一种流体激发式无限循环洗井工具的制作方法

本发明属于石油与天然气钻探工程井下工具技术领域，具体地说涉及一种用于钻完井、修洗井作业过程中可通过流体压力控制的无限循环洗井工具。

背景技术：

在钻井过程中井漏与溢流是常见的井内复杂情况，在常规堵漏与压井作业时，大颗粒堵漏材料容易对井下仪器造成损害，同时在钻井过程中如遇钻具水眼堵塞，则需快速建立旁通循环防止复杂事故发生；在大位移深井、超深井钻井过程中，其稳斜段及水平段常沉积大量的岩屑床，通过常规小尺寸钻具循环方法难以及时清理，可能卡阻钻具或影响完井质量，通常情况下，需采用泵冲的方式产生一定扰流，有助于清洁井筒。但是对于小井眼的泥浆马达和随钻测量工具并不能满足达到扰流状态所需的泵速要求，尤其是在大斜度井和水平井钻井时进行井筒高效清洁造成极大困难。钻井作业人员通常采用短起、洗井作业、更换钻头以及其他清洗作业等解决该类问题。这些方法或许在某种程度上有一定效果，但是需要消耗大量时间进行起下钻，降低了生产效率。

现有专利cn106321013a（单球投掷式无限循环阀，2017.01.11）公开了一种单球投掷式无限循环阀，主要包括壳体、阀门活塞、转位控制主体。壳体上安装有壳体喷嘴，同时阀门活塞与转位控制主体安装在壳体内，可实现沿壳体轴向方向滑动。壳体、阀门活塞和转位控制主体内部开通孔形成流体主流道，在下行阀位，阀门活塞堵住壳体喷嘴，隔断主流道和井眼环空的连通;在上行阀位，阀门活塞失去对壳体喷嘴的堵塞，使得流体能够沿主流道经过壳体喷嘴转移到井眼环空。转位控制主体具有与固定销结合的控制槽轨道，引导阀门活塞在下行阀位和上行阀位之间转换。该循环阀是一种选择性开启的液流循环阀，解决了现有循环阀开启次数限制、需要反复起下钻复位阀门的问题，提高了钻井效率，缩短了钻井时间。

现有专利cn207761600u（一种井下循环洗井工具，2018.08.24）公开了一种井下循环洗井工具，通过开关器组件的投入使用，可实现循环洗井和正常钻井作业的自由切换。循环外套与芯轴采用滑动配合的方式，以开关器组件作为其状态切换开关，当芯轴锁定时，循环通道关闭可实现正常钻井作业，当投入开关器本体和锁定球后，循环通道开启可进行自动灌浆，以实现自动洗井操作，仅需采用投掷开关器组件的方式即可实现正常钻井作业和洗井操作的切换，有效的克服了现有洗井作业时采用起下钻所消耗的生产时间，有利于钻井效率的提高。

以上两个专利均以不同的形式实现了无限循环开关阀门从而实现切换工具状态的目的，但是，作为投球控制的无限循环阀，与各类投球式工具一样具有明显的缺点。首先，其需要精确的投球技术，误投球会增加作业风险；其次，投球式开关反应速度慢，且受投球影响钻柱组合不能灵活选择，测斜过程只能采用mwd，无法进行机械测斜；第三，由于需要专门设计投球控制的开关器，提高了工具内部结构的复杂性，从而降低了工具本身的可靠性，也提高了其维护难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用流体激发推动活塞进行换位，从而实现流体通道的转换的无限循环洗井工具。流体激发式循环开关阀门，反应速度快且受井倾角的影响小，通过调节排量使换位活塞在排量作用下产生不同的轴向位移，解决了现有循环阀开启次数限制、需要反复起下钻复位阀门的问题；结构紧凑，安装位置灵活，可采用多种测斜方式。提高了钻井效率，缩短了钻井时间。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种流体激发式无限循环洗井工具，包括主筒、通过螺纹与主筒连接的上接头、通过螺纹与主筒连接的下接头、固定于上接头的上芯轴、固定于下接头的下芯轴、安装于主筒内部的活塞、安装于下芯轴和活塞组件之间的换位弹簧、固定于主筒上的换位元件和限位元件，所述上芯轴上开设有通孔和上芯轴旁通孔，所述下芯轴上开设有盲孔和下芯轴旁通孔，活塞上开设有换位槽和活塞旁通孔，主筒上开设有水孔，活塞可通过换位槽与换位元件配合实现活塞周向位置的切换，活塞可通过与限位元件的配合实现活塞的轴向位置切换。

作为优选，所述换位槽与所述换位元件的配合为所述活塞提供至少两个周向位置，所述活塞与所述限位元件的配合为所述活塞提供两个轴向位置。

作为优选，在至少有一个活塞周向位置和其中一个活塞轴向位置上，所述上芯轴旁通孔、活塞旁通孔以及所述水孔对齐。

作为优选，所述换位槽与所述换位元件的配合为所述活塞提供六个周向位置，在其中三个周向位置上所述活塞旁通孔与上芯轴旁通孔以及水孔同时对齐。

作为优选方案：所述活塞旁通孔中心轴线以及所述水孔中心轴线均与主筒轴线相交，且所述活塞旁通孔中心轴线以及所述水孔中心轴线相对于主筒轴线夹角范围在10°至80°之间。

作为优选，所述活塞旁通孔为圆柱孔，其直径范围在5mm至35mm之间；所述水孔为圆柱孔，其直径范围在5mm至35mm之间。

作为优选，所述活塞为由上活塞体和换位活塞体组成的分体式活塞，且所述活塞旁通孔开设于上活塞体，所述换位槽开设于换位活塞体。

作为优选，所述主筒上开设有气孔，所述活塞内部可增设缓冲结构。

作为优选，所述主筒与所述活塞之间，所述活塞与所述上芯轴之间，所述活塞与所述下芯轴之间，均设有密封元件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明中的无限循环洗井工具并未采用投球控制，而是采用流体激发的形式控制循环阀开关，反应速度快且受井倾角的影响小，安装位置灵活，可采用多种测斜方式；

（2）采用流体激发、通过调节泵排量使换位活塞在排量作用下产生不同的轴向位移和周向转动，并且配置了专门的换位、复位机构，解决了现有循环阀开启次数限制、需要反复起下钻复位阀门的问题

（3）采用具有反向倾角的喷水孔设计，配合冲砂工具可实现正反冲砂洗井的目的，能够提供同时兼具很强的冲砂和携砂能力；

（4）上下芯轴相对主筒固定，通过活塞的周向旋转和轴向移动实现换位和旁通开闭，芯轴本身不存在卡阻情况的发生，换位结构可靠性高；

（5）压力敏感，易于控制旁通的开闭，且易于在地面通过压力状态判断工具的工作模式是否旁通或直通；

（6）零部件较少，结构紧凑，不需要设计球座、开关器等控制机构，降低加工生产和维护成本。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例一处于直通状态下的工作位置示意图。

图3为本发明实施例一处于旁通状态下的工作位置示意图。

图4为本发明实施例二的结构示意图。

图5为本发明实施例二中换位活塞的结构示意图。

图6为本发明实施例二中缓冲结构的结构示意图以及实施例三、实施例四的结构示意图。

具体实施方式：

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例一：

如图1至图3所示，一种流体激发式无限循环洗井工具，包括主筒（1），通过螺纹与主筒（1）连接的上接头（2），通过螺纹与主筒（1）连接的下接头（3），固定于上接头（2）的上芯轴（4），固定于下接头（3）的下芯轴（5），安装于主筒（1）内部的活塞（6），安装于下芯轴（5）和活塞组件（5）之间的换位弹簧（7），固定于主筒（1）上的换位元件（8）和限位元件（9），所述上芯轴（4）上开设有通孔（41）、上芯轴旁通孔（42）和压力孔（43），所述下芯轴上开设有盲孔（51）和下芯轴旁通孔（52），活塞（6）上开设有换位槽（61）和活塞旁通孔（62），主筒（1）上开设有水孔（12），活塞（6）可通过换位槽（61）与换位元件（8）配合实现活塞（6）周向位置的切换，活塞（6）可通过与限位元件（9）的配合实现活塞（6）的轴向位置切换，所述换位槽（61）与所述换位元件（8）的配合为所述活塞（6）提供六个周向位置，在其中三个周向位置上所述活塞旁通孔（62）与上芯轴旁通孔（42）以及水孔（12）同时对齐。

本实施例中所描述的一种流体激发式无限循环洗井工具主要包括两个工作状态：直通状态和旁通（洗井）状态。

如图2所示，为本洗井工具的直通状态。结合图1，在开泵状态下，由于活塞（6）上端面受到上芯轴压力孔（43）导出的液体压力的持续作用，此时换位元件（8）位于活塞（6）上的换位槽（61）的直通位（较旁通位更短、更靠下），相应地，换位弹簧（7）处于直通压缩状态。受到换位元件（8）和换位槽（61）的限制，活塞旁通孔（62）和主筒水孔（12）以及上芯轴旁通孔（42）相互周向错开；同时，受到限位元件（9）和活塞下端面的限制，活塞旁通孔（62）和主筒水孔（12）以及上芯轴旁通孔（42）相互轴向错开。由于此时活塞旁通孔（62）相对于主筒水孔（12）和上芯轴旁通孔（42）均为（周向和轴向）错开状态，旁通关闭，液流仅能通过上芯轴通孔（41）流出，继而通过下芯轴旁通孔（52）流入下芯轴，最终通过下芯轴盲孔（51）流出下接头（3），此状态即为本工具的直通状态。

如图,3所示，为本洗井工具的直通状态。结合图1，类似地，在开泵状态下，由于活塞（6）上端面受到上芯轴压力孔（43）导出的液体压力的持续作用，此时换位元件（8）位于活塞（6）上的换位槽（61）的旁通位（较直通位更长、更靠上），相应地，换位弹簧（7）处于旁通压缩状态。受到换位元件（8）和换位槽（61）的限制，活塞旁通孔（62）和主筒水孔（12）以及上芯轴旁通孔（42）相互周向对齐；同时，受到限位元件（9）和活塞下端面的限制，活塞旁通孔（62）和主筒水孔（12）以及上芯轴旁通孔（42）相互轴向对齐。由于此时活塞旁通孔（62）相对于主筒水孔（12）和上芯轴旁通孔（42）均为（周向和轴向）对齐状态，旁通开启，液流仅能通过上芯轴旁通孔（42）流出，继而通过活塞旁通孔（62）到达主筒水孔（12），最终形成喷射液流，冲洗井壁。此状态即为本工具的旁通状态。

实施例二：

如图4至图6所示，一种流体激发式无限循环洗井工具，包括主筒（1），通过螺纹与主筒（1）连接的上接头（2），通过螺纹与主筒（1）连接的下接头（3），固定于上接头（2）的上芯轴（4），固定于下接头（3）的下芯轴（5），安装于主筒（1）内部的活塞（6），安装于下芯轴（5）和活塞组件（5）之间的换位弹簧（7），固定于主筒（1）上的换位元件（8）和限位元件（9），所述上芯轴（4）上开设有通孔（41）、上芯轴旁通孔（42）和压力孔（43），所述下芯轴上开设有盲孔（51）和下芯轴旁通孔（52），活塞（6）为由上活塞体（63）和换位活塞体（64）组成的分体式活塞，且所述活塞旁通孔（62）开设于上活塞体（63），所述换位槽（61）开设于换位活塞体（64）主筒（1）上开设有水孔（12），如图5所示。活塞（6）可通过换位槽（61）与换位元件（8）配合实现活塞（6）周向位置的切换，活塞（6）可通过与限位元件（9）的配合实现活塞（6）的轴向位置切换，所述换位槽（61）与所述换位元件（8）的配合为所述活塞（6）提供六个周向位置，在其中三个周向位置上所述活塞旁通孔（62）与上芯轴旁通孔（42）以及水孔（12）同时对齐。

本实施例中，活塞（6）为由上活塞体（63）和换位活塞体（64）组成的分体式活塞，可降低加工难度和成本，同时也使得工具易于拆装和维护。

进一步地，所述主筒（1）上开设有气孔（13），所述活塞（6）内部可增设缓冲结构（65），缓冲结构（65）包括缓冲弹簧（651）、缓冲活塞（652）和弹簧挡圈（653）。

本方案中，通过在活塞内部设置缓冲机构，可减小工具在状态切换过程中活塞与下芯轴之间的产生的冲击力，不仅能使工作过程更加稳定、流畅，也能避免由于冲击导致的工具寿命降低。

进一步地，所述主筒（1）与所述活塞（6）之间，所述活塞（6）与所述上芯轴（4）之间，所述活塞（6）与所述下芯轴（5）之间，均设有密封元件。

实施例三：

如图6所示，本实施例与实施例二基本相同，其区别在于：所述活塞旁通孔（62）中心轴线以及所述水孔（12）中心轴线均与主筒轴线相交，且所述活塞旁通孔（62）中心轴线以及所述水孔（12）中心轴线相对于主筒轴线夹角范围在20°至80°之间。

进一步地，所述活塞旁通孔（62）中心轴线以及所述水孔（12）中心轴线相对于主筒轴线夹角为45°。

实施例四

如图6所示，本实施例与实施例二基本相同，其区别在于：所述活塞旁通孔（62）为圆柱孔，其直径范围在5mm至35mm之间；所述水孔（12）为圆柱孔，其直径范围在5mm至35mm之间。

进一步地，活塞旁通孔（62）为圆柱孔，其直径为12mm；所述水孔（12）为圆柱孔，其直径为12mm。

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。