一种动态压井井下智能封隔器及其控制方法

技术领域

本发明属于油气钻井领域，具体涉及一种动态压井井下智能封隔器及其控制方法。

背景技术

气侵溢流的早期控制是防止井喷等重大事故的关键之一，常规的地面井控方式存在井控周期长、成本高、风险大等特点。近年来，人们将井控的关注点逐步由地面转至井下，如专利号为US4712613A、US4367794A、CN201510231254.9、CN201811217299.0和CN201420779882.1的专利文件，提出了不同结构和控制方式的井下防喷器装置，通常采用上提旋转钻柱、投球、电控阀门等方式对井下防喷器进行控制，达到封隔井筒环空的目的。通过分析发现，目前的井下封隔器仅有“正常钻进”与“完全封隔”两种状态，且大多需要人工干预（地面发送信号或机械动作）的方式进行状态转换，无法与井下相关的监测数据进行实时智能联动。另一方面，目前提出的井下防喷器，一旦进行井下完全封隔，则无法继续钻进，对于中小气侵或溢流程度的情况存在“一刀切”的问题，为此现有技术中，专利号为CN202110045388.7的专利文件，公开了通过动态调控井下封隔器的开度实现井下气侵或溢流动态控制的基本方法，但并未对动态封隔器的结构及工作原理进行具体设计。因此，有必要研发一套可依据气侵或溢流程度智能调控封隔程度的动态压井井下智能封隔器，实现不同气侵或溢流量条件下的动态压井钻进，可大幅提高钻进安全和效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种动态压井井下智能封隔器及其控制方法，利用多个阀门的自动配合，并依据气侵、溢流程度的监测数据实时调控封隔器开度，通过动态控制环空压降实现钻进动态压井。

一种动态压井井下智能封隔器，包括封隔橡胶、内管，所述的封隔橡胶包覆于内管的外侧，且所述的封隔橡胶与内管的侧壁之间形成密闭的压力仓，所述的压力仓通过单向阀与内管的内腔连接，所述的单向阀的入口与内管的内腔连通，所述的单向阀的出口与压力仓连通，所述的单向阀仅允许液体从内管内腔向压力仓流动，所述的压力仓通过泄压阀与压力仓的外侧连接，所述的内管内设置有阀门，且所述的阀门设置于单向阀的下侧。

所述的阀门为无级调控阀门。

所述的内管的侧壁上设置有与外侧连通的旁通阀，所述的旁通阀设置于封隔橡胶的上方。

所述的封隔橡胶与内管的侧壁之间设置有弹性隔板，所述的压力仓位于弹性隔板与内管的侧壁之间。

所述的内管的外侧设置有第一压力传感器和第二压力传感器，所述的第一压力传感器设置于封隔橡胶的上方，所述的第二压力传感器设置于封隔橡胶的下方。

所述的内管的内壁上设置有开孔，所述的开孔将单向阀与内管的内腔连通。

一种动态压井井下智能封隔器的控制方法，所用的装置包括一种动态压井井下智能封隔器与气侵、溢流监测装置，所述的气侵、溢流监测装置设置于一种动态压井井下智能封隔器的上方，控制方法包括，

（一）正常钻进：此时阀门完全开启，泄压阀关闭；

（二）动态压井钻进：若接收到来自气侵、溢流监测装置的监测信号，提示发生中小程度气侵或溢流，此时阀门减小阀门开度φ

情况①，封隔器下部的环空流体压力≥地层孔隙压力：气侵、溢流监测装置监测不到气侵或溢流，则在封隔器开度为K

情况②，封隔器下部的环空流体压力＜地层孔隙压力：气侵、溢流监测装置还可监测到气侵或溢流，阀门按照△φ的步长，逐级减小阀门开度，每次减小阀门开度后，读取气侵、溢流监测装置的监测结果，直至减小阀门开度n次后，气侵、溢流监测装置监测不到气侵或溢流，此时的减小阀门开度为φ

进一步地，所述的一种动态压井井下智能封隔器的内管的侧壁上设置有与外侧连通的旁通阀，所述的旁通阀设置于封隔橡胶的上方，所述的内管的外侧设置有第一压力传感器和第二压力传感器，所述的第一压力传感器设置于封隔橡胶的上方，所述的第二压力传感器设置于封隔橡胶的下方，所述的控制方法还包括，

（三）停钻压井：气侵、溢流监测装置监测到较大程度气侵或溢流，或控制方法（二）的情况②中的φ

步骤1，阀门完全关闭；

步骤2，地面观察到泵压迅速升高，且环空返出流量短暂降为0时，进行停钻并准备压井施工；

步骤3，控制开启旁通阀；

步骤4，观察第二压力传感器的压力值，直至第二压力传感器的压力值不再增加后，记录此时第二压力传感器的压力值P

步骤5，根据P

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、本发明通过阀门、单向阀与泄压阀的配合，可实现自动调控压力仓的膨胀度，实现封隔器单纯依靠钻井液能量、并依据气侵或溢流程度智能动态调控封隔器的开度，利用不同开度的封隔器产生的压降，调控井底压力，从而在钻进过程中对中小程度的气侵或溢流进行有效控制，实现动态压井钻进。

2、本发明通过阀门、单向阀、泄压阀、旁通阀多个阀门的相互配合，并通过第一压力传感器与第二压力传感器的实时监测，当气侵或溢流量大、封隔器压降不足以动态压井时，可完全封隔环空及钻柱内的流道，通过开启旁通阀，构建安全循环及压井通路。压井液到位后，打开泄压阀门，封隔器依靠封隔橡胶的预紧力自动将封隔器收缩关闭，恢复正常循环钻进。

附图说明

图1为本发明的剖视结构图；

图2为本发明的工作原理图；

图中，封隔橡胶1，弹性隔板2，压力仓3，阀门4，开孔5，单向阀6，泄压阀7，第一压力传感器8，第二压力传感器9，旁通阀10，气侵、溢流监测装置11，内管12，井壁13，钻柱14。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，一种动态压井井下智能封隔器，包括封隔橡胶1、内管12、阀门4，所述的内管12的上端与钻柱14连接，钻柱14与内管12的外侧为井壁13，所述的钻柱14和内管12的外侧与井壁13之间具有环空，在井下相同截面的钻柱14内液体压力一般要大于环空内液体压力5~8MPa左右，所述的封隔橡胶1包覆于内管12的外侧，且所述的封隔橡胶1与内管12的侧壁之间形成密闭的压力仓3，所述的封隔橡胶1与内管12的侧壁之间设置有弹性隔板2，所述的压力仓3位于弹性隔板2与内管12的侧壁之间。所述的压力仓3为环形的空腔，所述的封隔橡胶1是由弹性橡胶制成，单纯依靠弹性橡胶，预紧力不是线性的，而且预紧力不够大，通过增加弹性隔板2增加并调控预紧力，所述的封隔橡胶1与弹性隔板2均具有一定的弹性，为压力仓3提供5~10MPa以上的预紧力，预紧力随压力仓3的内腔增大而增大，所述的压力仓3通过单向阀6与内管12的内腔连接，所述的单向阀6的入口与内管12的内腔连通，所述的单向阀6的出口与压力仓3连通，所述的单向阀6仅允许液体从内管12内腔向压力仓3流动，所述的内管12的内壁上设置有开孔5，所述的开孔5将单向阀6与内管12的内腔连通，所述的压力仓3通过泄压阀7与压力仓3的外侧连接，即压力仓3内的液体可通过泄压阀7排出至环空内，所述的阀门4设置于内管12内，所述的阀门4为无级调控阀门，阀门4可控制内管12内液体的通过半径，且所述的阀门4设置于单向阀6的下侧。

作为更优的实施方式，所述的内管12的侧壁上设置有与外侧连通的旁通阀10，即内管12与环空通过旁通阀10连通，所述的旁通阀10设置于封隔橡胶1的上方。

作为更优的实施方式，所述的内管12的外侧设置有第一压力传感器8和第二压力传感器9，所述的第一压力传感器8设置于封隔橡胶1的上方，所述的第二压力传感器9设置于封隔橡胶1的下方，通过第一压力传感器8和第二压力传感器9分别监测位于封隔器上方的环空内的压力与位于封隔器下方的环空内的压力。

一种动态压井井下智能封隔器的控制方法，所用的装置包括一种动态压井井下智能封隔器与气侵、溢流监测装置11，所述的气侵、溢流监测装置11为现有技术，例如专利号为CN202010645424.9的专利文件即公开了一种随钻气侵检测装置及检测方法，专利号为CN202110045388.7的专利文件公开了一种钻井井下气侵监测、智能井控系统，所述的气侵、溢流监测装置11设置于一种动态压井井下智能封隔器的上方，控制方法包括，

（一）正常钻进：此时阀门4完全开启，泄压阀7关闭，在封隔橡胶1的预紧力的作用下，压力仓3内的压力大于内管12内单向阀6入口处的压力，钻柱14与内管12内的钻井液不会流入压力仓3，从而封隔器处于未开启状态，钻井液沿钻柱14和环空正常循环，如图2a所示；

（二）动态压井钻进：如图2b所示，若接收到来自气侵、溢流监测装置11的监测信号，提示发生中小程度气侵或溢流，涉及气侵、溢流的监测问题，与本发明无关，此为一个前置条件，此时阀门4减小阀门开度φ

情况①，封隔器下部的环空流体压力≥地层孔隙压力：气侵、溢流监测装置11监测不到气侵或溢流，表明封隔器开度K

情况②，封隔器下部的环空流体压力＜地层孔隙压力：气侵、溢流监测装置11还可监测到气侵或溢流，但气侵或溢流程度减小，阀门4按照△φ的步长，逐级减小阀门开度，△φ可预设为10%，每次减小阀门开度后，读取气侵、溢流监测装置11的监测结果，直至减小阀门开度n次后，气侵、溢流监测装置11监测不到气侵或溢流，此时减小阀门开度φ

作为另一种实施方式，所述的一种动态压井井下智能封隔器的内管12的侧壁上设置有与外侧连通的旁通阀10，所述的旁通阀10设置于封隔橡胶1的上方，所述的内管12的外侧设置有第一压力传感器8和第二压力传感器9，所述的第一压力传感器8设置于封隔橡胶1的上方，所述的第二压力传感器9设置于封隔橡胶1的下方，所述的控制方法还包括，

（三）停钻压井：气侵、溢流监测装置11监测到较大程度气侵或溢流，或控制方法（二）的情况②中的φ

步骤1，阀门4完全关闭，开孔5处的压力迅速升高，钻井液通过单向阀6流入压力仓3内，引发封隔橡胶1与弹性隔板2膨胀，直至封隔器将环空完全封隔，并维持封隔状态，如图2c所示；

步骤2，地面观察到泵压迅速升高，且环空返出流量短暂降为0时，表明井下封隔器已完全封隔，进行停钻并准备压井施工；

步骤3，控制开启旁通阀10，钻井液可通过旁通阀10实现继续循环，不但可循环排出侵入环空的地层流体，还可维持上部地层的井壁稳定，避免因停止循环导致的相关风险；

步骤4，由于封隔器下部的环空形成密闭空间，随着气侵或溢流的持续侵入，该密闭空间内的压力持续增加，直至与地层孔隙压力相平衡，完成井下安全压井，观察第二压力传感器9的压力值，直至第二压力传感器9的压力值不再增加后，记录此时第二压力传感器9的压力值P

步骤5，根据P

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。