CN86105338A - 地下防喷器 - Google Patents

Abstract

本发明是石油、地质、矿产等行业钻井时用以压井防喷的装置。它采用一个液压程序控制器按地面命令操纵一个内流道阀。在内流道关闭后，升高钻井液压力胀开一个可胀式封隔器堵塞环形空间流道。封隔器连结件中设有配流阀门以控制压井作业。本发明还采用了在封隔器胀开时防止湍流冲蚀地层的措施。本发明解决了现有地下防喷器方案中反应迟缓，重复性和可靠性差的问题。本发明还可用于中途测试，地层强度测试，以及用作井眼堵塞器和采注封隔器。

Description

本发明属于石油、地质和矿产等行业钻井时用于地下关闭井眼，进而制服井喷的一种封井装置，尤指一种设置在钻柱中的轴向延伸的有内流道的地下防喷器。

石油、地质和矿产用的钻机使用一种中空的管子作为钻井用的管柱（亦称钻柱）。根据不同的需要，钻柱可以长达数千乃至上万米。在钻柱下端装有破碎岩石用的钻头。钻井液（亦称钻井泥浆）经过钻柱内孔泵送到钻头，穿过钻头喷嘴，沿着钻柱与井壁间的环形空间返回地面。钻井过程中产生的热量和岩屑由钻井液带走。

钻井液柱静压力与地层流体压力之间保持某种“平衡”关系，这种平衡关系的破坏可能给钻井过程造成麻烦。“过平衡”（液柱压力高于地层流体压力）可能使结构松散（较弱）的地层发生裂缝，而“欠平衡”（液柱压力低于地层流体压力）则可能引起“井涌”或“井喷”。液柱压力低于地层流体压力时，地层流体涌入井筒，这种现象称作“井涌”。比重低的地层流体如盐水和气体进入井筒，就会降低钻井液的比重，从而降低液柱压力，致使欠平衡状态进一步发展。最终导致地层流体经由井眼喷向地面，这种现象叫做“井喷”。井喷危及人身、设备和地下矿产的安全，因而人们总要千方百计防止井喷发生。

现行防喷器安装在地面。地面防喷器通过关闭钻柱与井壁间的环形空间而控制井内压力。关井后井涌流体继续流入井筒而使井内压力上升，直至井内液柱压力达到与地层流体压力平衡时，井涌才停止。

地面防喷器关闭的井筒成为封闭容器，井筒中的液柱压力分布取决于井内流体的性质。由于井内流体性质的变化（受到井涌流体污染），井内液柱压力分布也将发生变化，因而在井筒下部建立液柱压力与地层流体压力的平衡关系时，在井筒的其它部位如套管鞋处或较弱地层与井筒的汇交处，井内流体的液柱压力可能超过地层所能承受的压力而导致地层被压裂。这种情况在钻井中遇到高压地层和浅层天然气层时常有可能发生。现行防喷器不能应付这种复杂情况。

有时尽管未发生压裂地层，但过高的液柱压力可能在井筒的某一部位处超过较低的地层流体压力而使井液侵入地层，这种现象叫做“地下井喷”，地下井喷严重地破坏地层的生产能力。为了保护地层的生产能力，防止污染，地下井喷也应千方百计避免，对于地下井喷，现行防喷器也是无能为力的。

制服井涌或井喷的难易程度取决于井涌流体的数量，涌入井内的流体越多，井涌就越难以制止，地面防喷器关井后被封闭的井筒空间很大，且因井内流体的可压缩性（尤其是气体入侵后的情况），只有在大量井涌流体进入井筒后，液柱压力才能升高到与地层流体压力相平衡的程度，这就使制服井涌的难度进一步增加。

地下防喷器作为重要的研究课题，前人已作过许多工作，美国专利US4，367，794介绍的声控地下防喷器，在理论上是可行的，但在实践上由于声学控制系统的可靠性差，需有一套附加设备、需在井内恶劣条件下把声信号接收器、微电机，减速器和耐高湿的蓄电池组等复杂而娇嫩的装置植入地下防喷器，从而使这种地下防喷器的实际可行性受到损害。美国专利US3，941，190介绍的地下防喷器，采用投入式器具来诱发操作，由于井喷发生在千钧一发之际，严重井喷时根本不可能将诱发器投入钻柱，且投入式诱发器具难于取出以使地下防喷器恢复正常工作状态，所以这种地下防喷器实际上是不可行的。此外，这种地下防喷器都不具有钻井液内流道，因此在可胀式封隔器胀开过程中，存在于井壁和封隔器间的湍流可能冲段井壁，破坏封隔器的密封能力。

本发明的主要目的是提供一种包含一个液压膨胀封隔器、一个液压程序控制器和一个液控内流道阀的封井装置，尤指地下防喷器。这种封井装置简单、可靠而反应灵敏，不需要附设特殊控制设备，能适应钻井过程和防喷过程的特殊要求。

为了实现本发明的目的，设计了一种地下封井装置，它包括一个带有轴向延伸的有内流道的壳体，壳体由一个阀、一个液压膨胀封隔器和一个操纵阀的液压程序控制器组成。在封隔器中，有一个弹性元件，其一边与钻井液内流道相通，另一边与一个与密闭的封隔器油腔相通的液压顺序阀联通，在封隔器的上、下滑套之间安装了一个弹性油囊，形成一个滑动组合，可以一起在壳体上滑动，弹性油囊径向膨胀时，就将井筒内环形空间封闭，当滑动组合处在不同位置上时，其内部的通道切换便可使被封隔器封隔成的上、下环形空间与钻柱中心孔联通或断开，操纵阀开闭的是一个安装在壳体内的液压缸。

液压缸的活塞的输出端与一个齿条齿轮机构相连，这个齿条齿轮机构又通过一个棘轮棘爪机构带动阀的运动。

所说的弹性元件是一个与壳体中心孔同心安装的可膨胀的弹性管形元件，其外壁与壳体内壁之间形成一个环形油腔。

在上滑套中有一个横向的钻井液通道，下滑套中有一个沟通封隔器油腔和封隔器内部的顺序阀通道孔的液体通道。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和优点：

1.采用了简单而实用的液压控制方法。

2.具有钻井液内流道，该流道在封隔器胀开时能有效防止存在于封隔器和井壁间的湍流冲毁井壁而破坏封隔器的密封能力，还能妥善处理封隔器下方的井涌流体。

本装置的用途：

（1）作为地下防喷器。不仅可以避免压裂低强度地层，从而避免损坏油藏，而且可以早期制服井涌，从而避免发展成井喷。所以，本发明可以增进油藏、设备和人身的安全程度。

（2）作为地层强度测试工具。不仅可以测定套管鞋处的地层强度，而且可以测试井孔中任何深度处的地层强度。

（3）作为临时井眼堵塞器。可以在钻井船遇到严重海况或其它事故时使用。由于可以随时迅速启用，因而比其它型式的堵塞器优越。

（4）作为修井用防喷器。可以在修井时。在常规防喷器移走后作为唯一的防喷手段。

（5）作为注采封隔器，由于不使用钢球作为诱发手段，因而可以更为迅速地使用和回收。

本发明共有四个附图，其中：

图1表示本发明的一个实施例的纵剖面，包括液压膨胀封隔器Ⅰ，液压程序控制器Ⅱ和液控内流道球阀Ⅲ。

图2表示液胀式封隔器Ⅰ的细部特征。

图3表示内流道球阀Ⅲ的细部特征。

图4表示本发明的封井装置在各个操作阶段的状态。

本发明的技术内容，可用附图所示的一个实施例加以说明。

图1所示的封井装置结构图包括三个部分，一个液胀式封隔器Ⅰ、一个液压程序控制器Ⅱ和一个内流道球阀Ⅲ。

液胀式封隔器Ⅰ：

图2展示了液胀式封隔器Ⅰ和循环接头。地下防喷器使用的封隔器必须满足可重复使用、易于控制和动作准确的要求，所以采用液压膨胀封隔器。该封隔器的主要组成部分是：弹性管状液压油囊17、上部滑套18、下部滑套19、弹性管14、液压顺序阀16、单向阀21、壳体12。封隔器元件具有供钻井液内流道穿过的中心孔11，其弹性元件采用合适的弹性材料制成。

封隔器的关键元件是弹性油囊17，其上端与上滑套18联结，其下端与下滑套19联结。弹性油囊17及上滑套18和下滑套19都可在套筒形壳体12的外壁上滑动。

弹性管14同心地安装在封隔器下部的中心孔11扩大后的腔内。顺序阀16和单向阀21并联。

弹性管14与壳体12的内壁之间构成油腔15，弹性油囊17的内壁与壳体的外壁之间构成液压油腔20。

油腔15和20之间的液压油通道经顺序阀16，液压阀通道孔22和23而联通。

钻井液压力通过弹性管14使油腔15中的液压油加压，当油压达到一个给定值时，顺序阀16就开启让液压油流进腔20，使弹性油囊17膨胀从而关闭井眼。单向阀21的作用在于防止液压油自由地流入弹性油囊17，以及在钻井液压力低于弹性油囊17中的液压油压力时，就让液压油从弹性油囊17流回油腔15。

弹性油囊17连同上滑套18和下滑套19相对壳体12可滑动的位移为a（如图1所示）。壳体12与钻柱相固结。弹性油囊膨胀而将井眼关闭后，若将钻柱（亦即壳体12）放下位移a时，可截断油通道孔22和23之间的联结，就能使弹性油囊17保持膨胀状态，从而维持关闭井眼，将钻柱提起位移a时，可联通油通道孔22和23。液压油可经单向阀21流回油腔15，使弹性油囊17恢复收缩状态，从而打开井眼。

当壳体12相对于弹性油囊17连同上滑套18和下滑套19处于上位置时，壳体12内的同心环形内流通道24就成为跨越弹性油囊17的钻井液内通道。内流道24的下端与壳体12的侧开口25相通，内流道24的上端与壳体12的另一个侧开口25相通。侧开口26通向由上滑套18包容的空间。当壳体12相对于弹性油囊17位于上位置时，侧开口26与上滑套18中的侧开口27相通。当壳体12相对于弹性油囊17处于下位置时，侧开口27与壳体12的内流道相通，即中心孔11通过侧开口28，27与钻柱和井壁之间的环形空间相通，而侧开口26关闭。

液压程序控制器Ⅱ

图1中的标号Ⅱ是一个液压程序控制器，其壳体31是封隔器Ⅰ的壳体12的延伸。在壳体31的上段，封隔器Ⅰ的中心孔11有一短的延伸32，该延伸32有三个分支旁通导管33绕过为一个液压程序控制装置设置的空间位置35。旁通导管33在液压程序控制器的下方与中心孔36交汇，并与内流道球阀Ⅲ中相应的中心孔40相联结（见图1和图3）。

本发明所用液压控制器及其工作原理是一项独立的专利申请（挪威专利申请号853394）。这种液压程序控制器把从地面钻井泵传来的液压能和程序化控制信号用于操纵地下防喷器，使其可以随时启用。

内流道球阀Ⅲ：

内流道阀，可采用球阀，亦可采用其它形式的阀如活瓣阀。

图3表示液缸操纵的内流道球阀。这种用于地下防喷器的球阀可以任意保持全开或全关状态，所以其不同于采油作业用的球阀。球阀位置（状态）的改变只在无流体压差作用在其上时进行。

内流道球阀的主要组成部分是：螺旋弹簧42、活塞44、上活塞杆45、下活塞杆46、球体50、转轴55、齿轮56、齿条57、壳体53。

在中心孔40中设置了上、下环形空间41和43，直径较小的上环形空间41用于安置螺旋弹簧42，直径较大的下环形空间43同活塞44一起构成一个液压缸。

活塞44的上、下活塞杆45和46为管状物，其上活塞杆45伸入中心孔40，其下活塞杆46带有加大了直径的端部47。活塞44及其上，下活塞杆45和46的中空部分形成一个联结上中心孔40和下中心孔48的通道。壳体53是液压程序控制器Ⅱ的壳体31的延伸，其下端有一个联结钻柱的外螺纹接头54。

球体50有一个滑动支承在滑套49中的转轴55，转轴55上有一个齿轮56，齿轮56通过一个棘轮棘爪机构（未表示出来）与转轴55连结。齿轮56被与下活塞杆46联结在一起的齿条57驱动。在齿条57的驱动下，当齿轮56向一个方向旋转时，它将带动球体50旋转90°。当齿轮56向另一个方向旋转时，它将不带动球体50旋转。

当液压程序控制Ⅱ把油通道58与程序控制器中的低压油箱相联时，由钻井泵泵送的钻井液向上推动活塞44，在此过程中，齿轮56并不带动球体50旋转;泵送钻井液停止后，螺旋弹簧42把活塞44向下推回到原来位置，在此过程中，齿轮56带动球体50旋转90°，以改变球阀的位置（状态）。液缸对球体的转动还可以用其它机构来实现。

图4中分4个阶段表示了按本发明的封井装置的使用情况。

阶段1表示装置正用于钻井作业，球阀Ⅲ保持开启，封隔器的弹性油囊17保持收缩状态，

阶段2表示装置按照液压程序，球阀Ⅲ关闭了，钻井液（泥浆）压力通过弹性管14使液压油增加压力，当油压达到一个给定值时，顺序阀16开启，液压油经顺序阀16和油通道22以胀开封隔器的弹性油囊17，从而堵塞环形空间，当弹性油囊17胀开以堵塞环形空间时，环形内流道24仍与侧开口27相通，因而，在胀开弹性油囊同时存在着一条跨越弹性油囊17的内通道，该通道的存在能消除在封隔器和井壁之间可能出现的湍流。

封隔器胀开后即与地层固定在一起。将钻柱放下位移a，内流道24和油通道22都被切断，而钻柱中的侧开口28与封隔器中的侧开口27相通，于是可进行循环出井涌流体的作业。由于环形空间已经关闭，旁通循环即可开始，未经加重的泥浆也可用来循环排出从地层中侵入位于封隔器上方井筒中的流体。

用加重泥浆使环形空间中的静压力升高后，即可进行第3阶段的作业。

阶段3表示装置按照液压程序使球阀Ⅲ开启，将钻柱提起使内流道24与封隔器中的侧开口27相通，而与侧开口28断开，于是可通过内流道把从封隔器下方由地层侵入井筒的流体排出。

阶段4表示装置在处理完井筒中的钻井液后，停止泵送钻井液，油腔15恢复低压时的状态，如果油通道22与封隔器的弹性油囊17相通，液压油就可以从弹性油囊17流回到油腔15，弹性油囊17收缩，装置就恢复到正常的钻井状态。

Claims (4)

1、一个设置在钻柱中的地下封井装置，具有一个轴向延伸的有内流道的壳体(12、31、53)，含有一个阀(Ⅲ)、一个液压膨胀封隔器(Ⅰ)和一个操纵阀(Ⅲ)的液压程序控制器(Ⅱ)，其特征在于

a.在封隔器中含有一个传递压力的弹性元件(14)，该弹性元件的一边与钻井液内流道相联结，其另一边与一个能和封隔器的油腔(20)联络的液压油顺序阀(16)相联结，

b.弹性油襄安装在上滑套(18)和下滑套(19)之间。该弹性油襄连同上、下滑套可在壳体(12)上滑动，该滑动组合含有控制弹性油襄膨胀与收缩，以及控制封隔器上、下环形空间与钻柱中心孔间的联通或断开的阀元件机能，

c.壳体(53)的中心孔(40)用于安装操纵阀(Ⅲ)的活塞(44)，壳体(53)和活塞(44)构成一个液压缸。

2、按照权利要求1之装置，其特征在于有一个齿轮齿条机构（56，57）及一个棘轮棘爪机构安置于活塞（44）和阀（Ⅲ）的阀元件（50）的转轴（55）之间。

3、按照权利要求1之装置，其特征在于含有作为传递压力的弹性元件的可膨胀的弹性管（14），该弹性管同心地安装于中心孔（11）中，并构成环形液压油腔（15）。

4、按照权利要求1之装置，其特征在于在上、下滑套之间装有封隔器的弹性油囊（17），上滑套中设有一个通向井筒的钻井液通道孔（27），下滑套中设有一个油通道孔（23），该油通道孔把封隔器油腔（20）与壳体（12）内源于顺序阀（16）的油通道孔（22）联通。

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