本發(fā)明涉及海洋石油天然氣鉆井裝備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種海底臥式換鉆頭更換裝置。

背景技術(shù)：

隨著陸地油氣資源的短缺，世界沿海國(guó)家陸續(xù)對(duì)海洋油氣資源進(jìn)行了勘探與開(kāi)采，且對(duì)海洋油氣資源的勘探與開(kāi)采已逐步成為國(guó)內(nèi)外油氣工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。此外，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，油氣資源供應(yīng)不足將成為阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要矛盾，為提高油氣資源的占有量，海洋油氣的勘探和開(kāi)采已經(jīng)成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。

海洋油氣的開(kāi)采發(fā)展至今，鉆井開(kāi)采仍為油、氣開(kāi)采的主要方式。一口油氣井從開(kāi)鉆到完井，需進(jìn)行以下三項(xiàng)主要工作：破碎井底巖石、將破碎的巖石(即巖屑)運(yùn)移至海洋平臺(tái)、完成固井，而鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的關(guān)鍵破巖工具。在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)鉆頭被地層磨損，或鉆頭遇到硬地層、研磨性地層、頁(yè)巖層等復(fù)雜地層時(shí)，需將井底舊鉆頭起鉆至海洋平臺(tái)以更換新鉆頭；起鉆時(shí)，需使用液壓大鉗將鉆桿單根一一卸扣拆下，從而使舊鉆頭提升至海洋平臺(tái)，并在海洋平臺(tái)上對(duì)被磨損的舊鉆頭進(jìn)行更換，或更換與復(fù)雜地層不相匹配的舊鉆頭。當(dāng)舊鉆頭更換完成后，需進(jìn)行下鉆作業(yè)，下鉆時(shí)，需使用液壓大鉗將鉆桿單根一一上扣形成鉆柱，從而使新鉆頭下入井底。當(dāng)新鉆頭下入井底后，重新開(kāi)泵進(jìn)行鉆井作業(yè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高鉆井速度、降低鉆井綜合成本的目的。

然而更換舊鉆頭帶來(lái)的起鉆、下鉆作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，增加了海洋油氣井的鉆井周期和提高了勞動(dòng)強(qiáng)度，大大增加了鉆井成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有更換鉆頭裝備的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種海底臥式換鉆頭更換裝置，該裝置可在海底井口裝置處對(duì)舊鉆頭進(jìn)行更換作業(yè)，以縮短鉆頭的起鉆時(shí)間和鉆頭的下鉆時(shí)間，進(jìn)而縮短海洋油氣井的鉆井時(shí)間。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種海底臥式換鉆頭更換裝置，由前后、左右、上下推拉系統(tǒng)3，以及翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4、夾持系統(tǒng)5、隔離油缸系統(tǒng)6、動(dòng)力鉗系統(tǒng)7和密封殼體8構(gòu)成，其特征為：密封殼體8的左側(cè)底部螺栓連接有左右推拉系統(tǒng)1；左右推拉系統(tǒng)1上側(cè)螺栓連接前后推拉系統(tǒng)1；前后推拉系統(tǒng)1上側(cè)螺栓連接有上下推拉系統(tǒng)3；上下推拉系統(tǒng)3右側(cè)螺栓連接有翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4；翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4與夾持系統(tǒng)5銷軸連接；密封殼體8右側(cè)內(nèi)螺栓連接有動(dòng)力鉗系統(tǒng)7；隔離油缸系統(tǒng)6位于密封殼體8中心位置；

所述前后、左右、上下推拉系統(tǒng)3均由電機(jī)、滑軌和滾珠絲桿構(gòu)成；所述上下推拉系統(tǒng)3的豎直支撐板34下端與前后推拉系統(tǒng)1螺栓連接；豎直支撐板34的右側(cè)螺栓連接有滑軌和滾珠絲桿，滑軌的右側(cè)螺栓連接有支撐板連接；所述連接支撐板33右側(cè)與翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4螺栓連接；

所述翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4包括懸掛臂41、翻轉(zhuǎn)油缸42、懸掛筒43和翻轉(zhuǎn)臂45構(gòu)成；所述懸掛臂41呈7字型，懸掛臂41的左端面設(shè)計(jì)有通孔，螺栓穿過(guò)通孔將懸掛臂41緊固于連接支撐板33右端面；懸掛臂41的左端面設(shè)計(jì)有雙耳環(huán)，銷軸穿過(guò)雙耳環(huán)和翻轉(zhuǎn)油缸42的單耳環(huán)，并使翻轉(zhuǎn)油缸42與懸掛臂41形成銷軸連接；懸掛臂41的頂部右側(cè)設(shè)計(jì)有矩形槽，矩形凹槽44表面設(shè)計(jì)有銷孔，銷軸穿過(guò)銷孔和翻轉(zhuǎn)臂45的銷孔，并使翻轉(zhuǎn)臂45與懸掛臂41形成銷軸連接；所述翻轉(zhuǎn)油缸42活塞桿的單耳環(huán)與懸掛筒43的雙耳環(huán)銷軸連接；

所述懸掛筒43呈圓筒狀，懸掛筒43的上側(cè)外表面焊接有雙耳環(huán)和翻轉(zhuǎn)臂45，懸掛筒43的雙耳環(huán)與翻轉(zhuǎn)油缸42形成銷軸連接，懸掛筒43的翻轉(zhuǎn)臂45與懸掛臂41形成銷軸連接；懸掛筒43的左端面設(shè)計(jì)有螺紋孔，螺栓穿過(guò)螺紋孔將電機(jī)緊固于懸掛筒43的左端面；所述懸掛筒43內(nèi)表面安裝有夾持系統(tǒng)5。

一種海底臥式換鉆頭更換裝置，其特征為：所述夾持系統(tǒng)5包括安裝筒51、夾持油缸52和夾爪56，所述安裝筒51呈筒狀，安裝筒51與懸掛筒43之間安裝有滾珠；安裝筒51下端面與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸形成花鍵連接；安裝筒51的上表面設(shè)計(jì)有通孔，螺栓穿過(guò)通孔并將夾持油缸52的缸體53緊固于安裝筒51的上端面；所述缸體53的下端面設(shè)計(jì)有矩形凸塊57，矩形凸塊57的端面設(shè)計(jì)有螺紋孔，螺栓穿過(guò)螺紋孔將缸體53緊固于安裝筒51的上端面；缸體53的端面螺栓連接有法蘭端蓋55，活塞桿穿過(guò)法蘭端蓋55并安裝于缸體53內(nèi)；活塞桿的端部與夾爪56螺紋連接。

與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果是：1.本發(fā)明可在海底進(jìn)口裝置處對(duì)舊鉆頭進(jìn)行更換作業(yè)，可縮短鉆頭的起鉆時(shí)間和鉆頭的下鉆時(shí)間，進(jìn)而降低海洋石油天然氣資源鉆井開(kāi)采的綜合成本。2.本發(fā)明的夾持系統(tǒng)可以前后、左右、上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可以一次性布置較多的鉆頭。

附圖說(shuō)明

圖1為上下、前后推拉系統(tǒng)與翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)連接的三維示意圖。

圖2為上下推拉系統(tǒng)和前后推拉系統(tǒng)的連接的示意圖。

圖3為翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)的三維示意圖。

圖4為不同角度下翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)的三維示意圖。

圖5為懸掛筒與夾持系統(tǒng)連接的示意圖。

圖6為懸掛筒與夾持系統(tǒng)連接三維剖視圖。

圖7為夾持系統(tǒng)的三維剖視圖。

圖8為夾持油缸的剖視圖。

圖9為缸體的三維視圖。

圖10為安裝筒是三維剖視圖。

圖11為本發(fā)明各系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時(shí)的示意圖。

圖12為動(dòng)力鉗松扣時(shí)的示意圖。

圖13為夾持系統(tǒng)使鉆頭和鉆桿分離時(shí)的示意圖。

圖14為夾持系統(tǒng)移運(yùn)舊鉆頭至鉆頭更換位置時(shí)的示意圖。

圖15為夾持系統(tǒng)拆卸下新鉆頭時(shí)的示意圖。

圖16為夾持系統(tǒng)夾持新鉆頭至鉆桿處，并使鉆頭與鉆桿初始連接時(shí)的示意圖。

1.前后推拉系統(tǒng)；

2.左右推拉系統(tǒng)；

3.上下推拉系統(tǒng)，31.滑軌，32.滾珠絲桿，33.連接支撐板，34.豎直支撐板；

4.翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)，41.懸掛臂，42.翻轉(zhuǎn)油缸，43懸掛筒，44.矩形槽，45.翻轉(zhuǎn)臂；

5.夾持系統(tǒng)，51.安裝筒，52.夾持油缸，53.缸體，54.活塞桿，55.法蘭端蓋，56.夾爪，57.矩形凸塊；

6.隔離油缸系統(tǒng)；

7.動(dòng)力鉗系統(tǒng)；

8.密封殼體；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)敘述。

參照?qǐng)D1～2，以及圖11～16，一種海底臥式換鉆頭更換裝置，由前后、左右、上下推拉系統(tǒng)3，以及翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4、夾持系統(tǒng)5、隔離油缸系統(tǒng)6、動(dòng)力鉗系統(tǒng)7和密封殼體8系統(tǒng)構(gòu)成。密封殼體8的左側(cè)底部螺栓連接有左右推拉系統(tǒng)1；左右推拉系統(tǒng)1上側(cè)螺栓連接前后推拉系統(tǒng)1；前后推拉系統(tǒng)1上側(cè)螺栓連接有上下推拉系統(tǒng)3；上下推拉系統(tǒng)3右側(cè)螺栓連接有翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4；翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4與夾持系統(tǒng)5銷軸連接；密封殼體8右側(cè)內(nèi)螺栓連接有動(dòng)力鉗系統(tǒng)7；隔離油缸系統(tǒng)6位于密封殼體8中心位置。

海底換鉆頭裝置的工作原理為：參照?qǐng)D11，舊鉆頭正常鉆井時(shí)，隔離油缸系統(tǒng)6的活塞桿處于伸長(zhǎng)的狀態(tài)，使隔水管與井口裝置連通，從而防止鉆井時(shí)的循環(huán)泥沙進(jìn)入密封殼體8的左右兩側(cè)。參照?qǐng)D12，當(dāng)需要更換舊鉆頭時(shí)，需將鉆頭提升至海底井口裝置處，關(guān)閉泥漿泵，且使隔離油缸系統(tǒng)6的活塞桿收回，并將舊鉆頭提升至動(dòng)力鉗的高度處，然后啟動(dòng)動(dòng)力鉗處的電機(jī)，使?jié)L珠絲杠旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使動(dòng)力鉗系統(tǒng)7伸出至舊鉆頭處；最后啟動(dòng)動(dòng)力鉗，使動(dòng)力鉗夾緊舊鉆頭進(jìn)行松扣作業(yè)。參照?qǐng)D13，當(dāng)鉆頭卸扣作業(yè)即將完成時(shí)就停止卸扣，并啟動(dòng)動(dòng)力鉗處的電機(jī)使?jié)L珠絲杠旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使動(dòng)力鉗系統(tǒng)7收回至原始位置；然后使夾持系統(tǒng)5處于豎直狀態(tài)，啟動(dòng)左右推拉系統(tǒng)1處的電機(jī)使?jié)L珠絲杠旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使夾持系統(tǒng)5運(yùn)動(dòng)至舊鉆頭處；再使夾持系統(tǒng)5的活塞桿夾緊舊鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)，從而使舊鉆頭徹底與鉆桿分離。參照?qǐng)D14，當(dāng)舊鉆頭與鉆桿分離后，啟動(dòng)水平推拉系統(tǒng)處的電機(jī)，使?jié)L珠絲杠旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使夾持系統(tǒng)5回退至鉆頭懸掛架處；當(dāng)夾持系統(tǒng)5夾持舊鉆頭運(yùn)動(dòng)至鉆頭懸掛架，再旋轉(zhuǎn)電機(jī)使夾持系統(tǒng)5旋轉(zhuǎn)，從而使舊鉆頭安裝于鉆頭懸掛架。參照?qǐng)D15，當(dāng)舊鉆頭安裝于懸掛架后，啟動(dòng)左右推拉系統(tǒng)1處的電機(jī)，使?jié)L珠絲杠旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而夾持系統(tǒng)5退出舊鉆頭的安裝位置；當(dāng)夾持系統(tǒng)5退出舊鉆頭安裝位置后，啟動(dòng)左右推拉系統(tǒng)1和水平推拉系統(tǒng)，使夾持系統(tǒng)5運(yùn)動(dòng)至新鉆頭處后，夾持系統(tǒng)5的活塞桿伸出并夾緊新鉆頭，并啟動(dòng)電機(jī)，使夾持系統(tǒng)5旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使新鉆頭與懸掛架分離。參照?qǐng)D16，當(dāng)新鉆頭與懸掛架分離后，啟動(dòng)水平推拉系統(tǒng)、上下推拉系統(tǒng)3、左右推拉系統(tǒng)1，進(jìn)而使夾持系統(tǒng)5運(yùn)動(dòng)至鉆桿處；當(dāng)新鉆頭運(yùn)動(dòng)至鉆桿處后，使懸掛系統(tǒng)處的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使新鉆頭與鉆桿連接，實(shí)現(xiàn)初步上扣；當(dāng)新鉆頭與鉆桿初步上扣完成后，再次啟動(dòng)水平推拉系統(tǒng)、上下推拉系統(tǒng)3、左右推拉系統(tǒng)1，使夾持回退至原始位置；最后使動(dòng)力鉗運(yùn)動(dòng)至新鉆頭處，再啟動(dòng)動(dòng)力鉗對(duì)新鉆頭進(jìn)行緊扣作業(yè)。動(dòng)力鉗緊扣作業(yè)完成后回退至初始位置，并使隔離油缸系統(tǒng)6的活塞桿伸出，從新建立隔水管與井口流動(dòng)通道。

參照?qǐng)D1～2，所述前后、左右、上下推拉系統(tǒng)3均由電機(jī)、滑軌和滾珠絲桿構(gòu)。所述前后推拉系統(tǒng)1使夾持系統(tǒng)5前后移動(dòng)；左右推拉系統(tǒng)1使夾持系統(tǒng)5左右移動(dòng)；上下推拉系統(tǒng)3使夾持系統(tǒng)5上下移動(dòng)，所述上下推拉系統(tǒng)3還起到安裝翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4的作用。所述上下推拉系統(tǒng)3的豎直支撐板34下端與前后推拉系統(tǒng)1螺栓連接；豎直支撐板34的右側(cè)螺栓連接有滑軌31和滾珠絲桿32，滑軌31的右側(cè)螺栓連接有支撐板連接；所述連接支撐板33右側(cè)與翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4螺栓連接。

參照?qǐng)D3～4，所述翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4起到安裝夾持系統(tǒng)5，并使夾持系統(tǒng)5翻轉(zhuǎn)為水平或豎直狀態(tài)。所述翻轉(zhuǎn)油缸系統(tǒng)4包括懸掛臂41、翻轉(zhuǎn)油缸42、懸掛筒43和翻轉(zhuǎn)臂45構(gòu)成；所述懸掛臂41起到連接上下推拉系統(tǒng)3的作用，并為夾持系統(tǒng)5提供安裝位置；所述翻轉(zhuǎn)油缸42起到翻轉(zhuǎn)夾持系統(tǒng)5，使夾持系統(tǒng)5處于水平或者豎直的狀態(tài)；所述懸掛筒43起到安裝電機(jī)和安裝夾持系統(tǒng)5作用；所述翻轉(zhuǎn)臂45起到翻轉(zhuǎn)夾持系統(tǒng)5的作用。

所述懸掛臂41呈7字型，懸掛臂41的左端面設(shè)計(jì)有通孔，螺栓穿過(guò)通孔將懸掛臂41緊固于連接支撐板33右端面。懸掛臂41的左端面設(shè)計(jì)有雙耳環(huán)，銷軸穿過(guò)雙耳環(huán)和翻轉(zhuǎn)油缸42的單耳環(huán)，并使翻轉(zhuǎn)油缸42與懸掛臂41形成銷軸連接。懸掛臂41的頂部右側(cè)設(shè)計(jì)有矩形槽，矩形凹槽44表面設(shè)計(jì)有銷孔，銷軸穿過(guò)銷孔和翻轉(zhuǎn)臂45的銷孔，并使翻轉(zhuǎn)臂45與懸掛臂41形成銷軸連接。

參照?qǐng)D3～4，所述翻轉(zhuǎn)油缸42的左、右端設(shè)計(jì)有單耳環(huán)；翻轉(zhuǎn)油缸42的左單耳環(huán)與懸掛臂41的雙耳環(huán)配合，并形成銷軸連接；翻轉(zhuǎn)油缸42的右單耳環(huán)與懸掛筒43的雙耳環(huán)配合，并形成銷軸連接。

所述懸掛筒43呈圓筒狀，懸掛筒43的上側(cè)外表面焊接有雙耳環(huán)和翻轉(zhuǎn)臂45；懸掛筒43的雙耳環(huán)與翻轉(zhuǎn)油缸42的右單耳環(huán)形成銷軸連接；懸掛筒43的翻轉(zhuǎn)臂45與懸掛臂41形成銷軸連接。懸掛筒43的左端面設(shè)計(jì)有螺紋孔，螺栓穿過(guò)螺紋孔將電機(jī)緊固于懸掛筒43的左端面。所述懸掛筒43內(nèi)表面安裝有夾持系統(tǒng)5，所述夾持系統(tǒng)5與懸掛系統(tǒng)之間安裝有球形滾珠。

參照5～圖7，所述夾持系統(tǒng)5包括安裝筒51、夾持油缸52和夾爪56；所述安裝筒51用于安裝夾持油缸52，并傳遞電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述夾持油缸52用于夾緊鉆頭，并在電機(jī)旋轉(zhuǎn)作用下，從而使鉆頭與鉆頭懸掛架分離，或使鉆頭與鉆桿初始連接；所述夾爪56用于接觸鉆頭，并夾持鉆頭。

參照?qǐng)D7，所述安裝筒51呈筒狀，安裝筒51與懸掛筒43之間安裝有滾珠；安裝筒51下端面與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸形成花鍵連接，從而傳遞電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。安裝筒51的上表面設(shè)計(jì)有通孔，螺栓穿過(guò)通孔并將夾持油缸52的缸體53緊固于安裝筒51的上端面。

參照?qǐng)D8～10，所述夾持油缸52系統(tǒng)包括缸體53、活塞桿、法蘭端蓋55和夾爪56。所述缸體53的下端面設(shè)計(jì)有矩形凸塊57，矩形凸塊57的端面設(shè)計(jì)有螺紋孔，螺栓穿過(guò)螺紋孔將缸體53緊固于安裝筒51的上端面。缸體53的端面螺栓連接有法蘭端蓋55，活塞桿54穿過(guò)法蘭端蓋55并安裝于缸體53內(nèi)。缸體53的上表面與擋板圖中未畫(huà)出接觸，擋板與懸掛筒43螺栓連接，用于限制夾持油缸52系統(tǒng)的軸向位移?；钊麠U54的端部與夾爪56螺紋連接。