高压射流防喷器及其液压系统的制作方法
本发明涉及石油天然气钻井控制装备，更具体地说涉及一种高压射流防喷器及其液压系统。
背景技术：
1、防喷器是石油天然气钻井控制过程中最重要的技术装备，具有预防井喷、控制井喷等功能。通常剪切闸板组件安装于防喷器左右两侧，在双侧液压缸的推动下向防喷器中心移动，当出现溢流、井喷等紧急情况，需要剪断井下钻具时，防喷器液压系统提供高压油液，推动剪切闸板剪断钻具，在完成封井，从而防止井喷。
2、随着深井、超深井的不断开发，对防喷器的承压能力提出了更高的要求，甚至高达140mpa；同时，井下钻具也朝着高强度方向发展，因而需要防喷器液压系统提供更大的压力。常规的防喷器通常采用增加活塞面积、增加液压缸数量、加大液压系统工作压力等方法来提供足够的剪切力，造成闸板防喷器体积过大、高度过高、质量过重，不便于运输和安装，同时对其液压系统的密封结构也提出了较高要求。
3、如公开号为cn103492668a，公开日为2014年1月1日，名称为“激光辅助防喷器及使用方法”的发明专利，该发明提供了一种高功率的激光辅助防喷器及使用方法。具体地，提供了用于利用位于防喷器内的高功率激光能量来切割存在于防喷器的孔内的管件的系统和组件，减少了这种管件会使防喷器得以抑制而密封井的风险。
4、上述采用激光进行辅助切割的防喷器，利用激光束进行辅助切割，成本较高，且存在引燃油井造成防喷器爆炸的风险，存在一定的安全隐患，因此研发一套更为安全、稳定的辅助切割的防喷器，以减小常规防喷器尺寸、便于运输和安装，不必对防喷器液压系统提出特殊压力要求。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种高压射流辅助防喷器及其液压系统，本发明的发明目的在于克服激光辅助防喷器存在的爆炸风险，同时可减小常规防喷器尺寸、便于运输和安装，不必对防喷器液压系统提出特殊压力要求。本发明在现有常规剪切闸板防喷器液压系统的基础上增加了一套利用高压射流流体进行辅助切割的辅助射流组件，该辅助射流组件可在闸板防喷器剪切钻具过程中，采用辅助切割方式在钻具上产生切口，从而减小闸板剪切力峰值，提高闸板使用寿命，降低液压系统工作压力，使液压系统密封结构可靠性更高，缩小防喷器整体尺寸，便于运输和安装，同时也不必对防喷器液压系统提出特殊要求。本技术的高压射流辅助防喷器与现有激光辅助防喷器相比，利用高压射流流体的冲击进行辅助切割，不存在引燃防喷器、钻具的风险，更加安全和稳定，同时可以利用现有防喷器液压系统形成高压射流，设备成本更低。
2、为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。
3、本发明第一方面提供了一种高压射流辅助防喷器，该防喷器包括防喷器壳体，防喷器壳体上设置有供钻具穿过的钻具通孔，防喷器壳体上设置有安装剪切闸板ⅰ和剪切闸板ⅱ的闸板通孔，所述闸板通孔的中心线与所述钻具通孔的中心线相交且垂直；闸板通孔与钻具通孔相交的区域为剪切腔；所述防喷器壳体上还设置有用于装配辅助射流组件的辅助射流组件安装孔，所述辅助射流组件安装孔的中心线与所述钻具通孔的中心线相交且垂直；辅助射流组件安装孔与所述剪切腔连通；所述辅助射流组件包括单向阀组件和至少一根射流喷管，单向阀组件装配在辅助射流组件安装孔内，射流喷管的一端与单向阀组件连接并相通，射流喷管的另一端延伸至剪切腔，由射流喷管喷出的流体作用在钻具上形成的射流切割区域，与剪切闸板ⅰ和剪切闸板ⅱ作用在钻具上形成的剪切区域，位于钻具的同一径向横截面上。
4、所述辅助射流组件安装孔包括单向阀芯组件安装段和射流喷管安装段，单向阀芯组件安装段的内径大于射流喷管安装段的内径；单向阀芯组件装配在单向阀芯组件安装段，射流喷管安装段装配在射流喷管安装段。
5、所述单向阀芯组件包括喷管压盖、密封法兰、单向阀芯和弹簧，所述喷管压盖由密封法兰抵紧在辅助射流组件安装孔内，密封法兰通过法兰螺栓紧配在防喷器壳体上；喷管压盖和密封法兰之间形成过流腔，所述单向阀芯和弹簧均装配在所述过流腔内，密封法兰上开设有与过流腔连通的过流孔，且过流孔与过流腔连通的一端呈圆锥面；单向阀芯与该圆锥面配合形成密封副，弹簧一端连接在单向阀芯底部，另一端与喷管压盖相连，将单向阀芯抵在过流孔上。
6、密封法兰上抵紧喷管压盖的端部与喷管压盖之间设置有调整垫片。
7、所述喷管压盖上设置有用于径向固定弹簧的弹簧座，弹簧的下端套设在所述弹簧座上。
8、喷管压盖上用于安装调整垫片的调整垫片安装面，与喷管压盖上用于径向固定弹簧件的弹簧座的顶面，不在同一个平面。
9、所述喷管压盖上开设有若干连通过流腔和射流喷管的射流通孔，射流通孔与射流喷管一一对应。
10、射流通孔的孔径小于射流喷管的外径且大于射流喷管的内径。
11、所述喷管压盖的底部设置有第一定位孔，与喷管压盖底部接触的防喷器壳体上开设有第二定位孔，喷管压盖装配在辅助射流组件安装孔内，第一定位孔与第二定位孔对应，且第一定位孔和第二定位孔内装配定位销。
12、所述射流喷管的数量≥3。
13、多根射流喷管沿剪切闸板ⅰ和剪切闸板ⅱ的移动方向间隔布置。
14、多根射流喷管以辅助射流组件安装孔的中心线为轴线周向布置。
15、所述密封法兰与防喷器壳体之间通过法兰密封环进行密封。
16、所述密封法兰与防喷器壳体接触的底面上开设有第一密封槽，与密封法兰底面对应的防喷器壳体上开设有第二密封槽，密封法兰装配在防喷器壳体上，第一密封槽和第二密封槽相对应，形成密封腔，该密封腔用于装配所述法兰密封环。
17、所述剪切闸板ⅰ和剪切闸板ⅱ分别连接有防喷器液压组件，由防喷器液压组件驱动剪切闸板ⅰ和剪切闸板ⅱ相对移动。
18、所述防喷器液压组件包括侧门、活塞推杆、缸体和缸盖；侧门通过侧门螺栓固定在防喷器壳体上，缸体一端与侧门密封连接，缸体另一端与缸盖密封连接；活塞推杆一端滑动密封装配在缸体内，活塞推杆另一端穿过侧门，向闸板通孔内延伸，与剪切闸板ⅰ或剪切闸板ⅱ连接。
19、本发明第二方面提供了一种高压射流辅助防喷器的液压系统，包括本发明第一方面所述的高压射流辅助防喷器，还包括液压系统源、三位四通阀、电控装置、外部水源、液压增压器和高压管线，三位四通阀与电控装置相连，液压系统源通过液压管线连接在三位四通阀的一个通口上，液压增压器通过液压管线连接在三位四通阀的一个通口上，由电控装置控制三位四通阀的通断，控制系统液压源向液压增压器的液压供给；液压增压器的进水口通过水源管线连接外部水源，液压增压器的出水口通过所述高压管线与高压射流辅助防喷器的单向阀组件连接。
20、在液压增压器出水口与高压射流辅助防喷器的单向阀组件之间的高压管线上设置有磨料混合装置，高压管线中的介质经过磨料混合装置后，携带磨料混合装置加入的磨料。
21、所述液压增压器的进水口与外部水源之间的水源管线上设置有阻止介质流向外部水源的水源单向阀。
22、所述三位四通阀的另外两个通口通过液压管线分别连接与剪切闸板ⅰ和剪切闸板ⅱ对应的防喷器液压组件。
23、与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
24、1、本发明在现有常规剪切闸板防喷器液压系统的基础上增加辅助射流组件，通过辅助射流组件喷出的射流对钻具进行辅助切割。在闸板防喷器剪切钻具过程中，采用辅助射流组件在钻具上产生切口，从而减小闸板剪切力峰值，提高闸板使用寿命，降低液压系统工作压力，使液压系统密封结构可靠性更高，缩小防喷器整体尺寸，便于运输和安装，同时也不必对防喷器液压系统提出特殊要求。
25、2、在本发明中，由射流喷管喷出的流体作用在钻具上形成的射流切割区域，与剪切闸板ⅰ和剪切闸板ⅱ作用在钻具上形成的剪切区域，位于钻具的同一径向横截面上。确保射流喷管形成的射流切割区域与剪切区域可以交换重合，共同作用钻具同一径向面，从而实现辅助切割的目的，减小闸板剪切力峰值，提高闸板使用寿命，也降低液压系统工作压力。
26、3、在本发明中，辅助射流组件包括有单向阀组件和若干射流喷管，单向阀组件防止高压介质反向流动，射流喷管保护防喷器壳体不被射流喷管内的介质所损伤，确保防喷器壳体的使用寿命和结构强度。本发明中，辅助射流组件安装孔分为单向阀芯组件安装段和射流喷管安装段，其中单向阀芯组件安装段便于装配单向阀芯组件，确保单向阀芯组件与防喷器壳体之间的密封性，避免射流溢散。
27、4、本发明中单向阀芯组件结构简单，便于装配，密封效果好，可以起到很好的单向流通作用，避免介质向外溢散，当从密封法兰的过流孔中通入高压介质时，介质压力大于弹簧弹力，推动单向阀芯向内移动，脱离过流孔，使得过流孔与过流腔连通，当介质压力小于弹簧弹力时，则在弹簧弹力作用下，将单向阀芯抵紧在过流孔上，形成密封。
28、5、本发明提供的高压射流辅助防喷器的液压系统，在该液压系统的电控装置的控制下，辅助射流组件可随着剪切闸板同步启动，通过高速喷出混合磨料的高压射流切割钻具形成有效切口，能有效减小剪切力峰值，显著提高剪切闸板防喷器的剪切能力，缩小防喷器整体体积，便于运输和安装，节约成本。
29、6、本发明的高压射流辅助防喷器的液压系统，在液压增压器出水口与高压射流辅助防喷器的单向阀组件之间的高压管线上设置有磨料混合装置，加入磨料之后，可以提高高压射流的切割能力，可加速高压射流在钻具上有效切口的形成。
30、7、通过三位四通阀和电控装置，可同时实现对高压射流的液压增加，和剪切闸板的驱动，缩小防喷器整体体积，便于运输和安装，节约成本，不必对防喷器液压系统提出特殊要求。
技术特征：
1.高压射流辅助防喷器，该防喷器包括防喷器壳体（101），防喷器壳体（101）上设置有供钻具（200）穿过的钻具通孔（102），防喷器壳体（101）上设置有安装剪切闸板ⅰ（104）和剪切闸板ⅱ（105）的闸板通孔（103），所述闸板通孔（103）的中心线与所述钻具通孔（102）的中心线相交且垂直；闸板通孔（103）与钻具通孔（102）相交的区域为剪切腔（106）；其特征在于：所述防喷器壳体（101）上还设置有用于装配辅助射流组件（107）的辅助射流组件安装孔（108），所述辅助射流组件安装孔（108）的中心线与所述钻具通孔（102）的中心线相交且垂直；辅助射流组件安装孔（108）与所述剪切腔（106）连通；所述辅助射流组件（107）包括单向阀组件（109）和至少一根射流喷管（110），单向阀组件（109）装配在辅助射流组件安装孔（108）内，射流喷管（110）的一端与单向阀组件（109）连接并相通，射流喷管（110）的另一端延伸至剪切腔（106），由射流喷管（110）喷出的流体作用在钻具（200）上形成的射流切割区域（111），与剪切闸板ⅰ（104）和剪切闸板ⅱ（105）作用在钻具（200）上形成的剪切区域（112），位于钻具（200）的同一径向横截面上。
2.如权利要求1所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述辅助射流组件安装孔（108）包括单向阀组件安装段（113）和射流喷管安装段（114），单向阀组件安装段（113）的内径大于射流喷管安装段（114）的内径；单向阀芯（117）组件装配在单向阀组件安装段（113），射流喷管安装段（114）装配在射流喷管安装段（114）。
3.如权利要求1或2所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述单向阀芯（117）组件包括喷管压盖（115）、密封法兰（116）、单向阀芯（117）和弹簧（118），所述喷管压盖（115）由密封法兰（116）抵紧在辅助射流组件安装孔（108）内，密封法兰（116）通过法兰螺栓（122）紧配在防喷器壳体（101）上；喷管压盖（115）和密封法兰（116）之间形成过流腔（119），所述单向阀芯（117）和弹簧（118）均装配在所述过流腔（119）内，密封法兰（116）上开设有与过流腔（119）连通的过流孔（120），且过流孔（120）与过流腔（119）连通的一端呈圆锥面（121）；单向阀芯（117）与该圆锥面（121）配合形成密封副，弹簧（118）一端连接在单向阀芯（117）底部，另一端与喷管压盖（115）相连，将单向阀芯（117）抵在过流孔（120）上。
4.如权利要求3所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：密封法兰（116）上抵紧喷管压盖（115）的端部与喷管压盖（115）之间设置有调整垫片（123）。
5.如权利要求4所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述喷管压盖（115）上设置有用于径向固定弹簧（118）的弹簧座（125），弹簧（118）的下端套设在所述弹簧座（125）上。
6.如权利要求5所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：喷管压盖（115）上用于安装调整垫片（123）的调整垫片安装面（124），与喷管压盖（115）上用于径向固定弹簧（118）件的弹簧座的顶面（126），不在同一个平面。
7.如权利要求3所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述喷管压盖（115）上开设有若干连通过流腔（119）和射流喷管（110）的射流通孔（127），射流通孔（127）与射流喷管（110）一一对应。
8.如权利要求7所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：射流通孔（127）的孔径小于射流喷管（110）的外径且大于射流喷管（110）的内径。
9.如权利要求3所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述喷管压盖（115）的底部设置有第一定位孔（128），与喷管压盖（115）底部接触的防喷器壳体（101）上开设有第二定位孔（129），喷管压盖（115）装配在辅助射流组件安装孔（108）内，第一定位孔（128）与第二定位孔（129）对应，且第一定位孔（128）和第二定位孔（129）内装配定位销（130）。
10.如权利要求3所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述射流喷管（110）的数量≥3。
11.如权利要求10所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：多根射流喷管（110）沿剪切闸板ⅰ（104）和剪切闸板ⅱ（105）的移动方向间隔布置。
12.如权利要求10所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：多根射流喷管（110）以辅助射流组件安装孔（108）的中心线为轴线周向布置。
13.如权利要求3所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述密封法兰（116）与防喷器壳体（101）之间通过法兰密封环（131）进行密封。
14.如权利要求13所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述密封法兰（116）与防喷器壳体（101）接触的底面上开设有第一密封槽（132），与密封法兰（116）底面对应的防喷器壳体（101）上开设有第二密封槽（133），密封法兰（116）装配在防喷器壳体（101）上，第一密封槽（132）和第二密封槽（133）相对应，形成密封腔，该密封腔用于装配所述法兰密封环（131）。
15.如权利要求1或2所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述剪切闸板ⅰ（104）和剪切闸板ⅱ（105）分别连接有防喷器液压组件（134），由防喷器液压组件（134）驱动剪切闸板ⅰ（104）和剪切闸板ⅱ（105）相对移动。
16.如权利要求15所述的高压射流辅助防喷器，其特征在于：所述防喷器液压组件（134）包括侧门（135）、活塞推杆（136）、缸体（137）和缸盖（138）；侧门（135）通过侧门（135）螺栓固定在防喷器壳体（101）上，缸体（137）一端与侧门（135）密封连接，缸体（137）另一端与缸盖（138）密封连接；活塞推杆（136）一端滑动密封装配在缸体（137）内，活塞推杆（136）另一端穿过侧门（135），向闸板通孔（103）内延伸，与剪切闸板ⅰ（104）或剪切闸板ⅱ（105）连接。
17.高压射流辅助防喷器的液压系统，其特征在于：包括如权利要求1-16任意一项所述的高压射流辅助防喷器，还包括液压系统源300（300）、三位四通阀（400）、电控装置（500）、外部水源（600）、液压增压器（700）和高压管线（800），三位四通阀（400）与电控装置（500）相连，液压系统源300（300）通过液压管线连接在三位四通阀（400）的一个通口上，液压增压器（700）通过液压管线连接在三位四通阀（400）的一个通口上，由电控装置（500）控制三位四通阀（400）的通断，控制系统液压源向液压增压器（700）的液压供给；液压增压器（700）的进水口通过水源管线连接外部水源（600），液压增压器（700）的出水口通过所述高压管线（800）与高压射流辅助防喷器的单向阀组件（109）连接。
18.如权利要求17所述的高压射流辅助防喷器的液压系统，其特征在于：在液压增压器（700）出水口与高压射流辅助防喷器的单向阀组件（109）之间的高压管线（800）上设置有磨料混合装置（900），高压管线（800）中的介质经过磨料混合装置（900）后，携带磨料混合装置（900）加入的磨料。
19.如权利要求17或18所述的高压射流辅助防喷器的液压系统，其特征在于：所述液压增压器（700）的进水口与外部水源（600）之间的水源管线上设置有阻止介质流向外部水源（600）的水源单向阀（601）。
20.如权利要求17或18所述的高压射流辅助防喷器的液压系统，其特征在于：所述三位四通阀（400）的另外两个通口通过液压管线分别连接与剪切闸板ⅰ（104）和剪切闸板ⅱ（105）对应的防喷器液压组件（134）。
技术总结
本发明公开了一种高压射流防喷器及其液压系统，涉及石油天然气钻井控制装备技术领域。本发明在现有常规剪切闸板防喷器液压系统的基础上增加了一套利用高压射流流体进行辅助切割的辅助射流组件，所述辅助射流组件包括单向阀组件和至少一根射流喷管，单向阀组件装配在辅助射流组件安装孔内，射流喷管的一端与单向阀组件连接并相通，射流喷管的另一端延伸至剪切腔，由射流喷管喷出的流体作用在钻具上形成的射流切割区域，与剪切闸板Ⅰ和剪切闸板Ⅱ作用在钻具上形成的剪切区域，位于钻具的同一径向横截面上。该辅助射流组件可在闸板防喷器剪切钻具过程中，在钻具上产生切口，从而减小闸板剪切力峰值，提高闸板使用寿命，降低液压系统工作压力。
技术研发人员：张川,刘鸣,张杰,杜文波,孙浩铭,陈涛,赵琳,阎永宏,王伟
受保护的技术使用者：四川宝石机械钻采设备有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23