CN113107436B - 深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀，涉及深水天然气水合物双层管开采领域，该井下自锁式安全阀主要由上接头、下接头、定位套筒、自锁套筒，安装于定位套筒与自锁套筒之间的节流驱动滑套、自锁机构、安装于节流驱动滑套上的封堵头、安装于定位套筒及自锁套筒上的双层管扶正结构组成。其中自锁机构由自锁套筒、锁止滑套及止推轴承组成，双层管扶正结构由设有过流通道的支撑块组成。本发明可实现在井底发生井涌、井喷时该自锁式安全阀自动关闭；实现对双层管内外管环空通道，内管通道的同时封堵，保证双层管双梯度控压钻井的安全；实现对双层管内外管环空通道，内管通道的稳定封堵，避免井底压力波动对封堵效果的影响。

Description

深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀

技术领域

本发明涉及深水天然气水合物双层管开采领域，具体涉及一种深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀。

背景技术

经过数年的勘探开发，陆地的石油资源开采状态已经接近饱和，向海洋寻求新的油气资源是世界油气开发的新的热点方向。而在我国南海蕴藏的丰富的油气及天然气水合物资源，其大多储藏在深海海域中，在进行海洋钻井时，经常会遇到深水钻井作业压力窗口狭窄、易漏产层、海床疏松表层安全钻进及海底浅层水合物层漏失压力低等难题，而双层管双梯度钻井技术因其特殊的井底压力调节方式有望解决上述难题。

在深水天然气水合物双层管开发作业中，钻开浅层气和储层时等易发生井侵、溢流甚至井喷等危险工况，如果这些危险工况得不到及时控制，会造成重大人员伤亡、经济损失及环境污染。为了有效避免上述情况发生，需要针对双层管的结构设计一种井下防喷装置，实现对井喷等危险工况的快速响应与控制，从而保障深水天然气水合物双层管开发安全作业。

而现有的针对双层管结构的防喷装置存在的问题有：

（1）防喷装置由一组分开的安全阀构成，分别对双层管环空通道，双层管内管通道进行封堵，且需要手动开启，因此当危险工况发生时，不能够同时对双层管环空、双层管内管通道进行封堵。

（2）传统封堵结构例如球阀，锥阀在正常钻进过程中长时间受到循环介质的冲蚀，其使用寿命、可靠性严重降低，且在危险工况出现时已出现被泥砂、岩屑卡死而无法开启的情况。

（3）现有针对双层管的防喷装置利用的是井喷时与正常钻进时的压力差作为驱动力，当井底压力波动时会导致防喷装置时开时闭，封堵效果较差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明专利提供一种深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀，本发明运用流体节流效应设计节流驱动滑套，利用正常钻进与发生井喷事故时通过节流驱动滑套的循环介质的流量的不同，从而在节流驱动滑套节流处产生的压力差为驱动力调整节流驱动滑套位置，进而调整锁止滑套的位置，以此关闭井下自锁式安全阀，因此在发生井喷等危险事故时，该井下自锁式安全阀能够自动关闭，可实现环空通道、双层管内管通道的同时封堵，解决了传统防喷装置需要手动开启的问题；该井下自锁式安全阀对双层管内管通道、环空通道均采用插入式封堵结构，不会因为冲蚀而失效，在发生井涌、井喷时能够有效开启，实现对两通道的封堵；解决了传统锥阀、球阀易受冲蚀失效、易被岩屑卡死无法开启的问题；该井下自锁式安全阀设有锁止滑套、自锁套筒、止推轴承，当时井喷，两通道完成封堵之后，在自锁机构的工作下，节流驱动滑套不会因为井底压力波动而上下移动，导致封堵失效，解决了现有防喷装置会应井底压力波动而出现防喷装置时开时闭的问题。

本发明专利解决其技术问题所采用以下技术方案是：一种深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀，其中定位套筒通过螺纹与上接头连接，支撑块Ⅰ安装在上接头与定位套筒之间、通过轴肩定位，节流驱动滑套安装在定位套筒与自锁套筒之间，且节流驱动滑套上的推块凸起与自锁套筒上自锁导向槽端面重合，节流驱动滑套与定位套筒以及自锁套筒之间为间隙配合；封堵头通过螺纹连接在滑套上端，锁止滑套安装在定位套筒与自锁套筒之间，锁止滑套在节流驱动滑套以及定位套筒作用下实现轴向固定；止推轴承安装于锁止滑套内部弹簧安装在止推轴承与节流驱动滑套之间，弹簧在定位套筒以及锁止滑套作用下实现轴向定位；下接头通过螺纹与自锁套筒连接，支撑块Ⅱ安装于自锁套筒与下接头之间、通过轴肩定位，至此该井下自锁式安全阀的内层结构组装完毕，该井下自锁式安全阀的外层结构由外管下接头、外管上接头组成，外管下接头与外管上接头通过螺纹连接组成该井下防喷装置外壳体，外管上接头通过轴肩定位，在支撑块Ⅰ作用下实现轴向定位，外管下接头通过轴肩定位，在支撑块Ⅱ作用下实现轴向定位。

所述支撑块Ⅰ、支撑块Ⅱ上设有过流孔。

所述外管上接头上设有定位轴肩、内螺纹，外管下接头上设有定位轴肩、外螺纹。

所述上接头下部设有内螺纹、下接头上部设有内螺纹。

所述定位套筒上部设有用于与上接头连接的外螺纹、定位轴肩Ⅰ、内部设有轴向流道。

所述锁止滑套上部设有密封圈槽Ⅰ、密封圈槽Ⅱ、下部设有自锁导向凸起、自锁导向斜面。

所述自锁套筒下部设置有用于与下接头连接的外螺纹、定位轴肩Ⅱ、上部轴向均布有锁定导向槽，且分布方式与节流驱动滑套上推块凸起一致，自锁套筒上部轴向均布有自锁斜面。

所述封堵头下部设有外螺纹，上部设有密封圈槽Ⅲ、密封圈槽Ⅳ。

所述节流驱动滑套上部设有过流通道、密封圈槽、用于安装封堵头的螺纹通孔、下部设有节流口、中部设有周向均布的推块凸起、周向均布的斜面导向槽。

所述密封圈槽Ⅰ、密封圈槽Ⅱ、密封圈槽Ⅲ、密封圈槽Ⅳ、密封圈槽Ⅴ内均安装可被压缩变形的密封圈。

本发明实施例的深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀，至少具有如下有益效果：

（1）当双层管双梯度钻井过程中遭遇井涌、井喷等危险工况时，该井下自锁式安全阀能同时对双层管内管通道以及环空通道进行自动封堵，以保证钻井平台的安全。

（2）该井下自锁式安全阀对双层管内管通道、环空通道均采用插入式封堵结构，不会因冲蚀而失效、因岩屑而卡死无法工作，在发生井涌、井喷时能够有效开启，实现对两通道的封堵

（3）该井下自锁式安全阀设置有自锁结构，当井下自锁式安全阀开启后，不会因为井底压力的波动而导致该井下自锁式安全阀的开启，封堵效果良好。

（4）本发明设置有双层管外管标准接头，内管插扣式连接结构，使用方便，可直接接入钻杆。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明井下自锁式安全阀开启状态与关闭状态示意图；

图2为本发明定位套筒四分之一剖视图；

图3为本发明节流驱动滑套四分之一剖视图；

图4为本发明锁止滑套三维示意图；

图5为本发明支撑块Ⅰ、支撑块Ⅱ三维示意图；

图6为本发明自锁套筒三维示意图；

图7为本发明自锁机构运动以及锁定状态三维示意图；

图8为本发明封堵头三维示意图。

图中：1、上接头；2、支撑块Ⅰ；3、定位套筒；301、外螺纹；302、定位轴肩Ⅰ；303、轴向流道；4、封堵头；401、外螺纹；402、密封圈槽Ⅲ；403、密封圈槽Ⅳ；5、密封圈；6、弹簧；7、止推轴承；8、锁止滑套；801、上部设有密封圈槽Ⅰ；802、密封圈槽Ⅱ；803、自锁导向块；804、自锁斜面；9、节流驱动滑套；901、过流通道；902、螺纹通孔；903、密封圈槽Ⅴ；904、节流口；905、推块凸起；906、斜面导向槽；10、支撑块Ⅱ；11、下接头；12、自锁套筒；1201、外螺纹；1202、定位轴肩Ⅱ；1203、锁定导向槽；1204、自锁导向斜面；13、外管下接头；14、外管上接头。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1-图8所示：一种深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀，它包括上接头1、支撑块Ⅰ2、定位套筒3、封堵头4、密封圈5、弹簧6、止推轴承7、锁止滑套8、节流驱动滑套9、支撑块Ⅱ10、下接头11、自锁套筒12、外管下接头13、外管上接头14；内层结构包括上接头1、通过螺纹与上接头1连接的定位套筒3，安装于上接头1与定位套筒3之间的支撑块Ⅰ2，节流驱动滑套9安装在定位套筒3与自锁套筒12之间，节流驱动滑套9与定位套筒3以及自锁套筒12之间为间隙配合；封堵头4通过螺纹连接在节流驱动滑套9上端，锁止滑套8安装在定位套筒3与自锁套筒12之间，锁止滑套8在节流驱动滑套9以及定位套筒3作用下实现轴向固定，止推轴承7安装于锁止滑套8内部；弹簧6安装在锁止滑套8与节流驱动滑套9之间，弹簧6在定位套筒3以及锁止滑套8作用下实现轴向定位，内层结构还包括通过螺纹与自锁套筒12连接的下接头11，安装于自锁套筒12与下接头11之间的支撑块Ⅱ10，最后外管下接头13与外管上接头14通过螺纹连接组成该井下防喷装置外壳体。

本发明工作过程如下:

正常工作下中，井下自锁式安全阀呈开启状态，钻井液从双层管环空泵入，钻井液从该井下自锁式安全阀连接的双层钻杆环空经过锁止滑套8与外层管内壁之间的环空通道，流入该井下防喷装置下部所连接的双层钻杆环空直至井底，经过底部钻头后钻井液携带岩屑从内管通道返回，携带岩屑的钻井液通过该井下自锁式安全阀的节流驱动滑套9节流口904时，在节流口904处由于过流通道逐渐变小，节流口904大径端压力大于节流口小径端压力，两端的压力差在节流口904处产生向上的推力，由于安装时弹簧6存在预紧力，节流驱动滑套9以及锁止滑套8不会被推动，该井下防喷装置将保持开启状态，钻井液携带岩屑从内管通道返回至地面泥浆系统。

当钻井过程中遇到井涌、井喷等危险工况，井底流体大量快速的通过环空通道、双层管内管通道向上涌出，大量的井底流体从内管通道上返至该井下自锁式安全阀节流口904时，在在节流口904处由于过流通道逐渐变小，节流口904大径端压力大于节流口小径端压力，两端的压力差在节流口处904产生向上的推力，此时推力足以克服弹簧6的预紧力，推动节流驱动滑套9轴向移动，同时节流驱动滑套9上的推块凸起905，推动锁止滑套8沿轴向移动，锁止滑套8上的自锁导向块803沿着自锁套筒12上的锁定导向槽1203移动，直到封堵头4完全插入定位套筒3的轴向流道303、锁止滑套8上的密封圈槽Ⅰ801、密封圈槽Ⅱ802插入定位套筒3与外管上接头14的环空中，此时环空通道与双层管内管通道被封堵；同时自锁导向块803沿轴向移动离开锁定导向槽1203，自锁斜面804沿节流驱动滑套9上的斜面导向槽906移动至自锁导向斜面1204上、止推轴承7随着锁止滑套8的移动转动一定角度，最终自锁斜面804移动至自锁导向斜面1204底端；在自锁导向斜面1204、定位套筒3、弹簧6的作用下实现轴向固定、此时自锁机构完成动作，实现自锁功能；至此双层管井下自锁式安全阀从开启状态转为关闭状态。

由上所述，本发明一种自锁式双层管双梯度钻井井下防喷装置，在井底发生井喷时，井底大量上返的流体流经该井下自锁式安全阀的节流驱动滑套，在节流作用下，产生向上的推力，推力克服弹簧的预紧力，推动节流驱动滑套沿轴向运动，直到封堵头完全插入定位套筒的轴向流道、锁止滑套上的密封圈槽Ⅰ、密封圈槽Ⅱ插入定位套筒与外管上接头的环空中，此时自锁结构完成动作，实现自锁功能。至此井底流体不能再通过双层管两处通道向上涌出，双层管井下自锁式安全阀由开到闭的状态转换完成。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (3)

1.一种深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀，其特征在于，该自锁式安全阀由内层结构，外层结构构成，其中内层结构包括上接头（1）、通过螺纹与上接头（1）连接的定位套筒（3）、安装于上接头（1）与定位套筒（3）之间的支撑块Ⅰ（2）、节流驱动滑套（9）、自锁套筒（12）、封堵头（4）、锁止滑套（8）、止推轴承（7）及弹簧（6），节流驱动滑套（9）安装在定位套筒（3）与自锁套筒（12）之间，节流驱动滑套（9）与定位套筒（3）以及自锁套筒（12）之间为间隙配合，所述节流驱动滑套（9）的上部设有过流通道（901）和用于安装封堵头的螺纹通孔（902），下部设有密封圈槽Ⅴ（903）和节流口（904），中部设有周向均布的推块凸起（905）和周向均布的斜面导向槽（906）；所述自锁套筒（12）的下部设置有用于与下接头（11）连接的外螺纹（1201）和定位轴肩Ⅱ（1202），所述自锁套筒（12）的上部轴向均布有锁定导向槽（1203），且分布方式与节流驱动滑套（9）上的推块凸起（905）一致，自锁套筒（12）上部轴向均布有自锁导向斜面（1204）；封堵头（4）通过螺纹连接在节流驱动滑套（9）上端，锁止滑套（8）安装在定位套筒（3）与自锁套筒（12）之间，锁止滑套（8）在节流驱动滑套（9）以及定位套筒（3）的作用下实现轴向固定，所述锁止滑套（8）上部设有密封圈槽Ⅰ（801）和密封圈槽Ⅱ（802），所述锁止滑套（8）的下部设有自锁导向块（803）和自锁斜面（804），止推轴承（7）安装于锁止滑套（8）的内部；弹簧（6）安装在锁止滑套（8）与节流驱动滑套（9）之间，弹簧（6）在定位套筒（3）以及锁止滑套（8）作用下实现轴向定位，所述内层结构还包括通过螺纹与自锁套筒（12）连接的下接头（11）和安装于自锁套筒（12）与下接头（11）之间的支撑块Ⅱ（10），该深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀的外层结构由外管下接头（13）和外管上接头（14）组成，外管下接头（13）与外管上接头（14）通过螺纹连接，外管上接头（14）通过轴肩定位，在支撑块Ⅰ（2）作用下实现轴向定位，外管下接头（13）通过轴肩定位，在支撑块Ⅱ（10）作用下实现轴向定位。

2.根据权利要求1所述的深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀，其特征在于，所述定位套筒（3）的上部设有用于与上接头（1）连接的外螺纹（301）及定位轴肩Ⅰ（302），所述定位套筒（3）的内部设有轴向流道（303）。

3.根据权利要求1所述的深海天然气水合物双层管开采井下自锁式安全阀，其特征在于，所述封堵头（4）的下部设有外螺纹（401），所述封堵头（4）的上部设有密封圈槽Ⅲ（402）和密封圈槽Ⅳ（403）。

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