CN111535766A - 钻井液循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井液循环系统，钻台阀门组的阀一与阀三串联在低立管中且阀一在上，阀二与阀四串联在高立管中且阀二在上，阀一与阀三之间通过阀五与阀二与阀四之间相连；地面阀门组包括阀六至阀十二，一号泵出口管依次通过阀六及阀十二与右地管相连，右地管的出口与低立管的下端相连；三号泵出口管依次通过阀八及阀九与左地管相连，左地管的出口与高立管的下端相连；二号泵出口管与阀七相连，阀七的出口通过三通分别连接有阀十与阀十一，阀十的另一端与阀九入口四通的一个旁路口相连，阀十一的另一端与阀十二入口四通的一个旁路口相连。该系统可通过不同高度的立管输送泥浆，还可以合理切换泥浆泵，保证正常的排量和泵压。

Description

钻井液循环系统

技术领域

本发明涉及一种石油钻机用阀门，尤其涉及一种钻井液循环系统，属于石油钻机用阀门技术领域。

背景技术

钻进过程中，一台或者多台泥浆泵将高压流体通过管汇、闸门组、水龙带、钻具和钻头水眼喷射到井底，对井底形成高压流体冲刷，并将井眼中的固相颗粒物携带出。参与循环的流体钻井液具有如下作用：一是清洗井底，悬浮携带岩屑，保持井眼清洁；二是平衡地层压力，稳定井壁、防止井塌、井喷、井漏；三是传递水功率、以帮助钻头破碎岩石；四是为井下动力钻具传递动力；五是冷却钻头和钻具；六是利用钻井液进行地质、气测录井。

根据钻机施工能力的不同，配套泥浆泵数量从一台到四台不等，目前常用的2000米及以下钻机配套一台泵，3000-5000m钻机配套两台泵，7000-9000m钻机配套三台泵，12000m及以上钻机要配套四台泵。钻机施工井眼越深，为了保证正常的排量和泵压，参与工作的泥浆泵台套数越多，钻井液循环系统的控制闸门越多，闸门组越复杂。

目前的钻井液阀门组均为手动操作，通过提升螺杆来达到开启和关闭的目的，开启单个阀门需要旋转手轮12-14圈，操作过程时长为30-60秒，倒换任意一台泥浆泵使用，至少操作阀门组上的两个阀门，耗时需3分钟左右。

地面阀门组位于钻台右后方的地面，距离司钻房较远，需要倒换阀门时，司钻需要通过电话、信号和手势动作与阀门组操作人员（一般为副司钻）进行沟通，现场噪音大、夜晚光线差等特殊作业环境容易导致沟通错误，进而导致设备损坏、耽误施工时间。

钻井液阀门组位于高压区域，为保证井底不至于沉砂，确保施工安全，需要尽可能减少停泵时间，需要带压作业。如果在憋压状态下，副司钻进入高压区域开关阀门，阀门的刺漏对副司钻的人身安全造成威胁，存在安全隐患。且在憋压状态下开启阀门，很难开启且开启速度慢，容易导致闸板冲蚀。

为防止重物砸坏阀门的丝杆，丝杆外设有阀杆护罩，阀杆护罩对丝杆进行保护同时，也导致阀门开启和关闭状态分辨不清。若阀门处于半开状态，容易对泥浆流量产生影响，甚至对闸门产生冲蚀。丝杆和阀杆护罩之间的缝隙如果锈蚀严重或进入灰尘，使丝杠不容易旋转。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种钻井液循环系统，可以根据一开或二开的情况，通过不同高度的立管向钻具输送泥浆，还可以根据井深的钻进，合理切换泥浆泵，保证正常的排量和泵压。

为解决以上技术问题，本发明的一种钻井液循环系统，包括钻台阀门组和地面阀门组，钻台阀门组包括阀一至阀五，阀一与阀三串联在低立管中且阀一在上，阀二与阀四串联在高立管中且阀二在上，阀一与阀三之间设有低立管旁通口，阀二与阀四之间设有高立管旁通口，低立管旁通口通过阀五与高立管旁通口相连；地面阀门组包括阀六至阀十二，一号泵出口管依次通过阀六及阀十二与右地管相连，右地管的出口与低立管的下端相连；三号泵出口管依次通过阀八及阀九与左地管相连，左地管的出口与高立管的下端相连；二号泵出口管与阀七相连，阀七的出口通过三通分别连接有阀十与阀十一，阀十的另一端与阀九入口四通的一个旁路口相连，阀十一的另一端与阀十二入口四通的一个旁路口相连。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：一口井从井深为零开始钻进为第一次开钻，简称一开；表层套管固井后再开钻，简称二开；技术套管固井完成后再开钻，简称三开。一开时，钻具振动比较大，为避免顶部驱动装置被撞坏，钻具顶部通常先通过位置较低的水龙头鹅颈管与低立管的顶部相连，低立管的顶部比高立管的顶部大约低两米，此时打开阀一，关闭阀二。二开时，钻具振动已比较小，钻具顶部通过顶驱鹅颈管与高立管的顶部相连，此时打开阀二，关闭阀一。右地管的钻井液通过阀三和阀五可以进入高立管，左地管的钻井液通过阀四和阀五可以进入低立管。阀六控制一号泵的输出，阀七控制二号泵的输出，阀八控制三号泵的输出，阀九控制左地管的输出，阀十二控制右地管的输出。打开阀十、关闭阀十一，二号泵的钻井液可以进入左地管；打开阀十一、关闭阀十，二号泵的钻井液可以进入右地管；打开阀十、阀十一，关闭阀九，三号泵的钻井液可以进入右地管；打开阀十、阀十一，关闭阀十二，一号泵的钻井液可以进入左地管。

作为本发明的改进，阀十二入口四通的另一个旁路口连接有阀十三，阀十三的出口与配浆回水管路相连；阀九入口四通的另一个旁路口连接有阀十四，阀十四的出口与反循环管路相连。打开阀十三，泥浆泵的出口通过配浆回水管路进入地面罐中，管汇可以泄压、配制泥浆和回水。井喷发生时，关闭井口防喷器后，打开阀十四，泥浆通过反循环管路及井口主四通进入套管环空进行压井。

作为本发明的进一步改进，阀一至阀十四均为钻井专用高压阀，所述钻井专用高压阀包括阀体，阀体顶部设有阀盖，阀体中设有左右贯通的流体通道，流体通道的中段设有阀座，阀座中插有闸板，闸板的顶部连接有阀杆，阀杆从阀盖中心孔中向上穿出且与阀盖实现密封，阀盖上方设有缸体，缸体下端口设有液压缸底座，液压缸底座的下端面设有向下延伸的底座内螺纹段，所述底座内螺纹段旋接在阀盖的中心凸台外周，缸体的顶部设有缸盖，阀杆从缸盖中心孔中向上穿出且与缸盖实现密封，缸体中设有活塞，所述活塞固定在阀杆上；所述缸体的一侧连接有缸体连接块，缸体连接块的上部设有与缸体上腔油口相贯通的连接块上油口，连接块上油口的外端口旋接有上腔油口接头，缸体连接块的下部设有与缸体下腔油口相贯通的连接块下油口，连接块下油口的外端口旋接有下腔油口接头。

液压开阀时，高压油通过下腔油口接头进入缸体的下腔，缸体上腔的油液通过上腔油口接头流出，活塞带动阀杆上行，阀杆下端带动闸板上行，将流体通道打开，阀杆螺母离开螺母套且跟随阀杆上行。液压关阀时，高压油通过上腔油口接头进入缸体的上腔，缸体下腔的油液通过下腔油口接头流出，活塞带动阀杆下行，阀杆下端带动闸板下行，将流体通道关闭，阀杆螺母跟随阀杆下行并落在螺母套上。通过液压动力启闭阀门，实现开启或关闭的动作时间仅需1秒，倒换任意一台泥浆泵，或者更换泥浆流经通道，3-5秒就可以操作完毕，相比人工倒换阀门需要3-5分钟，大大提高工作效率，提高井下施工的安全性。该阀门不受施工环节带压作业的影响，快速开启或关闭可防止高压流体对闸板的冲蚀，提高阀门使用寿命。缸体内的液压油能够形成自锁，防止发生因震动导致阀门异常关闭。司钻在司钻房通过切换液压油路即可实现远控，不需要副司钻进入高压区域开关阀门，杜绝了高压刺漏泥浆带来的安全隐患。

作为本发明的进一步改进，所述连接块上油口与连接块下油口的内端口通过连接块节流油道相互连通，所述连接块节流油道的中段设有可将其切断或贯通的节流阀芯。液压操作时，节流阀芯将连接块节流油道切断。手动操作时，调整节流阀芯使连接块节流油道贯通，此时缸体的上腔与下腔相通，活塞处于浮动状态，避免液压腔对手动操作形成干涉。

作为本发明的进一步改进，所述节流阀芯包括位于内端的节流阀芯密封段和位于外端的节流阀芯螺纹段，所述节流阀芯密封段上设有呈米字形贯通的多道节流阀芯径向孔，所述节流阀芯螺纹段旋接在节流阀芯螺母中，所述节流阀芯螺母旋接在所述缸体连接块的沉孔中。转动节流阀芯，使节流阀芯密封段相对于连接块节流油道产生轴向位移，当节流阀芯径向孔与连接块节流油道位于同一个横截面上且孔眼对齐时，连接块节流油道导通，此时进入手动操作状态。当节流阀芯径向孔与连接块节流油道不处在同一个横截面上时，连接块节流油道被切断，此时进入液压操作状态。

作为本发明的进一步改进，所述缸盖上旋接有探测活塞上死点的上死点接近开关，所述液压缸底座上旋接有探测活塞下死点的下死点接近开关。当活塞到达上死点时，流体通道被完全打开，上死点接近开关向控制系统发出信号，在操作面板上显示阀门处于打开状态；当活塞到达下死点时，流体通道被完全关闭，下死点接近开关向控制系统发出信号，在操作面板上显示阀门处于关闭状态。便于司钻准确掌握阀门的状态，并且控制系统可以关闭缸体上腔及下腔的液压油通道实现自锁。

作为本发明的进一步改进，所述阀杆的上部设有阀杆螺纹段，所述阀杆螺纹段旋接在阀杆螺母中，所述阀杆螺母的下部通过工字键与螺母套相连接，所述螺母套可转动地固定在阀杆螺母座中，所述阀杆螺母座的下端旋接在所述缸盖的中心凸台上。液压操作时，工字键未置入键槽中，阀杆螺母与螺母套处于分离状态。手动操作时，工字键嵌入键槽中，使阀杆螺母与螺母套结合；由于螺母套被螺母套锁母及轴承可转动地限制在阀杆螺母座中，用工具转动阀杆螺母，阀杆即牵引闸板升降，此时连接块节流油道被节流阀芯切断，活塞处于浮动状态。

作为本发明的进一步改进，所述螺母套的下部圆周上设有螺母套凸圈，螺母套凸圈的外周与阀杆螺母座的内孔壁间隙配合，螺母套凸圈的上方通过螺母套上轴承支撑在阀杆螺母座的内台阶上，螺母套凸圈的下方通过螺母套下轴承支撑在螺母套锁母上，所述螺母套锁母的外螺纹旋接在阀杆螺母座的内螺纹中。螺母套锁母、螺母套上轴承、螺母套下轴承及阀杆螺母座的内台阶实现了螺母套凸圈的轴向定位，螺母套上轴承及螺母套下轴承使得螺母套的旋转更加灵活，使得手动操作时更加轻便。

作为本发明的进一步改进，所述反循环管路连接在井口主四通的左侧，井口主四通的右侧连接有放喷管汇，放喷管汇的出口处设有放喷平板阀；井口主四通上方依次安装有半封大阀芯闸板、半封小阀芯闸板、半封防喷器、全封单闸板和环形防喷器；放喷平板阀受控于放喷液转阀Y1，放喷液转阀的操作手柄与放喷气缸T1的活塞杆相连；环形防喷器受控于环形液转阀Y2，环形液转阀的操作手柄与环形气缸T2的活塞杆相连；全封单闸板受控于全封液转阀Y4，全封液转阀的操作手柄与全封气缸T4的活塞杆相连，半封大阀芯闸板21a受控于半封大阀芯液转阀Y3，半封大阀芯液转阀Y3的操作手柄与半封大阀芯气缸T3的活塞杆相连；半封小阀芯闸板21b受控于半封小阀芯液转阀Y5，半封小阀芯液转阀Y5的操作手柄与半封小阀芯气缸T5的活塞杆相连；气源管Z1与气源控制阀Q0的P口相连，气源控制阀Q0的A口与压缩空气总管Z2相连，压缩空气总管Z2分别与放喷气控阀一Q1、环形气控阀Q2、半封大阀芯气控阀Q3、全封气控阀Q4、放喷气控阀二Q5和半封小阀芯气控阀Q6的P口相连；放喷气控阀一Q1的A口与放喷梭阀二S5的右入口相连，放喷梭阀二S5的中间出口与放喷梭阀一S1的左入口相连，放喷梭阀一S1的中间出口与放喷气缸T1的上腔气口相连；放喷气控阀一Q1的A口还与双压阀一A1的左入口相连，环形气控阀Q2的A口与双压阀一A1的右入口相连，双压阀一A1的中间出口与快速放气阀一F1的P口相连，快速放气阀一F1的A口与环形梭阀S2的左入口相连，环形梭阀S2的中间出口与环形气缸T2的上腔气口相连；半封大阀芯气控阀Q3的A口与半封大阀芯梭阀S3的左入口相连，半封大阀芯梭阀S3的中间出口与半封大阀芯气缸T3的上腔气口相连；半封小阀芯气控阀Q6的A口与半封小阀芯梭阀S6的左入口相连，半封小阀芯梭阀S6的中间出口与半封小阀芯气缸T5的上腔气口相连。

井下有钻具软关井时，先打开气源控制阀Q0，使气源管Z1中的压缩空气进入压缩空气总管Z2，然后放喷气控阀一Q1和环形气控阀Q2同时打开，压缩空气经放放喷气控阀一Q1和放喷梭阀一S1进入放喷气缸T1的上腔，放喷气缸T1驱动放喷液转阀Y1切换工位，使放喷平板阀V15打开；同时压缩空气进入双压阀一A1的左侧，从环形气控阀Q2的A口流出的压缩空气进入双压阀一A1的右侧，双压阀一A1的A口导通，压缩空气从快速放气阀一F1的P口到A口，再经环形梭阀S2进入环形气缸T2的上腔，环形气缸T2驱动环形液转阀Y2切换工位，使环形防喷器23关闭。控制结束后，环形气缸T2回路的空气可以经快速放气阀一F1的P口到O口排出，保证该回路的复位。当井口为大直径钻具时，环形气控阀Q2打开后，半封大阀芯气控阀Q3延时10-25秒后打开，压缩空气经半封大阀芯梭阀S3进入半封大阀芯气缸T3的上腔，半封大阀芯气缸T3驱动半封大阀芯液转阀Y3切换工位，使半封大阀芯闸板晚于环形防喷器23关闭，半封小阀芯闸板保持不动，严格实现软关井，有利于保护井口防喷器，确保井场安全。当井口为小直径钻具时，环形气控阀Q2打开后，半封小阀芯气控阀Q6延时10-25秒后打开，压缩空气经半封小阀芯梭阀S6进入半封小阀芯气缸T5的上腔，半封小阀芯气缸T5驱动半封小阀芯液转阀Y5切换工位，使半封小阀芯闸板晚于环形防喷器23关闭，半封大阀芯闸板保持不动。司钻不需要离开司钻房的操作台，即可完成井口控制，控制时间短，易掌握控制先机。井口关闭后，通过反循环管路注入压井液进行反循环压井。

作为本发明的进一步改进，全封气控阀Q4的A口与双压阀二A2的左入口相连，放喷气控阀二Q5的A口与双压阀二A2的右入口及放喷梭阀二S5的左入口相连，双压阀二A2的中间出口与快速放气阀二F2的P口相连，快速放气阀二F2的A口与全封梭阀S4的左入口相连，全封梭阀S4的中间出口与全封气缸T4的上腔气口相连。

该系统确保环形防喷器23关闭时，放喷平板阀V15处于打开状态；如果放喷平板阀V15未打开，则环形防喷器23不能打开，不容易发生误操作。井下无钻具时，如果刚发生溢流迹象，可以打开全封气控阀Q4，压缩空气经全封梭阀S4的左侧到其A口，进入全封气缸T4的上腔，全封气缸T4驱动全封液转阀Y4切换工位，使全封单闸板22关闭。也可以先打开放喷平板阀V15，再关闭全封单闸板22，实现软关井。

全封气控阀Q4与放喷气控阀一Q1及放喷气控阀二Q5同时打开，压缩空气依次经放喷气控阀一Q1、放喷梭阀二S5、放喷梭阀一S1进入放喷气缸T1的上腔，放喷气缸T1驱动放喷液转阀Y1切换工位，使放喷平板阀V15打开。同时压缩空气经全封气控阀Q4进入双压阀二A2的左侧，经放喷气控阀二Q5进入双压阀二A2的右侧，将双压阀二A2打开，双压阀二A2的A口的导通，压缩空气从快速放气阀二F2的P口到A口，再经全封梭阀S4进入全封气缸T4的上腔，全封气缸T4驱动全封液转阀Y4切换工位，使全封单闸板22关闭。如此可确保全封单闸板22关闭时，放喷平板阀V15处于打开状态；如果放喷平板阀V15未打开，则全封单闸板22不能打开。控制结束后，全封气缸T4回路的压缩空气可以经快速放气阀二F2的P口到O口排出，保证该回路的复位。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。

图1为本发明钻井液循环系统的流程图。

图2为图1中钻台阀门组和地面阀门组部位的放大图。

图3为本发明中钻井专用高压阀液压开阀时的示意图。

图4为本发明中钻井专用高压阀液压关阀时的示意图。

图5为本发明中钻井专用高压阀手动操作时的示意图。

图6为图5中阀杆螺母与螺母套通过工字键相连的状态图。

图7为图5中去掉加长杆后的局部放大图。

图8为本发明中井口装置的放大图。

图9为本发明井口装置液控系统实施例一的原理图。

图10为本发明井口装置液控系统实施例二的原理图。

图11为本发明井口装置液控系统实施例三的原理图。

图中：1.阀体；1a.流体通道；2.阀盖；2a.填料；2b.填料压盖；3.阀座；4.闸板；5.阀杆；5a.阀杆下榫头；6.阀杆螺母；6a.工字键；6b.螺母套；6b1.螺母套凸圈；6c.螺母套上轴承；6d.螺母套下轴承；7.螺母套锁母；8.阀杆螺母座；9.缸体；9a.缸体上腔油口；9b.缸体下腔油口；9c.活塞；10.缸盖；11.液压缸底座；12.缸体连接块；12a.连接块上油口；12b.连接块下油口；12c.上腔油口接头；12d.下腔油口接头；12e.连接块节流油道；12f.节流阀芯螺母；13.节流阀芯；13a.节流阀芯径向孔；14.阀杆护罩；15.螺母耳杆；16.加长杆；17.套管头；18.升高短节；19.副四通；20.井口主四通；21a.半封大阀芯闸板；21b.半封小阀芯闸板；22.全封单闸板；23.环形防喷器；24.防溢管；JK1.上死点接近开关；JK2.下死点接近开关。G1.一号泵出口管；G2.二号泵出口管；G3.三号泵出口管；G4.右地管；G5.左地管；G6.低立管；G7.高立管；G8.水龙带；G9.配浆回水管路；G10.反循环管路；G11.放喷管汇；G12.返流管；V1.阀一；V2.阀二；V3.阀三；V4.阀四；V5.阀五；V6.阀六；V7.阀七；V8.阀八；V9.阀九；V10.阀十；V11.阀十一；V12.阀十二；V13.阀十三；V14.阀十四；V15.放喷平板阀；ZJ.钻具。Z1.气源管；Z2.压缩空气总管；Q0.气源控制阀；Q1.放喷气控阀一；Q2.环形气控阀；Q3.半封大阀芯气控阀；Q4.全封气控阀；Q5.放喷气控阀二；Q6.半封小阀芯气控阀；A1.双压阀一；A2.双压阀二；F1.快速放气阀一；F2.快速放气阀二；S1.放喷梭阀一；S2.环形梭阀；S3.半封大阀芯梭阀；S4.全封梭阀；S5.放喷梭阀二；S6.半封小阀芯梭阀；T1.放喷气缸；T1a.放喷气缸开到位常开触头；T1b.放喷气缸关到位常开触头；T2.环形气缸；T2a.环形气缸关到位常开触头；T2b.环形气缸开到位常开触头；T3.半封大阀芯气缸；T3a.半封大阀芯气缸关到位常开触头；T3b.半封大阀芯气缸开到位常开触头；T4.全封气缸；TG11.全封气缸关到位常开触头；TG10.全封气缸开到位常开触头；T5.半封小阀芯气缸；T5a.半封小阀芯气缸关到位常开触头；T5b.半封小阀芯气缸开到位常开触头；Y1.放喷液转阀；Y2.环形液转阀；Y3.半封大阀芯液转阀；Y4.全封液转阀；Y5.半封小阀芯液转阀。

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明的钻井液循环系统包括钻台阀门组和地面阀门组，钻台阀门组包括阀一V1至阀五V5，阀一V1与阀三V3串联在低立管G6中且阀一V1在上，阀二V2与阀四V4串联在高立管G7中且阀二V2在上，阀一V1与阀三V3之间设有低立管旁通口，阀二V2与阀四V4之间设有高立管旁通口，低立管旁通口通过阀五V5与高立管旁通口相连；地面阀门组包括阀六V6至阀十二V12，一号泵出口管G1依次通过阀六V6及阀十二V12与右地管G4相连，右地管G4的出口与低立管G6的下端相连；三号泵出口管G3依次通过阀八V8及阀九V9与左地管G5相连，左地管G5的出口与高立管G7的下端相连；二号泵出口管G2与阀七V7相连，阀七V7的出口通过三通分别连接有阀十V10与阀十一V11，阀十V10的另一端与阀九入口四通的一个旁路口相连，阀十一V11的另一端与阀十二V12入口四通的一个旁路口相连。

一口井从井深为零开始钻进为第一次开钻，简称一开；表层套管固井后再开钻，简称二开；技术套管固井完成后再开钻，简称三开。一开时，钻具ZJ振动比较大，为避免顶部驱动装置被撞坏，钻具ZJ顶部通常先通过位置较低的水龙头鹅颈管与水龙带G8相连，水龙带G8与低立管G6的顶部相连，低立管G6的顶部比高立管G7的顶部大约低两米，此时打开阀一V1，关闭阀二V2。二开时，钻具ZJ振动已比较小，钻具ZJ顶部通过顶驱鹅颈管及水龙带与高立管G7的顶部相连，此时打开阀二V2，关闭阀一V1。

右地管G4的钻井液通过阀三V3和阀五V5可以进入高立管G7，左地管G5的钻井液通过阀四V4和阀五V5可以进入低立管G6。阀六V6控制一号泵的输出，阀七V7控制二号泵的输出，阀八V8控制三号泵的输出，阀九V9控制左地管G5的输出，阀十二V12控制右地管G4的输出。

打开阀十V10、关闭阀十一V11，二号泵的钻井液可以进入左地管G5；打开阀十一V11、关闭阀十V10，二号泵的钻井液可以进入右地管G4；打开阀十V10、阀十一V11，关闭阀九V9，三号泵的钻井液可以进入右地管G4；打开阀十V10、阀十一V11，关闭阀十二V12，一号泵的钻井液可以进入左地管G5。

阀十二入口四通的另一个旁路口连接有阀十三V13，阀十三V13的出口与配浆回水管路G9相连。打开阀十三V13，泥浆泵的出口通过配浆回水管路G9进入地面罐中，管汇可以泄压、配制泥浆和回水。

阀九入口四通的另一个旁路口连接有阀十四V14，阀十四V14的出口与反循环管路G10相连。井喷发生时，关闭井口防喷器后，打开阀十四V14，泥浆通过反循环管路G10及井口主四通进入套管环空进行压井。

如图3所示，阀一V1至阀十四V14均为钻井专用高压阀，钻井专用高压阀包括阀体1，阀体1顶部设有阀盖2，阀体1中设有左右贯通的流体通道1a，流体通道1a的中段设有阀座3，阀座3中插有闸板4，闸板4的顶部连接有阀杆5，阀杆5从阀盖中心孔中向上穿出且与阀盖2实现密封，阀盖2上方设有缸体9，缸体9下端口设有液压缸底座11，液压缸底座11的下端面设有向下延伸的底座内螺纹段，底座内螺纹段旋接在阀盖2的中心凸台外周，缸体9的顶部设有缸盖10，阀杆5从缸盖中心孔中向上穿出且与缸盖10实现密封，缸体9中设有活塞9c，活塞9c固定在阀杆5上；缸体9的一侧连接有缸体连接块12，缸体连接块12的上部设有与缸体上腔油口9a相贯通的连接块上油口12a，连接块上油口12a的外端口旋接有上腔油口接头12c，缸体连接块12的下部设有与缸体下腔油口9b相贯通的连接块下油口12b，连接块下油口12b的外端口旋接有下腔油口接头12d。

液压开阀时，高压油通过下腔油口接头12d进入缸体9的下腔，缸体上腔的油液通过上腔油口接头12c流出，活塞9c带动阀杆5上行，阀杆5下端带动闸板4上行，将流体通道1a打开，阀杆螺母6离开螺母套6b且跟随阀杆5上行。

如图4所示，液压关阀时，高压油通过上腔油口接头12c进入缸体9的上腔，缸体下腔的油液通过下腔油口接头12d流出，活塞9c带动阀杆5下行，阀杆5下端带动闸板4下行，将流体通道1a关闭，阀杆螺母6跟随阀杆5下行并落在螺母套6b上。通过液压动力启闭阀门，实现开启或关闭的动作时间仅需1秒，倒换任意一台泥浆泵，或者更换泥浆流经通道，3-5秒就可以操作完毕，相比人工倒换阀门需要3-5分钟，大大提高工作效率，提高井下施工的安全性。

连接块上油口12a与连接块下油口12b的内端口通过连接块节流油道12e相互连通，连接块节流油道12e的中段设有可将其切断或贯通的节流阀芯13。液压操作时，节流阀芯13将连接块节流油道12e切断。手动操作时，调整节流阀芯13使连接块节流油道12e贯通，此时缸体9的上腔与下腔相通，活塞9c处于浮动状态，避免液压腔对手动操作形成干涉。

节流阀芯13包括位于内端的节流阀芯密封段和位于外端的节流阀芯螺纹段，节流阀芯密封段上设有呈米字形贯通的多道节流阀芯径向孔13a，节流阀芯螺纹段旋接在节流阀芯螺母12f中，节流阀芯螺母12f旋接在缸体连接块12的沉孔中。转动节流阀芯13，使节流阀芯密封段相对于连接块节流油道12e产生轴向位移，当节流阀芯径向孔13a与连接块节流油道12e位于同一个横截面上且孔眼对齐时，连接块节流油道12e导通，此时进入手动操作状态。当节流阀芯径向孔13a与连接块节流油道12e不处在同一个横截面上时，连接块节流油道12e被切断，此时进入液压操作状态。

缸盖10上旋接有探测活塞上死点的上死点接近开关JK1，液压缸底座11上旋接有探测活塞下死点的下死点接近开关JK2。当活塞9c到达上死点时，流体通道1a被完全打开，上死点接近开关JK1向控制系统发出信号，在操作面板上显示阀门处于打开状态；当活塞9c到达下死点时，流体通道1a被完全关闭，下死点接近开关JK2向控制系统发出信号，在操作面板上显示阀门处于关闭状态。便于司钻准确掌握阀门的状态，并且控制系统可以关闭缸体上腔及下腔的液压油通道实现自锁。

如图5至图7所示，阀杆5的上部设有阀杆螺纹段，阀杆螺纹段旋接在阀杆螺母6中，阀杆螺母6的下部通过工字键6a与螺母套6b相连接，螺母套6b可转动地固定在阀杆螺母座8中，阀杆螺母座8的下端旋接在缸盖10的中心凸台上。液压操作时，工字键6a未置入键槽中，阀杆螺母6与螺母套6b处于分离状态。手动操作时，工字键6a嵌入键槽中，使阀杆螺母6与螺母套6b结合；由于螺母套6b被螺母套锁母7及轴承可转动地限制在阀杆螺母座8中，用工具转动阀杆螺母6，阀杆5即牵引闸板4升降，此时连接块节流油道12e被节流阀芯13切断，活塞9c处于浮动状态。

螺母套6b的下部圆周上设有螺母套凸圈6b1，螺母套凸圈6b1的外周与阀杆螺母座8的内孔壁间隙配合，螺母套凸圈6b1的上方通过螺母套上轴承6c支撑在阀杆螺母座8的内台阶上，螺母套凸圈6b1的下方通过螺母套下轴承6d支撑在螺母套锁母7上，螺母套锁母7的外螺纹旋接在阀杆螺母座8的内螺纹中。螺母套锁母7、螺母套上轴承6c、螺母套下轴承6d及阀杆螺母座8的内台阶实现了螺母套凸圈6b1的轴向定位，螺母套上轴承6c及螺母套下轴承6d使得螺母套6b的旋转更加灵活，使得手动操作时更加轻便。

阀杆螺母座8及阀杆5上端的外周覆盖有阀杆护罩14，阀杆护罩14的下端旋接在阀杆螺母座8的下端外周。阀杆护罩14可以避免阀杆5沾染灰尘或者被重物砸坏。

阀盖中心孔的上部设有填料函，填料函的底部设有密封在阀杆5外周的填料2a，填料函的上端口旋接有填料压盖2b，液压缸底座11的下端面压在填料压盖2b上方。填料压盖2b将填料2a压紧在填料函中，实现阀杆5与阀盖中心孔之间的可靠密封，液压缸底座11压在填料压盖2b上可以防止其因震动而松脱。

阀杆螺母6的上部设有方榫或者对称设有沿径向向外延伸的螺母耳杆15。卸掉阀杆护罩14后，可以通过扳手或者手轮卡在方榫上转动阀杆螺母6；也可以在螺母耳杆15上套上加长杆16，以便更轻松地转动阀杆螺母6，实现阀门的启闭。

阀杆5的下端设有呈工字型截面的阀杆下榫头5a，闸板4的上端嵌于阀杆下榫头5a的凹槽中。呈工字型截面的阀杆下榫头5a与闸板4的配合使得阀杆5与闸板4之间实现轴向定位，如果阀杆5产生转动时，闸板4不会承受扭力，使闸板的升降更加灵活且延长阀门的使用寿命。

如图1、图8所示，井口装置包括自下而上安装在井口主四通20上方的半封防喷器、全封单闸板22和环形防喷器23，环形防喷器23顶部连接有向上延伸的防溢管24，防溢管24上端连接有返流管G12。井口主四通20的右侧连接有放喷管汇G11，放喷管汇G11的出口连接有节流管汇，节流管汇的入口处设有放喷平板阀V15；井口主四通20的左侧连接有反循环管路G10。井口主四通20下方的副四通19位于地面以下，副四通19下方的升高短节18连接在套管头17上。钻具ZJ沿各防喷器及井口主四通20的轴线向井下延伸。

如图9所示，放喷平板阀V15受控于放喷液转阀Y1，放喷液转阀的操作手柄与放喷气缸T1的活塞杆相连；环形防喷器23受控于环形液转阀Y2，环形液转阀的操作手柄与环形气缸T2的活塞杆相连；半封防喷器为由半封大阀芯闸板21a和半封小阀芯闸板21b构成的双闸板防喷器，半封大阀芯闸板21a受控于半封大阀芯液转阀Y3，半封大阀芯液转阀Y3的操作手柄与半封大阀芯气缸T3的活塞杆相连；半封小阀芯闸板21b受控于半封小阀芯液转阀Y5，半封小阀芯液转阀Y5的操作手柄与半封小阀芯气缸T5的活塞杆相连。全封单闸板22受控于全封液转阀Y4，全封液转阀的操作手柄与全封气缸T4的活塞杆相连。

气源管Z1与气源控制阀Q0的P口相连，气源控制阀Q0的A口与压缩空气总管Z2相连，压缩空气总管Z2分别与放喷气控阀一Q1、环形气控阀Q2、半封大阀芯气控阀Q3和半封小阀芯气控阀Q6的P口相连；放喷气控阀一Q1的A口与放喷梭阀一S1的左入口相连，放喷梭阀一S1的中间出口与放喷气缸T1的上腔气口相连；环形气控阀Q2的A口与快速放气阀一F1的P口相连，快速放气阀一F1的A口与环形梭阀S2的左入口相连，环形梭阀S2的中间出口与环形气缸T2的上腔气口相连；半封大阀芯气控阀Q3的A口与半封大阀芯梭阀S3的左入口相连，半封大阀芯梭阀S3的中间出口与半封大阀芯气缸T3的上腔气口相连；半封小阀芯气控阀Q6的A口与半封小阀芯梭阀S6的左入口相连，半封小阀芯梭阀S6的中间出口与半封小阀芯气缸T5的上腔气口相连。

井下有钻具软关井时，先打开气源控制阀Q0，使气源管Z1中的压缩空气进入压缩空气总管Z2，然后放喷气控阀一Q1和环形气控阀Q2同时打开，压缩空气经放放喷气控阀一Q1和放喷梭阀一S1进入放喷气缸T1的上腔，放喷气缸T1驱动放喷液转阀Y1切换工位，使放喷平板阀V15打开；同时压缩空气进入双压阀一A1的左侧，从环形气控阀Q2的A口流出的压缩空气进入双压阀一A1的右侧，双压阀一A1的A口导通，压缩空气从快速放气阀一F1的P口到A口，再经环形梭阀S2进入环形气缸T2的上腔，环形气缸T2驱动环形液转阀Y2切换工位，使环形防喷器23关闭。控制结束后，环形气缸T2回路的空气可以经快速放气阀一F1的P口到O口排出，保证该回路的复位。

当井口为大直径钻具时，环形气控阀Q2打开后，半封大阀芯气控阀Q3延时10-25秒后打开，压缩空气经半封大阀芯梭阀S3进入半封大阀芯气缸T3的上腔，半封大阀芯气缸T3驱动半封大阀芯液转阀Y3切换工位，使半封大阀芯闸板21a晚于环形防喷器23关闭，半封小阀芯闸板21b保持不动，严格实现软关井，有利于保护井口防喷器，确保井场安全。

当井口为小直径钻具时，环形气控阀Q2打开后，半封小阀芯气控阀Q6延时10-25秒后打开，压缩空气经半封小阀芯梭阀S6进入半封小阀芯气缸T5的上腔，半封小阀芯气缸T5驱动半封小阀芯液转阀Y5切换工位，使半封小阀芯闸板21b晚于环形防喷器23关闭，半封大阀芯闸板21a保持不动。司钻不需要离开司钻房的操作台，即可完成井口控制，控制时间短，易掌握控制先机。井口关闭后，通过反循环管路G10注入压井液进行反循环压井。

如图10所示，放喷气控阀一Q1的A口与双压阀一A1的左入口相连，环形气控阀Q2的A口与双压阀一A1的右入口相连，双压阀一A1的中间出口与快速放气阀一F1的P口相连。该系统确保环形防喷器23关闭时，放喷平板阀V15处于打开状态；如果放喷平板阀V15未打开，则环形防喷器23不能打开，不容易发生误操作。

压缩空气总管Z2还与全封气控阀Q4的P口相连，全封气控阀Q4的A口与全封梭阀S4的左入口相连，全封梭阀S4的中间出口与全封气缸T4的上腔气口相连。井下无钻具时，如果刚发生溢流迹象，可以打开全封气控阀Q4，压缩空气经全封梭阀S4的左侧到其A口，进入全封气缸T4的上腔，全封气缸T4驱动全封液转阀Y4切换工位，使全封单闸板22关闭。也可以先打开放喷平板阀V15，再关闭全封单闸板22，实现软关井。

如图11所示，压缩空气总管Z2还与放喷气控阀二Q5的P口相连，放喷气控阀二Q5的A口与双压阀二A2的右入口相连，双压阀二A2的左入口与全封气控阀Q4的A口相连，双压阀二A2的中间出口与快速放气阀二F2的P口相连，快速放气阀二F2的A口与全封梭阀S4的左入口相连。

全封气控阀Q4与放喷气控阀一Q1及放喷气控阀二Q5同时打开，压缩空气依次经放喷气控阀一Q1、放喷梭阀二S5、放喷梭阀一S1进入放喷气缸T1的上腔，放喷气缸T1驱动放喷液转阀Y1切换工位，使放喷平板阀V15打开。同时压缩空气经全封气控阀Q4进入双压阀二A2的左侧，经放喷气控阀二Q5进入双压阀二A2的右侧，将双压阀二A2打开，双压阀二A2的A口的导通，压缩空气从快速放气阀二F2的P口到A口，再经全封梭阀S4进入全封气缸T4的上腔，全封气缸T4驱动全封液转阀Y4切换工位，使全封单闸板22关闭。如此可确保全封单闸板22关闭时，放喷平板阀V15处于打开状态；如果放喷平板阀V15未打开，则全封单闸板22不能打开。控制结束后，全封气缸T4回路的压缩空气可以经快速放气阀二F2的P口到O口排出，保证该回路的复位。

放喷液转阀Y1、环形液转阀Y2、半封大阀芯液转阀Y3、全封液转阀Y4和半封小阀芯液转阀Y5均为三位四通液转阀，气源控制阀Q0、放喷气控阀一Q1、半封大阀芯气控阀Q3、全封气控阀Q4、放喷气控阀二Q5和半封小阀芯气控阀Q6均为两位三通阀。

Claims (10)

1.一种钻井液循环系统，包括钻台阀门组和地面阀门组，其特征在于：钻台阀门组包括阀一至阀五，阀一与阀三串联在低立管中且阀一在上，阀二与阀四串联在高立管中且阀二在上，阀一与阀三之间设有低立管旁通口，阀二与阀四之间设有高立管旁通口，低立管旁通口通过阀五与高立管旁通口相连；地面阀门组包括阀六至阀十二，一号泵出口管依次通过阀六及阀十二与右地管相连，右地管的出口与低立管的下端相连；三号泵出口管依次通过阀八及阀九与左地管相连，左地管的出口与高立管的下端相连；二号泵出口管与阀七相连，阀七的出口通过三通分别连接有阀十与阀十一，阀十的另一端与阀九入口四通的一个旁路口相连，阀十一的另一端与阀十二入口四通的一个旁路口相连。

2.根据权利要求1所述的钻井液循环系统，其特征在于：阀十二入口四通的另一个旁路口连接有阀十三，阀十三的出口与配浆回水管路相连；阀九入口四通的另一个旁路口连接有阀十四，阀十四的出口与反循环管路相连。

3.根据权利要求2所述的钻井液循环系统，其特征在于：阀一至阀十四均为钻井专用高压阀，所述钻井专用高压阀包括阀体，阀体顶部设有阀盖，阀体中设有左右贯通的流体通道，流体通道的中段设有阀座，阀座中插有闸板，闸板的顶部连接有阀杆，阀杆从阀盖中心孔中向上穿出且与阀盖实现密封，阀盖上方设有缸体，缸体下端口设有液压缸底座，液压缸底座的下端面设有向下延伸的底座内螺纹段，所述底座内螺纹段旋接在阀盖的中心凸台外周，缸体的顶部设有缸盖，阀杆从缸盖中心孔中向上穿出且与缸盖实现密封，缸体中设有活塞，所述活塞固定在阀杆上；所述缸体的一侧连接有缸体连接块，缸体连接块的上部设有与缸体上腔油口相贯通的连接块上油口，连接块上油口的外端口旋接有上腔油口接头，缸体连接块的下部设有与缸体下腔油口相贯通的连接块下油口，连接块下油口的外端口旋接有下腔油口接头。

4.根据权利要求3所述的钻井液循环系统，其特征在于：所述连接块上油口与连接块下油口的内端口通过连接块节流油道相互连通，所述连接块节流油道的中段设有可将其切断或贯通的节流阀芯。

5.根据权利要求4所述的钻井液循环系统，其特征在于：所述节流阀芯包括位于内端的节流阀芯密封段和位于外端的节流阀芯螺纹段，所述节流阀芯密封段上设有呈米字形贯通的多道节流阀芯径向孔，所述节流阀芯螺纹段旋接在节流阀芯螺母中，所述节流阀芯螺母旋接在所述缸体连接块的沉孔中。

6.根据权利要求3所述的钻井液循环系统，其特征在于：所述缸盖上旋接有探测活塞上死点的上死点接近开关，所述液压缸底座上旋接有探测活塞下死点的下死点接近开关。

7.根据权利要求3所述的钻井液循环系统，其特征在于：所述阀杆的上部设有阀杆螺纹段，所述阀杆螺纹段旋接在阀杆螺母中，所述阀杆螺母的下部通过工字键与螺母套相连接，所述螺母套可转动地固定在阀杆螺母座中，所述阀杆螺母座的下端旋接在所述缸盖的中心凸台上。

8.根据权利要求7所述的钻井液循环系统，其特征在于：所述螺母套的下部圆周上设有螺母套凸圈，螺母套凸圈的外周与阀杆螺母座的内孔壁间隙配合，螺母套凸圈的上方通过螺母套上轴承支撑在阀杆螺母座的内台阶上，螺母套凸圈的下方通过螺母套下轴承支撑在螺母套锁母上，所述螺母套锁母的外螺纹旋接在阀杆螺母座的内螺纹中。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的钻井液循环系统，其特征在于：所述反循环管路连接在井口主四通的左侧，井口主四通的右侧连接有放喷管汇，放喷管汇的出口处设有放喷平板阀；井口主四通上方依次安装有半封大阀芯闸板、半封小阀芯闸板、半封防喷器、全封单闸板和环形防喷器；放喷平板阀受控于放喷液转阀(Y1)，放喷液转阀的操作手柄与放喷气缸(T1)的活塞杆相连；环形防喷器受控于环形液转阀(Y2)，环形液转阀的操作手柄与环形气缸(T2)的活塞杆相连；全封单闸板受控于全封液转阀(Y4)，全封液转阀的操作手柄与全封气缸(T4)的活塞杆相连，半封大阀芯闸板(21a)受控于半封大阀芯液转阀(Y3)，半封大阀芯液转阀(Y3)的操作手柄与半封大阀芯气缸(T3)的活塞杆相连；半封小阀芯闸板(21b)受控于半封小阀芯液转阀(Y5)，半封小阀芯液转阀(Y5)的操作手柄与半封小阀芯气缸(T5)的活塞杆相连；气源管(Z1)与气源控制阀(Q0)的P口相连，气源控制阀(Q0)的A口与压缩空气总管(Z2)相连，压缩空气总管(Z2)分别与放喷气控阀一(Q1)、环形气控阀(Q2)、半封大阀芯气控阀(Q3)、全封气控阀(Q4)、放喷气控阀二(Q5)和半封小阀芯气控阀(Q6)的P口相连；放喷气控阀一(Q1)的A口与放喷梭阀二(S5)的右入口相连，放喷梭阀二(S5)的中间出口与放喷梭阀一(S1)的左入口相连，放喷梭阀一(S1)的中间出口与放喷气缸(T1)的上腔气口相连；放喷气控阀一(Q1)的A口还与双压阀一(A1)的左入口相连，环形气控阀(Q2)的A口与双压阀一(A1)的右入口相连，双压阀一(A1)的中间出口与快速放气阀一(F1)的P口相连，快速放气阀一(F1)的A口与环形梭阀(S2)的左入口相连，环形梭阀(S2)的中间出口与环形气缸(T2)的上腔气口相连；半封大阀芯气控阀(Q3)的A口与半封大阀芯梭阀(S3)的左入口相连，半封大阀芯梭阀(S3)的中间出口与半封大阀芯气缸(T3)的上腔气口相连；半封小阀芯气控阀(Q6)的A口与半封小阀芯梭阀(S6)的左入口相连，半封小阀芯梭阀(S6)的中间出口与半封小阀芯气缸(T5)的上腔气口相连。

10.根据权利要求9所述的钻井液循环系统，其特征在于：全封气控阀(Q4)的A口与双压阀二(A2)的左入口相连，放喷气控阀二(Q5)的A口与双压阀二(A2)的右入口及放喷梭阀二(S5)的左入口相连，双压阀二(A2)的中间出口与快速放气阀二(F2)的P口相连，快速放气阀二(F2)的A口与全封梭阀(S4)的左入口相连，全封梭阀(S4)的中间出口与全封气缸(T4)的上腔气口相连。

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