一种自旋式内防喷工具的制作方法

本发明涉及石油天然气钻井的井控装备领域，尤其涉及一种自旋式内防喷工具。

背景技术：

随着油田勘探开发向着深部底层、低渗透、非常规油气的方向发展，钻井过程中的地层情况复杂多变，当地层压力过高时，容易导致井涌，甚至井喷。特别在欠平衡钻井过程中，井底压力大，钻柱内防喷工具是防喷系统中的重要组成部分。目前内防喷工具主要包括旋塞阀、箭型阀、翻板浮阀、旁通阀、投入式止回阀。其中，旋塞阀存在旋塞启闭困难、需要人工操作的问题；箭型阀和翻板浮阀的复位弹簧容易失效，使用寿命不稳定；箭型阀的流道狭窄，易堵塞，密封面容易被钻井介质和固相颗粒冲蚀；投入式止回阀需要从井口投入阀体，旁通阀需要从井口投入钢球，人工操作不便，无法对井底压力的变化做出实时反应。现场应用中反映出：钻柱内防喷工具的失效率很高，内防喷工具的失效严重影响钻井安全。因此，发明一种反应迅速、密封性能良好、流道设计合理、性能优异的内防喷工具，对提高钻井安全，降低钻井成本，缩短建井周期有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种自旋式内防喷工具，该工具密封性能良好，反应迅速，流道通畅，能自动开启和关闭流体通道，保证钻井的安全进行。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明一种自旋式内防喷工具，由上接头、内套筒、上阀座、下阀座、下接头、丝堵和钢球组成。

所述上阀座和下阀座均为圆盘状结构，在周向上均匀分布6个扇形流道，上阀座单个扇形流道的面积大于下阀座单个扇形流道的面积，所述上阀座和下阀座为锥面密封，上阀座的下端面为凸出锥面，下阀座的上端面为凹入锥面。

所述上接头与下接头采用螺纹连接，上接头、内套筒和下接头将上阀座压紧在下接头的内表面上，上阀座与下接头保持静止不动。

所述下接头的内表面沿轴向方向设置两级台阶，沿周向方向均匀分布6个螺旋滚道，螺旋滚道的底端与下接头的外表面采用螺纹孔连通，螺纹孔中安装丝堵，每个螺旋滚道中安装一个钢球。

钢球的运动轨迹由下接头的螺旋滚道和下阀座的钢球滚道决定。下阀座相对于下接头，在轴向上可以相对移动，周向上可以相对转动。当下阀座的轴向位置发生变化时，钢球沿着螺旋滚道滚动，钢球的滚动会导致下阀座发生周向旋转。

正常钻井时，下阀座的阀体受到向下的流体压力，发生向下的轴向移动；下阀座随钢球的滚动，发生顺时针旋转，下阀座的扇形流道与上阀座的扇形流道重合，钻井液可顺利通过内防喷工具。此时，下阀座的下端面与下接头的台阶紧密贴合，下阀座的上端面与上阀座的下端面分离，锥面密封呈打开状态，钻井液流道通畅，保证钻井正常进行。

当发生井喷或井涌时，下阀座的阀体受到向上的流体压力，发生向上的轴向移动；下阀座随着钢球的滚动，发生逆时针旋转，下阀座的阀体将上阀座的扇形流道完全封堵，关闭钻井液流道，下阀座的上端面与上阀座的下端面紧密贴合，实现锥面密封，完成防喷功能。

本发明的有益效果和优点如下：1.本发明根据流体压力方向的变化，自动调节内防喷工具的开启和关闭，反应灵敏，工作可靠。2.钻井液流道通畅，不易堵塞。3.采用锥面密封，密封可靠，钻井液流动不经过密封面，不会发生密封面冲蚀现象。4.结构简单，工具运行平稳可靠，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明一种自旋式内防喷工具的结构示意图。

图2为本发明上阀座的半剖结构示意图。

图3为本发明下阀座的半剖结构示意图。

图4为本发明上接头的半剖结构示意图。

图5为本发明下接头的半剖结构示意图。

图6为本发明下阀座与下接头相对运动的示意图。

图7为本发明在正常钻井时的位置示意图。

图8为本发明在发生井涌或井喷时的位置示意图。

图中，1.上接头，2.内套筒，3.上阀座，4.下阀座，5.下接头，6.丝堵，7.钢球，8.扇形流道，9.下端面，10.扇形流道，11.上端面，12.下端面，13.螺纹，14.螺纹，15.台阶，16.台阶，17.螺旋滚道，18.螺纹孔，19.钢球滚道，20.顶端，21.底端，22.阀体，23.锥面密封。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明一种自旋式内防喷工具，由上接头1、内套筒2、上阀座3、下阀座4、下接头5、丝堵6和钢球7组成。

如图2和图3所示，所述上阀座3和下阀座4均为圆盘状结构，在周向上均匀分布6个扇形流道（8，10），上阀座3单个扇形流道8的面积大于下阀座4单个扇形流道10的面积，所述上阀座3和下阀座4为锥面密封，上阀座3的下端面9为凸出锥面，下阀座4的上端面11为凹入锥面。

如图4和图5所示，所述上接头1与下接头5采用螺纹（13，14）连接。如图7所示，上接头1、内套筒2和下接头5的台阶15将上阀座3压紧在下接头5的内表面上，上阀座3与下接头5保持静止不动。

如图5所示，所述下接头5的内表面沿轴向方向设置两级台阶（15，16），沿周向方向均匀分布6个螺旋滚道17，螺旋滚道17的底端21与下接头5的外表面采用螺纹孔18连通，螺纹孔18中安装丝堵6，每个螺旋滚道17中安装一个钢球7。

如图6所示，钢球的运动轨迹由下接头5的螺旋滚道17和下阀座4的钢球滚道19决定。下阀座4相对于下接头5，在轴向上可以相对移动，周向上可以相对转动。当下阀座4发生向下的轴向移动时，钢球7从螺旋滚道17的顶端20滚动到底端21；随着钢球7的滚动，下阀座4发生顺时针旋转。当下阀座4发生向上的轴向移动时，钢球7从螺旋滚道17的底端21滚动到顶端20；随着钢球7的滚动，下阀座4发生逆时针旋转。钢球7和下阀座4的运动方向如图6中箭头所示。

如图2、图3、图6和图7所示，正常钻井时，下阀座4的阀体22受到向下的流体压力，推动下阀座4发生向下的轴向移动。钢球7从螺旋滚道17的顶端20滚动到底端21，随着钢球7的滚动，下阀座4发生顺时针旋转，下阀座4的扇形流道10与上阀座3的扇形流道8重合，钻井液经过扇形流道（8，10），可以顺利通过内防喷工具。此时，下阀座4的下端面12与下接头5的台阶16紧密贴合，下阀座4的上端面11与上阀座3的下端面9分离，锥面密封23呈打开状态，钻井液流道通畅，保证钻井正常进行。

如图2、图3、图6和图8所示，当发生井喷或井涌时，下阀座4的阀体22受到向上的流体压力，推动下阀座4发生向上的轴向移动。钢球7从螺旋滚道17的底端21滚动顶端20，随着钢球7的滚动，下阀座4发生逆时针旋转，下阀座4的阀体22将上阀座3的扇形流道8完全封堵，关闭钻井液流道，下阀座4的上端面11与上阀座3的下端面9紧密贴合，实现锥面密封23。由于下阀座4的扇形流道10的面积小于上阀座3的扇形流道8的面积，下阀座4的阀体22的面积大于上阀座3扇形流道8的面积，有效封堵钻井液流道（如图8中黑色填充部分），完成防喷功能。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种自旋式内防喷工具，它由上接头、内套筒、上阀座、下阀座、下接头、丝堵和钢球组成。所述上阀座和下阀座均为圆盘状结构，在周向上均匀分布6个扇形流道，上阀座和下阀座为锥面密封，上阀座与下接头保持静止不动。所述下接头的内表面沿着周向方向均匀分布6个螺旋滚道，螺旋滚道中安装钢球，采用丝堵封堵。当下阀座的轴向位置发生变化时，钢球沿着螺旋滚道运动，钢球的运动会导致下阀座发生周向旋转。本发明根据流体压力方向的变化，自动调节内防喷工具的开启和关闭，流道通畅，密封可靠，使用寿命长。

技术研发人员：苟如意;张晓东;杨文武;何方舟;徐国何
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2017.08.24
技术公布日：2017.10.24