CN1050403C - 自动增压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动增压装置，包括外壳、低压缸、增压缸、低压缸和增压缸联用的活塞杆，还包括机动先导阀及加长限位杆、液动换向阀和单向阀。它利用机动先导阀和液动换向阀联合对低压缸和高压缸的工作进行控制，使泥浆流分为三路；一部分通过增压缸增压后由钻头小水眼喷向岩层，一部分从钻头大水眼喷出用来净化井底，其余部分用来驱动低压缸。本发明具有钻进速度高、结构简单、使用方便、成本低等特点。

Description

自动增压装置

本发明涉及一种自动增压装置，尤其是一种钻井工艺中的用于水力破岩的井下自动增压装置。

目前，常规的钻井过程中主要是靠钻机直接施加钻压，使钻头破碎岩石，并使用地面泥浆泵输送钻井液来净化井底，携带岩屑上返。这种钻井方法耗能大、效率低，在相同钻井深度的情况下成本较高，尤其在深井钻井中上述问题更加突出。

现在，人们试图把水力切割技术用于石油钻井工业中。在七十年代美国进行了超高压辅助钻井实验：在实验过程中，把整个循环泥浆压力提高到105MPa。所用水马力高达2400，其钻进深度比常规的提高了2～3倍。但是由于其所有设备需承担高达105MPa的压力，在钻井工业中不能得到广泛的应用。八十年代初美国Grsce Drilling公司与Flow Drill公司合作，于一九九一年推出了一种新型的地面增压的双钻管钻井***。这种双钻管钻井***主要是把2升/秒的泥浆增压到230MPa，并通过钻杆内另设的小管输送到井底，而钻杆与小管所形成的环形空间仍为常规泥浆泵的流量和压力，最终高压小排量与低压大排量分别通过钻头小水眼和大水眼喷向井底，用这套设备进行多口钻井，在中硬地层可提高钻井速度2～3倍。但该***还存在结构复杂、失效概率高、使用不便、价格昂贵等缺点。

目前，常规的双作用自动增压装置，如专利技术GK86106346、GK861055903、WO91/07566等不能保证承受足够高的抗拉、抗压、抗弯强度，在井下空间小、排量大(约1800升/秒)的情况下无法实行钻井工作。这种中间低压缸、两头增压缸，如果设计成管式形状，其结构较复杂、加工工艺较差，可靠性不高，增压幅度受到限制；而且，这些增压装置一般仅靠液动换向阀进行控制，容易产生能量损失大、换向不够平稳、失效概率高等问题。而常规的单缸双作用增压缸必须配套两个吸入单向阀，两个排出单向阀，这种结构不但复杂，而且还会造成双向行程的增压流量不等或增压比不同。另外单作用自动增压装置虽然结构简单，但由于单行程增压，其输出的高压流体作用地层时间短，其破岩效果必然降低，另外钻头的小水眼只能按增压后的小流量设计，这样在非增压行程时，需额外地承担控制低压缸工作的每分钟五、六百升的泥浆，如果另设机构处理，必增加单作用增压装置的复杂性。

本发明的目的是克服上述缺点而提供一种利用机动先导阀和液动换向阀联合对低压缸和高压缸的工作进行控制、并具有高压小流量和低压大流量两股不同流量喷出的井下自动增压装置，该装置结构简单、增压幅度大、能量损失小、密封好、换向平稳、工作可靠、寿命长、使用方便、价格低廉。本发明利用地面泥浆泵输出的部分钻井液作动力，实现往复运动、自动换向、单缸双作用增压。在增压装置以上的常规设备不变的情况下，能把约1升/秒的泥浆增压到170MPa至250MPa，并允许泥浆泵输出的大部分流量在其内部畅通无阻地通过，达到两股不同压力不同流量的泥浆由钻头大、小水眼喷出，形成高压水力切割、钻头破岩、低压大排量泥浆净化井底，以足够大的速度把岩屑带到井上的新式钻井装置。

本发明所述的自动增压装置，尤其是用于钻井的井下自动增压装置，包括有：上下带连接头的外壳，一个低压缸，一个增压缸，一个低压缸和增压缸联用的活塞杆，通过活塞杆使得增压缸和低压缸内的活塞作单向运动，低压泥浆在环空中分成三部分，第一部分泥浆将经增压缸增压到超高压，由钻头的小水眼以超高压喷向岩层，第二部分泥浆连续地从钻头的大水眼喷出，其余的泥浆为第三部分，该自动增压装置还括有：

一个由低压缸活塞控制换向的机动先导阀，其阀芯尾部带有加长的限位杆，该限位杆上设有两个行程限位台阶，该阀安装在低压缸轴心方向的上端，靠低压缸活塞端面撞击加长限位杆上的两个台阶来实现强制换位；

一个由机动先导阀控制换向，进而控制低压缸自动切换的液动换向阀；

和/或一个安在增压缸的出口与钻头小水眼之间能防止下放钻杆时泥浆倒流的超高压单向阀；

和/或一个安在泥浆主流道与钻头之间能防止下钻时井底泥浆窜入增压装置的低压单向阀；

和/或一个设置在机动先导阀、液动换向阀与钻具环形空间相连的通路上的泄荷单向阀；

一个设在增压缸活塞中间的增压缸排出单向阀；

一个设在增压缸下端的增压缸吸入单向阀；

所述低压缸由机动先导阀和液动换向阀两个阀组合控制，且所述活塞杆设置在其一端；

所述增压缸是一个与活塞杆相连的单缸双作用缸；

所述活塞杆与低压缸的机动先导阀限位杆套合在一起；

所述第三部分泥浆用来控制机动先导阀和液动换向阀的换向并驱动低压缸运动；

所述低压缸的活塞与活塞杆中心设有一能够容纳机动先导阀阀芯加长限位杆的孔，根据预先确定的行程对机动先导阀进行控制和限位。

本发明与现有技术相比具有以下的特点：

1.在中硬地层可提高钻进速度1.5至2倍；

2.可用较低的钻压钻进，可缓减钻头的磨损；

3.超高压喷射钻头适应地层类型扩大，钻头规格减少，同时节省了起下钻更换钻头的时间；

4.与MWD井下动力钻具组合，可满足水平井和定向井的工况，并在难以施加钻压条件下得到更高的钻井速度；

5.与超高压喷射PDC钻头配套，可把常规钻井速度提高3至5倍；

6.本发明还具有结构简单、价格低廉、使用方便、综合钻井成本低等特点。

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

图1为本发明的一种原理图；

图2为本发明的另一原理图；

图3为针对图2原理而提供的一种结构图；

图4为本发明的再一原理图；

图5为本发明的又一原理图。

参见图1、2、3，本发明的自动增压装置，包括有上下带连接头的外壳1，并进一步包括有：一个由低压缸活塞控制换向的机动先导阀3，其阀芯尾部带有加长的限位杆5，加长的限位杆5上设有二个限位台阶16、16’；一个由机动先导阀3控制换向，进而控制低压缸自动切换的液动换向阀2；一个由机动先导阀和液动换向阀组合控制，一端有活塞杆6的低压缸4即主动液缸；一个与活塞杆6相连的单缸双作用的增压缸8；一个安在增压缸8的出口与钻头小水眼13之间能防止下放钻杆时泥浆倒流的超高压单阀12；一个安在泥浆主流道与钻头之间能防止下钻时井底泥浆窜入增压装置的低压单向阀10；一个设置在机动先导阀3、液动换向阀2与钻具环形空间相连的通路上的泄荷单向阀11；一设在增压缸8活塞中间的增压缸排出单向阀7；一个设在增压缸下端的增压缸吸入单向阀9。上述的活塞杆6是低压缸4和增压缸8联用的，活塞杆6与低压缸4的机动先导阀限位杆5套合在一起，通过活塞杆使高压缸、低压缸内的两个活塞同向运动。上述的机动先导阀3为二位四通形式或二位三通形式，其阀芯的机动先导阀限位杆5上设有两个行程限位台阶16；该阀安在低压缸4轴心方向的上端，靠低压缸4的活塞端面撞击加长限位杆5上的两个台阶16来实现强制换位。其液动换向阀2为液动二位四通形式，它与机动先导阀配合，进行控制主流道的切换。低压缸4为只有下端设有活塞杆6的双作用液缸，活塞与活塞杆中心设有一能容纳机动先导阀3阀芯加长限位杆5的孔，根据预先确定的行程对机动先导阀3进行控制和限位。上述的增压缸8为单缸双作用，其下连有增压缸吸入单向阀9；增压缸8的上、下腔之间通过增压缸排出单向阀7相连通，实现其泥浆的排出功能；增压缸排出单向阀7可安在活塞与活塞杆中间，也可旁通地安在两液缸的侧面。

上文所述的各种单向阀为球形或锥形，也可是满足其功能的其它形式。其外壳形状为能容纳其所有部件的、具有足够强度的并能使低压缸和增压缸的缸径和增压比尽可能大的管状。

本发明在使用时，来自地面泥浆泵的低压泥浆，通过常规水龙头、钻柱等输送到本发明的自动增压装置。泥浆在G、J两处分成三路，沿箭头①方向流动约三分之一的泥浆用来控制机动先导阀3和液动换向阀2的换向并驱动低压缸运动；约1升/秒的流量沿箭头②，将经增压缸8增压到超高压；沿箭头②分流出的约占泥浆泵输出的三分之二泥浆连续地从钻头15的大水眼14喷出，以保证对井底有充分的净化能力。参见图1，图中低压缸4正向上运动并接近终点，此时，沿箭头①的泥浆经液动换向阀2的P′B′进入低压缸4的b腔，同时a腔的泄荷泥浆由液动换向阀的A′O′经泄荷单向阀11进入环空，并沿箭头③的方向回到泥浆池。与此同时，低压缸4的活塞端面开始与机动先导阀3的加长机动先导阀限位杆5的台阶16接触；在低压缸4向上运动过程中，增压缸吸入单向阀9开启，来自泥浆泵的部分压力流体进入增压缸8的d腔，同时其c腔受压，增压缸排出单向阀7在弹簧力、压差的作用下被关闭，其上腔c的泥浆液受到压缩，上腔c由于容积的变化迫使其泥浆按低压缸与增压缸有效承压面积比，以高于低压数倍的超高压从钻头小水眼13喷向井底岩层。当低压缸4的活塞继续向上运动时，将推动机动先导阀限位杆5向上移动，当其中的P与A，O与B接通，液动换向阀2的M端进入压力泥浆，则N端开始通过机动先导阀3的B、O和泄荷单向阀11与环空接通而泄压，这时液动换向阀2的M端在高压作用下自动换向，由原来的P’与B’相通变为P’与A’相通，O’与A’相通变为O’与B’相通，这样来自泥浆泵的部分压力泥浆通过P’A’进入低压缸的a腔，b腔通过O’、B’与环空连通变成低压，因此低压缸4开始向下运动，并带动增压缸8同时向下运动，此时因增压缸8下腔泥浆液受到压缩，增压缸吸入单向阀9在压差和弹簧力作用下关闭，而活塞中间的增压缸排出单向阀7开启，由于增压缸8向下运动过程中其缸内c腔容积由大变小，将迫使增压缸8泥浆以高压从c腔通过钻头小水眼13喷向井底岩层。当动力缸活塞内端面碰到限位杆台阶16’时，使向下运动的增压装置制动，并开始为向上运动作准备；低压缸的往复运动，就将连续地从增压缸排出高压流体。

参见图2，其基本工作原理与图1的原理一致，所不同是图2采用了机动先导阀行程控制制动方式，即低压缸泄荷回路先通过液动换向阀2，然后再通过机动先导阀3的锥形节流通道回零的，这种制动方式比时间控制制动方式的冲击量更小、运动更平稳。

参见图4，图4为缓冲控制制动方式。主要是利用活塞运动到接近终点，缓冲腔产生的压力信号，首先使液动先导阀换向改变液动换向阀的位置，最终控制低压缸4的自动切换，这种方式的工作性能比较平稳。

参见图5，它是根据图1的原理变化而成的。所不同的是增压缸的入口不是来自低压泵的压力介质，而是低压缸工作过程中泄压的部分流体，这种结构使回路能量利用率比较高，不受环境的限制。同样图2、图4也可以制成图5相似的自动转换回路或增压装置。

Claims (9)

1.一种自动增压装置，尤其是用于钻井的井下自动增压装置，包括有：上下带连接头的外壳，一个低压缸，一个增压缸，一个低压缸和增压缸联用的活塞杆，通过活塞杆使得增压缸和低压缸内的活塞作单向运动，低压泥浆在环空中分成三部分，第一部分泥浆将经增压缸增压到超高压，由钻头的小水眼以超高压喷向岩层，第二部分泥浆连续地从钻头的大水眼喷出，其余的泥浆为第三部分；

其特征在于，它还包括有：

一个由低压缸活塞控制换向的机动先导阀，其阀芯尾部带有加长的限位杆，该限位杆上设有两个行程限位台阶，该阀安装在低压缸轴心方向的上端，靠低压缸活塞端面撞击加长限位杆上的两个台阶来实现强制换位；

一个由机动先导阀控制换向，进而控制低压缸自动切换的液动换向阀；

和/或一个安在增压缸的出口与钻头小水眼之间能防止下放钻杆时泥浆倒流的超高压单向阀；

和/或一个安在泥浆主流道与钻头之间能防止下钻时井底泥浆窜入增压装置的低压单向阀；

和/或一个设置在机动先导阀、液动换向阀与钻具环形空间相连的通路上的泄荷单向阀；

一个设在增压缸活塞中间的增压缸排出单向阀；

一个设在增压缸下端的增压缸吸入单向阀；

所述低压缸由机动先导阀和液动换向阀两个阀组合控制，且所述活塞杆设置在其一端；

所述增压缸是一个与活塞杆相连的单缸双作用缸；

所述活塞杆与低压缸的机动先导阀限位杆套合在一起；

所述第三部分泥浆用来控制机动先导阀和液动换向阀的换向并驱动低压缸运动；

所述低压缸的活塞与活塞杆中心设有一能够容纳机动先导阀阀芯加长限位杆的孔，根据预先确定的行程对机动先导阀进行控制和限位。

2.根据权利要求1所述的自动增压装置，其特征在于：

低压泥浆来自泥浆泵，所述第一部分为1升/秒，第二部分为泥浆总流量的三分之二，其余的泥浆为第三部分。

3.根据权利要求1所述的自动增压装置，其特征在于：

所述第一部分泥浆包括低压缸工作过程中泄压的部分流体。

4.根据权利要求1或2所述的自动增压装置，其特征在于：

所述机动先导阀为二位四通或二位三通的形式。

5.根据权利要求1所述的自动增压装置，其特征在于：

液动换向阀为液动二位四通形式，它与机动先导阀配合，进行控制主流道的切换。

6.根据权利要求1所述的自动增压装置，其特征在于：

所述的增压缸为单缸双作用，其下连有增压缸吸入单向阀；增压缸的上、下腔之间通过增压缸排出单向阀相连通，实现其泥浆的排出功能；增压缸排出单向阀可安在活塞与活塞杆中间，也可旁通地安在两液缸的侧面。

7.根据权利要求1、2或6之一所述的自动增压装置，其特征在于：

所述每一个单向阀为球形或锥形单向阀。

8.根据权利要求1所述的自动增压装置，其特征在于：

所述装置的外壳形状为管状。

9.根据权利要求1或2所述的自动增压装置，其特征在于：

低压缸的泄荷泥浆是经液动换向阀、泄荷单向阀进入环空的；或低压缸泄荷回路先通过液动换向阀，然后再通过机动先导阀的锥形节流通道回零的。