一种打压膨胀式井下环空防喷器及其通讯方法
【专利摘要】本发明公开了一种打压膨胀式井下环空防喷器，属于井下防喷技术领域，本发明的打压膨胀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，所述打压膨胀式井下环空防喷器执行模块的胶筒可由打压滑块打压入液体使其膨胀，实现坐封；卸载通道连通的时候，胶筒内的液体通过卸载通道流出，实现解封。本发明的打压膨胀式井下环空防喷器，可以多次重复使用，反应迅速，适合于全井段和各种井型，安全系数高，使用寿命长,坐封后有新的循环通道连通，有利于后续压井作业。
【专利说明】
一种打压膨胀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;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，它包括上接头、环空滑块、外套筒、中心筒、电机、固定筒、集线器、打压滑块、限位开关、单向阀、上胶筒座、胶筒、下胶筒座和下接头;所述中心筒外套有上接头和下接头且与中心筒采用螺纹固定连接，所述上接头开有环空滑槽，滑槽最左端开有通气口，且上接头开有环空通道。
[0012]由于采用了上述结构，外套筒与上下接头采用了最为方便的螺纹连接，使得配合更为紧密，上接头的环空滑槽与环空滑块相配合，便于滑块的滑动，滑槽左端的通气空可以减少阻力。本发明的井下环空防喷器，环空滑块与电机采用丝杆螺母副传动，环空滑块上部开有凸块，所述外套筒开有对应的凹槽。
[0013]由于采用的上述结构，丝杆螺母副的动力传递方式功率损耗较小，传动最直接，将电机的旋转运动改变为直线运动，推动环空滑块，快速的打开或者关闭新的循环通道。
[0014]本发明的井下环空防喷器，所述电机采用空心杯电机，其转子为空心杯转子，电机的外壳采用与固定筒一体化的方式，且上端伸出一段凸起内嵌于外套筒中。
[0015]由于采用了上述结构，电机的外壳采用与固定筒一体化，固定筒参与了电机定位，内嵌于外套筒的部分实现了电机的径向定位，且将电池、控制模块与电机隔开，防止受到恶劣环境的影响。
[0016]本发明的井下环空防喷器，打压滑块与电机采用丝杆螺母副传动的方式，打压滑块上端的凸块(10-1)与外套筒凹槽(3-2)相互配合，并且打压滑块的凸块(10-1)为可压缩弹簧结构，同时凸块(10-1)右端开有一个斜楔。
[0017]由于采用了上述结构，丝杆螺母副的动力传递方式功率损耗较小，传动最直接，将电机的旋转运动改变为直线运动，推动打压滑块，将液体压入胶筒，实现密封，并且能在压井完成后能实现快速解封;打压滑块上的凸块和外套筒的凹槽组成导轨，便于打压滑块的滑动，同时凸块开有斜楔且可压缩，组装简单方便。
[0018]本发明的井下环空防喷器，限位开关位于打压滑块环空内，限位开关的数据传输线通过打压滑块的通孔与集线器相连，限位开关对应有四个信号发射器(11_2、3、4、5)。
[0019]由于采用了上述结构，信号接收器(10-1)接收到不同信号发射器的信号时控制系统采取不同的动作，(10-2)所携带的信号为先关闭旁通，再连接卸载通道，实现卸载；(10-3)所携带的信号为打压起始位置，(10-4)所携带的为打压最大行程位置；(11-5)为打开旁通位置。限位开关使得防喷器动作快速精准。
[0020]本发明的井下环空防喷器，所述打压滑块采用双流道设计，打压和卸载流道各不相同。
[0021]由于采用了上述结构，打压时第一流道(10-4)连通，液体从打压仓通过单向阀进入胶筒，使胶筒膨胀，单向阀属于单向导通，所以液体不可通过单向阀回流。
[0022]本发明的井下环空防喷器，所述打压滑块(10)上开有卸载通道(10-3)，上胶筒座
(13)上开有卸载通道(13-1)，所述下胶筒座(15)与销钉(15-1)组成限位装置。
[0023]由于采用了上述结构，卸载时，卸载通道(13-1)和卸载通道(10-3)连通，胶筒内的液体经过卸载通道，从第二流道排出，实现卸载;销钉(15-1)在下胶筒座的凹槽内的滑动行程来限制胶筒的行程，避免胶筒位移过大。
[0024]本发明的井下环空防喷器，采用泥浆压力脉冲通讯方式，所述通讯模块包括地面控制中心、编码器、脉冲转换器、井下连续波脉冲发生器、防喷器信号处理器、译码器。
[0025]由于采用了上述通讯方式，地面控制中心发出控制命令，传输至编码器，编码器对控制命令按曼彻斯特编码规则进行编码处理，经过脉冲转换器使其转换成一个脉冲序列，该编码序列驱动井下连续波脉冲发生器将电子脉冲序列转换为泥浆压力脉冲序列，经过防喷器信号处理器对信号进行数字滤波，传输至译码器，对脉冲序列进行译码，从而得到地面的控制命令，再由控制模块实现对电机的控制。
[0026]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；(3)可以多次重复使用，适合于全井段和各种井型，安全系数高，使用寿命长，坐封后有新的循环通道连通，有利于后续压井作业；(4)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】
[0027]图1为本发明的打压膨胀式井下环空防喷器结构总成示意图。
[0028]图2为本发明的打压膨胀式井下环空防喷器限位开关局部放大图。
[0029]图3为本发明的打压膨胀式井下环空防喷器A-A处剖视图。
[0030]图4为本发明的打压膨胀式井下环空防喷器B-B处剖视图。
[0031]图5为本发明的打压膨胀式井下环空防喷器泥浆压力脉冲通讯流程图。
[0032]图中标记:1_上接头、1-1-通气孔、1-2-环空滑槽、1-3-环空通道、2-环空滑块、3-外套筒、4-中心筒、5-电机、6-固定筒、7-电池、8-控制模块、9-集线器、10-打压滑块、10-1-可压缩滑块、10-2-销钉、10-3-卸载通道、10-4-第一流道、10_5第二流道、11-限位开关、12-单向阀、13-上胶筒座、14-胶筒、15-下胶筒座、15-1-销钉、16-下接头。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0034]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。
[0035]具体实施例1:
[0036]如图1所示，一种打压膨胀式井下环空防喷器，它包括上接头(I)、环空滑块(2)、外套筒(3)、中心筒(4)、电机(5)、固定筒(6)、集线器(9)、打压滑块(10)、限位开关(11)、单向阀(12)、上胶筒座(13)、胶筒(14)、下胶筒座(15)和下接头(16);中心筒(4)外套有上接头
(I)和下接头(16)且与中心筒(4)采用螺纹固定连接，上接头(I)开有环空滑槽(1-2)与环空滑块(2)配合，凹槽最左端开有通气口(1-1)，且上接头(I)开有环空通道(1-3)，外套筒与上下接头采用了最为方便的螺纹连接，使得配合更为紧密，上接头的环空滑槽与环空滑块相配合，便于滑块的滑动，滑槽左端的通气空可以减少阻力。打压膨胀式井下环空防喷器采用丝杆螺母副传动，拖动环空滑块(2)的往复运动，迅速推动打压滑块和环空滑块;限位开关
(II)由信号发射器(11_2、3、4、5)和信号接收器(11-1)组成，接收器(11-1)接收到不同的信号使电机(5)实现打压、卸载、建立新的循环通道;打压滑块(10)采用双流道设计，打压和卸载流道各不相同；电机(5)的外壳体与固定筒(6)为一个整体，且嵌入外套筒实现轴向和周向定位;环空滑块(2)的凸起(2-1)和外套筒(3)上的凹槽(3-1)相互配合形成滑道并可是实现周向定位;打压滑块(10)的凸块(10-1)为可压缩的弹簧结构，同时凸块(10-1)右端开有一个斜楔;单向阀(12)可以使液体单向流过并进入胶筒(14)，使胶筒(14)膨胀；下胶筒座
(15)与销钉(15-1)组成限位装置，防止胶筒(14)膨胀时变形过大。
[0037]具体实施例2:
[0038]基于实施例1的装置，打压膨胀式井下环空防喷器防喷方法为:
[0039]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。
[0040]2.由地面控制中心(a)发出控制命令，传输至编码器(b)，编码器(b)对控制命令按曼彻斯特编码规则进行编码处理，经过脉冲转换器(C)使其转换成一个脉冲序列，该编码序列驱动井下连续波脉冲发生器(d)将电子脉冲序列转换为泥浆压力脉冲序列，经过防喷器信号处理器(e)对信号进行数字滤波，传输至译码器(f)，对脉冲序列进行译码，从而得到地面的控制命令，再由控制模块(8)实现对电机的控制。
[0041 ] 3.电机在电信号的控制下，通过丝杆螺母副传动方式，推动打压滑块(10)将液体压进胶筒，使胶筒膨胀实现密封，打压完成后，环空通道(1-3)打开，形成新的循环通道，为后续压井做好准备。
[0042]5.需要解封时，重复步骤1、2，电机反向拖动打压滑块(10)，此时卸载通道(10-3)和(13-1)连通，胶筒的打压液体流回打压仓，通过第二流道(10-5)流出，即可关闭环空通道(1-3)和解封ο
[0043]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】
1.一种打压膨胀式井下环空防喷器，其特征在于:它包括上接头(I)、环空滑块(2)、外套筒(3)、中心筒(4)、电机(5)、固定筒(6)、集线器(9)、打压滑块(10)、限位开关(11)、单向阀(12)、上胶筒座(13)、胶筒(14)、下胶筒座(15)和下接头(16);所述中心筒(4)外套有上接头(I)和下接头(16)，且上下接头与中心筒(4)采用螺纹固定连接，所述上接头(I)开有环空滑槽(1-2)，滑槽最左端开有通气口(1-1)，且上接头(I)开有环空通道(1-3);所述打压膨胀式井下环空防喷器采用丝杆螺母副传动;所述限位开关(11)由信号发射器(11_2、3、4、5)和信号接收器(11-1)组成;所述打压滑块(10)采用双流道设计;所述电机(5)的外壳体与固定筒(6)为一个整体;所述环空滑块(2)上装有凸块(2-1)，外套筒(3)上开有凹槽(3-1);所述打压滑块(10)的凸块(10-1)为可压缩的弹簧结构，同时凸块(10-1)右端开有一个斜楔;所述下胶筒座(15)与销钉(15-1)组成限位装置;所述打压膨胀式井下环空防喷器采用泥浆压力脉冲通讯方式，所述通讯方式利用脉冲转换器(c)、井下连续波脉冲发生器(d)将地面控制中心(a)的控制信号经过一系列的处理转换过滤最终被井下防喷器的控制模块(8)所接收，从而实现对电机的控制。2.如权利要求1所述的打压膨胀式井下环空防喷器，其特征在于:所述环空滑块(2)与电机(5)采用丝杆螺母副传动，环空滑块(2)上部开有凸起(2-1)，所述外套筒(3)开有对应的凹槽(3-1)，环空滑块(2)装有凸块(2-1)，外套筒(3)开有凹槽(3-1)。3.如权利要求1所述的打压膨胀式井下环空防喷器，其特征在于:所述电机(5)采用空心杯电机，其转子为空心杯转子，电机(5)的外壳米用与固定筒(6)一体化的方式；固定筒(6)上端凸起内嵌与外套筒(3)中，内部装有电池(7)、控制模块(8)、电机(5)。4.如权利要求1所述的打压膨胀式井下环空防喷器，其特征在于:所述打压滑块(10)与电机(5)采用丝杆螺母副传动的方式，打压滑块(10)上端的凸块(10-1)与外套筒(3)凹槽(3-2)相互配合，并且打压滑块(10)的凸块(10-1)为可压缩弹簧结构，同时凸块(10-1)右端开有一个斜楔。5.如权利要求1所述的打压膨胀式井下环空防喷器，其特征在于:所述限位开关(11)位于打压滑块(10)环空内，限位开关的数据传输线通过打压滑块(10)的通孔与集线器相连，限位开关(11)对应有四个信号发射器(11_2、3、4、5)。6.如权利要求1所述的打压膨胀式井下环空防喷器，其特征在于:所述打压滑块(10)采用双流道设计，打压和卸载流道各不相同。7.如权利要求1所述的打压膨胀式井下环空防喷器，其特征在于:所述打压滑块(10)上开有卸载通道(10-3)，上胶筒座(13)上开有卸载通道(13-1)，所述下胶筒座(15)与销钉(15-1)组成限位装置。8.如权利要求1所述的打压膨胀式井下环空防喷器的通讯控制方法，其特征在于:采用泥浆压力脉冲通讯方式，所述通讯方式包括地面控制中心(a)、编码器(b)、脉冲转换器(C)、井下连续波脉冲发生器(d)、防喷器信号处理器(e)、译码器(f)。9.如权利要求1所述的打压膨胀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)发出控制命令，传输至编码器(b)，编码器(b)对控制命令按曼彻斯特编码规则进行编码处理，经过脉冲转换器(c)使其转换成一个脉冲序列，该编码序列驱动井下连续波脉冲发生器(d)将电子脉冲序列转换为泥浆压力脉冲序列，经过防喷器信号处理器(e)对信号进行数字滤波，传输至译码器(f)，对脉冲序列进行译码，从而得到地面的控制命令，再由控制模块(8)实现对电机的控制。
【文档编号】E21B47/12GK105927179SQ201610294584
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】黎伟, 宋伟, 雷鸿翔, 袁胜桐, 孙切, 宁点, 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