专利名称：一种压缩膨胀滑套式井下防喷器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油钻井领域，具体涉及一种压缩膨胀滑套式井下防喷器，用于石油钻井过程中钻遇高压地层，需要进行井筒内封隔钻柱与环空，实施井控作业。
背景技术：
目前的防喷器主要有常规防喷器(闸板防喷器、环形防喷器)和钻杆内防喷器，对于常规地面防喷器，只对井口钻杆外部环形空间进行防喷，或是剪断钻杆全封，目前技术能满足防喷要求，但是井口套压高，井控风险大，如果控制不好，往往会造成井喷等严重后果；内防喷器只对钻杆内部进行封闭防喷，属于纯机械性产品，不受其他因素的影响，但没有解决环空的封闭问题，同样需要启动关井程序。石油钻井过程中经常会钻遇到高压地层，特别是深井超深井或浅层气地层，石油 钻井井控封井通常采用井口防喷器，这种方式会使地层流体过多的进入井筒钻井液中，井口关井后套压很高，给井控作业造成过高的风险，因此采用井下早期关井，即采用井下防喷器关井，更有利于井控压井作业。目前，国内外都没有井下防喷器的成熟的技术和设备。外国虽然有专利出现，但没有得到推广应用，主要是因为在封隔井筒环空时，橡胶膨胀后不能锁定，进而不能有效封隔环空，封隔位置之上不能实施循环压井作业，不能实现井下防喷的功能。具体来说，美国专利US4712613A提出了旋塞阀井下防喷器，但只有原理方案，没有研制样机。它的主要特点是用泥浆脉冲传递控制信号、用电磁阀控制流道开启与关闭、钻井液作为动力源、旋塞阀封隔钻柱、可膨胀封隔器封隔环空。它的缺点是解封后旋塞阀不能打开，不能建立正常循环。美国专利US4367794A提出了插板阀井下防喷器，但只有原理方案，没有研制样机。它的主要特点是钻杆声波传递控制信号、电动螺旋机构作为动力源、插板封隔钻柱、可膨胀封隔器封隔环空、并设计有失效解决备用方案。它的缺点是封隔位置之上无循环通道、插板阀不能承受高压、封隔器与环空保持畅通。挪威科技工业学院和挪威科技工业大学于上个世纪90年代至2001年期间提出了提升阀井下防喷器(美国专利US5404953A)，给出了原理方案，研制了试验样机，在模拟井上进行了试验，之后未见新的进展。它的主要特点是泥浆脉冲传递控制信号、电动机械控制机构作为动力源、提升阀封隔钻柱、可膨胀封隔器封隔环空。它的缺点是封隔器不能锁定。西南石油大学申请了两个专利200910312467提升阀式井下内外一体式防喷器和201020037531提升阀式井下内外一体式防喷器，但只有原理方案，无样机，与US5404953A中给出的原理相同，缺点是封隔器不能锁定。综上所述，提阀式井下防喷器国外进行过研究，并有专利出现，但存在以下不足(I)关井过程中橡胶体膨胀后不能锁定，即不能有效关井或不能承受较高的关井压力；[0010](2)信号传输方式的可靠性不够。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种压缩膨胀滑套式井下防喷器，在随钻钻遇高压地层时即可通过机械方式实现井下关井作业并能锁定，关井后处理完关井上部的受侵钻井液后，再解封，继续实施钻井作业，这样达到安全快速的井控作业和钻井作业的目的。本实用新型是通过以下技术方案实现的一种压缩膨胀滑套式井下防喷器，其连接在钻柱上，包括本体1，所述本体I为圆筒结构；在所述本体I的外壁上装有封隔体，在所述本体I的内腔中装有内滑套3 ；所述封隔体从上至下依次包括上胶筒6、中心滑块5、下胶筒4和液压缸2 ;所述上胶筒6套在所述本体I外，并且其上端固定在所述本体I的外壁上；所述中心滑块5套和所述下胶筒4都套在所述本体I外；所述下胶筒4的下端固定在液压缸2上，例如可以采用浇注的方式；所述液压缸2安装在本体I的外壁上；所述液压缸2的缸体包括上缸体和下缸体；在所述本体I的壁上开有循环孔9，所述循环孔9位于所述上胶筒6的上方；在所述本体I的壁上开有座封孔13和解封孔15，所述座封孔13将上缸体与本体I的内腔连通，所述解封孔15将下缸体与本体I的内腔连通；所述内滑套3控制循环孔9、座封孔13和解封孔15的开启与关闭。所述中心滑块5为两端均为楔形的刚性件，其上端插入上胶筒6的下端内，其下端插入下胶筒4的上端内；所述下胶筒4能够推动中心滑块5向上运动，使所述中心滑块5进一步插入所述上胶筒6内，同时下胶筒4沿中心滑块5的外表面向上移动，最终实现上胶筒6和下胶筒4在中心滑块5上的层叠挤压，达到密封环空的效果。所述液压缸2包括外壳体，所述本体I的外壁作为所述液压缸2的内壳体，外壳体和内壳体围成所述液压缸2的缸体；在所述本体I的外壁上设有向外突出的台阶，该台阶形成所述液压缸2的活塞，所述活塞的外圆柱面与外壳体的内壁密封配合；所述活塞将所述缸体分为两部分，位于上面的是所述上缸体，位于下面的是所述下缸体；所述座封孔13位于所述活塞上方，所述解封孔15位于活塞的下方；在所述本体I下端的内壁上设有向内突起的台阶。所述外壳体能够相对所述活塞上下移动；所述外壳体的上端与所述下胶筒4的下端固定连接，例如可将胶筒浇注在液压缸的外壳体上；钻井状态下，活塞下方的下缸体内注有密封油，投球后加压时，液体从活塞上方流入上缸体，本体I不动，整个缸体向上运动，进而推动下胶筒和中心滑块向上运动。在所述本体I的外壁上设有本体锁环14，所述本体锁环14位于活塞与解封孔15之间；在所述外壳体的内壁上设有液压缸锁环18，在环空封隔到位时与本体I上的本体锁环14相扣，实现锁定。所述内滑套3为圆筒结构，在其下端的内壁上安装有球座16 ;所述压缩膨胀滑套式井下防喷器进一步包括钢球20，所述钢球能够与所述球座密封配合实现对所述压缩膨胀滑套式井下防喷器的内腔的封闭。在所述内滑套3上端的壁上开有第一孔道8，下端的壁上开有第二孔道12 ;所述第二孔道12位于所述球座16的上方；在所述本体I上部的内壁上从上至下开有两个环形销钉槽，在每个所述环形销钉槽内装有一个环形销钉，位于上面环形销钉槽中的环形销钉为一级销钉10，位于下面环形销钉槽中的环形销钉为二级销钉11 ;一级销钉10的强度小于二级销钉11的强度；一级销钉10位于所述循环孔9的下方。所述内滑套3的上部外表面上开有环形槽，正常钻井状态下，所述环形槽的上端面支撑在所述一级销钉10上，此时所述内滑套3上的第二孔道12位于所述本体I上的座封孔13的上方，所述内滑套3上的第一孔道8位于所述本体I上的循环孔9的上方；当一级销钉被剪断后，所述内滑套3下滑直到所述环形槽的上端面并被二级销钉 11支撑住，此时所述内滑套3上的第二孔道12与所述本体I上的座封孔13位于同一位置，液体从本体I的内腔流入液压缸2的上缸体内；所述内滑套3上的第一孔道8与所述本体I上的循环孔9位于同一位置，液体从本体I的内腔流入环空中；当二级销钉被剪断后，所述内滑套3下滑，最后内滑套3的下端面坐在所述本体I下部的所述台阶上，此时所述内滑套3上第二孔道12与所述本体I上的解封孔15位于同一位置，液体从本体I的内腔流入液压缸2的下缸体内；所述内滑套3上的第一孔道8位于所述本体I上的循环孔9与座封孔13之间。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是(I)在随钻钻遇高压地层时，利用本实用新型即可实施早期井下关井作业，在关井后，其上部能建立循环(封隔位置之上能建立循环压井作业)；关井后处理完关井上部的(受侵)钻井液后，再解封，继续实施钻井作业，实现了安全快速的井控作业和钻井作业的目的，并且关井和解封作用操作灵活；(2)本实用新型通过压力控制实现开关动作，信号传输可靠性高；(3)关井过程中本实用新型的橡胶体膨胀后能够锁定，既能有效关井又能承受较闻的关井压力；(4)双层胶筒层叠挤压封隔环空的方法能够封隔更大直径的井筒环空，扩大了井下防喷器所适用的井眼尺寸范围。(5)利用本实用新型不会影响正常钻井作业。
图I是本实用新型压缩膨胀滑套式井下防喷器的结构图。图中，I为本体；2为液压缸；3为滑套；4为下胶筒；5为中心滑块；6为上胶筒；7为盘根；8为第一孔道；9为循环孔；10为一级销钉；11为二级销钉；12为第二孔道；13为座封孔；14为本体锁环；15为解封孔；16为球座；17为球座销钉；18为液压缸锁环；19为井壁。图2-1是本实用新型压缩膨胀滑套式井下防喷器在钻井状态下的示意图。图2-2是本实用新型压缩膨胀滑套式井下防喷器在投球剪断一级销钉状态下的示意图。图中，20为钢球。图2-3是本实用新型压缩膨胀滑套式井下防喷器在膨胀、锁定及循环压井工作过程中的示意图。图2-4是本实用新型压缩膨胀滑套式井下防喷器在剪断二级销钉开始解封状态下的示意图。图2-5是本实用新型压缩膨胀滑套式井下防喷器在环空解封状态下的示意图。图2-6是本实用新型压缩膨胀滑套式井下防喷器在恢复钻井循环状态下的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述如图I所示，本实用新型是一种压缩膨胀滑套式井下防喷器，其连接在钻柱上，正常情况下作为钻具的一部分，发现溢流后，通过地面投球等机械操作，井下防喷器上的胶筒被轴向压缩进而径向膨胀，与井壁19接触，封隔环空，在封隔位置之上打开通道，建立循环，当液柱压力建立后，再打开防喷器，建立全井的液柱循环，最后达到全井液柱压力和地层压力的平衡，继续安全钻井作业。该压缩膨胀滑套式井下防喷器包括本体I、内滑套3、封隔体等。本体循环孔位于封隔体的上方，由内滑套3控制本体循环孔的开启与关闭。所述封隔体包括上胶筒6、中心滑块5、下胶筒4和液压缸2。所述上胶筒6固定在本体I上，中心滑块5为刚性体，套在本体I外，处于上胶筒6和下胶筒4之间，所述下胶筒4与液压缸2相连，由液压缸2控制下胶筒4及中心滑块5的上下移动。液压缸2上设有锁环，在环空封隔到位时与本体上的锁环相扣，实现锁定。各个部件具体如下(I)本体 I本体I是所述压缩膨胀滑套式井下防喷器的主体，其外面承载封隔体，内部承载内滑套3。在本体I的壁上开有本体内腔与液压缸、本体内腔与环空的通道，这些通道的打开与关闭都由内滑套3控制。(2)内滑套 3所述内滑套3位于本体I内部，为开有两组孔道的圆筒。通过与布置在本体上的环形销钉的配合，实现本体I内部与液压缸2、本体I内部与环空通道的打开与关闭。(3)胶筒包括上胶筒6和下胶筒4，胶筒外置于本体I外面，上胶筒6和下胶筒4通过层叠挤压实现对环空的密封，上胶筒6固定，下胶筒4通过液压缸2的上下移动实现环空的密封与解封。上胶筒6成形时浇注在金属盘根7上，金属盘根7通过螺纹安装在本体I上。下胶筒4成形时浇注在液压缸2上。(4)钢球及球座钢球20是控制指令的传递媒介。钢球20被投入到钻杆内并下沉。钢球20落到内滑套上的球座后，实现钻杆内腔封闭。(5)中心滑块5中心滑块5为上下楔形的刚性机构。上胶筒6和下胶筒4通过在中心滑块5的斜面上运动，最终实现上胶筒6和下胶筒4在中心滑块5上的层叠挤压，达到密封环空的效果O(6)液压缸 2液压缸2为封隔环空的动力元件。当内滑套3的第二孔道12与液压缸2上的指座封孔13和解封孔15相对应后，通过打压(憋压)，就能实现液压缸2的移动，液压缸2的移动就会带动中心滑块5和下胶筒4的移动，进而实现环空的密封与解封。(7)环形销钉环形销钉布置于本体I内壁的销钉槽内，强度从上到下逐渐升高。钢球20与球座16配合密封钻杆内腔后，通过改变钻杆内压，实现对内滑套位置的控制。如图2所示，本实用新型的工作原理下；(I)将所述压缩膨胀滑套式井下防喷器安装在钻具上，正常钻进，如图2-1所示； (2)当发现溢流后，上提钻具到一定位置；(3)从井口投入钢球20，如图2-2所示，当钢球20坐在所述压缩膨胀滑套式井下防喷器内的球座上时，压力上升，当压力憋到5MPa时，内滑套3上的一级销钉10剪断，内滑套3下移，循环孔9和座封孔13打开；(4)继续加大排量促使座封孔内产生IOMPa的压力，从而实现胶筒挤压堆叠进而封隔井筒环空，当胶筒实现座封状态的同时，本体锁环14和液压缸锁环18相扣，实现锁定状态，从而会一直保持座封状态，实现环空封隔锁定，如图2-3所示；(5)上部井段钻井循环后(完成封隔位置之上的循环压井作业之后)，上部封隔位置之上的井筒充满了压井钻井液后，钻杆内再次憋压到20MPa，剪断二级销钉，内滑套3再次下滑，最后坐在所述压缩膨胀滑套式井下防喷器最下面的腔内的本体台阶上，此时循环孔9关闭，内滑套3的第二孔道12刚好与解封孔15对齐，如图2-4所示。(6)当解封孔15内的压力大于lOMPa，锁环脱扣，再经过压力把胶筒回缩至原位，如图2-5所示；第二级销钉设定为20MPa,锁环设定为IOMPa并不矛盾,有先后次序,只有先憋压到20MPa，剪断第二级销钉，使滑套下滑到低，才能憋压使锁环脱扣。在第二级销钉剪断前，滑套密封液压缸的解封孔，憋压是不会对液压缸下缸体内的锁环产生影响的。(7)继续憋压，当压力大于25MPa时，球座剪钉被剪断，钢球坠落，钢球和球座同时落下到井下防喷器下部的打捞蓝(为一网状结构)装置上，钻井液可以通过打捞篮的网眼向下流动；(8)建立全井循环，将下部含地层流体的钻井液循环到地面，压井液充满了全井，实现液柱压力和地层压力平衡，继续安全钻井，如图2-6所示。本实用新型实现了在石油过程中钻遇高压地层时进行井筒内的环空封隔并实施井控作业。利用本实用新型有效地提高了钻井施工的安全，降低了井控风险，节约了成本，提高了经济效益和社会效益。上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。
权利要求1.一种压缩膨胀滑套式井下防喷器，其连接在钻柱上，其特征在于所述压缩膨胀滑套式井下防喷器包括本体(I)，所述本体(I)为圆筒结构；在所述本体(I)的外壁上装有封隔体，在所述本体⑴的内腔中装有内滑套⑶； 所述封隔体从上至下依次包括上胶筒出)、中心滑块(5)、下胶筒(4)和液压缸(2);所述上胶筒(6)套在所述本体(I)外，并且其上端固定在所述本体(I)的外壁上；所述中心滑块(5)和所述下胶筒(4)都套在所述本体(I)外；所述下胶筒(4)的下端固定在液压缸(2)上； 所述液压缸(2)安装在本体(I)的外壁上；所述液压缸(2)的缸体包括上缸体和下缸体； 在所述本体(I)的壁上开有循环孔(9)，所述循环孔(9)位于所述上胶筒￠)的上方； 在所述本体(I)的壁上开有座封孔(13)和解封孔(15)，所述座封孔(13)将上缸体与本体(I)的内腔连通，所述解封孔(15)将下缸体与本体(I)的内腔连通。
2.根据权利要求I所述的压缩膨胀滑套式井下防喷器，其特征在于所述中心滑块(5)为两端均为楔形的刚性件，其上端插入上胶筒(6)的下端内，其下端插入下胶筒(4)的上端内。
3.根据权利要求2所述的压缩膨胀滑套式井下防喷器，其特征在于所述液压缸(2)包括外壳体，所述本体(I)的外壁作为所述液压缸(2)的内壳体,外壳体和内壳体围成所述液压缸(2)的缸体； 在所述本体(I)的外壁上设有向外突出的台阶，该台阶形成所述液压缸(2)的活塞，所述活塞的外圆柱面与外壳体的内壁密封配合；所述活塞将所述缸体分为两部分，位于上面的是所述上缸体，位于下面的是所述下缸体； 所述座封孔(13)位于所述活塞上方，所述解封孔(15)位于活塞的下方； 在所述本体(I)下端的内壁上设有向内突起的台阶。
4.根据权利要求3所述的压缩膨胀滑套式井下防喷器，其特征在于所述外壳体能够相对所述活塞上下移动；所述外壳体的上端与所述下胶筒(4)的下端固定连接。
5.根据权利要求4所述的压缩膨胀滑套式井下防喷器，其特征在于在所述本体(I)的外壁上设有本体锁环(14)，所述本体锁环(14)位于活塞与解封孔(15)之间；在所述外壳体的内壁上设有液压缸锁环(18)。
6.根据权利要求5所述的压缩膨胀滑套式井下防喷器，其特征在于所述内滑套(3)为圆筒结构，在其下端的内壁上安装有球座(16);所述压缩膨胀滑套式井下防喷器进一步包括钢球(20)。
7.根据权利要求6所述的压缩膨胀滑套式井下防喷器，其特征在于 在所述内滑套(3)上端的壁上开有第一孔道(8)，下端的壁上开有第二孔道(12);所述第二孔道(12)位于所述球座(16)的上方； 在所述本体(I)上部的内壁上从上至下开有两个环形销钉槽，在每个所述环形销钉槽内装有一个环形销钉，位于上面环形销钉槽中的环形销钉为一级销钉(10)，位于下面环形销钉槽中的环形销钉为二级销钉(11);一级销钉(10)的强度小于二级销钉(11)的强度；一级销钉(10)位于所述循环孔(9)的下方。
8.根据权利要求7所述的压缩膨胀滑套式井下防喷器，其特征在于所述内滑套(3)的上部外表面上开有环形槽，正常钻井状态下，所述环形槽的上端面支撑在所述一级销钉 (10)上。
专利摘要本实用新型提供了一种压缩膨胀滑套式井下防喷器，属于石油钻井领域。该实用新型包括本体(1)，所述本体(1)为圆筒结构；在所述本体(1)的外壁上装有封隔体，在所述本体(1)的内腔中装有内滑套(3)；所述封隔体从上至下依次包括上胶筒(6)、中心滑块(5)、下胶筒(4)和液压缸(2)；所述上胶筒(6)套在所述本体(1)外，并且其上端固定在所述本体(1)的外壁上；所述中心滑块(5)和所述下胶筒(4)都套在所述本体(1)外；所述下胶筒(4)的下端固定在液压缸(2)上；所述液压缸(2)安装在本体(1)的外壁上；所述液压缸(2)的缸体包括上缸体和下缸体。
文档编号E21B33/06GK202645490SQ20122019329
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者王果, 陶兴华, 牛新明, 曾义金, 郭瑞昌, 刘鹏, 范宏康, 白彬珍, 胡彦峰, 刘建华, 张仁龙 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院