CN113090219A

CN113090219A - 一种井下防喷器

Info

Publication number: CN113090219A
Application number: CN202110639807.XA
Authority: CN
Inventors: 于浩; 牟易升; 练章华; 张强; 林铁军; 赵朝阳
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2041-06-09
Also published as: CN113090219B

Abstract

本发明公开了一种井下防喷器，包括依次连接止逆阀系统和胶筒封堵系统；胶筒封堵系统包括外套管、内套管、活塞环和胶筒；内套管的上端从外套管下方插入并固定于外套管中，内套管与外套管之间形成的环形空腔为活塞腔；活塞环位于活塞腔中且与外套管内壁、内套管外壁密封滑动连接，活塞环的上端与内套管内部连通、下端与外套管外部连通；胶筒同轴套设于外套管外壁且其一端与外套管固定连接、另一端与活塞环的下端固定连接；活塞环的一端还连接有定位锁止结构，用于增大活塞环滑动时的起步阻力。本防喷器结构简单，采用活塞环密封，密封效果好，同时本防喷器利用钻柱内外压差实现井下关井、解封，可以重复使用。

Description

一种井下防喷器

技术领域

本发明涉及钻采工具技术领域，具体为一种井下防喷器。

背景技术

在钻井过程中，当钻遇油气层时，如果井底压力低于地层压力，地层流体就会进入井眼，可能产生井涌，井喷，甚至着火等重大事故。出于安全考虑，当发现井涌、井喷征兆时，需要快速高效的进行压井、关井作业。井下防喷器是一种位于井下的用于关井的安全装置，其通过关闭钻柱内部通道以及钻柱与套管之间的外部环空通道，彻底阻止流体上涌，而且由于其位于地下，可以更早地实现关井以确保安全。

目前部分井下防喷器能够自动实现关井作业，极大的提高了安全性，其基本原理都是将钻柱内外流体引入与钻柱同轴套设的滑动部件的两端，利用井涌时钻柱内外流体的压差来推动滑动部件沿钻柱轴线移动，从而挤压钻柱外壁的胶塞，胶塞受压后封堵钻柱与套管之间的环空；其钻柱内壁则主要依靠单向阀止逆封堵。然而现有存在均存在一些问题导致使用不便。如申请号为CN201510201280.7的专利公开了一种结构相对简单的井下防喷器。该防喷能够在井下自动关井，其关井后，通过泄压孔连通钻柱内外流体实现循环，一旦关井锁定后解封困难，即使成功解封，但其采用销钉等固定方式，也需要重新提升至地面修复后才能再次投用，耗时较长。

发明内容

为解决现有技术条件的不足，本发明提供了一种井下防喷器，本防喷器结构简单，采用活塞环密封，密封效果好；本防喷器利用钻柱内外压差实现关井、解封，可以重复使用。本发明的具体方案如下。

一种井下防喷器，其特征在于，包括依次连接的止逆阀系统和胶筒封堵系统；胶筒封堵系统包括外套管、内套管、活塞环和胶筒；内套管的上端从外套管下方插入并固定于外套管中，内套管与外套管之间形成的环形空腔为活塞腔；活塞环位于活塞腔中且与外套管内壁、内套管外壁密封滑动连接，活塞环的上端与内套管内部连通、下端与外套管外部连通；胶筒同轴套设于外套管外壁且其一端与外套管固定连接、另一端与活塞环的下端固定连接；当内套管内、外套管外存在一定压差推动活塞环沿活塞腔轴向移动时，活塞环带动胶筒压缩膨胀实现坐封或拉伸舒张实现解封；活塞环的一端还连接有定位锁止结构，用于增大活塞环滑动时的起步阻力，避免其在小压差条件下动作，小压差条件下我们优先采用压井处理而不必采用关井操作。使用时，外套管的上端与上部钻柱连接、内套管的下端与下部的钻柱连接。止逆阀系统用于封堵外套管内部环空。

本发明的定位锁止结构主要增大活塞环滑动时的起步阻力，需要确保活塞环起步后能够正常滑动。作为本发明的一种实施方式，所述定位锁止结构包括筒体、滚球、弹性元件、止位凹槽；止位凹槽有两个且位于内套管外壁或外套管内壁，两个止位凹槽分别对应活塞环移动时的起点、终点位置；所述筒体沿内套管径向布置且其一端封闭、另一端设置中空部位；所述中空部位的尺寸小于滚球的直径；弹性元件和滚球均位于筒体中且弹性元件一端压紧滚球使得滚球的一端伸出筒体的中空部位压紧止位凹槽；当活塞环移动过程中落入止位凹槽后滑动阻力增大被锁止。

进一步，所述定位锁止结构与所述活塞环的上端连接，所述止位凹槽位于所述外套管内壁；当所述胶筒舒张时，所述滚球所在的止位凹槽与泄压孔连通，泄压孔与外套管外部连通，此时由于滚球压紧止位凹槽，使得泄压孔被关闭；当胶筒压缩滚球移动后将打开泄压孔，实现内套管内、外流体连通循环。

本发明的止逆阀系统可以采用现有止逆阀系统，现有止逆阀系统在正常运行时主要依靠流体挤压阀芯移位脱离阀座，流出通道供流体流通；流体倒流时，大多依靠弹性元件辅助阀芯复位至阀座上堵塞流体的流动通道。然而弹性元件长期承受腐蚀性液体的冲蚀、再叠加震动造成的疲劳损伤，容易失效。作为一种实施方式，本发明提出了一种新的止逆阀系统，其包括阀芯和阀座，所述阀座位于阀芯的上方，所述阀芯为空心体结构，能够漂浮在液面上，使得阀芯依靠浮力上浮压紧阀座达到止逆的目的。

对于关井过程而言，其胶筒压缩过程中需要的提供的压力是不断增加的，而且这个压力来自活塞环两端的压力差，为了达到快速关井的目的，我们希望这个压力差尽量大，而这个压力差受活塞环两端面积限制，由于受钻柱直径影响，这个活塞环两端的面积并不大，因此有时会出现压力不足难以将胶筒压紧、关闭钻柱的外环空的情形，即关井失败，这也是很多其他井下防喷器共同面临的问题。对此本发明提出将止逆阀系统的阀芯与活塞环联动，利用阀芯两端的压差来辅助活塞环移动，这有利于提高开井、关井速率。具体而言，所述止逆阀系统包括阀芯和阀座，阀座位于阀芯的上方；所述阀芯与所述活塞环经限位结构滑动连接，限位结构用于限制阀芯沿活塞环移动的距离，使得阀芯沿活塞环轴线滑动一定距离两者一起移动；所述阀芯包括直管段、扩径段；所述直管段的尺寸小于阀座流道的尺寸，使得直管段能够穿过阀座流道，当流体流动过程中直管段进入阀座流道会产生节流作用增大阀芯上、下端面的压差；所述扩径段与阀座配合，扩径段压紧阀座后能够关闭阀座流道达到阻止流体逆向流动的目的；当所述胶筒完全舒张时，阀芯受流体冲击下移，所述阀芯与所述阀座之间存在环空供流体流动；当出现井喷时，阀芯上升并沿活塞环轴向滑动至阀芯与活塞环一起移动，此时，直管段的一部分进入阀芯流道中，阀芯上下端压差开始辅助活塞环移动；胶筒压缩过程中，直管段沿继续沿阀座的流道移动；当胶筒完全压缩坐封后，扩径段压紧阀座关闭内套管；当胶筒完全压缩坐封后再次解封时，向内套管上端注入流体，阀芯上端面压力大于下端面压力，阀芯开始沿活塞环轴向滑动至阀芯与活塞环一起移动，此时，直管段的一部份仍然位于阀座流道中，能够将阀芯的压力差提供给活塞环辅助其移动。

进一步，所述阀芯为空心体结构，能够漂浮在液面上。

与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本防喷器结构简单，采用活塞环密封，密封效果好；同时，密封环配合定位锁止结构，可以在井下直接反复地关井、解封，而不需要升井修复，因此可以节省作业时间。

（2）当采用空心阀芯后，阀芯依靠浮力自动与阀座贴合后关闭内套管内环空，省去了弹性元件、降低了故障率，关井成功率高。

（3）当阀芯与活塞环联动后，利用阀芯端面的压差来辅助活塞环移动，可以显著提高活塞环移动的推力，实现快速地关井、解封。

附图说明

图1是本实施例防喷器的整体结构示意图。

图2是本实施例防喷器的剖视图。

图3是本实施例防喷器上端的剖视图。

图4是本实施例防喷器下端的剖视图。

图5是外套管的剖视图。

图6是内套管与阀座组合体的剖视图。

图7是活塞环的剖视图。

图8是支撑环的结构示意图。

图9是图3中C部位的放大图。

图10是定位锁止结构的装配图。

图中，止逆阀系统A、胶筒封堵系统B。

外套管1、内套管2、活塞环3、胶筒4、定位锁止结构5、阀芯6、阀座7、限位结构8、活塞腔9、泄压孔10。

凸台11、齿形开口12、轴肩13、活塞支撑筒31、内密封环32、外密封环33、凸块34、筒体51、滚球52、弹性元件53、止位凹槽54、直管段61、扩径段62、流道71、弧形支撑片81、支撑环82、连接杆83。

空隙111、压紧环311、中空部位511、通孔821、限位台831。

引导管8211。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，需指出的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。

实施例

请参考图1～图9，一种井下防喷器，请看图2，本防喷器包括依次连接止逆阀系统A和胶筒封堵系统B；胶筒封堵系统B包括外套管1、内套管2、活塞环3、胶筒4和定位锁止结构5；止逆阀系统A包括阀芯6、阀座7和限位结构8。

请结合图5，图5是外套管的剖视图，外套管1的内壁设置有4个凸台11，4个凸台11沿外套管1圆周布置且相互之间间隔一定距离形成空隙111；外套管1下端沿轴向设置有4个齿形开口12，外套管1外壁中部设置有轴肩13。请结合图6，图6是内套管与阀座组合体的剖视图，内套管2的下端与阀座7连接，两者一体成型，内套管2的上端外壁设置有外螺纹。请继续参考图2，内套管2的上端从外套管1的下端插入外套管1中并与凸台11通过螺纹固定连接，连接后，外套管1的下端压紧阀座7外侧，使得外套管1上、下端均有支撑、连接牢固。连接后，外套管1与内套管2之间形成的环形空腔为活塞腔9，活塞环3位于活塞腔9中且与外套管1内壁、内套管2外壁密封滑动连接，此时，活塞环3的上端经凸台11之间的空隙111与外套管1内部连通、下端经齿形开口12与外套管1外部连通。

请进一步结合图7，图7是活塞环的剖视图。活塞环3包括活塞支撑筒31、内密封环32、外密封环33；活塞支撑筒31的下部内、外壁均设置有轴肩13，上部内、外壁均设有螺纹；内密封环32的外壁压紧活塞支撑筒31的内壁，且内密封环32的下端压紧活塞支撑筒31下部内壁的轴肩13、上端则通过压紧环311与支撑筒31内壁螺纹连接来压紧；同理，外密封环33的下端压紧活塞支撑筒31下部外壁的轴肩13、上端则通过压紧环311与支撑筒31外壁螺纹连接来压紧。活塞环3下端外壁设置有4个凸块34。请继续结合图2，四个凸块34向外侧延伸并对应穿过外套管1下端的4个齿形开口12，胶筒4同轴套设于外套管1外壁且其上端与外套管1的轴肩13固定连接、下端与活塞环3下端的凸块34固定连接，当外套管1内、外压差推动活塞环3沿活塞腔9轴向移动时，活塞环3下端的凸块34将沿着齿形开口12移动、带动胶筒4压缩膨胀坐封或拉伸舒张解封。

请结合图2～4，限位结构8包括4个弧形支撑片81、支撑环82、连接杆83；4个弧形支撑片81的下端穿过凸台11之间的空隙111后与活塞环3的上端固定连接，两者一体成型；4个弧形支撑片81的上端内侧设有内螺纹，支撑环82经该内螺纹与弧形支撑片82固定连接；连接杆83的上端穿过支撑环82中部通孔821并与其滑动连接；连接杆83的下端与阀芯6连接。支撑杆83上端、位于支撑环82两侧均设有限位台831，起限位作用，限位台831的尺寸大于支撑环82中部通孔821的尺寸，用于限制阀芯6沿活塞环3轴向移动的距离，使得阀芯6沿活塞环3轴向滑动一定距离两者一起移动。请参考图8，图8是支撑环结构示意图，支撑环82中部通孔821沿内套管2轴向延伸形成引导管8211，用于引导连接杆83轴向移动。

请参考图4，阀座7位于阀芯6的上方，阀座7上设有贯穿本体的流道71，供流体流通；所述阀芯6为空心结构，能够依靠浮力漂浮在液面上，阀芯6包括直管段61和扩径段62；所述直管段61的尺寸小于流道71的尺寸，使得直管段61能够穿过阀座7的流道71，当流体流动过程中直管段61进入阀座7的流道71会产生节流作用增大阀芯6上、下端面的压差；所述扩径段62与阀座7配合，扩径段62压紧阀座7后能够关闭阀座7的流道71。

请继续参考图2，当所述胶筒4完全舒张时，阀芯6受流体冲击下移，所述阀芯6与所述阀座7之间存在环空供流体流动，当阀芯6受到的冲击力低于阀芯6的浮力时，阀芯6上浮并沿活塞环3轴向滑动至连接杆压紧限位台831，然后阀芯6与活塞环3一起移动，此时，直管段61的一部分进入阀座7的流道71中，阀芯6上下端压差开始辅助活塞环3移动；胶筒4压缩过程中，直管段61继续沿阀座7的流道71移动；当胶筒4完全压缩坐封后，扩径段62压紧阀座7关闭内套管2；当胶筒4完全压缩坐封后再次解封时，向内套管2上端注入流体，阀芯6上端面压力大于下端面压力，阀芯6开始沿活塞环3轴向滑动至阀芯6与活塞环3一起移动，此时，直管段61的一部份仍然位于阀座7的流道71中，能够将阀芯6的压力差提供给活塞环3辅助其移动。

请参考图3、图5、图9和图10，图9是图3中C部位的放大图，图10是定位锁止结构的装配图，定位锁止结构5连接于活塞环3的上端，用于增大活塞环3滑动时的起步阻力，避免其在小压差条件下动作；具体而言，所述定位锁止结构5有四套，每套均包括筒体51、滚球52、弹性元件53、止位凹槽54；止位凹槽54有两个且位于外套管1外壁，两个止位凹槽54分别对应活塞环3移动时的起点、终点位置；所述筒体51沿内套管2径向布置并固定在弧形支撑片81上，筒体51的一端封闭、另一端设置中空部位511；所述中空部位511的尺寸小于滚球52的直径；弹性元件53和滚球52均位于筒体51中且弹性元件53一端压紧滚球52使得滚球52的一部分伸出筒体51的中空部位511压紧止位凹槽54；当活塞环3移动过程中落入止位凹槽54后滑动阻力增大被锁止。此外，当胶筒4舒张时，所述滚球52此时所在的止位凹槽54与泄压孔10连通，因此，当胶筒4压缩后滚球52移动则打开泄压孔10，实现外套管1内、外经止位凹槽54、泄压孔10连通，用于流体继续循环。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种井下防喷器，其特征在于，包括依次连接的止逆阀系统和胶筒封堵系统；胶筒封堵系统包括外套管、内套管、活塞环和胶筒；内套管的上端从外套管下方插入并固定于外套管中，内套管与外套管之间形成的环形空腔为活塞腔；活塞环位于活塞腔中且与外套管内壁、内套管外壁密封滑动连接，活塞环的上端与外套管内部连通、下端与外套管外部连通；胶筒同轴套设于外套管外壁且其一端与外套管固定连接、另一端与活塞环的下端固定连接；活塞环的任意一端还连接有定位锁止结构，用于增大活塞环滑动时的起步阻力；所述止逆阀系统用于井喷时封堵外套管内部环空。

2.根据权利要求1所述的一种井下防喷器，其特征在于，所述止逆阀系统包括阀芯和阀座，阀座位于阀芯的上方；所述阀芯为空心体结构，能够漂浮在液面上，使得井喷时阀芯依靠浮力上浮压紧阀座封堵外套管内部环空。

3.根据权利要求1所述的一种井下防喷器，其特征在于，所述止逆阀系统包括阀芯和阀座，阀座位于阀芯的上方；所述阀芯与所述活塞环经限位结构滑动连接，限位结构用于限制阀芯沿活塞环轴向移动的距离，使得阀芯沿活塞环轴线滑动一定距离后两者一起移动；所述阀芯包括直管段、扩径段；所述直管段的尺寸小于阀座的流道的尺寸，流体流动过程中直管段进入阀座的流道会产生节流作用增大阀芯上、下端面的压差；所述扩径段与阀座配合，扩径段压紧阀座后关闭阀座的流道；当所述胶筒完全舒张时，阀芯受流体冲击下移，所述阀芯与所述阀座之间存在环空供流体流动；当出现井喷时，阀芯上升并沿活塞环轴向滑动至阀芯与活塞环一起向上移动，此时，直管段的一部分进入阀芯流道中，阀芯上下端压差开始辅助活塞环移动；胶筒压缩过程中，直管段继续沿阀座的流道向上移动；当胶筒完全压缩坐封后，扩径段压紧阀座关闭内套管；当胶筒完全压缩坐封后再次解封时，向内套管上端注入流体，阀芯上端面压力大于下端面压力，阀芯开始沿活塞环轴向滑动至阀芯与活塞环一起移动，此时，直管段的一部份仍然位于阀座流道中，能够将阀芯的压力差提供给活塞环辅助其移动。

4.根据权利要求3所述的一种井下防喷器，其特征在于，所述阀芯为空心体结构，能够漂浮在液面上。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种井下防喷器，其特征在于，所述定位锁止结构包括筒体、滚球、弹性元件、止位凹槽；止位凹槽有两个且位于内套管外壁或外套管内壁，两个止位凹槽分别对应活塞环移动时的起点、终点位置；所述筒体沿内套管径向布置且其一端封闭、另一端设置中空部位；所述中空部位的尺寸小于滚球的直径；弹性元件和滚球均位于筒体中且弹性元件一端压紧滚球使得滚球的一端伸出筒体的中空部位压紧止位凹槽；当活塞环移动过程中落入止位凹槽后滑动阻力增大被锁止。

6.根据权利要求5所述的一种井下防喷器，其特征在于，所述定位锁止结构与所述活塞环的上端固定连接，所述止位凹槽位于所述外套管内壁；当所述胶筒舒张时，所述滚球所在的止位凹槽与泄压孔连通，所述泄压孔与外套管外部连通。