欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器技术领域
本发明涉及机械装置，具体涉及石油欠平衡钻井上使用的欠平衡钻井环保密闭式
旋转防喷器。
背景技术
欠平衡钻井技术已发展成熟，而且其发现和保护油气层及提高钻井速度等方面的
效果也得到认同。随着石油工业的飞速发展，石油钻井领域已把欠平衡钻井技术作为一种
首选技术。同时国家大力推行环境整治，对石油工业的生产设备提出了更高的要求。
目前国内外所使用的旋转防喷器在使用过程中都存在着污染环境的问题。具体出
现在起钻的过程中，钻杆从井底起到平台上的时候，井内的泥浆会被钻杆带出井口，并掉落
在地面和平台上，对周围环境产生极大的污染。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器，避免了欠平衡
钻井过程中泥浆掉落污染周围环境的技术难题，保护了井口周围的环境。
本发明的技术解决方案是：该欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器由旋转总成和壳
体两部分组成，旋转总成通过密封圈安装在壳体上；壳体的壳体本体上有两个间隔150度的
凹槽，旋转总成的外壳上同样有两个间隔150度的凸台，这样就保证了壳体和旋转总成之间
安装角度的唯一性；通过顶丝装置的收回，旋转总成进入壳体本体安装在壳体上，通过顶丝
装置的伸长，将旋转总成牢牢的卡装在壳体上；密封圈密封住旋转总成和壳体之间的密封
面，这样就完成了欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器的安装。
本发明的欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器中，密封圈内圆面与旋转总成贴合，
外圆面设计成圆弧面，这样更容易进入壳体并与之形成密封，整个密封圈紧密的镶嵌在旋
转总成的固定槽内。
本发明的欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器中，壳体的壳体本体的内孔上有两个
间隔150度的凹槽，用来镶入旋转总成；壳体本体的上法兰安装一个冷却液进口装置、一个
冷却液出口装置、一个润滑油进口装置和十二个顶丝装置；壳体本体中部外圆面上铣了两
个平面，其分别用螺栓、钢垫环连接着大法兰短节和小法兰短节，大法兰短节连接液动平板
阀，小法兰短节连接压力传感器。
所述的润滑油进口装置由密封杆、O型圈、填料上座、密封填料、填料下座、填料压
盖组成；密封杆顶部设计成60度角圆锥形，这样更方便密封杆进入旋转总成的润滑油通道
中，密封杆通过O型圈与旋转总成形成密封，密封杆中部有螺纹并通过螺纹旋紧在壳体本体
上，密封杆通过该螺纹旋进和旋出旋转总成，密封杆尾部设有螺纹孔，用于连接润滑油管
线；填料上座装在壳体本体的内孔中，密封填料装在填料上座上，填料下座装在密封填料
上，填料压盖顶住填料下座，填料压盖通过螺纹旋紧在壳体本体上，密封杆通过密封填料与
壳体本体形成密封；冷却液出口装置和冷却液进口装置与润滑油进口装置的结构相同。
所述的顶丝装置由顶丝杆、密封圈上座、组合密封圈、密封圈下座、密封圈压帽组成；顶
丝杆顶部设计成45度角圆锥形，旋转总成的外壳与之接触的部分设计成45度的沟槽，这样
保证了顶丝杆能以最大的强度顶住旋转总成的外壳，顶丝杆前部有螺纹并通过螺纹旋紧在
壳体上，顶丝杆通过该螺纹旋进和旋出；密封圈上座装在壳体的内孔中，组合密封圈装在密
封圈上座上，密封圈下座装在组合密封圈上，密封圈压帽顶住密封圈下座，密封圈压帽通过
螺纹旋紧在壳体上，顶丝杆通过组合密封圈与壳体形成密封。
本发明的欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器中，旋转总成由上胶芯装置、轴承装
置、下胶芯组成；上胶芯装置通过轴承装置连接下胶芯整体构成旋转总成；旋转总成上设有
两组冷却液通道和一组润滑油通道；两组冷却液通道通往轴承装置的上部密封，一进一出
用于注冷却液，冷却液注入轴承装置的上部并从轴承装置的上部出来，经过冷却后再注入
轴承装置的上部，不断往复循环来冷却轴承装置的上部油封；润滑油通道通往轴承装置的
下部，将润滑油注入轴承装置下部后保持一定压力，一方面平衡轴承装置外部井内的介质
压力，另一方面润滑油封和轴承。
所述的上胶芯装置包括驱动套、螺母、上胶芯、上胶芯杯、内六角螺栓、连接螺栓；
驱动套顶部有四个倾斜的槽安装方钻杆驱动器；上胶芯通过螺母锁紧在驱动套底部；驱动
套通过两道O型圈与上胶芯杯形成密封，驱动套通过16只高强度的内六角螺栓与上胶芯杯
形成紧密连接；当方钻杆驱动器带动驱动套旋转时，驱动套就带动上胶芯杯、上胶芯一起旋
转。
所述的轴承装置由上密封体装置、两组SL184948滚子轴承、两组SLI81248推力轴
承、外壳、芯轴、下密封体装置组成；两组SL184948滚子轴承、两组SLI81248推力轴承装在外
壳和芯轴的环空内，四组轴承上面顶住上密封体装置，下面顶住下密封体装置，两组
SL184948滚子轴承承受径向载荷，两组SLI81248推力轴承承受轴向载荷。
所述的上密封体装置包括一号挡板、上连接体、上压盖、唇形油封、隔圈、油封压
板、沉头螺栓、动密封体、旋转油封和上密封座；上连接体右旋螺纹旋入芯轴上，由一号挡板
挡住上连接体并通过内六角螺栓固定在芯轴上，防止上连接体从芯轴上脱开；上压盖坐在
外壳上，上压盖通过内六角螺栓和外壳连在一起，由O型圈密封住上连接体和外壳之间的密
封面；两个一号唇形油封装在上压盖内，中间用隔圈隔开，一号油封压板通过沉头螺栓将一
号唇形油封压紧在上压盖内，上压盖通过一号唇形油封与上连接体形成密封；动密封体装
在芯轴上，通过O型圈与芯轴形成密封；上密封座装在动密封体下，上密封座内孔上有沟槽，
沟槽内装有一号旋转油封，两个二号唇形油封装在上密封座内，中间用隔圈隔开，二号油封
压板通过沉头螺栓与上密封座连接，并将二号唇形油封压紧在上密封座内，上密封座通过O
型圈与外壳之间的密封面形成密封；当芯轴带动上连接体和动密封体旋转时，上连接体和
动密封体与唇型油封和旋转油封形成动密封。
所述的下密封体装置包括下密封座、内六角螺栓、三号油封压板、沉头螺栓、三号
唇形油封、隔圈、二号旋转油封、导向带、下胶芯座、护套和二号挡板；下密封座装在外壳底
部，通过内六角螺栓和外壳连在一起，由O型圈密封住下密封座和外壳之间的密封面；二号
旋转油封装在下密封座的内孔台阶上，两个三号唇形油封背对背装在二号旋转油封上方，
三号唇形油封背对背放置同时密封轴承装置内的润滑油和井内介质两个方向的压力，三号
唇形油封与二号旋转油封之间用隔圈隔开，三号油封压板通过沉头螺栓与下密封座连接，
并将三号唇形油封压紧在下密封座内；下胶芯座左旋螺纹旋入芯轴上，通过O型圈与芯轴形
成密封，由二号挡板挡住下胶芯座并通过内六角螺栓固定在芯轴上，防止下胶芯座从芯轴
上脱开；下密封座内孔上有沟槽，沟槽内装有导向带；当芯轴带动下胶芯座旋转时，下胶芯
座与三号唇型油封和二号旋转油封形成动密封。
欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器的安装及运行：壳体的底部法兰通过密封钢圈
连接在石油钻井井口的环形防喷器或闸板防喷器上，顶部通过升高短节连接在井架的底
部，实现井口设备的完全密封，旋转总成通过密封圈安装在壳体上，十二个顶丝将旋转总成
牢牢的卡装在壳体上；当钻具旋转钻井时，钻具带动旋转总成内的驱动器装置、芯轴一起转
动，壳体、旋转总成的外壳在钻具旋转时，则随石油钻井井口装置固定静止不转。
本发明具有以下优点：
1、采用整体集成式结构，去除了老式的液缸结构，实现了井口设备的完全密封，将钻杆
从井内带出的泥浆密封在旋转防喷器的内部，从而避免了泥浆掉落在井口，有效的保护了
井口周围的环境，在正常进行钻井作业的同时对保护生态环境起到了极大的作用。
2、额定静压35MPa，额定动压17.5MPa，壳体最大通径达到了430mm，旋转总成通径
197mm，适用于五寸半及以下钻杆使用；
3、旋转总成的驱动结构简单，连接牢固可靠，有效避免了钻杆带动旋转总成反转导致
的螺纹松动、密封失效等问题；
4、发现和有效保护油气层，有利于在钻井的过程中，有效保护环境并可节省储层改造
费用；
5、提高钻速，提高钻头寿命；
6、杜绝或减少井漏、压差卡钻等井下复杂；
7、缩短勘探周期，提高勘探效率；
8、能够避免井喷事故的发生；
9、两组SL184948滚子轴承承受径向载荷，两组SLI81248推力轴承承受轴向载荷，轴承
双向承载使旋转总成的承载能力得到了极大的加强，同时扶正能力得到了提高，更有效的
保护密封件；
10、旋转油封的摩擦系数只有唇型油封的三分之一，使用旋转油封减少了动密封体与
旋转油封之间摩擦力，降低了动密封体与旋转油封之间的密封面磨损，提高了产品的使用
寿命；
11、导向带起导向的作用，具有吸收振动性能，并有极好的耐磨性能和良好的干动行特
性；
12、本发明的欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器在使用时，底部安装在环形防喷器或
闸板防喷器上部，顶部通过升高短节连接在井架的底部，实现了井口设备的完全密封，避免
了泥浆的掉落污染环境；在实施欠平衡钻井工艺带压钻井作业时，对旋转的钻具有效密封，
并且可起分流作用；本发明的欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器与液压防喷器、钻具止回
阀，液气分离器和不压井起下钻加压装置等设备配套使用时，可安全地进行带压钻进和不
压井起下钻作业。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为图1的组装结构示意图
图3为图2的右视图
图4为图2的俯视图
图5为图4的A-A剖视图
图6为图1的密封圈示意图
图7为图1的壳体示意图
图8为图7的右视图
图9为图7的俯视图
图10为图9的A-A剖视图
图11为图10的润滑油进口装置
图12为图10的顶丝装置
图13为图1的旋转总成示意图
图14为图13的右视图
图15为图14的上胶芯装置
图16为图14的轴承装置
图17为图16的上密封体装置
图18为图16的下密封体装置
图中：1. 旋转总成，2. 壳体，3. 密封圈，4. 壳体本体，5. 冷却液进口装置，6. 冷却
液出口装置，7. 大法兰短节，8. 小法兰短节，9. 润滑油进口装置，10. 顶丝装置，11. 螺
栓，12. 钢垫环，13. 密封杆，14. O型圈，15. 填料上座，16. 密封填料，17. 填料下座，18.
填料压盖，19. 顶丝杆，20. 密封圈上座，21.组合密封圈，22. 密封圈下座，23. 密封圈压
帽，24. 上胶芯装置，25. 轴承装置，26. 下胶芯，27. 驱动套，28. 内六角螺栓，29. 螺母，
30. 上胶芯，31. 上胶芯杯，32. 连接螺栓，33. 上密封体装置，34. SL184948滚子轴承，
35. SLI81248推力轴承，36. 外壳，37. 芯轴，38. 下密封体装置，39. 一号挡板，40. 上连
接体，41. 一号唇形油封，42. 隔圈，43. 上压盖，44. 动密封体，45. 一号旋转油封，46.
一号油封压板，47. 沉头螺栓，48. 上密封座，49. 下密封座， 50. 护套，51. 下胶芯座，
52. 导向带，53.二号挡板，54.二号唇形油封，55. 二号唇形油封，56. 二号旋转油封，57.
二号油封压板，58.三号油封压板。
具体实施方式
如图1到图6所示，欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器由旋转总成1和壳体2两部分
组成；旋转总成1通过密封圈3安装在壳体2上；壳体2的壳体本体4上有两个间隔150度的凹
槽，旋转总成1的外壳36上同样有两个间隔150度的凸台，这样就保证了壳体2和旋转总成1
之间安装角度的唯一性；通过顶丝装置10的收回，旋转总成1进入壳体本体4安装在壳体2
上，通过顶丝装置10的伸长，将旋转总成1牢牢的卡装在壳体2上；密封圈3密封住旋转总成1
和壳体2之间的密封面，这样就完成了欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器的安装。
本发明的欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器中，密封圈如图6所示，密封圈3内圆
面与旋转总成1贴合，外圆面设计成圆弧面，这样更容易进入壳体2并与之形成密封，整个密
封圈3紧密的镶嵌在旋转总成1的固定槽内。
本发明的欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器中，壳体如图7到图10所示，壳体2的
壳体本体4内孔上有两个间隔150度的凹槽，用来镶入旋转总成1；壳体本体4的上法兰安装
有一个冷却液进口装置5、一个冷却液出口装置6、一个润滑油进口装置9、十二个顶丝装置
10；壳体本体4中部外圆面上铣了两个平面，其分别用螺栓11、钢垫环12连接着大法兰短节7
和小法兰短节8，大法兰短节7连接液动平板阀，小法兰短节8连接压力传感器。
如图11所示，所述的润滑油进口装置9由密封杆13、O型圈14、填料上座15、密封填
料16、填料下座17，填料压盖18组成；密封杆13顶部设计成60度角圆锥形，这样更方便密封
杆13进入旋转总成1的润滑油通道中，密封杆13通过O型圈14与旋转总成1形成密封，密封杆
13中部有螺纹并通过螺纹旋紧在壳体本体4上，密封杆13通过该螺纹旋进和旋出旋转总成
1，密封杆13尾部设有螺纹孔，用于连接润滑油管线；填料上座15安装在壳体本体4的内孔
中，密封填料16安装在填料上座15上，填料下座17安装在密封填料16上，填料压盖18顶住填
料下座17，填料压盖18通过螺纹旋紧在壳体2上，密封杆13通过密封填料16与壳体本体4形
成密封；冷却液出口装置5和冷却液进口装置6与润滑油进口装置9的结构相同。
如图12所示，所述的顶丝装置10由顶丝杆19、密封圈上座20、组合密封圈21、密封
圈下座22、密封圈压帽23组成；顶丝杆19顶部设计成45度角圆锥形，旋转总成1的外壳36与
之接触的部分设计成45度的沟槽，这样保证了顶丝杆19能以最大的强度顶住旋转总成1的
外壳36，顶丝杆19前部有螺纹并通过螺纹旋紧在壳体本体4上，顶丝杆19通过该螺纹旋进和
旋出；密封圈上座20安装在壳体本体4的内孔中，组合密封圈21安装在密封圈上座21上，密
封圈下座22安装在组合密封圈21上，密封圈压帽23顶住密封圈下座22，密封圈压帽23通过
螺纹旋紧在壳体本体4上，顶丝杆19通过组合密封圈21与壳体本体4形成密封。
本发明的欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器中，旋转总成如图13和图14所示，旋
转总成1由上胶芯装置24、轴承装置25、下胶芯26组成；上胶芯装置24通过轴承装置25连接
下胶芯26整体构成旋转总成1；旋转总成1上设有两组冷却液通道，一组润滑油通道；两组冷
却液通道通往轴承装置25的上部密封，一进一出用于注冷却液，冷却液注入轴承装置25的
上部并从轴承装置25的上部出来，经过冷却后再注入轴承装置25的上部，不断往复循环来
冷却轴承装置25的上部油封；润滑油通道通往轴承装置25的下部，将润滑油注入轴承装置
25下部后保持一定压力，一方面平衡轴承装置外部井内的介质压力，另一方面润滑油封和
轴承。
如图15所示，所述的上胶芯装置24包括驱动套27、螺母29、上胶芯30、上胶芯杯31、
内六角螺栓28、连接螺栓32；驱动套27顶部有四个倾斜的槽安装方钻杆驱动器；上胶芯30通
过螺母29锁紧在驱动套27底部；驱动套27通过两道O型圈与上胶芯杯31形成密封，驱动套27
通过16只高强度内六角螺栓28与上胶芯杯31形成紧密连接；当方钻杆驱动器带动驱动套27
旋转时，驱动套27就带动上胶芯杯31、上胶芯30一起旋转。
如图16所示，所述的轴承装置25由上密封体装置33、两组SL184948滚子轴承34、两
组SLI81248推力轴承35、外壳36、芯轴37、下密封体装置38组成；两组SL184948滚子轴承34、
两组SLI81248推力轴承35安装在外壳36和芯轴37的环空内，四组轴承上面顶住上密封体装
置33，下面顶住下密封体装置38，两组SL184948滚子轴承34承受径向载荷，两组SLI81248推
力轴承35承受轴向载荷。
如图17所示，所述的上密封体装置33包括一号挡板39、上连接体40、上压盖43、唇
形油封、油封压板、动密封体44、一号旋转油封45和上密封座48；上连接体40右旋螺纹旋入
芯轴37上，一号挡板39通过内六角螺栓固定在芯轴37上挡住上连接体40，防止上连接体40
从芯轴37上脱开；上压盖43坐在外壳36上通过内六角螺栓和外壳连在一起，由O型圈密封住
上连接体40和外壳36之间的密封面；中间用隔圈42隔开的两个一号唇形油封41安装在上压
盖43内，一号油封压板46通过沉头螺栓47将一号唇形油封41压紧在上压盖43内，上压盖43
通过一号唇形油封41与上连接体40形成密封；动密封体44安装在芯轴37上，通过O型圈与芯
轴37形成密封；上密封座48安装在动密封体44下，上密封座48内孔上有沟槽，沟槽内装有一
号旋转油封45，中间用隔圈隔开的两个二号唇形油封54装在上密封座48内，二号油封压板
57通过沉头螺栓与上密封座48连接并将二号唇形油封54压紧在上密封座48内，上密封座48
通过O型圈与外壳36之间的密封面形成密封；当芯轴37带动上连接体40和动密封体44旋转
时，上连接体40和动密封体44与唇型油封和旋转油封形成动密封。
如图18所示，所述的下密封体装置38包括下密封座49、三号油封压板58、三号唇形
油封55、二号旋转油封56、导向带52、下胶芯座51、护套50和二号挡板53；下密封座49安装在
外壳36底部，通过内六角螺栓和外壳36连在一起，由O型圈密封住下密封座49和外壳36之间
的密封面；二号旋转油封56安装在下密封座49的内孔台阶上，两个三号唇形油封55背对背
装在二号旋转油封56上方，三号唇形油封55背对背放置同时密封轴承装置内的润滑油和井
内介质两个方向的压力，三号唇形油封55与二号旋转油封56之间用隔圈隔开，三号油封压
板58通过沉头螺栓与下密封座49连接，并将三号唇形油封55压紧在下密封座49内；下胶芯
座51左旋螺纹旋入芯轴37上，通过O型圈与芯轴37形成密封，二号挡板53通过内六角螺栓固
定在芯轴37上挡住下胶芯座51，防止下胶芯座51从芯轴37上脱开；下密封座49内孔上有沟
槽，沟槽内装有导向带52；当芯轴37带动下胶芯座51旋转时，下胶芯座51与三号唇型油封55
和二号旋转油封56形成动密封。
欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器的安装及运行：壳体的底部法兰通过密封钢圈
连接在石油钻井井口的环形防喷器或闸板防喷器上，顶部通过升高短节连接在井架的底
部，实现了井口设备的完全密封，旋转总成通过密封圈安装在壳体上，十二个顶丝将旋转总
成牢牢的卡装在壳体上；当钻具旋转钻井时，钻具带动旋转总成内的驱动器装置、芯轴一起
转动，壳体、旋转总成的外壳在钻具旋转时，则随石油钻井井口装置固定静止不转。