专利名称：耐超高压钻井设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种耐超高压钻井设备，属于石油钻探工程。钻井设备包括泥浆泵站、水龙带、水龙头、钻柱和钻头。
现有技术的不足之处在于耐压能力偏低，额定耐压为35MPa，但实际工作压力为20MPa，而且还不能保证稳定和持久；设备的使用寿命较短。因而导致钻井速度慢和工程造价高。
本发明的目的在于克服上述技术中的不足之处而提供一种耐压能力高(施工泵压达50MPa)、钻井速度快和工程造价低的耐超高压钻井设备。
本发明的目的可以通过以下措施来达到本发明由泥浆泵站、水龙带、耐超高压水龙头、耐超高压钻具接头、活动循环接头和混合型钻头组成，(1)耐超高压水龙头由双鹅颈管、人字形密封圈、中心管、本体、支架、冲管、支柱、顶丝、顶丝盘、连续给油装置和下密封装置组成，加长了人字形密封圈，冲管上端和人字形密封圈下部增设O形密封圈，人字形密封圈的润滑油道由连续给油装置通过高压胶管注入油咀。
(2)耐超高压钻具接头的公扣接头本体下部有O形密封圈和刮泥胶圈。
(3)活动循环接头由芯轴、外壳和滤清器组成，芯轴中部为六方筒，芯轴上部有限位槽，外壳中部内腔为六方孔，外壳的六方孔套装于芯轴六方筒外，外壳下部有循环孔，芯轴和外壳下部有滤清器。
(4)混合型钻头由钻头本体、牙轮、中心体和复合片构成，钻头本体和中心体上都有轴孔，牙轮轮轴两端分别支承于钻头本体和中心体的轴孔内，中心体上端焊固于钻头本体内，中心体下端连接有复合片。
耐超高压水龙头的连续给油装置由油缸、活塞和接头构成，油缸后端有压盖、O形密封圈和钻井液进入阀，油缸前端有O形密封圈和接头，接头前部有带排油阀、加油阀和加油口的筒体，压盖和油缸、油缸和接头以及接头和筒体有螺纹连接，排油阀和油咀间有高压胶管连通。
耐超高压水龙头的下密封装置由下冲管、下密封总成和接头外壳构成，下冲管通过中间接头和冲管连通，下密封总成的人字形密封圈上有压帽和下有挡圈，挡圈螺纹连接于下冲管下部，下密封总成装于接头外壳和下冲管之间。
泥浆泵站的泥浆泵阀有压力传感器。
泥浆泵站的泥浆罐内有过滤装置，由上水管、滤筒、支柱、滑轮和拉绳组成，上水管套装有滤筒，支柱焊固于上水管，支柱顶端有滑轮，拉绳下端连接于滤筒上。
活动循环接头的滤清器螺纹连接于外壳内，滤清器上部有过滤小孔。
活动循环接头的外壳的循环孔为三个。
混合型钻头的牙轮有外轮和内轮，轮轴和外内轮之间有滑动套。
混合型钻头的中心体下端侧部有喷咀和底部有带复合片的刀片。
混合型钻头的复合片的切削平面比牙轮的切削平面低。
附图的图面说明如下
图1为本发明的总图；图2为本发明泥浆泵站泥浆罐内过滤装置的平面图；图3为图2的侧视图；图4为本发明超高压水龙头的局部半剖图；图5为本发明超高压水龙头连续给油装置的图；图6为本发明超高压水龙头密封装置的图；图7为本发明钻具接头的图；图8为本发明活动循环接头的图；图9为本发明混合型钻头的图。
附图件号表示1、双鹅颈管 2、支柱 3、连接头 4、冲管5、油咀 6、密封圈盒 7、密封圈垫圈 8、衬套9、人字形密封圈 10、密封圈压紧帽 11、O形密封圈 12、连续给油装置13、中心管14、支架 15、顶丝 16、顶丝盘17、进水口18、润滑油道 19、进油孔20、管口21、提环 22、本体 23、高压胶管 24、油缸25、活塞 26、接头 27、压盖 28、O形密封圈29、进入阀30、O形密封圈31、排油阀32、加油阀33、加油口34、腔 35、下冲管36、接头外壳37、压帽 38、上O形密封圈 39、人字形密封圈 40、下O形密封圈41、挡圈 42、沟槽 43、井架大腿 44、立管45、水龙带46、耐超高压水龙头 47、方钻杆48、钻具接头 49、钻杆 50、钻铤 51、活动循环接头52、混合型钻头53、泥浆罐 54、上水管55、支柱56、滤筒 57、挡销 58、上水管59、滑轮60、拉绳 61、芯轴 62、限位销63、外壳
64、O形密封圈 65、循环孔 66、滤清器 67、丝扣68、限位槽69、六方筒 70、过滤小孔 71、钻头本体72、外轮 73、O形密封 74、轮轴 75、滑动套76、内轮 77、喷咀 78、中心体 79、刀片80、复合片81、卡簧 82、孔 83、键84、公扣接头本体 85、锥管螺纹 86、O形密封圈87、刮泥胶圈88、母扣接头本体下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述本发明中的下述三种已由申请人申请了专利申请号 发明名称 申请日1 99205116.9耐超高压水龙头1999.03.152 99211934.0活动循环接头 1999.06.023 99211583.3混合型钻头1999.06.02图1表示本发明的总体结构示意，来自泥浆泵的超高压泥浆通过井架大腿43旁的立管44、水龙带45、耐超高压水龙头46、方钻杆47、钻具接头48、钻杆49、钻铤50和活动循环接头51，再通过混合型钻头52中的水眼，输送至井下，并随着钻头旋转以将井底破碎的岩石(即岩屑)输送到地面。泥浆工作压力从现有的20MPa提高至30MPa，机械速度即可提高一倍左右，所以，提高泥浆的工作压力对加快钻井速度和降低工程造价具有巨大意义。
第一、泥浆泵站现有泥浆泵从材质和结构上，能满足升压要求。本发明只对其做出二点改进一、在泥浆泵的阀部位装设压力传感器，以便记录阀压的变化情况，当泵压过高或过低而出现故障时，可提醒操作人员及时排除故障。
二、在储存泥浆的泥浆罐53内增设过滤装置，其结构见图2和图3。两支滤筒56套装于上水管58上，滤筒可绕上水管转动。上水管上的两滤筒之间固定有支柱55，支柱上端有滑轮59，滑轮上分别有拉绳60吊拉着滤筒。需要时拉起其中一个滤筒，以清除滤筒外的污物，另一滤筒继续参与过滤作业，待清除完过滤筒后，两个滤筒可同时参与过滤作业。两滤筒的外端有挡圈和挡销57，以防滤筒滑出。上水管58焊固于泥浆罐壁上。使用时，泥浆罐内的泥浆经滤筒过滤后进入上水管，再从上水管口54进入泥浆泵。
第二、水龙带现有水龙带45中有能满足本发明升压要求的，本发明选用该水龙带。
第三、水龙头图4-图6表示本发明耐超高压水龙头46的结构。
水龙头是石油天然气钻井设备中一个重要的组成部件。它是承接钻塔上部大钩提放力的一个环节，它通过提环挂在大钩钩口内，下部通过方钻杆同钻具、钻头连接。同时钻井液(也称洗井液，即泥浆)通过泥浆泵-地面管汇-立管-水龙带-水龙头-方钻杆-钻具-钻头-井眼钻具之间环空，形成一个通道进行循环，达到把井下钻屑带到地面和冷却钻具的目的，是正常钻进的必备条件。
水龙头的本体挂在大钩下，外壳(含本体、支架、双鹅颈管)是不允许旋转的。而方钻杆只有旋转才能带动下部钻具钻进，所以通过水龙头要解决外壳不转和内管转动之间存在的对流体密封问题。其密封能力的大小严重影响着钻井工程的效率。
现有技术，由于存在下述不足之处而不能在超高压状态下使用。1、双鹅颈管与冲管连接处无O型密封圈；2、人字形密封圈的密封性能不够；3、双鹅颈管偏重受力；4、冲管装配调试难以与中心管对中；5、冲管润滑油道加工难度大；6、冲管的加工精度和光洁度要求高，加工成本较高；7、润滑是采用定期加油，不能达到理想润滑，且油脂消耗量较大。
图4表示本发明超高压水龙头的总体结构。位于井口附近的超高压泥浆泵，输出的超高压泥浆，通过数拾米长的水龙带45(见图1)与位于钻塔上部的本发明超高压水龙头双鹅颈管1的进水口17连通。超高压泥浆经冲管4、中心管13、管口20、钻具和钻头进入井底。通过连接头3将双鹅颈管和冲管4连接在一起。
首先，为了提高人字形密封圈9的密封性能，加长了现有技术的人字形密封圈的长度。
为了确保密封，在冲管和双鹅颈管的连接处以及在人字形密封圈下方加了O型密封圈11。
为了改善呈悬臂状态的双鹅颈管通过进水口17悬吊笨重水龙带的偏重受力，本发明超高压水龙头在支架14顶上增设了支柱2，用以支撑双鹅颈管。
为了在安装时确保冲管4和中心管13之间的同心，本发明超高压水龙头的支架14顶部中央增设了顶丝盘16和顶丝15，通过调整顶丝以调整冲管对中心管的对中，调好后将顶丝盘焊固于支架上。
冲管内部有润滑油道18，将润滑油通入人字型密封圈9间的进油孔19。冲管是易损件，加工量较大，要求精度和光洁度均高，为了减少消耗，同时也为解决润滑油道18的加工难度，本发明超高压水龙头采用加衬套8的办法。衬套外面与人字型密封圈9和其下的O型密封圈11接触，衬套采用波纹状外圆以增加其与密封圈的接触长度，从而进一步改善了密封性能。
为了提高衬套与密封圈的润滑效果，改现有技术的定期润滑为连续、均匀注入油脂的办法。其措施如下钻台上设有连续给油装置12，利用泵压的部分(本实施例为二分之一)压力推动油脂通过专用高压胶管23注入润滑油咀5。这样，除保证达到理想润滑外；还能提高密封能力；延长密封圈的使用寿命；减少因保养的需要导致每天不可少的停工损失；操作安全性好。
图中件号6为密封圈盒，7为密封圈垫圈，10为密封圈压紧帽，21为提环，22为本体。
图5表示连续给油装置12的结构，主要由油缸24，活塞25和接头26构成，油缸后端有压盖27、O形密封圈28和钻井液进入阀29，压盖和油缸后端螺纹连接。油缸前端有接头和O形密封圈30，接头后部和油缸前端螺纹连接，接头前部螺纹连接有带排油阀31、加油阀32和加油口33的筒体，排油阀前有高压胶管23。
使用时，开启进入阀29，压力钻井液进入油缸内，缸前端腔34内压力为钻井液压力的二分之一，连续不断地从排油阀31排出，经高压胶管23注入润滑油咀5。油量不够时，先关闭阀29和31，开启阀32，从加油口33加入润滑油。
图6表示下密封装置的结构，主要由下冲管35、下密封总成和接头外壳36构成，下冲管通过中间接头(图上未表示)和冲管4连接，下冲管上部有沟槽42，供密封失效时上卸方便之用。下密封总成包括压帽37、上O形密封圈38、人字形密封圈39、下O形密封圈40和挡圈41，人字形密封圈上有压帽和下有挡圈，挡圈螺纹连接于下冲管下部，下密封总成装于接头外壳和下冲管之间。接头外壳下端和方钻杆连接。
第四、钻柱钻柱是用各种接头将方钻杆、钻杆和钻铤连接而成的入井管柱，钻柱通常是指钻头以上的钻具。
现有的方钻杆、钻杆和钻铤均能满足本发明的升压要求。
本发明对钻柱做了以下二点改进一、对钻具接头改进为耐超高压的钻具接头48。
二、钻头上方增设了活动循环接头。
第四.一、耐超高压钻具接头。
现有钻具接头不加任何密封圈，仅靠公扣接头本体84和母扣接头本体88上的公母扣(即外内锥管螺纹85)接头，靠巨大的上紧力矩面接触压力进行密封，其密封能力在25Mpa以下，经常在20Mpa工作泵压下刺漏，特别是在上扣力矩偏小或者钻具老化时更是密封可靠性很差。
图7表示本发明耐超高压的钻具接头的结构。在锥管螺纹下方的管柱外增设O形密封圈86和刮泥胶圈87，以确保升压后的密封可靠。
第四.二、活动循环接头图8表示本发明活动循环接头的结构。
现有技术中尚无此种结构的接头。现有油田钻探，使用小喷咀钻头时，可能带来钻屑携带困难、非钻进时间马力浪费大以及遇到高压流体及低压漏失时存在处理上的局限性。
本发明活动循环接头由芯轴61、外壳63和滤清器66组成，芯轴61中部有六方筒69，芯轴上部外圆有限位槽68，芯轴61装于外壳63内。外壳中部内腔有六方孔，六方孔套装于芯轴的六方筒69外，外壳上部的螺孔内装有限位销62。外壳下部有循环孔65，本实施例的循环孔有三个。外壳底端有丝扣67。在芯轴和外壳下部内腔内有滤清器66，滤清器顶上有过滤小孔70，中央有孔口朝下的孔，滤清器下端外有外螺纹，通过该外螺纹将其连接于外壳上。滤清器和芯轴以及外壳之间、芯轴和外壳之间有O形密封圈64进行密封。
芯轴61接在油井内的钻头上和钻铤下，钻铤上方连接有钻杆，芯轴通过六方结构将地面施加的扭矩和压力传递给外壳。外壳下的丝扣67同钻头连接，当钻头接触井底时，钻头在扭矩和压力作用下旋转达到钻进和划眼的目的。当钻头提离井底时，芯轴61上行在限位销62及限位槽68的控制范围内，此时，孔径较大的循环孔65使芯轴内腔和外壳外腔连通。来自地面泥浆泵并通入钻杆、钻铤和芯轴内孔道的液流从循环孔向外流出，液流阻力大幅度降低，泥浆泵的泵压下降和排量增大，管外流速提高，改善携砂效果，同时还能有效冲刷和清除井壁上粘附和堆积的钻屑。在井下有高压流体时，便于压井。在井下有漏失时，能大排量补充流体而不易发生井垮。
循环孔65由于直径大，所以在下钻时，便于管外流体进入而不会造成钻具内大段掏空所带来的隐患。在起钻时，不易造成严重流体外喷，提高操作时效和安全性，不易形成井眼抽空而带来的危险。下完钻流体循环中，还便于排除进入钻具内的大颗粒易堵水眼(即钻头中过泥浆喷咀)的杂物。
在现有技术钻头使用小直径喷咀时，还容易发生在下钻和钻进过程中堵死喷咀而被迫起钻，所以，在本发明活动循环接头中特设一个滤清器66，有了它，在过滤小孔70的控制下，确保了钻头小喷咀不会堵塞，而在滤清器上的杂物，可以在提起钻头循环时全部从循环孔65中排出，对井下安全起了重要的保障作用。
本发明活动循环接头的使用情况如下钻进时，芯轴处于外壳的下部位，循环流体全部通过钻头水眼到外部的环形空间，流到地面，反复循环。此时利用高泵压，帮助钻头破碎地层，清洗井底，提高机械钻速。但当提起钻具和钻头离开井底时，高泵压是无用功，且耗电很大，尤其当遇有井下复杂情况，油气侵或砂子带不干净、井壁有阻卡时，需要增大排量，却由于泵压限制，无能为力，所以使用本发明的活动循环接头，当钻头离开井底后，三个大循环孔道开启，流体经此孔道流入环空，泵压降低，有利复杂情况处理，能降低消耗。而外壳下部加滤清器使最终防止了钻头水眼的堵塞，改善了井下安全和提高了生产时效。因此，只要使用钻头喷咀的施工，本发明的活动循环接头都有使用价值。
增设活动循环接头可取得下述积极效果当使用小喷咀工作条件下能改善井下钻屑携带；遇到高压流体层和低压漏失层时增加处理手段；减少井下复杂情况，并对起钻中的阻卡现象提供比较有效的克服措施。
第五、混合型钻头本发明采用的钻头是申请人已申请的混合型钻头。
现有技术为三牙轮钻头。其不足之处在于牙轮轮轴为悬臂梁结构，由于轮轴受力不合理而不得不加大轮轴直径，导致牙轮的轮壳单薄，容易发生掉牙轮事故。
图9表示本发明混合型钻头的结构。钻头本体71中央有供泥浆通过的孔82，上端有和活动循环接头连接的外锥螺纹，下部有供轮轴装入的孔。本实施例采用三个牙轮，因而设有供牙轮轮轴74装入的孔三个。中心体78上端有键83三个连接并焊固于钻头本体内腔，下部外侧有和牙轮本体相对应的供轮轴装入的孔三个，这样可减小轮轴直径和加厚牙轮轮壳的厚度，轮轴头外有卡簧81，供轮轴装入中心体轴孔后以对轮轴卡死。中心体的轴孔下有供泥浆喷出的喷咀77三个。牙轮轮轴74上的牙轮有外轮72和内轮76，轮轴和内外轮之间有滑动套75，本发明混合型钻头的滑动套采用自润滑材料。中心体的下端固定有刀片79，刀片79上有复合片80，本实施例的复合片为现有的聚晶金刚石切削片(PDC)，复合片的切削平面比牙轮的切削平面低，以利在钻头旋转中破碎井眼中部的地层。使用时，从喷咀向外喷出的泥浆可同时将牙轮和复合片的钻屑喷向外返回地面泥浆池内供循环用，喷出的泥浆还可同时对牙轮和复合片进行冷却。为了减少滑动套的磨损，在滑动套两端分别装设有O形密封圈73。
由于增设了复合片，可提高钻进速度、缩短钻井周期和降低钻井工程造价；可延长牙轮钻头的使用寿命。
本发明对比现有技术，具有能耐超高压的优点。由于使用超高压钻井，可大幅度提高钻井的速度；缩短钻井周期和建井周期；降低钻井成本；大大提高了国内外的市场占有率。总之，采用本发明加快钻井速度对油田的勘探和开发具有十分重要的意义。
权利要求
1.一种耐超高压钻井设备，包括泥浆泵站和水龙带，其特征在于，还包括耐超高压水龙头、耐超高压钻具接头、活动循环接头和混合型钻头，(1)耐超高压水龙头由双鹅颈管、人字形密封圈、中心管、本体、支架、冲管、支柱、顶丝、顶丝盘、连续给油装置和下密封装置组成，加长了人字形密封圈，冲管上端和人字形密封圈下部增设O形密封圈，人字形密封圈的润滑油道由连续给油装置通过高压胶管注入油咀，(2)耐超高压钻具接头的公扣接头本体下部有O形密封圈和刮泥胶圈，(3)活动循环接头由芯轴、外壳和滤清器组成，芯轴中部为六方筒，芯轴上部有限位槽，外壳中部内腔为六方孔，外壳的六方孔套装于芯轴六方筒外，外壳下部有循环孔，芯轴和外壳下部有滤清器，(4)混合型钻头由钻头本体、牙轮、中心体和复合片构成，钻头本体和中心体上都有轴孔，牙轮轮轴两端分别支承于钻头本体和中心体的轴孔内，中心体上端焊固于钻头本体内，中心体下端连接有复合片。
2.根据权利要求1所述的耐超高压钻井设备，其特征在于，耐超高压水龙头的连续给油装置由油缸、活塞和接头构成，油缸后端有压盖、O形密封圈和钻井液进入阀，油缸前端有O形密封圈和接头，接头前部有带排油阀、加油阀和加油口的筒体，压盖和油缸、油缸和接头以及接头和筒体有螺纹连接，排油阀和油咀间有高压胶管连通。
3.根据权利要求1所述的耐超高压钻井设备，其特征在于，耐超高压水龙头的下密封装置由下冲管、下密封总成和接头外壳构成，下冲管通过中间接头和冲管连通，下密封总成的人字形密封圈上有压帽和下有挡圈，挡圈螺纹连接于下冲管下部，下密封总成装于接头外壳和下冲管之间。
4.根据权利要求1所述的耐超高压钻井设备，其特征在于，泥浆泵站的泥浆泵阀有压力传感器。
5.根据权利要求1所述的耐超高压钻井设备，其特征在于，泥浆泵站的泥浆罐内有过滤装置，由上水管、滤筒、支柱、滑轮和拉绳组成，上水管套装有滤筒，支柱焊固于上水管，支柱顶端有滑轮，拉绳下端连接于滤筒上。
6.根据权利要求1所述的耐超高压钻井设备，其特征在于，活动循环接头的滤清器螺纹连接于外壳内，滤清器上部有过滤小孔。
7.根据权利要求1所述的耐超高压钻井设备，其特征在于，活动循环接头的外壳的循环孔为三个。
8.根据权利要求1所述的耐超高压钻井设备，其特征在于，混合型钻头的牙轮有外轮和内轮，轮轴和外内轮之间有滑动套。
9.根据权利要求1所述的耐超高压钻井设备，其特征在于，混合型钻头的中心体下端侧部有喷咀和底部有带复合片的刀片。
10.根据权利要求1所述的耐超高压钻井设备，其特征在于，混合型钻头的复合片的切削平面比牙轮的切削平面低。
全文摘要
耐超高压钻井设备由泥浆泵站、水龙带、耐超高压水龙头、耐超高压钻具接头、活动循环接头和混合型钻头组成,加长了人字形密封圈,冲管上端和人字形密封圈下部增设O形密封圈,润滑油道由连续给油装置注入油嘴。耐超高压钻具接头的公扣接头本体下部有O形密封圈和刮泥胶圈。活动循环接头由芯轴、外壳和滤清器组成。混合型钻头由钻头本体、牙轮、中心体和复合片构成。超高压钻井可大幅度提高钻井速度、缩短钻井周期和降低钻井成本。
文档编号E21B3/00GK1244623SQ9910944
公开日2000年2月16日 申请日期1999年7月6日 优先权日1999年7月6日
发明者杜晓瑞 申请人:杜晓瑞