CN110439465A - 一种钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构，所述助排机构包括：同轴设置的下芯管、中芯母管、中芯公管、上芯管、基础法兰、注气壳体和喷射法兰，其中，基础法兰左侧、上芯管右侧分别与上、下游硬管线连接；喷射法兰位于注气壳体内部且具有贯穿的喷射孔；中芯公管具有与喷射法兰的内壁紧密接触的左侧部、与上芯管的内壁紧密接触的右侧部和回转配合部，回转配合部可使中芯公管左右移动，以实现对喷射孔的关闭或打开。本发明能够解决地层出少量天然气条件下气体钻井敞井作业时的安全难题，显著提高含气层段气体钻井敞井作业安全性，也能够应用于常规正循环或反循环气体钻井，从而有效降低直角转弯处的局部损失，使地表排砂过程更加顺畅。
Description
技术领域
本发明涉及油气钻井(钻探)工程技术领域，更进一步讲，涉及一种钻井用排砂管汇设备，其可用于地层出少量天然气条件下实施氮气抽吸安全作业，也可用于正循环或者反循环钻井时降低地表排砂管汇的排砂阻力，提高排砂效果。
背景技术
通常，气体钻井技术具有提速、治漏及保护储层等优势，近年来在川渝、新疆、青海等油气区块得到了广泛应用，同比常规钻井提速3倍以上。难钻性差的含气层段采用气体钻井提速愈发普遍；然而，一旦钻遇地层出少量天然气时(≤10000m3/d)，循环介质转换为惰性气体氮气以避免井下燃爆事故发生，但常常因为缺少环形防喷器、钻具尺寸大无法通过旋转控制头总成等原因，在起下钻、更换胶芯等敞井作业时，存在天然气可能溢出井口，带来了较大安全隐患。
现阶段没有解决地层出少量天然气条件下进行“起下钻、更换胶芯”等敞井作业时天然气溢出井口这一难题的有效措施，当前主要通过开启钻台上下防爆排风扇吹散可能溢出的天然气，防止其聚集。此处理方法存在诸多不足：
①属被动控制措施，不能从根本上阻止天然气溢出井口，而仅能通过排风扇吹散可能溢出的天然气；
②尽管防爆排风扇能够吹散溢出天然气，避免聚集，但钻台、井口操作人员仍需直接面对可能溢出的天然气，存在较大安全隐患，尤其进行敲击作业；
③因无法确保现场作业安全，在钻遇地层出少量天然气时(≤10000m3/d)，常常被迫提前终止气体钻井作业，不利于提速优势发挥。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。
例如，本发明的目的之一在于解决地层出少量天然气条件下气体钻井敞井作业时的安全问题。本发明的另一目的在于可用于解决常规正循环或反循环气体钻井时(特别是反循环钻井)，由于地表排砂通道存在多处直角转弯的地方，而导致局部损失很大，进而影响排砂效果的问题。
为了实现上述目的中至少一项，本发明提供了一种钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构，所述抽吸助排机构包括：同轴设置的下芯管、中芯母管、中芯公管、上芯管、基础法兰、注气壳体和喷射法兰，其中，基础法兰具有能够与排砂管线的上游硬管线连接的左侧部，以及通过防转动构件与注气壳体紧固连接的右侧部；下芯管具有插入基础法兰并通过第一密封件与基础法兰的内圆周壁紧密接触的左侧部，以及插入喷射法兰的左侧并通过第二密封件与喷射法兰的内圆周壁紧密接触的右侧部；喷射法兰位于注气壳体内部，且喷射法兰的圆周壁上贯穿开设有一个或两个以上的喷射孔；中芯母管具有螺纹内壁，以及插入注气壳体并与注气壳体以不可转动的方式连接的左侧部，并且中芯母管的所述左侧部通过第三密封件与注气壳体紧密接触；中芯公管具有插入喷射法兰的右侧并且通过第四密封件与喷射法兰的内圆周壁紧密接触的左侧部，插入上芯管的左侧并且通过第五密封件与上芯管的内圆周壁紧密接触的右侧部，设置在中芯公管外壁上且能够与所述中心母管的螺纹内壁配合的螺纹，以及能够在外力作用下使中芯公管转动的回转配合部，所述回转配合部能够使所述中芯公管通过转动实现向左或向右移动，以通过中芯公管的所述左侧部的左端相应实现对所述喷射孔的关闭或打开；上芯管具有能够与排砂管线的下游硬管线连接的右侧部，并且所述上芯管的左侧与中芯母管的右端具有间隔；注气壳体具有能够供外部气体注入且与所述喷射孔连通的一个或两个以上的注气接头。
在本发明的一个示例性实施例中，所述抽吸助排机构还可包括上芯管法兰，所述上芯管法兰能够将上芯管的所述右侧部与排砂管线的下游硬管线连接。
在本发明的一个示例性实施例中，所述抽吸助排机构还可包括上芯管卡接件，所述上芯管卡接件能够将中芯公管的右侧部与上芯管卡紧并限制上芯管与中芯公管之间的轴向位移。
在本发明的一个示例性实施例中，所述中芯母管的左侧部的一部分可设置为横截面呈多边形结构，并且所述注气壳体与中芯母管的左侧部的所述一部分配合的部分具有相应的多边形凹入，以限制中芯母管与注气壳体之间的相互转动。
在本发明的一个示例性实施例中，所述第一密封件、第二密封件、第三密封件、第四密封件和第五密封件中的一个或多个可包括相互配合的密封圈与密封槽。
在本发明的一个示例性实施例中，所述抽吸助排机构还可包括气体压缩装置，所述气体压缩装置的出气口与注气壳体的所述注气接头连接。
在本发明的一个示例性实施例中，所述基础法兰的右侧部可通过可拆卸的防转动构件与注气壳体紧固连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的一项或多项：
(1)能够解决地层出少量天然气条件下气体钻井敞井作业时的安全难题，显著提高含气层段气体钻井敞井作业安全性，延长气体钻井进尺，有利于气体钻井提速优势发挥，填补地层出少量天然气时气体钻井敞井作业安全工艺措施的空白；
(2)能够应用于常规正循环或反循环气体钻井(特别是反循环钻井)，从而有效降低直角转弯处的局部损失，使地表排砂过程更加顺畅。
附图说明
图1a示出了本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构的一个示例性实施例沿轴向的剖面结构示意图；
图1b示出了图1a中的M的局部放大示意图；
图2示出了本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构的一个示例性实施例的外观示意图；
图3示出了本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构的一个示例性实施例处于打开状态的剖面结构示意图；
图4示出了本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构的一个示例性实施例在更换喷射法兰的示意图；
图5示出了本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构的一个示例性实施例的外观效果图。
附图标记说明：
A1-下芯管、A2-基础法兰、A3-注气壳体、A4-喷射法兰、A5-中芯管(母)、A6-上芯管卡环、A7-上芯管法兰、A8-上芯管、A9-中芯管(公)、A10-注气接头、A11-内六角螺钉、A12-上芯管卡环紧定螺栓。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构。
在本发明的一个示例性实施例中，钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构包括：同轴设置的下芯管、中芯母管、中芯公管、上芯管、基础法兰、注气壳体和喷射法兰。
基础法兰的左侧能够与排砂管线的上游硬管线连接；其右侧通过防转动构件与注气壳体紧固连接。防转动构件能够限制注气壳体与基础法兰之间的相对转动。例如，防转动构件可以为内多角螺钉，然而本发明不限于此。此外，这里的防转动构件还可具有便于人为拆卸的结构，从而在需要更换不同规格的喷射法兰时便于拆卸操作。
下芯管的左侧插入基础法兰，并通过第一密封件与基础法兰的内圆周壁紧密接触，以便使下芯管与基础法兰密封套接；下芯管的右侧插入喷射法兰的左侧，并通过第二密封件与喷射法兰的内圆周壁紧密接触，以便使下芯管与喷射法兰密封套接。第一密封件、第二密封件可以由相互配合的密封圈与密封槽构成，然而，本发明不限于此，其它能够实现有效密封作用的构件亦可。
喷射法兰位于注气壳体内部，且喷射法兰的圆周壁上贯穿开设有一个或两个以上的喷射孔。喷射孔的中轴线可与喷射法兰的中轴线呈锐角、直角或钝角。
中芯母管具有螺纹内壁。中芯母管的左侧插入注气壳体，并与注气壳体以不可转动的方式连接；并且中芯母管的该左侧的外圆周壁通过第三密封件与注气壳体的内周壁紧密接触，以便使中芯母管与注气壳体密封套接。第三密封件可以由相互配合的密封圈与密封槽构成，然而，本发明不限于此，其它能够实现有效密封作用的构件亦可。此外，中芯母管的左侧的一部分可设置为横截面呈多边形结构，并且注气壳体与中芯母管的左侧的该一部分配合的部分具有相应的多边形凹入，以避免中芯母管与注气壳体之间发生相互转动。
中芯公管的左侧插入喷射法兰的右侧，并且通过第四密封件与喷射法兰的内圆周壁紧密接触，以便使中芯公管与喷射法兰密封套接。中芯公管的右侧插入上芯管的左侧，并且通过第五密封件与上芯管的内圆周壁紧密接触，以便使中芯公管与上芯管密封套接。第四密封件或第五密封件可以由相互配合的密封圈与密封槽构成，然而，本发明不限于此，其它能够实现有效密封作用的构件亦可。中芯公管还具有设置在其外壁上且能够与上述中心母管的螺纹内壁配合的螺纹，以及能够在转动外力作用(例如，人工或机械的转动力)下使中芯公管围绕其中轴线转动的回转配合部。例如，回转配合部可以为设置在中芯公管的外壁上位于上芯管与中芯母管之间的位置处的一个或多个回转孔。这里，回转配合部能够使中芯公管通过外力转动实现沿螺纹的向左移动，从而通过中芯公管的左侧的端部实现对喷射法兰的喷射孔的关闭或遮挡，以阻止经由注气壳体进入喷射法兰的喷射孔的气流进入管路。回转配合部也能够使中芯公管通过外力转动实现沿螺纹的向右移动，从而通过中芯公管的左侧的端部实现对喷射法兰的喷射孔的打开或远离，以使经由注气壳体进入喷射法兰的喷射孔的气流进入管路。
上芯管的右侧能够与排砂管线的下游硬管线连接，并且上芯管的左侧与中芯母管的右端之间具有间隔。中芯公管的回转配合部即可位于该间隔内。
注气壳体具有一个或多个注气接头。注气接头能够供外部气体注入注气壳体内。注气接头可直接与喷射法兰的喷射孔连通，也可通过注气壳体的内部空间与喷射法兰的喷射孔连通，以便将外部气体通过喷射法兰的喷射孔喷射入管路中。
在本发明的另一个示例性实施例中，抽吸助排机构还可在上述示例性实施例的结构基础上进一步包括上芯管法兰。上芯管法兰便于将上芯管的右侧与排砂管线的下游硬管线连接。此外，抽吸助排机构还可包括气体压缩装置。气体压缩装置的出气口可与注气壳体的注气接头连接。
在本发明的另一个示例性实施例中，抽吸助排机构还可在上述示例性实施例的结构基础上进一步包括上芯管卡接件。上芯管卡接件能够将中芯公管的右侧与上芯管卡紧，并限制上芯管与中芯公管之间的轴向位移，从而能够更加有效地确保上芯管与中芯公管的密封效果，避免因中芯公管的左右移动而导致中芯公管与上芯管的密封不牢固。然而，本发明不限于此，例如，可以通过合理设置第五密封件的结构、或者中芯公管的右侧与上芯管的左侧之间的重合方式和重合尺度来确保上芯管与中芯公管的密封效果，进而避免因中芯公管的左右移动而导致中芯公管与上芯管的密封不牢固。
本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构可以安装在井口、管线直角转弯下游等位置，其产生的抽吸作用可将井口流体(如天然气等可燃气体或气固混合相、气液固混合相等多相流体等)吸至排砂管汇内，也可大幅降低直角转弯对流体造成的局部损失。
图1a示出了本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构的一个示例性实施例沿轴向的剖面结构示意图；图1b示出了图1a中的M的局部放大示意图。图2示出了本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构的一个示例性实施例的外观示意图。
如图1a、图1b和图2所示，在本发明的一个示例性实施例中，钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构A可包括以下部件：下芯管A1、基础法兰A2、注气壳体A3、喷射法兰A4、中芯管(母)A5、上芯管卡环A6、上芯管法兰A7、上芯管A8、中芯管(公)A9、注气接头A10、内六角螺钉A11和上芯管卡环紧定螺栓A12(图2中示出)。
上芯管法兰A7与上芯管A8之间通过螺纹连接，也可以通过焊接的方式连接，还可以将上芯管法兰A7和上芯管A8作为一个整体加工件。上芯管法兰A7用来与下游硬管线连接，可以是法兰连接，也可以是卡箍连接。
基础法兰A2左侧，与上游硬管线连接，可以是法兰连接，也可以是卡箍连接。基础法兰A2的右侧通过一组内六角螺钉A11与注气壳体A3紧固。
注气壳体A3径向开一组孔(数量不限)，并通过螺纹连接的方式与注气接头A10连接。
下芯管A1左侧插入基础法兰A2，二者通过密封圈密封。下芯管A1右侧插入喷射法兰A4中。喷射法兰A4位于注气壳体A3内部，其上开设一组喷射孔，喷射法兰A4属于可随时更换的部件。
中芯管(公)A9左侧插入喷射法兰A4右端，其右侧插入上芯管A8中。中芯管(公)A9与喷射法兰A4、上芯管A8之间，开设密封槽，通过密封圈实现密封。中芯管(公)A9外圆柱面(大径)设有螺纹和回转孔。中芯管(公)A9通过螺纹与中芯管(母)A5连接，回转孔配合相应的工具后可用于旋转中芯管(公)A9。
中芯管(母)A5右端通过螺纹与中芯管(公)A9连接，左侧挂入注气壳体A3中，并通过注气壳体A3上的密封槽配合密封圈实现密封。同时，中芯管(母)A5左端位于注气壳体A3内部的部分为六方(或四方，或其它多边形)结构，通过六方(或四方，或其它多边形)结构与注气壳体A3连接，实现径向固定(即不可旋转)。
喷射法兰A4在下芯管A1、基础法兰A2、注气壳体A3和中芯管(母)A5的共同作用下实现轴向固定。
A6上芯管卡环有一组(2个)，通过A12上芯管卡环紧定螺栓相互拉紧。中芯管(公)A9和上芯管A8通过A6上芯管卡环限制相互之间的轴向位移。
当轴向斜喷抽吸助排机构A左右两端固定时(即基础法兰A2左侧与上游硬管线连接，上芯管法兰A7与下游硬管线连接)，所有部件中只有中芯管(公)A9为活动件。通过对回转孔(图1a中示出)操作，可转动中芯管(公)A9。在螺纹的作用下，中芯管(公)A9可左右移动(移动距离可根据需求自行设计)。当中芯管(公)A9向左移动到尽头时，关闭喷射法兰A4的喷射孔(此时无抽吸作用)；当中芯管(公)A9向右移动时，可逐渐打开喷射法兰A4的喷射孔。中芯管(公)A9右端始终在上芯管A8内部移动。图1b的M局部放大示意图清晰的示出了中芯管(公)A9关闭喷射法兰A4的喷射孔的状态。图3示出了中芯管(公)A9的左侧向右移动并打开喷射法兰A4的喷射孔的状态。
注气壳体A3上的注气接头A10的数量，可根据所需气量大小来选择。气量大时，注气接头A10数量适当增加；气量小时，可封堵多余的注气接头A10。高压气体通过注气接头A10注入到注气壳体A3内部，并通过喷射法兰A4上的喷射孔高速喷射至主通道中。这里，喷射孔的倾角、数量、直径等可根据需求自行设计。高速气流的引射和卷吸作用使基础法兰A2附近产生负压，从而抽吸上游流体，同时降低上游流体的流动阻力。当轴向斜喷抽吸助排机构A安装在井口附近时，可用于抽吸井口附近的流体(可燃气体、钻井循环流体等)，以避免其溢出井口；当轴向斜喷抽吸助排机构A安装在直角弯头下游时，可用于降低流体流经该直角弯头时的局部损失，使流动更顺畅。
喷射法兰A4可根据需求制作多组。当需要通过改变喷射孔的数量，或倾角，或直径来提高恒定气量条件下的抽吸力时，可直接更换喷射法兰A4，而不用将轴向斜喷抽吸助排机构A从已安装好的管汇系统中拆卸下来。图4示出了本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构的一个示例性实施例在更换喷射法兰的示意图。图5示出了本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构的一个示例性实施例的外观效果图。在需要更换喷射法兰时，首先，拧下内六角螺钉A11；然后将注气壳体A3、中芯管(母)A5和中芯管(公)A9整体右移，此时中芯管(公)A9更加深入上芯管A8内；接着将喷射法兰A4取出并更换准备好的另一块喷射法兰A4。
综上所述，本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构可具有以下特点：
(1)可单独使用，也可与气体钻井管汇用径向方位角无级调角机构(授权公告号：CN106437579B)、气体钻井管线万向调整短节(授权公告号：CN206220883U)、行星式气体钻井管汇用转向机构(CN207377518U)中的一种或多种设备配合使用，组成功能更为完善的管汇系统；
(2)通过对本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构进行不同数量、不同位置的综合应用，可实现对井口流体(除包含前述可燃气体外，还包含钻井过程中返排到地表的多相流体)的有效抽吸，将井口流体(如可燃气体：天然气；如多相流体：气固、气液固等)吸至排砂管汇内，并在地表排砂管汇流动输送过程中大幅降低局部损失；
(3)可以为本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构单独接入注气管线，从而能够通过调整气量来调整该机构的抽吸能力；
(4)本发明的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构能够提高在地层出少量天然气条件下进行“起下钻、更换胶芯”等敞井口作业时的安全性，消除了井筒可燃气体(如：天然气等)溢出井口后可能引发的安全风险问题，提高了含气层段气体钻井作业安全性，更利于气体钻井提速优势发挥。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
Claims (7)
1.一种钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构，其特征在于，所述抽吸助排机构包括：同轴设置的下芯管、中芯母管、中芯公管、上芯管、基础法兰、注气壳体和喷射法兰，其中，
基础法兰具有能够与排砂管线的上游硬管线连接的左侧部，以及通过防转动构件与注气壳体紧固连接的右侧部；
下芯管具有插入基础法兰并通过第一密封件与基础法兰的内圆周壁紧密接触的左侧部，以及插入喷射法兰的左侧并通过第二密封件与喷射法兰的内圆周壁紧密接触的右侧部；
喷射法兰位于注气壳体内部，且喷射法兰的圆周壁上贯穿开设有一个或两个以上的喷射孔；
中芯母管具有螺纹内壁，以及插入注气壳体并与注气壳体以不可转动的方式连接的左侧部，并且中芯母管的所述左侧部通过第三密封件与注气壳体紧密接触；
中芯公管具有插入喷射法兰的右侧并且通过第四密封件与喷射法兰的内圆周壁紧密接触的左侧部，插入上芯管的左侧并且通过第五密封件与上芯管的内圆周壁紧密接触的右侧部，设置在中芯公管外壁上且能够与所述中心母管的螺纹内壁配合的螺纹，以及能够在外力作用下使中芯公管转动的回转配合部，所述回转配合部能够使所述中芯公管通过转动实现向左或向右移动，以通过中芯公管的所述左侧部的左端相应实现对所述喷射孔的关闭或打开；
上芯管具有能够与排砂管线的下游硬管线连接的右侧部，并且所述上芯管的左侧与中芯母管的右端具有间隔；
注气壳体具有能够供外部气体注入且与所述喷射孔连通的一个或两个以上的注气接头。
2.根据权利要求1所述的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构，其特征在于，所述抽吸助排机构还包括上芯管法兰，所述上芯管法兰能够将上芯管的所述右侧部与排砂管线的下游硬管线连接。
3.根据权利要求1所述的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构，其特征在于，所述抽吸助排机构还包括上芯管卡接件，所述上芯管卡接件能够将中芯公管的右侧部与上芯管卡紧并限制上芯管与中芯公管之间的轴向位移。
4.根据权利要求1所述的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构，其特征在于，所述中芯母管的左侧部的一部分设置为横截面呈多边形结构，并且所述注气壳体与中芯母管的左侧部的所述一部分配合的部分具有相应的多边形凹入，以限制中芯母管与注气壳体之间的相互转动。
5.根据权利要求1所述的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构，其特征在于，所述第一密封件、第二密封件、第三密封件、第四密封件和第五密封件中的一个或多个包括相互配合的密封圈与密封槽。
6.根据权利要求1所述的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构，其特征在于，所述抽吸助排机构还包括气体压缩装置，所述气体压缩装置的出气口与注气壳体的所述注气接头连接。
7.根据权利要求1所述的钻井排砂管线轴向斜喷抽吸助排机构，其特征在于，所述基础法兰的右侧部通过可拆卸的防转动构件与注气壳体紧固连接。
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