液压自旋进水下带压双钻开孔装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种液压自旋进水下带压双钻开孔装置，应用于海底管道不停输开孔作业。该水下带压双钻开孔装置与海底管道接入装置有机结合，液压进给系统依据液压多动力进给机构提供轴向推进动力并依靠导向机构实现双钻刀具的液压自旋进，开孔总成提供开孔动力并通过旋转的空心钻杆将动力传递至双钻刀具，自对中器依据自动对中机构保证空心钻杆旋进中的自动对中，双钻刀具采用内外双层同轴心布置的钻头，对海管实施先内钻定位和后外钻开孔的带压双钻开孔作业，双向限位器依据上下双向锁紧机构实现钻头开孔中的自动双向限位，密封总成依据填料和迷宫多重密封技术保证空心钻杆旋进中的密封，而开孔控制系统远程自动调控作业中密封总成的超压工况。

Hydraulic spin water inlet double drilling opening device with pressure

The invention provides a hydraulic spin water inlet pressure double drilling opening device, which is applied to the non-stop opening and opening operation of submarine pipelines. The water pressure under the double drill hole device and pipeline access combination device, hydraulic feed system based on hydraulic multi power feed mechanism to provide axial propulsion and steering mechanism for double hydraulic drill on the spin tool, hole hole assembly provides power and through the rotation of the hollow rod transmits power to double drill tool self centering device, according to the automatic centering mechanism to ensure the automatic rotary hollow rod in double drilling tool with double axis arranged inside and outside the drill bit, the implementation of the first drill positioning and after drilling pressure double drill hole opening work with holes on the sea, two-way automatic bidirectional limiter based on limit on the bidirectional locking mechanism of drill hole in the implementation, packing and sealing assembly according to the maze multiple sealing technology ensure the sealing hollow rod screwed into the hole and the remote control system of automatic control operation Overpressure condition of sealing assembly.

【技术实现步骤摘要】
液压自旋进水下带压双钻开孔装置
本专利技术涉及一种水下生产系统海底管道带压开孔时用的装置，特别是涉及一种水下不停输工况下的液压自旋进带压双钻开孔装置及其开孔方法。
技术介绍
海上油气介质等物流输送是海洋工程开发方案中的最重要研究内容之一，水下海管带压开孔技术作为一种特殊形式的海上油气输送开发解决方案，可以大幅度降低油气田开发投资成本，为深水油田和边际油田的开发提供了新的技术支持。目前，国外水下开孔技术已经从浅海带压开孔发展到深水作业，保证了海上开发范围向深海延伸管道施工和维修的顺利进行，如T.D.Williamson公司和IPSCO公司等已研制出相应的水下带压开孔设备，并在多处水下海管施工中成功应用，然而国外公司通常不出售此类设备，只提供技术上的服务，且其相关施工作业费用较贵。国内带压开孔技术起步较晚，为了弥补油气输送管道维修技术上的不足，相继研制出了具有高水平的陆用不停输带压开孔设备，并对水下海管开孔技术进行了研究，取得了一定的进展，目前海上油田的改造工程项目还主要是借鉴陆上油田带压开孔经验。带压开孔技术是在原有工艺管道上直接焊接三通法兰短节并安装阀门和法兰，对三通、法兰和阀门进行密闭性试验以保证焊缝无泄漏，然后将开孔机安装在阀门上并进行手动进刀和无负荷启动液压站及开孔机，通过标尺杆表明钻杆行程且开孔结束后再次手动退回全部钻杆，关闭阀门，最后从阀门上拆卸开孔机，可以看出这种带压开孔技术需要采用氮气来完全置换出开孔机、阀门及三通所构成密闭空间中的空气并保证刀具处于无氧环境中实施切割，操作难度系数较大且不适用于海底管道水下特殊工况；同时三通短节需要焊接到原有工艺管道上且需要进行密闭性试验，这些都不适合水下操作；此外，开孔机的进刀和钻杆的退回均需要手动操作，也不适用于水下海底管道的施工作业。
技术实现思路
为了有效解决海底管道水下不停输开孔问题并克服现有带压开孔技术应用于水下作业时存在的缺陷和不足，本专利技术的目的是提供一种适合水下海底管道不停输开孔用的液压自旋进带压双钻开孔装置。该水下带压双钻开孔装置与海底管道接入装置有机结合，同时依据内外双层钻头、自动对中机构、上下双向锁紧机构、液压多动力进给机构以及填料和迷宫多重密封技术实现水下海底管道的带压开孔，具备液压自旋进、钻杆自对中、钻头自动双向限位和带压双钻开孔等特点，尤其适用于深水油田和边际油田海底管道油气并流不停输作业的快速开孔要求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种液压自旋进水下带压双钻开孔装置，主要由开孔总成、双钻刀具、密封总成、自对中器、双向限位器、液压进给系统和开孔控制系统几部分组成。水下带压开孔作业中，整套水下带压双钻开孔装置通过密封总成下端的密封盘和填料盘而接于海底管道接入装置，并一起通过吊机吊装至海底管道的开孔部位，水下带压双钻开孔装置依据液压进给系统提供的轴向推进动力完成液压自进给和自退刀的自旋进运动，同时通过开孔总成完成旋转运动并经空心钻杆将动力传递至双钻刀具，然后对海底管道实施先内钻定位和后外钻开孔的作业，双向限位器实现钻头开孔过程中的自动双向限位，且自对中器保证空心钻杆旋进过程中的自动对中，同时密封总成实现空心钻杆旋转、进给和退刀运动中的密封，而开孔控制系统则远程自动调控作业中密封总成的超压工况。开孔总成用来提供开孔动力，并通过空心钻杆的旋转运动将动力传递至双钻刀具，它包括水下电机、联轴套、支撑筒、空心钻杆和导向花键。水下电机采用充水式高压潜水异步电动机，其转子采用永磁材料制造，不需要励磁，且其定子电流的无功分量较小，水下电机的内腔充满防锈润滑液。水下电机的转子输出端通过联轴套与空心钻杆连为一体，同时水下电机的端盘通过支撑筒而座于自对中器上，联轴套采用凸缘式分片构造并通过铰接螺栓进行固定，而支撑筒则采用厚壁筒体且其两端设置法兰盘。空心钻杆采用空心管体并通过旋转来传递动力，其外环面采用变截面阶梯回转面，它包括上下轴头、上下轴颈和轴身，空心钻杆的材质选用耐磨、高强和热变形小的调质合金钢38CrMoAlA。上轴头采用通孔管体，其外壁上铣有平键槽，安装平键后与联轴套进行联接；而下轴头则采用盲孔管体，其下端设置法兰盘并通过紧定螺钉而下接双钻刀具，同时下轴头的下部加工有分层布置的方孔，且其下层方孔的两侧面钻有拱形孔壁。上下轴颈的杆径相等，而上轴颈的杆长则小于下轴颈的杆长，且下轴颈的杆长大于双钻刀具液压自旋进运动的进程；上下轴颈的外壁均铣有沿圆周方向均匀排列的花键槽，各花键槽内配置导向花键，各导向花键顶部的拱形柱面处于与空心钻杆同轴心的同一圆柱面上；上下轴颈的外壁以及各导向花键的两侧端面均进行精细加工，且上下轴颈的导向花键分别与上部和下部自对中器的衬套进行配合。轴身上连上轴颈而下接下轴颈，其杆径与上下轴头的杆径相等。双钻刀具采用内外双层同轴心布置的钻头，对海底管道实施先内钻定位和后外钻开孔的带压双钻开孔作业，它包括内钻头和外钻头。内钻头采用长杆体，其上端的内钻接头由方径接头和拱形接头组成，并与空心钻杆下轴头的方孔相配合，而实现内钻头周向的定位；钻盘上连内钻接头而下接钻头杆，钻盘外径等于空心钻杆下端法兰盘的外径。钻头杆的杆壁上加工有钻槽，钻槽采用双头结构并沿内钻头的轴线对称布置，钻槽的槽线为沿内钻头外环面展开的螺旋线，钻槽槽线起始点的切线与内钻头的轴线相平行，且钻槽槽线的展开线与内钻头轴线间的螺旋角小于40°；钻头杆垂直于钻槽槽线的法面端面呈拱形，该法面端面的宽度由下而上先是保持不变，而后在钻槽槽线顶端的二分之一螺距处开始逐渐收缩并在钻槽槽线的终点处缩为一点，以便于钻孔过程中的铁屑可以随钻孔液及时排出。钻头杆底端钻槽的两槽壁上均加工有切削刃，沿切削方向的切削刃依次由主切削刃、切削面和副切削刃组成，切削面呈倒圆锥面，其锥度大于135°，切削面的中心线与内钻头的轴线重合，且主切削刃和副切削刃的刃线均为切削面上的一条锥线，主切削刃和副切削刃在切削面上的刃线交错处加工有横刃，横刃的刃线与主切削刃刃线间的夹角小于45°。外钻头采用扁平状筒体，其外径等于海底管道开孔的直径，外钻头筒体上端的盘体中央加工有与空心钻杆下轴头的下层方孔相同形状和规格的方孔，并与内钻头的拱形接头相配合，同时外钻头筒体上端盘体的四周与钻盘和空心钻杆下端的法兰盘均钻有相同数量和规格大小的柱形螺钉孔；外钻头筒体的下端加工有沿圆周方向均匀布置的切削齿，切削齿的轮廓线采用组合曲线，沿切削方向的轮廓线呈下凹弧线，该下凹弧线下端点的切线与外钻头的轴线相平行，以保证外钻头的切削力；而切削齿逆着切削方向的轮廓线上部呈下凹弧线而轮廓线下部呈上凸弧线，逆着切削方向的下凹弧线与上凸弧线的结合处相切，且逆着切削方向的上凸弧线与沿切削方向下凹弧线下端交点处的切线与外钻头的轴线相垂直，而逆着切削方向的下凹弧线与沿切削方向下凹弧线上端的结合处相切。外钻头筒体的外壁上加工有螺旋沟槽，各螺旋沟槽与切削齿交错排列，且螺旋沟槽的槽宽等于切削齿的齿隙，螺旋沟槽的槽线为沿外钻头筒体外环面展开的螺旋线，垂直于螺旋沟槽槽线的法面端面为等腰梯形，同时螺旋沟槽外宽内窄以便于携带有铁屑的钻孔液顺利甩出外钻头。外钻头的螺旋沟槽内钻有分层布置的圆孔，各层间的圆孔交错排列且圆孔的孔径由下而上依次减小，以适应钻孔液量的变化。密封总本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液压自旋进水下带压双钻开孔装置，它与海底管道接入装置有机结合，同时依据内外双层钻头、自动对中机构、上下双向锁紧机构、液压多动力进给机构以及填料和迷宫多重密封技术实现水下海底管道的带压开孔，其特征在于：一开孔总成；所述开孔总成的水下电机采用充水式高压潜水异步电动机，联轴套采用凸缘式分片构造，而支撑筒则采用厚壁筒体；空心钻杆采用空心管体，其上轴头采用通孔管体，而下轴头则采用盲孔管体，且下轴头的下部加工有分层布置的方孔，上下轴颈的外壁均铣有沿圆周方向均匀排列的花键槽，各花键槽内配置导向花键，轴身上连上轴颈而下接下轴颈；一双钻刀具；所述双钻刀具采用内外双层同轴心布置的钻头，对海底管道实施先内钻定位和后外钻开孔的带压双钻开孔作业，内钻头采用长杆体，其上端的内钻接头由方径接头和拱形接头组成，钻盘上连内钻接头而下接钻头杆，钻头杆的杆壁上加工有钻槽，钻槽采用双头结构，其槽线为沿内钻头外环面展开的螺旋线，钻头杆垂直于钻槽槽线的法面端面呈拱形，钻头杆底端钻槽的两槽壁上均加工有切削刃，沿切削方向的切削刃依次由主切削刃、切削面和副切削刃组成，主切削刃和副切削刃在切削面上的刃线交错处加工有横刃；外钻头采用扁平状筒体，外钻头筒体的下端加工有沿圆周方向均匀布置的切削齿，切削齿的轮廓线采用组合曲线，同时外钻头筒体的外壁上加工有螺旋沟槽，各螺旋沟槽与切削齿交错排列，螺旋沟槽外宽内窄，且螺旋沟槽内钻有分层布置的圆孔；一密封总成；所述密封总成依据填料和迷宫多重密封技术实现空心钻杆的密封，并将密封盒的环腔分隔成上下两个密封腔，下支座均匀分布于迷宫密封器中密封盘的外环面，密封盒采用采用长筒体，迷宫密封器采用上下双层盘式迷宫密封，其密封盘的环腔内壁加工有等间距分层排列的环形凹槽，同时密封环的外壁相同位置处设置同样规格的环形凹槽，密封盘和密封环的各环形凹槽对称布置并构成分层的环形油腔，填料密封器采用圆盘式构造；一自对中器；所述自对中器依据上下同轴心布置的双排列圆锥滚子轴承组成自动对中机构而实现空心钻杆旋进过程中的自动对中，自对中器含有上下布置的两个结构和规格尺寸完全相同的单体，每列圆锥滚子轴承配置一个轴承端盖，轴承端盖的侧端设有圆环形凸台；对中本体采用圆盘式构造，其中央钻有轴承孔，该轴承孔呈圆柱形且内嵌与之过盈配合的双排列圆锥滚子轴承，对中本体中部的盘壁上车制有带螺纹的注油孔并内嵌入注油管，注油管采用环形管体并与注油塞进行联接；衬套的中部设置有台肩，其环腔内壁上钻有等间距分层布置的盲孔并铣有沿圆周方向均匀布置的导向沟槽，上支座均匀分布于对中本体的外环面；一双向限位器；所述双向限位器依据上下双向锁紧机构实现钻头开孔过程中的自动双向限位，限位本体采用圆柱形厚壁筒体，其筒壁上钻有分层排列的柱形盲孔，每个柱形盲孔的底部加工有定位轴；锁紧体配置于限位本体的各柱形盲孔内，其限位销采用阶梯轴结构，限位销的滑移销靠近基筒的端部设置锲形坡口，滑移销的外侧端面采用拱形柱面，而其内侧端面与定位销的截面变化处形成轴肩，共同定位贯穿其外的弹簧；基筒和滑移筒均采用长筒体构造，滑移筒下部的筒壁上钻有分层排列的圆形孔眼，基筒中上限位孔的孔壁上切有与上层限位销相配合的锲形坡口，同时其下限位孔的孔壁上切有与下层限位销相配合的锲形坡口，且基筒内壁沿各上限位孔和下限位孔间的位置铣有滑移沟槽，各滑移沟槽的截面呈拱形；一液压进给系统；所述液压进给系统依据液压多动力进给机构和导向机构完成双钻刀具的液压自旋进功能，它采用沿轴向均匀布置的四个独立液压缸，供油泵采用变排量柱塞泵，供油泵排出的液压油流量可以从零无级调整至最大量，液压油罐采用方形储罐；一开孔控制系统；所述开孔控制系统设置压力安全阀用于密封总成超压工况时的压力及时释放，并通过紧急关断阀远程自动关闭并停止原有海底管道内油气的泄入。...

【技术特征摘要】
1.一种液压自旋进水下带压双钻开孔装置，它与海底管道接入装置有机结合，同时依据内外双层钻头、自动对中机构、上下双向锁紧机构、液压多动力进给机构以及填料和迷宫多重密封技术实现水下海底管道的带压开孔，其特征在于：一开孔总成；所述开孔总成的水下电机采用充水式高压潜水异步电动机，联轴套采用凸缘式分片构造，而支撑筒则采用厚壁筒体；空心钻杆采用空心管体，其上轴头采用通孔管体，而下轴头则采用盲孔管体，且下轴头的下部加工有分层布置的方孔，上下轴颈的外壁均铣有沿圆周方向均匀排列的花键槽，各花键槽内配置导向花键，轴身上连上轴颈而下接下轴颈；一双钻刀具；所述双钻刀具采用内外双层同轴心布置的钻头，对海底管道实施先内钻定位和后外钻开孔的带压双钻开孔作业，内钻头采用长杆体，其上端的内钻接头由方径接头和拱形接头组成，钻盘上连内钻接头而下接钻头杆，钻头杆的杆壁上加工有钻槽，钻槽采用双头结构，其槽线为沿内钻头外环面展开的螺旋线，钻头杆垂直于钻槽槽线的法面端面呈拱形，钻头杆底端钻槽的两槽壁上均加工有切削刃，沿切削方向的切削刃依次由主切削刃、切削面和副切削刃组成，主切削刃和副切削刃在切削面上的刃线交错处加工有横刃；外钻头采用扁平状筒体，外钻头筒体的下端加工有沿圆周方向均匀布置的切削齿，切削齿的轮廓线采用组合曲线，同时外钻头筒体的外壁上加工有螺旋沟槽，各螺旋沟槽与切削齿交错排列，螺旋沟槽外宽内窄，且螺旋沟槽内钻有分层布置的圆孔；一密封总成；所述密封总成依据填料和迷宫多重密封技术实现空心钻杆的密封，并将密封盒的环腔分隔成上下两个密封腔，下支座均匀分布于迷宫密封器中密封盘的外环面，密封盒采用采用长筒体，迷宫密封器采用上下双层盘式迷宫密封，其密封盘的环腔内壁加工有等间距分层排列的环形凹槽，同时密封环的外壁相同位置处设置同样规格的环形凹槽，密封盘和密封环的各环形凹槽对称布置并构成分层的环形油腔，填料密封器采用圆盘式构造；一自对中器；所述自对中器依据上下同轴心布置的双排列圆锥滚子轴承组成自动对中机构而实现空心钻杆旋进过程中的自动对中，自对中器含有上下布置的两个结构和规格尺寸完全相同的单体，每列圆锥滚子轴承配置一个轴承端盖，轴承端盖的侧端设有圆环形凸台；对中本体采用圆盘式构造，其中央钻有轴承孔，该轴承孔呈圆柱形且内嵌与之过盈配合的双排列圆锥滚子轴承，对中本体中部的盘壁上车制有带螺纹的注油孔并内嵌入注油管，注油管采用环形管体并与注油塞进行联接；衬套的中部设置有台肩，其环腔内壁上钻有等间距分层布置的盲孔并铣有沿圆周方向均匀布置的导向沟槽，上支座均匀分布于对中本体的外环面；一双向限位器；所述双向限位器依据上下双向锁紧机构实现钻头开孔过程中的自动双向限位，限位本体采用圆柱形厚壁筒体，其筒壁上钻有分层排列的柱形盲孔，每个柱形盲孔的底部加工有定位轴；锁紧体配置于限位本体的各柱形盲孔内，其限位销采用阶梯轴结构，限位销的滑移销靠近基筒的端部设置锲形坡口，滑移销的外侧端面采用拱形柱面，而其内侧端面与定位销的截面变化处形成轴肩，共同定位贯穿其外的弹簧；基筒和滑移筒均采用长筒体构造，滑移筒下部的筒壁上钻有分层排列的圆形孔眼，基筒中上限位孔的孔壁上切有与上层限位销相配合的锲形坡口，同时其下限位孔的孔壁上切有与下层限位销相配合的锲形坡口，且基筒内壁沿各上限位孔和下限位孔间的位置铣有滑移沟槽，各滑移沟槽的截面呈拱形；一液压进给系统；所述液压进给系统依据液压多动力进给机构和导向机构完成双钻刀具的液压自旋进功能，它采用沿轴向均匀布置的四个独立液压缸，供油泵采用变排量柱塞泵，供油泵排出的液压油流量可以从零无级调整至最大量，液压油罐采用方形储罐；一开孔控制系统；所述开孔控制系统设置压力安全阀用于密封总成超压工况时的压力及时释放，并通过紧急关断阀远程自动关闭并停止原有海底管道内油气的泄入。2.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述开孔总成中水下电机的转子采用永磁材料制造，且其定子电流的无功分量较小；所述开孔总成中空心钻杆的外环面采用变截面阶梯回转面，上轴头的外壁上铣有平键槽，而下轴头的下端设置法兰盘并通过紧定螺钉而下接双钻刀具，同时下轴头下部的下层方孔两侧面钻有拱形孔壁；上下轴颈的杆径相等，而上轴颈的杆长则小于下轴颈的杆长，且下轴颈的杆长大于双钻刀具液压自旋进运动的进程，同时轴身的杆径与上下轴头的杆径相等；所述开孔总成中各导向花键顶部的拱形柱面处于与空心钻杆同轴心的同一圆柱面上。3.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述双钻刀具中内钻头上端的内钻接头与空心钻杆下轴头的方孔相配合，钻头杆的钻槽沿内钻头的轴线对称布置，钻槽槽线起始点的切线与内钻头的轴线相平行，且钻槽槽线的展开线与内钻头轴线间的螺旋角小于40°；钻头杆垂直于钻槽槽线的法面端面的宽度由下而上先是保持不变，而后在钻槽槽线顶端的二分之一螺距处开始逐渐收缩并在钻槽槽线的终点处缩为一点；切削刃的切削面呈倒圆锥面，其锥度大于135°，切削面的中心线与内钻头的轴线重合，且主切削刃和副切削刃的刃线均为切削面上的一条锥线，横刃的刃线与主切削刃刃线间的夹角小于45°。4.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述双钻刀具中外钻头的外径等于海底管道开孔的直径，外钻头筒体上端的盘体中央加工有与空心钻杆下轴头的下层方孔相同形状和规格的方孔，并与内钻头的拱形接头相配合；切削齿沿切削方向的轮廓线呈下凹弧线，该下凹弧线下端点的切线与外钻头的轴线相平行，而切削齿逆着切削方向的轮廓线上部呈下凹弧线而轮廓线下部呈上凸弧线，逆着切...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新福，周超，刘春花，王德祥，王国栋，吴建军，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37