專利名稱：鉆井注氣接頭及其使用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及石油鉆井技術領域，特別涉及一種連接在套管中部與套 管一起固定在井壁上的套管接頭，能進行環(huán)空注氣的接頭。
背景技術：
常規(guī)的注氣鉆井技術主要采用鉆柱注氣和環(huán)空注氣兩種方法。 鉆柱注氣采用鉆桿柱中心直接向井底注氣，雖然不需要增加井下設備，操作工藝比較簡單，但限制了脈沖隨鉆測量工具MWD的使用。
環(huán)空注氣主要有兩種方式， 一種是使用一套同心管柱。所述同心管 柱即在井壁套管與鉆桿柱之間再下入一層外徑稍小的套管，井壁套管 與套管之間底端用封隔器封隔，氣體從井壁套管與套管之間的環(huán)空內 注入，與井底鉆井液混合后從套管與鉆桿柱間的環(huán)空內返排至地面。 從同心的兩層套管環(huán)空向鉆桿外環(huán)空進行注氣。由于煤層氣井所需氣 量小，環(huán)空截面積大，容易形成氣液兩相混合流體，而且氣水混合不 均勻，出現階段性的氣體段塞，故注氣量不連續(xù)，注氣壓力也不穩(wěn)定， 在正常鉆進時無法實現穩(wěn)定的欠平衡鉆進；且注氣點受制于套管深度， 并局限于在直井中使用。另外一種是采用雙井筒結構進行環(huán)空注氣。 即先鉆成一口直井，直井采用洞穴完井，完井后下入注氣油管和井下 封隔器。而后在距直井一定距離處鉆一口水平井，當水平井的主水平 井眼與洞穴直井連通，通過洞穴直井的油管將壓縮氣體注入水平井環(huán) 空，降低水平井環(huán)空內液柱壓力，從而實現水平井的欠平衡鉆進，達 到保護儲層的目的。雙井筒結構進行環(huán)空注氣工藝技術由于采用雙井 筒結構，在進行多分支水平井鉆井前必須先鉆一口注氣直井，并對直
接進行擴孔造穴，因而大大增加了鉆井周期和鉆井成本。此外，該工 藝技術是在水平井與注氣的洞穴直井連通后通過洞穴直井進行環(huán)空注 氣，因而在兩井連通之前對水平井鉆進過程中的地質導向、隨鉆測量 及連通工具等要求都較高，從而也就大大地增加了鉆井風險。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種鉆井注氣接頭及其使用方法，這種方法 是利用注氣接頭與套管一起下入井內并固定在井壁上，通過高壓注氣 管線和注氣接頭為鉆井環(huán)空注氣，能實現鉆井的單井注氣。采用注氣 接頭環(huán)空注氣模式，不需要鉆一口注氣直井；能方便調整鉆井的注氣量，在起下鉆時以低速注入氣體，在正常鉆進時能穩(wěn)定注入氣體。克 服常規(guī)注氣鉆井技術單井筒注氣模式局限于直井、限制脈沖隨鉆測量工具MWD的使用；克服雙井筒注氣模式需要多下入一層套管和至少一個封隔器，造成施工復雜、風險高、成本大的不足。本發(fā)明采用的技術方案是鉆井注氣接頭包括本體、錐形閥芯、彈簧、絲堵、導向盤。鉆井注 氣接頭的本體為圓筒形，本體的上端和下端有連接螺紋，上端和下端 連接螺紋的作用是在下套管作業(yè)時能與上轉換接頭和下轉換接頭連 接，將鉆井注氣接頭固定在套管柱中間，與套管柱同時下井。在本體的上端面鉆有縱向孔，縱向孔與橫向孔相連通。所述的橫向孔垂直本體中心線，橫向孔的內端是圓形孔，橫向孔的外端有螺紋， 橫向孔外端螺紋上固定有絲堵。在橫向孔內有閥芯，閥芯的一端與橫 向孔內端的圓形孔配合，能起到密封作用。在閥芯的另一端固定有導 向盤，導向盤能沿橫向孔內壁滑動。在導向盤與絲堵之間有彈簧。高 壓空氣通過縱向孔輸送到橫向孔內，能推動閥芯和導向盤向本體內部 滑動，高壓空氣進入本體內腔。為了使高壓空氣能通過導向盤，所述
的導向盤上有通孔或導向盤的邊沿有豁口。為了使閥芯與橫向孔內端 的圓形孔之間密封，所述的彈簧為螺旋拉伸彈簧。為了鉆井注氣接頭 能與注氣高壓管線連接，所述縱向孔上螺紋固定有管線接頭。所述的閥芯是錐形閥芯，橫向孔內端的圓形孔是圓錐形孔。所述的閥芯是平面閥芯，在平面閥芯的邊沿有豁口，高壓空氣推動 閥芯移動后，高壓空氣能通過豁口進入套管內。橫向孔內端的圓形孔 是圓形臺階孔。平面閥芯有單項密封作用，還有導向作用，平面閥芯 也是一個導向盤。采用的是雙導向結構。所述的導向盤可以采用螺釘與錐形閥芯固定；也可以采用螺紋固 定，采用螺紋固定的結構是在錐形閥芯的端部中心與導向盤一側的 中心有螺紋連接。為了保證固井施工時和完成鉆井施工后不需要往井內注入高壓氣 體時，套管內的鉆井液不會流入鉆井注氣接頭內，所述的管線接頭是 單向閥管線接頭，即是一種具有單向閥功能的管線接頭。鉆井注氣接頭的使用方法A、 下套管完成二開鉆井后，下入帶有鉆井注氣接頭的套管柱。 所述的套管管柱中部連接有鉆井注氣接頭。即套管管柱的結構自下而 上依次螺紋連接有套管、套管接箍、下轉換接頭、鉆井注氣接頭、上轉換接頭、套管接箍和套管。鉆井注氣接頭下入深度為300 1000m;在鉆井注氣接頭的上部連接至少一個管線接頭，管線接頭上部連接注 氣高壓管線。注氣高壓管線一直到地面。為了提高注氣量，在鉆井注氣接頭上有兩個管線接頭，兩個管線接 頭上分別連接有注氣高壓管線。能分別通過兩根注氣高壓管線為井內 注入高壓空氣。兩個管線接頭對稱固定在鉆井注氣接頭的兩側。注氣高壓管線內徑為在5 15mm之間。B、 固井將帶有鉆井注氣接頭和注氣高壓管線的套管柱下入井內
后，進行固井施工。固井施工的方法是現有技術，本領域技術人員熟 知并能完成固井施工。鉆井注氣接頭與套管柱一起固定在井內，注氣 高壓管線固定在水泥環(huán)中間。鉆井注氣接頭和注氣高壓管線在水泥環(huán) 的包圍中。C、 連接地面注氣系統在地面，將壓縮機系統(或帶增壓機)與 注氣高壓管線連接。所述的高壓空氣壓縮機系統的最高工作壓力10MPa。D、 鉆井施工在帶有鉆井注氣接頭的套管柱內，下入鉆桿柱，鉆桿柱自下而上主要包括一個鉆頭、鉆鋌100米、鉆桿和方鉆桿。繼續(xù)加深鉆井，開始實施鉆井施工。E、 當鉆井施工需要往井內注入高壓氣體時，在地面通過壓縮機系統(或帶增壓機)將高壓空氣泵入注氣高壓管線，通過注氣高壓管線 到達鉆井注氣接頭。高壓氣體在壓力作用下打開鉆井注氣接頭并通過 鉆井注氣接頭進入套管內。因高壓空氣不斷進入鉆井液，使套管與鉆 井管柱之間環(huán)空的鉆井液密度降低。鉆井液密度降低后， 一方面能降低鉆井液柱對井底地層的壓力；另一方面，套管與鉆桿之間環(huán)空鉆井 液的密度低于鉆桿內鉆井液的密度，形成密度差。根據流體連通器原 理，該密度差能促進鉆井液的循環(huán)，順利實施鉆井施工。注入高壓氣體的壓力是5 10MPa之間，高壓氣體的注氣流量小于35m3/min (標準狀態(tài)空氣)。鉆井施工過程中，注入高壓氣體的壓力和高壓氣體的注氣流量是根據所需要的鉆井井底壓力欠壓值確定的，鉆 并井底壓力欠壓值控制在0. 2 0. 8MPa之間。E、當完成鉆井施工不需要往井內注入高壓氣體時，地面高壓氣泵 停止注氣。高壓管線泄壓后鉆井注氣接頭關閉。套管與鉆井管柱之間 環(huán)空鉆井液不能進入鉆井注氣接頭內。因而在鉆進時只允許高壓空氣 進入套管與鉆桿之間的環(huán)空內，而環(huán)空內鉆井液不能返回到鉆井注氣
接頭內。本發(fā)明的有益效果是鉆井注氣接頭固定在井壁上，通過注氣高壓 管線和的鉆井注氣接頭進行環(huán)空注氣，使鉆井液密度得到控制，能有 效地降低環(huán)空內混相流體靜液柱壓力，注氣穩(wěn)定，注氣效果好，為實 現安全、快速、高效鉆進奠定基礎。在三開鉆進過程中，利用鉆井注 氣接頭調整鉆井液柱壓力，克服了雙井筒結構注氣模式工藝復雜、鉆 井周期長、成本高、安全風險較大的不足。
圖l是本發(fā)明鉆井注氣接頭連接在套管柱中，并通過固井施工，固 定在井下水泥環(huán)的包圍中的結構剖面示意圖。圖2是鉆井注氣接頭的結構剖面示意圖。 圖3是圖2的俯視圖。圖4是圖2的局部放大圖，橫向孔的內端是圓錐形孔，配合的是錐 形閥芯。圖5是導向盤的剖面圖。 圖6是圖5的左視圖。圖7是圖2的局部放大圖，是橫向孔的內端是圓形臺階孔，配合的 是平面閥芯。圖8是平面閥芯的主視圖。 圖9是圖8的左視中l(wèi).下轉換接頭，2.水泥環(huán)，3.鉆井注氣接頭，4.管線接頭， 5.注氣高壓管線，6.上轉換接頭，7.套管接箍；201.本體，202.閥芯， 203.彈簧，204.絲堵，205.通道，206.橫向孔，207.導向盤，208.豁□。
具體實施方式
實施例1:以一個內徑為142. 08腿，外徑為153. 67mm的鉆井注氣接 頭為例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。參閱圖2。鉆井注氣接頭，包括本體201、錐形閥芯202、彈簧203、 絲堵204、導向盤207。本體201為圓筒形，內徑為142.08腿，外徑為 153. 67mm，長度為203. 2mm采用鋼材為J55 (API套管標準)。本體201 的上端和下端有套管內螺紋。上端和下端套管內螺紋能在下套管作業(yè) 時與上轉換接頭6和下轉換接頭1連接，將鉆井注氣接頭固定在套管 柱中間，與套管柱同時下井。在本體201的上端面鉆有兩個縱向孔205，縱向孔205的直徑為8mm。 縱向孔205上螺紋固定分別固定有一個管線接頭4。縱向孔205與橫向 孔206相連通。參閱圖4。所述的橫向孔206垂直本體201中心線，橫向孔206的 內端是圓錐形孔，橫向孔206的外端有螺紋，橫向孔206外端螺紋上 固定有絲堵204。在橫向孔206內有錐形閥芯202，錐形閥芯202的一 端與橫向孔206內端的圓錐形孔配合，能起到密封作用。在錐形閥芯 202的另一端固定有一個導向盤207。參閱圖5和圖6。導向盤207的 邊沿有四個豁口 208，導向盤207能沿橫向孔206內壁滑動。參閱圖4。 導向盤207采用螺紋與錐形閥芯202固定，采用螺紋固定的結構是 在錐形閥芯202的端部中心與導向盤207 —側的中心有螺紋連接。參閱圖4。在導向盤207與絲堵204之間有一個螺旋拉伸彈簧203。高壓空氣通過縱向孔205輸送到橫向孔206內，能推動錐形閥芯202 和導向盤207向本體201內部滑動。實施例2:實施例2于實施例l不同點是參閱圖7。所述的閥芯 202是平面閥芯，在平面閥芯的邊沿有豁口，高壓空氣能通過豁口進入 套管內。橫向孔206內端的圓形孔是圓形臺階孔。
鉆井注氣接頭的使用方法實施例在一口二開深度為1100m的井 內，進行下套管固井，并實施欠平衡鉆井。工作過程是參閱圖l。A、 下套管完成二開鉆井后，下入帶有鉆井注氣接頭3的套管柱。 所述的套管管柱中部連接有一個鉆井注氣接頭3。即套管管柱的結構自下而上依次螺紋連接有400m的套管、 一個套管接箍、 一個下轉換接頭 1、 一個鉆井注氣接頭3、 一個上轉換接頭6、 一個套管接箍7和長度 為700m的套管。鉆井注氣接頭3下入深度為700m;在鉆井注氣接頭3 的上部螺紋連接兩個管線接頭4，兩個管線接頭4上分別連接有注氣高 壓管線5。注氣高壓管線5—直到地面；注氣高壓管線5是高壓軟管。 管線接頭4采用的是單向閥管線接頭。注氣高壓管線5內徑為8mm，長度為720米。在地面還有20米注氣 高壓管線5，是與高壓空氣泵連接用。B、 固井將帶有鉆井注氣接頭3和注氣高壓管線5的套管柱下入 井內后，進行固井施工。鉆井注氣接頭3與套管柱一起固定在井內， 注氣高壓管線5固定在水泥環(huán)中間。鉆井注氣接頭3和注氣高壓管線5 在水泥環(huán)的包圍中；C、 連接地面注氣系統在地面，將空氣壓縮機系統(或帶增壓機) 與注氣高壓管線5連接。所述的空氣壓縮機系統的最高工作壓力10MPa; 高壓空氣壓縮機型號是SF-10/150。D、 鉆井施工在帶有鉆井注氣接頭3的套管柱內，下入鉆井管柱， 開始鉆井施工；E、 當鉆井施工需要往井內注入高壓氣體時，在地面通過高壓氣泵 將高壓空氣泵入注氣高壓管線5，通過注氣高壓管線5到達鉆井注氣接 頭3。高壓氣體在壓力作用下打開鉆井注氣接頭3并通過鉆井注氣接頭 3進入套管內；注入高壓氣體的壓力為5MPa之間，高壓氣體的注氣流量為25mVmin
(標準狀態(tài)空氣)。鉆井施工過程中，注入高壓氣體的壓力和高壓氣 體的注氣流量是根據所需要的鉆井井底壓力欠壓值確定的，鉆井井底壓力欠壓值控制在O. 5MPa。E、當完成鉆井施工不需要往井內注入高壓氣體時，地面高壓氣泵 停止注氣。高壓管線5泄壓后鉆井注氣接頭3關閉。套管與鉆井管柱 之間環(huán)空鉆井液不能進入鉆井注氣接頭3內。
權利要求
1、一種鉆井注氣接頭，包括本體(201)、錐形閥芯(202)、彈簧(203)、絲堵(204)、導向盤(207)，本體(201)為圓筒形，本體(201)的上端和下端有連接螺紋；其特征在于在本體(201)的上端面鉆有縱向孔(205)，縱向孔(205)與橫向孔(206)相連通，所述的橫向孔(206)垂直本體(201)中心線，橫向孔(206)的內端是圓形孔，橫向孔(206)的外端有螺紋，橫向孔(206)外端螺紋上固定有絲堵(204)，在橫向孔(206)內有閥芯(202)，閥芯(202)的一端與橫向孔(206)內端的圓形孔配合，在閥芯(202)的另一端固定有導向盤(207)，導向盤(207)能沿橫向孔(206)內壁滑動，在導向盤(207)與絲堵(204)之間有彈簧(203)，高壓空氣通過縱向孔(205)輸送到橫向孔(206)內，能推動閥芯(202)和導向盤(207)向本體(201)內部滑動，所述的導向盤(207)上有通孔或導向盤(207)的邊沿有豁口(208)，所述的彈簧(203)為螺旋拉伸彈簧，所述縱向孔(205)上螺紋固定有管線接頭(4)。
2、 如權利要求1所述的鉆井注氣接頭，其特征在于所述的閥芯 (202)是錐形閥芯，橫向孔(206)內端的圓形孔是圓錐形孔。
3、 如權利要求l鉆井注氣接頭，其特征在于所述的閥芯(202)是 平面閥芯，在平面閥芯的邊沿有豁口，高壓空氣能通過豁口進入套管 內，橫向孔(206)內端的圓形孔是圓形臺階孔。
4、 如權利要求l、 2或3所述的鉆井注氣接頭，其特征在于所述 的導向盤(207)可以采用螺釘與錐形閥芯(202)固定；也可以采用螺紋 固定，采用螺紋固定的結構是在錐形閥芯(202)的端部中心與導向盤(207) —側的中心有螺紋連接。
5、 如權利要求l、 2或3所述的鉆井注氣接頭，其特征在于所述 的管線接頭(4)是單向閥管線接頭。
6、 一種權利要求l、 2或3所述的鉆井注氣接頭使用方法，其特征在于A、 下套管完成二開鉆井后，下入帶有鉆井注氣接頭(3)的套管柱， 所述的套管管柱中部連接有鉆井注氣接頭，即套管管柱的結構自下而上依次螺紋連接有套管、套管接箍、下轉換接頭(1)、鉆井注氣接頭(3)、 上轉換接頭(6)、套管接箍(7)和套管，鉆井注氣接頭(3)下入深度為 300 1000m;在鉆井注氣接頭(3)的上部連接至少一個管線接頭(4)， 管線接頭(4)上部連接注氣高壓管線(5)，注氣高壓管線(5) —直到地 面；注氣高壓管線(5)內徑為在5 15mm之間；B、 固井將帶有鉆井注氣接頭(3)和注氣高壓管線(5)的套管柱下 入井內后，進行固井施工；鉆井注氣接頭(3)與套管柱一起固定在井內， 注氣高壓管線(5)固定在水泥環(huán)中間，鉆井注氣接頭(3)和注氣高壓管 線(5)在水泥環(huán)的包圍中；C、 連接地面注氣系統在地面，將空氣壓縮機系統與注氣高壓管 線(5)連接，所述的高壓空氣壓縮機系統的最高工作壓力10MPa;D、 鉆井施工在帶有鉆井注氣接頭(3)的套管柱內，下入鉆桿柱， 鉆桿柱自下而上主要包括鉆頭、鉆鋌、鉆桿和方鉆桿，開始鉆井施工；E、 當鉆井施工需要往井內注入高壓氣體時，通過空氣壓縮機系統， 將高壓空氣注入注氣高壓管線(5)，通過注氣高壓管線(5)到達鉆井注 氣接頭(3)，高壓氣體在壓力作用下打開鉆井注氣接頭(3)并通過鉆井注氣接頭(3)進入套管內；注入高壓氣體的壓力在5 10MPa之間，高壓氣體的注氣流量小于 等于35m3/min，鉆井施工過程中，注入高壓氣體的壓力和高壓氣體的 注氣流量是根據所需要的鉆井井底壓力欠壓值確定，鉆井井底壓力欠 壓值控制在0. 2 0. ^IPa之間；E、當完成鉆井施工不需要往井內注入高壓氣體時，地面高壓氣泵 停止注氣，高壓管線(5)泄壓后鉆井注氣接頭(3)關閉，套管與鉆井管 柱之間環(huán)空鉆井液不能進入鉆井注氣接頭(3)內。
全文摘要
鉆井注氣接頭，應用于石油鉆井技術領域。本體上端面鉆有縱向孔，縱向孔與橫向孔相連通，橫向孔的內端是圓形孔，在橫向孔內有閥芯，閥芯)的一端與橫向孔內端的圓形孔配合，能起到密封作用，在閥芯另一端固定有導向盤，在導向盤與絲堵之間有彈簧，高壓空氣通過縱向孔輸送到橫向孔內，導向盤上有通孔，彈簧為螺旋拉伸彈簧，縱向孔上螺紋固定有管線接頭。使用過程下套管鉆井注氣接頭連接在套管管柱上。B、固井；C、連接地面注氣系統；D、鉆井施工；E、高壓氣體注入套管內；E、停止注氣。能有效地降低環(huán)空內液柱壓力，實現安全、快速、高效鉆進的目的。
文檔編號E21B17/08GK101397894SQ200810226279
公開日2009年4月1日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權日2008年11月12日
發(fā)明者平 孫, 義 張, 張繼東, 李安啟, 趙慶波, 鮑清英, 鮮保安 申請人:中國石油天然氣股份有限公司