防气侵装置和包括其的钻井管柱的制作方法

本发明属油气钻完井技术领域，尤其涉及一种防气侵装置和包括其的钻井管柱。

背景技术：

天然气井在钻井、完井、测试等作业施工时，由于气液密度差异，不可避免的发生钻井液的气侵和漏失现象。天然气侵入钻井液向上运移，钻井液向下漏入地层，极易造成井涌、井喷，引起井控事故。同时，大量钻井液漏入地层，增加了钻井成本，并污染了地层。尤其对于缝洞型高压气藏，天然气上窜速度快，钻井液恶性漏失，井控风险极大，钻完井成本极高。

目前，对于温度压力较低的气藏，可以通过提高井口和套管的强度来保证井控安全；还可以通过循环排气来使井筒充满钻井液，同时提高钻井液性能来减缓气体上窜速度，争取作业窗口时间；还可以采用气滞塞技术，即在井底挤入一段高粘滞性钻井液，减缓气体上窜速度。但这些措施只能减缓气体上窜速度，延长作业窗口时间，气滞塞作用时间有限，特别是在高温下容易失效，无法从根本上解决钻井液的气侵和漏失问题，尤其是对缝洞型碳酸盐岩气藏，气窜速度快，钻井液漏失量巨大，风险极高。

技术实现要素：

针对上述问题的部分或全部，本发明提出了一种防气侵装置和包括其的钻井管柱。使用该防气侵装置能改变气体和液体的流动方向，利用重力分异作用，达到防止钻井液气侵和漏失的目的。

根据本发明的一方面，提供一种防气侵装置，包括：

内筒，内筒的内腔形成第一流道，

设置在内筒的外侧的第二流道，第二流道通过第一通孔与第一流道选择性连通，并通过第二通孔与外界连通，

其中，第二通孔位于第一通孔的上端。

在一个实施例中，在内筒的中间段的外壁上设置凹槽，在凹槽内设置与凹槽的两侧壁抵接的外筒，外筒与内筒之间的环空形成第二流道，第一通孔设置在内筒的壁上，而第二通孔设置在外筒的壁上。

在一个实施例中，在内筒的内壁上设置用于封堵第一通孔的滑套，滑套与内筒通过剪切销固定。

在一个实施例中，在从上到下的方向上，第二流道依次包括第一段、第二段和第三段，其中，第一段和第三段的通流面积均大于第二段的通流面积。

在一个实施例中，第二段的通流面积与第一段的通流面积的比为0.1-0.6。

在一个实施例中，在内筒和外筒之间设置轴向延伸的筋板。

在一个实施例中，筋板与内筒和外筒均抵接，且在筋板上开设有连通孔。

在一个实施例中，内筒包括上接头段和与上接头段固定连接的下接头段，上接头段和下接头段的连接接触面为斜面。

在一个实施例中，第二流道的高度为10-30米。

根据本发明的另一方面，提供一种钻井管柱，包括上述防气侵装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该被防气侵装置设置在钻杆上，作为钻井管柱的一部分被下入井筒中。在未钻遇气层时，第二流道与第一流道不连通，可以实现正常循环功能。当钻遇气层时，第二流道与第一流道连通，流道方向改变，由直上直下改变为通过第二流道折返。在向第一流道内灌注钻井液后，钻井液通过第一通孔由第一流道折返进入第二流道内。防气侵装置外为气体时，气体预进入防气侵装置内，需要从第二流道向下推动钻井液下行，而液体要进入防气侵装置外，必须在第二流道内向上。由于气体密度小于钻井液的密度，始终是气体在上而液体在下，不可能发生气体向下液体向上的相对运动。由此，在压力平衡时，气液界面会保持平衡状态，不会发生钻井液气侵和漏失。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的防气侵装置；

图2为来自图1的a-a剖；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘出。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1显示了根据本发明的防气侵装置100。如图1所示，防气侵装置100包括内筒1和外筒2。其中，内筒1的内腔形成第一流道3。外筒2套设在内筒1的外壁上，并与内筒1形成轴向延伸的第二流道4。其中，在内筒1的壁上设置第一通孔11，以使得第二流道4能通过第一通孔11与第一流道3选择性连通。在外筒2的壁上设置第二通孔21，以使得第二流道4通过第二通孔21与外界连通。并且第二通孔21位于第一通孔11的上端。

根据本发明的防气侵装置100，被设置在钻杆上，作为钻井管柱的一部分被下入井筒中。在未钻遇气层时，第二流道4与第一流道3不连通，可以实现正常循环功能。当钻遇气层时，第二流道4与第一流道3连通，流道方向改变，由直上直下改变为通过第二流道4折返。在向第一流道3内灌注钻井液后，钻井液通过第一通孔11由第一流道3折返进入第二流道4内。防气侵装置100外为气体时，气体预进入防气侵装置100内，需要从第二流道4向下推动钻井液下行，而液体要进入防气侵装置100外，必须在第二流道4内向上。由于气体密度小于钻井液的密度，始终是气体在上而液体在下，不可能发生气体向下液体向上的相对运动。由此，在压力平衡时，气液界面会保持平衡状态，不会发生钻井液气侵和漏失。

在使用过程中，如果钻井液比重过高，造成钻井液液柱压力高于气体压力，钻井液会从第二通孔21漏入地层，第一流道3内液柱高度会随之下降，当液柱压力等于气体压力时，气液自动平衡，在此过程中不会发生气侵问题。如果钻井液比重较低，钻井液液柱压力低于气体压力，可及时关井，井口压力会随之升高，井口压力加上液柱压力会自动与气体压力发生平衡。如果关井不及时，会有部分气体向下进入第二流道4，但钻井液不会在此处自下向上漏入地层，因此钻井液压力会平衡掉大部分气体压力，井口压力不会太高，进入第二流道4内的气体可以通过循环排气去除。当气液平衡时，上部进行起管柱作业应随时补充钻井液，进行下管柱作业时，可释放掉部分钻井液以维持气液平衡，如果补充钻井液不及时，会有部分气体进入防气侵装置100内，但由于不会发生钻井液漏失，所以进入的气体可通过循环排气去除。而且随时可以安全关井，由于始终有钻井液平衡地层压力，可以保证井控安全。如果补充钻井液过多或下管柱时不方便放钻井液，钻井液会漏入地层，但总量有限。总之，通过折返的第二流道4和第一流道3，可以保证钻井液的漏失和气侵不会同时发生，从而保证井控安全。

在内筒1的中间段的外壁上设置凹槽12。外筒2设置在凹槽12内，且外筒2的两端面与凹槽12的两侧壁抵接，以在外筒2与内筒1之间形成第二流道4。为了方便安装，内筒1为分体式结构，包括上接头段13和下接头段14，且上接头段13和下接头段14固定连接。上接头段13用于连接钻杆，同时下接头段14也用于连接钻杆。上接头段13上设置第一台阶面15，同时，下接头段14上设置第二台阶面16，两个台阶面15,16之间形成凹槽12。这种结构简单，便于装配。

优选地，上接头段13和下接头段14套接式连接，且装配接触面为斜面。这种连接方式比较稳定，并避免应力集中。例如。上接头段13和下接头段14可以采用螺纹连接，且在两者之间设置防转销(图中未示出)。在将该防气侵装置100设置在钻柱上时，上述设置的上接头段13和下接头段14能很好的传递转矩，保证正常钻进。

为了实现第二流道4与第一流道3的选择性连通。在内筒1的内壁上设置滑套5。该滑套5通过剪切销6设置在内筒1上。在滑套5的内壁上可以设置球座(图中未示出)也可以设置胶塞座(图中未示出)。在未钻遇气层时，第一通孔11被滑套5封堵，实现正常循环。当钻遇气层时，从井口投入球以与球座配合或者投入胶塞以与胶塞座配合，然后通过地面打压，将剪切销6剪断，从而使得第二流道4与第一流道3连通。这种设置方式简单，易于实现。

在从上到下的方向上，第二流道4依次包括第一段41、第二段42和第三段43。其中，第一段41和第三段43的通流面积均大于第二段42的通流面积。优选地，第二段42的通流面积与第一段41的通流面积的比为0.1-0.6。例如，0.3。同理地，第二段42的通流面积与第三段43的通流面积的比也可以为0.1-0.6例如，0.3。通流面积的变化可以通过凹槽12的槽的深浅来实现。也就是，在对应第二通孔21的第一段41的位置处，凹槽12比较深。在对应第一通孔11的第三段43的位置处，凹槽12也比较深。而在两者之间的第二段42处，凹槽12的比较浅。另外，第二段42与第一段41和第三段43均采用斜面式的光滑过渡连接。通过这种设置能增加防气侵效果。

如图2所示，在内筒1和外筒2之间设置轴向延伸的筋板7。该筋板7固定设置在内筒1的外壁上，并通过螺纹与外筒2进行连接。该筋板7起到了增加强度的作用。同时，该筋板7将内筒1和外筒2连接在一起，起到了进一步增加强度的作用，尤其是在将防气侵装置100设置在钻杆上后，这种设置能保证扭矩很好的传递，从而保证正常钻进。在筋板7上设置连通孔71，用于构造筋板7两侧的空间。在轴向上，在各筋板7上设置多个间隔的连通孔71。该连通孔71起到了增加流通面积的作用。

在一个实施例中，第二流道的高度为10-30米，例如20米。这种设置使得，一方面防气侵效果显著，另一方面结构优化，组装容易，且强度稳定性高。

在周向上，间隔式设置多个第二通孔21。且各第二通孔21构造为沿着轴向分布的长条孔。同理地，在周向上，间隔式设置多个第一通孔11，各第一通孔11构造为沿着轴向分布的长条孔。这种设置简单，易于加工。同时，这种设置能保证防气侵装置100的自身强度，有助于更好地传递扭矩。

本申请中，方位用语“上”和“下”均以防气侵装置100的实际工作方位为参照。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。