CN111119764B - 防气侵装置和包括其的钻井管柱 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种防气侵装置和包括其的钻井管柱，该防气侵装置包括内筒，内筒的内腔形成第一流道和设置在内筒的外侧的第二流道，第二流道通过第一通孔与第一流道选择性连通，并通过第二通孔与外界连通，其中，第二通孔位于第一通孔的上端，使用该防气侵装置能改变气体和液体的流动方向，利用重力分异作用，达到防止钻井液气侵和漏失的目的。
Description
技术领域
本发明属油气钻完井技术领域，尤其涉及一种防气侵装置和包括其的钻井管柱。
背景技术
天然气井在钻井、完井、测试等作业施工时，由于气液密度差异，不可避免的发生钻井液的气侵和漏失现象。天然气侵入钻井液向上运移，钻井液向下漏入地层，极易造成井涌、井喷，引起井控事故。同时，大量钻井液漏入地层，增加了钻井成本，并污染了地层。尤其对于缝洞型高压气藏，天然气上窜速度快，钻井液恶性漏失，井控风险极大，钻完井成本极高。
目前，对于温度压力较低的气藏，可以通过提高井口和套管的强度来保证井控安全；还可以通过循环排气来使井筒充满钻井液，同时提高钻井液性能来减缓气体上窜速度，争取作业窗口时间；还可以采用气滞塞技术，即在井底挤入一段高粘滞性钻井液，减缓气体上窜速度。但这些措施只能减缓气体上窜速度，延长作业窗口时间，气滞塞作用时间有限，特别是在高温下容易失效，无法从根本上解决钻井液的气侵和漏失问题，尤其是对缝洞型碳酸盐岩气藏，气窜速度快，钻井液漏失量巨大，风险极高。
发明内容
针对上述问题的部分或全部，本发明提出了一种防气侵装置和包括其的钻井管柱。使用该防气侵装置能改变气体和液体的流动方向，利用重力分异作用，达到防止钻井液气侵和漏失的目的。
根据本发明的一方面，提供一种防气侵装置，包括：
内筒，内筒的内腔形成第一流道，
设置在内筒的外侧的第二流道，第二流道通过第一通孔与第一流道选择性连通，并通过第二通孔与外界连通，
其中，第二通孔位于第一通孔的上端。
在一个实施例中，在内筒的中间段的外壁上设置凹槽，在凹槽内设置与凹槽的两侧壁抵接的外筒，外筒与内筒之间的环空形成第二流道，第一通孔设置在内筒的壁上，而第二通孔设置在外筒的壁上。
在一个实施例中，在内筒的内壁上设置用于封堵第一通孔的滑套，滑套与内筒通过剪切销固定。
在一个实施例中，在从上到下的方向上，第二流道依次包括第一段、第二段和第三段，其中，第一段和第三段的通流面积均大于第二段的通流面积。
在一个实施例中，第二段的通流面积与第一段的通流面积的比为0.1-0.6。
在一个实施例中，在内筒和外筒之间设置轴向延伸的筋板。
在一个实施例中，筋板与内筒和外筒均抵接，且在筋板上开设有连通孔。
在一个实施例中，内筒包括上接头段和与上接头段固定连接的下接头段，上接头段和下接头段的连接接触面为斜面。
在一个实施例中，第二流道的高度为10-30米。
根据本发明的另一方面，提供一种钻井管柱，包括上述防气侵装置。
与现有技术相比，本发明的优点在于：该被防气侵装置设置在钻杆上，作为钻井管柱的一部分被下入井筒中。在未钻遇气层时，第二流道与第一流道不连通，可以实现正常循环功能。当钻遇气层时，第二流道与第一流道连通，流道方向改变，由直上直下改变为通过第二流道折返。在向第一流道内灌注钻井液后，钻井液通过第一通孔由第一流道折返进入第二流道内。防气侵装置外为气体时，气体预进入防气侵装置内，需要从第二流道向下推动钻井液下行，而液体要进入防气侵装置外，必须在第二流道内向上。由于气体密度小于钻井液的密度，始终是气体在上而液体在下，不可能发生气体向下液体向上的相对运动。由此，在压力平衡时，气液界面会保持平衡状态，不会发生钻井液气侵和漏失。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的防气侵装置；
图2为来自图1的A-A剖；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘出。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1显示了根据本发明的防气侵装置100。如图1所示，防气侵装置100包括内筒1和外筒2。其中，内筒1的内腔形成第一流道3。外筒2套设在内筒1的外壁上，并与内筒1形成轴向延伸的第二流道4。其中，在内筒1的壁上设置第一通孔11，以使得第二流道4能通过第一通孔11与第一流道3选择性连通。在外筒2的壁上设置第二通孔21，以使得第二流道4通过第二通孔21与外界连通。并且第二通孔21位于第一通孔11的上端。
根据本发明的防气侵装置100，被设置在钻杆上，作为钻井管柱的一部分被下入井筒中。在未钻遇气层时，第二流道4与第一流道3不连通，可以实现正常循环功能。当钻遇气层时，第二流道4与第一流道3连通，流道方向改变，由直上直下改变为通过第二流道4折返。在向第一流道3内灌注钻井液后，钻井液通过第一通孔11由第一流道3折返进入第二流道4内。防气侵装置100外为气体时，气体预进入防气侵装置100内，需要从第二流道4向下推动钻井液下行，而液体要进入防气侵装置100外，必须在第二流道4内向上。由于气体密度小于钻井液的密度，始终是气体在上而液体在下，不可能发生气体向下液体向上的相对运动。由此，在压力平衡时，气液界面会保持平衡状态，不会发生钻井液气侵和漏失。
在使用过程中，如果钻井液比重过高，造成钻井液液柱压力高于气体压力，钻井液会从第二通孔21漏入地层，第一流道3内液柱高度会随之下降，当液柱压力等于气体压力时，气液自动平衡，在此过程中不会发生气侵问题。如果钻井液比重较低，钻井液液柱压力低于气体压力，可及时关井，井口压力会随之升高，井口压力加上液柱压力会自动与气体压力发生平衡。如果关井不及时，会有部分气体向下进入第二流道4，但钻井液不会在此处自下向上漏入地层，因此钻井液压力会平衡掉大部分气体压力，井口压力不会太高，进入第二流道4内的气体可以通过循环排气去除。当气液平衡时，上部进行起管柱作业应随时补充钻井液，进行下管柱作业时，可释放掉部分钻井液以维持气液平衡，如果补充钻井液不及时，会有部分气体进入防气侵装置100内，但由于不会发生钻井液漏失，所以进入的气体可通过循环排气去除。而且随时可以安全关井，由于始终有钻井液平衡地层压力，可以保证井控安全。如果补充钻井液过多或下管柱时不方便放钻井液，钻井液会漏入地层，但总量有限。总之，通过折返的第二流道4和第一流道3，可以保证钻井液的漏失和气侵不会同时发生，从而保证井控安全。
在内筒1的中间段的外壁上设置凹槽12。外筒2设置在凹槽12内，且外筒2的两端面与凹槽12的两侧壁抵接，以在外筒2与内筒1之间形成第二流道4。为了方便安装，内筒1为分体式结构，包括上接头段13和下接头段14，且上接头段13和下接头段14固定连接。上接头段13用于连接钻杆，同时下接头段14也用于连接钻杆。上接头段13上设置第一台阶面15，同时，下接头段14上设置第二台阶面16，两个台阶面15,16之间形成凹槽12。这种结构简单，便于装配。
优选地，上接头段13和下接头段14套接式连接，且装配接触面为斜面。这种连接方式比较稳定，并避免应力集中。例如。上接头段13和下接头段14可以采用螺纹连接，且在两者之间设置防转销(图中未示出)。在将该防气侵装置100设置在钻柱上时，上述设置的上接头段13和下接头段14能很好的传递转矩，保证正常钻进。
为了实现第二流道4与第一流道3的选择性连通。在内筒1的内壁上设置滑套5。该滑套5通过剪切销6设置在内筒1上。在滑套5的内壁上可以设置球座(图中未示出)也可以设置胶塞座(图中未示出)。在未钻遇气层时，第一通孔11被滑套5封堵，实现正常循环。当钻遇气层时，从井口投入球以与球座配合或者投入胶塞以与胶塞座配合，然后通过地面打压，将剪切销6剪断，从而使得第二流道4与第一流道3连通。这种设置方式简单，易于实现。
在从上到下的方向上，第二流道4依次包括第一段41、第二段42和第三段43。其中，第一段41和第三段43的通流面积均大于第二段42的通流面积。优选地，第二段42的通流面积与第一段41的通流面积的比为0.1-0.6。例如，0.3。同理地，第二段42的通流面积与第三段43的通流面积的比也可以为0.1-0.6例如，0.3。通流面积的变化可以通过凹槽12的槽的深浅来实现。也就是，在对应第二通孔21的第一段41的位置处，凹槽12比较深。在对应第一通孔11的第三段43的位置处，凹槽12也比较深。而在两者之间的第二段42处，凹槽12的比较浅。另外，第二段42与第一段41和第三段43均采用斜面式的光滑过渡连接。通过这种设置能增加防气侵效果。
如图2所示，在内筒1和外筒2之间设置轴向延伸的筋板7。该筋板7固定设置在内筒1的外壁上，并通过螺纹与外筒2进行连接。该筋板7起到了增加强度的作用。同时，该筋板7将内筒1和外筒2连接在一起，起到了进一步增加强度的作用，尤其是在将防气侵装置100设置在钻杆上后，这种设置能保证扭矩很好的传递，从而保证正常钻进。在筋板7上设置连通孔71，用于构造筋板7两侧的空间。在轴向上，在各筋板7上设置多个间隔的连通孔71。该连通孔71起到了增加流通面积的作用。
在一个实施例中，第二流道的高度为10-30米，例如20米。这种设置使得，一方面防气侵效果显著，另一方面结构优化，组装容易，且强度稳定性高。
在周向上，间隔式设置多个第二通孔21。且各第二通孔21构造为沿着轴向分布的长条孔。同理地，在周向上，间隔式设置多个第一通孔11，各第一通孔11构造为沿着轴向分布的长条孔。这种设置简单，易于加工。同时，这种设置能保证防气侵装置100的自身强度，有助于更好地传递扭矩。
本申请中，方位用语“上”和“下”均以防气侵装置100的实际工作方位为参照。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (9)
1.一种防气侵装置，其特征在于，包括：
内筒，所述内筒的内腔形成第一流道，在所述内筒的中间段的外壁上设置有凹槽，
设置在所述凹槽内并与所述凹槽的两侧壁抵接的外筒，
由所述外筒与所述内筒之间的环空形成的第二流道，所述第二流道通过设置在所述内筒的壁上的第一通孔与所述第一流道选择性连通，并通过设置在所述外筒的壁上的第二通孔与外界连通，
其中，所述第二通孔位于所述第一通孔的上端。
2.根据权利要求1所述的防气侵装置，其特征在于，在所述内筒的内壁上设置用于封堵所述第一通孔的滑套，所述滑套与所述内筒通过剪切销固定。
3.根据权利要求1或2所述的防气侵装置，其特征在于，在从上到下的方向上，所述第二流道依次包括第一段、第二段和第三段，其中，所述第一段和所述第三段的通流面积均大于所述第二段的通流面积。
4.根据权利要求3所述的防气侵装置，其特征在于，所述第二段的通流面积与所述第一段的通流面积的比为0.1-0.6。
5.根据权利要求1所述的防气侵装置，其特征在于，在所述内筒和所述外筒之间设置轴向延伸的筋板。
6.根据权利要求5所述的防气侵装置，其特征在于，所述筋板与所述内筒和所述外筒均抵接，且在所述筋板上开设有连通孔。
7.根据权利要求1或2所述的防气侵装置，其特征在于，所述内筒包括上接头段和与所述上接头段固定连接的下接头段，所述上接头段和所述下接头段的连接接触面为斜面。
8.根据权利要求1或2所述的防气侵装置，其特征在于，所述第二流道的高度为10-30米。
9.一种钻井管柱，其特征在于，包括根据权利要求1到8中任一项所述的防气侵装置。
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