CN202645506U - 一种脉冲阀式井下防喷器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种脉冲阀式井下防喷器，属于石油钻井领域。本装置包括壳体(1)以及安装在壳体(1)的内流道中的传动总成；在所述壳体(1)下部的外表面上安装有可膨胀封隔器；所述传动总成包括上执行机构(3)和下执行机构(8)；所述上执行机构(3)位于在下执行机构(8)上方，所述可膨胀封隔器位于下执行机构(8)的下方。利用本实用新型实现了井下钻柱内和环空封隔，有效防止了井喷、井涌等异常状况发生时对工作人员及设备带来的危害；在随钻钻遇高压地层时，利用本实用新型即可实施关井作业，从而实现了安全快速的井控作业和钻井作业。

Description

一种脉冲阀式井下防喷器

技术领域

本实用新型属于石油钻井领域，具体涉及一种脉冲阀式井下防喷器，用于石油钻井过程中钻遇高压地层需要进行井筒内的钻柱与环空封隔，实施井控作业。

背景技术

石油钻井井控封井目前常规采用井口防喷器，这种方式会使地层流体过多地进入井筒钻井液中，井口关井后套压很高，给井控作业造成过高的风险。石油钻井过程中经常会钻遇到高压地层，特别是深井超深井或浅层气地层，为了早期进行关井，实施井控作业，需要采用井下早期关井，即采用井下防喷器关井，这样更有利于井控压井作业。可是目前国内外没有关于井下防喷器的成熟的技术和设备，国外虽然有相关的专利出现，但也没有得到推广应用，主要是因为在封隔井筒环空时，橡胶膨胀后不能锁定，进而不能有效封隔环空，封隔位置之上不能实施循环压井作业，不能实现井下防喷的功能。

具体来说，专利号为US4712613A的美国专利提出了旋塞阀井下防喷器，但只有原理方案，没有研制样机，它的主要特点是：用泥浆脉冲传递控制信号、用电磁阀控制流道开启与关闭、钻井液作为动力源、旋塞阀封隔钻柱、可膨胀封隔器封隔环空。它的缺点是解封后旋塞阀不能打开，不能建立正常循环。

专利号为US4367794A的美国专利提出了插板阀井下防喷器，但只有原理方案，没有研制样机。它的主要特点是：钻杆声波传递控制信号、电动螺旋机构作为动力源、插板封隔钻柱、可膨胀封隔器封隔环空、并设计有失效解决备用方案。它的缺点是：封隔位置之上无循环通道、插板阀不能承受高压、封隔器与环空保持畅通。

挪威科技工业学院和挪威科技工业大学于上个世纪90年代至2001年期间提出了提升阀井下防喷器(美国专利US5404953A)，给出了原理方案，研制了试验样机，在模拟井上进行了试验，之后未见新的进展。它的主要特点是：泥浆脉冲传递控制信号、电动机械控制机构作为动力源、提升阀封隔钻柱、可膨胀封隔器封隔环空。缺点是封隔器不能锁定。

西南石油大学申请了两个专利，其中专利号为200910312467的专利公开了提升阀式井下内外一体式防喷器、专利号为201020037531的专利公开了提升阀式井下内外一体式防喷器。也只有原理方案，无样机，与US5404953A中给出的原理相同，缺点是封隔器不能锁定。

综上所述，虽然国外进行过提阀式井下防喷器的研究，并有专利出现，但其存在以下不足：

(1)关井过程中橡胶体膨胀后不能锁定，即不能有效关井或不能承受较高的关井压力；

(2)信号传输方式的可靠性不够。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种脉冲阀式井下防喷器，实现井下钻柱内和环空封隔，有效防止井喷、井涌等异常状况发生时对工作人员及设备带来的危害；在随钻钻遇高压地层时，利用本实用新型即可实施有效关井作业，从而实现安全快速的井控作业和钻井作业。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种脉冲阀式井下防喷器，包括壳体1以及安装在壳体1的内流道中的传动总成；在所述壳体1下部的外表面上安装有可膨胀封隔器；

所述传动总成包括上执行机构3和下执行机构8；所述上执行机构3和下执行机构8均为电动液压装置；

所述上执行机构3位于下执行机构8上方，所述可膨胀封隔器位于下执行机构8的下方；

通过所述传动总成控制可膨胀封隔器的膨胀和收缩，进而实现对地层的封隔和解封。

所述壳体1的内流道包括连通且同轴线的四段流道，从上至下依次为入口流道、上流道、下流道和出口流道；所述入口流道为上大下小的锥孔，其小口径端通过上圆柱孔连通所述上流道，所述上流道的直径大于所述入口流道的小口径处的直径，也大于所述上圆柱孔的直径；所述上流道和下流道的直径一致，上流道和下流道之间的过渡段为下圆柱孔，所述下圆柱孔的直径小于上流道和下流道的直径；所述出口流道为圆柱孔，其直径小于所述上流道和下流道的直径。

所述上执行机构3安装在所述上流道内并与上流道同轴线，且与上流道的上、下端以及内壁之间均留有间隙；

在所述上流道的下部，壳体1的内壁向内突出形成上执行机构阀座4，所述上执行机构3的下端带有上提升阀5，所述上提升阀5与所述上执行机构阀座4以及下圆柱孔配合形成阀门；上执行机构3的下端、上提升阀5与上执行机构阀座4三者围合成所述上阀座空腔；当提升阀5处于最上端位置时封闭进液通道6，且该处的管柱内流道打开的；当提升阀5处于中间位置时，进液通道6与管柱内流道连通，且该处位置的管柱内流道打开；当提升阀5处于最下端位置时，进液通道6与管柱内流道连通，处于该处位置的管柱内流道关闭，即钻井液流动到该处就不能再向下流动；

所述上执行机构3通过下端的螺纹与上执行机构阀座4连接，固定在上流道内；在所述上执行机构3的上部安装有上执行机构支撑2，所述上执行机构支撑2对上执行机构3起扶正作用；流体可穿过所述上执行机构支撑2。

所述下执行机构8安装在所述下流道内并与下流道同轴线，且与下流道的上、下端以及内壁之间均留有间隙；

在所述下流道的下部，壳体1的内壁向内突出形成下执行机构阀座9，所述下执行机构8的下端带有下提升阀10，所述下提升阀10与所述下执行机构阀座9以及出口流道配合形成阀门；下执行机构8的下端、下提升阀10与下执行机构阀座9三者围合成所述下阀座空腔；

所述下执行机构8通过下端的螺纹与下执行机构阀座9连接，固定在下流道内；在所述下执行机构8的上部安装有下执行机构支撑7，所述下执行机构支撑7对下执行机构8起扶正作用；流体可穿过所述下执行机构支撑7。

所述可膨胀封隔器安装在所述出口流道对应的壳体1的外壁上；

所述可膨胀封隔器包括胶筒上支架13、胶筒下支架16和可膨胀胶筒15；

所述胶筒上支架13和胶筒下支架16均为具有弹性的金属环，所述可膨胀胶筒15的上端浇注在胶筒上支架13上，下端浇注在胶筒下支架16上；

所述胶筒上支架13和胶筒下支架16的内部均开有螺纹，通过螺纹连接安装在壳体1的外壁上；所述可膨胀胶筒15的内壁与壳体1的外壁之间有环形间隙。

在所述上执行机构阀座4的两侧分别开有封隔器进液通道6和阀座通孔12；所述封隔器进液通道6沿壳体1的壁向下一直延伸到所述可膨胀胶筒15与壳体1之间的环形间隙内，将上阀座空间与环形间隙连通，液体通过封隔器进液通道6进入到可膨胀胶筒15与壳体1之间环形间隙内，使可膨胀胶筒15向外鼓胀，直至接触井壁，实现环空封隔；

所述上执行机构阀座4将上流道的空间分隔成上下两段，分别为上流道上段和上流道下段，两段通过所述阀座通孔12连通。

在所述下执行机构阀座9的两侧分别开有循环孔11和阀座通孔12；所述循环孔11将所述下阀座空间与环空连通；

所述下执行机构阀座9将下流道的空间分隔成上下两段，分别为下流道上段和下流道下段，两段通过所述阀座通孔12连通。

所述循环孔11和封隔器进液通道6是不连通的。

所述上执行机构3和下执行机构8均包括液压缸301、控制器302、安全阀303、电机304、液压泵305、油箱306和电磁阀307。

所述上提升阀5和下提升阀10均包括提升阀杆308和阀球，上提升阀5直接焊接在上执行机构3的液压缸301的下端，下提升阀10直接焊接在下执行机构8的液压缸301的下端；

所述上提升阀5的提升阀杆308一端与上执行机构3的液压缸301的活塞连接，另一端穿过所述上阀座空腔与阀球连接，所述阀球位于上执行机构阀座4下方的上流道下段内；

所述下提升阀10的提升阀杆308一端与下执行机构8的液压缸301的活塞连接，另一端穿过所述下阀座空腔与阀球连接，所述阀球位于下执行机构阀座9下方的下流道下段内。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)在井下当发现溢流后，利用本实用新型可以在井下关闭钻杆和地层环空；

(2)本实用新型是通过脉冲压力控制信号，由电动液压执行机构带动提升阀上下移动，实现动作，原理可行；

(3)使用本实用新型不会影响正常钻井作业；

(4)利用本实用新型可以实现早期关井，有利于井控作业；在实现关井后，能在封隔位置之上能建立循环；采用井下关井作业，关井后处理完关井上部的受侵钻井液后，再解封，继续实施钻井作业，这样达到钻井时随钻实施井下关井，达到安全井空作业和钻井作业；

(5)利用本实用新型，关井和解封作业的操作都很灵活。

附图说明

图1是本实用新型脉冲阀式井下防喷器的结构示意图。其中，1为壳体、2为上执行机构支撑、3为上执行机构、4为上执行机构阀座、5为上提升阀、6为封隔器进液通道7为下执行机构支撑8为下执行机构9为下执行机构阀座10为下提升阀11为循环孔12为阀座通孔13为胶筒上支架14为井壁15为可膨胀胶筒16为胶筒下支架。

图2-1是本实用新型脉冲阀式井下防喷器工作之初的钻井状态。

图2-2是本实用新型脉冲阀式井下防喷器的胶筒膨胀状态。

图2-3是本实用新型脉冲阀式井下防喷器的封隔器锁定状态。

图2-4是本实用新型脉冲阀式井下防喷器的胶筒收缩状态。

图2-5是本实用新型脉冲阀式井下防喷器工作结束后的钻井状态。

图3是本实用新型脉冲阀式井下防喷器中的上执行机构3和下执行机构8的原理图。其中，301为液压缸、302为控制器、303为安全阀、304为电机、305为液压泵、306为油箱、307为电磁阀、308为阀杆。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

如图1所示，本实用新型一种脉冲阀式井下防喷器包括壳体、上下双执行机构和可膨胀封隔器，具体如下：

1，壳体1

壳体1是该工具的主体，在其下端外壁上固定有可膨胀封隔器，所述可膨胀封隔器包括可膨胀胶筒15；在壳体1的腔体内承载有执行机构与提升阀。在其壁上开有连通壳体1的内部与可膨胀胶筒15的封隔器进液通道6，该通道沿壳体壁一直向下延伸到与可膨胀胶筒15和壳体1之间的环形间隙相通，流体通过封隔器进液通道16进入可膨胀胶筒15与壳体1之间的间隙，充胀此间隙使可膨胀胶筒15向外鼓胀，实现环空封隔；在壳体1的壁上还开有连通壳体1的内部与环空的通道，即图1中的循环孔11。上述两个通道的打开与关闭均由所述提升阀控制。

2，执行机构

执行机构位于壳体1的内腔中，其核心为电动液压控制机构，由电动液压控制机构带动提升阀来回动作，实现壳体1的内部与可膨胀胶筒15、壳体1内部与环空的通道的打开与关闭。

具体来说，上执行机构3和下执行机构8的原理是一样的，如图3所示，执行机构工作时，控制器302接收到地面传递的控制信号后，开始向电机304供电，并控制电机304转速。电机304带动液压泵305回转。液压油从油箱306进入电磁阀307。电磁阀307处于左位时，高压油进入液压缸301上腔，推动液压缸301内活塞向下运动，带动提升阀阀杆308向下运动。电磁阀307处于右位时，高压油进入液压缸301下腔，推动液压缸301内活塞向上运动，带动提升阀阀杆308向上运动。安全阀303防止液压系统压力高于设定数值，保护系统元件。

3，可膨胀胶筒15

可膨胀胶筒15外置于壳体1的外面。当封隔器进液通道6被打开时，在钻井液的压力下，可膨胀胶筒15扩张，实现对地层封隔；可膨胀胶筒15完全扩张后，封隔器进液通道6被关闭。当封隔器进液通道6再次被打开时，可膨胀胶筒15内的流体反排到壳体1的内部，实现解封。

实际使用时，本实用新型是连接在钻柱上的，作为钻具的一部分，发现溢流后，通过地面给予的命令，可膨胀胶筒15膨胀，封隔环空，在封隔位置上部打开通道，建立循环，当液柱压力建立后，再打开封隔器，即让可膨胀胶筒15收缩，建立全井液柱循环，最后达到全井液柱压力和地层压力的平衡，继续安全钻井作业。

具体来说，本实用新型的工作过程如图2所示，包括以下步骤：

(1)将本实用新型脉冲阀式井下防喷器安装在钻具上，正常钻进，其初始状态如图2-1所示；

(2)当发现溢流后，上提钻具到一定位置；

(3)地面向上执行机构3和下执行机构8发送一条泥浆脉冲控制信号，接收到信号后，如图2-2所示，上提升阀5向下移动，封隔器进液通道6打开，上提升阀5一直向下直至封隔所述下圆柱孔，此时钻井液从壳体1的入口流道流入壳体1的内腔中先经过上流道上段，然后通过上执行机构阀座4上的阀座通孔12进入上流道下段，由于上提升阀5封隔了下圆柱孔，因此钻井液只能通过封隔器进液通道6向下流动，进入到可膨胀胶筒15和壳体1之间的微小环形间隙内(液体流动方向如图2-2中的箭头所示。)，然后打压10MPa，使钻井液充盈在可膨胀胶筒15与壳体1之间，使可膨胀胶筒15向外膨胀，直至其贴紧井壁14，实现封隔器膨胀进而封隔环空；

(4)在设定的时间间隔内(是在上述信号中设定的，即计算出信号下传及膨胀封隔的时间，发送第一个信号时也发送了此时间。)，如图2-3所示，上提升阀5向上移动至原位关闭封隔器进液通道6，实现封隔器锁定；下提升阀10向下移动，打开循环孔11，同时封隔出口流道，此时通过循环孔11进行循环压井作业，即配好加重钻井液，通过钻柱向下循环，加重钻井液流到下提升阀10的位置时，不能再向下流动，只能通过循环孔11向环空流动(液体流动方向如图2-3中的箭头所示。)，推动环空受侵钻井液向上流动，直至排出井外，重新建立环空液柱压力，完成该压井作业；

(5)上部井段加重循环后，上部井段充满了压井液，再次发送一条控制信号，如图2-4所示，下提升阀10向上移动，但循环孔11未关闭(便于封隔器排液)，上提升阀5向下移动，封隔器进液通道6被打开，静止排液，即停泵，停止往井筒内循环钻井液，保持静止状态，可膨胀胶筒15内的钻井液在可膨胀胶筒15自身收缩力(即原憋压10MPa所产生的力)的所用下，向钻柱内上下及环空内排液(液体流动方向如图2-4中的箭头所示。)，实现环空解封；

(6)在设定的时间间隔内，如图2-5所示，上提升阀5向上移动，关闭封隔器进液通道6，实现封隔器锁定，恢复初始状态(初始状态就是图2-1时的状态，即可膨胀胶筒15恢复原样，进液通道6关闭)，下提升阀10向上移动，关闭循环孔11，切断管柱内流道与环空的连接，恢复钻柱内流通道。建立全井循环，将下部的含地层流体的钻井液循环到地面(即使用加重钻井液进行全井循环，通过井下防喷器向下流动到井底，在井底通过环空向上流动，推动原封隔位置之下的受侵钻井液向上流动，排出井外)，压井液充满了全井，实现液柱压力和地层压力的平衡，继续安全钻井。

本实用新型实现了井下钻柱内和环空封隔，有效防止了井喷、井涌等异常状况发生时对工作人员及设备带来的危害。

本实用新型涉及石油钻井过程中钻遇高压地层，需要进行井筒内封隔钻柱与环空，实施井控作业。井下防喷技术在我国有着广泛的应用需求，本实用新型能有效地提高钻井施工的安全、降低井控风险，节约成本，具有显著的经济效益和社会效益，因此具有很好的推广应用前景。

上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：所述脉冲阀式井下防喷器包括壳体(1)以及安装在壳体(1)的内流道中的传动总成；在所述壳体(1)下部的外表面上安装有可膨胀封隔器；

所述传动总成包括上执行机构(3)和下执行机构(8)；

所述上执行机构(3)位于在下执行机构(8)上方，所述可膨胀封隔器位于下执行机构(8)的下方。

2.根据权利要求1所述的脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：所述壳体(1)的内流道包括连通且同轴线的四段流道，从上至下依次为入口流道、上流道、下流道和出口流道；所述入口流道为上大下小的锥孔，其小口径端通过上圆柱孔连通所述上流道，所述上流道的直径大于所述入口流道的小口径处的直径，也大于所述上圆柱孔的直径；所述上流道和下流道的直径一致，上流道和下流道之间的过渡段为下圆柱孔，所述下圆柱孔的直径小于上流道和下流道的直径；所述出口流道为圆柱孔，其直径小于所述上流道和下流道的直径。

3.根据权利要求2所述的脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：所述上执行机构(3)安装在所述上流道内并与上流道同轴线，且与上流道的上、下端以及内壁之间均留有间隙；

在所述上流道的下部，壳体(1)的内壁向内突出形成上执行机构阀座(4)，所述上执行机构(3)的下端带有上提升阀(5)，所述上提升阀(5)与所述上执行机构阀座(4)以及下圆柱孔配合形成阀门；上执行机构(3)的下端、上提升阀(5)与上执行机构阀座(4)三者围合成所述上阀座空腔；

所述上执行机构(3)通过下端的螺纹与上执行机构阀座(4)连接，固定在上流道内；在所述上执行机构(3)的上部安装有上执行机构支撑(2)。 

4.根据权利要求3所述的脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：所述下执行机构(8)安装在所述下流道内并与下流道同轴线，且与下流道的上、下端以及内壁之间均留有间隙；

在所述下流道的下部，壳体(1)的内壁向内突出形成下执行机构阀座(9)，所述下执行机构(8)的下端带有下提升阀(10)，所述下提升阀(10)与所述下执行机构阀座(9)以及出口流道配合形成阀门；下执行机构(8)的下端、下提升阀(10)与下执行机构阀座(9)三者围合成所述下阀座空腔；

所述下执行机构(8)通过下端的螺纹与下执行机构阀座(9)连接，固定在下流道内；在所述下执行机构(8)的上部安装有下执行机构支撑(7)。

5.根据权利要求4所述的脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：所述可膨胀封隔器安装在所述出口流道对应的壳体(1)的外壁上；

所述可膨胀封隔器包括胶筒上支架(13)、胶筒下支架(16)和可膨胀胶筒(15)；

所述胶筒上支架(13)和胶筒下支架(16)均为具有弹性的金属环，所述可膨胀胶筒(15)的上端浇注在胶筒上支架(13)上，下端浇注在胶筒下支架(16)上；

所述胶筒上支架(13)和胶筒下支架(16)的内部均开有螺纹，通过螺纹连接安装在壳体(1)的外壁上；所述可膨胀胶筒(15)的内壁与壳体(1)的外壁之间有环形间隙。

6.根据权利要求5所述的脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：在所述上执行机构阀座(4)的两侧分别开有封隔器进液通道(6)和阀座通孔(12)；所述封隔器进液通道(6)沿壳体(1)的壁向下一直延伸到所述可膨胀胶筒(15)与壳体(1)之间的环形间隙内，将上阀座空间与环形间隙连通； 

所述上执行机构阀座(4)将上流道的空间分隔成上下两段，分别为上流道上段和上流道下段，两段通过所述阀座通孔(12)连通。

7.根据权利要求6所述的脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：在所述下执行机构阀座(9)的两侧分别开有循环孔(11)和阀座通孔(12)；所述循环孔(11)将所述下阀座空间与环空连通；

所述下执行机构阀座(9)将下流道的空间分隔成上下两段，分别为下流道上段和下流道下段，两段通过所述阀座通孔(12)连通。

8.根据权利要求7所述的脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：所述循环孔(11)和封隔器进液通道(6)是不连通的。

9.根据权利要求8所述的脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：所述上执行机构(3)和下执行机构(8)均为电动液压装置，均包括液压缸(301)、控制器(302)、安全阀(303)、电机(304)、液压泵(305)、油箱(306)和电磁阀(307)。

10.根据权利要求9所述的脉冲阀式井下防喷器，其特征在于：所述上提升阀(5)和下提升阀(10)均包括提升阀杆(308)和阀球；

上提升阀(5)直接焊接在上执行机构(3)的液压缸(301)的下端，下提升阀(10)直接焊接在下执行机构(8)的液压缸(301)的下端；

所述上提升阀(5)的提升阀杆(308)一端与上执行机构(3)的液压缸(301)的活塞连接，另一端穿过所述上阀座空腔与阀球连接，所述阀球位于上执行机构阀座(4)下方的上流道下段内；

所述下提升阀(10)的提升阀杆(308)一端与下执行机构(8)的液压缸(301)的活塞连接，另一端穿过所述下阀座空腔与阀球连接，所述阀球位于下执行机构阀座(9)下方的下流道下段内。 

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