一种钻进设备用常封式防喷器及防喷方法与流程

1.本发明涉及钻进防喷技术领域，尤其涉及一种钻进设备用常封式防喷器及防喷方法。


背景技术：

2.在石油、天然气钻井过程中地层流体一旦失去控制就可能发生井涌或井喷失控，井喷失控会使井下情况复杂化，无法进行正常钻井作业，甚至毁坏钻井设备，破坏油气资源，污染自然环境，危及钻井人员和油气井的安全。因此，要有效地控制井喷必须使用防喷器，需要时可封闭井口，迅速控制井筒顶部流体，防止井喷事故发生，以保证钻井操作人员和设备的安全。
3.防喷器是油田常用的防止井喷的安全密封井口装置，石油钻井时，将防喷器安装在井口套管头上，用来控制高压油、气、水的井喷；当井内油气压力很高时，防喷器能把井口封闭。但钻井过程中地层流体工作压力较高时，流体突发上涌会对防喷器造成直接冲击，长此以往，会使得防喷器的使用寿命缩短。基于此，我们提出了一种钻进设备用可减缓流体上涌冲击压力的常封式防喷器。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种钻进设备用常封式防喷器及防喷方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种钻进设备用常封式防喷器，包括防喷钻进系统和防喷器本体，所述防喷钻进系统由固定于支架上的液压钻机、负压系统和煤水分离装置组成，液压钻机包括钻杆、钻头，所述防喷器本体的套管与钻孔的孔壁密封贴合；所述防喷器本体的圆周外壁固定有油口，所述防喷器本体的顶部内壁设置有防喷组件；
7.所述防喷器本体的中心内壁设置有套管孔，防喷器本体的圆周内壁设置有活动腔，防喷器本体的底部内壁设置有缓冲部，缓冲部由上密封挡块组和下密封挡块组构成，上密封挡块组的顶端设置于套管孔的底端边沿，下密封挡块组的底端设置于活动腔的底部内壁，且上密封挡块组的顶端闭合口径小于下密封挡块组的顶端闭合口径；
8.所述上密封挡块组和下密封挡块组均为半球状结构，下密封挡块组的上半部分处于上密封挡块组的包裹范围内。
9.优选地：所述防喷组件包括两个呈相对位置滑动连接于套管孔内壁的闸板、固定连接于闸板外壁的活塞杆、设置于防喷器本体内壁的活塞腔，且活塞杆滑动连接于活塞腔的内壁，活塞腔与油口相贯通；
10.所述闸板的外侧面可为平面状、半圆面状或z面状中的一种。
11.优选地：所述闸板靠近底端的外壁固定连接有联动臂，联动臂的底端固定连接有弧面推块。
12.优选地：所述防喷器本体的底部外壁设置有凹槽，弧面推块滑动连接于凹槽的内壁；
13.所述凹槽的一侧内壁滑动连接有伸缩密封板，伸缩密封板的一侧面固定连接于弧面推块的一侧面。
14.优选地：所述上密封挡块组的顶部边沿固定连接有收口垫圈；
15.呈环绕状态包裹套管孔的所述防喷器顶部内壁设置有增压结构，增压结构由设置于防喷器顶部内壁的注液孔、固定于防喷器顶部内壁的顶撑囊袋组成，且顶撑囊袋与注液孔相贯通。
16.优选地：贴合闸板顶部面的所述套管孔内壁固定连接有弹性密封条；
17.所述套管孔的圆周内壁固定有环板，环板的顶部边沿固定有扩撑层，扩撑层的圆周外壁固定有呈环形阵列式分布的连系条，且连系条的底端设置于环板的底端。
18.优选地：所述防喷器本体的一端设置有用于正常钻进和卸煤时排出钻渣和煤粉的钻渣排出口。
19.优选地：所述煤水分离装置的外壁设置有钻渣进口，钻渣进口和钻渣排出口的一端固定连接有同一个三级埋线管。
20.一种钻进设备用防喷方法，包括以下步骤：
21.s1：由施工技术人员对钻孔的开孔位置、方位及倾角进行标定后再安装防喷钻进系统和防喷器本体；
22.s2：钻进期间在回风侧10米范围内悬挂有害气体检测器；
23.s3：钻进期间根据具体地质采用不同排渣方式；
24.s4：钻进施工以连续、每组钻孔施工完毕并验收为基本原则，根据现场生产情况进行调整；
25.s5：高压钻进前检查钻杆、钻头、高压水泵及连接管路状态，确保各部件完好、密封严实；
26.s6：钻头钻进循环为1-2m，煤壁破碎或煤层松软处加大安全距离，每刀钻进时间不小于20min，每刀卸煤量为0.5～1t，采用割缝时间、卸煤量双控原则进行钻进质量控制；
27.s7：封孔；
28.s8：钻渣清理
29.优选地：所述有害气体检测器包括甲烷传感器、一氧化碳传感器；
30.所述根据具体地质采用不同排渣方式具体为岩孔段采用水力排渣，软煤段及岩层破碎段采用风排渣，硬煤段采用水力排渣。
31.本发明的有益效果为：
32.1.本发明通过设置有缓冲部，上下分布的上密封挡块组和下密封挡块组可以构成不同层级、同时出口内径从下往上逐渐变窄的结构，流体上涌期间，下密封挡块组会先抵挡钻孔内靠近周边范围的井液，使得井液上冲压力有所压制，随之上密封挡块组会对钻孔内靠近中心范围的井液作进一步抵挡，进而对井液上冲压力作进一步压制，故而可避免突发情况下井液的冲击压力过大对防喷组件造成直面伤害，进而可延长其使用寿命。
33.2.本发明当操控闸板对钻孔封闭时，闸板移动时经联动臂带动弧面推块在凹槽内发生同步位移，弧面推块在移动时逐渐接触并抵压收口垫圈，使其发生形变，呈现周边下压
的情况，随着其周边下压会顶动上密封挡块组的顶部面受力下移直至收拢，由于上密封挡块组底端合并收拢，故而会挤压其内侧的下密封挡块组的顶端合并收拢，故而可使得进入其内的流体，先后经下密封挡块组和上密封挡块组的顶端减小一定冲击力后再冲向闸板，达到减缓闸板所承受冲击力的作用。
34.3.本发明当弧面推块远离上密封挡块组不再对其进行抵制时，井液上涌时的压力会使得下密封挡块组的顶端冲开，下密封挡块组顶端被迫冲散开不再合拢，其顶端同时会顶撑上密封挡块组的底端向外分开一定角度，进而达到不影响钻井工程中流体涌出速度的作用。
35.4.本发明，从两个油口向活塞腔内注油，油液经活塞杆推动闸板向中间移动，直至闸板闭合，进而完成对套管孔的封堵，当两个闸板重合密闭时，会与上方的弹性密封条相互抵接，避免闸板封闭时其边沿与套管孔的内壁留有缝隙，进而提高防喷效果。
36.5.本发明，井液上涌经注液孔快速渗入顶撑囊袋内使其逐渐被填充，直至其底端抵接在收口垫圈的上表面，进而利用液体对收口垫圈的强力抵持，以便提高收口垫圈对上密封挡块组外表面的顶撑力，进而增加上密封挡块组收拢时的密闭性。
37.6.本发明，井液上涌冲击闸板时，液体从下往上会进入扩撑层和环板的内圈缝隙，使得扩撑层在液体的填充下经连系条牵引向上浮动，直至其顶部面贴合在闭合的闸板的底部面，进而对套管孔的圆周内圈进行全面贴实，以防止出现液体经缝隙处渗入闸板封堵空间的情况，进一步提高封堵时的密封性。
附图说明
38.图1为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的使用状态示意图；
39.图2为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的剖面结构示意图；
40.图3为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的上密封挡块组和下密封挡块组整体结构示意图；
41.图4为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的上密封挡块组和下密封挡块组剖面结构示意图；
42.图5为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的顶部内壁仰视状态结构示意图；
43.图6为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的顶部内壁剖面结构示意图；
44.图7为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的闸板结构示意图；
45.图8为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的实施例2中的套管孔仰视状态结构示意图；
46.图9为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的注液孔和顶撑囊袋连接结构示意图；
47.图10为本发明提出的一种钻进设备用常封式防喷器的环板俯视结构示意图。
48.图中：1防喷器本体、101油口、102活动腔、103上密封挡块组、104下密封挡块组、105收口垫圈、106活塞腔、107凹槽、108弧面推块、109伸缩密封板、110闸板、111套管孔、112弹性密封条、113活塞杆、114联动臂、115连系条、116注液孔、117顶撑囊袋、118环板、119扩撑层、2液压钻机、201钻杆、202钻头、3负压抽放口、4负压管路三通、5低负压抽放支管、6出
煤口、7瓦斯收集口、8钻渣进口、9煤水分离装置、10风/水/负压转换器。
具体实施方式
49.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
50.下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
51.在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
52.在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
53.实施例1：
54.一种钻进设备用常封式防喷器，如图1所示，包括防喷钻进系统和防喷器本体1，所述防喷钻进系统由固定于支架上的液压钻机2、负压系统和煤水分离装置9组成，液压钻机2包括钻杆201、钻头202；
55.所述负压系统包括低负压抽放支管5、固定于低负压抽放支管5外壁的负压管路三通4、用于喷孔时抽放孔口喷出瓦斯的负压抽放口3和风/水/负压转换器10，其中，负压抽放口3的一端设置于防喷器本体1的外壁，风/水/负压转换器10的一端通过导管与负压管路三通4的一端相连接；
56.进一步的，所述防喷器本体1的一端设置有用于正常钻进和卸煤时排出钻渣和煤粉的钻渣排出口；
57.进一步的，所述煤水分离装置9的外壁开设有钻渣进口8，钻渣进口8和钻渣排出口的一端固定连接有同一个三级埋线管；从钻渣排出口排出的钻渣经三级埋线管导入煤水分离装置9内分离煤。
58.进一步的，所述煤水分离装置9的外壁开设有瓦斯收集口7，瓦斯收集口7和负压管路三通4的一端固定连接有同一个二级埋线管；所述瓦斯收集口7和防喷器本体1的外壁固定连接有同一个一级埋线管；
59.进一步的，所述煤水分离装置9的一侧面设置有出煤口6，出煤口6的一侧铰接有挡板；分离煤后，打开挡板以便引出煤料。
60.所述防喷器本体1的套管与钻孔的孔壁密封贴合；
61.为了减缓井涌时的压力；如图2-4所示，所述防喷器本体1的中心内壁开设有套管孔111，防喷器本体1的圆周内壁开设有活动腔102，防喷器本体1的底部内壁设置有缓冲部，缓冲部由上密封挡块组103和下密封挡块组104构成，上密封挡块组103的顶端铰接于套管孔111的底端边沿，下密封挡块组104的底端铰接于活动腔102的底部内壁，且上密封挡块组103的顶端闭合口径小于下密封挡块组104的顶端闭合口径，通过上下分布的上密封挡块组
103和下密封挡块组104可以构成不同层级、同时出口内径从下往上逐渐变窄的结构，如图4所示，使用期间，下密封挡块组104会先抵挡钻孔内靠近周边范围的井液，使得井液上冲压力有所压制，随之上密封挡块组103会对钻孔内靠近中心范围的井液作进一步抵挡，进而对井液上冲压力作进一步压制，故而可避免突发情况下井液的冲击压力过大对防喷组件造成直面伤害。
62.优选的，所述上密封挡块组103和下密封挡块组104均为半球状结构，下密封挡块组104的上半部分处于上密封挡块组103的包裹范围内；
63.优选的，所述上密封挡块组103和下密封挡块组104均由多个尺寸相同的弧形板组成，且上密封挡块组103上的多个弧形板底端不彼此连接，下密封挡块组104上的多个弧形板顶端不彼此连接；
64.为了封堵套管孔111；如图1-3和图5-7所示，所述防喷器本体1的圆周外壁固定有油口101，所述防喷器本体1的顶部内壁设置有防喷组件，防喷组件包括两个呈相对位置滑动连接于套管孔111内壁的闸板110、通过螺栓固定于闸板110外壁的活塞杆113、开设于防喷器本体1内壁的活塞腔106，且活塞杆113滑动连接于活塞腔106的内壁，活塞腔106与油口101相贯通；分别从两个油口101向活塞腔106内注油，油液经活塞杆113推动闸板110向中间移动，直至闸板110闭合，进而完成对套管孔111的封堵。
65.优选的，所述闸板110的外侧面可为平面状、半圆面状或z面状等中的一种；平面状和z面状的闸板110可使得钻孔完全封闭，z面状的闸板110比平面状的闸板110闭合期间的密封性要高，而半圆面状的闸板110可适用于在贴合钻杆外壁时进行封闭。
66.优选的，贴合闸板110顶部面的所述套管孔111内壁焊接有弹性密封条112；当两个闸板110重合密闭时，会与上方的弹性密封条112相互抵接，避免闸板110封闭时其边沿与套管孔111的内壁留有缝隙，进而提高防喷效果。
67.为了给缓冲部提供作业动力；如图1、图3-5和图7所示，所述闸板110靠近底端的外壁通过螺栓固定有联动臂114，联动臂114的底端通过螺栓固定有弧面推块108；
68.进一步的，所述防喷器本体1的底部外壁开设有凹槽107，弧面推块108滑动连接于凹槽107的内壁；凹槽107的一侧内壁滑动连接有伸缩密封板109，伸缩密封板109的一侧面焊接于弧面推块108的一侧面；
69.再进一步的，所述上密封挡块组103的顶部边沿焊接有收口垫圈105，优选的，收口垫圈105为弹性材质；当操控闸板110对钻孔封闭时，闸板110移动时经联动臂114带动弧面推块108在凹槽107内发生同步位移，弧面推块108在移动时逐渐接触并抵压收口垫圈105，使其发生形变，呈现周边下压的情况，随着其周边下压会顶动上密封挡块组103的顶部面受力下移直至收拢，由于上密封挡块组103底端合并收拢，故而会挤压其内侧的下密封挡块组104的顶端合并收拢，如图3所示，故而可使得进入其内的井液，先后经下密封挡块组104和上密封挡块组103的顶端减小一定冲击力后再冲向闸板110，进而可减缓闸板110所承受的冲击力；反之，当从油口101处引出油液使得闸板110开启时，由于弧面推块108远离上密封挡块组103不再对其进行抵制，故而井液上涌时的压力会使得下密封挡块组104的顶端冲开，下密封挡块组104顶端被迫冲散开不再合拢，其顶端同时会顶撑上密封挡块组103的底端向外分开一定角度，进而达到不影响钻井工程中流体涌出速度的作用。
70.本实施例在使用时，防喷器本体1是作用于防喷钻进系统内配套使用，起到防止井
喷的作用，其具体应用为：分别从两个油口101向活塞腔106内注油，油液经活塞杆113推动闸板110向中间移动，直至闸板110闭合，进而完成对套管孔111的封堵，闸板110闭合时会与上方的弹性密封条112相互抵接，进一步提高封堵时的密封性；当操控闸板110闭合时，闸板110移动时经联动臂114带动弧面推块108在凹槽107内发生同步位移，弧面推块108在移动时逐渐接触并抵压收口垫圈105，使其发生形变，呈现周边下压的情况，随着其周边下压会顶动上密封挡块组103的顶部面受力下移直至收拢，由于上密封挡块组103底端合并收拢，故而会挤压其内侧的下密封挡块组104的顶端合并收拢，如图3所示，故而可使得进入其内的井液，先后经下密封挡块组104和上密封挡块组103的顶端减小一定冲击力后再冲向闸板110，进而可减缓闸板110所承受的冲击力；反之，当从油口101处引出油液使得闸板110开启时，由于弧面推块108远离上密封挡块组103不再对其进行抵制，故而井液上涌时的压力会使得下密封挡块组104的顶端冲开，下密封挡块组104顶端被迫冲散开不再合拢，其顶端同时会顶撑上密封挡块组103的底端向外分开一定角度，进而达到不影响钻井工程中液体涌出速度的作用。
71.实施例2：
72.一种钻进设备用常封式防喷器，如图8-10所示，为了提高封堵时的密封性，呈环绕状态包裹套管孔111的所述防喷器本体1顶部内壁设置有多个用于压紧收口垫圈105的增压结构，增压结构由开设于防喷器本体1顶部内壁的注液孔116、焊接于防喷器本体1顶部内壁的顶撑囊袋117组成，且顶撑囊袋117与注液孔116相贯通；井液上涌经注液孔116快速渗入顶撑囊袋117内使其逐渐被填充，直至其底端抵接在收口垫圈105的上表面，进而利用液体对收口垫圈105的强力抵持，以便提高收口垫圈105对上密封挡块组103外表面的顶撑力，进而增加上密封挡块组103收拢时的密闭性。
73.进一步的，所述套管孔111的圆周内壁固定有环板118，环板118的顶部边沿焊接有扩撑层119，扩撑层119的圆周外壁焊接有多个呈环形阵列式分布的连系条115，且连系条115的底端铰接于环板118的底端；井液上涌冲击闸板110时，液体从下往上会进入扩撑层119和环板118的内圈缝隙，使得扩撑层119在液体的填充下经连系条115牵引向上浮动，直至其顶部面贴合在闭合的闸板110的底部面，进而对套管孔111的圆周内圈进行全面贴实，以防止出现液体经缝隙处渗入闸板110封堵空间的情况，进一步提高封堵时的密封性，当液体下移时，扩撑层119会随之收缩下移复位。
74.本实施例在使用时，井液上涌经注液孔116快速渗入顶撑囊袋117内使其逐渐被填充，直至其底端抵接在收口垫圈105的上表面，进而利用液体对收口垫圈105的强力抵持，以便提高收口垫圈105对上密封挡块组103外表面的顶撑力，进而增加上密封挡块组103收拢时的密闭性；
75.井液上涌冲击闸板110时，液体从下往上会进入扩撑层119和环板118的内圈缝隙，使得扩撑层119在液体的填充下经连系条115牵引向上浮动，直至其顶部面贴合在闭合的闸板110的底部面，进而对套管孔111的圆周内圈进行全面贴实，以防止出现液体经缝隙处渗入闸板110封堵空间的情况。
76.实施例3：
77.一种钻进设备用防喷方法，如图1-10所示，包括以下步骤：
78.s1：由施工技术人员对钻孔的开孔位置、方位及倾角进行标定后再安装防喷钻进
系统和防喷器本体1；
79.s2：钻进期间在回风侧10米范围内悬挂有害气体检测器；
80.s3：钻进期间根据具体地质采用不同排渣方式；
81.s4：钻进施工以连续、每组钻孔施工完毕并验收为基本原则，根据现场生产情况进行调整；
82.s5：高压钻进前检查钻杆201、钻头202、高压水泵及连接管路状态，确保各部件完好、密封严实；
83.s6：钻头202钻进循环为1-2m，煤壁破碎或煤层松软处加大安全距离，每刀钻进时间不小于20min，每刀卸煤量为0.5～1t，采用割缝时间、卸煤量双控原则进行钻进质量控制；
84.s7：封孔；
85.s8：钻渣清理。
86.所述钻孔的开口方位、倾角误差不大于设计
±1°
，开口位置误差不大于
±
100mm。
87.所述有害气体检测器包括甲烷传感器、一氧化碳传感器等，甲烷传感器的型号为kg9701a，一氧化碳传感器的型号为mq-d9型，发现有害气体喷出时，应立即停止钻进、切断电源，将人员撤到有新鲜风流的地点，立即报告矿调度室，采取措施。
88.所述根据具体地质采用不同排渣方式具体为岩孔段采用水力排渣，软煤段及岩层破碎段采用风排渣，硬煤段采用水力排渣，采用风力排渣时，应当使用风水转换装置，以便出现孔内事故时进行处理；
89.所述钻杆201的尺寸为φ73mm，钻头202的直径≥94mm，钻孔的深度为穿过煤层进入岩层超过0.5m或施工到控制范围边界。
90.所述封孔包括两堵一注和全岩报废孔的处理工艺，两堵一注的操作流程为：钻孔施工结束后，准备材料及工具
→
调试注浆泵
→
调配水泥浆
→
注浆管注浆
→
终压1.5mpa
→
封堵注浆管；
91.优选地，所述水泥浆的水灰比为1：1。
92.进一步的，所述准备材料及工具包括根据煤孔段、岩孔段深度计算所需花管和实管数量，其中，花管长度与煤孔段长度一致，花管前端必须安装堵头，实管长度超出孔口20-30cm。
93.进一步的，所述钻孔孔口端囊袋距孔口距离为2m～2.5m，钻孔施工完成后24h内进行注浆作业。
94.再一步的，所述全岩报废孔的操作流程为：准备材料及工具
→
调试注浆泵
→
调配水泥浆
→
注浆
→
封堵注浆管；
95.进一步的，所述孔内下入2根铝塑管，分别为注浆管、返浆管，其中返浆管长15m或封至孔底，末端1m割花眼，注浆管长5m。孔口以里1m处缠绕马丽散，孔口外注浆管外露0.5m，返浆管外露0.3m，孔口用水泥屯实。
96.优选地，所述水泥浆的水灰比为1：1。
97.所述钻渣清理的方式为刮板运输机+皮带或矿车+皮带中的一种，刮板运输机+皮带为矿方能提供刮板运输机的施工地点，钻渣清理、运输采用刮板运输机与皮带相配合方式；钻孔钻进过程中产生的钻渣立即清理进刮板运输机，刮运输机将钻渣输送到皮带上并
进入工作面停采线侧的煤仓。矿车+皮带为矿方不能提供刮板运输机的施工地点；施工产生的钻渣先堆积在巷道一侧或巷底，每星期集中清理一次。清理时先装矿车运输到皮带处，再将钻渣装上皮带运输到煤仓。
98.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。