一种气体钻井全自动孔口密封及相关作业系统的制作方法

1.本发明涉及一种密封及相关作业系统，特别涉及一种气体钻井全自动孔口密封及相关作业系统。


背景技术：

2.目前，气体反循环钻井技术是一种以压缩气体作为循环介质，将钻进过程中产生的岩屑经钻杆中心通道携带至地面的欠平衡钻井技术，由于其机械钻速快、地层适应性强、排渣效果好等优点，在地质勘探、油气资源开发及矿山应急救援等领域得到了广泛应用。但受地层、反循环钻头结构及其它因素的影响，实际应用时反循环效果不理想，导致气体从钻柱与井壁的环形间隙上返，正循环和反循环钻进同时存在，影响现场作业安全，严重时甚至会导致井底排渣不彻底，易发生卡钻等事故。现有孔口相关作业系统密封方式单一、操作流程繁杂，现场使用极为不便，迫切需要开发一种气体钻井全自动孔口作业系统，以提高孔口密封性能，降低工作人员的劳动强度，节省钻进辅助时间，提高气体反循环钻井钻进效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有反循环钻探中所用的井口相应作业系统存在的密封方式单一、操作流程繁杂以及现场使用极为不便的问题而提供的一种气体钻井全自动孔口密封及相关作业系统。
4.本发明提供的气体钻井全自动孔口密封及相关作业系统包括有孔口密封及开合机构、排渣管拆卸机构、孔口密封运移机构、孔口密封拆卸机构、吊卡开合机构和电控机构，其中孔口密封及开合机构套设在井口上部的钻杆上，排渣管拆卸机构设在井口排渣管处的架体上，孔口密封运移机构和孔口密封拆卸机构对应排渣管拆卸机构设置，孔口密封运移机构和孔口密封拆卸机构装配在孔口密封及开合机构下部的架体上，吊卡开合机构设在孔口密封运移机构和孔口密封拆卸机构的下部，吊卡开合机构套设在井口处的内套管上，电控机构分别与孔口密封及开合机构、排渣管拆卸机构、孔口密封运移机构、孔口密封拆卸机构和吊卡开合机构相连接，电控机构控制孔口密封及开合机构、排渣管拆卸机构、孔口密封运移机构、孔口密封拆卸机构和吊卡开合机构的工作。
5.孔口密封及开合机构包括有内套管、外密封管体和内密封管体，其中内套管、外密封管体和内密封管体均套设在钻杆上，内套管的顶端与外密封管体底端之间相螺接，外密封管体与内密封管体之间通过轴承相连接，内密封管体能够独立进行旋转，外密封管体的侧壁上开设有排渣口，排渣口处连接有排渣管，外密封管体的顶端一侧边上固连有枢接轴，枢接轴上枢接有钻杆密封体，钻杆密封体为两个半圆相对的开合结构，两个半圆的钻杆密封体相对套设在钻杆上，两个半圆的钻杆密封体能够绕外密封管体顶端的枢接轴进行转动从而使两个半圆的钻杆密封体进行开合，外密封管体上在钻杆密封体的底部对称固连有两个支臂，两个支臂上分别设有第一电动推杆，两个第一电动推杆的一端分别与两个半圆的钻杆密封体相连接，在两个第一电动推杆的带动下两个半圆的钻杆密封体能够绕枢接轴进
行开合，两个第一电动推杆均与电控机构相连接并由电控机构控制工作。
6.钻杆密封体与钻杆之间填塞有密封橡胶进行动态密封，钻杆密封体的底部与外密封管体顶端之间设有橡胶密封圈进行密封。
7.排渣管拆卸机构包括有伸缩管、固定管、两个第二电动推杆和两个第三电动推杆，其中伸缩管的一端通过压块与排渣管的出口相连接，伸缩管的另一端插设在固定管内，固定管固连在架体上，伸缩管与固定管之间通过密封圈进行密封，两个第二电动推杆的一端均固连在伸缩管上，两个第二电动推杆的另一端与压块相连接，在两个第二电动推杆的带动下通过压块使伸缩管与排渣管进行连接或分离，两个第三电动推杆的一端均固连在架体上，两个第三电动推杆的另一端均与伸缩管相固连，在两个第三电动推杆的带动下伸缩管能够进行伸缩，两个第二电动推杆和两个第三电动推杆均与电控机构相连接并由电控机构控制工作。
8.孔口密封运移机构包括有平移架和抬升架，其中平移架装配在架体的水平滑道上，平移架连接有两个第四电动推杆，两个第四电动推杆能够带动平移架沿架体上的水平滑道进行移动，抬升架装配在平移架上的竖直滑道上，抬升架连接有四个第五电动推杆，四个第五电动推杆能够带动抬升架沿平移架上的竖直滑道进行滑动，抬升架的前端设有两个卡槽，外密封管体上的两个支臂能够卡接在两个卡槽内，抬升架能够与外密封管体同步进行移动，两个第四电动推杆和四个第五电动推杆均与电控机构相连接并由电控机构控制工作。
9.孔口密封拆卸机构包括有驱动电机、锥齿轮和锥齿轮盘，其中驱动电机的驱动轴与锥齿轮相连接，驱动电机带动锥齿轮进行转动，锥齿轮盘套设在外密封管体的底部，锥齿轮能够与锥齿轮盘相啮合，锥齿轮与锥齿轮盘相啮合过程中带动外密封管体与内套管的连接和分离，驱动电机装配在孔口密封运移机构上的抬升架上，驱动电机能够与抬升架进行同步移动，驱动电机与电控机构相连接并由电控机构控制工作。
10.吊卡开合机构包括有吊卡和两个第六电动推杆，其中吊卡套设在内套管的上部，两个第六电动推杆的一端均固连在架体上，两个第六电动推杆的另一端固连在吊卡上，两个第六电动推杆能够带动吊卡与内套管进行固连或分离，两个第六电动推杆与电控机构相连接并由电控机构控制工作。
11.电控机构包括有信号输入模块、信号处理模块和信号输出模块，其中信号输入模块与信号处理模块相连接，信号处理模块还与信号输出模块相连接，信号输入模块能够把接收到的数据实时传输给信号处理模块进行处理，信号处理模块能够把接收到的数据处理后发送给信号输出模块向外传输，信号输入模块和信号输出模块均与控制系统中的中心控制模块相连，中心控制模块实现实时控制，信号输入模块还分别与两个第一电动推杆、两个第二电动推杆、两个第三电动推杆、两个第四电动推杆、四个第五电动推杆、驱动电机和两个第六电动推杆相连，信号输入模块能够实时接收两个第一电动推杆、两个第二电动推杆、两个第三电动推杆、两个第四电动推杆、四个第五电动推杆、驱动电机和两个第六电动推杆的位移数据，信号输出模块与两个第一电动推杆、两个第二电动推杆、两个第三电动推杆、两个第四电动推杆、四个第五电动推杆、驱动电机和两个第六电动推杆相连接，信号输出模块控制两个第一电动推杆、两个第二电动推杆、两个第三电动推杆、两个第四电动推杆、四个第五电动推杆、驱动电机和两个第六电动推杆的工作。
12.上述的第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆、第五电动推杆、驱动电机和第六电动推杆均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
13.本发明的工作原理如下：
14.本发明提供的气体钻井全自动孔口密封及相关作业系统在钻进回次结束后需要拆卸时，其工作过程如下所述：
15.第一步：两个第二电动推杆启动，两个第二电动推杆收回使压块旋转并与排渣管分离，然后两个第三电动推杆启动，两个第三电动推杆收回带动伸缩管向远离排渣管的方向移动；
16.第二步：两个第一电动推杆启动，两个第一电动推杆收回带动两个半圆的钻杆密封体进行旋转，使两个半圆的钻杆密封体与钻杆分离，然后钻机将钻杆拆卸并向上提出；
17.第三步：驱动电机启动，驱动电机带动锥齿轮啮合锥齿轮盘转动，同时带动外密封管体与内套管分离；
18.第四步：四个第五电动推杆启动，四个第五电动推杆同步伸出带动抬升架上行，将孔口密封及开合机构抬起，然后两个第四电动推杆启动，两个第四电动推杆收回带动平移架向远离井口的方向移动；
19.第五步：两个第六电动推杆启动，两个第六电动推杆收回带动吊卡向远离井口的方向移动，此时吊卡与内套管分离，内套管在自身重力的作用下向下运动，然后通过钻机将新套管下入井内，此时回次结束。
20.第六步：内套管下入完成后，两个第六电动推杆启动，两个第六电动推杆同步伸出带动吊卡向靠近井口的方向移动，使吊卡与内套管进行固连，之后的步骤与第四、三、二、一步相反，依次将孔口密封及开合机构与其他机构相连，然后继续进行钻进工作。
21.本发明的有益效果：
22.本发明提供的气体钻井全自动孔口密封及相关作业系统能够用于气动潜孔锤钻井井口，能够实现全自动拆卸密封器，无需人力劳动，控制方式简单可靠、结构稳定、承载能力强，大幅提高拆卸效率，拆卸过程仅需人为远程操控，保证作业安全。
附图说明
23.图1为本发明所述的作业系统整体结构示意图。
24.图2为本发明所述的孔口密封及开合机构剖视结构示意图。
25.图3为本发明所述的孔口密封及开合机构局部立体结构示意图。
26.图4为本发明所述的排渣管拆卸机构立体结构示意图。
27.图5为本发明所述的孔口密封运移机构立体结构示意图。
28.图6为本发明所述的孔口密封拆卸机构立体结构示意图。
29.图7为本发明所述的吊卡开合机构立体结构示意图。
30.图8为本发明所述的电控机构及连接关系框图。
31.上图中的标注如下：
32.1、孔口密封及开合机构
ꢀꢀ
2、排渣管拆卸机构
ꢀꢀ
3、孔口密封运移机构
33.4、孔口密封拆卸机构
ꢀꢀ
5、吊卡开合机构
ꢀꢀ
6、电控机构
ꢀꢀ
7、钻杆
34.8、排渣管
ꢀꢀ
9、架体
ꢀꢀ
10、内套管
ꢀꢀ
11、外密封管体
ꢀꢀ
12、内密封管体
35.13、轴承
ꢀꢀ
14、枢接轴
ꢀꢀ
15、钻杆密封体
ꢀꢀ
16、支臂
ꢀꢀ
17、第一电动推杆
36.18、密封橡胶
ꢀꢀ
19、橡胶密封圈
ꢀꢀ
20、伸缩管
ꢀꢀ
21、固定管
37.22、第二电动推杆
ꢀꢀ
23、第三电动推杆
ꢀꢀ
24、压块
ꢀꢀ
25、平移架
38.26、抬升架
ꢀꢀ
27、第四电动推杆
ꢀꢀ
28、第五电动推杆
ꢀꢀ
29、卡槽
39.30、驱动电机
ꢀꢀ
31、锥齿轮
ꢀꢀ
32、锥齿轮盘
ꢀꢀ
33、吊卡
40.34、第六电动推杆
ꢀꢀ
35、信号输入模块
ꢀꢀ
36、信号处理模块
41.37、信号输出模块
ꢀꢀ
38、中心控制模块。
具体实施方式
42.请参阅图1至图8所示：
43.本发明提供的气体钻井全自动孔口密封及相关作业系统包括有孔口密封及开合机构1、排渣管拆卸机构2、孔口密封运移机构3、孔口密封拆卸机构4、吊卡开合机构5和电控机构6，其中孔口密封及开合机构1套设在井口上部的钻杆7上，排渣管拆卸机构2设在井口排渣管8处的架体9上，孔口密封运移机构3和孔口密封拆卸机构4对应排渣管拆卸机构2设置，孔口密封运移机构3和孔口密封拆卸机构4装配在孔口密封及开合机构1下部的架体9上，吊卡开合机构5设在孔口密封运移机构3和孔口密封拆卸机构4的下部，吊卡开合机构5套设在井口处的内套管10上，电控机构6分别与孔口密封及开合机构1、排渣管拆卸机构2、孔口密封运移机构3、孔口密封拆卸机构4和吊卡开合机构5相连接，电控机构6控制孔口密封及开合机构1、排渣管拆卸机构2、孔口密封运移机构3、孔口密封拆卸机构4和吊卡开合机构5的工作。
44.孔口密封及开合机构1包括有内套管10、外密封管体11和内密封管体12，其中内套管10、外密封管体11和内密封管体12均套设在钻杆7上，内套管10的顶端与外密封管体11底端之间相螺接，外密封管体11与内密封管体12之间通过轴承13相连接，内密封管体12能够独立进行旋转，外密封管体11的侧壁上开设有排渣口，排渣口处连接有排渣管8，外密封管体11的顶端一侧边上固连有枢接轴14，枢接轴14上枢接有钻杆密封体15，钻杆密封体15为两个半圆相对的开合结构，两个半圆的钻杆密封体15相对套设在钻杆7上，两个半圆的钻杆密封体15能够绕外密封管体11顶端的枢接轴14进行转动从而使两个半圆的钻杆密封体15进行开合，外密封管体11上在钻杆密封体15的底部对称固连有两个支臂16，两个支臂16上分别设有第一电动推杆17，两个第一电动推杆17的一端分别与两个半圆的钻杆密封体15相连接，在两个第一电动推杆17的带动下两个半圆的钻杆密封体15能够绕枢接轴14进行开合，两个第一电动推杆17均与电控机构6相连接并由电控机构6控制工作。
45.钻杆密封体15与钻杆7之间填塞有密封橡胶18进行动态密封，钻杆密封体15的底部与外密封管体11顶端之间设有橡胶密封圈19进行密封。
46.排渣管拆卸机构2包括有伸缩管20、固定管21、两个第二电动推杆22和两个第三电动推杆23，其中伸缩管20的一端通过压块24与排渣管8的出口相连接，伸缩管20的另一端插设在固定管21内，固定管21固连在架体9上，伸缩管20与固定管21之间通过密封圈进行密封，两个第二电动推杆22的一端均固连在伸缩管20上，两个第二电动推杆22的另一端与压块24相连接，在两个第二电动推杆22的带动下通过压块24使伸缩管20与排渣管8进行连接或分离，两个第三电动推杆23的一端均固连在架体9上，两个第三电动推杆23的另一端均与
伸缩管20相固连，在两个第三电动推杆23的带动下伸缩管20能够进行伸缩，两个第二电动推杆22和两个第三电动推杆23均与电控机构6相连接并由电控机构6控制工作。
47.孔口密封运移机构3包括有平移架25和抬升架26，其中平移架25装配在架体9的水平滑道上，平移架25连接有两个第四电动推杆27，两个第四电动推杆27能够带动平移架25沿架体9上的水平滑道进行移动，抬升架26装配在平移架25上的竖直滑道上，抬升架26连接有四个第五电动推杆28，四个第五电动推杆28能够带动抬升架26沿平移架25上的竖直滑道进行滑动，抬升架26的前端设有两个卡槽29，外密封管体11上的两个支臂16能够卡接在两个卡槽29内，抬升架26能够与外密封管体11同步进行移动，两个第四电动推杆27和四个第五电动推杆28均与电控机构6相连接并由电控机构6控制工作。
48.孔口密封拆卸机构4包括有驱动电机30、锥齿轮31和锥齿轮盘32，其中驱动电机30的驱动轴与锥齿轮31相连接，驱动电机30带动锥齿轮31进行转动，锥齿轮盘32套设在外密封管体11的底部，锥齿轮31能够与锥齿轮盘32相啮合，锥齿轮31与锥齿轮盘32相啮合过程中带动外密封管体11与内套管10的连接和分离，驱动电机30装配在孔口密封运移机构3上的抬升架26上，驱动电机30能够与抬升架26进行同步移动，驱动电机30与电控机构6相连接并由电控机构6控制工作。
49.吊卡开合机构5包括有吊卡33和两个第六电动推杆34，其中吊卡33套设在内套管10的上部，两个第六电动推杆34的一端均固连在架体9上，两个第六电动推杆34的另一端固连在吊卡33上，两个第六电动推杆34能够带动吊卡33与内套管10进行固连或分离，两个第六电动推杆34与电控机构6相连接并由电控机构6控制工作。
50.电控机构6包括有信号输入模块35、信号处理模块36和信号输出模块37，其中信号输入模块35与信号处理模块36相连接，信号处理模块36还与信号输出模块37相连接，信号输入模块35能够把接收到的数据实时传输给信号处理模块36进行处理，信号处理模块36能够把接收到的数据处理后发送给信号输出模块37向外传输，信号输入模块35和信号输出模块37均与控制系统中的中心控制模块38相连，中心控制模块38实现实时控制，信号输入模块35还分别与两个第一电动推杆17、两个第二电动推杆22、两个第三电动推杆23、两个第四电动推杆27、四个第五电动推杆28、驱动电机30和两个第六电动推杆34相连，信号输入模块35能够实时接收两个第一电动推杆17、两个第二电动推杆22、两个第三电动推杆23、两个第四电动推杆27、四个第五电动推杆28、驱动电机30和两个第六电动推杆34的位移数据，信号输出模块37与两个第一电动推杆17、两个第二电动推杆22、两个第三电动推杆23、两个第四电动推杆27、四个第五电动推杆28、驱动电机30和两个第六电动推杆34相连接，信号输出模块37控制两个第一电动推杆17、两个第二电动推杆22、两个第三电动推杆23、两个第四电动推杆27、四个第五电动推杆28、驱动电机30和两个第六电动推杆34的工作。
51.上述的第一电动推杆17、第二电动推杆22、第三电动推杆23、第四电动推杆27、第五电动推杆28、驱动电机30和第六电动推杆34均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
52.本发明的工作原理如下：
53.本发明提供的气体钻井全自动孔口密封及相关作业系统在钻进回次结束后需要拆卸时，其工作过程如下所述：
54.第一步：两个第二电动推杆22启动，两个第二电动推杆22收回使压块24旋转并与
排渣管8分离，然后两个第三电动推杆23启动，两个第三电动推杆23收回带动伸缩管20向远离排渣管8的方向移动；
55.第二步：两个第一电动推杆17启动，两个第一电动推杆17收回带动两个半圆的钻杆密封体15进行旋转，使两个半圆的钻杆密封体15与钻杆7分离，然后钻机将钻杆7拆卸并向上提出；
56.第三步：驱动电机启动，驱动电机带动锥齿轮啮合锥齿轮盘转动，同时带动外密封管体与内套管分离；
57.第四步：四个第五电动推杆28启动，四个第五电动推杆28同步伸出带动抬升架26上行，将孔口密封及开合机构1抬起，然后两个第四电动推杆27启动，两个第四电动推杆27收回带动平移架25向远离井口的方向移动；
58.第五步：两个第六电动推杆34启动，两个第六电动推杆34收回带动吊卡33向远离井口的方向移动，此时吊卡33与内套管10分离，内套管10在自身重力的作用下向下运动，然后通过钻机将新套管下入井内，此时回次结束。
59.第六步：内套管10下入完成后，两个第六电动推杆34启动，两个第六电动推杆34同步伸出带动吊卡33向靠近井口的方向移动，使吊卡33与内套管10进行固连，之后的步骤与第四、三、二、一步相反，依次将孔口密封及开合机构1与其他机构相连，然后继续进行钻进工作。