专利名称：井下降压工具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及油气田钻井工程技术领域，特别涉及一种钻井井下 工具，是一种降低钻井液循环状态下井底压力的工具。
背景技术：
井下压力控制是钻井过程中的关键环节。常规钻井过程中，钻井 液压力是用来抑制地层压力并保持井眼稳定。静止状态下，井底压力 PBH仅与钻井液静液柱压力P一有关；循环状态下，井底压力Pbh是站井液静液压力和环空压耗Pw两者之和。然而环空压耗Pw过高使得井底压力PBH大于地层破裂压力，造成钻井液的漏失。由于钻井液密度的选择 是由地层压力决定的，因此必须通过降低环空压耗(当量泥浆循环密度ECD)来解决钻井液循环状态下井底压力高所产生的问题。传统钻井工艺中用来降低当量循环密度的方法有用流变性低的钻井液达到减 少环空压力损失；采用扩眼方法扩大井眼尺寸；用钻井尾管代替套管； 降低环空排量达到减小摩阻；降低钻速来减少环空中岩屑的总量。然 而采用上述措施将降低钻井效率，增加钻井成本。目前国外文献介绍了一种可用来降低井底压力的环空泵，环空泵 由动力马达驱动，该环空泵与其相配套的密封元件一起下入套管中， 密封元件位于环空泵壳体和套管内壁间，密封元件将环空分成上、下 两个不相连的空间，从钻头返回的流体和岩屑的混合物必须通过环空 泵内部空间，环空泵在动力马达的驱动下做旋转运动，环空泵的举升 作用将一定深度的环空流体举升至地表。已有实验结果表明该环空 泵可有效降低井底压力，避免地层漏失。目前该工具存在的主要问题有两方面由于密封元件始终处于密封状态，使得环空泵连同钻杆在起下钻过程中造成很大的波动压力；密封元件要随钻上下移动，造成 密封元件极易失效，不能达到密封效果，使返回流体不经过环空泵而 直接返回地表，不能充分发挥环空泵的举升作用，不能有效降低井底 压力。发明内容本实用新型的目的是提供一种井下降压工具，能在循环时降低 井下压力，解决窄泥桨密度窗口地层钻井产生的问题，降低非生产时 效，提高钻井效率。本实用新型采用的技术方案是井下降压工具包括多级泵、连接 器、联轴器、液压缸、活塞、支撑杆、滑动密封环和定密封环。多级泵主轴位于多级泵壳体内部，多级泵主轴的上、下两端通过 轴承固定于多级泵壳体内部。多级泵壳体下部有进口，进口是提供返回流体和岩屑进入多级泵壳 体内用；多级泵壳体上部出口，出口是提供多级泵壳体内的返回流体 和岩屑流向环空用。在多级泵壳体的外壁上固定有定密封环。定密封环为圆环状，定密 封环的内径与多级泵壳体外径相同，通过螺纹或焊接将定密封环固定 在多级泵壳体的外壁上，定密封环的位置位在多级泵体的进口、出口 之间任何位置。滑动密封环为圆环形，滑动密封环的外径与套管内径相同，滑动密 封环的内径与定密封外径相同。滑动密封环与定密封环配合后形成密 封。滑动密封环下部连接有支撑杆，支撑杆的作甩是用来支撑滑动密 封环，并能使滑动密封环做上、下运动。在多级泵壳体的下端外壁固定有液压缸，液压缸与多级泵壳体的外壁之间形成环形空间。在液压缸内有环形活塞，活塞上部连接所述的 支撑杆。在多级泵壳体的外壁上有钻井液入口，多级泵壳体内的高压 钻井液能通过钻井液入口进入环形空间，推动活塞向上运动。所述的进口和出口的位置在多级泵壳体的圆锥形的外壁上，进口与 出口对称分布，进口和出口的数量分别为2 10个。进口和出口形状为扇环形，扇环弧对应角度为0 180° 。所述的定密封环高度在50 200mm之间，定密封环的纵剖面形状为 楔形、阶梯形、矩形。所述的滑动密封环的纵剖面形状为楔形、阶梯形、矩形。液压缸内部的上、下死点可控制活塞运动行程。钻井液压力小时， 活塞位于液压缸下死点位置，随着钻井液压力的增加，钻井液通过与 液压缸相连的多级泵壳体上的钻井液入口进入到液压缸内部，在钻井 液推动下，活塞向上运动，并带动与其相连的支持杆和滑动密封环， 一直运动滑动密封环与定密封环配合密封作用。支撑杆数量为2 8个。本实用新型提出的井下降压工具，在起、下钻过程中，活塞位于液 压缸下死点，滑动密封环在定密封环的下方，处于不在配合位置，不 能形成密封，与不安装本工具相比，波动压力无明显变化；当正常钻 进过程中，钻井液进入液压缸后推动活塞向上运动，活塞通过支撑杆 带动滑动密封环向上运动与定密封环配合，在多级泵壳体与套管之间 的环形空间形成密封状态，从井底返回的钻井液和岩屑的混合物不能 直接通过环空返回地表，而必须通过多级泵内，动力马达驱动多级泵 主轴连同上面的叶片做旋转运动，多级泵产生的推力将返回的流体与 岩屑输送至井口，工具安装位置上方的流体的静液压力和这段环空压 耗将不计入井底压力，因此降低了井底的压力。井下降压工具可在正 常钻进过程中降低井底压力，避免因循环压耗过高使井底压力超过地层压力，造成钻井液的漏失，在起、下钻过程能减小波动压力，非常 适合于大位移井、复杂深井、海洋深水和滩海钻井；液压缸和活塞控 制的密封可降低密封件的磨损、'提高密封的可靠性和寿命。该工具成 本低、安装便捷、操作简便、安全可靠，可用于9-5/8英寸至13-3/8英 寸的套管中。本实用新型的有益效果本实用新型井下降压工具，能有效地降低井 底压力l-3MPa，解决窄泥浆密度窗口地层钻井和大位移钻井过程中由于钻 井液循环而造成的泥浆漏失问题；同时本专利的密封系统由液压自动控 制，可有效避免起、下钻过程中造成过大的波动压力，能提高密封元件的 寿命和可靠性。
图1是本实用新型井下降压工具结构剖面示意图。 图2是本实用新型井下降压工具实施方式示意图。 图3是多级泵壳体的剖面图。 图4是图3的俯视图。图中，l是动力马达壳体，2是动力马达主轴，3是连接器，4是联轴 器，5是轴承，6是密封圈，7是多级泵壳体，8是返回流体出口， 9是多 级泵主轴，10是定密封环，11是滑动密封环，12是返回流体入口， 13 是支撑杆，14是活塞，15是液压缸，16是液压缸钻井液入口， 17是钻杆， 18是井口设备，19是井口设备出口， 20是套管，21是水泥环，22是地层， 23是环空，24是钻头，25是岩屑。
具体实施方式
实施例1:以一个适用于套管20内径为320. 4毫米的井下降压工具为 例，对本实用新型作进一步详细说明。参阅图1。井下降压工具，包括多级泵、连接器3、联轴器4、液压缸15、活塞14、支撑杆13、滑动密封环11和定密封环10。多级泵主轴9 位于多级泵壳体7内部，多级泵主轴9的上、下两端通过轴承5固定于多 级泵壳体7内部。多级泵壳体7最大外径为280毫米，多级泵壳体7下部 外径为240毫米。多级泵壳体7的外壁上有圆锥形的过渡段。多级泵壳体7的下部有进 口；多级泵壳体7上部出口。进口和出口的位置在多级泵壳体7的圆锥形 的外壁上，进口与出口对称分布，进口和出口的数量分别为4个，高45mm， 对应圆周角为60。。在多级泵壳体7的外壁上焊接固定有定密封环。定密封环10与进口 的距离为200mm。定密封环10为圆环状，定密封环10的内径与多级泵壳 体7外径相同，定密封环10高度为150mm，定密封环10的纵剖面形状为 阶梯形。定密封环10的位置位在多级泵体7的进口、出口之间。滑动密封环ll为圆环形，滑动密封环ll的外径与套管内径相同，滑 动密封环11的内径与定密封外径相同。滑动密封环11与定密封环10配 合后形成密封。滑动密封环11下部连接有支撑杆13，支撑杆13的作用是 用来带动滑动密封环ll，并能使滑动密封环ll做上、下运动。支撑杆13 的数量为4个。在多级泵壳体7的下端外壁焊接固定有液压缸15，液压缸15与多级 泵壳体7的外壁之间形成环形空间。液压缸15的长度为120毫米，液压 缸15内的环形空间的宽度为40毫米。在液压缸15内有环形活塞14，活 塞上部连接所述的支撑杆13。在多级泵壳体7的外擘上有2个直径为8 毫米的钻井液入口 16，多级泵壳体7内的高压钻井液能通过钻井液入口 16进入环形空间，推动活塞14向上运动。本实用新型提出的井下降压工具的工作过程参阅图1。井下降压工具连接在钻井动力马的下方。动力马达壳体1 与多级泵壳体7通过连接器3螺纹连接。动力马达主轴2位于动力马达壳体1内部，多级泵主轴9位于多级泵壳体7内部，多级泵主轴9 的上、下两端通过轴承5固定于多级泵壳体7内部。动力马达主轴2 和多级泵主轴9都有钻井液可通过的孔，孔直径为30 80mm，动力马 达主轴2通过联轴器4与多级泵壳体内的多级泵主轴9相连形成钻井 液流动通道。井下降压工具的下部连接钻杆和钻头24。参阅图2。地层22钻有井眼，井眼内固定有套管20。将工具下入套 管20内。通过动力马达壳体7上端的螺纹和多级泵壳体7的下端螺纹 与钻杆17直接连接，钻杆17下端与钻头24连接。钻井液循环方向如 2中箭头所示，钻井液通过钻杆17进入动力马达壳体1内，动力马达 可也是涡轮马达、螺杆马达或电动马达或其它形式动力马达，然后流 经多级泵主轴9的开孔后进入多级泵壳体7的下部空间， 一部分钻井 液通过液压缸钻井液入口 16进入液压缸15内部，大部分钻井液通过 与多级泵壳体7相连接的钻杆17继续向下流动，通过钻头24后，进 入环空23，携带岩屑25继续向地表方向返回。当返回至工具安置位置 时，由于在套管20与多级泵壳体7间的定密封环10和滑动密封环11 的密封作用，返回的钻井液和携带的岩屑25通过多级泵下部的返回流 体入口 12进入多级泵壳体7的内部空间，多级泵主轴9由动力马达主 轴2驱动旋转，并带动其上面的叶片对返回的流体和岩屑25施加向上 的作用力，返回液体和岩屑25在向上推力的作用下通过多级泵壳体7 上部的返回流体出口 8再次流入环形空间23，继续循环通过井口设备 出口19至钻井液池。工具动力马达壳体l、多级泵壳体7与钻杆17相连，下钻至将被钻 地层。在这过程中，不循环钻井液，活塞14位于液压缸15的下死点， 此时滑动密封环11与定密封环10不能在套管20与多级泵壳体7间形成密封作用，因此在下钻过程中，有效的降低了井底激动压力。
当钻杆17连同井下降压工具和钻头24下至被钻地层后，钻井液开 始循环，待钻进液经过钻杆17、'动力马达主轴2、多级泵主轴9后到 达多级泵壳体7的下部空间后，极小量的钻井液通过多级泵壳体7上 的液压缸钻井液入口 16进入到液压缸15中，在钻井液压力的推动下 活塞14向上运动，随着经入钻井液量的增加，活塞14连同其上面连 接的支持杆13和滑动密封环11 一起运动到上死点，这时滑动密封环 11与定密封环10将在套管17和多级泵壳体7之间形成密封，将环空 23在密封位置处形成上下两个不联通的空间；绝大部分钻井液继续向 下流动，通过钻杆17流经钻头24后，携带岩屑向地表返回，当返回 至工具安置位置时，由于定密封环10与滑动密封环11形成的密封作 用，所有返回的流体和岩屑25都通过动力马达壳体7下部的返回流体 入口 12经入多级泵壳体7的内部空间。动力马达主轴1带动多级泵主 轴9旋转，多级泵主轴9带动其上部安装的叶片对经过多级泵壳体7 内部的流体和岩屑25产生向上推力，使流体和岩屑25返回至地表。 由于工具安装位置上、下是两个不联通空间，因此工具安置位置以上 流体的静液压力和流体循环时的环空摩阻不再叠加至井底压力，这就 达到了降低井底压力的目的。
起钻过程中，钻井液停止循环，液压缸15内部钻井液的压力降低， 对活塞14及其与之相联的支持杆13和滑动密封环11向上的推力随之 减小至为零，滑动密封环11与套管20的内壁产生向下的摩擦下，滑 动密封环11连同支持杆13、活塞14向下运动至活塞14在液压缸15 的下死点，套管20与多级泵壳体7间的密封消失，.:这样有效消除了起 钻过程中的抽汲压力。
权利要求1、一种井下降压工具，包括多级泵、连接器(3)、联轴器(4)、液压缸(15)、活塞(14)、支撑杆(13)、滑动密封环(11)和定密封环(10)，多级泵主轴(9)位于多级泵壳体(7)内部，多级泵主轴(9)的上、下两端通过轴承(5)固定于多级泵壳体(7)内部，其特征在于多级泵壳体(7)下部有进口，进口能使返回流体和岩屑进入多级泵壳体(7)内；多级泵壳体(7)上部出口，出口能使多级泵壳体(7)内的返回流体和岩屑流向环空，在多级泵壳体(7)的外壁上固定有定密封环，定密封环(10)为圆环状，定密封环(10)的内径与多级泵壳体(7)外径相同，通过螺纹或焊接将定密封环(10)固定在多级泵壳体(7)的外壁上，定密封环(10)的位置位在多级泵体(7)的进口、出口之间，滑动密封环(11)为圆环形，滑动密封环(11)的外径与套管内径相同，滑动密封环(11)的内径与定密封外径相同，滑动密封环(11)与定密封环(10)配合后形成密封，滑动密封环(11)下部连接有支撑杆(13)，支撑杆(13)的作用是用来带动滑动密封环(11)，并能使滑动密封环(11)做上、下运动，在多级泵壳体(7)的下端外壁固定有液压缸(15)，液压缸(15)与多级泵壳体(7)的外壁之间形成环形空间，在液压缸(15)内有环形活塞(14)，活塞上部连接所述的支撑杆(13)，在多级泵壳体(7)的外壁上有钻井液入口(16)，多级泵壳体(7)内的高压钻井液能通过钻井液入口(16)进入环形空间，推动活塞(14)向上运动。
2、 根据权利要求l所述的井下降压工具，其特征是所述的进口 和出口的位置在多级泵壳体(7)的圆锥形的外壁上，进口与出口对称分 布，进口和出口的数量分别为2 10个，进口和出口形状为扇环形， 扇环弧对应角度为0 180° 。
3、 根据权利要求1所述的井下降压工具，其特征是定密封环(IO)与进口的距离在50 200mm之间，定密封环(10)的纵剖面形状为楔形、 阶梯形或矩形。
4、 根据权利要求l所述的井下降压工具，其特征是所述的滑动 密封环(ll)的纵剖面形状为楔形、阶梯形或矩形。
5、 根据权利要求l所述的井下降压工具，其特征是所述的支撑杆(13)的数量为2 8个。
专利摘要井下降压工具，应用于油气田钻井工程技术领域。特征是包括多级泵、连接器、联轴器、液压缸、活塞、支撑杆、滑动密封环和定密封环。多级泵壳体下部有进口，多级泵壳体上部出口，在多级泵壳体的外壁上固定有定密封环。滑动密封环与定密封环配合后形成密封。滑动密封环下部连接有支撑杆。在多级泵壳体的下端外壁固定有液压缸，在液压缸内有环形活塞，活塞上部连接支撑杆。效果是能有效地降低井底压力1-3MPa，解决钻井过程中泥浆漏失问题；同时本专利的密封系统由液压自动控制，有效避免起、下钻过程中造成过大的波动压力。
文档编号E21B21/00GK201218066SQ200820079678
公开日2009年4月8日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者崔龙连, 汪海阁 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油集团钻井工程技术研究院