CN101812981B - 一种机械式井下内外一体防喷器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械式井下内外一体防喷器，属于井控装备。该防喷器主要由箭型止回阀和外环空封隔器两部分组成，箭型止回阀利用阀芯的单向导通原理实现钻杆内环空防喷，外环空封隔器主要包括胶筒、座封剪钉、解封剪钉以及锁紧部件等组成，在发生溢流或井涌时，座封剪钉被剪断，上外套在上部钻杆重力作用下向下压缩胶筒变形实现密封，同时开设在内套筒以及上外套上的钻井液循环流道口导通实现钻井液循环。本发明采用纯机械式的工作原理，结构简单、可靠易实现，能够实现对井下钻杆内外环空的密封而起到防喷的作用，提高了发生井下事故时的处理率，降低了井控风险。

Description

一种机械式井下内外一体防喷器

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发过程中封隔井下钻杆内外环空的一种井下内外一体防喷工具，具体而言是一种井控装备。

背景技术

在石油天然气勘探开发中，若没有可靠的防喷系统，地层流体(油、气、水)一旦失去控制，就会导致井喷失控。无论是钻柱内井喷，还是钻柱外井喷，都有可能造成钻井设备损坏，危及钻井人员安全、破坏油气资源、污染自然环境、导致油气井报废等严重后果。目前，为了实现钻柱内防喷要在钻柱上连接一个内防喷工具，比较广泛应用的内防喷工具包括旋塞阀、浮阀、投入式止回阀、箭型止回阀等，其工作原理均是利用阀芯单向导通功能实现防喷。为了实现钻具外环空的防喷则需要通过井口防喷器组实现，井口防喷器组所组合的防喷器包括单闸板防喷器、双闸板防喷器、环形防喷器以及旋转防喷器等。

在实际钻井过程中，为了避免井喷、井涌过程的发生，井控工作采取早发现、早处理的指导原则，而面对复杂的地下情况时，时常出现井下已发生井涌、井喷而远在几千米上的井口防喷器组工作出现明显的滞后，增加了井控工作的风险性。井下防喷器作为一个重要的研究方向，前人已做过许多工作，美国专利US4,367,794介绍了一种声控井下防喷器、美国专利US3,941,190介绍了一种投入器具诱发式井下防喷器。上述介绍的井下防喷器由于面对井下恶劣条件下需要配置可靠的声控系统或者需要在严重井喷时投入诱发器具而在实际应用过程中不具备可行性。

发明内容

鉴于上述已有技术存在的缺点和不足之处，本发明提供一种井下内外一体防喷器，该防喷器的主要目的是在正常钻进过程中为钻井液的循环提供一通道，在发生井涌、井喷时通过相应的机械装置密封钻杆内环空和钻杆外环空以达到密封高压流体与上部液柱之间的目的，同时在实现钻杆内外密封时，为上部钻杆内外钻井液的循环提供通道以实施压井，达到钻井液液柱静压力与地层流体压力之间的平衡。

为了实现本发明的目的，设计了一种纯机械式的井下内外一体防喷器，它包括箭型止回阀和外环空封隔器两大部分，箭型止回阀包括止回阀阀体、接头体、阀芯弹簧、阀芯、阀座以及阀座螺母，接头体安装在止回阀阀体台阶上，阀芯安装在阀座上，阀芯弹簧环绕着阀芯并紧贴接头体，同时阀座由阀座螺母固定。外环空封隔器包括下接头、解封剪钉、解封剪钉套、卡爪部件、卡爪套、下外套、胶筒座、外套筒、胶筒、内套筒、上外套、座封剪钉、座封剪钉套以及上接头。上外套和内套筒上分别开有钻井液循环流道口，机械式井下内外一体防喷器在井下的工况有正常钻进、座封循环压井和解封三种。

正常钻进时，机械式井下内外一体防喷器安装在井下，它需要为下部钻杆传递动力扭矩，传递扭矩的部件包括上接头、上外套、内套筒、下接头以及止回阀阀体。其中内套筒与上外套之间的连接采用销连接，销需要传递较大的力矩以及承受井底钻压，同时在座封过程中还需要将其剪断以实施防喷器的座封。流动的钻井液通过内套筒以及下接头克服阀芯的弹簧力推动阀芯向下移动离开阀座，箭型止回阀开启，钻柱内通道畅通，当钻井液正循环停止或发生溢流、井涌时，在弹簧力和井下内压力的作用下箭型止回阀阀芯上窜回位紧贴阀座，箭型止回阀关闭，封闭钻具内通道。

座封时，增加钻压，当钻压达到一定值时，座封剪钉被剪断，上部钻柱通过自身重力作用压缩胶筒，使胶筒膨胀并与套管接触产生密封，实现钻杆外环空的防喷。在座封的过程中，外套筒下移，推动卡爪套上的环形牙与卡爪部件上的锁簧咬合，当座封过程完成时，内套筒和上外套上的钻井液流道口重合，钻井液循环通道导通，开始实施后续压井工作。解封时，上提钻柱，解封剪钉被剪断，卡爪部件松动，胶筒在自身回弹力的作用下不再紧贴套管，机械式井下内外一体防喷器实现解封，在上提钻柱解封的过程中，上外套向上移动，在移动到一定距离后，上外套内部的台阶与内套筒上凸起的台阶接触并悬挂下部钻具的重量。凸台与凸台之间的接触设计，使其受力平衡均匀，并能悬挂较大重量的钻具。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的特点：(1)采用了纯机械式的工作原理，结构简单、可靠易实现；(2)具备了在井下对钻杆内外环空实现密封，达到防喷的功能。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明座封时防喷器上部结构示意图。

图3为本发明解封上提钻柱时防喷器上部结构示意图。

图中，1、止回阀阀体；2、接头体；3、阀芯弹簧；4、阀芯；5、阀座；6、阀座螺母；7、下接头；8、解封剪钉；9、锁簧座；10、锁指套；11、锁簧；12、锁指扣；13、卡爪套；14、下外套；15、胶筒座；16、外套筒；17、胶筒；18、上外套；19、座封剪钉；20、内套筒；21、上接头；22、座封剪钉套；23、解封剪钉套。

具体实施方式

如图1所示，机械式井下内外一体防喷器包括箭型止回阀和外环空封隔器两部分，箭型止回阀与外环空封隔器通过下接头7之间的螺纹实现连接。箭型止回阀包括止回阀阀体1、接头体2、阀芯弹簧3、阀芯4、阀座5以及阀座螺母6，接头体2安装在止回阀阀体1内的台阶上，其上部开设有若干流道口，在加厚台阶处其周向开有若干均布流道口。接头体2支撑阀芯弹簧3压缩阀芯4紧贴阀座5，阀座5安装在止回阀阀体1内的台阶上，通过阀座螺母6压紧阀座，阀座螺母通过螺纹与止回阀阀体1连接固定。外环空封隔器包括下接头7、解封剪钉8、卡爪部件、卡爪套13、下外套14、胶筒座15、外套筒16、胶筒17、上外套18、座封剪钉19、内套筒20、上接头21、座封剪钉套22、解封剪钉套23。卡爪部件包括锁簧座9、锁指套10、锁簧11以及锁指扣12，锁指套10通过螺纹与锁簧座9连接并通过下部台阶使其限位，锁指套10上开有环形槽，在径向开有方形的孔以便锁指扣12进入，锁簧11为一开口环，锁簧11的外部开有单向锁止的锁止牙，通过与卡爪套13上与之匹配的锁止牙相接触即达到锁紧的目的，卡爪部件安装在内套筒20与下外套14形成的环形空间内并被下接头7向上顶住。

下接头7上开有解封剪钉孔，通过解封剪钉8与外部的外套筒14连接，通过螺纹与内部的内套筒20连接。下外套14上开出4个均布座封剪钉孔，解封剪钉8外部装有解封剪钉保护套23并通过过盈配合装入解封剪钉孔内，在内套筒20与下外套14所形成的环形空间中安装有卡爪部件及卡爪套13，在卡爪套13上部安装有胶筒座15，并通过螺纹与外套筒16连接，胶筒座15上部安装胶筒17，上外套18通过螺纹与上接头21、外套筒16连接，通过座封剪钉19与内套筒20连接，上外套18上开出4～8个均布的座封剪钉孔，座封剪钉19外部装有座封剪钉保护套22并通过过盈配合装入座封剪钉孔内，上外套18下部与胶筒17接触使其固定。外套筒16下端与卡爪套13连接，在座封过程中，外套筒16推动卡爪套13向下移动并与卡爪部件上的锁止牙相咬合达到座封锁紧的目的。胶筒17的外径小于防喷器外径，其下端固定在胶筒座15上，胶筒座15设计为一向内凹的台阶以保护胶筒17受钻井液过度冲刷磨损而失效，胶筒座15通过螺纹与下外套14连接。

具体操作如下：在正常钻进过程中，机械式井下内外一体防喷器安装在井下，通过上接头21、上外套18、内套筒20、下接头7以及止回阀阀体1传递扭矩实现钻进，钻井液通过上部钻杆内环空流经防喷器内部，流动的钻井液克服阀芯4上阀芯弹簧3的作用力推动阀芯4向下移动离开阀座5，箭型止回阀开启，钻柱内通道畅通实现钻井液循环，此时开设在内套筒20以及上外套18上的钻井液循环孔由于错位而未能导通。在出现溢流、井涌时，增大钻压，使座封剪钉19被剪断，在上部钻柱自身重力作用下，上外套18开始下移，上外套18与胶筒17接触并压缩胶筒17变形膨胀，同时在胶筒17变形过程中，上外套18推动外套筒16向下移动，外套筒16与卡爪套13连接，致使卡爪套13下移，卡爪套13内部的锁止牙与锁紧部件锁簧11上的锁紧牙逐级咬合，在胶筒17变形到完全密封住钻杆外环空后，座封过程完成。座封过程完成时，防喷器下部钻柱内外环空被密封，同时，内套筒20与上外套18上的钻井液循环流道口重合，上部钻杆钻井液循环流道导通，参见图2。

在成功实现压井工作后解封时，上提钻杆，上接头21带动上外套18上移，致使上外套18上提外套筒16，外套筒16通过螺纹与卡爪套13连接，卡爪套13向上推动连接有下外套14的胶筒座15，下外套14与下接头7之间产生一相对滑动趋势，在上提力达到一定值时，连接下接头7与下外套15之间的解封剪钉8被剪断，锁紧部件松动，锁簧11弹开，其与卡爪套13之间咬合的锁紧牙分离，胶筒17在自身回弹力作用下不在紧贴井壁，钻杆外环空实现解封。钻杆内环空由于钻井液足够克服阀芯4上下压差对阀芯的作用力而导通，实现钻杆内环空的解封。在完成解封后继续上提钻柱，上外套18继续上移，其台阶与内套筒20上的台阶接触并开始悬挂下部钻柱重量，直至提出井口，参见图3。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种机械式井下内外一体防喷器，包括箭型止回阀和外环空封隔器两部分，其特征在于：箭型止回阀通过下接头(7)安装在外环空封隔器下部，所述的箭型止回阀包括止回阀阀体(1)、接头体(2)、阀芯弹簧(3)、阀芯(4)、阀座(5)以及阀座螺母(6)，接头体(2)安装在止回阀阀体(1)内的台阶上，并支撑阀芯弹簧(3)压缩阀芯(4)紧贴阀座(5)，阀座(5)安装在止回阀阀体(1)内的台阶上，阀座螺母(6)通过螺纹旋入止回阀阀体(1)内并压缩阀座(5)使其固定在止回阀阀体(1)内。

2.根据权利要求1所述的防喷器，其特征在于：外环空封隔器包括下接头(7)、解封剪钉(8)、卡爪部件、卡爪套(13)、下外套(14)、胶筒座(15)、外套筒(16)、胶筒(17)、上外套(18)、座封剪钉(19)、内套筒(20)、上接头(21)、座封剪钉保护套(22)以及解封剪钉保护套(23)，下接头(7)通过螺纹与内套筒(20)连接，通过解封剪钉(8)与下外套(14)连接，下外套(14)上开出4个均布座封剪钉孔，解封剪钉(8)外部装有解封剪钉保护套(23)并通过过盈配合装入解封剪钉孔内，在内套筒(20)与下外套(14)所形成的环形空间中安装有卡爪部件及卡爪套(13)，在卡爪套(13)上部安装有胶筒座(15)，并通过螺纹与外套筒(16)连接，胶筒座(15)上部安装胶筒(17)，上外套(18)通过螺纹与上接头(21)、外套筒(16)连接，通过座封剪钉(19)与内套筒(20)连接，上外套(18)上开出4～8个均布的座封剪钉孔，座封剪钉(19)外部装有座封剪钉保护套(22)并通过过盈配合装入座封剪钉孔内，上外套(18)下部与胶筒(17)接触使其固定。

3.根据权利要求2所述的防喷器，其特征在于：卡爪部件包括锁簧座(9)、锁指套(10)、锁簧(11)以及锁指扣(12)，锁指套(10)通过螺纹与锁簧座(9)连接并通过下部台阶使其限位，锁指套(10)内部安装锁指扣(12)，在锁指扣(12)与锁指套(10)之间的凹陷环内装有锁簧(11)，锁簧(11)为一开口环，其外部设有单向锁止的锁止牙，胶筒座(15)与上外套(18)内部均开出一向内凹的台阶，内套筒(20)上部设有向外凸起的台阶，同时在内套筒(20)，上外套(18)上开有4～8个钻井液流道口。

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