CN111827918B - 一种用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器，包括自动控制部分和封堵器，自动控制部分包括地面控制模块、中继器和井下充放气模块；封堵器包括尼龙耐磨套、支撑套、上盖板、下盖板和耐磨环形气囊，支撑套环绕尼龙耐磨套，上盖板和下盖板固定在支撑套的上边沿和下边沿，耐磨环形气囊套在上盖板和下盖板上，上盖板上设置有气嘴，尼龙耐磨套套在双壁钻杆上的限位短节上，井下充放气模块连接气嘴；地面控制模块通过中继器控制井下充放气模块对耐磨环形气囊进行充放气，利用耐磨环形气囊充气状态来改变封堵器的外径大小实现封堵器卡在井壁上以及脱离井壁，避免了封堵器的磨损，且二者紧紧贴合，能确保密封效果。

Description

一种用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器

技术领域

本发明涉及钻井领域，尤其涉及一种用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器。

背景技术

如图1，高压气体通过单壁钻杆01到达孔底的气动潜孔锤6，并推动气动潜孔锤6冲击破碎岩石，气体携带岩屑通过单壁钻杆01与井壁的环空上返至地面，起到冷却钻头和保持孔底清洁的作用。用气动潜孔锤正循环钻进工艺施工大口径井眼时，由于钻杆与井壁的环空过大，为了使上返风速大于岩屑悬浮速度，所需风量特别大。因此施工大口径一般不采用气动潜孔锤正循环钻进工艺，而是采用气动潜孔锤反循环钻进工艺。

目前，一般采用多层橡胶封堵器来实现气动潜孔锤反循环钻进工艺。如图2所示，高压气体通过双壁钻杆7的环空到达孔底的气动潜孔锤6，并推动气动潜孔锤6冲击破碎岩石，由于多层橡胶封堵器03阻断了正循环通道，迫使气体携带岩屑进入正反循环转换接头5的排渣口通过双壁钻杆7的内管上返至地面，实现反循环钻进。为了起到封堵作用，多层橡胶封堵器03的外径略大于井眼直径，其在起下钻和钻进过程中始终与井壁紧密贴合并有相对运动，导致多层橡胶封堵器03存在易磨损、寿命短、封堵不严等问题，影响钻进效率。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器，包括自动控制部分和封堵器，自动控制部分包括地面控制模块、中继器和井下充放气模块；封堵器包括尼龙耐磨套、支撑套、上盖板、下盖板和耐磨环形气囊，支撑套环绕尼龙耐磨套，上盖板和下盖板固定在支撑套的上边沿和下边沿，耐磨环形气囊套在上盖板和下盖板上，上盖板上设置有气嘴，尼龙耐磨套套在双壁钻杆上的限位短节上，井下充放气模块连接气嘴；地面控制模块通过中继器控制井下充放气模块对耐磨环形气囊进行充放气。

在一种可能的实施方式中，井下充放气模块包括单片机、充气泵、气压传感器、放气阀、电池和无线通信电路组成。

在一种可能的实施方式中，中继器包括单片机和无线通信电路。

在一种可能的实施方式中，地面控制模块包括单片机、键盘、显示器和无线通信电路。

在一种可能的实施方式中，上盖板和下盖板都包括两块，都是半环形的钢板，通过螺栓及螺母来实现与支撑套的连接。

在一种可能的实施方式中，尼龙耐磨套包括两个半环形的尼龙套。

本发明通过地面控制模块控制井下充放气模块实现对封堵器的耐磨环形气囊的充放气操作，利用耐磨环形气囊充气状态来改变封堵器的外径大小实现封堵器卡在井壁上以及脱离井壁，避免了封堵器的磨损，且二者紧紧贴合，能确保密封效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术中气动潜孔锤正循环钻进工艺示意图；

图2为现有技术中多层橡胶封堵器气动潜孔锤反循环钻进工艺示意图；

图3为本发明实施例提供的一种用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器的应用场景示意图；

图4a为本发明下钻时的工作示意图；

图4b为本发明下钻后封堵器紧贴井壁的工作示意图一；

图4c为本发明下钻后封堵器紧贴井壁的工作示意图二；

图4d为本发明起钻时的工作示意图；

图5为本发明实施例提供的一种自动控制部分组成示意图；

图6为本发明实施例提供的一种封堵器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种上盖板的俯视图；

图8a为本发明实施例提供的一种支撑套的俯视图；

图8b为本发明实施例提供的一种支撑套的剖视图；

图9为本发明实施例提供的一种尼龙耐磨套的俯视图；

附图标记说明：

01-单壁钻杆，03-橡胶封堵器；

1-地面控制模块，2-中继器，3-井下充放气模块,4-封堵器，5-正反循环转换接头，6-气动潜孔锤，7-双壁钻杆，71-限位短节；

41-上盖板，42-下盖板，43-耐磨环形气囊，44-尼龙耐磨套，45-支撑套，46-气嘴。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1-9，本发明实施例提供一种用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器，包括自动控制部分和封堵器4，自动控制部分包括地面控制模块1、中继器2和井下充放气模块3。

所述封堵器4包括尼龙耐磨套44、支撑套45、上盖板41、下盖板42和耐磨环形气囊43，所述支撑套45环绕所述尼龙耐磨套44，所述上盖板41和所述下盖板42固定在所述支撑套45的上边沿和下边沿，所述耐磨环形气囊43套在所述上盖板41和所述下盖板42上，所述上盖板41上设置有气嘴46，所述尼龙耐磨套44套在双壁钻杆上的限位短节上，可以相对限位短节发生轴向的上下运动，也可以发生旋转运动。所述井下充放气模块3连接所述气嘴46。

所述地面控制模块1通过所述中继器2控制所述井下充放气模块3对所述耐磨环形气囊43进行充放气。

地面人员可以通过地面控制模块发送充放气指令控制井下充放气模块完成对气囊的充放气操作。中继器对通信信号进行放大确保地面与井下通讯畅通。同时地面人员可以通过地面控制模块获取气囊的气压以及电池电量等信息。

在一个示例中，所述井下充放气模块3包括单片机、充气泵、气压传感器、放气阀、电池和无线通信电路组成。

在一个示例中，所述中继器2包括单片机和无线通信电路。

在一个示例中，所述地面控制模块1包括单片机、键盘、显示器和无线通信电路。本发明通过控制气囊的充气状态来控制封堵器与井壁的密封情况，达到阻断流体的正循环通道，实现大口径气动潜孔锤反循环钻进。

在一个示例中，上盖板41和下盖板42各两块，都是半环形的钢板，其通过螺栓及螺母来实现与支撑套45的连接，起到对尼龙耐磨套44的限位作用和对环形气囊保护支撑作用，如图7所示。

支撑套与上、下盖板通过螺栓及螺母来连接，起到一个连接支撑作用，如图8所示。

在一个示例中，尼龙耐磨套44由两个半环形的尼龙套组成，其可以大大改善封堵器和限位短节摩擦状态，其装在支撑套内，上下盖板在轴向上对其进行限位，其与限位短节组成一个运动副，两者间既有转动运动又有直线运动，如图9所示。

工作原理为：

1)下钻：如图4a所示，在下钻过程中，封堵器4的耐磨环形气囊43为欠充气状态，耐磨环形气囊43的外径小于大口径井的直径，封堵器4跟随钻具一起顺利下入到井底。

2)工作循环

步骤1：如图4b所示,封堵器4到达限位短节71的下限位环位置后，井下充放气模块3对封堵器4的耐磨环形气囊43进行充气，使其处于充气状态，耐磨环形气囊43的外壁紧贴井壁，与井壁保持静止。开始钻进，高压气体通过双壁钻杆7的环空到达孔底的气动潜孔锤6，并推动气动潜孔锤6冲击破碎岩石，然后由气动潜孔锤6的排气孔排出到气动潜孔锤6与井壁之间的空隙，由于封堵器4紧贴井壁阻断了气体的正循环通道，强迫气体携带岩屑进入正反循环转换接头5的排渣口，通过双壁钻杆7的内管上返至地面，实现气动潜孔锤6反循环钻进。

步骤2：如图4c所示，钻进过程中，封堵器4保持静止，钻具向下钻进，随着气动潜孔锤6的钻进，限位短节71的上限位环到达封堵器4位置。

步骤3：如图4d所示，地面人员通过钻具进尺，判断限位短节71的上限位环到达封堵器4位置后，通过地面控制模块1命令井下充放气模块3对封堵器4的耐磨环形气囊43进行放气使其处于欠充气状态，其外径小于大口径井的直径，并在重力作用下滑落至限位短节71的下限位环处。至此封堵器4完成一个工作循环，接着重复步骤1、2、3，开始下一个工作循环。

3)提钻：提钻前，井下充放气模块3对封堵器4的耐磨环形气囊43进行放气，使其为欠充气状态，封堵器4的外径小于大口径井的直径，封堵器4跟随钻具一起顺利提出井眼。

本发明的优点：

(1)通过新型封堵系统的控制部分(由地面控制模块、中继器、井下充放气模块组成)，地面人员可以实现对封堵器气囊的充放气操作，同时可以获取气囊的气压以及电池电量等信息。

(2)利用耐磨环形气囊43充气状态来改变封堵器的外径大小，其在欠充气状态时，外径小于井径，可以跟随钻具上下运动，方便上下钻等操作，其在充气状态时，与井壁紧紧贴合并保持静止，阻断流体的正循环通道，强迫流体携带岩屑进入十字接头的排渣口。

(3)在钻进过程中，原有的封堵器(多层橡胶封堵器)跟随钻具一起上下运动和自传，与井壁摩擦频繁，容易出现因过度磨损导致密封不严的情况。而新型封堵器在钻进时，封堵器紧贴在井壁，钻具与井壁不存在相对运动，避免了封堵器的磨损，且二者紧紧贴合，能确保密封效果。

(4)当耐磨环形气囊外壁出现磨损导致封堵不严时，可以通过对气囊进行充气使气囊膨胀与井壁紧紧贴合，保证密封性，可以大大延长封堵器的使用寿命，减少因封堵不严而提钻情况，提高综合钻进效率。

(5)采用四块半环形的钢板组成上盖板和下盖板，通过螺栓及螺母来实现与支撑套的连接，起到对尼龙耐磨套的限位作用和对环形气囊保护支撑作用，使得封堵器与限位短节的组装方便快捷。

(6)采用两个半环形的尼龙套组成尼龙耐磨套，使得封堵器与限位短节的组装方便快捷。同时尼龙耐磨套空套在限位短节上，二者形成运动副既有轴向的相对运动，还有相对的回转运动。但二者相对运动接触面形状规整，同时尼龙耐磨套具有自润滑性，这都能大大减少运动摩擦阻力，提高封堵器使用寿命。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器，其特征在于，包括自动控制部分和封堵器（4），自动控制部分包括地面控制模块（1）、中继器（2）和井下充放气模块（3）；

所述封堵器（4）包括尼龙耐磨套（44）、支撑套（45）、上盖板（41）、下盖板（42）和耐磨环形气囊（43），所述支撑套（45）环绕所述尼龙耐磨套（44），所述上盖板（41）和所述下盖板（42）固定在所述支撑套（45）的上边沿和下边沿，所述耐磨环形气囊（43）套在所述上盖板（41）和所述下盖板（42）上，所述上盖板（41）上设置有气嘴（46），所述尼龙耐磨套（44）套在双壁钻杆上的限位短节上，所述井下充放气模块（3）连接所述气嘴（46）；

所述地面控制模块（1）通过所述中继器（2）控制所述井下充放气模块（3）对所述耐磨环形气囊（43）进行充放气；

工作循环包括以下步骤：

步骤1：封堵器（4）到达限位短节（71）的下限位环位置后，井下充放气模块（3）对封堵器（4）的耐磨环形气囊（43）进行充气，使其处于充气状态，耐磨环形气囊（43）的外壁紧贴井壁，与井壁保持静止；开始钻进，高压气体通过双壁钻杆（7）的环空到达孔底的气动潜孔锤（6），并推动气动潜孔锤（6）冲击破碎岩石，然后由气动潜孔锤（6）的排气孔排出到气动潜孔锤（6）与井壁之间的空隙，由于封堵器（4）紧贴井壁阻断了气体的正循环通道，强迫气体携带岩屑进入正反循环转换接头（5）的排渣口，通过双壁钻杆（7）的内管上返至地面，实现气动潜孔锤（6）反循环钻进；

步骤2：钻进过程中，封堵器（4）保持静止，钻具向下钻进，随着气动潜孔锤（6）的钻进，限位短节（71）的上限位环到达封堵器（4）位置；

步骤3：地面人员通过钻具进尺，判断限位短节（71）的上限位环到达封堵器（4）位置后，通过地面控制模块（1）命令井下充放气模块（3）对封堵器（4）的耐磨环形气囊（43）进行放气使其处于欠充气状态，其外径小于大口径井的直径，并在重力作用下滑落至限位短节（71）的下限位环处，至此封堵器（4）完成一个工作循环，接着重复步骤1、2、3，开始下一个工作循环。

2.根据权利要求1所述的用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器，其特征在于，所述井下充放气模块（3）包括单片机、充气泵、气压传感器、放气阀、电池和无线通信电路组成。

3.根据权利要求1所述的用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器，其特征在于，所述中继器（2）包括单片机和无线通信电路。

4.根据权利要求1所述的用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器，其特征在于，所述地面控制模块（1）包括单片机、键盘、显示器和无线通信电路。

5.根据权利要求1所述的用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器，其特征在于，所述上盖板（41）和所述下盖板（42）都包括两块，都是半环形的钢板，通过螺栓及螺母与支撑套（45）连接。

6.根据权利要求1所述的用于大口径气动潜孔锤反循环钻井工艺的新型封堵器，其特征在于，所述尼龙耐磨套（44）包括两个半环形的尼龙套。

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