阅读说明：本技术 顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置 (pumping pressure type grouting circulating device for top drive drilling machine ) 是由 丁柯宇 肖仰德 陈保山 冯强 董超 杨灿 詹鸿运 吴墨染 齐昌利 黄敏 雷中清 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置,包括自上而下依次连接的流量检测短节、插入密封组件和活塞式泥浆止流阀总成,流量检测短节由中空管和多个声波流量计构成,插入密封组件包括自上而下依次套装在所述中心管外侧的上压环、密封胶筒、下压环和压帽,密封胶筒与套管能够形成过盈配合；活塞式泥浆止流阀总成包括自内向外依次套装活塞、活塞弹簧和活塞套,以及设置在活塞内自下而上设置的阀芯弹簧支架、阀芯和止流阀阀座构成的泵压式泥浆通道；该灌浆循环装置具有长度可变的特点,其活塞能够在灌浆时伸长并伸入至套管内,有效防止泥浆飘洒问题,且在下放套管过程中即可灌浆,实现了边下套管边灌浆,大大缩短了作业周期。(the invention discloses a pump pressure type grouting circulating device for a top drive drilling machine, which comprises a flow detection short section, an insertion sealing component and a piston type mud stop valve assembly which are sequentially connected from top to bottom, wherein the flow detection short section consists of a hollow pipe and a plurality of acoustic wave flow meters; the piston type slurry stop valve assembly comprises a piston, a piston spring, a piston sleeve, a valve core spring support, a valve core and a stop valve seat, wherein the piston, the piston spring and the piston sleeve are sequentially sleeved from inside to outside; this grout circulating device has the changeable characteristics of length, and its piston can extend and stretch into to the sleeve pipe when the grout in, effectively prevents mud and wafts the problem of spilling, and puts the sleeve pipe in-process under and can grout, has realized that the sleeve pipe is grout while being intraductal, has shortened the operating cycle greatly.)

顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置

技术领域

本发明涉及下套管作业时井口灌浆循环技术领域，特别涉及一种顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置。

背景技术

传统的下套管作业现场通常采用人工手持管线灌注钻井液，工人劳动强度大，井口作业环境差，存在安全隐患。尤其是在灌浆时套管管柱处于静止状态，深井中极易发生套管粘卡，造成后续的处理难度增加，作业时间增加。

已公开专利CN203879429U公开了一种自动灌浆循环装置，包括从上至下依次连接的钻杆接头、加长接头、芯轴、柔性管、泥浆阀和导向锥，加长接头上固定有系缆环，系缆环上连接有安全链，芯轴与柔性管的连接处套设有连接接头，位于连接接头上方的芯轴外壁套设有密封总成。该自动灌浆循环装置长度固定，且由于柔性管造成工具总长过长，在下套管作业时需要配备上、下气动卡盘，10m长单臂吊环和套管转换吊卡。现场使用时存在以下问题：一、灌浆循环装置过长，而国内钻井现场最长单臂吊环一般为5m，从鼠洞中吊套管时灌浆循环装置将顶到钻台面，导致下套管时需要一根长转换绳套，小绞车将套管吊装到坡道顶端，再由转换绳套将单根套管吊起，存在较多的安全隐患；二、上气动卡盘一旦开关失灵，套管无法下放，需作业人员爬到高空手动打开上气动卡盘，操作繁琐。三、国内钻井现场下套管作业时很少配备上、下气动卡盘和10m长单臂吊环和套管转换吊卡，该装置适用性较差。

已公开专利CN204877269U公开了一种石油钻机下套管快速循环装置，包含提环、安全绳、高压油壬、高压管、短钻杆、挡板、密封皮碗、扶正圆柱、导向块、软管、导向头和出液口。该循环装置采用密封皮碗方式密封套管内径，由于皮碗承压能力较低，随着循环排量的加大，在皮碗上下压差作用下有可能失封，无法彻底清洗岩屑床，达不到有效降阻目的。

可见，目前下套管作业时人工灌浆计量不科学、不准确，对下套管过程中起下载荷的判断不准确，不能及时发现井下异常。未及时灌满，有可能造成以下情况：一、套管内掏空严重，挤损套管附件倒流抽吸，环空液柱压力骤降，造成井壁坍塌、钻屑集中堵塞环空及套管内空间。二、套管内与环空压差过大，造成套变或丝扣密封失效，带来工程事故与经济损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服上述技术存在的不足，实现有效改善井口作业环境的顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置。

为此，本发明技术方案如下：

一种顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置，包括连接在中心管底端的活塞式泥浆止流阀总成，其包括活塞弹簧、活塞、活塞套、阀芯弹簧支架、阀芯弹簧、阀芯和止流阀阀座；其中，活塞、活塞弹簧和活塞套自内向外依次套装；所述活塞套顶端套装并固定在所述压帽的底端外侧，且其底端内壁上设有第二环形凸台；所述活塞为筒体结构，其顶端外壁上设有第三环形凸台，且上部内壁向内凹陷形成有第一环形台阶，使套装在所述活塞外侧的活塞弹簧顶端抵在第三环形凸台的下端面上、底端压配在第二环形凸台的上端面上；所述止流阀阀座固定在所述活塞的顶端内侧，其中心通孔孔壁为一内径自上而下依次增大的弧形壁面；所述阀芯由自下而上依次连接固定的柱形杆、圆形支撑片和锥形橡胶端构成，所述锥形橡胶端的外径自上而下逐渐增大，形成一个形状与尺寸均与止流阀阀座9的中心通孔的形状与尺寸相适应的锥形结构，使二者之间形成面密封；所述阀芯弹簧支架为设置在所述活塞内侧，且压配在第一环形台阶的上端面上的柱形体，所述柱形体中心开设有插装所述阀芯的柱形杆通孔，且在所述柱形体上开设有多个环绕所述柱形杆通孔的轴向过流孔；所述阀芯弹簧呈微压缩状态套装在所述阀芯外侧，其顶端抵在圆形支撑片的底面上、底端压配在所述阀芯弹簧支架的顶面上。

进一步地，所述阀芯弹簧呈微压缩状态套装在所述阀芯外侧，使所述阀芯对所述止流阀阀座的压强不小于1.5MPa。

进一步地，该顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置还包括***密封组件，其包括自上而下依次套装在所述中心管外侧的上压环、密封胶筒、下压环和压帽；所述压帽顶端套装并螺纹连接在所述中心管的底端外侧，使上压环抵在设置于所述中心管中部的第一环形凸台的下端面上。

进一步地，该顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置还包括由中空管和多个声波流量计构成的流量检测短节；所述中空管底端螺纹连接在所述中心管的顶端，多个所述声波流量计采用“N”型接法或“M”型接法固定在所述中空管的外壁上。

进一步地，所述中空管的内径与泥浆泵送的压力与排量相适应，使中空管内腔在泥浆泵送时始终保持满管泵送的状态。

进一步地，所述中空管顶端螺纹连接有一钻杆接头，所述钻杆接头顶端内壁设有用于与钻机顶驱下端螺纹连接的连接内螺纹。

进一步地，在所述中心管外壁与所述上压环内壁之间设置有至少一个密封圈，使所述中心管与所述上压环之间形成密封；在所述中心管与所述压帽之间的螺纹连接端设置有至少一个密封圈，使所述中心管与所述压帽之间形成螺纹密封连接；在所述压帽与所述活塞套之间的螺纹连接端设置有至少一个密封圈，使所述压帽与所述活塞套之间形成螺纹密封连接；在所述活塞的顶端外壁与所述活塞套的内壁之间设置有至少一个密封圈，使所述活塞与所述活塞套之间形成密封连接；在所述止流阀阀座的外壁与所述活塞的内壁之间的螺纹连接端设置有至少一个密封圈，使所述止流阀阀座与所述活塞之间形成螺纹密封连接。

进一步地，在所述中心管与所述中空管之间的螺纹连接端设置有至少一个密封圈，使所述中心管与所述中空管之间形成螺纹密封连接。

进一步地，在所述中空管与所述钻杆接头之间的螺纹连接端设置有至少一个密封圈，使所述中空管与所述钻杆接头之间形成螺纹密封连接。

与现有技术相比，该顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置的有益效果在于：

1)该灌浆循环装置结构合理、安装方便，操作简单，安全可靠，其活塞能够相对于活塞套向外侧伸出使该灌浆循环装置长度可变，不影响套管从鼠洞中吊装，现场无需配备上、下气动卡盘，长单臂吊环以及套管转换吊卡等，方便作业；同时，其活塞能够在灌浆时提前伸入至套管内，能够有效防止泥浆飘洒问题，改善井口作业环境，在下放套管过程中即可灌浆，实现了边下套管边灌浆，大大缩短了作业周期；

2)该灌浆循环装置的阀芯采用硫化橡胶，并与止流阀阀座之间采用锥面密封形式，相比球与球座的线密封，能够有效保证停泵后泥浆***露；同时，阀芯弹簧采用了预压缩方式，保持阀芯相对于止流阀阀座的开启压力不小于1.5MPa，保证了在停泵时能够有效防止顶驱上行过程中留存在软管线中的泥浆因液柱压力造成继续泄漏，避免钻台面污染；

3)该灌浆循环装置通过加装***密封组件，使装置在下行遇阻时能够通过向套管内塞入***密封组件，实现在高循环压力下套管内的密封，彻底清洗岩屑床，有效起到降阻作用；同时，***密封组件的结构设计上，密封胶筒能够根据施工的套管尺寸进行相应更换，满足不同尺寸的套管施工要求；

4)该灌浆循环装置通过加装流量检测短节，实现对泥浆灌浆进行计量，能够为井下准确情况提供科学的判断依据，确保及时灌浆，避免套管附件损毁，有效降低井下复杂事故发生。

附图说明

图1为本发明的顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置的结构示意图；

图2为本发明的顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置的剖视图；

图3为本发明的顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置的活塞式泥浆止流阀总成的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1

一种顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置包括连接在中心管底端的活塞式泥浆止流阀总成；如图3所示，该活塞式泥浆止流阀总成包括活塞弹簧1、活塞2、活塞套3、阀芯弹簧支架4、阀芯弹簧5、阀芯6和止流阀阀座9；其中，

活塞套3为筒体结构，其顶端套装并固定在压帽12的底端外侧，且其底端内壁上设有第二环形凸台；

活塞2、活塞弹簧1和活塞套3自内向外依次套装；活塞2为筒体结构，其顶端外壁上设有第三环形凸台，且上部内壁向内凹陷形成有第一环形台阶，使套装在活塞2外侧的活塞弹簧1顶端抵在第三环形凸台的下端面上、底端压配在第二环形凸台的上端面上；初始状态下，活塞弹簧1为未压缩状态；

止流阀阀座9螺纹连接在活塞2顶端内侧，其为中心开设有轴向通孔的筒体结构，且其轴向通孔的孔壁加工为内径自上而下依次增大的弧形壁面；

阀芯6由自下而上依次连接的柱形杆、圆形支撑片和锥形橡胶端构成，其中，柱形杆的顶端固定在圆形支撑片的底面中心处，锥形橡胶端的底面面积与圆形支撑片的面积相同，且其外径自上而下逐渐增大，形成一个形状与尺寸均与止流阀阀座9的中心通孔的形状与尺寸相适应的锥形结构，使阀芯6能够置于止流阀阀座9的中心通孔内，且二者之间形成面密封；具体地，锥形橡胶端采用硫化橡胶制成，使其具有一定硬度，以保证其与止流阀阀座9的中心通孔孔壁之间形成紧密的面密封度，相对于常规的球与球座的线密封方式，能够有效保证停泵后泥浆***露；

阀芯弹簧支架4为一柱形体结构，其设置在活塞2内侧且压配在第一环形台阶的上端面上，阀芯弹簧支架4中心开设有用于插装阀芯6的柱形杆的柱形杆通孔，且在该柱形体上开设有多个环绕柱形杆通孔的轴向过流孔，使泥浆通过多个轴向过流孔流入至下方套管内；

阀芯弹簧5呈微压缩状态套装在阀芯6外侧，其顶端抵在圆形支撑片的底面上、阀芯弹簧5的底端压配在阀芯弹簧支架4的顶面上；其中，阀芯弹簧5的压缩量满足阀芯6对止流阀阀座9的压强为1.5MPa，使其相对于活塞弹簧1具有更大的运动阻力，同时在停泵时能够有效防止游车大钩上行过程中留存在软管线中的泥浆因液柱压力造成泥浆继续泄漏，避免钻台面污染。

另外，为了保证装置的密封性，在所述活塞2的顶端外壁上设有两道密封圈8，使所述活塞2与所述活塞套3之间形成密封连接；在止流阀阀座9与活塞2相配合的连接外螺纹底端外壁上设置有一道密封圈7，使止流阀阀座9与活塞2之间形成螺纹密封连接。

该顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置的工作原理为：

初始状态下，活塞2在活塞弹簧1的作用下，保持其完全位于活塞套3内侧，同时，阀芯6在阀芯弹簧5的作用下紧紧抵在止流阀阀座9的中心通孔内，形成密封状态；而当泥浆泵送至止流阀阀座9上方时，止流阀阀座9首先在泥浆的推动作用下下行，带动与之螺纹连接的活塞2下行，活塞弹簧1开始呈压缩状态，活塞2不断下行，直至其底端伸入至下方套管内，与套管形成对接；接着，随泥浆泵送压力提升至1.5MPa以上，阀芯6在泥浆的推动作用下下行，阀芯弹簧5呈进一步被压缩的状态，此时，止流阀阀座9的中心通孔呈打开状态，泥浆通过止流阀阀座9的中心通孔向下方流动，并通过阀芯弹簧支架4上的多个轴向过流孔继续向下流动，进入至套管内；待泥浆泵送结束后，关闭泥浆泵，此时，止流阀阀座9和阀芯6失去泥浆的推动作用，即分别在活塞弹簧1和阀芯弹簧5的作用下恢复至初始位置。

根据上述工作原理，该顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置在结构设计上设计了活塞可相对于活塞套往复运动的功能，实现了装置长度可变的目的，解决了目前顶驱与吊卡之间的空间位置相对固定不可随时调整，使工具不会接触到钻台面，从而不影响套管从鼠洞中吊装，同时实现边下套管边灌浆，有效防止作业时由风或井口不居中造成的泥浆飘洒问题，改善井口作业环境。

实施例2

一种顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置，包括自上而下依次连接的***密封组件和活塞式泥浆止流阀总成；其中，

如图2所示，***密封组件包括自上而下依次套装在中心管13外侧的上压环16、密封胶筒15、下压环14和压帽12；具体地，

中心管13顶端外壁上设有连接外螺纹，对应地，中空管20底端内壁上设有与之相配合的连接内螺纹，使中心管13顶端螺纹连接在中空管20底端；中心管13底端外壁上设有连接外螺纹，对应地，压帽12顶端内壁上设有与之相配合的连接内螺纹，使压帽12顶端螺纹连接在中心管13底端；

中心管13上部局部凸起形成有第一环形凸台，使套装在中心管13外侧的上压环16的顶端抵在第一环形凸台的下端面上，同时，下压环14刚好压配在压帽12的上端面上；

下压环14下部外壁加工为外径自上而下逐渐减小的锥面，且在锥面部位处沿圆周方向开设有多个斜向过流孔，每个斜向过流孔均为自锥面斜向向上开设，使斜向过流孔与中心管轴向之间的夹角为30°；

密封胶筒15的外径大于施工时套管壁的内径，如针对内径为121.36cm的套管进行施工时，则采用外径为130.2cm的密封胶筒15安装在中心管13上；

活塞式泥浆止流阀总成的具体结构与实施例1中的活塞式泥浆止流阀总成的结构相同，其在连接关系上，具体地，活塞式泥浆止流阀总成的活塞套顶端内壁上设有连接内螺纹，对应地，压帽12的底端外壁上设有与之相配合的连接外螺纹，使活塞套螺纹连接在压帽12底端。

此外，在部件尺寸上，活塞式泥浆止流阀总成的最大外径、压帽12的外径均略小于下压环14和上压环16的外径；在材料选择上，上压环16和下压环14均采用铝合金制成，能够防止该***密封组件B***套管中时不会磨损套管螺纹；密封胶筒15采用市售的内部具有金属骨架的密封胶筒15，使其具有一定的承力作用；其中，密封胶筒15为单独部件，因此可以根据待施工的套管尺寸进行任意替换，以满足不同尺寸的套管的施工要求。

为了保证装置的密封性，在上压环17的内壁上设置有两道密封圈16，使中心管13与上压环17之间形成密封；在中心管13与压帽12相配合的连接外螺纹底端设置有一道密封圈11，使中心管13与压帽12之间形成螺纹密封连接；在压帽12与活塞套3相配合的连接外螺纹顶端设置有一道密封圈10，使压帽12与活塞套3之间形成螺纹密封连接。

该顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置通过在活塞式泥浆止流阀总成上方设置***密封组件，使当套管下入遇阻时，可以通过下放顶驱将***密封组件***套管内，套管内井液在大排量、高循环压力下通过下压环14的过流孔进入至密封胶筒15与中心管13之间的空隙中，挤压密封胶筒15向外侧扩张、密封内径、建立循环的同时，实现内、外循环压力达到一个自平衡的稳定状态。当循环压力进入密封胶筒腔体内，密封胶筒内外压力会形成平衡，减小循环压力对密封胶筒的影响，保证套管内的密封，以大排量彻底清洗岩屑床为目的，有效起到降阻作用，保障作业安全。

实施例3

一种顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置，如图1所示，包括自上而下依次连接的流量检测短节A、***密封组件B和活塞式泥浆止流阀总成C。

如图2所示，流量检测短节A包括中空管20和两个声波流量计18；其中，中空管20的内径与泥浆泵送的压力与排量相适应，使中空管内腔在泥浆泵送时始终保持满管泵送的状态；两个声波流量计18采用“N”型接法固定在中空管20的底端外壁上中空管20底端螺纹连接在中心管13的顶端。

在中空管20顶端还设置有一钻杆接头21，具体地，钻杆接头21顶端内壁加工有用于与钻机顶驱下端螺纹连接的连接内螺纹、底端内壁加工有用于与中心管螺纹连接的连接内螺纹，对应地，中心管20顶端外壁上加工有与钻杆接头21底端内壁处的连接内螺纹相适应的连接外螺纹，使中空管20与钻杆接头21螺纹连接固定。

***密封组件和活塞式泥浆止流阀总成的具体结构与实施例2中的***密封组件和活塞式泥浆止流阀总成的结构相同。

为了保持装置的密封性，在中心管13与中空管20相配合的连接外螺纹的上方侧壁上设置有一道密封圈19，使中心管13与中空管20之间形成螺纹密封连接；在中空管20与钻杆接头21相配合的连接外螺纹上方外壁上设置有一道密封圈22，使中空管20与钻杆接头21之间形成螺纹密封连接。

该顶驱钻机用泵压式灌浆循环装置通过在***密封组件B上方设置流量检测短节，实现为井下准确情况提供科学的判断依据，确保及时灌浆，避免套管附件损毁，有效降低井下复杂事故发生。