CN115234190A - 一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，包括组合式防喷组件和管路组件，组合式防喷组件安装在井口地面，其内部中空通道用于通过钻进系统和多通道缆管，组合式防喷组件通过可变径密封件在钻进过程中和钻进系统提出井口时对井筒进行持续密封，并在井筒压力过大时通过泄压管路进行泄压；管路组件用于为钻井液的反循环和自平衡钻进系统的电路系统提供通道。本发明保证自平衡钻进系统在钻井过程中井筒的持续密封，并实时监测和保护井筒压力，在其压力过大时进行泄压，为自平衡钻进系统在钻井过程中的井内安全提供保障，并实现适应于自平衡钻进的通畅循环。
Description
技术领域
本发明属于钻井工程设备技术领域，具体涉及一种适用于油气钻井、科学钻探、潜在地下资源和救援钻孔等技术领域的用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统。
背景技术
现有的自平衡钻进技术，如本申请人此前提出的“一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统”(公布号CN106761480B)，可解决钻柱回转钻进产生的反扭矩危害，改变钻头单向碎岩对围岩的扰动强度，简化地面钻探装备和配套的工具及工艺方法。然而，目前缺少针对该钻具系统的井口防喷装置及钻井液和电路系统的管路通道。
井口防喷装置的功能是：在地层压力大于井内压力的情况下通过专用装置对井内泥浆液柱进行控制,并形成可控循环。现有的钻井防喷器主要包括闸板防喷器和环形防喷器两种，无法满足自平衡钻进技术的防喷和反循环钻进工艺需求。同时，现有防喷技术与装置存在着以下不足：第一，密封块是易损件，在发生损坏时，难以对密封块进行更换，只能更换整个防喷器，造成了大量的资源浪费；第二，现有防喷器主要采用液压进行密封，管路复杂，维护繁琐，且不智能。
此外，由于本申请人此前提出的“一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统”(公布号CN106761480B)与传统钻具的结构和工艺差异，现有钻进工艺的泥浆循环模式不再适用。自平衡钻进技术的多通道缆管通过“一种连续管大容量储运装置”进行提放，具体见专利公开号：CN114412392A，目前还没有适用自平衡有缆钻具的反循环模式。
综合来看，现有的防喷器及地面管路系统不适用于自平衡钻具系统，为完善自平衡钻进技术，保证自平衡钻具钻进过程中的井口安全，发明一种自平衡钻进井口防喷装置及管路系统意义重大。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的在于：提供一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，旨在为自平衡钻进系统在钻井过程中的井内安全提供保障，并实现适应于自平衡钻进的通畅循环。
(二)技术方案
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，包括组合式防喷组件和管路组件，组合式防喷组件安装在井口地面，其内部中空通道用于通过钻具和多通道缆管组合式防喷组件通过可变径密封件在钻进过程中和钻具提出井口时对井筒进行持续密封，并在井筒压力过大时通过泄压管路进行泄压；管路组件用于为钻井液的反循环和自平衡钻进系统的电路系统提供通道。
进一步地，组合式防喷组件包括闸板外壳、盖板、第一闸板电机、第一闸板、第二闸板电机、第二闸板、密封座、压井阀、压力表、可变径密封件、密封件固定板、电机座、丝杠电机和顶盖；闸板外壳内腔安装有第一闸板电机、第一闸板、第二闸板电机和第二闸板，其中间有环空通道用于通过钻具和多通道缆管，闸板外壳底部与表层套管顶部法兰连接，并进行静密封处理，表层套管埋入井筒中，用于隔离上部含水层；第一闸板电机的转子带有丝杠，与第一闸板为丝扣连接，用于驱动第一闸板做横向直线往返运动；所述第二闸板电机的转子带有丝杠，与第二闸板为丝扣连接，用于驱动第二闸板做横向直线往返运动；第一闸板和第二闸板均为头部切出矩形口的钢板，安装方向中心对称，当第一闸板和第二闸板伸长到最远端相互靠近时，矩形口相互咬合，将井筒完全封住；盖板分别安装在第一闸板电机和第二闸板电机的后部，与闸板外壳固定，并进行静密封处理；密封座底部与闸板外壳顶部固定，并进行静密封处理；压井阀安装在密封座的泄压管路的一端，与密封座之间进行静密封处理，用于对井筒泄压；压力表安装在密封座的压力检测管路的一端，用于实时监测井筒压力；可变径密封件的球形外壁面与密封座的球形内壁面滑动紧密配合，可变径密封件的环形内壁面与多通道缆管外壁或钻具滑动紧密配合；所述密封件固定板安装在密封座上部的环空内；所述电机座下部与密封座固定连接；所述丝杠电机固定在电机座环形台面的上表面，丝杠与密封件固定板固定连接；所述顶盖下部与电机座固定连接，并做静密封处理，用于保护丝杠电机。
进一步地，所述密封座侧壁设置泄压管路和压力检测管路；泄压管路一端与内环空相通，另一端与侧壁相通，用于当井筒压力过高时进行泄压处理；压力检测管路一端与泄压管路相通，另一端与外壁相通；密封座内壁设置球形内壁面和竖直的导轨。
进一步地，所述密封件固定板的底面设置环槽，外侧壁对称设置矩形滑槽，矩形滑槽与密封座的导轨滑动配合，保证密封件固定板在密封座内部做轴向直线运动。
进一步地，所述电机座下部与密封座固定连接并做静密封处理，电机座的环形台面环向分布多个通孔，用于通过丝杠电机的丝杠。
进一步地，所述顶盖顶部对称设置两个通孔，用于组合式防喷组件的吊取。
进一步地，管路组件包括钻井液喷射件、多通道缆管、三通接头和注入管；钻井液喷射件下部与自平衡钻进系统顶部固定连接，其内部中空通道用于钻井液的上返；多通道缆管一端与钻井液喷射件固定，另一端与三通接头固定；三通接头分别与多通道缆管的钻井液上返通道、导线通道以及钻井液注入通道相连通；所述注入管一端与三通接头的第二管路连接，另一端与泥浆泵的出口连接，两端均做静密封处理，用于输送注入井底的钻井液。
进一步地，钻井液喷射件环向设置多个喷射通道，用于将钻井液喷射到孔底，钻井液喷射件设置轴向通孔作为电路系统的通道。
进一步地，多通道缆管包括导线通道、钻井液注入通道和钻井液上返通道，导线通道作为电路系统的通道，钻井液注入通道用于将钻井液输送给钻井液喷射件，钻井液上返通道用于将井底钻井液上返到地面。
进一步地，三通接头包括第一管路、第二管路和第三管路；第一管路与钻井液上返通道固定连接，并做静密封处理，用于输送上返的钻井液；第二管路与钻井液注入通道固定连接，并做静密封处理，用于输送注入井底的钻井液；第三管路与导线通道，并做静密封处理，作为电路系统的通道；三通接头的外壳与多通道缆管固定连接。
进一步地，第一管路与钻井液上返通道的内径相同。
进一步地，第二管路与钻井液注入通道的内径相同。
进一步地，第三管路与导线通道的内径相同。
(三)有益效果
本发明的有益效果如下：
本发明的用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，具有闸板密封和可变径橡胶密封两种结构，保证自平衡钻进系统在钻井过程中和提出井口后井筒的持续密封，并实时监测和保护井筒压力，在其压力过大时进行泄压。此外，管路组件为自平衡钻进系统的钻井液循环提供动力和通道。综上，本发明为自平衡钻进系统钻井过程中的井口安全提供保障，填补了自平衡钻进系统不具备井口防喷功能的空白，对自平衡钻进系统的应用具有重大意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明实施例中提供的自平衡钻进井口防喷装置及管路系统的立体结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的组合式防喷组件的纵向剖视图；
图3为本发明实施例中提供的密封座的纵向剖视图；
图4为本发明实施例中提供的可变径密封件的立体示意图；
图5为本发明实施例中提供的密封件固定板的纵向剖视图；
图6为本发明实施例中提供的管路组件的纵向剖视图；
图7为本发明实施例中提供的钻井液喷射件的纵向剖视图；
图8为本发明实施例中提供的三通接头的纵向剖视图。
附图标记：
1、表层套管，2、闸板外壳，3、盖板，4、第一闸板电机，5、第一闸板，6、第二闸板电机，7、第二闸板，8、密封座，9、压井阀，10、压力表，11、可变径密封件，12、密封件固定板，13、电机座，14、丝杠电机，15、顶盖，16、钻井液喷射件，17、多通道缆管，18、三通接头，19、注入管，20、泥浆泵，21、岩心池。
具体实施方式
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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8；
本发明提供的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，如图1所示，包括组合式防喷组件和管路组件，组合式防喷组件安装在井口地面，其内部中空通道用于通过钻具和多通道缆管17，组合式防喷组件通过可变径密封件11在钻进过程中和钻具提出井口时对井筒进行持续密封，并在井筒压力过大时通过泄压管路801进行泄压；管路组件用于为钻井液的反循环和自平衡钻具的电路系统提供通道。
具体地，组合式防喷组件包括闸板外壳2、盖板3、第一闸板电机4、第一闸板5、第二闸板电机6、第二闸板7、密封座8、压井阀9、压力表10、可变径密封件11、密封件固定板12、电机座13、丝杠电机14和顶盖15。
闸板外壳2内腔安装有第一闸板电机4、第一闸板5、第二闸板电机6和第二闸板7，其中间有环空通道用于通过钻具和多通道缆管17，闸板外壳2底部与表层套管1顶部法兰连接，并进行静密封处理，表层套管1埋入井筒中，用于隔离上部含水层，不使地面水和表层地下水渗入井筒，对井口进行保护；第一闸板电机4的转子带有丝杠，与第一闸板5为丝扣连接，用于驱动第一闸板5做横向直线往返运动；所述第二闸板电机6的转子带有丝杠，与第二闸板7为丝扣连接，用于驱动第二闸板7做横向直线往返运动；第一闸板5和第二闸板7均为头部切出矩形口的钢板，安装方向中心对称，当第一闸板5和第二闸板7伸长到最远端相互靠近时，矩形口相互咬合，将井筒完全封住；盖板3分别安装在第一闸板电机4和第二闸板电机6的后部，与闸板外壳固定，并进行静密封处理。
密封座8底部与闸板外壳2顶部固定，并进行静密封处理；所述密封座8侧壁设置泄压管路801和压力检测管路802；泄压管路801一端与井筒内环空相通，另一端与侧壁相通，用于当井筒压力过高时进行泄压处理；压力检测管路802一端与泄压管路801相通，另一端与外壁相通；密封座8内壁设置球形内壁面和竖直的导轨804。
压井阀9安装在密封座8的泄压管路801的一端，与密封座8之间进行静密封处理，用于对井筒泄压。
压力表10安装在密封座8的压力检测管路802的一端，用于实时监测井筒压力。
可变径密封件11的球形外壁面1104与密封座8的球形内壁面803滑动紧密配合，可变径密封件11的环形内壁面1105与多通道缆管17外壁或钻具滑动紧密配合。
所述密封件固定板12安装在密封座8上部的环空内；所述密封件固定板12的底面设置环槽1201，外侧壁对称设置矩形滑槽1202，矩形滑槽1202与密封座8的导轨804滑动配合，保证密封件固定板12在密封座8内部做轴向直线运动。
所述电机座13下部与密封座8固定连接；所述电机座13下部与密封座8固定连接并做静密封处理，电机座13的环形台面环向分布多个通孔(例如三个)，用于通过丝杠电机14的丝杠。
所述丝杠电机14固定在电机座13环形台面的上表面，丝杠与密封件固定板12固定连接。
所述顶盖15下部与电机座13固定连接，并做静密封处理，用于保护丝杠电机14。所述顶盖15顶部对称设置两个吊环，用于组合式防喷组件的吊取。
管路组件包括钻井液喷射件16、多通道缆管17、三通接头18和注入管19。
钻井液喷射件16下部与自平衡钻进系统顶部固定连接，其内部中空通道用于钻井液的上返；钻井液喷射件16环向设置多个喷射通道1601，用于将钻井液喷射到孔底，钻井液喷射件16设置轴向通孔1602作为电路系统的通道。
多通道缆管17一端与钻井液喷射件16固定，另一端与三通接头18固定；多通道缆管17包括导线通道1701、钻井液注入通道1702和钻井液上返通道1703，导线通道1701作为电路系统的通道，钻井液注入通道1702用于将钻井液输送给钻井液喷射件16，钻井液上返通道1703用于将井底钻井液上返到地面。
三通接头18分别与多通道缆管17的钻井液上返通道1703、导线通道1701以及钻井液注入通道1702相连通；三通接头18包括第一管路1801、第二管路1802和第三管路1803；第一管路1801与钻井液上返通道1703固定连接，并做静密封处理，用于输送上返的钻井液；第二管路1802与钻井液注入通道1702固定连接，并做静密封处理，用于输送注入井底的钻井液；第三管路1803与导线通道1701，并做静密封处理，作为电路系统的通道；进一步地，第一管路1801与钻井液上返通道1703的内径相同。第二管路1802与钻井液注入通道1702的内径相同。第三管路1803与导线通道1701的内径相同。三通接头18的外壳与多通道缆管17固定连接。
所述注入管19一端与三通接头18的第二管路1802连接，另一端与泥浆泵20的出口连接，两端均做静密封处理，用于输送注入井底的钻井液。
自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其工作原理如下：
(1)组合式防喷组件的密封原理：
当自平衡钻进系统在井下进行钻进工作时，第一闸板电机4和第二闸板机6通过丝杆分别驱动第一闸板5和第二闸板7收回，丝杠电机14驱动密封件固定板12向下移动，减小可变径密封件11中V型槽1103的开合角度，进而调整环形内壁面1105的内径，保证环形内壁面1105始终与多通道缆管17外壁面紧密贴合，对井筒进行密封。
提钻时，自平衡钻进系统头部首先通过闸板外壳2，此时第一闸板电机4和第二闸板机6通过丝杆分别驱动第一闸板5和第二闸板7伸出，第一闸板5和第二闸板7的矩形口相互咬合，将井筒完全封住，接着丝杠电机14驱动密封件固定板12向上移动，增大可变径密封件11中V型槽1103的开合角度，进而增大环形内壁面1105的内径，将自平衡钻进系统提出井筒。
(2)井筒压力保护原理：
泄压管路801、压力检测管路802与井筒相互连通，压力表10可实时监测井筒压力，当井筒压力过大时，打开压井阀9对井筒进行泄压，防止井筒高压造成井喷事故。
(3)钻井液反循环模式：
泥浆泵20将钻井液通过注入管19输送到钻井液注入通道1702，接着通过喷射通道1601，由于喷射通道1601的直径由大变小，可提高钻井液的压力，钻井液喷射到井底后对自平衡钻进系统的钻头进行冷却，并带着岩屑进行上返，上返的钻井液通过钻井液上返通道1703进入第一管路1801，最终进入岩心池21进行沉淀、过滤，过滤后的钻井液重新进入泥浆泵进行下一次循环。
综上，本发明填补了自平衡钻进系统不具备井口防喷功能的空白，具有闸板密封和可变径橡胶密封两种结构，保证自平衡钻进系统在钻进过程中和提出井口后井筒的持续密封，并实时监测和保护井筒压力，在其压力过大时进行泄压。此外，管路组件为自平衡钻进系统的钻井液循环提供动力和通道。本发明为自平衡钻进过程中的井口安全提供保障，并实现钻井液和电路系统的畅通循环，对自平衡钻进系统的应用具有重大意义。
以上，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，包括组合式防喷组件和管路组件，组合式防喷组件安装在井口地面，其内部中空通道用于通过钻具和多通道缆管(17)，组合式防喷组件通过可变径密封件(11)在钻井过程中和钻具提出井口时对井筒进行持续密封，并在井筒压力过大时通过泄压管路(801)进行泄压；管路组件用于为钻井液的反循环和自平衡钻进系统的电路系统提供通道。
2.根据权利要求1所述的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，组合式防喷组件包括闸板外壳(2)、盖板(3)、第一闸板电机(4)、第一闸板(5)、第二闸板电机(6)、第二闸板(7)、密封座(8)、压井阀(9)、压力表(10)、可变径密封件(11)、密封件固定板(12)、电机座(13)、丝杠电机(14)和顶盖(15)；闸板外壳(2)内腔安装有第一闸板电机(4)、第一闸板(5)、第二闸板电机(6)和第二闸板(7)，其中间有环空通道用于通过钻进系统和多通道缆管(17)，闸板外壳(2)底部与表层套管(1)顶部法兰连接，并进行静密封处理，表层套管(1)埋入井筒中，用于隔离上部含水层；第一闸板电机(4)的转子带有丝杠，与第一闸板(5)为丝扣连接，用于驱动第一闸板(5)做横向直线往返运动；所述第二闸板电机(6)的转子带有丝杠，与第二闸板(7)为丝扣连接，用于驱动第二闸板(7)做横向直线往返运动；第一闸板(5)和第二闸板(7)均为头部切出矩形口的钢板，安装方向中心对称，当第一闸板(5)和第二闸板(7)伸长到最远端相互靠近时，矩形口相互咬合，将井筒完全封住；盖板(3)分别安装在第一闸板电机(4)和第二闸板电机(6)的后部，与闸板外壳固定，并进行静密封处理；密封座(8)底部与闸板外壳(2)顶部固定，并进行静密封处理；压井阀(9)安装在密封座(8)的泄压管路(801)的一端，与密封座(8)之间进行静密封处理，用于对井筒泄压；压力表(10)安装在密封座(8)的压力检测管路(802)的一端，用于实时监测井筒压力；可变径密封件(11)的球形外壁面(1104)与密封座(8)的球形内壁面(803)滑动紧密配合，可变径密封件(11)的环形内壁面(1105)与多通道缆管(17)外壁或钻进系统滑动紧密配合；所述密封件固定板(12)安装在密封座(8)上部的环空内；所述电机座(13)下部与密封座(8)固定连接；所述丝杠电机(14)固定在电机座(13)环形台面的上表面，丝杠与密封件固定板(12)固定连接；所述顶盖(15)下部与电机座(13)固定连接，并做静密封处理，用于保护丝杠电机(14)。
3.根据权利要求2所述的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，所述密封座(8)侧壁设置泄压管路(801)和压力检测管路(802)；泄压管路(801)一端与内环空相通，另一端与侧壁相通，用于当井筒压力过高时进行泄压处理；压力检测管路(802)一端与泄压管路(801)相通，另一端与外壁相通；密封座(8)内壁设置球形内壁面和竖直的导轨(804)。
4.根据权利要求2所述的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，所述密封件固定板(12)的底面设置环槽(1201)，外侧壁对称设置矩形滑槽(1202)，矩形滑槽(1202)与密封座(8)的导轨(804)滑动配合，保证密封件固定板(12)在密封座(8)内部做轴向直线运动。
5.根据权利要求2所述的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，所述电机座(13)下部与密封座(8)固定连接并做静密封处理，电机座(13)的环形台面环向分布多个通孔，用于通过丝杠电机(14)的丝杠。
6.根据权利要求1所述的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，所述顶盖(15)顶部对称设置两个吊环，用于组合式防喷组件的吊取。
7.根据权利要求1所述的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，管路组件包括钻井液喷射件(16)、多通道缆管(17)、三通接头(18)和注入管(19)；钻井液喷射件(16)下部与自平衡钻进系统顶部固定连接，其内部中空通道用于钻井液的上返；多通道缆管(17)一端与钻井液喷射件(16)固定，另一端与三通接头(18)固定；三通接头(18)分别与多通道缆管(17)的钻井液上返通道(1703)、导线通道(1701)以及钻井液注入通道(1702)相连通；所述注入管(19)一端与三通接头(18)的第二管路(1802)连接，另一端与泥浆泵(20)的出口连接，两端均做静密封处理，用于输送注入井底的钻井液。
8.根据权利要求7所述的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，钻井液喷射件(16)环向设置多个喷射通道(1601)，用于将钻井液喷射到孔底，钻井液喷射件(16)设置轴向通孔(1602)作为电路系统的通道。
9.根据权利要求7所述的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，多通道缆管(17)包括导线通道(1701)、钻井液注入通道(1702)和钻井液上返通道(1703)，导线通道(1701)作为电路系统的通道，钻井液注入通道(1702)用于将钻井液输送给钻井液喷射件(16)，钻井液上返通道(1703)用于将井底钻井液上返到地面。
10.根据权利要求7所述的一种用于自平衡钻具系统的井口防喷装置及管路系统，其特征在于，三通接头(18)包括第一管路(1801)、第二管路(1802)和第三管路(1803)；第一管路(1801)与钻井液上返通道(1703)固定连接，并做静密封处理，用于输送上返的钻井液；第二管路(1802)与钻井液注入通道(1702)固定连接，并做静密封处理，用于输送注入井底的钻井液；第三管路(1803)与导线通道(1701)，并做静密封处理，作为电路系统的通道；三通接头(18)的外壳与多通道缆管(17)固定连接。
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2022
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