一种排量控制无限次激活井下旁通系统开关方法及装置

技术领域

本发明涉及一种排量控制无限次激活井下旁通系统开关方法及装置，属于石油钻井技术领域。

背景技术

钻井过程中，井漏时有发生，为了减少起下钻时间，常见解决办法是在钻柱组合中增加一旁通阀进行不起钻堵漏。旁通阀一般安装在定向、提速和随钻测量等特殊钻具组合中，如MWD上部。可根据井下工具及时打开、关闭，增加特殊钻具组合的适用性，有利于提高生产效率，降低井控风险。

目前现场使用最多的是投球方式的旁通阀，通过地面投球以激活旁通阀进行开、关阀操作。这样操作费时，特别是当井深较深时，投球落到旁通阀位置需要时间更长；此外，受限于钻柱内部空间，球篮大小受到限制，从而投球次数受到限制。更重要的是，随着大斜度井和水平定的开发，投球靠重力下落方式，已不能用于大斜度井或水平井段。急需一种新的旁通阀以满足现场需要。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种排量控制无限次激活井下旁通系统开关方法及装置。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种排量控制无限次激活井下旁通系统开关方法及装置，包括上接头、下接头、过流活塞、过流活塞支撑弹簧、控流锤、过流托环、衬套、滑套、滑套弹簧、锤头套筒；

所述过流活塞中上半部分轴向设有过流腔、止压腔、传动腔，中部分设有旁通腔以及径向设置且与旁通腔连通的过流活塞旁通孔，下半部分轴向设有与旁通腔连通的空腔；所述过流腔、止压腔底部均与旁通腔连通；

所述过流腔上部内设有节流装置；

所述止压腔内从上到下依次设有止压活塞盖、止压活塞、止压活塞弹簧，所述止压活塞盖上轴向设有通孔；所述止压活塞上半部分轴向设有向上孔，径向设有与向上孔连通的进流孔，下半部分轴向设有向下孔，径向设有与向下孔连通的出流孔；所述止压腔内壁径向设有与传动腔连通的上通孔、下通孔以及环空连通孔，所述环空连通孔与下通孔相对设置；

所述传动腔内设有传动腔盖、移动活塞、固定座，所述固定座轴向设有过流孔；

所述滑套套设在所述衬套下端上，所述滑套弹簧套设在所述滑套下端，所述衬套、滑套、锤头套筒依次从上到下依次安装在过流活塞的空腔内，所述滑套弹簧下端压在所述锤头套筒上端面上；所述滑套上端面、衬套外壁、空腔内壁之间形成滑套腔，所述过流活塞内轴向设有滑套腔连通孔，所述滑套腔连通孔上下两端分别与固定座的过流孔、滑套腔相通；

所述上接头径向设有上接头连通孔、上接头旁通孔；

所述下接头内从上到下设有过流活塞支撑弹簧座、过流托环；所述控流锤下端固定在所述过流托环上；

所述过流活塞、过流活塞支撑弹簧安装在所述上接头内，所述上接头与下接头连接，所述控流锤上端位于锤头套筒内。

进一步的技术方案是，所述控流锤上设有扶正环。

进一步的技术方案是，所述控流锤上设有阻流锥，所述空腔内设于位于阻流锥上方的阻流环，所述阻流环内设有与阻流锥匹配的内锤面。

进一步的技术方案是，所述衬套与滑套之间、滑套与空腔内壁之间均设有密封圈。

进一步的技术方案是，所述止压腔内壁下端设有用于止压活塞限位的台阶。

进一步的技术方案是，所述下接头上设有定位销，所述定位销一端位于过流活塞支撑弹簧座内，用于限制过流活塞支撑弹簧座旋转；所述空腔内设有竖直的支撑杆，所述阻流环是套在支撑杆上固定，所述支撑杆下端穿过所述过流活塞支撑弹簧座。

一种排量控制无限次激活井下旁通系统开关方法，具体包括以下步骤：

步骤S10、按正常排量循环钻进，因控流锤在锤头套筒内，滑套下端和控制锤头距离为设计的初始状态，正常过流；

步骤S101、过流活塞在支撑弹簧作用力以及上接头的内侧台阶限位下，处于初始状态；

步骤S102、止压活塞处于初始位置，弹簧作用将止压活塞顶至止压活塞盖处，正常循环时，因上、下端面存在压差，会快速向下行动；

步骤S103、止压活塞下行到最终状态后，止压活塞的进流孔与传动腔不通，没有钻井液进入传动腔，从而移动活塞保持初始状态，滑套在弹簧作用下保持初始状态，此时正常钻进或循环；

步骤S20、发生堵漏时，进行如下操作开旁通阀完成堵漏：

步骤S201、停泵，上提钻柱至堵漏位置；系统处于初始状态；

步骤S202、开泵至某设计小排量循环；止压活塞在压差作用下整体下行，至进流孔与传动腔连通；保持排量，连通位置保持相对稳定；

步骤S203、此时，滑套腔上端压力与过流活塞上端面相通，下端压力与旁通腔相通，由于节流作用，过流活塞上端面和旁通腔存在节流压差；

步骤S204、钻井液从止压活塞的进流孔进入传动腔，压差作用下，推动移动活塞由与传动腔盖接触的初始位置下行，推挤腔内液压油经过流孔、滑套腔连通孔进入滑套腔，滑套在其上、下端面压差作用下下行；

步骤S205、滑套下行，其下端面与控流锤上端面距离越来越近，从而产生节流作用；保持小排量循环一段时间，至滑套完全接触控流锤时，中心孔断流；泵压升高；

步骤S206、过流活塞在泵压作用下，克服弹簧作用力以及摩擦力下行，至过流活塞旁通孔与上接头旁通孔相通；泵压下降；此时旁通已开启，控流锤处于旁通腔下沿，整个系统处于待堵漏状态；

步骤S207、停泵，过流活塞在弹簧作用力下上行至初始状态，但控流锤和滑套保持接触状态，中心孔过流受阻，止压活塞在弹簧作用下恢复初始位置；

步骤S30、泵入堵漏浆；在泵压作业下，过流活塞下移，至过流活塞旁通孔和上接头旁通孔连通；此时，控流锤相对上行至与旁通腔下沿齐平；堵漏浆从旁通孔流出进入环空；

步骤S40、完成堵漏作业后停泵；过流活塞在弹簧作用力下上行至初始状态，但控流锤和滑套保持接触状态，中心孔过流受阻，止压活塞在弹簧作用下恢复初始位置；

步骤S50、堵漏后大排量循环关旁通；

步骤S501、开泵至正常循环值，因中心过流受阻，过流活塞在泵压作用下整体下移，至过流活塞旁通孔和上接头旁通孔连通；此时，控流锤在旁通腔下沿；钻井液经旁通孔流到环空；

步骤S501、止压活塞在压差作用下快速下行至最终位置，此时，传动腔与止压活塞的出流孔相通；止压活塞的出流孔与上接头连通孔相通；

步骤S502、由于旁通的节流作用，旁通腔内压力大于环空压力，滑套上端面与环空相通，下端面与旁通腔相通，因而滑套下端面压力大于上端面压力，从而推动滑套上行，在滑套弹簧共同作用下，滑套腔内液压油经固定座的过流孔进入固定座与移动活塞之间的间隙内，从而推动移动活塞上行，循环一段时间后，滑套上行至初始位置，移动活塞恢复初始位置；

步骤S503、停泵，过流活塞在过流活塞支撑弹簧作用力下上移至初始位置，止压活塞也复位，滑套和控制锤头距离恢复初始状态，中心孔过流恢复过流。

本发明具有以下有益效果：本发明通过简单的地面排量控制，实现了无限次开关旁通阀的目的；相比于需要投球进行开、关阀操作的旁通阀，更便捷、省时，克服了投球次数的限制，更主要的是能适用于大斜度井或水平井段。

附图说明

图1是本发明正常钻进前整体示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中止压腔与传动腔的结构示意图；

图4是本发明正常钻井或循环时系统示意图；

图5是图4中止压腔与传动腔的结构示意图；

图6是本发明小排量循环开旁通或堵漏时系统示意图；

图7是图6中止压腔与传动腔的结构示意图；

图8是本发明开旁通后停泵时系统示意图；

图9是图8中止压腔与传动腔的结构示意图；

图10是本发明大排量循环关旁通时系统示意图；

图11是图10中止压腔与传动腔的结构示意图。

图中所示：1-上接头、2-下接头、3-过流活塞、4-节流装置、5-过流腔、6-旁通腔、7-过流活塞旁通孔、8-衬套、9-滑套、10-滑套弹簧、11-控流锤、12-锤柄、13-阻流锥、14-扶正环、15-过流活塞支撑弹簧座、16-过流托环、17-支撑杆、18-定位销、19-阻流环、20-锤头套筒、21-止压活塞盖、22-止压活塞、23-进流孔、24-出流孔、25-止压腔、26-止压活塞弹簧、27-上接头连通孔、28-传动腔盖、29-上通孔、30-下通孔、31-移动活塞、32-传动腔、33-固定座、34-过流孔、35-下接头中心过流孔、36-滑套腔连通孔、37-上接头中心过流孔、38-上接头旁通孔、39-过流活塞支撑弹簧、40-环空连通孔、41-滑套腔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种排量控制无限次激活井下旁通系统开关装置，包括带有上接头中心过流37的上接头1、带有下接头中心过流孔35的下接头2、过流活塞3、过流活塞支撑弹簧39、控流锤11、过流托环16、衬套8、滑套9、滑套弹簧10、锤头套筒20；所述控流锤11包括锤头和锤柄12；

所述过流活塞3中上半部分轴向设有过流腔5、止压腔25、传动腔32；中部分设有旁通腔6以及径向设置有与旁通腔6连通的过流活塞旁通孔7，下半部分轴向设有与旁通腔6连通的空腔；所述过流腔5、止压腔25底部均与旁通腔6连通；

所述过流腔5上部内设有节流装置4；

所述止压腔25内从上到下依次设有止压活塞盖21、止压活塞22、止压活塞弹簧26，所述止压活塞盖21上轴向设有通孔；所述止压活塞22上半部分轴向设有向上孔，径向设有与向上孔连通的进流孔23，下半部分轴向设有向下孔，径向设有与向下孔连通的出流孔24；所述止压腔25内壁径向设有与传动腔32连通的上通孔29、下通孔30以及环空连通孔40，所述环空连通孔40与下通孔30相对设置；

所述传动腔32内设有传动腔盖28、移动活塞31、固定座33，所述固定座33轴向设有过流孔34；所述移动活塞31位于下通孔30的下方；

所述滑套9套设在所述衬套8下端上，所述滑套弹簧10套设在所述滑套9下端，所述衬套8、滑套9、锤头套筒20依次从上到下依次安装在过流活塞3的空腔内，所述滑套弹簧10下端压在所述锤头套筒20上端面上；所述滑套9上端面、衬8套外壁、空腔内壁之间形成滑套腔41，所述过流活塞3内轴向设有滑套腔连通孔36，所述滑套腔连通孔36上下两端分别与固定座33的过流孔34、滑套腔41相通；

所述上接头1径向设有上接头连通孔27、上接头旁通孔38；

所述下接头2内从上到下设有过流活塞支撑弹簧座15、过流托环16；所述锤柄12下端固定在所述过流托环16上；

所述过流活塞3、过流活塞支撑弹簧39安装在所述上接头1内，所述上接头1与下接头2连接，所述控流锤11上端位于锤头套筒20内，所述过流活塞支撑弹簧39压在所述过流活塞支撑弹簧座15上。

在本实施例中，为了避免控流锤11倾斜，优选的实施方式是，所述锤柄12上设有扶正环14。

在本实施例中，为了更好的控制压差，优选的实施方式是，所述锤柄12上设有阻流锥13，所述空腔内设于位于阻流锥13上方的阻流环19，所述阻流环内设有与阻流锥13匹配的内锤面。

在本实施例中，为了避免滑套腔41的液压油泄漏，因此，优选的实施方式是，所述衬套8与滑套9之间、滑套9与空腔内壁之间均设有密封圈。

在本实施例中，一种优选的实施方式为，所述止压腔25内壁下端设有用于限制止压活塞22向下移动的台阶。

在本实施例中，为了避免过流活塞3转动，因此优选的实施方式是，所述下接头2上设有定位销18，所述定位销18一端位于过流活塞支撑弹簧座15内，用于限制过流活塞支撑弹簧座15旋转；所述阻流环19下端设有多个支撑杆17，所述支撑杆17下端穿过所述过流活塞支撑弹簧座15。

本实施例的工作原理为：

如图4-5所示，正常循环或钻进时，本实施例中止压活塞22由初始状态在压差作用下克服止压活塞弹簧26作用力下行，并通过止压腔25的台阶面定位至最终状态。此时，传动腔32和止压腔25通过下通孔30相通。而过流活塞3在过流活塞支撑弹簧39作用下仍保持如图1和图4的初始状态。滑套9在滑套弹簧10的作用下保持初始状态，如图1和图4。控流锤11和滑套9上端保持设计的过流距离，处于初始状态，不产生节流作用，

如图6-7所示，需要堵漏时，通过小排量循环开旁通阀。本实施例中止压活塞22在小排量对应的压差作用下克服止压活塞弹簧26作用力下行，至传动腔32和止压腔25通过上通孔29相通。此时，过流活塞3仍保持初始状态。过流活塞3上端面与锤头套筒20的内腔之间的压差作用，钻井液开始通过止压活塞22的进流孔23进入到传动腔32，推动移动活塞31下行，腔内液压油通过固定环座33经滑套腔连通孔36进入到滑套腔41，推动滑套9下行。此时，控流锤11和滑套9上端的过流距离由初始位置开始变短并开始产生节流作用。进一步循环，到某一时刻，该节流作用以及节流装置4共同产生的节流压差，将推动过流活塞3下行，从而控流锤11和滑套9上端的过流距离进一步变短，加剧节流作用，克服过流活塞支撑弹簧39的作用力，最终过流活塞3下行至上接头1和下接头2的接合处的最终位置。这一过程泵压会升高后回落。此时，过流活塞3的过流活塞旁通孔7的上接头旁通孔38相通，控流锤11上行至旁通腔6的下沿，钻井液经旁通孔进入环空。

如图8-9所示，小排量开旁通后，停泵，节流压力消失。过流活塞3在过流活塞39的作用下，恢复初始状态。控流锤11相对下行，但仍与滑套9上端保持接触，仍不过流。止压活塞22在止压活塞弹簧26作用下恢复初始状态。

如图10-11所示，堵漏完成后，通过大排量(正常钻井排量)关旁通。开始泵钻井液时，过流活塞3在压差作用下下行至最终位置，止压活塞22与环空连通孔40、上接头连通孔27相通；止压活塞22在压差作用下下至最终位置，此时，止压腔25和传动腔32相通。钻井液仍经旁通孔进入环空。滑套9下端面的压力与旁通腔6的压力相等。而大排量循环时，旁通孔会产生节流压差，从而旁通腔6和环空会有一定的压差，也即滑套9下端面与上端面存在压差，在滑套弹簧10的共同作用下，推动滑套9上行，滑套腔41内的液压油经固定环与滑套腔连通孔36后经过流孔34推动移动活塞31上行，并最终将移动活塞31和传动腔盖28内的钻井液推进止压腔25经与环空连通孔40和与上接头连通孔27进入环空。循环一定时间，滑套9恢复初始状态。停泵后，过流活塞3在过流活塞弹簧39作用下上行复位。控流锤11相对下行复位，从而滑套9与控流锤11的距离恢复初始状态，中心过流腔恢复正常过流，如图1-3所示。

一种排量控制无限次激活井下旁通系统开关方法，具体包括以下步骤：

步骤S10、按正常排量循环钻进，因控流锤11在锤头套筒20内，滑套9下端和控制锤头距离为设计的初始状态，正常过流；

步骤S101、过流活塞3在支撑弹簧作用力以及上接头的内侧台阶限位下，处于初始状态，如图4所示；

其中过流活塞支撑弹簧39的支撑力按以下公式进行计算；

F

式中：F

由于过流活塞3中心孔的节流装置4的节流作用，过流活塞3上、下端压差按伯努利方程计算：

式中：ΔP

由压差产生的作用力F

F

式中：S

初始安装时，要求过流活塞支撑弹簧39有一定预压缩量，以保证F

另外考虑过流活塞3下行时的静摩擦力F

步骤S102、止压活塞22处于初始位置，弹簧作用将止压活塞22顶至止压活塞盖21处，正常循环时，因上、下端面存在压差，会快速向下行动；

步骤S103、止压活塞22下行到最终状态后，止压活塞22的进流孔23与传动腔32不通，没有钻井液进入传动腔32，从而移动活塞31保持初始状态，滑套9在弹簧作用下保持初始状态，此时正常钻进或循环；

步骤S20、发生堵漏时，进行如下操作开旁通阀完成堵漏：

步骤S201、停泵，上提钻柱至堵漏位置；系统处于初始状态(如图1所示)；

步骤S202、开泵至某设计小排量循环；止压活塞22在压差作用下整体下行，至进流孔23与传动腔32连通；保持排量，连通位置保持相对稳定；

步骤S203、此时，滑套腔41上端压力与过流活塞3上端面相同，下端压力与旁通腔相同，由于节流作用，过流活塞3上端面和旁通腔6存在节流压差；

步骤S204、钻井液从止压活塞22的进流孔23进入传动腔32，压差作用下，推动移动活塞31由与传动腔盖28接触的初始位置下行，推挤腔内液压油经过流孔34(该过流孔34在具体过流时，要求微小过流。这样避免误错误操作；也就是，必须在那一排量循环一定时间，如5-10min，才能实现开旁通)、滑套腔连通孔36进入滑套腔41，滑套9在其上、下端面压差作用下下行；

步骤S205、滑套9下行，其下端面与控流锤11上端面距离越来越近，从而产生节流作用；保持小排量循环一段时间，至滑套9完全接触控流锤11时，中心孔断流；泵压升高；

步骤S206、过流活塞3在泵压作用下，克服弹簧作用力以及摩擦力下行，至过流活塞旁通孔7与上接头旁通孔38相通；泵压下降；此时旁通已开启，控流锤11处于旁通腔6下沿，整个系统处于待堵漏状态；

步骤S207、停泵，过流活塞3在弹簧作用力下上行至初始状态，但控流锤11和滑套9保持接触状态，中心孔过流受阻，止压活塞22在弹簧作用下恢复初始位置；

步骤S30、泵入堵漏浆；在泵压作业下，过流活塞3下移，至过流活塞旁通孔7和上接头旁通孔38连通；此时，控流锤11相对上行至与旁通腔下沿齐平；堵漏浆从旁通孔流出进入环空；如图6所示；

步骤S40、完成堵漏作业后停泵；过流活塞3在弹簧作用力下上行至初始状态，但控流锤11和滑套9保持接触状态，中心孔过流受阻，止压活塞22在弹簧作用下恢复初始位置；如图8所示；

步骤S50、堵漏后大排量循环关旁通；

步骤S501、开泵至正常循环值，因中心过流受阻，过流活塞22在泵压作用下整体下移，至过流活塞旁通孔7和上接头旁通孔38连通；此时，控流锤11在旁通腔下沿；钻井液经旁通孔流到环空；

步骤S501、止压活塞22在压差作用下快速下行至最终位置，此时，传动腔32与止压活塞22的出流孔24相通；止压活塞22的出流孔24与上接头连通孔27相通；

步骤S502、由于旁通的节流作用，旁通腔6压力会大于滑套腔41压力；滑套9下、上端成存在压差，在滑套弹簧10共同作用下，滑套腔41内液压油经固定座33的过流孔34进入固定座33与移动活塞31之间的间隙内，从而推动移动活塞31上行，循环一段时间后，滑套9上行至初始位置，移动活塞31恢复初始位置；

步骤S503、停泵，过流活塞3在过流活塞支撑弹簧39作用力下上移至初始位置，止压活塞22也复位，滑套9和控制锤头距离恢复初始状态，中心孔恢复过流，如图1所示。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。