CN109281635A - 一种爆炸激发式井下环空防喷器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下防喷技术，属于井下防喷领域。本发明的爆炸激发式井下环空防喷器，所述中心筒两端装有上下接头，中心筒与上下接头采用螺纹连接；所述上接头下端外套外套筒，采用螺纹连接；胶筒两端采用胶筒接头固定；所述胶筒通过炸药爆炸推动活塞，挤入压缩油膨胀；本发明的爆炸激发式井下环空防喷器，以爆炸提供动力，推动活塞，并产生振动声波传递井下信息，结构简单，运行安全、可靠；坐封后，钻柱内外部环空形成新的循环通道，有利于后续压井工作，且由下放钻柱，剪断销钉实现解封。

Description

一种爆炸激发式井下环空防喷器

技术领域

本发明设计一种在油气田钻井过程中发生井涌、井喷时的防喷技术。

背景技术

在油气开发与石油勘探的各项领域中，钻井作业一直起着十分重要的作用，例如勘探油气藏位置，探测油气面积和储量，获取有关地质资料和地层开发的相关数据，以及最终把原油从地底输送到地面上来等等，这些环节都是需要通过钻井来完成的，钻井是勘探与开发石油及天然气资源的一个关键环节，同时也是其重要手段。

随着我国经济社会的发展各行各业对油气资源的需求日益增加，目前油气供给量已经不能满足现代生产、生活的要求，因此我国将油气资源着手重点放在各类“难动用”的油气资源、深部地层和深海油气资源的勘探与开发上。但由于深部地层的地质复杂、地层异常敏感等诅多因素的影响，深部地层油气资源的开采面临着巨大的困难，其中的关键就在于钻井安全难以得到保障。

目前，石油与天然气钻井中一般采用的防喷技术和设备都是井口防喷组，该防喷技术反应比较滞后，当井口发现溢流并实施关井后,钻井泥浆内已经侵入了大量的高压气体，会使套管压力逐渐升高。并且，该防喷技术需要工作人员具有一定的经验和责任心，才能避免井喷事故的发生。如果工作人员经验不足或一时工作疏忽，未能够及时发现丼涌或井喷的迹象，就很有可能造成严重的井喷事故。同时，该技术关井后的压井作业也比较困难，因为井口环空已经封隔，要进行泥浆替换就只能采用高压泥浆泵或者压裂泵，压井作业周期长、成本高且井控风险大。因此，如果能够发明一种井下环空防喷器随钻柱一起下到井内，并且能够和地上进行信息互通，这样就能在井下发生溢流时，提前预警，实现早发现、早处理，并且操作应简便、快速。

申请号为200910312467.9，申请公布号为CN101718181A，申请公布日为2010 年06月02日，名为提升式井下内外一体防喷器的中国发明专利申请，公开了一种井下防喷器，该井下防喷器虽然可以实现井下防喷作业，但是该井下防喷器结构复杂，且还需要电机进行驱动，要知道在井下狭小空间内安装电机和能提供较大功率电源是非常困难的，更不用说工作过程中存在电机功率的损耗，因此电机工作时能否达到所需封隔与解封操作的最小功率要求还不能确定。所以该专利的安全性与可靠性较低，实际运用中具有很大的局限性。

申请号为CN200910263415.7，申请公布号为CN1017489848，申请公布日为2012 年09月12日，名为装于钻柱内在井下自动控制的井下防喷器的中国发明专利公开了一种井下自动控制的防喷器，该防喷器能够同时密封井下内外环空，对于防喷作业能起到一定的作用。但是，该防喷器在进行防喷操作前后的整个过程都是自动控制的，并没有与地面进行信息交互，在完全不知情的情况下继续钻井，会给工程产生巨大的隐患。

申请号为CN200910312469.8，公布号为CN101718182A，公布日为2010年06 月02日，名为球阀内外一体井下防喷器的中国发明专利申请，公开了一种井下防喷器，该井下防喷器虽然可以实现井下防喷作业，但是对于井底溢流并没有提前预警，需要操作人员及时发现溢流现象，才能由地面控制中心给出信号，控制井下防喷器运作，这样不仅防喷不及时，而且风险很大，需要操作人员有一定的经验与责任心。同时，钻井液的打压，速度较慢，会使得防喷作业反应滞后。并且，此方法后续的压井作业面临着周期较长、成本较高的困难。

发明内容

本发明的目的在于：针对上诉存在的一些问题，提出一种结构简单，操作方便，安全可靠的井下防喷装置；该装置为井下环空防喷器，配合钻柱内防喷阀可以确保钻井过程安全；该装置结构简单，操作灵活，可实现快速封井与简便解封操作，有效防止井涌和井喷事故的发生，操作简单，安全可靠。

本发明的技术方案是：一种爆炸激发式井下环空防喷器，它包括上接头、压力传感器、控制台架、固定筒、电池、炸药、外套筒、爆炸外壳、活塞、中心筒、液压外壳、液压油、单向阀、胶筒上接头、胶筒、胶筒下接头、下接头。一种爆炸激发式井下环空防喷器所述中心筒两端与上下接头采用螺纹连接方式固定；所诉上接头开设有压力监测流道，流道最右端开设有螺纹槽与压力传感器螺纹连接，并设有密封圈进行密封；所述中心筒套装于上下接头内侧，且通过螺纹连接方式固定；所述中心筒外侧一部分套有膨胀式胶筒，胶筒处于胶筒上下接头之间，所述胶筒会因挤入液压油而膨胀。外套筒与上下接头也采用了螺纹连接，这使得配合紧密，节约井下环空空间。

本发明的爆炸激发式井下环空防喷器，该井下防喷器的炸药与液压油之间，采用了活塞进行动力传递。

由于采用了上述结构，活塞的动力传递方式简便，传动最为直接，能够将炸药爆炸产生的巨大能量最快的形式转换成活塞的轴向运动，进而把液压油挤入胶筒，使其膨胀变形，封隔环空。

本发明的井下环空防喷器，炸药与液压油采用了活塞进行动力传递，其中活塞左端与炸药相连接并设有爆炸孔，炸药套装于爆炸外壳内，活塞右端与液压油相连接，活塞与液压油外套有液压外壳。

由于采用上述结构，爆炸外壳开设有凸起与外套筒开设的阶梯配合，对爆炸外壳进行限位，且下端开设有孔用来将爆炸能量传递给活塞；活塞开设有泥浆循环孔，当胶筒膨胀封隔后，可在内外环空之间建立起新的循环通道，便于后续替重泥浆压井作业的展开；液压外壳上端开设有孔与爆炸孔配合传递动力，且下端开设有孔并安装单向阀门，单向阀门与胶筒上接头开设的液压油流道相通，可通过活塞运动，将液压油经过单向阀与液压油流道挤入胶筒。

本发明的井下环空防喷器，采用固定筒对电池与点火装置进行固定；外套筒与中心筒中部开设有泥浆循环孔。

由于采用了上述结构，固定筒开设有电线连接孔，可用来传递信号和引爆炸药；当点火装置引爆炸药，会推动活塞移动，将液压油挤入胶筒，密封环空，外套筒、活塞与中心筒的循环孔相互接通，可在内外环空之间形成新的循环通道，方便后续压井工作。

本发明的井下环空防喷器，采用了声波通讯方式与地面进行信息传递，所述通讯模块包括地面控制中心、中继站、信号接收处理器、压电换能器、译码器等。

由于采用了上述通讯方式，当井底发生溢流时，压力传感器监测到溢流信号并传递给信号接收处理器，信号接收器处理器接收信号以后，然后将该电信号传递译码器翻译编码，最后将译码信号传递控制电板，如果压力信号超过发生溢流最小值，会控制点火装置引爆炸药，推动活塞运动，挤压液压油进入胶筒，使胶筒膨胀密封环空，同时爆炸产生了剧烈的振动声波信号，可有钻杆中部的中继站捕捉并放大，最终被地面控制中心监测到井底发生溢流信息，随后采取一系列措施。

本发明的井下环空防喷器与现有技术相比，(1)结构简单，操作方便；(2)可确保钻井过程安全与可靠性；(3)可根据不同井段或者不同井型结构调整尺寸，坐封后能在钻柱内外环空之间形成新的循环通道，有利于后续的压井工作。(4)可实现快速可靠地密封与解封操作，有效防止井喷事故的发生，信息传递可靠快速，成本较低，具有很好的实用性与可行性。

附图说明

图1为本发明的爆炸激发式井下环空防喷器上端结构示意图。

图2为本发明的爆炸激发式井下环空防喷器下端结构示意图。

图3为本发明的爆炸激发式井下环空防喷器A-A处剖视图。

图4为本发明的爆炸激发式井下环空防喷器B-B处剖视图。

图5为本发明的爆炸激发式井下环空防喷器C-C处剖视图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做详细的说明。

实例1：如图1所示，一种爆炸激发式井下环空防喷器，他包括它包括上接头(1)、压力传感器(2)、控制台架(3)、固定筒(4)、电池(5)、炸药(6)、外套筒(7)、爆炸外壳(8)、活塞(9)、中心筒(10)、液压外壳(11)、液压油(12)、单向阀(13)、胶筒上接头(14)、胶筒(15)、胶筒下接头(16)、下接头(17)；中心筒(10)两端有上接头(1)与下接头(17)，且中心筒(10)与上下接头(1、17)采用螺纹连接固定，上接头(1)开设有泥浆压力监测流道(1-1)，且外套筒(7)与上接头(1) 采用了最为方便的螺纹连接方式。爆炸激发式井下环空防喷器采用了活塞(9)进行动力传递，将液压油挤入胶筒，从而使胶筒膨胀，进行封隔操作；控制台架(3)由信号接收处理器(3-2)、控制电板(3-1)、译码器等组成，信号接受处理器(3-2) 接收到压力传感器转换的电信号使点火装置(5-1)引爆炸药，推动活塞移动将液压油挤入胶筒，胶筒膨胀密封环空，且可在封隔的后建立新的循环通道，方便后续压井工作的进行；电池(5)与点火装置(5-1)采用一体固定筒进行位置固定，使得结构简单，且节约了井下空间；外套筒(7)中部开设有阶梯，与爆炸外壳凸起相互配合，可以对爆炸外壳进行进行轴向限位；胶筒上接头开设有液压油流道，连通胶筒内部；胶筒下接头开设有凹槽，与下接头开设的孔相互配合，可用于安装销钉，当需要解封时，可采用下放钻柱的方法剪断销钉，胶筒膨胀压力得到释放，环空打开，解封完成；活塞(9)、外套筒(7)与中心筒(10)开设有泥浆循环孔(9-1、7-1与 10-1)，炸药爆炸后，活塞(9)移动，挤压液压油进入胶筒(14)，当活塞(9)到极限位置时，泥浆循环孔(9-1、7-1与10-1)连通，可在内外环空之间建立新的循环通道。

实例2：基于实例1的装置，爆炸激发式井下防喷器防喷的方法如下。

1.当发生溢流时，地层中高压流体经过钻头进入钻柱内并向上流动，使钻头处的防喷单向阀关闭，封堵住钻柱内通道，同时，井筒环空中的高压流体通过井下防喷器上接头的压力监测通道，并由压力传感器监测到溢流现象，此时必须采取防喷措施。

2.溢流信号被信号接收处理器接收后，传递给译码器进行翻译编码，再通过传递给控制电板控制点火装置引爆炸药。爆炸后，一方面会产生剧烈的声波振动信号由钻柱向上传递，再通过中部的中继站放大，最终被地面控制中心监测到溢流信号，实现井底与地面的信息传递；另一方面爆炸产生的巨大能量能够推动活塞运动挤压液压油。

3.活塞在爆炸能量的冲击下，会挤压液压外壳中的液压油通过单向阀和胶筒上接头中的液压流道进入胶筒中，从而使胶筒膨胀，实现坐封。当活塞挤压到极限位置后，外套筒、活塞与中心筒的泥浆循环孔连通，在内外环空之间建立起新的循环通道，为后续压井工作做准备。

4.当压井结束需要解封时，可采用下放钻柱的方法，将连接胶筒下接头与下接头的销钉剪断，这时在提升钻柱，可以释放胶筒的膨胀压力，进而环空解封。

本发明的爆炸激发式井下防喷器结构简单，操作便利，维护方便，通过炸药爆炸的方式提供动力与传递给地面溢流信息，再由活塞传递动力，可以实现直接、快速、可靠地密封操作，最后由下放钻柱，剪断销钉的方式，进行解封，操作简单便利，成本较低。

Claims (9)

1.一种爆炸激发式井下环空防喷器，其特征在于：它包括上接头(1)、压力传感器(2)、控制台架(3)、固定筒(4)、电池(5)、炸药(6)、外套筒(7)、爆炸外壳(8)、活塞(9)、中心筒(10)、液压外壳(11)、液压油(12)、单向阀(13)、胶筒上接头(14)、胶筒(15)、胶筒下接头(16)、下接头(17)；所述中心筒(10)两端连接上接头(1)与下接头(17)，且中心筒(12)的两端分别与上接头和下接头采用螺纹连接方式固定，所述上接头(1)开有压力监测流道(1-1)，最下端开设凹槽，并与压力传感器(2)采用螺纹连接方式固定；所述爆炸激发式井下环空防喷器采用活塞(9)作为传动装置，通过活塞(9)运动将液压油(12)挤入胶筒(15)使其膨胀，密封环空；所述控制台架(3)上装有控制电板(3-1)和信号接收处理器(3-2)；所述电池(5)与点火装置(5-1)采用固定筒(4)进行定位；所述固定筒(4)开设有导线孔(4-1)和点火孔(4-2)；所述外套筒(7)上端与上接头外部采用螺纹连接方式固定，且外套筒(7)中部开设有泥浆循环孔(7-1)；所述爆炸外壳(8)开设有连接孔(8-1)，分别与点火孔(4-2)与活塞(9)连通，通过爆炸提供动力和传递声波信号；所述活塞(9)开设有泥浆循环孔(9-1)；所述中心筒(10)开设有泥浆循环孔(10-1)；所述液压外壳(11)上端开设有孔(11-1)与爆炸外壳(8)连接，其下端装有单向阀(13)；所述胶筒上接头(14)开设有液压流道(14-1)，与胶筒(6)内部直接相连；所述胶筒上接头(16)与下接头(17)连接重叠处分别开设有凹槽和孔，用来安装销钉(17-1)；所述爆炸激发式井下环空防喷器采用压力传感器(2)监测井下压力波动并传递井下压力信号，信号被识别并处理后，若达到了一定危险数值，控制模块会控制点火装置(5-1)引爆炸药(6)，炸药(6)爆炸后会产生能量推动活塞(9)移动，活塞(9)挤压液压油(12)通过单向阀(13)和液压流道(14-1)，最后进入胶筒(15)，胶筒(15)膨胀密封环空，同时炸药(6)爆炸产生的振动信号具有较大能量，可通过振动信号井下情况传递给井上控制中心，当需要解封时，可通过下放钻柱，剪断销钉(17-1)，胶筒轴向卸压，环空打开；所述爆炸激发式井下环空防喷器采用声波通讯方式，所述通讯方式先利用压力信号引爆炸药(6)产生强大的声波信号，在进行环空密封的同时，把井下溢流信息传递给井上。

2.如权利要求1所述的一种爆炸激发式井下环空防喷器，其特征在于：所述炸药(6)与液压油(12)采用活塞(9)连接传递动力；所述炸药(6)装在爆炸外壳(8)中，爆炸外壳(8)上端和下端都开设有连接孔(8-1)，连接孔(8-1)两端分别与点火装置(5-1)与液压外壳(11)连接；所述活塞(9)与液压油(12)装在液压外壳内部；所述液压外壳上端开设有连接孔(11-1)，其下端安装有单向阀(13)；所述活塞(9)开设有循环孔(9-1)，与外套筒(7)开设的循环孔(7-1)和中心筒(10)开设的循环孔(10-1)相配合，从而在井下外部环空密封后建立新的循环通道，方便后续压井作业。

3.如权利要求1所述的一种爆炸激发式井下环空防喷器，其特征在于：所述上接头(1)开设有压力监测流道(1-1)；所述压力检测流道(1-1)末端开设有螺纹槽与压力传感器(2)配合，并安装有O型密封圈。

4.如权利要求1所述的一种爆炸激发式井下环空防喷器，其特征在于：固定筒(4)置于控制台架(3)与爆炸外壳(8)之间，且固定筒(4)开设有孔(4-1)用作电线连接通道，开设有孔(4-2)用作点火装置，且固定筒内部安装有电池(5)和点火装置(5-1)。

5.如权利要求1所述的一种爆炸激发式井下环空防喷器，其特征在于：液压外壳(11)开设有凸起(11-2)，凸起(11-2)与外套筒(7)开设有阶梯(7-2)配合，对液压外壳(11)进行限位。

6.如权利要求1所述的一种爆炸激发式井下环空防喷器，其特征在于：外套筒(7)开设有阶梯(7-2)，可对液压外壳(11)轴向进行限位，同时外套筒(7)开设有泥浆循环孔(7-1)。

7.如权利要求1所述的一种爆炸激发式井下环空防喷器，其特征在于：中心筒(10)上下两端分别套在上下接头(1、17)内部，并采用螺纹连接方式固定，且开设有泥浆循环孔(10-1)，可与另外两泥浆循环孔配合，在井下环空密封后，开设新的循环通道，便于后续压井作业的开展。

8.如权利要求1所述的一种爆炸激发式井下环空防喷器，其特征在于：胶筒下接头开设的凹槽与下接头开设的孔，两者配合安装销钉(17-1)，解封时，只需要下放钻柱，剪断销钉(17-1)，就可释放胶筒(15)轴向压力，胶筒(15)径向收缩，环空打开，解封完成。

9.如权利要求1所述的一种爆炸激发式井下环空防喷器的通讯控制方法，其特征在于：采用了压力传感器监测井底溢流信号，采用了炸药爆炸的方式产生具有较大能量的声波信号，然后由声波通讯方式进行井下与地面的信息传递，，所述声波通讯方式包括地面控制中心、中继站、信号接收处理器、译码器等。