本实用新型涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种用于钻井时发生溢流、井涌采用硬关井方法堵住井下流体的充氮多层抗水击装置。
背景技术：
目前，在钻井作业中应对井下溢流主要有硬关井、软关井、半软关井法，其中，硬关井方法因为有强力的水击现象而很少被采用，目前工程作业中解决硬关井中的水击问题，是采用在四通上添加两相空气罐装置的方式。上述两相空气罐装置存在下述不足：(1)只能部分化解，不能直接抵消水击现象对井口装置的撞击破坏；(2)因为地层压力变化大，空气罐易失效，液柱压力一旦超过防喷器设计承压极易发生井喷；(3)空气罐对地层能量利用不足。
技术实现要素：
本实用新型克服了现有硬关井装置的不足，提供一种充氮多层抗水击装置，供钻井作业时使用。该种装置安装方便，能够有效保护井筒并给防喷器做缓冲，结构合理简单，性能安全可靠，适用钻井时应对溢流的硬关井。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种充氮多层抗水击装置，包括密封帽、第一圆锥顶、环状橡皮活塞、筒状外壳、第二加重圆锥顶、胶封、第一承压弹簧、第二承压弹簧、氮气，其中，密封帽有内螺纹，旋接在第一圆锥顶的空心锥头部；第一圆锥顶的上部与环状橡皮活塞胶结，卡在筒状外壳底部；第二加重圆锥顶安装在筒状外壳的中间；胶封粘在第二加重圆锥顶的锥头部分；第一承压弹簧、第二承压弹簧安装在筒状外壳顶部，氮气充满整个筒状外壳。
所述第一圆锥顶的锥头部分细长，有空心流道，有外螺纹，可与密封帽旋接。
所述筒状外壳分为上下两个部分，下部壁厚稍厚，使筒径小于第二加重圆锥顶的最大直径，就能够承托住第二加重圆锥顶，使之不滑落，同时，第二加重圆锥顶将筒状外壳分成了上下两个腔室。
所述第二加重圆锥顶表面粗糙，从而与筒状外壳内壁面产生较大的摩擦力，消耗一部分能量。
所述第二加重圆锥顶质量大，加速慢，运动需要比第一圆锥顶更大的推力，从而一方面推动加重圆锥顶能消耗掉一部分水击能量，另一方面，第二加重圆锥顶与第一圆锥顶做相对运动，使上下两个腔室内体积不同，下腔室氮气受压缩更强，实现逐级受力，避免受力过大发生爆缸。
所述胶封的最大直径应小于第一圆锥顶的流道口径，防止胶封堵塞第一圆锥顶的流道口。
所述第二加重圆锥顶的锥头部分细长，有空心流道，流道口径必须小于第一圆锥顶的流道口径，并被胶封密封，从而一方面能拖延时间，使下腔室被极限压缩，另一方面，使第二加重圆锥顶的锥头部分喷出的氮气和液氮能直接从第一圆锥顶的锥头喷出，避免能量消耗在下腔室。
本实用新型的有益效果是：(1)该装置采用多层、多方式抵消水击能量，比单一方式减少水击现象对井筒的破坏效果更好；(2)该装置结构简单，原理虽多但易学懂，可根据不同地层情况，自由添加加重圆锥顶数量，从而做出更多腔室，对抗更大的水击压力；(3)该装置使用氮气充填，对井筒腐蚀性低，安全可靠。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图中：密封帽1、第一圆锥顶2、环状橡皮活塞3、筒状外壳4、第二加重圆锥顶5、胶封6、第一承压弹簧7、第二承压弹簧8、高压氮气9。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的实施方式作进一步说明：
如图1所示，本实用新型所述的充氮多层抗水击装置，包括包括密封帽1、第一圆锥顶2、环状橡皮活塞3、筒状外壳4、第二加重圆锥顶5、胶封6、第一承压弹簧7、第二承压弹簧8、高压氮气9，其中，密封帽1有内螺纹，旋接在第一圆锥顶2的空心锥头部，堵住锥头的流道口；第一圆锥顶2的上部与环状橡皮活塞3胶结，利用环状橡皮活塞3的摩擦力卡在筒状外壳4底部；筒状外壳4上下内壁厚度不同，下壁更厚，支撑第二加重圆锥顶5在筒状外壳4的中间不滑落；第二加重圆锥顶5的圆锥顶部也有空心流道，流道口径小于第一圆锥顶的流道口径，以第一圆锥顶和第二加重圆锥顶重合时，第二加重圆锥顶的锥尖能伸入第一圆锥顶的流道为标准；胶封6粘在第二加重圆锥顶5的锥头部分，且胶封6的最大直径大于第二加重圆锥顶5的流道口径，小于第一圆锥顶2的流道口径；第一承压弹簧7、第二承压弹簧8安装在筒状外壳4顶部，高压氮气9充满整个筒状外壳4的空腔。
参阅图1，所述第二加重圆锥顶5表面粗糙，质量大。
本实用新型的工作过程如下：井底发生溢流时，经现场决策采用硬关井方式，切断钻杆上提钻具时，下入该装置，关闭防喷器，井下钻井液被加压上喷，发生水击现象，水击正压部分，液面推挤第一圆锥顶2快速上行，也推动了环状橡皮活塞3，使筒状外壳4下腔室的氮气被瞬间加压，下腔室体积变小，同时压缩氮气推动第二加重圆锥顶上行，此时水击压力被等效地分为环状橡皮活塞3与筒状外壳4的摩擦力，下腔室氮气的压缩力，第二加重圆锥顶5、第一圆锥顶2的推力，这是瞬时受力状态；井内继续溢流，水击现象继续进行，因为第二加重圆锥顶5质量大，加速就慢，表面粗糙，与筒状外壳4的摩擦力就极大，上腔室的筒状外壳4壁开始被摩擦得粗糙不平，此时上腔室体积也开始减小，氮气也被压缩，下腔室氮气已达到临界状态开始液化，体积减小更多，下腔室压力接近极限，持续消耗水击能量，直到下腔室压力超过密封帽1的螺纹受力极限，密封帽向下脱落，巨大气压使第一圆锥面顶2的流道口压强远高于此处钻井液压强，氮气和液氮向下喷射而出，在液柱上方形成气泡流对冲掉很大一部分钻井液水击能量，瞬速降低钻井液温度，因为钻井液的温度敏感性，所以此时钻井液的黏度也会急剧升高，与筒壁的摩擦力也会急剧升高，又消耗一部分能量；如果水击正压极大，下腔室喷氮仍不能抵消，则继续上行，第一圆锥顶2和第二加重圆锥顶5重合，上腔室体积被直接压缩，低温钻井液开始与筒状外壳被磨得粗糙的上半部分接触，摩擦力再次增大，直到上腔室压力极限，破坏胶封6，开始喷氮，对冲水击正压力，冻住钻井液，减小甚至完全抵消掉水击现象的冲击力，保护井筒和井口设备。