一种电机驱动挤压式井下环空防喷器及其通讯方法
【专利摘要】本发明公开了一种电机驱动挤压式井下环空防喷器，属于井下防喷技术领域，本发明的电机驱动式井下环空防喷器主要包括通讯模块、控制模块、动力模块、以及执行模块；所述电机驱动挤压式井下环空防喷器在控制模块的控制下实现电机的正反转并将动力传递至动力模块的压缩筒，压缩筒压缩橡胶筒或者反向拖动橡胶筒以实现防喷器的密封和解封，本发明的电机驱动式井下环空防喷器，可以多次重复使用，适用于多种井型且可在全井段使用，使用电机驱动，坐封解封更容且易效率更高，应用前景广阔。
【专利说明】
一种电机驱动挤压式井下环空防喷器及其通讯方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种在油气田钻井过程中发生井涌、井喷时的防喷技术。
【背景技术】
[0002]在石油勘探和油田开发的各项任务中，钻井起着十分重要的作用，诸如寻找和证实含油气构造，获得工业油流，探明已证实的含油气构造的含油气面积和储量，取得有关油田的地质资料和开发数据，最后将原油从地下取到地面上来等等无一不是通过钻井来完成的，钻井是勘探与开采石油及天然气资源的一个重要的环节，是勘探和开发石油的重要手段。
[0003]在钻井过程中，当钻遇油气层时，如果井底压力低于地层压力，地层流体就会进入井眼，大量地层流体进入井眼后，就有可能产生井涌，井喷，甚至着火等，酿成重大事故。因此，在钻井过程中，采取有效措施进行油气井压力控制是钻井安全的一个极其重要的环节。但是，由于高压油气层的压力很难准确预测，尤其是在新的区块打探井时更是如此，因此钻井过程中地层高压油气进入井眼的事情时有发生。以下三种情况下皆有可能发生井涌井喷事故:钻进过程中、起下钻杆过程、空井状态。空井状态发生井喷几率很低，起下钻过程若能控制好起下钻速度，防止过大的抽吸力，是可以有效减少井涌井喷事故发生几率的，而钻进过程中因无法准确预测高压油气层压力，发生井涌井喷的概率最大。
[0004]当发现井涌、井喷征兆时，快速高效的进行关井和压井作业是有效减少井喷事故的重要保证。传统的关井作业(国内多用软关井)是:发现井涌后，先打开节流阀，再关闭防喷器，这样对井口装置及环空水击作用小，但由于其关井时间长，地层流体侵入量较大，额外增加的地层流体也会对井口装置及地层有附加压力，会给压井带来困难。
[0005]目前，油气田钻井过程中所用的防喷器多安装于井口，在钻进过程中，钻柱近钻头处会安装有箭型止回阀防止钻柱内流体的逆流，而井口防喷器在钻进过程中多用于封隔环空，只有当需要进行剪断钻杆操作时候，才进行全井眼封井。当操作人员在井上发现井下可能的井涌现象后，开启控制系统完成井口防喷器关井作业，以防止井喷事故发生。这类防喷器的动作，必须依靠操作人员的经验和责任心，才可能防止井喷事故发生。如果操作人员的经验不足或者工作时的疏忽，未能及时发现井涌或井喷迹象，就会发生严重的事故。而且传统的井口防喷器在关井作业后，进行的替泥浆压井操作时间长，会导致更多的底层流体侵入井筒内，加大了井下环空压差，从而加大了控制井喷的难度。因此若能发明一种井下环空防喷器随钻柱下入井内，当地面接收到井底井涌井喷信号时候，操作井下环空防喷器封隔环空，而近钻头处的止回阀又能有效的封隔钻柱内，并且在封隔后能够在环空封隔器上方导通钻柱内和环空，以便于后续的替重泥浆压井作业的井下环空防喷器，且采用这种井下环空封隔器配合近钻头止回阀(单向阀)以及早期井涌溢流预警系统，可以达到早发现、早处理的井控指导原则，并且较常规的井控操作更容易进行。
[0006]申请号为200910263415.7，公布号为CN101748984A，公布日为2010年06月23日，名称为装于钻柱内的井下自动控制的井下防喷器的中国发明专利申请，公开了一种井下防喷器，该防喷器虽然能够在一定程度上解决井涌时的防喷，但是其结构复杂，组件较多，安装以及更换相对复杂，相应地造成了成本昂贵，且该防喷器在进行防喷后，在不存在压差的情况下，通过弹簧恢复防喷器的原始结构，用于重复利用，若防喷器内外仍然存在压差，则很可能弹簧力小于压差，不能使防喷器恢复重新利用；而且弹簧在多次使用过后，容易损坏，当防喷器使用过程中，弹簧损坏，则防喷器无法恢复，该防喷器不能取出，造成堵塞，不能再次重复使用，反而给后续的操作带来诸多不便。
[0007]申请号为201010148874.3，公布号为CN101812981A，公布日为2010年08月23日，名称为一种机械式井下内外一体防喷器的中国发明专利申请，公开了一种井下内外一体防喷器，该防喷器能在一定程度上解决井涌时的防喷，但是结构复杂，且采用剪断销钉坐封，而该销钉又承担钻井过程中连接上下钻具并传递扭矩作用，但是钻井过程工况恶劣，尤其在钻进过程中，钻柱振动严重，销钉很可能因长期承受变剪切力和变扭矩作用而疲劳断裂，因此该防喷器的可靠性不高，极容易因销钉的意外断裂而发生误操作，并引起一系列的井下事故。而且在需要进行封隔的时候需要向下部钻具加很大的钻压才能把销钉剪断，而钻柱下部钻具组合能承受的钻压是一定的，那么剪断销钉的过程就很容易把下部钻具损坏，导致井下事故发生。该发明专利申请中还存在一个问题，即假使封隔环空前的一切操作都正常，但是环空封隔不彻底，则容易导致环空内的地层高压油气经过导流孔再次反灌入钻杆内，从而导致下面箭型止回阀钻杆内封隔的功能失效，使井控变得更加难以操作。而且该发明申请的井下内外一体防喷器，销钉剪断后就必须停钻，起出钻柱对内外一体防喷器进行跟换或者维修，即下井后只能使用一次，不利于重复操作使用。
[0008]申请号201110138301.7，申请公布号CN 102235158 B，申请公布日2011年5月26日，名为一种井下环空防喷器及其装配工艺的中国发明专利申请，工作原理是:当井下发生溢流时，下放钻柱，实现胶筒的座封，同时上接头上开的孔与中心筒上的孔对接，建立起新的循环通道，有利于下一步的压井。上提钻柱钻柱能实现胶筒的解封。这种设计能实现防喷器的重复使用。但是这种防喷器的操作需要人工下放钻柱，对工人的技术有一定的要求，在下放钻柱的过程中会存在一定的危险性，自动化比较弱。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于:针对上述存在的问题，提供一种结构简单，使用十分方便，操作极为简易的装置;采用该环空防喷器能够确保钻井过程安全、可靠，电机能够传递较大扭矩，保证钻井过程的顺利进行;该装置构思巧妙，结构简单，可靠性高，具有很高的可行性，适合推广，可以迅速封井和解封，有效的防止井涌和井喷，且无需起出钻柱进行防喷器更换，能够重复使用，降低总成本。
[0010]本发明采用的技术方案如下:
[0011]本发明的井下环空防喷器，它包括通讯模块、控制模块、动力模块以及执行模块；通讯模块包括上接头、固定筒、信号发射接收装置;控制模块包括装声波控制系统、外套筒、中心筒;动力模块包括电池、电机;执行模块包括压缩筒、胶筒上接头、橡胶筒、胶筒下接头、下接头。
[0012]由于采用了上述结构，电机驱动挤压式井下环空防喷器在控制模块的控制下实现电机的正反转并将动力传递至动力模块的压缩筒，压缩筒压缩橡胶筒或者反向拖动橡胶筒以实现防喷器的密封和解封。
[0013]本发明的井下环空防喷器，固定筒、电机、压缩筒和橡胶筒外套于中心筒；中心筒分别与上接头和下接头采用螺纹连接，动力模块的压缩筒与电机采用丝杆螺母副的传动方式。
[0014]由于采用了上述结构，外套筒与上接头采用了最为方便的螺纹连接，使得配合更为紧密，动力传递方式采用的功率损耗较小，传动最直接的丝杆螺母副传动方式，将电机的旋转运动改变为直线运动，推动压缩筒挤压胶筒。达到封隔环空的目的，并且能在压井完成后能实现快速解封。
[0015]本发明的井下环空防喷器，所述电机两端装有止推轴承，同时外套筒上开有凹槽
(19)，所述压缩筒与外套筒之间分别开有凸起(21)和凹槽(20);所述上接头和电机之间的固定筒里面的两个环形容腔。
[0016]由于采用了上述结构，电机两端的止推轴承(9)对电机进行轴向定位，外套筒上的凹槽(19)和电机外壳上的凸起对电机进行径向定位，防止电机转动;压缩筒与外套筒之间分别开有凸起(21)和凹槽(20)对压缩筒进行径向定位，防止压缩筒在压缩胶筒的时候出现径向转动的情况;在上接头和电机之间的固定筒里面的两个环形容腔，内装声波控制系统
(3)和电池(5)，固定筒(4)一侧开有通线孔，将声波控制系统和电池装与固定筒中可以很好的保护控制系统和电池，避免受到井下恶劣环境的影响。
[0017]本发明的井下环空防喷器，胶筒与胶筒上接头和胶筒下接头采用嵌入式结构连接，所述压缩筒与胶筒上接头之间用销钉(12)连接，胶筒下接头(10)与下接头(18)之间采用销钉(17)连接。
[0018]由于采用了上述结构，胶筒可以和压缩筒保持行程同步，特别是解封的时候，胶筒接头与压缩筒通过销钉连接可以拖动胶桶筒解封，避免了胶筒无法恢复的情况，结构简单，可靠性高;胶筒下接头与下接头之间采用销钉(17)连接在一起，假如电机解封失效或者其他原因无法工作时，就需要应急解封，当人工上提钻柱，中心筒就会带动下接头向上运动，从而在销钉连接处下接头就会与橡胶筒的下接头发生剪切作用，此处的销钉就会被剪断，进而达到应急解封的目的。使适应恶劣环境的能力更强。
[0019]本发明的井下环空防喷器，压缩筒开有循环孔(11)和中心筒上开有循环孔(13)。
[0020]由于采用了上述结构，中心筒和压缩筒建立有循环孔(11)和(13)，当电机转动使压缩筒压缩橡胶筒形成环空后，中心筒和压缩筒上的循环孔恰好对齐，从而形成新的循环通道，为后续压井做好准备。
[0021]本发明的井下环空防喷器，采用声波通讯的方式，通讯模块主要包括地面控制中心、井口声波通讯短节、中继站、井下防喷器声波收发模块;其中地面控制中心包括无线电接收器、无线电发射器;井口声波通讯短节包括声-电换能器、电-声换能器;井下防喷器声波收发模块包括声-电换能器、电-声转换器。
[0022]由于采用了上述通讯方式，由地面控制中心的无线电发射器(a-2)将控制命令传输至井口声波通讯短节，通过声波通讯短节中的电-声换能器(b_2)将电信号转化为声波信号，再通过中继站将信号传输至井下防喷器声波收发模块，再由防喷器声波收发模块中的声-电换能器(d-Ι)将声波信号转换为电信号，实现对电机的控制，同理，电机的工作状况可由防喷器声波收发模块中的电-声转换器将电信号转换为声波信号，通过中继站传输至井口声波通讯短节，由声波通讯短节中的声-电换能器将声波信号转换为电信号，再传输至地面控制中心(a)的无线电接收器(a-Ι)接收信号。再将数据传至电脑进行处理。
[0023]本发明与现有的技术相比，(I)结构简单，操作极为简易；(2)采用该环空防喷器能够确保钻井过程安全、可靠，能够传递较大扭矩，保证钻井过程的顺利进行；(3)可以迅速封井和解封，有效的防止井涌和井喷，且无需起出钻柱进行防喷器更换，能够重复使用，降低总成本，具有很高的可行性，适合推广。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的电机驱动挤压式井下环空防喷器结构总成示意图。
[0025]图2为本发明的电机驱动挤压式井下环空防喷器A-A处的剖视图。
[0026]图3为本发明的电机驱动挤压式井下环空防喷器B-B-处的剖视图。
[0027]图4为本发明的电机驱动挤压式井下环空防喷器声波通讯流程图。
[0028]图中标记:1_上接头、2-信号发射接收装置、3-声波控制系统、4-固定筒、5-电池、6-外套筒、7-中心筒、8-电机、9-止推轴承、10-压缩筒、11-循环孔1、12_销钉、13-循环孔2、14-胶筒上接头、15-胶筒、16-胶筒下接头、17-销钉、18-下接头。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]具体实施例1:
[0032]如图1所示，一种电机驱动挤压式井下环空防喷器，它包括上接头(1)、固定筒(4)、外套筒(6)、中心筒(7)、电机(8)、压缩筒(10)、胶筒上接头(8)、橡胶筒(15)、胶筒下接头
(10)和下接头(18)，所述固定筒(4)、电机(8)、压缩筒(10)和橡胶筒(15)外套于中心筒(7);中心筒(7)分别与上接头(I)和下接头(18)采用螺纹连接，压缩筒(10)在电机(8)的驱动下可以通过压缩筒(10)压缩橡胶筒(15)实现密封防喷，并且可反向拖动橡胶筒(15)实现解封，橡胶筒(15)被压缩密封的同时压缩筒(10)的循环孔(11)和中心筒(7)的循环孔(13)对齐，形成新的循环通道，为后续压井做好准备；电机(8)两端装有止推轴承(9)，同时还在外套筒(6)上开有凹槽(19)，分别用于径向和轴向定位;压缩筒(10)与外套筒(6)之间分别开有凸起(21)和凹槽(20)，作为压缩筒(10)压缩胶筒(9)的导轨，并对压缩筒进行径向定位；所述上接头(I)和电机(8)之间的固定筒(4)里面的两个环形容腔分别用于装声波控制系统
(3)和电池(5)，固定筒(4)一侧开有通线孔，所述胶筒(9)与胶筒上接头(8)和胶筒下接头
(10)采用嵌入式结构连接，所述压缩筒(10)与胶筒上接头(8)之间用销钉(12)连接，胶筒下接头(10)与下接头(18)之间采用销钉(17)连接，由于销钉的作用，胶筒(9)可以和压缩筒
(10)保持行程同步，特别是解封的时候，胶筒接头与压缩筒通过销钉连接可以拖动胶桶筒解封，避免了胶筒无法恢复的情况，结构简单，可靠性高;胶筒下接头与下接头之间采用销钉(17)连接在一起，假如电机解封失效或者其他原因无法工作时，就需要应急解封，当人工上提钻柱，中心筒就会带动下接头向上运动，从而在销钉连接处下接头就会与橡胶筒的下接头发生作用，当力达到一定时此处的销钉就会被剪断，进而达到应急解封的目的。
[0033]具体实施例2:
[0034]基于实施例1的装置，电机驱动挤压式井下环空防喷器防喷方法为:
[0035]1.发现溢流时，地层高压液体经过钻头进入钻柱内向上流动，发现溢流，地面关井后，地层高压液体通过钻头进入钻柱内向上流动，使钻头附近的井下内防喷工具关闭，封堵钻柱内通道。同时，井筒环空中的地层高压流体通过井下防喷器下接头，此时需要采取防喷措施。
[0036]2.由地面控制中心(a)的无线电发射器(a-2)将控制命令传输至井口声波通讯短节(b)，通过声波通讯短节(b)中的电-声换能器(b-2)将电信号转化为声波信号，再通过中继站(C)将信号传输至井下防喷器声波收发模块(d)，再由防喷器声波收发模块(d)中的声-电换能器(d-Ι)将声波信号转换为电信号。
[0037]3.电机在电信号的控制下，通过丝杆螺母副推动压缩筒挤压胶筒实现密封，同时压缩筒的循环孔(11)和中心筒的循环孔(13)对齐，形成新的循环通道，为后续压井做好准备。
[0038]4.同时井下各项数据也可由防喷器声波收发模块(d)中的电-声转换器(d_2)将电信号转换为声波信号，通过中继站(C)传输至井口声波通讯短节(b)，由声波通讯短节(b)中的声-电换能器(b-Ι)将声波信号转换为电信号，再传输至地面控制中心(a)的无线电接收器(a-Ι)接收信号。再将数据传至电脑进行处理。
[0039]5.需要解封时，重复步骤1、2、3，电机反向拖动胶筒，使胶筒恢复变形，即可实现解封
[0040]6.就需要应急解封，当人工上提钻柱，中心筒就会带动下接头向上运动，从而在销钉连接处下接头就会与橡胶筒的下接头发生剪切作用，此处的销钉就会被剪断，进而达到应急解封的目的。
[0041]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种电机驱动挤压式井下环空防喷器，其特征在于:它包括通讯模块(I)、控制模块(Π)、动力模块(m)以及执行模块(IV): 通讯模块(I)包括上接头(I)、信号发射接收装置(2)、固定筒(4);控制模块(Π)包括装声波控制系统(3)、外套筒(6)、中心筒(7);动力模块(m)包括电池(5)、电机(8);执行模块(IV)包括压缩筒(10)、胶筒上接头(14)、橡胶筒(15)、胶筒下接头(16)、下接头(17);所述电机驱动挤压式井下环空防喷器采用声波通讯的方式，实现无线通信，控制模块装有电-声换能器(d-Ι)、声-电换能器(b-Ι)可实现信号的双向传递，由井上向井下传递控制命令实现对电机的远程控制，而井下防喷器的工作情况及电机(8)工作的相关参数也可以通过声波信号传输系统传递至地面的控制中心。2.如权利要求1所述的电机驱动挤压式井下环空防喷器，其特征在于:所述固定筒(4)、电机(8)、压缩筒(10)和橡胶筒(15)外套于中心筒(7);所述中心筒(7)分别与上接头(I)和下接头(18)采用螺纹连接，所述动力模块(ΙΠ)的压缩筒(10)与电机(8)采用丝杆螺母副的传动方式。3.如权利要求1所述的电机驱动挤压式井下环空防喷器，其特征在于:所述电机(8)两端装有止推轴承(9)，同时外套筒(6)上开有凹槽(19)，所述压缩筒(10)与外套筒(6)之间分别开有凸起(21)和凹槽(20)。4.如权利要求1所述的电机驱动挤压式井下环空防喷器，其特征在于:所述上接头(I)和电机(8)之间的固定筒(4)里面的两个环形容腔，内有声波控制系统(3)和电池(5)，固定筒(4) 一侧开有通线孔。5.如权利要求1所述的电机驱动挤压式井下环空防喷器，其特征在于:所述胶筒(9)与胶筒上接头(8)和胶筒下接头(10)采用嵌入式结构连接，所述压缩筒(10)与胶筒上接头(8)之间用销钉(12)连接，胶筒下接头(10)与下接头(18)之间采用销钉(17)连接。6.如权利要求1所述的电机驱动挤压式井下环空防喷器，其特征在于:所述压缩筒(10)开有循环孔(11)和中心筒(7)上开有循环孔(13)。7.如权利要求1所述的电机驱动挤压式井下环空防喷器的通讯控制方法，其特征在于:采用声波通讯的方式，通讯模块主要包括地面控制中心(a)、井口声波通讯短节(b)、中继站(C)、井下防喷器声波收发模块(d);其中地面控制中心(a)包括无线电接收器(a-Ι)、无线电发射器(a-2);井口声波通讯短节(b)包括声-电换能器(b-Ι)、电-声换能器(b-2);井下防喷器声波收发模块(d)包括声-电换能器(d-Ι)、电-声转换器(d_2)。8.如权利要求7所述的电机驱动挤压式井下环空防喷器的通讯控制方法，其特征在于:由地面控制中心(a)的无线电发射器(a-2)将控制命令传输至井口声波通讯短节(b)，通过声波通讯短节(b)中的电-声换能器(b-2)将电信号转化为声波信号，再通过中继站(C)将信号传输至井下防喷器声波收发模块(d)，再由防喷器声波收发模块(d)中的声-电换能器(d-1)将声波信号转换为电信号，实现对电机(8)的控制，同理，电机(8)的工作状况可由防喷器声波收发模块(d)中的电-声转换器(d-2)将电信号转换为声波信号，通过中继站(C)传输至井口声波通讯短节(b)，由声波通讯短节(b)中的声-电换能器(b-Ι)将声波信号转换为电信号，再传输至地面控制中心(a)的无线电接收器(a-Ι)接收信号，再将数据传至电脑进行处理。
【文档编号】E21B33/06GK105822251SQ201610293617
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】黎伟, 宋伟, 雷鸿翔, 袁胜桐, 宁点, 孙切, 杨博, 杨牧, 宋金丽, 周妍竹, 罗献科, 李果林, 陈检
【申请人】西南石油大学