CN101748985B - 装于钻柱上在井下自动控制的井下防喷器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于油气田钻井过程中，因井下发生井涌或井喷时，能自动完成钻柱内外关井作业的装于钻柱上在井下自动控制的井下防喷器。它能在井下自动启动封井，又能及时使防喷器解封，确保钻井过程连续、安全、可靠。其技术方案是：井下防喷主体上的组合阀总成由外壁压板固定在接箍上，外复位弹簧与外壁单向阀安装在外壁压板内；内壁孔板安装在中心管内壁上，内复位弹簧与内壁单向阀安装在内壁孔板上；井下防喷由主体由接箍、活塞、中心管、阀体、短接构成，接箍一端与钻柱连接，另一端与滑阀接头和中心管连接；中心管通孔内安装孔板、单流阀及复位弹簧。本发明结构简单、工作可靠，能自动有效防止井喷，用于钻井和修井作业中。

Description

装于钻柱上在井下自动控制的井下防喷器

技术领域

本发明涉及一种用于油气田在钻井过程中因井下发生井涌或井喷时，安装于钻柱上的阀根据井下状态自动控制的井下防喷器。 

背景技术

目前的防喷器多安装于井口，在井下发生剧烈井涌现象时，依赖于操作人员的经验和责任心，及时开启井上控制***完成防喷器关井作业，以防止井喷事故发生。如果操作人员的经验不足或工作时的疏忽，未能及时完成防喷器关井作业，就可能发生严重的事故。此外，由于井下发生异常现象的信息通过介质传到井口需要一定的时间，此时井下环空可能已经因井涌而产生局部泥浆缺乏，加大了井下环空的压差，从而加深了控制井喷的难度。 

目前，在用的井口防喷器不能完成井下关井防喷，而井下安全阀则仅能完成钻柱内的防喷而不能实现钻柱外环空的防喷，因此将安装于井下防喷器壁上由阀自动控制的防喷器安装于钻柱上，随钻柱移动，当井下发生剧烈井涌异常现象时，具有保证在井下及时封井，防止井喷事故的发生。当需要进行正常钻井作业时，则可以通过井上操作就可以使防喷器解封，而无须提起钻柱，进行更换防喷器的操作，可以提高钻井效率。 

发明内容

本发明的目的是：针对现有井口防喷器存在的问题，能在井下自动启动封井，又能根据需要及时使防喷器解封，确保实现钻井过程连续、安全、可靠生产，特提供一种装于钻柱上在井下自动控制的井下防喷器。 

为了达到上述目的，本发明解决此技术问题所采用的技术方案是：一种装于钻柱上在井下自动控制的井下防喷器，是由钻柱内安全阀、井下防喷器主体、组合阀总成组成，其结构特征是：井下防喷器主体上的组合阀总成由安装于井下防喷器主体接箍上的外壁压板、外壁单向阀、外复位弹簧和安装于中心管上的内壁孔板、内壁单向阀和内复位弹簧构成；外壁压板为一圆锥形孔的金属板，金属板外壁是凸圆弧面、圆锥形孔的大端朝内，小端朝外，圆弧面形状与井下防喷器接箍外表面相同，与接箍外表面平齐，安装后与井下防喷器接箍外表面平齐，固定在井下 防喷器主体接箍上；外壁单向阀为一开有圆锥形孔状的圆锥体，锥形大端面下为圆柱体，圆柱体下面连接开有孔的圆环形圆柱体；外复位弹簧以圆柱体为中心安装于开有孔的圆环形圆柱体上，与外壁单向阀一起安装于外壁压板内；内壁孔板为一开有圆锥形孔的金属板，金属板的外壁为凹弧面安装在中心管内壁上，锥形孔的大端面朝外，小端面朝内，凹弧面形状与中心管内表面相同，与中心管内表面平齐，固定在中心管上；内壁单向阀为圆锥形，锥形大端面下为一圆柱体，圆柱体下部连接开有孔的圆环形圆柱体；内复位弹簧以圆柱体为中心安装在开有孔的圆环形圆柱体上，与内壁单向阀一起安装在内壁孔板内；井下防喷器主体是由接箍、活塞、中心管、阀体、短接构成；接箍两端加工有螺纹，一端与钻柱连接，另一端与钻柱内安全阀接头和中心管连接，在接箍外表面加工有一个通孔，通孔内设置有两个阶梯环形台肩，安装外壁压板、外壁单向阀和外复位弹簧，其中一个台肩安装组合阀总成中外壁压板，另一个台肩与外壁单向阀下部开有孔的圆环形圆柱体接触，外复位弹簧安装在外壁单向阀上；活塞一端外壁开有两个环形槽，安装卡簧和卡簧密封圈，卡簧安装在防喷器主体的活塞上与接箍内壁紧密接触，卡簧密封圈与接箍密封接触；活塞内表面开有一条形凹槽设置卡销，活塞上开有一个小孔；滑环、滑环密封圈、防突环、支撑环与胶筒一起构成了防喷器密封装置，滑环密封圈安装在滑环内壁的凹槽上，滑环与活塞密封接触，胶筒膨胀时滑环可以在活塞上滑动，支撑环一端有螺纹与阀体连接，另一端与胶筒和防突环连接，构成防喷器密封装置主体，胶筒为防喷器密封装置的密封元件；中心管为井下防喷器的内管，两端加工有螺纹，分别与接箍和阀体相连接，在中心管一端与接箍通孔相对应位置加工有一通孔，该通孔内设置两个阶梯状圆环形台肩，安装组合阀总成中的内壁孔板、内壁单向阀和内复位弹簧，其中一个台肩安装组合阀总成中内壁孔板，另一个台肩与内壁单向阀下部开有孔的圆环形圆柱体接触，内复位弹簧安装在内壁单向阀上；中心管上还开有一个通孔，通孔内安装孔板、单流阀复位弹簧和单流阀，孔板上开有一圆锥形孔，孔板的外壁为凸圆弧面，圆锥形孔的大端朝内，小端朝外，其圆弧面形状与中心管外表面相同，单流阀为圆锥体，锥体大端面下为圆柱体，圆柱体下面连接开有孔的圆环形圆柱体，单流阀复位弹簧以圆柱体为中心安装在开有孔的圆环形圆柱体上，与单流阀一起安装于孔板内；中心管上的凹槽内装有卡销和卡销弹簧，中心管上还设置3个圆形环槽，安装与相邻 零件密封用的密封圈；阀体两端加工有螺纹，一端外螺纹与支撑环连接，内螺纹与中心管连接，阀体上开有一阶梯孔，安装解锁弹簧、解锁弹簧支撑和解锁活塞，另一端螺纹与短接相连接共同组成井下防喷器主体；短接一端与阀体连接，另一端与钻柱连接。 

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：(1)结构简单，工作可靠；(2)能在井下自动有效地防止井喷；(3)可安装于不同井深场合，随钻工作；(4)可实现井涌时防喷，又可通过井上解封，多次使用而不必起下钻，节约了操作费用，提高了综合技术经济效益。 

附图说明

图1为本发明自动控制的井下防喷器的结构示意图。 

图2为井下防喷器中的组合阀的结构示意图。 

图3为井下防喷器中的卡销复合体的结构示意图。 

图4为井下防喷器中的单流阀复合体的结构示意图。 

图中：1、钻柱内安全阀；2、接箍；3、密封圈；4、外壁压板；5、外壁单向阀；6、外复位弹簧；7、内壁孔板；8、内壁单向阀；9、内复位弹簧；10、卡簧；11、卡簧密封圈；12、卡销弹簧；13、卡销；14、卡销弹簧压板；15、滑环；16、防突环；17、活塞；18、密封圈；19、孔板；20、单流阀；21、中心管；22、胶筒；23、支撑环；24、阀体；25、解锁弹簧；26、卡簧；27、解锁弹簧支撑；28、解锁活塞；29、短接；30、单流阀复位弹簧。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

井下防喷器由钻柱内的安全阀1和防喷器主体、主体内的组合阀总成组成，如图1、图2所示。钻柱内安全阀1将根据井深需要选用，安装于井下防喷器靠近钻头一端，其作用在于一旦发生井涌时，依靠此安全阀关闭钻柱内的环空，避免钻柱内泥浆上涌。井下防喷器主体由接箍2，密封圈3，外壁压板4，外壁单向阀5，外复位弹簧6，内壁孔板7，内壁单向阀8，内复位弹簧9，卡簧10，密封圈11，卡销弹簧12，卡销13，弹簧压板14，滑环15，防突环16，活塞17，密封圈18，孔板19，单流阀20，中心管21，胶筒22，支撑环23，阀体24，解锁弹簧25，卡簧26，解锁弹簧支撑27，解锁活塞28，短接29和单流阀复位弹簧30组成。其中， 接箍2和短接29保证防喷器主体中各零件的正确连接；接箍2上安装的外壁压板4，外壁单向阀5，外复位弹簧6与中心管上安装的内壁孔板7，内壁单向阀8，内复位弹簧9一起组成了井下防喷器主体中的组合阀总成，如图2所示；密封圈3、11和18密封各相应部位；外壁压板4，外壁单向阀5，外复位弹簧6，内壁孔板7，内壁单向阀8和内复位弹簧9的作用在于在发生井涌时，确保井下钻柱外环空的高压泥浆通过外壁单向阀5流入，迫使胶筒22膨胀，进而密封住钻柱外井下环空；卡簧10控制活塞17在定压下开始动作；卡销弹簧12，卡销13和弹簧压板14的作用在于保证防喷器解锁后活塞17返回时的定位，如图3所示；滑环15，防突环16，胶筒22，支撑环23和阀体24共同组成井下防喷器对钻柱外井筒环空的密封部件，其中滑环15，支撑环23和阀体24保证胶筒22的安装与定位，防突环16具有保证胶筒22的边缘不至于因变形突出而造成的非正常损伤，胶筒22则在膨胀时起到密封井下钻柱外环空的作用，胶筒22膨胀时滑环15可以在活塞17上滑动，适应胶筒膨胀时的变形需要；孔板19起到保证单流阀20的正确安装和限制单流阀20的动作范围，如图4所示；中心管21是井下防喷器的内管，也是确保内壁孔板7，内壁单向阀8，内复位弹簧9，卡销弹簧12，卡销13，弹簧压板14，密封圈18，单流阀20，单流阀复位弹簧30和孔板19等零件按设计位置安装的管道；解锁弹簧25，卡簧26，解锁弹簧支撑27和解锁活塞28共同组成井下防喷器解除锁定位置的部件；卡簧26则保证了解锁弹簧25的正确安装位置和限制了解锁弹簧25的运动行程。 

本发明的防喷器主体中，安装于防喷器外壁上的组合阀总成，是由外壁压板4，外壁单向阀5，外复位弹簧6，内壁孔板7，内壁单向阀8和内复位弹簧9组成，如图2所示，外壁单向阀5和内壁单向阀8可以在工作中自动比较钻柱内外的压力，保证在定压差下开启或关闭外壁单向阀5。其作用在于当发生井涌，安全阀1关闭后，井下钻柱外环空的压力大于钻柱内压力，因而压迫外壁单向阀5，压缩外复位弹簧6，钻柱外泥浆流入，压紧内壁单向阀8密封住中心管内壁，防止钻柱内泥浆进入，同时流入的钻柱外高压泥浆驱动活塞17向下运动，并从活塞上开的小孔中进入防喷器胶筒22，迫使胶筒22膨胀，进而密封住钻柱外井下环空，实现了同时密封住井下内、外环空的目的，从井下阻止了井喷事故的发生，有效地保 证了钻井过程的安全生产。外复位弹簧6和内复位弹簧9则具有保持外壁单向阀5和内壁单向阀8在正常工作条件下的关闭与解锁时外壁单向阀5的复位。 

安装于中心管上的卡销复合体由卡销弹簧12，卡销13和弹簧压板14组成，如图3所示，其作用在于保证防喷器解锁后活塞17返回时的定位。而安装于中心管上的单流阀复合体由孔板19，单流阀20和单流阀复位弹簧30组成，如图4所示，其作用在于孔板19起到保证单流阀20的正确安装和限制单流阀20的动作范围，单流阀复位弹簧30则在正常工作环境下保证单流阀20的有效关闭。 

其工作原理如下：当井下发生井涌异常现象时，由于井下压力和流速的剧烈变化，首先驱动安装于钻柱内的安全阀1动作，密封住钻柱内井下环空，此时，由于钻柱内的压力低于钻柱外因井涌产生的压力，钻柱内外产生压差，达到某一设定值后，驱动钻柱外环空泥浆压迫安装于防喷器外壁上的组合阀中的外壁单向阀5，外复位弹簧6缩进，钻柱外环空的泥浆通过外壁单向阀5流入，驱动活塞17向下运动，密封住单流阀20，并推动解锁弹簧支撑27向下运动，压缩解锁弹簧28，直至不能再运动，此时，由钻柱外推动活塞17运动的高压泥浆从活塞17上开的小孔中进入防喷器胶筒22，迫使胶筒22膨胀，进而密封住钻柱外井下环空，与安全阀1一起实现了同时密封住井下钻柱内外环空的目的，从井下阻止了因井涌而可能导致的井喷事故的发生，有效地保证了钻井过程的安全生产；此时，由钻柱外流入的泥浆压紧单向阀8，密封住中心管内壁，避免钻柱内泥浆的进入。 

当从井上采取措施压井，阻止了井涌后，因钻柱内压井泥浆的压力大于井下钻柱外环空泥浆压力，钻柱内安全阀1复位，钻柱内外压力趋于平衡，此时，被压缩的解锁弹簧28因弹性恢复而复位，带动解锁弹簧支撑27向上运动，推动活塞17向上运动，单流阀解封，直至安装于中心管上的卡销复合体上的卡销13到达设定位置，保证防喷器解锁后活塞17返回时的定位，解锁活塞28的作用在于保证解锁弹簧28和解锁弹簧支撑27的平稳直线运动，卡簧26则是起到确定解锁活塞28的相对位置；此时，单流阀20在胶筒22和钻柱内泥浆压差的作用下，推动单流阀复位弹簧30动作，胶筒22内的高压泥浆通过单流阀20与中心管间的间隙流入钻 柱内环空，胶筒22复位，井下防喷器解封。该井下防喷器可以在井下多次实现防喷和解锁的动作，钻井工作可以继续进行。减少了通常情况下必须提升钻柱，更换防喷器，可以提高钻井效率，并从井下就有效地阻止了井喷发生的可能性，达到了本发明的目的。本发明可用于钻井和修井环境下实现防喷。 

Claims (4)

1.一种装于钻柱上在井下自动控制的井下防喷器，由钻柱内安全阀、井下防喷器主体、组合阀总成组成，其特征在于：井下防喷器主体上的组合阀总成由接箍(2)上的外壁压板(4)、外壁单向阀(5)、外复位弹簧(6)和中心管(21)上的内壁孔板(7)、内壁单向阀(8)、内复位弹簧(9)构成；外壁压板(4)固定在井下防喷器主体接箍(2)上，外复位弹簧(6)以圆柱体为中心安装在开有孔的圆环形圆柱体上，与外壁单向阀(5)一起安装在外壁压板(4)内；内壁孔板(7)安装在中心管(21)内壁上，内复位弹簧(9)以圆柱体为中心安装在开有孔的圆环形圆柱体上，与内壁单向阀(8)一起安装在内壁孔板(7)内；井下防喷器主体是由接箍(2)、活塞(17)、中心管(21)、阀体(24)、短接(29)构成；接箍(2)两端加工有螺纹，一端与钻柱连接，另一端与钻柱内安全阀接头和中心管(21)连接，在接箍(2)外表面有一通孔，通孔内设置有两个阶梯环形台肩，一个安装组合阀总成中的外壁压板(4)，另一个与外壁单向阀(5)下部开有孔的圆环形圆柱体接触；活塞(17)一端外壁开有两个环形槽，安装卡簧(10)和卡簧密封圈(11)，并与接箍(2)密封接触，活塞(17)内表面开有一条形凹槽设置卡销(13)，活塞(17)上开有一小孔；滑环密封圈(18)安装在滑环(15)内壁的凹槽上，滑环(15)与活塞(17)密封接触，胶筒(22)膨胀时滑环(15)可以在活塞(17)上滑动，支撑环(23)一端与阀体(24)连接，另一端与胶筒(22)和防突环(16)连接，构成防喷器密封装置；中心管(21)上开有一个通孔，通孔内安装孔板(19)、单流阀复位弹簧(30)和单流阀(20)，单流阀复位弹簧(30)以圆柱体为中心安装在开有孔的圆环形圆柱体上，与单流阀(20)一起装在孔板(19)上；中心管(21)上的凹槽内装有卡销(3)和卡销弹簧(12)，中心管上还设置3个圆形环槽，安装密封圈(3、18)；阀体(24)一端外螺纹与支撑环(23)连接，内螺纹与中心管(21)连接，阀体(24)上开有一阶梯孔，安装解锁弹簧(25)、解锁弹簧支撑(27)和解锁活塞(28)，阀体(24)另一端与短接(29)相连接，短接(29)再与钻具连接。

2.根据权利要求1所述的井下防喷器，其特征是：外壁压板(4)为一有圆锥形孔的金属板，金属板外壁是凸圆弧面，圆锥形孔的大端朝内，小端朝外，圆弧面形状与接箍(2)外表面相同，与接箍(2)外表面平齐；外壁单向阀(5)为一有圆锥形孔状的圆锥体，锥形大端面下为圆柱体，圆柱体下面连接开有孔的圆环形圆柱体。

3.根据权利要求1所述的井下防喷器，其特征是：内壁压板(7)为一有圆锥形孔的金属板，金属板外壁为凹弧面安装在中心管(21)内壁上，圆锥形孔的大端面朝外，小端面朝内，凹弧面形状与中心管(21)内表面相同，与中心管(21)内表面平齐；内壁单向阀(8)为圆锥形，锥形大端面下为圆柱体，圆柱体下部连接开有孔的圆环形圆柱体。

4.根据权利要求1所述的井下防喷器，其特征是：中心管(21)两端加工有螺纹，分别与接箍(2)和阀体(24)相连接，在中心管(21)一端与接箍(2)通孔相对应位置加工一通孔，该通孔设置两个阶梯状圆环形台肩安装内壁孔板(7)、内壁单向阀(8)和内复位弹簧(9)。

Images