CN113445962B - 一种液动式双层管双梯度井下防喷阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液动式双层管双梯度井下防喷阀，该井下防喷阀主要由上接头、下接头，安装于上、下接头之间的中间套管，安装于中间套管上的挤压板，上阀座、下阀座，安装于上、下阀座之间的球阀驱动装置，安装于球阀驱动装置上的过流管，安装于下接头上的胶筒组成。双层管内管封堵结构主要由上、下阀座、球阀、球阀驱动装置组成。球阀驱动装置由驱动滑套、偏心销组成。本发明的有益效果是可实现在发现井底发生井涌、井喷时实现对双层管内外管环空通道、内管通道的可控同时封堵；封堵效果稳定，封堵效果不受井底压力波动影响，保证双层管双梯度控压钻井的安全；在压井完成，井涌、井喷得到控制后，防喷阀可重新开启保证钻井的正常进行。

Description

一种液动式双层管双梯度井下防喷阀

技术领域

本发明涉及到双层管双梯度控压钻井技术领域，具体涉及一种液动式双层管双梯度井下防喷阀。

背景技术

海洋天然气水合物因其能量密度高，储量巨大而被视为未来主要的的替代能源，是世界能源开发的热点方向，在我国南海蕴藏的丰富的油气及天然气水合物资源，其大多储藏在深水海域中，在此海域内钻井需要面对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控压技术有望解决上述问题。

在双层管双梯度控压钻井作业中，钻至浅层气储层时极易发生井侵、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，从而保障双层管双梯度控压钻井安全作业。

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防喷阀构成，分别对双层管环空通道，双层管内管通道进行封堵，使用时需要分别开启，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)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，需要在内管通道设置具有较大的受力面的分隔板，使内管通道变小，严重影响内管中岩屑的运移。

(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，会出现封堵不严，封堵效果较差的后果。

(4)传统井底防喷装置在关闭之后无法开启，需要回收更换零部件，使用不够方便。

发明内容

为了解决上述问题，本发明专利提供一种液动式双层管双梯度井下防喷阀，本发明以液压驱动作为驱动力，同时在中间套管与下接头之间安装有胶筒，利用在海面下放的液压管线连接在中间套管的注入口Ⅰ、注入口Ⅱ、通过改变液压油的注入方式改变球阀驱动装置沿轴向的运动方向，实现球阀的转动，通过改变液压油的注入方式控制胶筒是否受压，进而实现对双层管内管以及双层管内外管环空的同时自主封堵，解决了传统防喷装置需要分别开启、无法同时封堵的问题；同时液压驱动球阀封堵的结构能够在内管中保留足够大的通径供岩屑运移，能够解决传统双层管防喷装置中岩屑运移困难的问题；当球阀完成封堵后，井底压力的波动不会影响双层管内管以及内外层环空通道的封堵效果，解决了现有防喷装置会在井底压力波动时时开时闭，封堵效果较差的问题，当通过压井等方式使井底压力降低之后，改变液压油的注入方式可使防喷阀重新开启，可使钻井继续进行。解决了传统井下防喷装置关闭之后需要手动开启或更换零件的问题，达到可重复使用的目的。

本发明专利解决其技术问题所采用以下技术方案是：一种液动式双层管双梯度井下防喷阀，其中定位套筒安装在中间套管下端，通过轴肩以及下接头定位，胶筒安装在下接头上，下接头与中间套管下端通过螺纹连接，使得定位套筒以及胶筒实现轴向固定，过流管Ⅱ与定位套筒上端通过螺纹连接，下阀座安装在过流管Ⅱ与中间套管之间；球阀驱动装置与球阀安装在下阀座上部，通过上阀座与下阀座实现轴向定位，其中球阀驱动装置由驱动滑套，偏心销组成，球阀安装在驱动滑套内，通过导向槽Ⅰ实现固定，偏心销穿过通孔安装在球阀上的导向槽Ⅱ中，通过螺帽实现偏心销在驱动滑套上的固定；上阀座安装在中间套管内，过流管Ⅰ通过螺纹连接安装在与上接头下端，球阀与过流管Ⅰ、过流管Ⅱ之间为间隙配合，上接头通过螺纹连接安装在中间套管上部，挤压块通过穿过导向槽Ⅲ的螺钉与上阀座连接固定，可随上阀座一起沿轴向移动；该防喷阀外层结构由外管上接头、外管下接头、支撑环组成，支撑环通过螺纹连接安装下接头上，外管上接头与外管下接头通过螺纹连接组成该防喷阀的外壳体，外管上接头与外管下接头通过轴肩实现轴向定位。

所述中间套管上设有注入口Ⅰ、流道Ⅰ、注入口Ⅱ、流道Ⅱ、上部设有内螺纹Ⅰ、中部设有导向槽Ⅲ、下部设有内螺纹Ⅱ。

所述下阀座与上阀座与中间套管之间为间隙配合，上阀座以及下阀座均能沿轴向移动。

所述外管上接头下部设置有连接外螺纹、上部轴向定位轴肩，外管下接头下部设有连接内螺纹、上部设有轴向定位轴肩。

所述述上接头设有扇形支撑块、且扇形支撑块沿周向均布，不会阻挡注入口Ⅰ、注入口Ⅱ、中部设有密封圈槽Ⅰ、外螺纹Ⅰ、下部设有内螺纹Ⅰ。

所述下阀座上设置有密封圈槽，定位轴肩。

本发明的有益效果是：

(1)在双层管双梯度控压钻井工艺发生溢流、井喷等危险工况时，同时完成对双层管内管通道以及双层管环空通道的封堵以保证钻井平台的安全。

(2)采用液压驱动球阀封堵的结构能够在内管中留有较大的通径供岩屑运移。

(3)在该防喷阀实现内管通道与内外管环空通道同时封堵后，其封堵效果不会受到井底压力波动的影响，封堵性能可靠。

(4)在该防喷装置因井喷等原因关闭之后，当压井完成，改变液压油注入方式可使该防喷阀开启，使得钻井正常进行。

附图说明:

图1为本发明整体结构二维示意图；

图2为本发明中间套管结构示意图；

图3为本发明驱动滑套三维结构示意图；

图4为本发明球阀结构示意图；

图5为本发明球阀开启与关闭示意图；

图6为本发明定位套筒三维结构示意图；

图7为本发明上接头三维结构示意图；

图8为本发明下接头三维结构示意图；

图中：1-上接头；101-扇形支撑块；102-密封圈槽Ⅰ；103-外螺纹Ⅰ；104-内螺纹Ⅰ；2-中间套管；201-注入口Ⅰ；202-流道Ⅰ；203-注入口Ⅱ；204-流道Ⅱ；205-内螺纹Ⅱ；206-导向槽Ⅲ；207-安装槽；208-内螺纹Ⅲ；3-过流管Ⅰ；4-上阀座；401-密封圈槽Ⅱ；402-螺钉孔；403-密封圈槽Ⅲ；404-密封圈槽Ⅳ；405-限位台阶；5-驱动滑套；501-导向槽Ⅰ；502-通孔；6-球阀；601-导向槽Ⅱ；602-圆台；7-过流管Ⅱ；8-下阀座；9-定位套筒；901-内螺纹Ⅳ；902-密封圈槽Ⅴ；903-定位台阶；11-胶筒；12-支撑环；13-下接头；1301-外螺纹Ⅱ；1302-定位轴肩Ⅰ；1303-外螺纹Ⅲ；1304-定位轴肩Ⅱ；14-外管下接头；15-偏心销；16-外管上接头。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下描述：如图1至图8所示，一种液动式双层管双梯度井下防喷阀，它包括上接头1、中间套管2、过流管Ⅰ3、上阀座4、驱动滑套5、球阀6、过流管Ⅱ7、下阀座8、定位套筒9、挤压块、胶筒11、支撑环12、下接头13、外管下接头14、偏心销15、外管上接头16、其中定位套筒9安装在中间套管2下端，胶筒11安装在下接头13上，下接头13通过螺纹连接在中间套管2下端，实现定位套筒9、胶筒11的轴向固定，过流管Ⅱ7通过螺纹连接在定位套筒9上端，下阀座8安装在过流管Ⅱ7与中间套管2之间；球阀驱动装置与球阀6安装在下阀座8上部，其中球阀驱动装置由驱动滑套5，偏心销15组成，球阀6安装在驱动滑套5内，通过导向槽Ⅰ501实现固定，偏心销15穿过通孔502安装在球阀6上的导向槽Ⅱ601中，通过螺帽实现在驱动滑套5上的固定；上阀座4安装在中间套管2内，过流管Ⅰ3通过螺纹连接安装在上接头1下端，球阀6与过流管Ⅰ3、过流管Ⅱ7之间为间隙配合，上接头1通过螺纹连接安装在中间套管2上部，挤压块通过穿过导向槽Ⅲ206的螺钉与上阀座4连接固定，可随上阀座4一起沿轴向移动；该防喷阀外层结构由外管上接头16、外管下接头14、支撑环12组成，支撑环12通过螺纹连接安装下接头13上，外管上接头16与外管下接头14通过螺纹连接组成该防喷阀的外壳体，外管上接头16与外管下接头14通过轴肩实现轴向定位，安装完成后经液压管线油注入口Ⅰ201注入液压油，下阀座8在液压作用下推动球阀驱动装置、上阀座4向上运动，此时偏心销15带动球阀6转动至开启位置，此时该防喷阀可接入双层管使用。

本发明工作过程如下：

正常钻进过程中，从该井下防喷阀呈开启状态，钻井液从双层管环空泵入，钻井液流入该井下防喷装置上部所连接双层钻杆环空经过上接头1与外管上接头16内壁组成的环形通道，流入该井下防喷阀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，携带岩屑的钻井液经过下接头13、定位套筒9、过流管Ⅱ7、球阀6、过流管Ⅰ3、上接头1从内管通道返回至地面泥浆系统进行后处理。

当钻井过程中遇到井喷等危险工况，井底流体大量快速的通过双层管环空通道，双层管内管通道向上涌出，海面平台工作人员发现该紧急情况，结束向注入口Ⅰ201注入液压油，通过液压管线经注入口Ⅱ203注入液压油，此时上阀座4与中间套管2之间的液压腔在液压油作用下压力大于下阀座8与中间套管2之间液压腔压力，上阀座4、驱动滑套5、下阀座8在液压作用下沿轴向下移，此时驱动滑套5带动偏心销15下移，偏心销15通过导向槽Ⅱ601带动球阀6旋转，当下阀座8沿轴向下移至中间滑套2下部，球阀6旋转至指定位置，完成内管通道的封堵，同时，通过销钉与上阀座4连接的挤压块随着上阀座4的下移，沿导向槽Ⅲ206轴向下移，下移过程中挤压块挤压胶筒11，胶筒11在下接头13以及挤压块的作用下发生径向变形，当胶筒11与外层管内壁接触变形，双层管内外管环空通道被封堵，至此防喷阀从开启状态转为关闭状态。当压井工作完成后，井底压力降低，海面平台工作人员结束向注入口Ⅱ203注入液压油，通过液压管线经注入口Ⅰ201注入液压油，此时上阀座4与中间套管2之间的液压腔压力降低而下阀座8与中间套管2之间液压腔压力上升，此时上阀座4、驱动滑套5、下阀座8在液压作用下沿轴向上移，此时驱动滑套5带动偏心销15上移，偏心销15通过导向槽Ⅱ601带动球阀6旋转，当上阀座4沿轴向上移至中间套管2上部，球阀6旋转至开启状态，内管通道重新开启；与此同时通过销钉与上阀座4连接的挤压块随着上阀座4的上移，沿导向槽Ⅲ206轴向上移，上移过程中胶筒1逐渐恢复原状，当上阀座4沿轴向上移至中间滑套2上部，胶筒11完全恢复原状，双层管内外管环空通道重新开启，至此双层管井下防喷阀重新自动开启，保证钻井的继续。

由上所述，本发明液动球阀式双层管井下防喷阀，在井底发生井喷时，井底大量流体经内层管上返，此时改变液压油的注入方式，上阀座、驱动滑套、下阀座轴向下移，球阀旋转至关闭位置，完成内管通道的封堵，胶筒在挤压块以及下接头的作用沿径向变形，完成双层管内外管环空通道封堵，至此井底流体不能再通过双层管两处通道向上涌出，该井下防喷阀由开到闭的状态转换完成，双层管内外管环空，双层管内管通道被完全封堵，当压井完成后，再次改变液压液压油的注入方式，上阀座、驱动滑套、下阀座上移，球阀重新旋转至开启位置、胶筒恢复原状，该防喷阀重新开启。本发明能够在井底发生井喷等危险工况时对双层管内外管环空，双层管内管通道实现同时完全封堵，能够有效防止由于井喷导致的钻井事故的发生。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种液动式双层管双梯度井下防喷阀，该防喷阀内层结构，由上接头(1)、中间套管(2)、挤压块、过流管Ⅰ(3)、上阀座(4)、球阀驱动装置、球阀(6)、下阀座(8)、过流管Ⅱ(7)、定位套筒(9)、胶筒(11)、下接头(13)组成；其中定位套筒(9)安装在中间套管(2)下端，胶筒(11)安装在下接头(13)上，下接头(13)通过螺纹连接在中间套管(2)下端同时实现定位套筒(9)、胶筒(11)的固定，过流管Ⅱ(7)通过螺纹连接在定位套筒(9)上端，下阀座(8)安装在过流管Ⅱ(7)与中间套管(2)之间；球阀驱动装置与球阀(6)安装在下阀座(8)上部，其中球阀驱动装置由驱动滑套(5)，偏心销(15)组成，所述驱动滑套(5)上设有导向槽Ⅰ(501)、通孔(502)，所述球阀(6)上设有导向槽Ⅱ(601)、圆台(602)，球阀(6)安装在驱动滑套(5)内，通过导向槽Ⅰ(501)实现径向固定，偏心销(15)穿过通孔(502)安装在球阀(6)上的导向槽Ⅱ(601)中，通过螺帽实现偏心销(15)在驱动滑套(5)上的固定；上阀座(4)安装在中间套管(2)内，过流管Ⅰ(3)通过螺纹连接安装在上接头(1)下端，球阀(6)与过流管Ⅰ(3)、过流管Ⅱ(7)之间为间隙配合，上接头(1)通过螺纹连接安装在中间套管(2)上部，所述中间套管(2)上设有注入口Ⅰ(201)、流道Ⅰ(202)、注入口Ⅱ(203)、流道Ⅱ(204)、上部设有内螺纹Ⅱ(205)、中部设有导向槽Ⅲ(206)、外部设有安装槽(207)、下部设有内螺纹Ⅲ(208)，挤压块安装在中间套管(2)的安装槽(207)中，通过螺钉与上阀座(4)连接固定，可随上阀座(4)一起沿轴向移动；该防喷阀外层结构由外管上接头(16)、外管下接头(14)、支撑环(12)组成，支撑环(12)通过螺纹连接安装下接头(13)上，外管上接头(16)与外管下接头(14)通过螺纹连接组成该防喷阀的外壳体。

2.根据权利要求1所述的一种液动式双层管双梯度井下防喷阀，其特征在于：所述上接头(1)上部设有扇形支撑块(101)、密封圈槽Ⅰ(102)、下部设有外螺纹Ⅰ(103)、内螺纹Ⅰ(104)。

3.根据权利要求1所述的一种液动式双层管双梯度井下防喷阀，其特征在于：所述上阀座(4)上部设有密封圈槽Ⅱ(401)、密封圈槽Ⅲ(403)、下部设有螺钉孔(402)、密封圈槽Ⅳ(404)、限位台阶(405)。

4.根据权利要求1所述的一种液动式双层管双梯度井下防喷阀，其特征在于：所述定位套筒(9)上部设有内螺纹Ⅳ(901)、下部设有密封圈槽Ⅴ(902)、定位台阶(903)。

5.根据权利要求1所述的一种液动式双层管双梯度井下防喷阀，其特征在于：所述下接头(13)上部设有外螺纹Ⅱ(1301)、定位轴肩Ⅱ(1304)，下部设有定位轴肩Ⅰ(1302)、外螺纹Ⅲ(1303)。

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