CN109162663B - 一种圆锥阀式自动井下防喷器装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种圆锥阀式自动井下防喷器装置及使用方法。本装置包括上部钻杆套管，内管，钻井液流入孔，环形活塞，环形活塞杆，钻井液流出孔，导向环固定杆，矩形导向环，矩形截面导向杆，丝杠，胶筒，电机固定杆，直线电机系统，胶筒定位环，圆锥形阀芯，下部钻杆套管，钻杆，井筒。该防喷器由随钻压力传感器控制，通信采用钻杆传递的声波脉冲信号，直线电机系统的内部安装信号接收器。当钻头钻探到高压层时，压力传感器探测到高压同时向直线电机系统发送脉冲信号，收到信号后启动直线电机，带动连接着圆锥形阀芯的丝杠上升，关闭内管中钻井液的出口。之后钻井液进入活塞缸内推动活塞下行，挤压胶筒使之膨胀，从而关闭井筒内的环形空间。

Description

一种圆锥阀式自动井下防喷器装置及使用方法
技术领域
本发明涉及井控设备和油气开采技术领域，是一种圆锥阀式自动井下防喷器装置。
背景技术
防喷器是井控设备中的核心设备，在钻井作业中，一旦发生滋流、井涌、井喷等紧急情况，防喷器应迅速启动关井。防喷器是保证钻井作业顺利进行和人身安全的关键设备之一。
例如专利号为US4712613A的美国专利提出了旋塞阀井下防喷器，它的主要特点是用泥浆脉冲传递控制信号、用电磁阀控制流道开启与关闭、钻井液作为动力源、旋塞阀封隔钻柱、可膨胀封隔器封隔环空。它的缺点是解封后旋塞阀不能打开，不能建立正常循环。专利号为US4367794A的美国专利提出了插板阀井下防喷器，它的主要特点是钻杆声波传递控制信号、电动螺旋机构作为动力源、插板封隔钻柱、可膨胀封隔器封隔环空。它的缺点是封隔位置之上无循环通道、插板阀不能承受高压。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种安全可靠、操作简单、可在封隔位置之上建立循环通道，阀门可以承受高压的并且解封后能建立正常循环的一种自动井下防喷器。
一种圆锥阀式自动井下防喷器装置及使用方法，其特征在于：包括上部钻杆套管(1)，内管(2)，钻井液流入孔(3)，环形活塞(4)，环形活塞杆(5)，钻井液流出孔(6)，导向环固定杆(7)，矩形导向环(8)，矩形导向杆(9)，丝杠(10)，胶筒(11)，电机固定杆(12)，直线电机系统(13)，胶筒定位环(14)，圆锥形阀芯(15)，下部钻杆套管(16)，钻杆(17)，井筒(18)。该装置安装在钻杆(17)上，利用上部钻杆套管(1)和下部钻杆套管(16)与钻杆(17)相连接，中间有内管(2)，钻井液可以通过内管(2)流过。该装置的位置处于井筒(18)内下部井段，有随钻压力传感器控制，用以在第一时间将高压溢流体控制在井筒(18)内下部井段。压力传感器检测到高压信号立即发送声波脉冲信号，由钻杆(17)传递给直线电机系统(13)，系统内装有接收器和控制器，收到信号后立马启动直线电机，带动丝杠(10)以及它连接的圆锥形阀芯(15)上升，将内管(2)的出口关闭，钻井液和高压溢流体都无法通过。此时的钻井液经钻井液流入孔(3)进入活塞缸，推动环形活塞(4)下行挤压胶筒(11)，从而膨胀的胶筒(11)关闭井筒(18)内的环形空间，实现井下自动防喷。
所述的直线电机系统(13)内包括，直线电机、声波信号接收器和控制器3个部分，由电池供电，随钻压力传感器控制。
所述的上部钻杆套管(1)和内管(2)加工时要保证较高的同轴度，用以构成结构良好的环形活塞缸。
所述的钻井液流入孔(3)在内管(2)上合适高度处等间距间隔90°打孔，一周共有四个。钻井液流出孔(6)在上部钻杆套管(1)上合适高度处等间距间隔90°打孔，一周共有四个。
所述的环形活塞(4)、环形活塞杆(5)与环形活塞要保证紧密的配合。
所述的胶筒(11)采用稳定性、耐高温性、耐老化能力优良的氟橡胶。挤压膨胀过后，可以与井筒(18)形成紧密的过盈配合封隔高压溢流体。
所述的圆锥形阀芯(15)，大端面朝向高压溢流体的方向布置，当高压溢流体达到圆锥阀时，其收缩的锥形结构有利于承受高压溢流体的冲击。
所述的圆锥形阀芯(15)表面套有锥形胶筒，使得阀门关闭时可以保证紧密的密封。
本发明的具体组装操作步骤如下：
S1、安装矩形导向环(8)：在矩形导向环(8)焊接导向环固定杆(7)，然后将它们组合的整体焊接固定在内管(2)的相应位置处。
S2、安装直线电机系统(13)：在直线电机系统(13)上安装电机固定杆(12)，然后将其焊接到内管(2)相应位置处。
S3、安装上部钻杆套管(1)：将上部钻杆套管(1)安装在内管(2)的上端，形成环形液压缸。然后将环形活塞(4)与环形活塞杆(5)相连接成为一个整体，最后将此整体放入由上部钻杆套管(1)与内管(2)形成的环形空间内，构成环形液压缸和环形活塞(4)的配合。
S4、安装胶筒(11)：将胶筒(11)套在内管(2)相应位置处，并在内管上安装胶筒定位环(14)，使胶筒定位环(14)和环形活塞杆(5)形成对胶筒(11)的挤压。
S5、安装下部钻杆套管(16)：将下部钻杆套管(16)安装在装置的相应位置处。
S6、安装矩形导向杆(9)、丝杠(10)和圆锥形阀芯(15)：将圆锥形阀芯(15)安装在丝杠(10)的下端，然后将丝杠(10)旋转穿过直线电机系统(13)。将矩形导向杆(9)穿过矩形导向环(8)，然后将其于丝杠(10)上端的矩形槽胶接配合，使之限制丝杠(10)的转动。本发明的具体安装操作步骤如下：
S1、安装井下防喷器：将井下防喷器的整个装置安装在钻杆(17)上，防喷器的两端分别由上部钻杆套管(1)和下部钻杆套管(16)与钻杆(17)相连。井下防喷器要安装在适当位置，使之工作时正好处于井筒(18)内下部井段。
S2、运转测试：发送脉冲指令，检测直线电机体统(13)以及压力传感器的通讯，同时测试井下防喷器装置的运转。
本发明具有以下优点：
1、本发明的装置安装在井筒内下部井段，反应迅速，可以在井喷发生的第一时间将高压溢流体控制在井筒内下部井段。
2、本发明中的直线电机由压力传感器直接控制，自动化程度高，不需要人为的干预，反应迅速。
3、本发明中的信号通讯采用声波脉冲信号，信号沿着钻杆传递，速度快稳定性高。
4、本发明中的上部钻杆套和内管都开有钻井液流通的小孔，可以在实现封隔后，在胶筒上方的环形空间内建立新的钻井液循环。
5、本发明中内管末端的阀门采用锥形设计，其锥形阀芯的大端面朝向高压溢流体，锥形阀门独有的收缩形结构使的阀门可以抵抗很高压力的冲击。
6、本发明解封方便，实现压力平衡后发送信号将阀门打开即可实现自动解封。
附图说明
图1为装置示意图；
图2为防喷器关闭示意图；
图3为锥形阀芯结构图；
图4为锥形阀示意图；
图中：1-上部钻杆套管，2-内管，3-钻井液流入孔，4-环形活塞，5-环形活塞杆，6-钻井液流出孔，7-导向环固定杆，8-矩形导向环，9-矩形导向杆，10-丝杠，11-胶筒，12-电机固定杆，13-直线电机系统，14-胶筒定位环，15-圆锥形阀芯，16-下部钻杆套管，17-钻杆，18-井筒。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1、图2、图3、图4所示，一种圆锥阀式自动井下防喷器装置及使用方法，其特征在于：包括上部钻杆套管(1)，内管(2)，钻井液流入孔(3)，环形活塞(4)，环形活塞杆(5)，钻井液流出孔(6)，导向环固定杆(7)，矩形导向环(8)，矩形导向杆(9)，丝杠(10)，胶筒(11)，电机固定杆(12)，直线电机系统(13)，胶筒定位环(14)，圆锥形阀芯(15)，下部钻杆套管(16)，钻杆(17)，井筒(18)。该装置安装在钻杆(17)上，利用上部钻杆套管(1)和下部钻杆套管(16)与钻杆(17)相连接，中间有内管(2)，钻井液可以通过内管(2)流过。该装置的位置处于井筒(18)内下部井段，有随钻压力传感器控制，用以在第一时间将高压溢流体控制在井筒(18)内下部井段。压力传感器检测到高压信号立即发送声波脉冲信号，由钻杆(17)传递给直线电机系统(13)，系统内装有接收器和控制器，收到信号后立马启动直线电机，带动丝杠(10)以及它连接的圆锥形阀芯(15)上升，将内管(2)的出口关闭，钻井液和高压溢流体都无法通过。此时的钻井液经钻井液流入孔(3)进入活塞缸，推动环形活塞(4)下行挤压胶筒(11)，从而膨胀的胶筒(11)关闭井筒(18)内的环形空间，实现井下自动防喷。
组装操作步骤：
S1、安装矩形导向环(8)：在矩形导向环(8)焊接导向环固定杆(7)，然后将它们组合的整体焊接固定在内管(2)的相应位置处。
S2、安装直线电机系统(13)：在直线电机系统(13)上安装电机固定杆(12)，然后将其焊接到内管(2)相应位置处。
S3、安装上部钻杆套管(1)：将上部钻杆套管(1)安装在内管(2)的上端，形成环形液压缸。然后将环形活塞(4)与环形活塞杆(5)相连接成为一个整体，最后将此整体放入由上部钻杆套管(1)与内管(2)形成的环形空间内，构成环形液压缸和环形活塞(4)的配合。
S4、安装胶筒(11)：将胶筒(11)套在内管(2)相应位置处，并在内管上安装胶筒定位环(14)，使胶筒定位环(14)和环形活塞杆(5)形成对胶筒(11)的挤压。
S5、安装下部钻杆套管(16)：将下部钻杆套管(16)安装在装置的相应位置处。
S6、安装矩形导向杆(9)、丝杠(10)和圆锥形阀芯(15)：将圆锥形阀芯(15)安装在丝杠(10)的下端，然后将丝杠(10)旋转穿过直线电机系统(13)。将矩形导向杆(9)穿过矩形导向环(8)，然后将其于丝杠(10)上端的矩形槽胶接配合，使之限制丝杠(10)的转动。安装操作步骤如下：
S1、安装井下防喷器：将井下防喷器的整个装置安装在钻杆(17)上，防喷器的两端分别由上部钻杆套管(1)和下部钻杆套管(16)与钻杆(17)相连。井下防喷器要安装在适当位置，使之工作时正好处于井筒(18)内下部井段。
S2、运转测试：发送脉冲指令，检测直线电机体统(13)以及压力传感器的通讯，同时测试井下防喷器装置的运转。

Claims (8)

1.一种圆锥阀式自动井下防喷器装置，其特征在于：包括上部钻杆套管(1)、内管(2)、钻井液流入孔(3)、环形活塞(4)、环形活塞杆(5)、钻井液流出孔(6)、导向环固定杆(7)、矩形导向环(8)、矩形导向杆(9)、丝杠(10)、胶筒(11)、电机固定杆(12)、直线电机系统(13)、胶筒定位环(14)、圆锥形阀芯(15)和下部钻杆套管(16) ；该装置安装在钻杆(17)上，利用上部钻杆套管(1)和下部钻杆套管(16)与钻杆(17)相连接，中间有内管(2)，钻井液可以通过内管(2)流过，该装置的位置处于井筒(18)内下部井段，由随钻压力传感器控制，用以在第一时间将高压溢流体控制在井筒(18)内下部井段，压力传感器检测到高压信号立即发送声波脉冲信号，由钻杆(17)传递给直线电机系统(13)，直线电机系统内装有接收器和控制器，收到信号后立马启动直线电机，带动丝杠(10)以及与丝杠（10）连接的圆锥形阀芯(15)上升，将内管(2)的出口关闭，钻井液和高压溢流体都无法通过，此时的钻井液经钻井液流入孔(3)进入环形液压缸，推动环形活塞(4)下行挤压胶筒(11)，从而膨胀的胶筒(11)关闭井筒(18)内的环形空间，实现井下自动防喷；钻井液流出孔(6)设置于上部钻杆套管(1)上；
所述圆锥阀式自动井下防喷器装置的组装操作步骤：
S1、安装矩形导向环(8)：在矩形导向环(8)焊接导向环固定杆(7)，然后将它们组合的整体焊接固定在内管(2)的相应位置处；
S2、安装直线电机系统(13)：在直线电机系统(13)上安装电机固定杆(12)，然后将其焊接到内管(2)相应位置处；
S3、安装上部钻杆套管(1)：将上部钻杆套管(1)安装在内管(2)的上端，形成环形液压缸；然后将环形活塞(4)与环形活塞杆(5)相连接成为一个整体，最后将此整体放入由上部钻杆套管(1)与内管(2)形成的环形空间内，构成环形液压缸和环形活塞(4)的配合；
S4、安装胶筒(11)：将胶筒(11)套在内管(2)相应位置处，并在内管上安装胶筒定位环(14)，使胶筒定位环(14)和环形活塞杆(5)形成对胶筒(11)的挤压；
S5、安装下部钻杆套管(16)：将下部钻杆套管(16)安装在装置的相应位置处；
S6、安装矩形导向杆(9)、丝杠(10)和圆锥形阀芯(15)：将圆锥形阀芯(15)安装在丝杠(10)的下端，然后将丝杠(10)旋转穿过直线电机系统(13)；将矩形导向杆(9)穿过矩形导向环(8)，然后将其与丝杠(10)上端的矩形槽胶接配合，使之限制丝杠(10)的转动；
所述圆锥阀式自动井下防喷器装置的安装操作步骤如下：
S1、安装自动井下防喷器装置：将自动井下防喷器装置的整个装置安装在钻杆(17)上，自动井下防喷器装置的两端分别由上部钻杆套管(1)和下部钻杆套管(16)与钻杆(17)相连；自动井下防喷器装置要安装在适当位置，使之工作时正好处于井筒(18)内下部井段；
S2、运转测试：发送脉冲指令，检测直线电机系统(13)以及压力传感器的通讯，同时测试自动井下防喷器装置的运转。
2.根据权利要求1所述一种圆锥阀式自动井下防喷器装置，其特征在于：所述的上部钻杆套管(1)和内管(2)配合，形成环形液压缸结构。
3.根据权利要求1所述一种圆锥阀式自动井下防喷器装置，其特征在于：所述的上部钻杆套管(1)和内管(2)都在其管的四周出开有小孔，即钻井液流入孔(3)和钻井液流出孔(6)，作为钻井液的通道，钻井液通过通道进入、流出环形液压缸，可建立新的循环。
4.根据权利要求1所述一种圆锥阀式自动井下防喷器装置，其特征在于：所述的胶筒(11)被环形活塞杆(5)和胶筒定位环(14)挤压引起膨胀，膨胀的胶筒(11)与井筒(18)形成过盈配合，封隔井筒(18)内的环形空间。
5.根据权利要求1所述一种圆锥阀式自动井下防喷器装置，其特征在于：所述的直线电机系统(13)内部装有声波信号接收器，接收经钻杆(17)传递来的声波信号，内置电池和控制器，为直线电机供电并控制其运转。
6.根据权利要求1所述一种圆锥阀式自动井下防喷器装置，其特征在于：所述的丝杠(10)安装在直线电机系统(13)，其上部装有矩形导向杆(9)，限制丝杠(10)的转动，使其只能在电机转动时做上下运动，矩形导向杆(9)由矩形导向环(8)和导向环固定杆(7)组成的结构限制其运动形式。
7.根据权利要求1所述一种圆锥阀式自动井下防喷器装置，其特征在于：所述的内管(2)末端呈漏斗形状的锥形，减小出口的口径，便于在结构上安装阀门。
8.根据权利要求1所述一种圆锥阀式自动井下防喷器装置，其特征在于：所述的井筒(18)内压力重新平衡后，人为发送指令启动直线电机打开圆锥形阀芯(15)，内管(2)中的钻井液重新流通，胶筒(11)根据自身弹性恢复，自动井下防喷器装置解封。
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