CN111764850B - 空心球过滤分离装置以及钻井管柱 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种空心球过滤分离装置以及钻井管柱，其中，一种空心球过滤分离装置，包括：外管；所述外管具有进液流道、和出液流道；所述进液流道的流道壁形成覆盖所述进液流道的磁场；设于所述进液流道和所述出液流道之间的过滤组件；所述过滤组件包括球形过滤网、以及位于所述球形过滤网内侧的球形过滤塞；所述球形过滤塞具有与所述球形过滤网相匹配的球面凸出部；所述球面凸出部上设有三个圆周等距分布的过液孔；所述球形过滤网以及所述球面凸出部朝向所述进液流道凸出；所述外管还设有间隙流道；所述间隙流道位于过滤组件远离所述出液流道的一侧并与所述进液流道相通；所述外管的管壁上具有与所述间隙流道相通的空心球排出口。

Description

空心球过滤分离装置以及钻井管柱

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，特别是涉及一种空心球过滤分离装置以及钻井管柱。

背景技术

随着经济社会的快速发展，对石油需求量也在不断增加，所以石油开采逐渐由陆地向海洋发展，并且逐渐迈向深水和超深水。但是深水由于地质条件特殊，特别是窄压力窗口的特征明显，使得钻井过程中井筒压力控制难度大，经常出现溢流与漏失的情况，严重的时候甚至出现井喷，导致生命财产的损失。所以针对深水压力控制的难题，国外在20世纪90年代开发了双梯度钻井系统。根据原理的不同，双梯度钻井可以分为无隔水管钻井、海底泵举升钻井系统和双密度钻井系统。

其中双梯度钻井按照注入的流体的不同可以分为注空心球、注低密度流体以及注入气体。相比较其它几种双梯度钻井系统，空心球钻井系统由于需要的辅助设备少且空心球可以回收再利用，在满足作业需求的情况下大大降低了成本。根据该空心球的物理特性，发展出了钻杆-球注入系统，海水(携带液)-球注入系统以及空心球-气体混合注入系统。但是该钻井技术实现的关键就是将低密度的空心球从钻井液中分离进入环空，从而实现上部环空为低密度钻井液，下部环空为原始钻井液，故而在环空中形成了两个密度梯度，从而实现双梯度控压钻井，如果对分离器进行多点安装，还可以实现多梯度钻井，这样使得压力控制范围更广，精度更高。

目前学者们对于双梯度钻井空心球的分离技术也做了许多研究，但大部分的分离技术都是采用旋流分离的方法，即利用空心球与钻井液的密度差，通过离心力实现两者的分离。这些方法中不同之处在于入口方式以及旋流分离器的结构尺寸的优化调整，但是分离效率仍然不高，最大分离效率不超过50％。那么大部分的空心球无法分离，则会通过分离器直接进入到下部钻柱并返回到下部环空中，这样就会导致下部环空的钻井液密度低，而上部环空中钻井液密度高，最终使得双梯度钻井井筒压力的控制效果适得其反。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种空心球过滤分离装置以及钻井管柱。通过该空心球过滤分离装置可以实现对普通空心球或者磁性空心球的100％分离，实现了双梯度钻井或多梯度钻井过程中空心球分离技术的突破，增大了该钻井技术实现的可能性，可以为窄压力窗口地层的钻井提供一定的技术支持。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种空心球过滤分离装置，包括：

外管；所述外管的内部沿其延伸方向具有进液流道、和出液流道；所述进液流道的流道壁形成覆盖所述进液流道的磁场；

设于所述进液流道和所述出液流道之间的过滤组件；所述过滤组件包括球形过滤网、以及位于所述球形过滤网内侧的球形过滤塞；所述球形过滤塞具有与所述球形过滤网相匹配的球面凸出部；所述球面凸出部上设有多个过液孔；所述球形过滤网以及所述球面凸出部朝向所述进液流道凸出；

所述外管还设有间隙流道；所述间隙流道位于过滤组件远离所述出液流道的一侧并与所述进液流道相通；所述外管的管壁上具有与所述间隙流道相通的空心球排出口。

作为一种优选的实施方式，所述外管内固定有磁性套管；所述磁性套管的内部形成进液流道和出液流道；所述磁性套管的下端的周向外缘向外延伸形成端部外翻边；部分所述间隙流道位于所述端部外翻边和所述过滤组件之间。

作为一种优选的实施方式，所述外管包括：上接头、第一外筒、第二外筒、连接侧板、以及下接头；所述上接头、第一外筒和第二外相连接形成所述进液流道；所述下接头形成出液流道；所述第二外筒的下端和所述下接头的上端之间通过多个连接侧板连接；多个所述连接侧板沿圆周方向间隔分布；相邻两个所述连接侧板之间形成空心球排出口；所述过滤组件固定安装于所述下接头的上端，并与所述第二外筒的下端之间间隔设置；所述过滤组件和所述第二外筒之间形成所述间隙流道。

作为一种优选的实施方式，所述球形过滤网为金属过滤网，并覆盖所述球面凸出部的三个圆周等距分布的过液孔；多个所述过液孔的总面积与所述出液流道的过流面积相等。

作为一种优选的实施方式，所述球形过滤塞包括第一支撑环、以及位于所述第一支撑环内侧的球面凸出部；

所述球形过滤网包括第二支撑环、以为位于所述第二支撑环内侧的半球面过滤网；所述球形过滤网层叠设置于所述球形过滤塞的上方；所述第二支撑环压在所述第一支撑环的上方通过螺栓连接所述下接头。

作为一种优选的实施方式，所述上接头的下端和所述第一外筒的上端通过螺栓或螺纹紧固连接，所述第一外筒的下端和所述第二外筒的上端通过螺栓或螺纹紧固连接。

作为一种优选的实施方式，所述连接侧板的上端通过螺栓连接所述第二外筒的外壁，所述连接侧板的下端通过螺栓连接所述下接头的外壁。

作为一种优选的实施方式，所述进液流道包括第一流道以及连通于所述第一流道下游的第二流道；至少部分长度的第一流道朝向所述第二流道延伸时其内径逐渐减小；所述第二流道的内径保持不变。

一种钻井管柱，包括钻杆、连接在所述钻杆上的空心球过滤分离装置、以及钻头；所述空心球过滤分离装置采用如上任意一项实施方式所述的空心球过滤分离装置。

作为一种优选的实施方式，所述空心球过滤分离装置位于所述钻杆的近泥线位置处。

有益效果：

可以看出，本实施例所提供的空心球过滤分离装置通过设置磁性进液流道以及过滤组件，可以对普通玻璃空心球或者磁性空心球全部过滤分离，可以显著提升空心球分离效率，增大了双梯度或多梯度钻井技术实现的可能性，实现对深水双梯度或多梯度钻井空心球分离方式的创新。

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

针对一种实施方式描述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方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例所提供的空心球过滤分离装置结构示意图；

图2是图1的连接侧板安装示意图；

图3是图1的球形过滤网结构示意图；

图4是图1的球形过滤塞结构示意图。

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另一个元件。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另一个元件。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方式。

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方式的目的，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。

请参阅图1至图4，本申请一个实施例提供一种空心球过滤分离装置，包括：外管；所述外管的内部沿其延伸方向具有进液流道(10、9)、和出液流道7；所述进液流道的流道壁形成覆盖所述进液流道的磁场；设于所述进液流道和所述出液流道7之间的过滤组件8；所述过滤组件8包括球形过滤网81、以及位于所述球形过滤网81内侧的球形过滤塞82；所述球形过滤塞82具有与所述球形过滤网81相匹配的球面凸出部820；所述球面凸出部820上设有多个过液孔822；所述球形过滤网81以及所述球面凸出部820朝向所述进液流道凸出；所述外管还设有间隙流道13；所述间隙流道13位于过滤组件8远离所述出液流道7的一侧并与所述进液流道相通；所述外管的管壁上具有与所述间隙流道13相通的空心球排出口131。

正常钻井过程中，将图1所示的空心球过滤分离装置的上端和下端分别通过公扣和母扣与钻杆相连。在深水钻井中，钻遇窄压力窗口的地层时，因为井筒压力过大则容易引起漏失，过小又会导致溢流的发生。所以为了更好地控制井筒压力，实现安全钻进，则可以在近泥线的钻杆处安装该空心球过滤分离装置，实现环空中的密度梯度的变化。

在安装一个空心球过滤分离装置的情况下可以实现双梯度钻井，在多点(多位置处)安装该空心球过滤分离装置的情况可以实现多梯度钻井。

当钻井液与空心微球(也称为空心球)的混合流体从钻杆上端注入，然后通过空心球过滤分离装置的进液口11进入进液流道中。在过滤组件8中空心球直径尺寸大于球形过滤网81，所以空心球会被过滤出来，并沉积在球形过滤网81的表面，在钻井液的不断冲击作用下，被过滤沉积的空心球会被小部分的钻井液携带从球形过滤网81的球面滑落，并经过间隙流道13最终从空心球排出口131进入到环空中。而大部分的钻井液则会从穿过球形滤网以及球形过滤塞82，然后流经出液流道7，最后经外管的下部出液口流出，并进入到下部钻柱，然后流经钻头并返回到下部环空中，这样就在环空中形成了上部钻井液密度低，下部钻井液密度高的两个密度梯度。

而且，所述进液流道的流道壁形成覆盖所述进液流道的磁场，进而进液流道为磁性流道，这是考虑到空心球包括普通的空心玻璃微球以及磁性玻璃微球，通过设置磁性流道分摊过滤组件8的过滤压力，减小过滤磨损。因为进液流道为磁性流道，进而可以对普通的空心玻璃微球(简称玻璃空心球)以及磁性玻璃微球(简称磁性空心球)都可以实现过滤。

当使用磁性空心球时，在磁力和钻井液的自上而下的冲击作用下，一部分磁性空心球会在进液流道的磁场作用下贴着进液流道的内壁运动，并顺着进液流道的流道壁直接进入到间隙流道13，最后从空心球排出口131进入到环空中，而其余磁性空心球则通过过滤结构过滤，经间隙流道13以及空心球排出口131进入到环空中，这样在实现过滤分离的条件下就减小了过滤组件8的磨损。

当使用磁性空心球和玻璃空心球的混合空心球时，同样可以利用磁性进液流道将磁性空心球提前分离过滤，降低过滤组件8的过滤磨损。而在使用玻璃空心球时，则可以采用过滤组件8将其全部过滤筛选出来。

可以看出，本实施例所提供的空心球过滤分离装置通过设置磁性进液流道以及过滤组件8，可以对普通玻璃空心球或者磁性空心球全部过滤分离，可以显著提升空心球分离效率，增大了双梯度或多梯度钻井技术实现的可能性，实现对深水双梯度或多梯度钻井空心球分离方式的创新。

而且，本实施例所提供的空心球过滤装置的过滤组件8采用球形过滤网81对空心球进行过滤，过滤网自身厚度较小，过滤过程中所产生的压力损耗要远小于旋流分离器内部流场所产生的压力损耗。

在本实施例中，外管的上端具有进液口11，以输入钻井液，下端具有出液口，以输出钻井液。其中，所述外管内固定有磁性套管12。所述磁性套管12的内部形成进液流道和出液流道7；所述磁性套管12的下端的周向外缘向外延伸形成端部外翻边。部分所述间隙流道13位于所述端部外翻边和所述过滤组件8之间。磁性空心球贴着磁性套管12的内壁向下流动，在流到磁性套管12的下端时由于端部外翻边的存在，可以继续贴着磁性套管12进入到间隙流道13，而无需落到球形过滤网81上，进而降低过滤组件8的过滤负担以及磨损。

所述进液流道包括第一流道10以及连通于所述第一流道10下游的第二流道9。至少部分长度的第一流道10朝向所述第二流道9延伸时其内径逐渐减小。进而部分长度的第一流道10为锥形流道，钻井液携带空心球流经处时会加速流动。所述第二流道9的内径保持不变。

如图1所示，所述外管包括：上接头1、第一外筒3、第二外筒4、连接侧板5、以及下接头6。进液口11位于上接头1，出液口位于下接头6。所述第一外筒3和第二外筒4相连接形成所述进液流道。磁性套管12固定套设在第一外筒3和第二外筒4内，提供覆盖所述进液流道的磁场。磁性套管12为磁性材料制成。所述下接头6形成出液流道7。所述第二外筒4的下端和所述下接头6的上端之间通过多个连接侧板5连接。如图2所示，三个所述连接侧板5沿圆周方向间隔分布。相邻两个所述连接侧板5之间形成空心球排出口131。所述过滤组件8固定安装于所述下接头6的上端，并与所述第二外筒4的下端之间间隔设置。所述过滤组件8和所述第二外筒4之间形成所述间隙流道13。

其中，所述上接头1的下端和所述第一外筒3的上端通过螺栓2或螺纹紧固连接，所述第一外筒3的下端和所述第二外筒4的上端通过螺栓2或螺纹紧固连接。所述连接侧板5的上端通过螺栓2连接所述第二外筒4的外壁，所述连接侧板5的下端通过螺栓2连接所述下接头6的外壁。

在上接头1和第一外筒3螺纹紧固连接的实施例中，上接头1的下端具有外螺纹，第一外筒3的上端可以具有与之配合的内螺纹，或者，上接头1的下端具有内螺纹，第一外筒3的上端可以具有与之配合的外螺纹。相应的，第一外筒3和第二外筒4的连接方式可以参考上接头1和第一外筒3的连接方式，此处不再赘述。

可以看出，本实施例所提供的空心球过滤分离装置的结构更加简易，生产成本低。各部分为组合式安装，装配方便，大大节约了安装时间。并且易损件可以单独拆卸更换，其他部件则可以重复使用，大大节约了经济成本。

在本实施例中，球形过滤网81以及球形过滤塞82均朝向进液流道凸出，相应的，在空心球随钻井液接触到过滤组件8时，空心球会沿着球面向周边运动，进而顺利进入到间隙流道13，避免空心球在过滤组件8位置处堆积而堵塞球形过滤网81，保证钻井液通过的顺畅以及过滤的顺利，提升过滤效率。球面凸出部820在球形过滤网81的内侧(也可以为下侧)，维持球形过滤网81的形状，避免球形过滤网81在空心球以及钻井液的冲击下变形，并且，所开设的过液孔822可以保证钻井液的顺利通过，在维持球形过滤网81形状的同时避免钻井液的压力损耗过多。

空心球与钻井液的混合流体通过上接头1进入，然后通过第一流道10与第二流道9，然后到达过滤组件8位置，因为球形过滤网81的过滤孔的孔径远小于空心球的直径尺寸，所以空心球会被全部过滤分离。具体的，如图4所示，所述球形过滤网81为金属过滤网，并覆盖所述球面凸出部820的多个过液孔822。具体的，多个所述过液孔822的总面积与所述出液流道7的过流面积相等，如此可以不增加流体的通过阻力，保证钻井液顺畅通过。液体经过过液孔822随即进入到出液流道7中。多个过液孔822可以为三个圆周等距分布的过液孔822。金属过滤网的孔径尺寸小于空心球的直径尺寸，进而空心球会被全部过滤分离。如图4所示，所述球形过滤塞82包括第一支撑环821、以及位于所述第一支撑环821内侧的球面凸出部820。所述球形过滤网81包括第二支撑环811、以为位于所述第二支撑环811内侧的半球面过滤网822。所述球形过滤网81层叠设置于所述球形过滤塞82的上方。所述第二支撑环811压在所述第一支撑环821的上方通过螺栓2连接所述下接头6。

半球面过滤网812整体覆盖在球形过滤塞82的球面凸出部820上，并在球形过滤网81与球形过滤塞82接触的第一支撑环821和第二支撑环811上方安装同直径尺寸的金属压环，实现对金属过滤网的夹紧，金属压环上设有螺栓孔，通过螺栓2将金属压环和下接头6螺栓2连接，进而三者(金属压环、球形过滤网81、球形过滤塞82)全部用螺栓2进行锁紧。

采用本实施例的空心球过滤分离装置可以实现空心球的全部过滤分离。相比于现有的空心球分离方法，不但使得设备结构更加简化，同时显著提升了分离效率，降低了钻井成本，节约了作业时间，具有广泛的应用前景。

基于同一构思，本发明实施例中还提供了一种钻井管柱，如下面的实施例所述。由于该钻井管柱解决问题的原理，以及能够取得的技术效果与上述空心球过滤分离装置相似，因此该钻井管柱的实施可以参见上述空心球过滤分离装置的实施，重复之处不再赘述。

本申请还有一个实施例提供一种钻井管柱，其包括：钻杆、连接在所述钻杆上的空心球过滤分离装置、以及钻头。所述空心球过滤分离装置位于所述钻杆的近泥线位置处。

本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (8)

1.一种空心球过滤分离装置，其特征在于，包括：

外管；所述外管的内部沿其延伸方向具有进液流道、和出液流道；所述进液流道的流道壁形成覆盖所述进液流道的磁场；

设于所述进液流道和所述出液流道之间的过滤组件；所述过滤组件包括球形过滤网、以及位于所述球形过滤网内侧的球形过滤塞；所述球形过滤塞具有与所述球形过滤网相匹配的球面凸出部；所述球面凸出部上设有多个过液孔；所述球形过滤网以及所述球面凸出部朝向所述进液流道凸出；

所述外管还设有间隙流道；所述间隙流道位于过滤组件远离所述出液流道的一侧并与所述进液流道相通；所述外管的管壁上具有与所述间隙流道相通的空心球排出口；

所述外管内固定有磁性套管；所述磁性套管的内部形成进液流道；所述磁性套管的下端的周向外缘向外延伸形成端部外翻边；部分所述间隙流道位于所述端部外翻边和所述过滤组件之间；

所述进液流道包括第一流道以及连通于所述第一流道下游的第二流道；至少部分长度的第一流道朝向所述第二流道延伸时其内径逐渐减小；所述第二流道的内径保持不变。

2.如权利要求1所述的空心球过滤分离装置，其特征在于，所述外管包括：上接头、第一外筒、第二外筒、连接侧板、以及下接头；所述上接头、第一外筒和第二外筒相连接形成所述进液流道；所述下接头形成出液流道；所述第二外筒的下端和所述下接头的上端之间通过多个连接侧板连接；多个所述连接侧板沿圆周方向间隔分布；相邻两个所述连接侧板之间形成空心球排出口；所述过滤组件固定安装于所述下接头的上端，并与所述第二外筒的下端之间间隔设置；所述过滤组件和所述第二外筒之间形成所述间隙流道。

3.如权利要求1所述的空心球过滤分离装置，其特征在于，多个所述过液孔为三个圆周等距分布的所述过液孔；所述球形过滤网为金属过滤网，并覆盖所述球面凸出部的三个圆周等距分布的过液孔；三个所述过液孔的总面积与所述出液流道的过流面积相等。

4.如权利要求2所述的空心球过滤分离装置，其特征在于，所述球形过滤塞包括第一支撑环、以及位于所述第一支撑环内侧的球面凸出部；

所述球形过滤网包括第二支撑环、以及位于所述第二支撑环内侧的半球面过滤网；所述球形过滤网层叠设置于所述球形过滤塞的上方；所述第二支撑环压在所述第一支撑环的上方通过螺栓连接所述下接头。

5.如权利要求2所述的空心球过滤分离装置，其特征在于，所述上接头的下端和所述第一外筒的上端通过螺栓或螺纹紧固连接，所述第一外筒的下端和所述第二外筒的上端通过螺栓或螺纹紧固连接。

6.如权利要求2所述的空心球过滤分离装置，其特征在于，所述连接侧板的上端通过螺栓连接所述第二外筒的外壁，所述连接侧板的下端通过螺栓连接所述下接头的外壁。

7.一种钻井管柱，其特征在于，包括钻杆、连接在所述钻杆上的空心球过滤分离装置、以及钻头；所述空心球过滤分离装置采用如权利要求1至6任意一项所述的空心球过滤分离装置。

8.如权利要求7所述的钻井管柱，其特征在于，所述空心球过滤分离装置位于所述钻杆的近泥线位置处。

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