本发明属于石油、天然气完井技术领域，具体的说，是涉及一种用于固井防砂一体化技术的防回流自平衡机构。
背景技术：
随着渤海油田石油勘探开发的不断深入，老井的改造与重修势在必行。陆地大庆、胜利油田已有在原直井井眼侧钻短半径水平井成功的经验，而针对海上侧钻短半径钻完井技术还是一项空白。根据海上作业特点及陆地现有技术，对固井防砂一体化关键技术进行研究，使该技术能在海上推广应用，成为渤海油田进一步挖潜、稳产、增产的有效常规手段。
目前采用的固井防砂一体化技术，首先在下部目的层进行防砂，上部层位进行固井作业，在固井作业过程中均存在固井段水泥浆向防砂段回流风险。
技术实现要素：
本发明旨在解决固井防砂一体化技术中的水泥浆回流问题，而提供一种固井用防回流自平衡装置，利用压差原理，关闭液体回流通道，防止水泥浆回流，保证作业安全可靠。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种固井用防回流自平衡装置，包括其上端与钻杆连接的上接头(1)，所述上接头(1)下部由上到下依次设置有第一螺纹孔(101)和第二螺纹孔(102)，且第一螺纹孔(101)内径小于第二螺纹孔(102)内径；所述上接头(1)通过第一螺纹孔(101)连接中心管(2)并密封，所述上接头(1)通过第二螺纹孔(102)连接外套(3)并密封；所述中心管(2)与所述外套(3)之间形成窄长形的环空通道；所述上接头(1)下部圆周对称开设有径向通孔形成流道入口(103)，该流道入口(103)与中心管2和外套3之间的环空连通；
所述中心管(2)下端为自由端；所述外套(3)下端螺纹连接有喷射短节(4)并密封，所述喷射短节(4)上部区段与所述中心管(2)形成环空通道；所述喷射短节(4)圆周对称设置有由其内孔通至外部的槽口(401)；所述喷射短节(4)的管体沿轴向设置有若干向上不贯通而向下贯通的长孔(402)，并且所述长孔(402)在径向上布置为与所述槽口(401)不相交；所述喷射短节(4)的每个所述长孔(402)沿径向向内加工有连通至喷射短节(4)内孔的小孔(403)，所述小孔(403)构成所述中心管(2)与所述外套(3)之间环空通道和所述喷射短节(4)的长孔(402)之间的流道；
所述中心管(2)与所述喷射短节(4)之间的环空中安装有限位环(5)，所述限位环(5)由所述外套(3)底端端面和所述喷射短节(4)预设的限位槽进行限位；所述限位环(5)两端端面之间加工有圆环截面通孔，用于将所述中心管(2)与所述外套(3)之间环空通道和所述中心管(2)与所述喷射短节(4)之间环空相连通；所述限位环(5)下方安装有弹簧(6)，所述弹簧(6)安装在所述中心管(2)和所述喷射短节(4)之间环空中，压缩在所述限位环(5)和活塞(7)之间；
所述喷射短节(4)中段内回转面具有缩径部分，该缩径部分上部形成限位面，用于定位所述活塞(7)；该缩径部分下部通过螺纹连接堵头(8)并密封，所述堵头(8)对所述喷射短节(4)内孔实现封堵，同时所述堵头(8)的外回转面与所述喷射短节(4)之间具有环空并且该环空与所述长孔(402)相连通；
所述活塞(7)安装在所述中心管(2)和所述喷射短节(4)之间环空中，所述活塞(7)上端面与所述弹簧(6)接触，所述活塞(7)下端面由所述喷射短节(4)缩径部分的上端面限位；所述活塞(7)的外回转面加工有上下两组密封圈槽，均通过安装密封圈与所述喷射短节(4)形成密封；所述活塞(7)的内回转面加工有一组密封圈槽，通过安装密封圈与所述中心管(2)形成密封；所述活塞(7)在其下端面与所述喷射短节(4)缩径部分的上端面接触时，位于所述喷射短节(4)的所述小孔(403)下方，未形成封堵；所述活塞(7)在受到压力向上移动后可以封堵所述喷射短节(4)的所述小孔(403)，并通过上下两组密封圈密封；
固井作业时通过钻杆施加作业压力，流体依次经过所述上接头(1)内孔、所述中心管(2)内孔至所述中心管(2)下端面和所述活塞(7)下端面，至此形成该机构高压区域；流体依次经过所述上接头(1)内孔、所述中心管(2)内孔、所述喷射短节(4)内孔，而后经过所述喷射短节(4)的槽口(401)流出进入本装置与套管间环空，再经过所述上接头(1)的所述流道入口(103)进入所述中心管(2)与所述外套(3)之间环空通道、所述限位环(5)、所述中心管(2)与所述喷射短节(4)之间环空，直至所述活塞(7)上端面，形成该机构低压区域；由于上、下端面压差推动所述活塞(7)向上方移动，关闭所述喷射短节(4)的小孔(403)，防止水泥浆回流分险；停止循环后，所述活塞(7)在所述弹簧(6)回复力的作用下复位，打开所述喷射短节(4)的小孔(403)。
所述中心管(2)下端端面设置有圆周均匀分布的第一导流槽(201)。
所述活塞(7)设置有圆周均匀分布的第二导流槽(701)。
所述活塞(7)内外表面采用渗碳处理。
所述喷射短节(4)的所述槽口(401)表面渗碳处理。
本发明的有益效果是：
本发明在固井作业时，通过施加作业压力，液体经中心管、喷射短节后通过上接头流道入口进入中心管与外套之间较长的环空通道，产生沿程摩阻损耗，从而中心管内液体与中心管、外套之间环空通道中液体形成压差，推动活塞向上移动关闭回流通道，解决水泥浆回流问题，保证作业安全可靠。本发明不但可应用在固井防砂作业工艺中，还可以用于其它需要关闭环空流道的作业中。
附图说明
图1是本发明所提供的固井用防回流自平衡装置的结构示意图；
图2是上接头的结构示意图；
图3是中心管的结构示意图；
图4是外套的结构示意图；
图5是喷射短节的结构示意图；
图6是限位环的结构示意图；
图7是堵头的结构示意图；
图8是活塞的结构示意图；
图9是本发明所提供的固井用防回流自平衡装置的压差形成示意图；
上述图中：1、上接头，101、第一螺纹孔，102、第二螺纹孔，103、流道入口；2、中心管，201、第一导流槽；3、外套；4、喷射短节，401、槽口，402、长孔，403、小孔；5、限位环；6、弹簧；7、活塞，701、第二导流槽；8、堵头。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供了一种固井用防回流自平衡装置，包括上接头1、中心管2、外套3、喷射短节4、限位环5、弹簧6、活塞7、堵头8，分为封堵机构、复位机构、压差机构三大部分，其中封堵机构用于防回流，主要由活塞7组成；复位机构主要用来限定活塞7位置、防止窜动，包括限位环5、弹簧6；压差机构主要用来建立循环通道及建立压差，由上接头1、中心管2、外套3、喷射短节4、堵头8组成。
结合图2所示，上接头1上部设置有api钻杆母螺纹，用于与钻杆相连接；下部设置有两层螺纹孔，分别为第一螺纹孔101和第二螺纹孔102。第一螺纹孔101用于连接中心管2，第二螺纹孔102用于连接外套3，第一螺纹孔101位于第二螺纹孔102上方，且第一螺纹孔101内径小于第二螺纹孔102内径，以使中心管2外回转面和外套3内回转面之间设置有环空，中心管2和外套3之间环空长而窄以形成第二次磨阻压耗。上接头1在第一螺纹孔101和第二螺纹孔102之间的位置圆周对称加工有两个8mm径向通孔形成流道入口103，流道入口103向内与中心管2和外套3之间的环空连通、向外与上接头1和套管之间的环空连通。上接头1的作用是串接各个独立的外部单元，使各外部单元完成组装以满足作业工艺要求。
中心管2上端与上接头1下部的第一螺纹孔101连接，并通过密封圈进行密封。结合图3所示，中心管2下端为自由端，且下端端面设置有四个圆周均匀分布的第一导流槽201，以最大限度提升流体的过流面积。
结合图4所示，外套3上端与上接头1下部的第二螺纹孔102连接，并通过密封圈进行密封。外套3下端设置有公螺纹，与喷射短节4上端螺纹连接，并通过密封圈进行密封。
结合图5所示，喷射短节4圆周对称设置有两个宽度为15mm的槽口401，槽口401由喷射短节4内孔连通至喷射短节4外部，且槽口401表面渗碳处理，槽口401可以产生第一次磨阻压耗。喷射短节4的管体沿轴向加工有八个直径为8mm、长度为250mm的长孔402，该长孔402在喷射短节4上部不贯通而下部贯通至喷射短节4底面。在径向上，八个长孔402布置为与槽口401不相交。喷射短节4的每个长孔402沿径向方向向内加工有直径为6mm的小孔403，小孔403连通至喷射短节4内孔，从而构成中心管2和外套3之间环空和喷射短节4的长孔402之间流道。在非固井作业期间喷射短节4的长孔402和小孔403组合而成的流道可以平衡上下既成压差，建立防抽吸通道，固井期间，该通道通过压差实现关闭，避免因水泥浆桨回流造成的内层管柱固化及下部层外作业失败的风险。
喷射短节4上端设置有母螺纹，与外套3下端连接并通过密封圈进行密封。喷射短节4在其母螺纹下方的内回转面设置有限位槽用以安装限位环5，限位环5设置在中心管2与喷射短节4之间的环空中，且上下两端分别通过外套3底端端面和喷射短节4的限位槽限位。结合图6所示，限位环5两端端面之间加工有圆环截面通孔，用于将中心管2与外套3之间环空内流体过流至中心管2与喷射短节4之间环空。限位环5下方安装有弹簧6，弹簧6上端抵顶于限位环5的下端面，弹簧6下端抵顶于活塞7的上端面。弹簧6预紧力可以实现活塞7的复位运动。
喷射短节4中段内回转面具有缩径部分，该缩径部分上部形成限位面，用于安装活塞7；该缩径部分下部设置有母螺纹，用于连接堵头8，并且喷射短节4和堵头8连接处通过密封圈密封，堵头8结构如图7所示。喷射短节4内孔下端由堵头8实现封堵，而堵头8的外回转面与喷射短节4喷口形成环空，同时该环空部分与喷射短节4的长孔402相连通。
活塞7设置在中心管2与喷射短节4之间的环空中，活塞7上端面与弹簧6接触，活塞7下端面由喷射短节4缩径部分的上端面限位。结合图9所示，活塞7为环状，其外回转面加工有上下两组密封圈槽，均通过安装密封圈与喷射短节4形成密封；其内回转面加工有一组密封圈槽，通过安装密封圈与中心管2形成密封。活塞7下端面圆周均匀布置有四个宽度为5mm的第二导流槽701，第二导流槽701与中心管2的第一导流槽201共同作用，以最大限度提升流体的过流面积。活塞7在其下端面与喷射短节4缩径部分的上端面接触时，位于喷射短节4的小孔403下方，未形成封堵；活塞7在受到压力向上移动后可以封堵喷射短节4的小孔403，并通过上下两组密封圈密封，关闭回流通道，防止水泥浆回流。活塞7内外表面采用渗碳处理，表面强化，从而减少活塞7往复运动过程中的磨损。
本发明的固井用防回流自平衡装置，其装配顺序如下：现将活塞7安装至喷射短节4缩径部分的上端面到底，确认位置正确后，依次安装弹簧6、限位环5，限位环5安装到位后，将中心管2底端导入喷射短节4缩径部分的上端面到底，然后连接外套3与喷射短节4，中心管2和外套3均与上接头1连接，堵头8在喷射短节4封堵，
如图9所示，本发明的固井用防回流自平衡装置，其工作过程如下：
在固井作业时，通过钻杆施加作业压力，流体依次经过上接头1内孔、中心管2内孔、中心管2下端面的第一导流槽201、活塞7下端面的第二导流槽701，至此形成该机构高压区域；流体依次经过上接头1内孔、中心管2内孔、喷射短节4内孔，再经过喷射短节4的槽口401流出产生第一次磨阻压耗，而后进入本装置与套管间环空，再经过上接头1的两个流道入口103进入外径40mm的中心管2和外套3内径50mm之间的长度为1800mm环空通道(环空通道长度与上述内外径尺寸需按照所需压差值确定)，并在此过程中产生沿程摩阻压耗，直至活塞7上端面，形成该机构低压区域。这样，活塞7上、下端面由于压差推动活塞7向上方移动，关闭喷射短节4的小孔403，解决水泥浆回流风险，保证作业安全可靠。
在循环过程中，活塞7始终关闭喷射短节4的循环通道，并对弹簧6进行压缩；停止循环后，活塞7在弹簧6回复力的作用下复位，打开喷射短节4上的循环通道。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。