一種脈衝閥式井下防噴器的製作方法

2023-05-15 17:36:06

專利名稱：一種脈衝閥式井下防噴器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於石油鑽井領域，具體涉及一種脈衝閥式井下防噴器，用於石油鑽井過程中鑽遇高壓地層需要進行井筒內的鑽柱與環空封隔，實施井控作業。
背景技術：
石油鑽井井控封井目前常規採用井口防噴器，這種方式會使地層流體過多地進入井筒鑽井液中，井口關井後套壓很高，給井控作業造成過高的風險。石油鑽井過程中經常會鑽遇到高壓地層，特別是深井超深井或淺層氣地層，為了早期進行關井，實施井控作業，需要採用井下早期關井，即採用井下防噴器關井，這樣更有利於井控壓井作業。 可是目前國內外沒有關於井下防噴器的成熟的技術和設備，國外雖然有相關的專利出現，但也沒有得到推廣應用，主要是因為在封隔井筒環空時，橡膠膨脹後不能鎖定，進而不能有效封隔環空，封隔位置之上不能實施循環壓井作業，不能實現井下防噴的功能。具體來說，專利號為US4712613A的美國專利提出了旋塞閥井下防噴器，但只有原理方案，沒有研製樣機，它的主要特點是用泥漿脈衝傳遞控制信號、用電磁閥控制流道開啟與關閉、鑽井液作為動力源、旋塞閥封隔鑽柱、可膨脹封隔器封隔環空。它的缺點是解封後旋塞閥不能打開，不能建立正常循環。專利號為US4367794A的美國專利提出了插板閥井下防噴器，但只有原理方案，沒有研製樣機。它的主要特點是鑽杆聲波傳遞控制信號、電動螺旋機構作為動力源、插板封隔鑽柱、可膨脹封隔器封隔環空、並設計有失效解決備用方案。它的缺點是封隔位置之上無循環通道、插板閥不能承受高壓、封隔器與環空保持暢通。挪威科技工業學院和挪威科技工業大學於上個世紀90年代至2001年期間提出了提升閥井下防噴器(美國專利US5404953A)，給出了原理方案，研製了試驗樣機，在模擬井上進行了試驗，之後未見新的進展。它的主要特點是泥漿脈衝傳遞控制信號、電動機械控制機構作為動力源、提升閥封隔鑽柱、可膨脹封隔器封隔環空。缺點是封隔器不能鎖定。西南石油大學申請了兩個專利，其中專利號為200910312467的專利公開了提升閥式井下內外一體式防噴器、專利號為201020037531的專利公開了提升閥式井下內外一體式防噴器。也只有原理方案，無樣機，與US5404953A中給出的原理相同，缺點是封隔器不能鎖定。綜上所述，雖然國外進行過提閥式井下防噴器的研究，並有專利出現，但其存在以下不足(I)關井過程中橡膠體膨脹後不能鎖定，即不能有效關井或不能承受較高的關井壓力；(2)信號傳輸方式的可靠性不夠。

實用新型內容本實用新型的目的在於解決上述現有技術中存在的難題，提供一種脈衝閥式井下防噴器，實現井下鑽柱內和環空封隔，有效防止井噴、井湧等異常狀況發生時對工作人員及設備帶來的危害；在隨鑽鑽遇高壓地層時，利用本實用新型即可實施有效關井作業，從而實現安全快速的井控作業和鑽井作業。本實用新型是通過以下技術方案實現的一種脈衝閥式井下防噴器，包括殼體I以及安裝在殼體I的內流道中的傳動總成；在所述殼體I下部的外表面上安裝有可膨脹封隔器；所述傳動總成包括上執行機構3和 下執行機構8 ;所述上執行機構3和下執行機構8均為電動液壓裝置；所述上執行機構3位於下執行機構8上方，所述可膨脹封隔器位於下執行機構8的下方；通過所述傳動總成控制可膨脹封隔器的膨脹和收縮，進而實現對地層的封隔和解封。所述殼體I的內流道包括連通且同軸線的四段流道，從上至下依次為入口流道、上流道、下流道和出口流道；所述入口流道為上大下小的錐孔，其小口徑端通過上圓柱孔連通所述上流道，所述上流道的直徑大於所述入口流道的小口徑處的直徑，也大於所述上圓柱孔的直徑；所述上流道和下流道的直徑一致，上流道和下流道之間的過渡段為下圓柱孔，所述下圓柱孔的直徑小於上流道和下流道的直徑；所述出口流道為圓柱孔，其直徑小於所述上流道和下流道的直徑。所述上執行機構3安裝在所述上流道內並與上流道同軸線，且與上流道的上、下端以及內壁之間均留有間隙；在所述上流道的下部，殼體I的內壁向內突出形成上執行機構閥座4，所述上執行機構3的下端帶有上提升閥5，所述上提升閥5與所述上執行機構閥座4以及下圓柱孔配合形成閥門；上執行機構3的下端、上提升閥5與上執行機構閥座4三者圍合成所述上閥座空腔；當提升閥5處於最上端位置時封閉進液通道6，且該處的管柱內流道打開的；當提升閥5處於中間位置時，進液通道6與管柱內流道連通，且該處位置的管柱內流道打開；當提升閥5處於最下端位置時，進液通道6與管柱內流道連通，處於該處位置的管柱內流道關閉，即鑽井液流動到該處就不能再向下流動；所述上執行機構3通過下端的螺紋與上執行機構閥座4連接，固定在上流道內；在所述上執行機構3的上部安裝有上執行機構支撐2，所述上執行機構支撐2對上執行機構3起扶正作用；流體可穿過所述上執行機構支撐2。所述下執行機構8安裝在所述下流道內並與下流道同軸線，且與下流道的上、下端以及內壁之間均留有間隙；在所述下流道的下部，殼體I的內壁向內突出形成下執行機構閥座9，所述下執行機構8的下端帶有下提升閥10，所述下提升閥10與所述下執行機構閥座9以及出口流道配合形成閥門；下執行機構8的下端、下提升閥10與下執行機構閥座9三者圍合成所述下閥
座空腔；所述下執行機構8通過下端的螺紋與下執行機構閥座9連接，固定在下流道內；在所述下執行機構8的上部安裝有下執行機構支撐7，所述下執行機構支撐7對下執行機構8起扶正作用；流體可穿過所述下執行機構支撐7。[0023]所述可膨脹封隔器安裝在所述出口流道對應的殼體I的外壁上；所述可膨脹封隔器包括膠筒上支架13、膠筒下支架16和可膨脹膠筒15 ；所述膠筒上支架13和膠筒下支架16均為具有彈性的金屬環，所述可膨脹膠筒15的上端澆注在膠筒上支架13上，下端澆注在膠筒下支架16上；所述膠筒上支架13和膠筒下支架16的內部均開有螺紋，通過螺紋連接安裝在殼體I的外壁上；所述可膨脹膠筒15的內壁與殼體I的外壁之間有環形間隙。在所述上執行機構閥座4的兩側分別開有封隔器進液通道6和閥座通孔12 ;所述封隔器進液通道6沿殼體I的壁向下一直延伸到所述可膨脹膠筒15與殼體I之間的環形間隙內，將上閥座空間與環形間隙連通，液體通過封隔器進液通道6進入到可膨脹膠筒15與殼體I之間環形間隙內，使可膨脹膠筒15向外鼓脹，直至接觸井壁，實現環空封隔；所述上執行機構閥座4將上流道的空間分隔成上下兩段，分別為上流道上段和上··流道下段，兩段通過所述閥座通孔12連通。在所述下執行機構閥座9的兩側分別開有循環孔11和閥座通孔12 ;所述循環孔11將所述下閥座空間與環空連通；所述下執行機構閥座9將下流道的空間分隔成上下兩段，分別為下流道上段和下流道下段，兩段通過所述閥座通孔12連通。所述循環孔11和封隔器進液通道6是不連通的。所述上執行機構3和下執行機構8均包括液壓缸301、控制器302、安全閥303、電機304、液壓泵305、油箱306和電磁閥307。所述上提升閥5和下提升閥10均包括提升閥杆308和閥球，上提升閥5直接焊接在上執行機構3的液壓缸301的下端，下提升閥10直接焊接在下執行機構8的液壓缸301的下端；所述上提升閥5的提升閥杆308 —端與上執行機構3的液壓缸301的活塞連接，另一端穿過所述上閥座空腔與閥球連接，所述閥球位於上執行機構閥座4下方的上流道下段內；所述下提升閥10的提升閥杆308 —端與下執行機構8的液壓缸301的活塞連接，另一端穿過所述下閥座空腔與閥球連接，所述閥球位於下執行機構閥座9下方的下流道下段內。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是(I)在井下當發現溢流後，利用本實用新型可以在井下關閉鑽杆和地層環空；(2)本實用新型是通過脈衝壓力控制信號，由電動液壓執行機構帶動提升閥上下移動，實現動作，原理可行；(3)使用本實用新型不會影響正常鑽井作業；(4)利用本實用新型可以實現早期關井，有利於井控作業；在實現關井後，能在封隔位置之上能建立循環；採用井下關井作業，關井後處理完關井上部的受侵鑽井液後，再解封，繼續實施鑽井作業，這樣達到鑽井時隨鑽實施井下關井，達到安全井空作業和鑽井作業；(5)利用本實用新型，關井和解封作業的操作都很靈活。
圖I是本實用新型脈衝閥式井下防噴器的結構示意圖。其中，I為殼體、2為上執行機構支撐、3為上執行機構、4為上執行機構閥座、5為上提升閥、6為封隔器進液通道7為下執行機構支撐8為下執行機構9為下執行機構閥座10為下提升閥11為循環孔12為閥座通孔13為膠筒上支架14為井壁15為可膨脹膠筒16為膠筒下支架。圖2-1是本實用新型脈衝閥式井下防噴器工作之初的鑽井狀態。圖2-2是本實用新型脈衝閥式井下防噴器的膠筒膨脹狀態。圖2-3是本實用新型脈衝閥式井下防噴器的封隔器鎖定狀態。圖2-4是本實用新型脈衝閥式井下防噴器的膠筒收縮狀態。圖2-5是本實用新型脈衝閥式井下防噴器工作結束後的鑽井狀態。圖3是本實用新型脈衝閥式井下防噴器中的上執行機構3和下執行機構8的原理圖。其中，301為液壓缸、302為控制器、303為安全閥、304為電機、305為液壓泵、306為油箱、307為電磁閥、308為閥杆。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述如圖I所示，本實用新型一種脈衝閥式井下防噴器包括殼體、上下雙執行機構和可膨脹封隔器，具體如下1，殼體 I殼體I是該工具的主體，在其下端外壁上固定有可膨脹封隔器，所述可膨脹封隔器包括可膨脹膠筒15 ;在殼體I的腔體內承載有執行機構與提升閥。在其壁上開有連通殼體I的內部與可膨脹膠筒15的封隔器進液通道6，該通道沿殼體壁一直向下延伸到與可膨脹膠筒15和殼體I之間的環形間隙相通，流體通過封隔器進液通道16進入可膨脹膠筒15與殼體I之間的間隙，充脹此間隙使可膨脹膠筒15向外鼓脹，實現環空封隔；在殼體I的壁上還開有連通殼體I的內部與環空的通道，即圖I中的循環孔11。上述兩個通道的打開與關閉均由所述提升閥控制。2，執行機構執行機構位於殼體I的內腔中，其核心為電動液壓控制機構，由電動液壓控制機構帶動提升閥來回動作，實現殼體I的內部與可膨脹膠筒15、殼體I內部與環空的通道的打開與關閉。具體來說，上執行機構3和下執行機構8的原理是一樣的，如圖3所示，執行機構工作時，控制器302接收到地面傳遞的控制信號後，開始向電機304供電，並控制電機304轉速。電機304帶動液壓泵305迴轉。液壓油從油箱306進入電磁閥307。電磁閥307處於左位時，高壓油進入液壓缸301上腔，推動液壓缸301內活塞向下運動，帶動提升閥閥杆308向下運動。電磁閥307處於右位時，高壓油進入液壓缸301下腔，推動液壓缸301內活塞向上運動，帶動提升閥閥杆308向上運動。安全閥303防止液壓系統壓力高於設定數值，保護系統兀件。3，可膨脹膠筒I5可膨脹膠筒15外置於殼體I的外面。當封隔器進液通道6被打開時，在鑽井液的壓力下，可膨脹膠筒15擴張，實現對地層封隔；可膨脹膠筒15完全擴張後，封隔器進液通道6被關閉。當封隔器進液通道6再次被打開時，可膨脹膠筒15內的流體反排到殼體I的內部，實現解封。實際使用時，本實用新型是連接在鑽柱上的，作為鑽具的一部分，發現溢流後，通過地面給予的命令，可膨脹膠筒15膨脹，封隔環空，在封隔位置上部打開通道，建立循環，當液柱壓力建立後，再打開封隔器，即讓可膨脹膠筒15收縮，建立全井液柱循環，最後達到全井液柱壓力和地層壓力的平衡，繼續安全鑽井作業。具體來說，本實用新型的工作過程如圖2所示，包括以下步驟(I)將本實用新型脈衝閥式井下防噴器安裝在鑽具上，正常鑽進，其初始狀態如圖2-1所示；(2)當發現溢流後，上提鑽具到一定位置；(3)地面向上執行機構3和下執行機構8發送一條泥漿脈衝控制信號，接收到信號後，如圖2-2所示，上提升閥5向下移動，封隔器進液通道6打開，上提升閥5 —直向下直至封隔所述下圓柱孔，此時鑽井液從殼體I的入口流道流入殼體I的內腔中先經過上流道上段，然後通過上執行機構閥座4上的閥座通孔12進入上流道下段，由於上提升閥5封隔了下圓柱孔，因此鑽井液只能通過封隔器進液通道6向下流動，進入到可膨脹膠筒15和殼體I之間的微小環形間隙內(液體流動方向如圖2-2中的箭頭所示。)，然後打壓lOMPa，使鑽井液充盈在可膨脹膠筒15與殼體I之間，使可膨脹膠筒15向外膨脹，直至其貼緊井壁14，實現封隔器膨脹進而封隔環空；(4)在設定的時間間隔內(是在上述信號中設定的，即計算出信號下傳及膨脹封隔的時間，發送第一個信號時也發送了此時間。)，如圖2-3所示，上提升閥5向上移動至原位關閉封隔器進液通道6，實現封隔器鎖定；下提升閥10向下移動，打開循環孔11，同時封隔出口流道，此時通過循環孔11進行循環壓井作業，即配好加重鑽井液，通過鑽柱向下循環，加重鑽井液流到下提升閥10的位置時，不能再向下流動，只能通過循環孔11向環空流動(液體流動方向如圖2-3中的箭頭所示。)，推動環空受侵鑽井液向上流動,直至排出井夕卜，重新建立環空液柱壓力，完成該壓井作業；(5)上部井段加重循環後，上部井段充滿了壓井液，再次發送一條控制信號，如圖2-4所示，下提升閥10向上移動，但循環孔11未關閉(便於封隔器排液)，上提升閥5向下移動，封隔器進液通道6被打開，靜止排液，即停泵，停止往井筒內循環鑽井液，保持靜止狀態，可膨脹膠筒15內的鑽井液在可膨脹膠筒15自身收縮力(即原憋壓IOMPa所產生的力)的所用下，向鑽柱內上下及環空內排液(液體流動方向如圖2-4中的箭頭所示。)，實現環空解封；(6)在設定的時間間隔內，如圖2-5所示，上提升閥5向上移動，關閉封隔器進液通道6，實現封隔器鎖定，恢復初始狀態(初始狀態就是圖2-1時的狀態，即可膨脹膠筒15恢復原樣，進液通道6關閉)，下提升閥10向上移動，關閉循環孔11，切斷管柱內流道與環空的連接，恢復鑽柱內流通道。建立全井循環，將下部的含地層流體的鑽井液循環到地面(即使用加重鑽井液進行全井循環，通過井下防噴器向下流動到井底，在井底通過環空向上流動，推動原封隔位置之下的受侵鑽井液向上流動，排出井外)，壓井液充滿了全井，實現液柱壓力和地層壓力的平衡，繼續安全鑽井。[0066]本實用新型實現了井下鑽柱內和環空封隔，有效防止了井噴、井湧等異常狀況發生時對工作人員及設備帶來的危害。本實用新型涉及石油鑽井過程中鑽遇高壓地層，需要進行井筒內封隔鑽柱與環空，實施井控作業。井下防噴技術在我國有著廣泛的應用需求，本實用新型能有效地提高鑽井施工的安全、降低井控風險，節約成本，具有顯著的經濟效益和社會效益，因此具有很好的推廣應用前景。上述技術方案只是本實用新型的一種實施方式，對於本領域內的技術人員而言， 在本實用新型公開了原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限於本實用新型上述具體實施例所描述的結構，因此前面描述的只是優選的，而並不具有限制性的意義。
權利要求1.一種脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於所述脈衝閥式井下防噴器包括殼體(I)以及安裝在殼體(I)的內流道中的傳動總成；在所述殼體(I)下部的外表面上安裝有可膨脹封隔器； 所述傳動總成包括上執行機構(3)和下執行機構(8)； 所述上執行機構(3)位於在下執行機構(8)上方，所述可膨脹封隔器位於下執行機構(8)的下方。
2.根據權利要求I所述的脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於所述殼體(I)的內流道包括連通且同軸線的四段流道，從上至下依次為入口流道、上流道、下流道和出口流道；所述入口流道為上大下小的錐孔，其小口徑端通過上圓柱孔連通所述上流道，所述上流道的直徑大於所述入口流道的小口徑處的直徑，也大於所述上圓柱孔的直徑；所述上流道和下流道的直徑一致，上流道和下流道之間的過渡段為下圓柱孔，所述下圓柱孔的直徑小於上流道和下流道的直徑；所述出口流道為圓柱孔，其直徑小於所述上流道和下流道的直徑。
3.根據權利要求2所述的脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於所述上執行機構(3)安裝在所述上流道內並與上流道同軸線，且與上流道的上、下端以及內壁之間均留有間隙； 在所述上流道的下部，殼體(I)的內壁向內突出形成上執行機構閥座(4)，所述上執行機構(3)的下端帶有上提升閥(5)，所述上提升閥(5)與所述上執行機構閥座(4)以及下圓柱孔配合形成閥門；上執行機構(3)的下端、上提升閥(5)與上執行機構閥座(4)三者圍合成所述上閥座空腔； 所述上執行機構(3)通過下端的螺紋與上執行機構閥座(4)連接，固定在上流道內；在所述上執行機構(3)的上部安裝有上執行機構支撐(2)。
4.根據權利要求3所述的脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於所述下執行機構(8)安裝在所述下流道內並與下流道同軸線，且與下流道的上、下端以及內壁之間均留有間隙； 在所述下流道的下部，殼體(I)的內壁向內突出形成下執行機構閥座(9)，所述下執行機構(8)的下端帶有下提升閥(10)，所述下提升閥(10)與所述下執行機構閥座(9)以及出口流道配合形成閥門；下執行機構(8)的下端、下提升閥(10)與下執行機構閥座(9)三者圍合成所述下閥座空腔； 所述下執行機構(8)通過下端的螺紋與下執行機構閥座(9)連接，固定在下流道內；在所述下執行機構(8)的上部安裝有下執行機構支撐(7)。
5.根據權利要求4所述的脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於所述可膨脹封隔器安裝在所述出口流道對應的殼體(I)的外壁上； 所述可膨脹封隔器包括膠筒上支架(13)、膠筒下支架(16)和可膨脹膠筒(15)； 所述膠筒上支架(13)和膠筒下支架(16)均為具有彈性的金屬環，所述可膨脹膠筒(15)的上端澆注在膠筒上支架(13)上，下端澆注在膠筒下支架(16)上； 所述膠筒上支架(13)和膠筒下支架(16)的內部均開有螺紋，通過螺紋連接安裝在殼體⑴的外壁上；所述可膨脹膠筒(15)的內壁與殼體⑴的外壁之間有環形間隙。
6.根據權利要求5所述的脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於在所述上執行機構閥座(4)的兩側分別開有封隔器進液通道(6)和閥座通孔(12);所述封隔器進液通道(6)沿殼體(I)的壁向下一直延伸到所述可膨脹膠筒(15)與殼體(I)之間的環形間隙內，將上閥座空間與環形間隙連通；所述上執行機構閥座(4)將上流道的空間分隔成上下兩段，分別為上流道上段和上流道下段，兩段通過所述閥座通孔(12)連通。
7.根據權利要求6所述的脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於在所述下執行機構閥座(9)的兩側分別開有循環孔(11)和閥座通孔(12);所述循環孔(11)將所述下閥座空間與環空連通； 所述下執行機構閥座(9)將下流道的空間分隔成上下兩段，分別為下流道上段和下流道下段，兩段通過所述閥座通孔(12)連通。
8.根據權利要求7所述的脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於所述循環孔(11)和封隔器進液通道(6)是不連通的。
9.根據權利要求8所述的脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於所述上執行機構(3)和下執行機構(8)均為電動液壓裝置，均包括液壓缸(301)、控制器(302)、安全閥(303)、電機(304)、液壓泵(305)、油箱(306)和電磁閥(307)。
10.根據權利要求9所述的脈衝閥式井下防噴器，其特徵在於所述上提升閥(5)和下提升閥(10)均包括提升閥杆(308)和閥球； 上提升閥(5)直接焊接在上執行機構(3)的液壓缸(301)的下端，下提升閥(10)直接焊接在下執行機構(8)的液壓缸(301)的下端； 所述上提升閥(5)的提升閥杆(308) —端與上執行機構(3)的液壓缸(301)的活塞連接，另一端穿過所述上閥座空腔與閥球連接，所述閥球位於上執行機構閥座(4)下方的上流道下段內； 所述下提升閥(10)的提升閥杆(308) —端與下執行機構(8)的液壓缸(301)的活塞連接，另一端穿過所述下閥座空腔與閥球連接，所述閥球位於下執行機構閥座(9)下方的下流道下段內。
專利摘要本實用新型提供了一種脈衝閥式井下防噴器，屬於石油鑽井領域。本裝置包括殼體(1)以及安裝在殼體(1)的內流道中的傳動總成；在所述殼體(1)下部的外表面上安裝有可膨脹封隔器；所述傳動總成包括上執行機構(3)和下執行機構(8)；所述上執行機構(3)位於在下執行機構(8)上方，所述可膨脹封隔器位於下執行機構(8)的下方。利用本實用新型實現了井下鑽柱內和環空封隔，有效防止了井噴、井湧等異常狀況發生時對工作人員及設備帶來的危害；在隨鑽鑽遇高壓地層時，利用本實用新型即可實施關井作業，從而實現了安全快速的井控作業和鑽井作業。
文檔編號E21B33/126GK202645506SQ201220194759
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月28日 優先權日2012年4月28日
發明者王果, 陶興華, 牛新明, 曾義金, 郭瑞昌, 範宏康, 劉鵬, 白彬珍, 胡彥峰, 劉建華, 張仁龍 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院