专利名称：用于含高密度粒子的流体控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流体控制装置，特别涉及一种用于含高密度粒子的流体控制装置。
背景技术：
随着我国对油气资源的需求量不断增加，在深部硬地层以及复杂地质条件下寻求油气资源是目前油田勘探开发的重点方向。提高硬地层钻井速度是目前面临的技术难题之一，而影响硬地层钻井速度的主要因素有岩石硬度大、研磨性强、可钻性差、井斜等，导致在硬地层钻井过程中出现钻速低、钻井周期长、成本高等问题，制约着深井和超深井的钻井速度和油田勘探开发的整体效益。
在粒子冲击钻井中，将直径l_3mm的钢粒加入到钻井液中进行辅助破岩。在粒子冲击钻井过程中，由于钢粒子的密度远高于钻井液密度，主要存在以下两个问题需要解决
I.停泵期间，钻柱及环空内粒子沉积问题；
2.停泵后重新开泵循环时，沉积粒子的疏导问题。发明内容
根据以上技术中的不足，本发明要提供一种克服上述缺陷，能够用于含高密度粒子的流体控制的装置。
本发明提供的用于含高密度粒子的流体控制装置，钻头的上部连接流体阀结构， 流体阀结构上部设置钻杆内粒子疏导结构，钻杆外包覆设置环空内粒子疏导结构。
流体阀结构包括上阀座、下阀座，下阀座内部设置阀芯管，外部连接下套筒，下套筒上连接上阀座，上阀座上安装有上接头，上接头下端连接浮动接头，浮动接头的上部设置可转动的阀芯，阀芯与阀芯管配合设置，阀芯管与其上部的内腔体连通。
上接头与上阀座之间滑动设置，并在它们之间的配合面处设置密封圈。
浮动接头上部固定阀芯连接块，阀芯通过转轴固定在阀芯连接块上。
阀芯下端为凸球面，阀芯管的上端面为凹球面。
阀芯管通过开在其管体上的流道槽与其上部的内腔体连通。
上阀座与上接头的连接处设置环空内粒子疏导结构，环孔内粒子疏导结构为环空橡胶堵。
钻杆内粒子疏导结构包括中间管、渗漏管、螺旋叶片和主套筒，中间管为中空管其末端与流体阀结构连接，中间管外包覆渗漏管，渗漏管与主套筒之间的空隙中设置螺旋叶片，主套筒与流体阀结构连接。
渗漏管与主套筒之间设置的螺旋叶片组成第一流道；渗漏管与中间管之间的环形空间为第二流道，并在渗漏管上部和下部均开设螺旋孔，渗漏管下部开设的螺旋孔与流体阀结构之间的环形空间为第四流道；中间管的中间中空位置为第三流道；主套筒外也开有螺旋流道。
第一流道、第二流道、第三流道与第四流道之间分别通过a孔、b孔和c孔连通。
本流体控制装置主要由流体阀结构、钻杆内粒子疏导结构和环空内粒子疏导结构组成。钻头上部连接流体阀结构，钻杆内粒子疏导结构设计在流体阀上部，钻杆外设计环空内粒子疏导结构。整套结构配合作用，以解决含高密度粒子的流体的井下控制问题。
流体阀结构，关键在于设计浮动接头与阀芯管、下阀座及下套筒形成的环形空间的参数。该环形空间通过阀芯管上的流道槽与阀体内腔连通，使环形空间内的液体压力与内腔液体压力保持平衡。阀芯固定在浮动接头上，但可上下摆动，阀芯的下表面加工成凸球面，阀芯管上端加工成凹球面，在关闭时，阀芯与阀芯管的球面完全贴合，实现封闭；当浮动接头向上运动时，阀芯脱离阀芯管接触面，并在自重作用下，向下摆动，两片阀芯间出现空隙，实现开启。其具体实现是正常工作时，阀芯处于打开状态，浮动接头与阀芯管、下阀座及下套筒之间形成一个环形空间，并通过阀芯管上的六个流道槽与钻杆内部连通，高压流体通过护网过滤钢粒进入此环形空间，浮动接头与底部下阀座产生一定距离，极限位移是 40mm，此时阀芯完全打开，钻井液在钻杆中正常循环，由于这个环形空间与流道是相通的， 压力与流道内相当，即此环形空间保持一个较高的内压。在开泵状态下，环形空间内的压力是基本稳定的，从而该空间内的高压流体对上阀体的支撑力也是基本稳定的，这就达到了保持流体控制装置始终开启的目的；当停泵时，整个系统的液体压力减小一个非梯度压力， 该装置内的环形空间也不例外。由于在开泵状态下，浮动接头是处于力学平衡状态的，由于非梯度压力的缺失，破坏的力学平衡，浮动接头必然会在上部钻具的浮重作用下向下运动， 阀芯在浮动接头带动下逐渐关闭，当浮动接头与下阀座接触时，阀芯完全关闭，从而实现停泵时，阻止钻井液回流及钻杆内上部粒子沉降堵塞钻头的目的。
钻杆内粒子疏导结构，设计了四个流道对停泵时沉积在流体阀阀芯上的粒子进行逐步稀释和疏导，使其流态化，以防止重新开泵后，粒子在钻杆和钻头内造成堵塞。其具体实现是钻杆内部粒子疏导主要分为两个部分上部分，由中间管、渗漏管、螺旋叶片及主套筒分隔成3个流道区域。中间管顶部安装有过滤网，进入中间管的只有钻井液，没有粒子，中间管上部为为密封，不开孔，定为第三流道；中间管和渗漏管组成的环形空间，是携带粒子的钻井液的主要通道，渗漏管上部开有螺旋孔，孔距O. 9mm,定为第二流道；渗漏管与主套筒间组成的环形空间，被螺旋叶片分隔成一个连续的螺旋通道，定为第一流道。下部分，中间管下部开有螺旋孔，孔内部宽I. 5mm，外部宽O. 9mm，，定为第三流道；渗漏管下部开有螺旋孔，孔内部宽I. 5mm，外部宽2mm，其与浮动接头形成的环形空间，定为第四流道。在停泵状态下，粒子沉积在第二流道中，重新开泵循环钻井液后，钻井液首先进入第一流道和第三流道，第一流道中钻井液通过孔a，持续对第二流道中的沉积粒子施加压力，使其松动并重新悬浮于钻井液中，对沉积的粒子浓度进行稀释；第三流道中的钻井液到中间管底部后，通过孔b对第二流道底部的粒子施加压力，使其沿径向向外运动，并同过渗漏管上的孔 c进入第四流道中，从而使沉积的粒子浓度得到进一步的稀释。当压力达到一定值后，阀芯打开，携带粒子的钻井液进入钻头，进行破碎岩石作业。
环空内粒子疏导结构，环空中实现精确控制较为困难，所以我们采用相对比较简单但很实用的结构，主要由两部分组成主套筒外表面的螺旋流道，以及环空橡胶堵。正常循环状态下，环空橡胶堵上端与固定接头连接，下端与上阀座连接，处于正常伸长状态，携带粒子的钻井液由主套筒外表面的螺旋通道及螺旋与井眼的间隙空间中上返。停泵状态下，阀芯关闭，固定接头向下运动，挤压环空橡胶堵变形，其中间自由状态部分受挤向外突出，与井壁相接触。从而在此处阻止上部粒子向井底沉降，粒子大量沉积在螺旋通道中。重新开泵循环后，阀芯打开，固定接头向上运动，环空橡胶堵恢复正常状态，钻井液经由螺旋通道及螺旋与井眼的间隙空间上返，将沉积在此处的粒子逐渐循环出井。
本发明所具有的有益效果是，整体装置利用“下堵上疏”的思路，在钻柱内，利用流体阀阻止上部粒子向下沉积到钻头内，然后通过钻柱内的疏导结构对沉积在流体阀上的粒子进行疏导与分流；在环空中，利用环空橡胶堵阻止上部粒子向下沉积到井底，然后通过钻柱外部的螺旋流道槽逐渐循环出井。有效解决了停泵期间粒子沉积到钻头和井底造成钻头损坏和卡钻等问题。
图I是本发明结构示意图。
图中1、下阀座；2、阀芯管；3、浮动接头；4、下套筒；5、上阀座；6、阀芯；7、上接头；8、阀芯连接块；9、主套筒；10、螺旋叶片；11、渗漏管；12、中间管；13、护网；14、过滤网； 15、环空橡胶堵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述
如图I所示的用于含高密度粒子的流体控制装置，包括钻杆，钻头的上部连接流体阀结构，流体阀结构上部设置钻杆内粒子疏导结构，钻杆外包覆设置环空内粒子疏导结构。流体阀结构包括上阀座5、下阀座1，下阀座I内部设置阀芯管2，外部连接下套筒4，下套筒4上连接上阀座5，上阀座5上安装有上接头7，上接头7下端连接浮动接头3，浮动接头3的上部设置可转动的阀芯6，阀芯6与阀芯管2配合设置，阀芯管2与其上部的内腔体连通。上接头7与上阀座5之间滑动设置，并在它们之间的配合面处设置密封圈。浮动接头3上部固定阀芯连接块8，阀芯6通过转轴固定在阀芯连接块8上。阀芯6下端为凸球面，阀芯管2的上端面为凹球面。阀芯管2通过开在其管体上的流道槽与其上部的内腔体连通。
上阀座5与上接头7的连接处设置环空内粒子疏导结构，环孔内粒子疏导结构为环空橡胶堵15。
钻杆内粒子疏导结构包括中间管12、渗漏管11、螺旋叶片10和主套筒9，中间管 12为中空管其末端与流体阀结构的阀芯6连接，中间管12外包覆渗漏管11，渗漏管11与主套筒9之间的空隙中设置螺旋叶片10，主套筒9与流体阀结构的上接头7通过螺纹连接。
渗漏管11与主套筒9之间设置的螺旋叶片10组成第一流道；渗漏管11与中间管 12之间的环形空间为第二流道，并在渗漏管11上部和下部均开设螺旋孔，渗漏管11下部开设的螺旋孔与流体阀结构的浮动接头3之间的环形空间为第四流道；中间管12的中间中空位置为第三流道；主套筒9外也开有螺旋流道。
第一流道、第二流道、第三流道与第四流道之间分别通过a孔、b孔和c孔连通。
流体阀结构中，由浮动接头3与阀芯管2、下阀座I及下套筒4形成一个环形空间，并通过阀芯管2上的流道槽与阀体内腔体连通，使环形空间内的液体压力与内腔液体压力保持平衡。浮动接头3与阀芯管2、下阀座I及下套筒4之间形成一个环形空间，并通过阀芯管2上的流道槽与阀体内腔连通，使环形空间内的液体压力与内腔液体压力保持平衡。 浮动接头3的凸台肩与下套筒4的凹台肩接触时为上行程终止位置，此时阀芯6全部脱离阀芯管2，阀门为完全开启；上阀座5上端面与上接头7凸台肩接触时为下行程终止位置， 此时阀芯6下端凸球面与阀芯管2上端凹球面全部接触，阀门为完全关闭。
而钻杆内粒子疏导结构，设计了四个流道对停泵时沉积在流体阀阀芯上的粒子进行逐步稀释和疏导，使其流态化，以防止重新开泵后，粒子在钻杆和钻头内造成堵塞。
环空内粒子疏导结构为在主套筒9外设计的一段螺旋流道和其下端的环空橡胶堵15组成。停泵状态下，上接头7向下运动，挤压环空橡胶堵15变形，其中间自由状态部分受挤向外突出，与井壁相接触，从而在此处阻止上部粒子向井底沉降，粒子大量沉积在螺旋通道中。重新开泵后，逐渐循环出井。
本实施例所提供的装置，利用“下堵上疏”的思路，有效解决了粒子冲击钻井中井下粒子的沉积问题，也能推广应用于井下的流体控制和其他难以外加动力源控制的竖直流向的流体控制。
权利要求
1.一种用于含高密度粒子的流体控制装置，其特征在于，钻头的上部连接流体阀结构，流体阀结构上部设置钻杆内粒子疏导结构，钻杆外包覆设置环空内粒子疏导结构。
2.根据权利要求I所述的用于含高密度粒子的流体控制装置，其特征在于，所述的流体阀结构包括上阀座、下阀座，下阀座内部设置阀芯管，外部连接下套筒，下套筒上连接上阀座，上阀座上安装有上接头，上接头下端连接浮动接头，浮动接头的上部设置可转动的阀芯，阀芯与阀芯管配合设置，阀芯管与其上部的内腔体连通。
3.据权利要求2述的用于含高密度粒子的流体控制装置，其特征在于，所述的上接头与上阀座之间滑动设置，并在它们之间的配合面处设置密封圈。
4.根据权利要求2述的用于含高密度粒子的流体控制装置，其特征在于，所述的浮动接头上部固定阀芯连接块，阀芯通过转轴固定在阀芯连接块上。
5.根据权利要求2述的用于石油钻井井下流体控制的装置，其特征在于，所述的阀芯下端为凸球面，阀芯管的上端面为凹球面。
6.根据权利要求2述的用于石油钻井井下流体控制的装置，其特征在于，所述的阀芯管通过开在其管体上的流道槽与其上部的内腔体连通。
7.根据权利要求2所述的用于含高密度粒子的流体控制装置，其特征在于，所述的上阀座与上接头的连接处设置环空内粒子疏导结构，环孔内粒子疏导结构为环空橡胶堵。
8.根据权利要求I的用于石油钻井井下流体控制的装置，其特征在于，所述的钻杆内粒子疏导结构包括中间管、渗漏管、螺旋叶片和主套筒，中间管为中空管其末端与流体阀结构连接，中间管外包覆渗漏管，渗漏管与主套筒之间的空隙中设置螺旋叶片，主套筒与流体阀结构连接。
9.根据权利要求8用于石油钻井井下流体控制的装置，其特征在于，所述的渗漏管与主套筒之间设置的螺旋叶片组成第一流道；渗漏管与中间管之间的环形空间为第二流道，并在渗漏管上部和下部均开设螺旋孔，渗漏管下部开设的螺旋孔与流体阀结构之间的环形空间为第四流道；中间管的中间中空位置为第三流道；主套筒外也开有螺旋流道。
10.根据权利要求9用于石油钻井井下流体控制的装置，其特征在于，所述的第一流道、第二流道、第三流道与第四流道之间分别通过a孔、b孔和c孔连通。
全文摘要
本发明涉及一种流体控制装置，特别涉及一种用于含高密度粒子的流体控制装置。其钻头的上部连接流体阀结构，流体阀结构上部设置钻杆内粒子疏导结构，钻杆外包覆设置环空内粒子疏导结构。本发明利用“下堵上疏”的思路，在钻柱内，利用流体阀阻止上部粒子向下沉积到钻头内，然后通过钻柱内的疏导结构对沉积在流体阀上的粒子进行疏导与分流；在环空中，利用环空橡胶堵阻止上部粒子向下沉积到井底，然后通过钻柱外部的螺旋流道槽逐渐循环出井。有效解决了停泵期间粒子沉积到钻头和井底造成钻头损坏和卡钻等问题。
文档编号E21B44/00GK102979459SQ201210509090
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者朱小宝, 王眉山, 徐依吉, 陈立, 张帆, 万夫磊, 石超, 杨洋洋, 吴琪 申请人:中国石油大学(华东)