CN105569609B - 随钻旁通阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻旁通阀，包括：阀体；动力单元，与阀体连接；与地面的控制器电连接的控制单元，其与动力单元电连接，用于接收地面的控制信号并控制动力单元的动作；和执行单元，其设在阀体内，与动力单元连接，实现旁通阀的开启和关闭。该随钻旁通阀操作更简便、易损件少、可开关次数更多。

Description

随钻旁通阀

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，具体涉及一种随钻旁通阀。

背景技术

在进行石油、天然气、页岩气及煤层气的钻探过程中，经常会遇到井漏、井溢、水眼封堵等复杂情况。发生井漏时，由于钻头喷嘴尺寸小，堵漏材料无法通过或容易造成水眼封堵，需要起下钻更换钻具组合进行堵漏作业，从而造成泥浆损失大，钻井周期延长等问题。在高密度钻井液环境下，水眼容易封堵，此时如果进行压井作业，需起下钻更换钻具，容易造成井溢、井涌等情况的发生。在处理这些复杂情况时，需要建立快速循环通道，而在建立新的循环时，往往需要频繁起下钻更换钻具组合，这会导致处理复杂情况耗时长，并给井下安全带来隐患。

为了及时有效的处理井下的复杂情况，目前国内外采用的是钻具旁通阀。钻具旁通阀能在发生井漏时，建立新的循环通道。

国内专利200720090026.5中公布一种井下可控式钻具旁通阀，它的主要特点是：第一次投球时在旁通阀内部产生憋压，在流体的压力作用下推动活塞移动，打开旁通孔并压缩弹簧，从而建立新的循环；结束循环时关泵，弹簧弹力推动活塞复位，旁通孔关闭，第二次投球开泵憋压，在流体压力作用下第二个球推挤第一个球穿过球座，钻具内部流道被重新打开。

国内专利200420061962.x中公布了一种旁通阀通过阀芯的节流作用产生的压差或者投球后密封，推动阀芯向下运动剪切销钉，打开旁通孔，而阀芯进入下部的空仓中。国外专利6095249中公布了一种压力控制弹簧式可开关钻具旁通阀。它的主要特点：当需要开启旁通阀时，增加泵的排量，当钻具内流速达到一定值时，活塞在流体推动向下运动，旁通孔开启，当需要关闭旁通阀时减少泵的排量，活塞在弹簧力的作用下复位，旁通孔关闭。

国外专利2010/0155081A1中公布了一种键槽弹簧式可开关钻具旁通阀。它的主要特点：滑套与键槽相连接，键槽上布置有两个位置，当定位销位于第一个位置时旁通孔与环空关闭，当定位销位于第二位置时旁通孔与环空开启，通过增加流体动压的方式使滑套在键槽上进行换位，通过布置弹簧的方式方便其进行连续换位。

以上现有的钻具旁通阀存在的共同的缺点是：均通过机械或液压的方式，例如通过投球或者控制泵压的方式，来开启或关闭旁通阀。操作相对麻烦，而且由于易损件多，导致可开关的次数相对比较少，使用寿命较短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种操作更简便、易损件少、可开关次数更多的随钻旁通阀。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的随钻旁通阀，包括：

阀体；

动力单元，与阀体连接；

与地面的控制器电连接的控制单元，其与动力单元电连接，用于接收地面的控制信号并控制动力单元的动作；和

执行单元，其设在阀体内，与动力单元连接，实现旁通阀的开启和关闭。

与现有技术相比，本发明的随钻旁通阀具有以下有益效果。在本发明中，通过动力单元带动执行单元动作来实现旁通阀的开启和关闭。无需投球，不影响正常钻进，因此可根据实际情况及时调整旁通阀的状态。由于不需要通过投球或控制泵压等方式来实现旁通阀的开启和关闭，因此，易损件相对比较少。另外，通过电动的方式进行控制，操作更简便，而且旁通阀的可开关次数远高于机械或液压式的旁通阀。此外，本发明的随钻旁通阀可以用于提高堵漏、压井和井底携岩作业效率等方面，应用范围广，适用性强，可靠性高，可实现减少起下钻次数，节约钻井成本，降低井下事故的发生，从而保障钻井作业安全进行。

在一个实施例中，所述执行机构包括推杆组件和滑块，所述推杆组件与动力单元的末端固定连接，所述滑块与阀体的内壁滑动连接；在所述阀体上设有旁通孔，在所述推杆组件的作用下所述滑块可开启或关闭所述旁通孔从而实现旁通阀的开启或关闭。通过推杆组件和滑块的配合作用来实现旁通阀的开启和关闭。尤其是，推杆可带动滑块复位，从而可简化结构，避免采用易损件，例如弹簧等。

在一个实施例中，所述推杆组件包括连接杆以及与连接杆连接的密封块和带动块，所述带动块设在密封块的下方且位于所述滑块内，在推杆组件向上运动时所述带动块带动所述滑块向上运动复位并允许流体从中流向钻头。通过密封块实现滑块的封堵，从而使得流体只能从旁通孔流出。通过带动块可在推杆组件向上运动时带动滑块一起向上运动复位。这种结构相对比较简单，易损部件少，工作更可靠。

在一个实施例中，在推杆组件向下运动时，所述密封块密封滑块的内通道并推动滑块向下运动离开所述旁通孔从而开启旁通阀。推杆组件通过密封块作用在滑块上从而推动滑块向下运动打开旁通孔。因此，仅需要控制推杆组件的运动就能控制旁通阀，控制和操作均比较简单。另外，由于密封块和滑块结构简单，不容易损坏，在一定程度上也有助于实现旁通阀的开启和关闭次数的提高。

在一个实施例中，所述滑块的中部设有内通道，所述内通道的上端设有锥形口，所述密封块与锥形口配合实现对滑块的内通道的密封。在一个优选的实施例中，所述锥形口与滑块的轴线形成的夹角为30°～45°。锥形口与带锥面的密封块配合，密封效果较好。另外，优选的锥形口与滑块的轴线形成的夹角为30°～45°，这样的角度能使推杆组件的作用力能较好地传递给滑块，从而能有效地、方便地推动滑块向下运动。

在一个实施例中，所述滑块的内通道由阶梯孔构成，所述阶梯孔的下端直径大于上端的直径从而在连接处形成台肩；所述带动块位于所述阶梯孔的大端内，在推杆组件向上运动时，所述带动块抵在阶梯孔的台肩上从而带动所述滑块向上运动复位。推杆组件向下运动时，下方的带动块顺着阶梯孔的大端向下运动，当密封块压到滑块后，推杆组件跟随滑块同步向下运动直至下限位。推杆组件向上运动时，带动块先是相对阶梯孔向上运动至抵接在阶梯孔的台肩处；推杆组件继续向上运动，在带动块的带动作用下滑块运动到上限位。

在一个实施例中，所述带动块为带有至少两个连接棱条的结构，所述滑块内设有与所述连接棱条配合的滑动槽，在所述旁通阀开启时，所述带动块不仅能支撑所述滑块而且允许流体从滑块的内通道流向钻头。这种结构不仅能带动滑块复位，而且在钻头正常钻进时，不会影响钻头的正常作业。

在一个实施例中，所述滑块的上端和下端分别设有上限位块和下限位块，所述上限位块和下限位块均与阀体的内壁固定连接从而限定所述滑块的运动行程，且上限位块和下限位块的中部均设有通孔。上、下限定块除了起到对滑块限位的作用以外，还起到分担作用于滑块上端面的流体冲击力的作用，从而减少该冲击力通过滑块传递到带动块上的作用力，提高推杆组件的可靠性和使用寿命。

在一个实施例中，所述动力单元包括电池筒组件、电机和传动组件，所述电池筒组件与电机连接，所述电机与传动组件连接，所述传动组件连接执行单元。通过电池筒组件来驱动电机转动，然后通过传动组件将电机的转动转换成直线运动。从而实现驱动推杆组件上下往复运动。

在一个优选的实施例中，所述电池筒组件包括电池和电池筒，所述电池设在电池筒内，所述电池筒的上端经扶正块与阀体连接，所述电池筒的下端连接到阀体内的悬挂块上。这种结构有利于保证工作时推杆组件不发生倾斜，从而保证本发明的随钻旁通阀能可靠地工作。

附图说明

图1所示是本发明的随钻旁通阀的一种具体实施例。

图2所示是图1中的随钻旁通阀处于工作状态时的结构示意图。

图3所示是图1的随钻旁通阀中的扶正块和/或悬挂块的一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的随钻旁通阀的一种具体实施例。在该实施例中，该随钻旁通阀主要包括阀体1、控制单元、动力单元和执行单元这四部分。其中，阀体1为圆柱体状，其上端和下端均带有与连接钻具的螺纹，其中部为通孔。另外，控制单元、动力单元和执行单元均安装在阀体1内。

在一个实施例中，动力单元主要包括电池4、电池筒3、电动机9和传动组件10。其中，传动组件10丝杠传动机构。电池4密封于电池筒3内，电池筒3上端带有扶正块2，下端通过螺纹或焊接等方式将其固定于悬挂块6内。扶正块2和/或悬挂块6的断面形状如图3所示，悬挂块6通过螺栓21固定于阀体1的内壁上。说明的是，扶正块2和悬挂块6既可以采用如图3所示的相同的结构。扶正块2和悬挂块6也可以采用不同的结构，例如悬挂块6采用如图3所示的结构，而扶正块2采用其它的结构。可以看到，扶正块2和悬挂块6均设有用于连接的支撑脚，从而通过支撑脚来实现与阀体1的内壁的连接。另外，由于支撑脚之间存在很大的间隙或空间，因此，流体以较小的阻碍或无阻碍从扶正块2和悬挂块6中流过。

在一个实施例中，执行单元主要包括推杆组件11和滑块15。推杆组件11由丝杠传动机构10驱动。丝杠传动机构10与电动机9连接，将电动机9的转动转变为丝杆的直线运动从而驱动推杆组件11做上下直线运动。

在一个实施例中，阀体1上设有旁通孔18。在初始位置时，滑块15位于阀体1内对应旁通孔18的位置从而封堵旁通孔18。

在一个实施例中，控制单元8主要包括信号接收器、电机控制器和过载保护器。其中，信号接收器用于接收地面的传输的控制信号。电机控制器控制电动机9的转速、圈数等参数。过载保护器防止电流、电压等过大情况下造成电动机9的损坏。

在一个实施例中，电池4通过插头5为控制单元8以及电动机9供电。控制单元8、电动机9都封装于保护外筒7内。保护外筒7固定在悬挂块6上。保护外筒7带有呼吸孔20，用于维持保护外筒7的内外压强一致。

在一个实施例中，丝杠传动机构10主要包括减速齿轮箱、丝杠螺母副，可将电动机9的旋转运动转化为直线运动，驱动推杆组件11做往复直线运动。

在一个实施例中，推杆组件11主要包括连接杆、密封块12和带动块13。连接杆为从上向下的一根，密封块12和带动块13垂直于连接杆设置，且密封块12位于带动块13的上方。另外，密封块12主要用于与滑块15上端面的锥形口配合，从而密封住滑块15中的内通道。

在一个优选的实施例中，带动块13主要包括有多根棱条或伸出块，棱条或伸出块可以在滑块15的阶梯孔的大端17内相对滑动。这样的结构，在推杆组件11向上运动时，既能较好地带动滑块15向上运动，而且在正常钻进过程中，允许流体从滑块15的内通道流向钻头。

在一个实施例中，滑块15的上端和下端分别设有上限位块14和下限位块19。容易理解的是，为了更好地限定滑块15的运动行程，上限位块14和下限位块19均与阀体1的内壁固定连接。相应地，上限位块14和下限位块19分设在旁通孔18的两侧。

在一个优选的实施例中，上限位块14为带有中心孔的圆柱体，其位于滑块15的上端，并通过螺栓或其他方式固定于阀体1的内壁上。上限位块14的主要作用是减少钻井液对滑块15的冲击作用，从而减少流体作用于滑块15的上端面的作用力，防止正常钻进时旁通孔18被打开的情况发生。

在一个优选的实施例中，下限位块19也为带有中心孔的圆柱体。其位于滑块15的下端，在滑块15向下运动时限定其下限位置。并在旁通阀开启期间，对滑块15起到支撑作用。优选地，下限位块19的中心孔的直径比滑块15的外径小而比带动块13的直径大。

在一个实施例中，滑块15整体为中部带有内通道或通孔的圆柱体，其上带有密封圈16以用于密封旁通孔18的上、下两端，从而防止旁通阀关闭时，流体从旁通孔18漏出。另外，滑块15的上端面上设有锥形口，该锥形口可与带锥面的密封块12配合从而形成良好的密封。滑块15的阶梯孔的大端17的内表面带有N条矩形或圆形的滑槽以适应带动块13的棱条或伸出块的运动。当推杆组件11向上运动时，带动块13抵接在阶梯孔的台肩上从而带动滑块15向上运动。

在一个实施例中，在正常钻进时，钻井液通过电池筒3、保护外筒7与阀体1之间的间隙，经滑块15的内通道，最终流入钻头。此时，滑块15在带动块13的作用下，使旁通孔18处于关闭状态，如图1所示。

在本发明的一个实施例中，当遇到复杂情况时，通过地面开停泵形成的脉冲信号或电磁波信号或RFID(Radio Frequency Identification，电子标签或无线射频识别技术)等方式将指令传输到井下，井下信号接收装置接收到指令后控制电动机9正向旋转，通过齿轮箱进行减速后带动丝杠螺母副运动，使推杆组件11向下运动。推杆组件11带动着密封块12和带动块13同时向下运动，运动至滑块15的上端面时与其斜向端面接触并密封。继续推动滑块15向下运动直至完全打开旁通孔18，控制单元控制电动机9停止转动，保持滑块15的位置不动，如图2示出了该随钻旁通阀处于开启状态(即工作状态)时的结构示意图。此时，进行堵漏、压井、循环等相关作业，流体不通过钻头，而通过旁通孔15。作业完成后，地面将指令传至井下，控制电动机9反向旋转，推杆组件11向上运动，带动块13带动滑块15恢复至起始位置，从而关闭旁通孔18，如图1示出了该随钻旁通阀处于关闭状态(非工作状态)时的结构示意图。

本发明的随钻旁通阀，适宜安装在涡轮、螺杆、LWD、MWD取芯筒中的任意一种钻具之上。在正常钻进情况下，该旁通阀相当于钻杆。如需进行堵漏、压井等作业时，通过地面控制信号传至井下接收装置，控制电动机9的运行，从而带动执行单元快速打开该随钻旁通阀，封闭原流通通道，建立新的循环。当作业结束后，再通过控制电动机9运行，使执行单元恢复至起始位置，继续正常钻井。该旁通阀不影响钻头的正常钻进，而且可以根据需要反复打开和关闭，满足现场作业需求。

由于现有的投球式旁通阀的可开关次数少，球和球座对正常钻进有影响等，本发明的随钻旁通阀克服了现有投球式旁通阀的这些不足。另外本发明的随钻旁通阀在工作时的可靠性以及适用性等方面有了极大的提高。

总的来说，本发明的随钻旁通阀具有如下特点：在本发明中，不需要通过投球的方式来开启和关闭旁通阀，而是通过机电一体化技术来实现旁通阀的打开和关闭，操作更简便，可靠性更高。而且，也避免了投球式这种机械手段的方式带来的可开关次数较少的问题，能有效地提高旁通阀的可开关次数。另外，在正常钻进时，该旁通阀不会影响正常的钻井作业。当遇到需要堵漏、压井或携岩等特殊工况时，能快速开启，从而满足堵漏、压井、携岩等多种井下作业的应用要求。此外，在井下作业时，堵漏浆、压井液等材料不通过钻头的水眼，降低了水眼封堵的几率。本发明的随钻旁通阀结构紧凑，应用便捷，可靠性和适用性强。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种随钻旁通阀，包括：

阀体；

动力单元，与阀体连接；

与地面的控制器电连接的控制单元，其与动力单元电连接，用于接收地面的控制信号并控制动力单元的动作；和

执行单元，其设在阀体内，与动力单元连接，实现旁通阀的开启和关闭；

所述执行单元包括推杆组件和滑块，

所述滑块的中部设有内通道，密封块能够开启或关闭滑块的内通道；

所述推杆组件包括连接杆以及与连接杆连接的密封块和带动块，所述带动块设在密封块的下方且位于所述滑块内，在推杆组件向上运动时所述带动块带动所述滑块向上运动复位并允许流体从中流向钻头；

所述带动块为带有至少两个连接棱条的结构，所述滑块内设有与所述连接棱条配合的滑动槽，在所述旁通阀开启时，所述带动块不仅能支撑所述滑块而且允许流体从滑块的内通道流向钻头。

2.根据权利要求1所述的旁通阀，其特征在于，所述推杆组件与动力单元的末端固定连接，所述滑块与阀体的内壁滑动连接；在所述阀体上设有旁通孔，在所述推杆组件的作用下所述滑块能开启或关闭所述旁通孔从而实现旁通阀的开启或关闭。

3.根据权利要求2所述的旁通阀，其特征在于，在推杆组件向下运动时，所述密封块密封滑块的内通道并推动滑块向下运动离开所述旁通孔从而开启旁通阀。

4.根据权利要求3所述的旁通阀，其特征在于，所述滑块的中部设有内通道，所述内通道的上端设有锥形口，所述密封块与锥形口配合实现对滑块的内通道的密封。

5.根据权利要求4所述的旁通阀，其特征在于，所述滑块的内通道由阶梯孔构成，所述阶梯孔的下端直径大于上端的直径从而在连接处形成台肩；所述带动块位于所述阶梯孔的大端内，在推杆组件向上运动时，所述带动块抵在阶梯孔的台肩上从而带动所述滑块向上运动复位。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的旁通阀，其特征在于，所述滑块的上端和下端分别设有上限位块和下限位块，所述上限位块和下限位块均与阀体的内壁固定连接从而限定所述滑块的运动行程，且上限位块和下限位块的中部均设有通孔。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的旁通阀，其特征在于，所述动力单元包括电池筒组件、电机和传动组件，所述电池筒组件与电机连接，所述电机与传动组件连接，所述传动组件连接执行单元。

8.根据权利要求7所述的旁通阀，其特征在于，所述电池筒组件包括电池和电池筒，所述电池设在电池筒内，所述电池筒的上端经扶正块与阀体连接，所述电池筒的下端连接到阀体内的悬挂块上。