旋转控制头下套管总成及j型槽取放工具”的中国专利公开了一种j型槽取放工具，在上部旋转总成设置了多个j型槽，j型槽取放工具与钻杆连接，通过钻杆旋转使j型槽取放工具中卡件的伸出或收缩，以实现卡件与卡槽的卡紧或分离。但该专利在下放j型槽取放工具以进行j型槽与卡槽对位过程，由于旋转总成内部受力易产生旋转运动，需要将插件与卡槽反复盲插对位，操作性较差。该装置与本技术的结构不同，而且本技术在旋转总成牵引组件下放到位后，可一次性将移动卡块与卡槽结构嵌接，无需反复盲插对位，操作上更加简单可行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种结构合理、响应迅速和操作方便的安全快速更换旋转总成的系统。又如，本发明的另一目的在于提供一种能够避免高台危险作业减少人工作业强度、无需手动操作吊索工具和安全可靠的安全快速更换旋转总成的方法。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种安全快速更换旋转总成的系统，所述系统可包括旋转总成牵引组件和电控锁紧组件，其中，旋转总成牵引组件与旋转总成内部嵌接，能够取出或安装旋转总成；旋转总成牵引组件包括自上而下依次连接的转换连接短节、上接头和下接头，以及滑筒和操作单元；下接头侧面设有容纳腔室，容纳腔室内沿下接头径向方向从内到外依次设置弹性件和移动卡块，弹性件与移动卡块贴合，弹性件底部与移动卡块底部固定，移动卡块下方设置限位块以限位移动卡块的轴向移动；限位块下方设置应急销钉以限制限位块位移；容纳腔室外侧上设有开孔，移动卡块的一侧能够径向移动出容纳腔室嵌入旋转总成中；滑筒设置在上接头和下接头的外侧，且能够上下移动，滑筒上部与上接头套接，滑筒下部与容纳腔室插接，并与移动卡块接触；操作单元设置在上接头侧壁以控制滑筒移动进而松开牵引组件与旋转总成；电控锁紧组件设置在旋转防喷器的壳体总成外侧，能够锁紧或松开旋转总成与壳体总成；电控锁紧组件包括驱动电机、涡轮涡杆减速器、推杆、锁紧块连接件和锁紧块；涡轮涡杆减速器一侧与推杆连接；推杆与锁紧块连接件连接，锁紧块连接件与锁紧块连接；驱动电机设置在涡轮涡杆减速器下端，为电控锁紧组件提供动力并控制电控锁紧组件动作。

3、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述涡轮涡杆减速器上端可设置有扭矩传感器以监测锁紧力矩，所述驱动电机下端可设置有位移传感器以监测驱动电机转速。

4、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述驱动电机中可设置有plc电路板，所述plc电路板可发出指令控制驱动电机操作电控锁紧组件抱紧或松开壳体总成。

5、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述plc电路板上可设有无线传输模块，通过所述无线传输模块可实现远程电子设备操控电控锁紧组件。

6、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述操作单元可包括操作手柄，所述上接头侧壁可设有凹槽，所述滑筒的上部可设有滑槽，所述凹槽和所述滑槽相通形成容纳空间，所述操作手柄能够在所述容纳空间中转动。

7、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述弹性件可包括拱形弹簧，所述开孔可包括梯形开孔，所述凹槽可包括矩形凹槽，所述滑槽可包括横向圆槽。

8、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述容纳腔室内还可包括阶梯槽，所述阶梯槽可包括多层阶梯面，所述限位块和应急销钉可分别设置在多层阶梯面上；所述滑筒下部能够在所述阶梯槽中上下移动。

9、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述阶梯槽可包括自上而下依次设置的第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面，所述应急销钉可设置在第二阶梯面与第一阶梯面之间，旋转总成牵引组件与旋转总成嵌接时，所述滑筒下端位于第三阶梯面。

10、本发明的另一方面提供了一种安全快速更换旋转总成的方法，所述方法可通过如上所述的安全快速更换旋转总成的系统来实现，旋转总成外侧可设置壳体总成，旋转防喷器工作时，旋转总成可通过所述电控锁紧组件锁紧于壳体总成之中；且所述方法可包括以下步骤：取出待更换旋转总成时，连接钻杆与旋转总成牵引组件，钻杆下行，旋转总成牵引组件与旋转总成连接；操作电控锁紧组件松开旋转总成与壳体总成；上提钻杆，取出待更换旋转总成和旋转总成牵引组件；安装新旋转总成时，连接钻杆与旋转总成牵引组件，连接旋转总成牵引组件与旋转总成；钻杆下行，待旋转总成座放到位，操作电控锁紧组件锁紧旋转总成与壳体总成；转动操作单元，使旋转总成牵引组件与旋转总成不再连接，上提钻杆，取出旋转总成牵引组件。

11、根据本发明另一方面的一个或多个示例性实施例，所述下接头的外侧可设有下接头定位面接触端，所述下接头定位面接触端位于所述容纳腔室下方；所述旋转总成包括可胶芯连接件和胶芯，所述胶芯连接件位于所述胶芯上端，所述旋转总成牵引组件可嵌接入所述胶芯连接件和胶芯内部，所述胶芯连接件内壁圆周面上可设有卡槽以嵌接所述移动卡块，所述胶芯上可设有定位面。

12、根据本发明另一方面的一个或多个示例性实施例，所述旋转总成牵引组件与旋转总成连接的步骤可包括：当移动卡块开始接触胶芯连接件，移动卡块受挤压退至容纳腔室内，移动卡块将力传至弹性件，弹性件从拱起收缩的初始状态转变为压缩伸长状态；钻杆继续下行，当移动卡块与卡槽位置对应时，移动卡块不再受挤压力，弹性件拱起收缩，移动卡块一侧嵌入卡槽中，滑筒底部移至容纳腔室底部，定位面接触端底部与定位面接触；所述使旋转总成牵引组件与旋转总成不再连接的步骤可包括：转动操作单元使滑筒向上移动，移动卡块受到朝向旋转总成中心轴方向的分力，移动卡块将该分力传至弹性件，弹性件压缩伸长，移动卡块从卡槽中退至容纳腔室内，移动卡块解卡；所述电控锁紧组件松开旋转总成与壳体总成的步骤可包括：驱动电机发出松开指令，涡轮涡杆减速器转动，推杆向背离壳体总成中心轴的方向水平运动，锁紧块松开壳体总成，待推杆达到设定行程的最大位移，推杆停止运动，锁紧块松开壳体总成；所述电控锁紧组件锁紧旋转总成与壳体总成的步骤可包括：驱动电机发出锁紧指令，涡轮涡杆减速器转动，推杆向朝向旋转总成中心轴的方向运动，待推杆达到设定行程的锁紧力矩，推杆停止运动，锁紧块锁紧壳体总成。

13、根据本发明另一方面的一个或多个示例性实施例，所述方法还可包括：若移动卡块无法退回容纳腔室，则向下震击钻杆，从而剪断应急销钉，限位块下落，移动卡块和弹性件下落，移动卡块向朝向旋转总成中心轴方向的下方移动，退回容纳腔室，移动卡块解卡。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中至少一项：

15、(1)本发明的系统结构合理、响应迅速、工作稳定可靠。

16、(2)本发明的系统依靠纯机械力完成旋转总成牵引组件与旋转总成连接，实现了移动卡块与卡槽的快速嵌接，移动卡块无需与卡槽反复对位，操作方便简单。

17、(3)采用本发明的方法无需手动操作吊索工具，能够避免高台危险作业，降低劳动强度并提高效率，实现井口作业无人化，提高钻井装备的自动化水平。以川渝地区控压钻井为例，对于平均单井需进行29次高处作业，单次更换旋转总成平均井口作业时间可达1.5h，若采用本方法，对于一口井可节约43小时。