專利名稱：井下降壓工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及油氣田鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鉆井井下 工具，是一種降低鉆井液循環(huán)狀態(tài)下井底壓力的工具。
背景技術(shù)：
井下壓力控制是鉆井過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。常規(guī)鉆井過程中，鉆井 液壓力是用來抑制地層壓力并保持井眼穩(wěn)定。靜止?fàn)顟B(tài)下，井底壓力 PBH僅與鉆井液靜液柱壓力P一有關(guān)；循環(huán)狀態(tài)下，井底壓力Pbh是站井液靜液壓力和環(huán)空壓耗Pw兩者之和。然而環(huán)空壓耗Pw過高使得井底壓力PBH大于地層破裂壓力，造成鉆井液的漏失。由于鉆井液密度的選擇 是由地層壓力決定的，因此必須通過降低環(huán)空壓耗(當(dāng)量泥漿循環(huán)密度ECD)來解決鉆井液循環(huán)狀態(tài)下井底壓力高所產(chǎn)生的問題。傳統(tǒng)鉆井工藝中用來降低當(dāng)量循環(huán)密度的方法有用流變性低的鉆井液達(dá)到減 少環(huán)空壓力損失；采用擴(kuò)眼方法擴(kuò)大井眼尺寸；用鉆井尾管代替套管； 降低環(huán)空排量達(dá)到減小摩阻；降低鉆速來減少環(huán)空中巖屑的總量。然 而采用上述措施將降低鉆井效率，增加鉆井成本。目前國(guó)外文獻(xiàn)介紹了一種可用來降低井底壓力的環(huán)空泵，環(huán)空泵 由動(dòng)力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，該環(huán)空泵與其相配套的密封元件一起下入套管中， 密封元件位于環(huán)空泵殼體和套管內(nèi)壁間，密封元件將環(huán)空分成上、下 兩個(gè)不相連的空間，從鉆頭返回的流體和巖屑的混合物必須通過環(huán)空 泵內(nèi)部空間，環(huán)空泵在動(dòng)力馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，環(huán)空泵的舉升 作用將一定深度的環(huán)空流體舉升至地表。已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該環(huán)空 泵可有效降低井底壓力，避免地層漏失。目前該工具存在的主要問題有兩方面由于密封元件始終處于密封狀態(tài)，使得環(huán)空泵連同鉆桿在起下鉆過程中造成很大的波動(dòng)壓力；密封元件要隨鉆上下移動(dòng)，造成 密封元件極易失效，不能達(dá)到密封效果，使返回流體不經(jīng)過環(huán)空泵而 直接返回地表，不能充分發(fā)揮環(huán)空泵的舉升作用，不能有效降低井底 壓力。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種井下降壓工具，能在循環(huán)時(shí)降低 井下壓力，解決窄泥槳密度窗口地層鉆井產(chǎn)生的問題，降低非生產(chǎn)時(shí) 效，提高鉆井效率。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是井下降壓工具包括多級(jí)泵、連接 器、聯(lián)軸器、液壓缸、活塞、支撐桿、滑動(dòng)密封環(huán)和定密封環(huán)。多級(jí)泵主軸位于多級(jí)泵殼體內(nèi)部，多級(jí)泵主軸的上、下兩端通過 軸承固定于多級(jí)泵殼體內(nèi)部。多級(jí)泵殼體下部有進(jìn)口，進(jìn)口是提供返回流體和巖屑進(jìn)入多級(jí)泵殼 體內(nèi)用；多級(jí)泵殼體上部出口，出口是提供多級(jí)泵殼體內(nèi)的返回流體 和巖屑流向環(huán)空用。在多級(jí)泵殼體的外壁上固定有定密封環(huán)。定密封環(huán)為圓環(huán)狀，定密 封環(huán)的內(nèi)徑與多級(jí)泵殼體外徑相同，通過螺紋或焊接將定密封環(huán)固定 在多級(jí)泵殼體的外壁上，定密封環(huán)的位置位在多級(jí)泵體的進(jìn)口、出口 之間任何位置?；瑒?dòng)密封環(huán)為圓環(huán)形，滑動(dòng)密封環(huán)的外徑與套管內(nèi)徑相同，滑動(dòng)密 封環(huán)的內(nèi)徑與定密封外徑相同?；瑒?dòng)密封環(huán)與定密封環(huán)配合后形成密 封?；瑒?dòng)密封環(huán)下部連接有支撐桿，支撐桿的作甩是用來支撐滑動(dòng)密 封環(huán)，并能使滑動(dòng)密封環(huán)做上、下運(yùn)動(dòng)。在多級(jí)泵殼體的下端外壁固定有液壓缸，液壓缸與多級(jí)泵殼體的外壁之間形成環(huán)形空間。在液壓缸內(nèi)有環(huán)形活塞，活塞上部連接所述的 支撐桿。在多級(jí)泵殼體的外壁上有鉆井液入口，多級(jí)泵殼體內(nèi)的高壓 鉆井液能通過鉆井液入口進(jìn)入環(huán)形空間，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)。所述的進(jìn)口和出口的位置在多級(jí)泵殼體的圓錐形的外壁上，進(jìn)口與 出口對(duì)稱分布，進(jìn)口和出口的數(shù)量分別為2 10個(gè)。進(jìn)口和出口形狀為扇環(huán)形，扇環(huán)弧對(duì)應(yīng)角度為0 180° 。所述的定密封環(huán)高度在50 200mm之間，定密封環(huán)的縱剖面形狀為 楔形、階梯形、矩形。所述的滑動(dòng)密封環(huán)的縱剖面形狀為楔形、階梯形、矩形。液壓缸內(nèi)部的上、下死點(diǎn)可控制活塞運(yùn)動(dòng)行程。鉆井液壓力小時(shí)， 活塞位于液壓缸下死點(diǎn)位置，隨著鉆井液壓力的增加，鉆井液通過與 液壓缸相連的多級(jí)泵殼體上的鉆井液入口進(jìn)入到液壓缸內(nèi)部，在鉆井 液推動(dòng)下，活塞向上運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)與其相連的支持桿和滑動(dòng)密封環(huán)， 一直運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)密封環(huán)與定密封環(huán)配合密封作用。支撐桿數(shù)量為2 8個(gè)。本實(shí)用新型提出的井下降壓工具，在起、下鉆過程中，活塞位于液 壓缸下死點(diǎn)，滑動(dòng)密封環(huán)在定密封環(huán)的下方，處于不在配合位置，不 能形成密封，與不安裝本工具相比，波動(dòng)壓力無明顯變化；當(dāng)正常鉆 進(jìn)過程中，鉆井液進(jìn)入液壓缸后推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，活塞通過支撐桿 帶動(dòng)滑動(dòng)密封環(huán)向上運(yùn)動(dòng)與定密封環(huán)配合，在多級(jí)泵殼體與套管之間 的環(huán)形空間形成密封狀態(tài)，從井底返回的鉆井液和巖屑的混合物不能 直接通過環(huán)空返回地表，而必須通過多級(jí)泵內(nèi)，動(dòng)力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)多級(jí)泵 主軸連同上面的葉片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，多級(jí)泵產(chǎn)生的推力將返回的流體與 巖屑輸送至井口，工具安裝位置上方的流體的靜液壓力和這段環(huán)空壓 耗將不計(jì)入井底壓力，因此降低了井底的壓力。井下降壓工具可在正 常鉆進(jìn)過程中降低井底壓力，避免因循環(huán)壓耗過高使井底壓力超過地層壓力，造成鉆井液的漏失，在起、下鉆過程能減小波動(dòng)壓力，非常 適合于大位移井、復(fù)雜深井、海洋深水和灘海鉆井；液壓缸和活塞控 制的密封可降低密封件的磨損、'提高密封的可靠性和壽命。該工具成 本低、安裝便捷、操作簡(jiǎn)便、安全可靠，可用于9-5/8英寸至13-3/8英 寸的套管中。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型井下降壓工具，能有效地降低井 底壓力l-3MPa，解決窄泥漿密度窗口地層鉆井和大位移鉆井過程中由于鉆 井液循環(huán)而造成的泥漿漏失問題；同時(shí)本專利的密封系統(tǒng)由液壓自動(dòng)控 制，可有效避免起、下鉆過程中造成過大的波動(dòng)壓力，能提高密封元件的 壽命和可靠性。


圖1是本實(shí)用新型井下降壓工具結(jié)構(gòu)剖面示意圖。 圖2是本實(shí)用新型井下降壓工具實(shí)施方式示意圖。 圖3是多級(jí)泵殼體的剖面圖。 圖4是圖3的俯視圖。圖中，l是動(dòng)力馬達(dá)殼體，2是動(dòng)力馬達(dá)主軸，3是連接器，4是聯(lián)軸 器，5是軸承，6是密封圈，7是多級(jí)泵殼體，8是返回流體出口， 9是多 級(jí)泵主軸，10是定密封環(huán)，11是滑動(dòng)密封環(huán)，12是返回流體入口， 13 是支撐桿，14是活塞，15是液壓缸，16是液壓缸鉆井液入口， 17是鉆桿， 18是井口設(shè)備，19是井口設(shè)備出口， 20是套管，21是水泥環(huán)，22是地層， 23是環(huán)空，24是鉆頭，25是巖屑。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:以一個(gè)適用于套管20內(nèi)徑為320. 4毫米的井下降壓工具為 例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參閱圖1。井下降壓工具，包括多級(jí)泵、連接器3、聯(lián)軸器4、液壓缸15、活塞14、支撐桿13、滑動(dòng)密封環(huán)11和定密封環(huán)10。多級(jí)泵主軸9 位于多級(jí)泵殼體7內(nèi)部，多級(jí)泵主軸9的上、下兩端通過軸承5固定于多 級(jí)泵殼體7內(nèi)部。多級(jí)泵殼體7最大外徑為280毫米，多級(jí)泵殼體7下部 外徑為240毫米。多級(jí)泵殼體7的外壁上有圓錐形的過渡段。多級(jí)泵殼體7的下部有進(jìn) 口；多級(jí)泵殼體7上部出口。進(jìn)口和出口的位置在多級(jí)泵殼體7的圓錐形 的外壁上，進(jìn)口與出口對(duì)稱分布，進(jìn)口和出口的數(shù)量分別為4個(gè)，高45mm， 對(duì)應(yīng)圓周角為60。。在多級(jí)泵殼體7的外壁上焊接固定有定密封環(huán)。定密封環(huán)10與進(jìn)口 的距離為200mm。定密封環(huán)10為圓環(huán)狀，定密封環(huán)10的內(nèi)徑與多級(jí)泵殼 體7外徑相同，定密封環(huán)10高度為150mm，定密封環(huán)10的縱剖面形狀為 階梯形。定密封環(huán)10的位置位在多級(jí)泵體7的進(jìn)口、出口之間。滑動(dòng)密封環(huán)ll為圓環(huán)形，滑動(dòng)密封環(huán)ll的外徑與套管內(nèi)徑相同，滑 動(dòng)密封環(huán)11的內(nèi)徑與定密封外徑相同?；瑒?dòng)密封環(huán)11與定密封環(huán)10配 合后形成密封?；瑒?dòng)密封環(huán)11下部連接有支撐桿13，支撐桿13的作用是 用來帶動(dòng)滑動(dòng)密封環(huán)ll，并能使滑動(dòng)密封環(huán)ll做上、下運(yùn)動(dòng)。支撐桿13 的數(shù)量為4個(gè)。在多級(jí)泵殼體7的下端外壁焊接固定有液壓缸15，液壓缸15與多級(jí) 泵殼體7的外壁之間形成環(huán)形空間。液壓缸15的長(zhǎng)度為120毫米，液壓 缸15內(nèi)的環(huán)形空間的寬度為40毫米。在液壓缸15內(nèi)有環(huán)形活塞14，活 塞上部連接所述的支撐桿13。在多級(jí)泵殼體7的外擘上有2個(gè)直徑為8 毫米的鉆井液入口 16，多級(jí)泵殼體7內(nèi)的高壓鉆井液能通過鉆井液入口 16進(jìn)入環(huán)形空間，推動(dòng)活塞14向上運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型提出的井下降壓工具的工作過程參閱圖1。井下降壓工具連接在鉆井動(dòng)力馬的下方。動(dòng)力馬達(dá)殼體1 與多級(jí)泵殼體7通過連接器3螺紋連接。動(dòng)力馬達(dá)主軸2位于動(dòng)力馬達(dá)殼體1內(nèi)部，多級(jí)泵主軸9位于多級(jí)泵殼體7內(nèi)部，多級(jí)泵主軸9 的上、下兩端通過軸承5固定于多級(jí)泵殼體7內(nèi)部。動(dòng)力馬達(dá)主軸2 和多級(jí)泵主軸9都有鉆井液可通過的孔，孔直徑為30 80mm，動(dòng)力馬 達(dá)主軸2通過聯(lián)軸器4與多級(jí)泵殼體內(nèi)的多級(jí)泵主軸9相連形成鉆井 液流動(dòng)通道。井下降壓工具的下部連接鉆桿和鉆頭24。參閱圖2。地層22鉆有井眼，井眼內(nèi)固定有套管20。將工具下入套 管20內(nèi)。通過動(dòng)力馬達(dá)殼體7上端的螺紋和多級(jí)泵殼體7的下端螺紋 與鉆桿17直接連接，鉆桿17下端與鉆頭24連接。鉆井液循環(huán)方向如 2中箭頭所示，鉆井液通過鉆桿17進(jìn)入動(dòng)力馬達(dá)殼體1內(nèi)，動(dòng)力馬達(dá) 可也是渦輪馬達(dá)、螺桿馬達(dá)或電動(dòng)馬達(dá)或其它形式動(dòng)力馬達(dá)，然后流 經(jīng)多級(jí)泵主軸9的開孔后進(jìn)入多級(jí)泵殼體7的下部空間， 一部分鉆井 液通過液壓缸鉆井液入口 16進(jìn)入液壓缸15內(nèi)部，大部分鉆井液通過 與多級(jí)泵殼體7相連接的鉆桿17繼續(xù)向下流動(dòng)，通過鉆頭24后，進(jìn) 入環(huán)空23，攜帶巖屑25繼續(xù)向地表方向返回。當(dāng)返回至工具安置位置 時(shí)，由于在套管20與多級(jí)泵殼體7間的定密封環(huán)10和滑動(dòng)密封環(huán)11 的密封作用，返回的鉆井液和攜帶的巖屑25通過多級(jí)泵下部的返回流 體入口 12進(jìn)入多級(jí)泵殼體7的內(nèi)部空間，多級(jí)泵主軸9由動(dòng)力馬達(dá)主 軸2驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)其上面的葉片對(duì)返回的流體和巖屑25施加向上 的作用力，返回液體和巖屑25在向上推力的作用下通過多級(jí)泵殼體7 上部的返回流體出口 8再次流入環(huán)形空間23，繼續(xù)循環(huán)通過井口設(shè)備 出口19至鉆井液池。工具動(dòng)力馬達(dá)殼體l、多級(jí)泵殼體7與鉆桿17相連，下鉆至將被鉆 地層。在這過程中，不循環(huán)鉆井液，活塞14位于液壓缸15的下死點(diǎn)， 此時(shí)滑動(dòng)密封環(huán)11與定密封環(huán)10不能在套管20與多級(jí)泵殼體7間形成密封作用，因此在下鉆過程中，有效的降低了井底激動(dòng)壓力。
當(dāng)鉆桿17連同井下降壓工具和鉆頭24下至被鉆地層后，鉆井液開 始循環(huán)，待鉆進(jìn)液經(jīng)過鉆桿17、'動(dòng)力馬達(dá)主軸2、多級(jí)泵主軸9后到 達(dá)多級(jí)泵殼體7的下部空間后，極小量的鉆井液通過多級(jí)泵殼體7上 的液壓缸鉆井液入口 16進(jìn)入到液壓缸15中，在鉆井液壓力的推動(dòng)下 活塞14向上運(yùn)動(dòng)，隨著經(jīng)入鉆井液量的增加，活塞14連同其上面連 接的支持桿13和滑動(dòng)密封環(huán)11 一起運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)，這時(shí)滑動(dòng)密封環(huán) 11與定密封環(huán)10將在套管17和多級(jí)泵殼體7之間形成密封，將環(huán)空 23在密封位置處形成上下兩個(gè)不聯(lián)通的空間；絕大部分鉆井液繼續(xù)向 下流動(dòng)，通過鉆桿17流經(jīng)鉆頭24后，攜帶巖屑向地表返回，當(dāng)返回 至工具安置位置時(shí)，由于定密封環(huán)10與滑動(dòng)密封環(huán)11形成的密封作 用，所有返回的流體和巖屑25都通過動(dòng)力馬達(dá)殼體7下部的返回流體 入口 12經(jīng)入多級(jí)泵殼體7的內(nèi)部空間。動(dòng)力馬達(dá)主軸1帶動(dòng)多級(jí)泵主 軸9旋轉(zhuǎn)，多級(jí)泵主軸9帶動(dòng)其上部安裝的葉片對(duì)經(jīng)過多級(jí)泵殼體7 內(nèi)部的流體和巖屑25產(chǎn)生向上推力，使流體和巖屑25返回至地表。 由于工具安裝位置上、下是兩個(gè)不聯(lián)通空間，因此工具安置位置以上 流體的靜液壓力和流體循環(huán)時(shí)的環(huán)空摩阻不再疊加至井底壓力，這就 達(dá)到了降低井底壓力的目的。
起鉆過程中，鉆井液停止循環(huán)，液壓缸15內(nèi)部鉆井液的壓力降低， 對(duì)活塞14及其與之相聯(lián)的支持桿13和滑動(dòng)密封環(huán)11向上的推力隨之 減小至為零，滑動(dòng)密封環(huán)11與套管20的內(nèi)壁產(chǎn)生向下的摩擦下，滑 動(dòng)密封環(huán)11連同支持桿13、活塞14向下運(yùn)動(dòng)至活塞14在液壓缸15 的下死點(diǎn)，套管20與多級(jí)泵殼體7間的密封消失，.:這樣有效消除了起 鉆過程中的抽汲壓力。
權(quán)利要求1、一種井下降壓工具，包括多級(jí)泵、連接器(3)、聯(lián)軸器(4)、液壓缸(15)、活塞(14)、支撐桿(13)、滑動(dòng)密封環(huán)(11)和定密封環(huán)(10)，多級(jí)泵主軸(9)位于多級(jí)泵殼體(7)內(nèi)部，多級(jí)泵主軸(9)的上、下兩端通過軸承(5)固定于多級(jí)泵殼體(7)內(nèi)部，其特征在于多級(jí)泵殼體(7)下部有進(jìn)口，進(jìn)口能使返回流體和巖屑進(jìn)入多級(jí)泵殼體(7)內(nèi)；多級(jí)泵殼體(7)上部出口，出口能使多級(jí)泵殼體(7)內(nèi)的返回流體和巖屑流向環(huán)空，在多級(jí)泵殼體(7)的外壁上固定有定密封環(huán)，定密封環(huán)(10)為圓環(huán)狀，定密封環(huán)(10)的內(nèi)徑與多級(jí)泵殼體(7)外徑相同，通過螺紋或焊接將定密封環(huán)(10)固定在多級(jí)泵殼體(7)的外壁上，定密封環(huán)(10)的位置位在多級(jí)泵體(7)的進(jìn)口、出口之間，滑動(dòng)密封環(huán)(11)為圓環(huán)形，滑動(dòng)密封環(huán)(11)的外徑與套管內(nèi)徑相同，滑動(dòng)密封環(huán)(11)的內(nèi)徑與定密封外徑相同，滑動(dòng)密封環(huán)(11)與定密封環(huán)(10)配合后形成密封，滑動(dòng)密封環(huán)(11)下部連接有支撐桿(13)，支撐桿(13)的作用是用來帶動(dòng)滑動(dòng)密封環(huán)(11)，并能使滑動(dòng)密封環(huán)(11)做上、下運(yùn)動(dòng)，在多級(jí)泵殼體(7)的下端外壁固定有液壓缸(15)，液壓缸(15)與多級(jí)泵殼體(7)的外壁之間形成環(huán)形空間，在液壓缸(15)內(nèi)有環(huán)形活塞(14)，活塞上部連接所述的支撐桿(13)，在多級(jí)泵殼體(7)的外壁上有鉆井液入口(16)，多級(jí)泵殼體(7)內(nèi)的高壓鉆井液能通過鉆井液入口(16)進(jìn)入環(huán)形空間，推動(dòng)活塞(14)向上運(yùn)動(dòng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的井下降壓工具，其特征是所述的進(jìn)口 和出口的位置在多級(jí)泵殼體(7)的圓錐形的外壁上，進(jìn)口與出口對(duì)稱分 布，進(jìn)口和出口的數(shù)量分別為2 10個(gè)，進(jìn)口和出口形狀為扇環(huán)形， 扇環(huán)弧對(duì)應(yīng)角度為0 180° 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下降壓工具，其特征是定密封環(huán)(IO)與進(jìn)口的距離在50 200mm之間，定密封環(huán)(10)的縱剖面形狀為楔形、 階梯形或矩形。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的井下降壓工具，其特征是所述的滑動(dòng) 密封環(huán)(ll)的縱剖面形狀為楔形、階梯形或矩形。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的井下降壓工具，其特征是所述的支撐桿(13)的數(shù)量為2 8個(gè)。
專利摘要井下降壓工具，應(yīng)用于油氣田鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域。特征是包括多級(jí)泵、連接器、聯(lián)軸器、液壓缸、活塞、支撐桿、滑動(dòng)密封環(huán)和定密封環(huán)。多級(jí)泵殼體下部有進(jìn)口，多級(jí)泵殼體上部出口，在多級(jí)泵殼體的外壁上固定有定密封環(huán)?；瑒?dòng)密封環(huán)與定密封環(huán)配合后形成密封。滑動(dòng)密封環(huán)下部連接有支撐桿。在多級(jí)泵殼體的下端外壁固定有液壓缸，在液壓缸內(nèi)有環(huán)形活塞，活塞上部連接支撐桿。效果是能有效地降低井底壓力1-3MPa，解決鉆井過程中泥漿漏失問題；同時(shí)本專利的密封系統(tǒng)由液壓自動(dòng)控制，有效避免起、下鉆過程中造成過大的波動(dòng)壓力。
文檔編號(hào)E21B21/00GK201218066SQ200820079678
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者崔龍連, 汪海閣 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司;中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院