专利名称：用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及油气井钻井领域，尤其是一种适用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头。
背景技术：
泡沫空气锤钻井工艺是以泡沫作为动力介质驱动空气锤工作的钻井方法。它将空气锤钻井技术和泡沫钻井技术有机结合，既发挥了空气锤破碎硬岩效率高，不易井斜的特点，又充分体现了泡沫作为洗井介质携岩能力强、井壁稳定、满足潮湿地层及含水层携岩需求的特点。空气锤钻井技术在油田气体钻井中的应用可谓是其技术更深层领域的应用，其应用环境更复杂，对空气锤钻井工具的工作性能要求更高深井作业(最深达4300m)，承受大气量(最大300m3/min)，抗高频冲击，耐高温(150°C )。近年来，中石油研制成功的KQC系列空气锤已广泛应用于川渝地区的油气井钻井中；但钻遇地层出水时，为避免出现井下复杂，会及时替换其他钻井方式(牙轮空气钻进或常规钻进)。2008年在大庆的“徐深31井”应用KQC180型空气锤钻井，在井深2648. 45m处钻遇地层水，为实现正常钻进，实施了空气锤泡沫钻井作业，这是目前国内已知的在油田钻井中泡沫钻井与空气锤钻井技术相结合的实例。应用结果实现进尺54. 14m、纯钻时间14. 43h、平均机械钻速3. 75m/h ;钻进参数注气量120m3/min、注液量I. 2 I. 41/s、钻压20kN、钻速25r/min、立压2. 6 4. IMPa0由于在泡沫钻井中应用空气锤钻井工艺的技术尚不完善，并且普通空气锤钻头用于泡沫钻井中其结构的局限性，致使地层水夹杂岩屑倒灌至空气锤的内部，空气锤不能正常钻进。因此，业内亟需一种防止作业时泥水倒灌的空气锤钻头。
发明内容
为了解决在泡沫钻井领域中应用常规空气锤钻井时地层水和岩屑倒灌至空气锤内部，造成空气锤砂卡而影响正常钻进，甚至空气锤卡死而不工作的问题，发明了提供了一种用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头。所述的防倒灌空气锤钻头包括锥形单向阀，设置于所述防倒灌空气锤钻头的中心孔上部、钻头尾管下端；其中所述的锥形单向阀包括阀芯体和阀堵；所述阀芯体包括阀芯和丝堵；所述阀堵与所述防倒灌空气锤钻头的中心孔是过盈配合，所述阀芯与钻头中心孔是间隙配合；所述阀芯与所述丝堵形成内部为空心的所述阀芯体；所述阀芯体可沿竖直方向，在上止点与下止点之间上下浮动；其中，所述上止点为所述阀芯体沿竖直方向向上浮动的最高点，所述下止点为所述阀芯体沿竖直方向向下浮动的最低点。进一步地，当所述阀芯体向上浮动到所述上止点时，所述阀芯的外锥面与所述阀堵的内锥孔紧密配合，形成密封锥面。
进一步地，所述阀芯体的比重小于水的比重，当在浮力的作用下，所述阀芯体沿竖直方向向上浮动。进一步地，所述阀芯体的上部是完整的圆锥台，中部是由两个不完整的圆柱体形成的多个扶正翼和多个扇形凹道，所述多个扇形凹道与钻头中心孔形成过流通道。进一步地，所述扶正翼与所述扇形凹道间隔设置，并且均匀分布在圆周上。进一步地，所述多个扶正翼为3个扶正翼，所述多个扇形凹道为3个扇形凹道，所 述3个扶正翼的圆周角之和为135°，所述3个扇形凹道的圆周角之和即为225°。本发明的有益效果在于，应用本发明提供的用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头，能够充分发挥空气锤钻井和泡沫钻井各自的优点。与普通空气锤钻头相比，本发明实现了防止地层水和岩屑倒灌至空气锤内部的目标，因此，在钻遇地层水时无需替换其他钻井方式而正常钻进，减少了起下钻次数，降低了钻井成本，同时泡沫介质的强力携岩和保护井壁的特点，使空气锤能够快速钻穿水层。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明提供的用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头的结构示意图；图2为本发明提供的阀芯中部形成的3个扶正翼和3个扇形凹道的剖面示意图；图3为本发明提供的用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头的中心孔与阀芯形成3个过流通道的结构示意图；图4为本发明提供的用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头的另一结构示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明是在空气锤钻头的中心孔上端设有锥形单向阀，在接单根及停钻检修时，若地层水和岩屑形成的两相流体进入钻头水眼，能够依靠浮力作用强制关闭单向阀，封堵地层水和岩屑进入空气锤内部，避免造成空气锤砂卡；正常钻进时，单向阀处于开启状态，确保有足够的泡沫介质直达井底，冷却钻头和强力携岩。如图I所示，为本发明提供的用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头5的结构示意图(图中的A-A、B-B表示剖视图)，此时，锥形单向阀处于开启状态，即处于下止点。在空气锤钻头5的中心孔6上部设有锥形单向阀，其位于钻头尾管I的下端。锥形单向阀包括阀堵
2、阀芯3和丝堵4组成。阀堵2与钻头中心孔6是过盈配合，阀芯3与钻头中心孔6是间隙配合。阀芯3与丝堵4形成内部空心的阀芯体。所述阀芯体可沿竖直方向，在上止点7与下止点8之间上下浮动；其中，所述上止点7为所述阀芯体沿竖直方向向上浮动的最高点，所述下止点8为所述阀芯体沿竖直方向向下浮动的最低点。该阀芯体的比重小于水的比重，确保在浮力强制作用下，阀芯体上浮，使阀芯3外锥面与阀堵2内锥孔紧密配合，形成密封锥面(如图4所示，此时，锥形单向阀处于关闭状态，即处于上止点)。阀芯体的上部是完整的圆锥台，如图2所示，阀芯体的下部是由两个不完整的圆柱体形成的3个扶正翼(A1、A2和A3)和3个扇形凹道(B1、B2和B3)。如图3所示，3个扶正翼的圆周角之和决定了 3个扇形凹道与钻头中心孔形成的3个过流通道(Cl、C2和C3)的大小，需要综合考虑这一数值，若太大，过流通道就会变小，无法保证足够的泡沫介质直达井底，不利携岩和冷却钻头，若太小，过流通道虽然变大，但会影响扶正效果，阀芯体易产生偏移，不易上浮，影响密封效果。例如，3个扶正翼的圆周角之和取135°，3个扇形凹道的圆周角之和即为225°。为保证泡沫介质顺畅通过锥形单向阀而不产生紊流，锥形单向阀的入口通道面积(即阀堵的中心孔面积)、出口通道面积(即阀芯下部底端与钻头中心孔形成的通道面积)和过流通道面积(即阀芯中部与中心孔形成的通道面积)三者之间变化尽量做到最小。为此，在阀芯下部扇形凹道的内圆弧沿轴向呈锥形变化(如图I)，以弥补钻头中心孔变径带来的影响。在正常钻进时，防倒灌空气锤钻头的阀芯体在泡沫介质的高压作用下处于下止点8，锥形单向阀开启(如图所示)，其与钻头中心孔之间形成的过流通道，确保足够的泡沫介质直达井底，强力携岩和冷却钻头。接单根或停钻时，阀芯体在地层水和岩屑形成的两相流体浮力的强制作用下上浮处于上止点7，锥形单向阀关闭(如图4所示)，实现封堵地层水和岩屑的目的。应用本发明提供的用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头，能够充分发挥空气锤钻井和泡沫钻井各自的优点。与普通空气锤钻头相比，本发明实现了防止地层水和岩屑倒灌至空气锤内部的目标，因此，在钻遇地层水时无需替换其他钻井方式而正常钻进，减少了起下钻次数，降低了钻井成本，同时泡沫介质的强力携岩和保护井壁的特点，使空气锤能够快速
钻穿水层。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图。本领域技术人员可以理解实施例中的各零件可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述本发 明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头，其特征在于，所述的防倒灌空气锤钻头包括 锥形单向阀，设置于所述防倒灌空气锤钻头的中心孔上部、钻头尾管下端； 其中所述的锥形单向阀包括阀芯体和阀堵；所述阀芯体包括阀芯和丝堵；所述阀堵与所述防倒灌空气锤钻头的中心孔是过盈配合，所述阀芯与钻头中心孔是间隙配合； 所述阀芯与所述丝堵形成内部为空心的所述阀芯体； 所述阀芯体可沿竖直方向，在上止点与下止点之间上下浮动；其中，所述上止点为所述 阀芯体沿竖直方向向上浮动的最高点，所述下止点为所述阀芯体沿竖直方向向下浮动的最低点。
2.如权利要求I所述的适用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头，其特征在于，当所述阀芯体向上浮动到所述上止点时，所述阀芯的外锥面与所述阀堵的内锥孔紧密配合，形成密封锥面。
3.如权利要求I所述的适用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头，其特征在于，所述阀芯体的比重小于水的比重，当在浮力的作用下，所述阀芯体沿竖直方向向上浮动。
4.如权利要求I所述的适用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头，其特征在于，所述阀芯体的上部是完整的圆锥台，中部是由两个不完整的圆柱体形成的多个扶正翼和多个扇形凹道，所述多个扇形凹道与钻头中心孔形成过流通道。
5.如权利要求4所述的适用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头，其特征在于，所述扶正翼与所述扇形凹道间隔设置，并且均匀分布在圆周上。
6.如权利要求5所述的适用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头，其特征在于，所述多个扶正翼为3个扶正翼，所述多个扇形凹道为3个扇形凹道，所述3个扶正翼的圆周角之和为135°，所述3个扇形凹道的圆周角之和即为225°。
全文摘要
本发明提供一种用于泡沫钻井的防倒灌空气锤钻头，其特征在于，所述的防倒灌空气锤钻头包括锥形单向阀，设置于所述防倒灌空气锤钻头的中心孔上部、钻头尾管下端；其中所述的锥形单向阀包括阀芯体和阀堵；所述阀芯体包括阀芯和丝堵；所述阀堵与所述防倒灌空气锤钻头的中心孔是过盈配合，所述阀芯与钻头中心孔是间隙配合；所述阀芯与所述丝堵形成内部为空心的所述阀芯体；所述阀芯体可沿竖直方向，在上止点与下止点之间上下浮动；其中，所述上止点为所述阀芯体沿竖直方向向上浮动的最高点，所述下止点为所述阀芯体沿竖直方向向下浮动的最低点。
文档编号E21B10/36GK102619472SQ20121010013
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者孟庆昆, 王向东, 胡贵 申请人:中国石油天然气股份有限公司