專利名稱：用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及油氣井鉆井領域，尤其是一種適用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭。
背景技術：
泡沫空氣錘鉆井工藝是以泡沫作為動力介質驅動空氣錘工作的鉆井方法。它將空氣錘鉆井技術和泡沫鉆井技術有機結合，既發揮了空氣錘破碎硬巖效率高，不易井斜的特點，又充分體現了泡沫作為洗井介質攜巖能力強、井壁穩定、滿足潮濕地層及含水層攜巖需求的特點。空氣錘鉆井技術在油田氣體鉆井中的應用可謂是其技術更深層領域的應用，其應用環境更復雜，對空氣錘鉆井工具的工作性能要求更高深井作業(最深達4300m)，承受大氣量(最大300m3/min)，抗高頻沖擊，耐高溫(150°C )。近年來，中石油研制成功的KQC系列空氣錘已廣泛應用于川渝地區的油氣井鉆井中；但鉆遇地層出水時，為避免出現井下復雜，會及時替換其他鉆井方式(牙輪空氣鉆進或常規鉆進)。2008年在大慶的“徐深31井”應用KQC180型空氣錘鉆井，在井深2648. 45m處鉆遇地層水，為實現正常鉆進，實施了空氣錘泡沫鉆井作業，這是目前國內已知的在油田鉆井中泡沫鉆井與空氣錘鉆井技術相結合的實例。應用結果實現進尺54. 14m、純鉆時間14. 43h、平均機械鉆速3. 75m/h ;鉆進參數注氣量120m3/min、注液量I. 2 I. 41/s、鉆壓20kN、鉆速25r/min、立壓2. 6 4. IMPa0由于在泡沫鉆井中應用空氣錘鉆井工藝的技術尚不完善，并且普通空氣錘鉆頭用于泡沫鉆井中其結構的局限性，致使地層水夾雜巖屑倒灌至空氣錘的內部，空氣錘不能正常鉆進。因此，業內亟需一種防止作業時泥水倒灌的空氣錘鉆頭。
發明內容
為了解決在泡沫鉆井領域中應用常規空氣錘鉆井時地層水和巖屑倒灌至空氣錘內部，造成空氣錘砂卡而影響正常鉆進，甚至空氣錘卡死而不工作的問題，發明了提供了一種用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭。所述的防倒灌空氣錘鉆頭包括錐形單向閥，設置于所述防倒灌空氣錘鉆頭的中心孔上部、鉆頭尾管下端；其中所述的錐形單向閥包括閥芯體和閥堵；所述閥芯體包括閥芯和絲堵；所述閥堵與所述防倒灌空氣錘鉆頭的中心孔是過盈配合，所述閥芯與鉆頭中心孔是間隙配合；所述閥芯與所述絲堵形成內部為空心的所述閥芯體；所述閥芯體可沿豎直方向，在上止點與下止點之間上下浮動；其中，所述上止點為所述閥芯體沿豎直方向向上浮動的最高點，所述下止點為所述閥芯體沿豎直方向向下浮動的最低點。進一步地，當所述閥芯體向上浮動到所述上止點時，所述閥芯的外錐面與所述閥堵的內錐孔緊密配合，形成密封錐面。
進一步地，所述閥芯體的比重小于水的比重，當在浮力的作用下，所述閥芯體沿豎直方向向上浮動。進一步地，所述閥芯體的上部是完整的圓錐臺，中部是由兩個不完整的圓柱體形成的多個扶正翼和多個扇形凹道，所述多個扇形凹道與鉆頭中心孔形成過流通道。進一步地，所述扶正翼與所述扇形凹道間隔設置，并且均勻分布在圓周上。進一步地，所述多個扶正翼為3個扶正翼，所述多個扇形凹道為3個扇形凹道，所 述3個扶正翼的圓周角之和為135°，所述3個扇形凹道的圓周角之和即為225°。本發明的有益效果在于，應用本發明提供的用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭，能夠充分發揮空氣錘鉆井和泡沫鉆井各自的優點。與普通空氣錘鉆頭相比，本發明實現了防止地層水和巖屑倒灌至空氣錘內部的目標，因此，在鉆遇地層水時無需替換其他鉆井方式而正常鉆進，減少了起下鉆次數，降低了鉆井成本，同時泡沫介質的強力攜巖和保護井壁的特點，使空氣錘能夠快速鉆穿水層。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發明提供的用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭的結構示意圖；圖2為本發明提供的閥芯中部形成的3個扶正翼和3個扇形凹道的剖面示意圖；圖3為本發明提供的用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭的中心孔與閥芯形成3個過流通道的結構示意圖；圖4為本發明提供的用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭的另一結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。本發明是在空氣錘鉆頭的中心孔上端設有錐形單向閥，在接單根及停鉆檢修時，若地層水和巖屑形成的兩相流體進入鉆頭水眼，能夠依靠浮力作用強制關閉單向閥，封堵地層水和巖屑進入空氣錘內部，避免造成空氣錘砂卡；正常鉆進時，單向閥處于開啟狀態，確保有足夠的泡沫介質直達井底，冷卻鉆頭和強力攜巖。如圖I所示，為本發明提供的用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭5的結構示意圖(圖中的A-A、B-B表示剖視圖)，此時，錐形單向閥處于開啟狀態，即處于下止點。在空氣錘鉆頭5的中心孔6上部設有錐形單向閥，其位于鉆頭尾管I的下端。錐形單向閥包括閥堵
2、閥芯3和絲堵4組成。閥堵2與鉆頭中心孔6是過盈配合，閥芯3與鉆頭中心孔6是間隙配合。閥芯3與絲堵4形成內部空心的閥芯體。所述閥芯體可沿豎直方向，在上止點7與下止點8之間上下浮動；其中，所述上止點7為所述閥芯體沿豎直方向向上浮動的最高點，所述下止點8為所述閥芯體沿豎直方向向下浮動的最低點。該閥芯體的比重小于水的比重，確保在浮力強制作用下，閥芯體上浮，使閥芯3外錐面與閥堵2內錐孔緊密配合，形成密封錐面(如圖4所示，此時，錐形單向閥處于關閉狀態，即處于上止點)。閥芯體的上部是完整的圓錐臺，如圖2所示，閥芯體的下部是由兩個不完整的圓柱體形成的3個扶正翼(A1、A2和A3)和3個扇形凹道(B1、B2和B3)。如圖3所示，3個扶正翼的圓周角之和決定了 3個扇形凹道與鉆頭中心孔形成的3個過流通道(Cl、C2和C3)的大小，需要綜合考慮這一數值，若太大，過流通道就會變小，無法保證足夠的泡沫介質直達井底，不利攜巖和冷卻鉆頭，若太小，過流通道雖然變大，但會影響扶正效果，閥芯體易產生偏移，不易上浮，影響密封效果。例如，3個扶正翼的圓周角之和取135°，3個扇形凹道的圓周角之和即為225°。為保證泡沫介質順暢通過錐形單向閥而不產生紊流，錐形單向閥的入口通道面積(即閥堵的中心孔面積)、出口通道面積(即閥芯下部底端與鉆頭中心孔形成的通道面積)和過流通道面積(即閥芯中部與中心孔形成的通道面積)三者之間變化盡量做到最小。為此，在閥芯下部扇形凹道的內圓弧沿軸向呈錐形變化(如圖I)，以彌補鉆頭中心孔變徑帶來的影響。在正常鉆進時，防倒灌空氣錘鉆頭的閥芯體在泡沫介質的高壓作用下處于下止點8，錐形單向閥開啟(如圖所示)，其與鉆頭中心孔之間形成的過流通道，確保足夠的泡沫介質直達井底，強力攜巖和冷卻鉆頭。接單根或停鉆時，閥芯體在地層水和巖屑形成的兩相流體浮力的強制作用下上浮處于上止點7，錐形單向閥關閉(如圖4所示)，實現封堵地層水和巖屑的目的。應用本發明提供的用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭，能夠充分發揮空氣錘鉆井和泡沫鉆井各自的優點。與普通空氣錘鉆頭相比，本發明實現了防止地層水和巖屑倒灌至空氣錘內部的目標，因此，在鉆遇地層水時無需替換其他鉆井方式而正常鉆進，減少了起下鉆次數，降低了鉆井成本，同時泡沫介質的強力攜巖和保護井壁的特點，使空氣錘能夠快速
鉆穿水層。本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖。本領域技術人員可以理解實施例中的各零件可以按照實施例描述進行分布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上述本發 明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。本發明中應用了具體實施例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭，其特征在于，所述的防倒灌空氣錘鉆頭包括 錐形單向閥，設置于所述防倒灌空氣錘鉆頭的中心孔上部、鉆頭尾管下端； 其中所述的錐形單向閥包括閥芯體和閥堵；所述閥芯體包括閥芯和絲堵；所述閥堵與所述防倒灌空氣錘鉆頭的中心孔是過盈配合，所述閥芯與鉆頭中心孔是間隙配合； 所述閥芯與所述絲堵形成內部為空心的所述閥芯體； 所述閥芯體可沿豎直方向，在上止點與下止點之間上下浮動；其中，所述上止點為所述 閥芯體沿豎直方向向上浮動的最高點，所述下止點為所述閥芯體沿豎直方向向下浮動的最低點。
2.如權利要求I所述的適用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭，其特征在于，當所述閥芯體向上浮動到所述上止點時，所述閥芯的外錐面與所述閥堵的內錐孔緊密配合，形成密封錐面。
3.如權利要求I所述的適用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭，其特征在于，所述閥芯體的比重小于水的比重，當在浮力的作用下，所述閥芯體沿豎直方向向上浮動。
4.如權利要求I所述的適用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭，其特征在于，所述閥芯體的上部是完整的圓錐臺，中部是由兩個不完整的圓柱體形成的多個扶正翼和多個扇形凹道，所述多個扇形凹道與鉆頭中心孔形成過流通道。
5.如權利要求4所述的適用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭，其特征在于，所述扶正翼與所述扇形凹道間隔設置，并且均勻分布在圓周上。
6.如權利要求5所述的適用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭，其特征在于，所述多個扶正翼為3個扶正翼，所述多個扇形凹道為3個扇形凹道，所述3個扶正翼的圓周角之和為135°，所述3個扇形凹道的圓周角之和即為225°。
全文摘要
本發明提供一種用于泡沫鉆井的防倒灌空氣錘鉆頭，其特征在于，所述的防倒灌空氣錘鉆頭包括錐形單向閥，設置于所述防倒灌空氣錘鉆頭的中心孔上部、鉆頭尾管下端；其中所述的錐形單向閥包括閥芯體和閥堵；所述閥芯體包括閥芯和絲堵；所述閥堵與所述防倒灌空氣錘鉆頭的中心孔是過盈配合，所述閥芯與鉆頭中心孔是間隙配合；所述閥芯與所述絲堵形成內部為空心的所述閥芯體；所述閥芯體可沿豎直方向，在上止點與下止點之間上下浮動；其中，所述上止點為所述閥芯體沿豎直方向向上浮動的最高點，所述下止點為所述閥芯體沿豎直方向向下浮動的最低點。
文檔編號E21B10/36GK102619472SQ20121010013
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月6日 優先權日2012年4月6日
發明者孟慶昆, 王向東, 胡貴 申請人:中國石油天然氣股份有限公司