CN110295861A - 降低当量循环密度的工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低当量循环密度的工具，包括：下入到井眼中的外筒，两者之间形成第一环空；外筒外套设有坐封在井眼内壁上的密封机构，第一环空被分隔成上部环空和下部环空；外筒靠近的侧壁设置有与上部环空连通的喷射孔和与下部环空连通的进流孔；设置在外筒中的单向止回阀总成以及连接在单向止回阀总成下端的内壳体，内壳体与外筒之间形成有第二环空；其侧壁上设置泄压孔，底壁设置有穿孔；设置在内壳体中的活塞杆，其下端穿设在穿孔中，上端设置有活塞；活塞中设置有第一流道，活塞杆中设置有与第一流道对接连通的第二流道。本发明实施例降低当量循环密度的工具可以降低当量循环密度，实现降压的目的，保证安全高效的钻井。

Description

降低当量循环密度的工具

技术领域

本发明涉及钻井配套设备技术领域，尤其涉及一种降低当量循环密度的工具。

背景技术

本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

随着油气行业的快速发展，油气资源的需求不断增长，所以海洋钻井快速发展，并且逐渐迈向深水和超深水。但是深水钻井目前面临着压力窗口窄，压力控制难度大等问题。所以针对该难题，国内外通过多种技术手段来解决该问题。

针对该难题，采用的技术有空心球双梯度或多梯度钻井以及降压工具。对于空心球双梯度或者多梯度钻井，该套系统需要额外配备多套设备，并且需要实现对空心球的高效分离才能达到较为理想的效果，成本比较高，并且分离技术也有待提高。而目前的降压工具，多数采用的是井下泵或者旋转叶片等机构为上返流体提供动力实现降压，或者是单独通过小喷嘴产生文丘里效应，实现高速射流喷射，从而实现降压。前者所提到的降压工具内部多为旋转运动部件，在井下特殊的工况下容易磨损，使用寿命短，并且安装比较复杂。后者提到的降压工具单纯的使用小喷嘴虽然从实验的结果来看，可以起到降压的效果，但是实验使用的流体为清水，远达不到井下钻井液包含大量岩屑的情况，所以实际工作时容易导致喷嘴堵塞，从而影响正常的钻井工作。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

基于前述的现有技术缺陷，本发明实施例提供了一种降低当量循环密度的工具，其可以降低当量循环密度，实现降压的目的；在钻遇较低的地层压力时，下入本发明实施例的工具可以实现安全高效的钻井，避免调节钻井液所导致的钻井成本高、时间周期长等不利因素。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种降低当量循环密度的工具，包括：

下入到井眼中的外筒，所述外筒与所述井眼内壁之间形成第一环空；所述外筒外套设有密封机构，所述密封机构坐封在所述井眼内壁上，从而所述第一环空被所述密封机构分隔成位于所述密封机构上方的上部环空以及位于所述密封机构下方的下部环空；所述外筒靠近上端的侧壁设置有与所述上部环空连通的喷射孔，所述外筒靠近下端的侧壁设置有与所述下部环空连通的进流孔；

设置在所述外筒中的单向止回阀总成，所述单向止回阀总成能限制流体由下至上流动；

设置在所述外筒中并连接在所述单向止回阀总成下端的内壳体，所述内壳体与所述外筒之间形成有第二环空；所述内壳体的侧壁上设置有与所述第二环空连通的泄压孔，所述泄压孔与所述喷射孔相对应；所述内壳体的底壁设置有穿孔；

设置在所述内壳体中的活塞杆，所述活塞杆的下端经所述穿孔穿设至所述内壳体外；所述活塞杆的上端设置有活塞，所述活塞的外壁与所述内壳体的内壁密封接触；所述活塞中设置有轴向贯通的第一流道，所述活塞杆中设置有轴向贯通的第二流道，所述第一流道与所述第二流道对接连通。

优选地，所述单向止回阀总成包括：

固定在所述外筒中且呈筒状的内衬套；

设置在所述内衬套中的阀座，所述阀座具有倒锥形流道；

设置在所述内衬套中的弹簧座，所述弹簧座中设置有多个轴向流道，所述弹簧座的上端向下凹陷形成有容置槽，所述容置槽中设置有处于压缩状态的弹簧，所述弹簧的上端顶撑有阀球，所述阀球在所述弹簧的弹力作用下坐封在所述阀座上以封堵所述倒锥形流道。

优选地，所述弹簧座的上端中部低于边缘部分，从而所述弹簧座的上端与所述阀座的下端形成有与多个所述轴向流道连通的间隙；当钻井液施加在所述阀球上的向下作用力大于所述弹簧的弹力时，所述阀球脱离与所述阀座的接触，从而所述倒锥形流道通过所述间隙与多个所述轴向流道连通。

优选地，所述外筒中设置有上接头，所述上接头的内壁设置有母扣，用于与钻杆连接。

优选地，所述活塞杆的下端设置有下接头，所述下接头的内壁设置有母扣，用于与钻头连接。

优选地，所述内壳体的内壁上设置有位于所述泄压孔下方的截止环，所述截止环用于对所述活塞的向上运动进行限位。

优选地，沿由下至上的方向上，所述内壳体的侧壁逐渐缩小，从而所述第二环空的流通面积沿由下至上的方向上逐渐缩小。

优选地，所述内壳体具有位于所述泄压孔下方的颈缩段，所述第二环空对应所述颈缩段部分的流通面积减小。

优选地，所述活塞杆位于所述内壳体下方的外壁上设置有岩屑研磨机构。

优选地，所述岩屑研磨机构包括套设在所述活塞杆外的本体以及设置在所述本体上的切削齿。

采用本发明所述的降低当量循环密度的工具，相较于传统的降压装置，增加破岩装置，防止流道堵塞。用直线往复运动代替了旋转装置，提高了工具的使用寿命，也使得安装更加方便。利用了多区域的流体动能实现喷射，增加了喷射效果。同时在钻柱震动时可以实现减震，并将震动的机械能转换为液压能提供喷射，实现了更好的降压。这为钻井节约了作业时间，降低了生产成本，具有广泛的应用前景。

实践证明，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)、通过外筒内壁面与内壳体外表面形成的截面流道截面积从下往上逐渐减小的第二环空，实现对流体的加速。

(2)、活塞在自下往上运动时，由于上部安装有单向止回阀总成，流体无法继续往上运动，所以活塞会挤压内壳体中的钻井液，实现对钻井液增压，同时实现对钻柱的减震，增压后的钻井液由内壳体的泄压孔处流出，为喷射提供部分动能。

(3)、从内壳体上端的泄压孔流出的增压后的钻井液与第二环空中上返的高速钻井液混合后从外筒上端的喷射孔处流出，实现对上部环空的喷射，从而实现降压。

(4)、活塞、活塞杆、研磨装置和下接头整体实现轴向运动，实现对环空上返的岩屑进行破碎，防止岩屑堵塞孔道。

(5)、本工具没有安装旋转运动部件，只是有轴向上的短距离往复运动，安装更加方便，同时工具的使用寿命更长。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施例，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施例在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，与其它实施例中的特征相组合，或替代其它实施例中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1为本发明实施例的降低当量循环密度的工具的结构示意图；

图2为本发明实施例的降低当量循环密度的工具中单向止回阀总成的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种降低当量循环密度的工具，其包括：外筒3、由上至下依次设置在外筒3中的上接头1、单向止回阀总成2和内壳体13。单向止回阀总成2的上下两端分别与上接头1以及内壳体13的下端顶接。具体的，上接头1和单向止回阀总成2与外筒3通过过盈配合安装，上接头1的内壁设置有母扣，用于与钻杆连接。内壳体13的上端与单向止回阀总成2的下端通过焊接方式连接。

外筒3下入到井眼25中，外筒3与井眼25内壁之间形成第一环空。外筒3外套设有密封机构6，密封机构6包括多个沿轴向排布的密封胶筒。密封机构6坐封在井眼25内壁上，从而将第一环空分隔成位于密封机构6上方的上部环空26以及位于密封机构6下方的下部环空10。外筒3靠近上端的侧壁设置有与上部环空26连通的喷射孔17，外筒3靠近下端的侧壁设置有与下部环空10连通的进流孔11。其中，喷射孔17和进流孔11均为多个，多个喷射孔17和进流孔11沿周向均匀排布。这样，外筒3与靠近下端的位置开设进流孔11，上返的钻井液不通过下部环空10，直接从经进流孔11进入外筒3。

单向止回阀总成2允许钻井液由上下至下流动，而限制流体由下至上流动。即钻井液能由钻杆、上接头1流经单向止回阀总成2，并流向位于单向止回阀总成2下方的内壳体13，但流体(主要为携带有岩屑的钻井液)不能经单向止回阀总成2向上流动至上接头1和钻杆中。

如图2所示，单向止回阀总成2包括同轴设置的内衬套28、阀座29、弹簧23和弹簧座21。其中，内衬套28呈中空的筒状，其通过过盈配合的方式固定在外筒3中。阀座29同样通过过盈配合的方式固定设置在内衬套28中，且阀座29具有倒锥形流道24。倒锥形流道24亦呈漏斗状，其同心设置在阀座29中。弹簧座21同样通过过盈配合的方式固定设置在内衬套28中，并且弹簧座21中设置有多个轴向流道22，弹簧座21的上端向下凹陷形成有容置槽35，容置槽35中设置有处于压缩状态的弹簧23，弹簧23的上端顶撑有阀球20，阀球20在弹簧23的弹力作用下坐封在阀座29上以封堵倒锥形流道24。

在本实施例中，弹簧23始终处于压缩状态。从而，弹簧23向阀球20施加向上的弹力作用，阀球20在该向上的弹力作用下坐封在阀座29，这样倒锥形流道24被封堵，倒锥形流道24被切断与多个轴向流道22的连通。

弹簧座21的上端中部低于边缘部分，从而弹簧座21的上端与阀座29的下端形成有与多个轴向流道22连通的间隙30。当通过上接头1向倒锥形流道24注入钻井液时，钻井液可向阀球20施加向下的液力。当钻井液施加在阀球20上的向下液力大于弹簧23对其施加的向上的弹力时，弹簧23在弹性范围内被近一步压缩，阀球20将脱离与阀座29的接触，那么单向止回阀会开启，倒锥形流道24通过间隙30与多个轴向流道22连通，钻井液从上往下流通。如果弹簧23恢复初始状态，则钻井液不能反向流通。

内壳体13与外筒3之间形成有第二环空31，内壳体13的侧壁上设置有与第二环空31连通的泄压孔4，泄压孔4与喷射孔17相对应，内壳体13的底壁设置有穿孔。内壳体13中设置有活塞杆12，活塞杆12的下端经穿孔穿设至内壳体13的外部。活塞杆12的上端设置有活塞14，活塞14的外壁与内壳体13的内壁密封接触，具体可以为，活塞14与内壳体13的内表面通过过盈配合，活塞14与内壳体13同轴安装。活塞14的周向上安装密封圈5以及用于固定密封圈5的支撑圈15。活塞14中设置有轴向贯通的第一流道33，活塞杆12中设置有轴向贯通的第二流道34，第一流道33与第二流道34对接连通。并且，第一流道33与第二流道34孔径大小相同，并且两者同轴设置。

活塞杆12位于内壳体13下方的外壁上设置有用于岩屑破碎的岩屑研磨机构，其包括套设在活塞杆12外并与活塞杆12通过螺纹连接的本体8，本体8为圆柱形，其周向上通过焊接的方式安装有呈锯齿状的切削齿7。

活塞杆12的下端通过螺纹连接有下接头9，下接头9的内壁设置有母扣，用于与钻头连接。活塞14、活塞杆12、岩屑研磨机构、下接头9以及设置在下接头9上的钻头可实现轴向上的同步运动。

进一步地，内壳体13的内壁上设置有位于泄压孔4下方的截止环18，用于对活塞14的向上运动进行限位。此外，为了加快经进流孔11进入外筒3中的携带有岩屑的钻井液的流速，用于供携带有岩屑的钻井液向上流动的通道的过流面积由下至上逐渐缩小。

具体的，在一个实施例中，沿由下至上的方向上，内壳体13的侧壁渐缩，从而第二环空31的流通面积沿由下至上的方向上逐渐缩小。这样，内壳体13的内腔呈倒置的漏斗状。或者，在另一个实施例中，内壳体13具有位于泄压孔4下方的颈缩段16，第二环空31对应颈缩段16部分的流通面积减小。

下面介绍本发明实施例的降低当量循环密度的工具的具体应用过程及原理。

a.正常钻井过程中，本发明实施例的降低当量循环密度的工具的上端通过上接头1与钻杆连接，通过下接头9与钻头连接。深水钻井中，钻遇窄压力窗口的地层时，可以在近钻头处安装该工具。当钻井液进入上接头1，然后继续向下流动进入到单向止回阀总成2中。在钻井液的液力作用下，阀球20会压缩弹簧23，从而使得单向止回阀的通道开启。钻井液从单向止回阀总成2的流道进入到内壳体13中，然而推动活塞14作自上而下的运动，同时活塞杆12、岩屑研磨机构的本体8和切削齿7也做同步运动。钻井液在推动活塞14向下运动的同时，会从活塞14上端面的第一流道33进入活塞杆12的第二流道34，流经下接头9，最后流经钻头后，再将进流孔11进入第二环空31，并沿着第二环空31上返。由于第一环空的下部与外筒3用密封机构6实现密封，所以经过第二环空31上返的携带岩屑的钻井液会从外筒3下端开设的进流孔11进入到外筒3的内腔。此时上返的岩屑会与岩屑研磨机构形成相对运动实现对岩屑的破碎。然后钻井液继续上返，经过外筒3的内表面与内壳体13的外表面所形成的流道-第二环空31。由于第二环空31的过流面积逐渐减小，所以钻井液的流速逐渐增加，加速后的流体会与从内壳体13的泄压孔4流出的钻井液混合后从外筒3上端的喷射孔17向上部环空26喷射,从而实现降压。

b.当出现钻柱轴向震动时，活塞14自上而下的运动与正常钻井相同。若活塞14沿着轴向自下往上运动，由于上端安装有单向止回阀总成2，所以钻井液无法从自下往上部流通，此时活塞14会压缩钻井液，实现对钻柱的减震和对钻井液的增压，然后该部分钻井液从内壳体13上端的泄压孔4并与第二环空31流出的高速流体混合，最后对上部环空26实现喷射降压。

采用本发明所述的降低当量循环密度的工具，相较于传统的降压装置，增加破岩装置，防止流道堵塞。用直线往复运动代替了旋转装置，提高了工具的使用寿命，也使得安装更加方便。利用了多区域的流体动能实现喷射，增加了喷射效果。同时在钻柱震动时可以实现减震，并将震动的机械能转换为液压能提供喷射，实现了更好的降压。这为钻井节约了作业时间，降低了生产成本，具有广泛的应用前景。

实践证明，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)、通过外筒3内壁面与内壳体13外表面形成的截面流道截面积从下往上逐渐减小的第二环空31，实现对流体的加速。

(2)、活塞14在自下往上运动时，由于上部安装有单向止回阀总成2，流体无法继续往上运动，所以活塞14会挤压内壳体13中的钻井液，实现对钻井液增压，同时实现对钻柱的减震，增压后的钻井液由内壳体13的泄压孔4处流出，为喷射提供部分动能。

(3)、从内壳体13上端的泄压孔4流出的增压后的钻井液与第二环空31中上返的高速钻井液混合后从外筒3上端的喷射孔17处流出，实现对上部环空26的喷射，从而实现降压。

(4)、活塞14、活塞杆12、研磨装置和下接头9整体实现轴向运动，实现对环空上返的岩屑进行破碎，防止岩屑堵塞孔道。

(5)、本工具没有安装旋转运动部件，只是有轴向上的短距离往复运动，安装更加方便，同时工具的使用寿命更长。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容，可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种降低当量循环密度的工具，其特征在于，包括：

下入到井眼中的外筒，所述外筒与所述井眼内壁之间形成第一环空；所述外筒外套设有密封机构，所述密封机构坐封在所述井眼内壁上，从而所述第一环空被所述密封机构分隔成位于所述密封机构上方的上部环空以及位于所述密封机构下方的下部环空；所述外筒靠近上端的侧壁设置有与所述上部环空连通的喷射孔，所述外筒靠近下端的侧壁设置有与所述下部环空连通的进流孔；

设置在所述外筒中的单向止回阀总成，所述单向止回阀总成能限制流体由下至上流动；

设置在所述外筒中并连接在所述单向止回阀总成下端的内壳体，所述内壳体与所述外筒之间形成有第二环空；所述内壳体的侧壁上设置有与所述第二环空连通的泄压孔，所述泄压孔与所述喷射孔相对应；所述内壳体的底壁设置有穿孔；

设置在所述内壳体中的活塞杆，所述活塞杆的下端经所述穿孔穿设至所述内壳体外；所述活塞杆的上端设置有活塞，所述活塞的外壁与所述内壳体的内壁密封接触；所述活塞中设置有轴向贯通的第一流道，所述活塞杆中设置有轴向贯通的第二流道，所述第一流道与所述第二流道对接连通。

2.如权利要求1所述的降低当量循环密度的工具，其特征在于，所述单向止回阀总成包括：

固定在所述外筒中且呈筒状的内衬套；

设置在所述内衬套中的阀座，所述阀座具有倒锥形流道；

设置在所述内衬套中的弹簧座，所述弹簧座中设置有多个轴向流道，所述弹簧座的上端向下凹陷形成有容置槽，所述容置槽中设置有处于压缩状态的弹簧，所述弹簧的上端顶撑有阀球，所述阀球在所述弹簧的弹力作用下坐封在所述阀座上以封堵所述倒锥形流道。

3.如权利要求2所述的降低当量循环密度的工具，其特征在于，所述弹簧座的上端中部低于边缘部分，从而所述弹簧座的上端与所述阀座的下端形成有与多个所述轴向流道连通的间隙；当钻井液施加在所述阀球上的向下作用力大于所述弹簧的弹力时，所述阀球脱离与所述阀座的接触，从而所述倒锥形流道通过所述间隙与多个所述轴向流道连通。

4.如权利要求1所述的降低当量循环密度的工具，其特征在于，所述外筒中设置有上接头，所述上接头的内壁设置有母扣，用于与钻杆连接。

5.如权利要求1所述的降低当量循环密度的工具，其特征在于，所述活塞杆的下端设置有下接头，所述下接头的内壁设置有母扣，用于与钻头连接。

6.如权利要求1所述的降低当量循环密度的工具，其特征在于，所述内壳体的内壁上设置有位于所述泄压孔下方的截止环，所述截止环用于对所述活塞的向上运动进行限位。

7.如权利要求1所述的降低当量循环密度的工具，其特征在于，沿由下至上的方向上，所述内壳体的侧壁逐渐缩小，从而所述第二环空的流通面积沿由下至上的方向上逐渐缩小。

8.如权利要求1所述的降低当量循环密度的工具，其特征在于，所述内壳体具有位于所述泄压孔下方的颈缩段，所述第二环空对应所述颈缩段部分的流通面积减小。

9.如权利要求1所述的降低当量循环密度的工具，其特征在于，所述活塞杆位于所述内壳体下方的外壁上设置有岩屑研磨机构。

10.如权利要求9所述的降低当量循环密度的工具，其特征在于，所述岩屑研磨机构包括套设在所述活塞杆外的本体以及设置在所述本体上的切削齿。