钻具内防喷工具及方法

技术领域

本发明涉及石油勘探技术领域，具体而言，涉及一种钻具内防喷工具及方法。

背景技术

在钻井过程中，如果井下可能发生盐水、油气/氮气钻井等流体溢流，近钻头钻具组合必须安装浮阀或箭型等单向阀，避免井底钻井液倒灌入钻头或钻具，造成钻具内井喷等事故发生。

目前，井下近钻头钻具内防喷工具主要有板式浮阀和箭型止回阀两种，随钻具入井工作，在钻井或修井过程中一旦发生溢流、井涌或正循环停止，在钻具内反循环压力及弹簧力的作用下箭形止回阀迅速关闭，截断钻具内通道，起到钻具内防喷的目的。板式浮阀的密封是依靠非金属密封部位和弹簧控制的阀板，在使用过程中在起钻后，检查发现弹簧断裂或变软、非金属密封部位生效等故障，其失效率高达95％以上，井下发生溢流等情况发生时，井控等不到保证。箭型止回阀同样依靠弹簧和锥形阀的单向密封原理实现其防钻具内井喷的功能，在使用过程中在起钻后，检查经常发现弹簧断裂或变软，不能回弹且密封失效率同样高达95％以上。

此外，在下钻过程中，由于都是处于常闭状态，随着下入的深度增加，阀芯反向承受液柱内外压力增加，会造成阀芯不同程度的失效，下入一定的深度后必须停下来将钻具内水眼的钻井液灌满，浪费了大量的非生产时间。

由上可知，现有技术中存在钻具内防喷工具容易失效的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钻具内防喷工具及方法，以解决现有技术中钻具内防喷工具容易失效的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钻具内防喷工具，包括：阀体，阀体具有沿轴向延伸的中空流道；阀芯，阀芯设置在中空流道内并与阀体的内壁密封连接，阀芯具有中空腔，中空腔与中空流道连通，阀芯包括隔板，隔板将中空腔分隔为第一中空腔和第二中空腔，隔板开设有第一中心过孔，阀芯的下端面开设有第二中心过孔；挡板，挡板设置在第二中空腔内，挡板的一端与阀芯的侧壁可翻转地连接；挡板具有初始状态和封堵状态，在初始状态下，挡板与隔板呈锐角地设置以避让第一中心过孔；发生溢流或井喷时，钻井液从中空流道进入中空腔并向上运动，钻井液带动挡板沿靠近隔板的方向翻转并封堵第一中心过孔，挡板由初始状态切换为封堵状态。

进一步地，钻具内防喷工具还包括止挡件，止挡件设置在阀芯的下端面上并位于第二中心过孔靠近挡板的一侧，在初始状态下，止挡件与挡板的另一端形成限位止挡。

进一步地，钻具内防喷工具还包括复位件，复位件设置在挡板的一端与阀芯的侧壁的连接处，用于提供挡板与止挡件之间的预紧力。

进一步地，阀芯的下端面还开设有溢流激发孔，溢流激发孔与第二中心过孔间隔设置且位于靠近挡板的一侧。

进一步地，溢流激发孔为沿朝向隔板的方向孔径逐渐缩小的漏斗形。

进一步地，挡板的封堵面为向外凸出的曲面，第一中心过孔的形状与挡板的封堵面相适配。

进一步地，挡板开设有压力测量孔，压力测量孔沿轴向贯穿挡板。

进一步地，钻具内防喷工具还包括密封件，密封件包括：第一密封件；第二密封件，第一密封件和第二密封件间隔设置在阀芯的上端的外表面；第三密封件，第三密封件设置在阀芯的下端的外表面。

进一步地，挡板由金属制成；和/或挡板的材质与阀芯的材质相同。

进一步地，阀体的两端均设置有丝扣，用于与钻具连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种钻具内防喷方法，采用上述的钻具内防喷工具实施防喷方法，防喷方法包括：将钻具内防喷工具的挡板与止挡件限位止挡，将钻具内防喷工具与钻具连接后一起下入井内；发生溢流或井喷时，钻井液倒灌进入钻具内防喷工具的中空腔内，带动挡板翻转并封堵钻具内防喷工具的第一中心过孔，阻断钻井液上行；通过钻具内防喷工具的压力测量孔测量井底压力；起钻时，挡板自然回落以避让第一中心过孔，钻具内防喷工具内的钻井液回流至井内。

应用本发明的技术方案，钻具内防喷工具包括阀体、阀芯和挡板，阀体具有沿轴向延伸的中空流道，阀芯设置在中空流道内并与阀体的内壁密封连接，阀芯具有中空腔，中空腔与中空流道连通，阀芯包括隔板，隔板将中空腔分隔为第一中空腔和第二中空腔，隔板开设有第一中心过孔，阀芯的下端面开设有第二中心过孔，挡板设置在第二中空腔内，挡板的一端与阀芯的侧壁可翻转地连接，挡板具有初始状态和封堵状态，在初始状态下，挡板与隔板呈锐角地设置以避让第一中心过孔；发生溢流或井喷时，钻井液从中空流道进入中空腔并向上运动，钻井液带动挡板沿靠近隔板的方向翻转并封堵第一中心过孔，挡板由初始状态切换为封堵状态，这样在未发生溢流或井喷时，挡板始终避让第一中心过孔，从而避免钻井液对挡板的冲击，挡板只会在发生溢流或井喷时被钻井液冲击并向上翻转，从而封堵第一中心过孔以阻止溢流进一步发展，上述设置使得挡板不会在钻具内的流体的冲击下反复翻转，从而大大减少了磨损和使用疲劳，提高了使用寿命，进而保证钻具内防喷工具的长期有效性，解决了现有技术中钻具内防喷工具容易失效的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个具体实施例中的钻具内防喷工具的挡板处于初始状态时的示意图；以及

图2示出了本发明的一个具体实施例中的钻具内防喷工具的挡板处于封堵状态时的示意图；

图3示出了本发明的一个具体实施例中的钻具内防喷工具的阀芯的结构示意图；

图4示出了本发明的一个具体实施例中的钻具内防喷方法的流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、阀体；11、中空流道；20、阀芯；21、中空腔；211、第一中空腔；212、第二中空腔；22、隔板；221、第一中心过孔；23、第二中心过孔；24、溢流激发孔；25、凸筋；30、挡板；31、压力测量孔；40、止挡件；50、复位件；60、第一密封件；70、第二密封件；80、第三密封件；90、轴销。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中钻具内防喷工具容易失效的问题，本发明提供了一种钻具内防喷工具及方法。

如图1至图3所示，钻具内防喷工具包括阀体10、阀芯20和挡板30。阀体10具有沿轴向延伸的中空流道11。阀芯20设置在中空流道11内并与阀体10的内壁密封连接，阀芯20具有中空腔21，中空腔21与中空流道11连通，阀芯20包括隔板22，隔板22将中空腔21分隔为第一中空腔211和第二中空腔212，隔板22开设有第一中心过孔221，阀芯20的下端面开设有第二中心过孔23。挡板30设置在第二中空腔212内，挡板30的一端与阀芯20的侧壁可翻转地连接。挡板30具有初始状态和封堵状态，在初始状态下，挡板30与隔板22呈锐角地设置以避让第一中心过孔221；发生溢流或井喷时，钻井液从中空流道11进入中空腔21并向上运动，钻井液带动挡板30沿靠近隔板22的方向翻转并封堵第一中心过孔221，挡板30由初始状态切换为封堵状态。

通过钻具内防喷工具设置有阀体10、阀芯20和挡板30，阀体10具有沿轴向延伸的中空流道11，阀芯20设置在中空流道11内并与阀体10的内壁密封连接，阀芯20具有中空腔21，中空腔21与中空流道11连通，阀芯20包括隔板22，隔板22将中空腔21分隔为第一中空腔211和第二中空腔212，隔板22开设有第一中心过孔221，阀芯20的下端面开设有第二中心过孔23，挡板30设置在第二中空腔212内，挡板30的一端与阀芯20的侧壁可翻转地连接，挡板30具有初始状态和封堵状态，在初始状态下，挡板30与隔板22呈锐角地设置以避让第一中心过孔221；发生溢流或井喷时，钻井液从中空流道11进入中空腔21并向上运动，钻井液带动挡板30沿靠近隔板22的方向翻转并封堵第一中心过孔221，挡板30由初始状态切换为封堵状态，这样在未发生溢流或井喷时，挡板30始终避让第一中心过孔221，从而避免钻井液对挡板30的冲击，挡板30只会在发生溢流或井喷时被钻井液冲击并向上翻转，从而封堵第一中心过孔221以阻止溢流进一步发展，上述设置使得挡板30不会在钻具内的流体的冲击下反复翻转，从而大大减少了磨损和使用疲劳，提高了使用寿命，进而保证钻具内防喷工具的长期有效性。

需要说明的是，挡板30避让第一中心过孔221是指挡板30在轴向上完全位于第一中心过孔221之外，从而保证钻进时钻井液在钻具内的正常流动。为了进一步保证挡板30对第一中心过孔221的避让作用，如图1至图3所示，钻具内防喷工具还包括止挡件40。止挡件40设置在阀芯20的下端面上并位于第二中心过孔23靠近挡板30的一侧。在初始状态下，止挡件40与挡板30的另一端形成限位止挡。具体的，如图1至图2所示，阀芯20的下端面上设置有凸筋25，凸筋25由阀芯20的下端面向上延伸，止挡件40设置在凸筋25上，以使止挡件40能够与挡板30的另一端限位止挡。可以理解的是，止挡件40对挡板30的止挡作用是有限的，能够使得挡板30在正常情况下被止挡件40限位止挡即可，以保证在溢流时挡板30能够被钻井液带动脱离止挡件40的束缚并向上翻转。

在本实施例中，挡板30在正常情况下被止挡件40限位止挡，从而保持钻具内水眼通畅，完成正常的下钻，在下钻过程中无需向钻具内灌浆，避免了常规钻具内防喷工具的挡板一直处于封堵状态，需要下钻时候向钻具内灌注泥浆来保证受力平衡，防止了挡板30单向承压导致的损坏；此外，还节约了专门停止作业灌浆的时间。

如图所示1至图2所示，阀芯20的下端面还开设有溢流激发孔24。溢流激发孔24与第二中心过孔23间隔设置且位于靠近挡板30的一侧。溢流激发孔24的孔径小于第二中心过孔23的孔径。具体的，溢流激发孔24位于凸筋25与阀芯20的侧壁之间，这样凸筋25和止挡件40、挡板30、阀芯20的侧壁、以及阀芯20的下端面之间形成一个独立的封闭空间，当发生溢流或井喷时，钻井液从溢流激发孔24进入上述封闭空间，从而带动挡板30向上翻转并封堵第一中心过孔221。由于上述封闭空间只占第二中空腔212的一部分且为一个狭长的空间，且溢流激发孔24的孔径小于第二中心过孔23的孔径，使得挡板30受到从溢流激发孔24进入封闭空间的钻井液的冲击力大于从第二中心过孔23进入第二中空腔212的钻井液的阻力，因此挡板30能够保证向上翻转实现封堵作用。进一步地，溢流激发孔24为沿朝向隔板22的方向孔径逐渐缩小的漏斗形。通过上述设置，使得从溢流激发孔24进入封闭空间的钻井液具有更大的动能，从而具有更大的冲击力来带动挡板30向上翻转。

如图1至图3所示，钻具内防喷工具还包括复位件50。复位件50设置在挡板30的一端与阀芯20的侧壁的连接处，用于提供挡板30与止挡件40之间的预紧力。可以理解的是，挡板30与止挡件40之间的预紧力小于止挡件40对挡板30的约束力。

如图1至图3所示，钻具内防喷工具还包括轴销90。挡板30的一端套设在轴销90上从而沿轴销90翻转。在本实施例中，复位件50为卡簧，复位件50套设在轴销90上并与挡板30抵接，从而提供预紧力。当然，复位件50也可以是其他弹性件，可以根据实际需求进行选择。

在本实施例中，挡板30的封堵面为向外凸出的曲面，第一中心过孔221的形状与挡板30的封堵面相适配。也就是说，挡板30为类似碗状的形状，第一中心过孔221为与之相适配的盆地形状。通过上述设置，使得挡板30与隔板22之间的接触面为曲面，具有更好的密封效果，保证挡板30对第一中心过孔221的封堵效果。

如图1至图3所示，挡板30开设有压力测量孔31。压力测量孔31沿轴向贯穿挡板30。通过设置压力测量孔31，使得挡板30封堵第一中心过孔221后，第一中空腔211和第二中空腔212之间能够连通，少量钻井液可以通过压力测量孔31，从而与钻台形成一个压力通道，此时地面立管可以直接求取井下压力，从而为准确判断井下情况提供有力的依据。此外，压力测量孔31具有较小的孔径，因此只会有少量的钻井液能够通过，这种情况下的钻井液的流量在完全可接受的范围，不会引发井喷。

如图1至图3所示，钻具内防喷工具还包括密封件。密封件包括第一密封件60、第二密封件70和第三密封件80。第一密封件60和第二密封件70间隔设置在阀芯20的上端的外表面。第三密封件80设置在阀芯20的下端的外表面。

在本实施例中，第一密封件60、第二密封件70和第三密封件80均为橡胶圈。具体的，阀芯20的外表面上分别开设有三个环形凹槽，第一密封件60、第二密封件70和第三密封件80分别容置在三个环形凹槽内且一部分凸出于环形凹槽，从而与阀体10的内壁抵接实现密封连接。当然，密封件的设置位置和数量也可以根据实际需求而定，满足密封要求即可。

在本实施例中，挡板30由金属制成。相应的，阀芯20的整体结构也由金属制成。这样使得挡板30与隔板22之间为金属面密封，具有更好的密封效果，从而保证挡板30对第一中心过孔221的封堵效果。

进一步地，挡板30的材质与阀芯20的材质相同。通过上述设置，使得挡板30与阀芯20之间不会存在电化学腐蚀，从而保证挡板30的使用寿命。

在本实施例中，阀体10的两端均设置有丝扣，用于与钻具连接。具体的，阀体10的上端为母丝扣，阀体10的下端为公丝扣。上部钻具的公扣端与阀体10的母丝扣连接够直接压在阀芯20的上端面上，进一步地，中空流道11具有台阶面，阀芯20的下端面安装在台阶面上，通过上述设置，防止阀芯20在下钻或者溢流时候，顺着钻具水眼向上运动，避免常规钻具内防喷工具的阀芯无限制地在钻具内的水眼内自由窜动。

如图4所示，本申请还提供了一种钻具内防喷方法，采用上述的钻具内防喷工具实施防喷方法，防喷方法包括：将钻具内防喷工具的挡板30与止挡件40限位止挡，将钻具内防喷工具与钻具连接后一起下入井内；发生溢流或井喷时，钻井液倒灌进入钻具内防喷工具的中空腔21内，带动挡板30翻转并封堵钻具内防喷工具的第一中心过孔221，阻断钻井液上行；通过钻具内防喷工具的压力测量孔31测量井底压力；起钻时，挡板30自然回落以避让第一中心过孔221，钻具内防喷工具内的钻井液回流至井内。

具体的，将钻具内防喷工具连好后下入井内，正常钻进时，挡板30被止挡件40挡住，处于下垂状态，钻井液经阀芯20的第一中心过孔221和第二中心过孔23向下流，正常参与钻井等工况的作业。下钻时，在地面上已经将挡板30与止挡件40限位止挡，保持钻具内水眼通畅，完成正常的下钻。当井底钻遇高压盐水或油气，突发溢流时，由于井底压力高于钻具内压力，钻井液经钻头水眼倒灌进钻具内部，钻井液经过溢流激发孔24向上运动，形成的冲力激发挡板30推开止挡件40的阻挡，向上运动，与隔板22形成密封，阻断钻井液沿钻具内上行，防止钻具内井喷的发生。

如果发生溢流，关井后，由于挡板30开设有压力测量孔31，井底压力可以沿着压力测量孔31沿着钻具内传递到钻台面上，当压力稳定后，通过立压表直接读取，同时由于该孔道较小，不会造成钻具内井喷发生。而传统的钻具内防喷工具只能小排量开泵，顶通水眼，建立与井底的通道，才能求取井底压力，这样会对地面设备会造成反向高压，风险极高。

起钻时，钻具内钻井液液柱压力大于井底压力，挡板30自然回落，钻井液在井底压差作用下回流到井内，避免了钻台面上卸开钻具时，钻具内钻井液流到钻台面上，污染钻台面上工作环境污染。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过钻具内防喷工具设置有阀体10、阀芯20和挡板30，阀体10具有沿轴向延伸的中空流道11，阀芯20设置在中空流道11内并与阀体10的内壁密封连接，阀芯20具有中空腔21，中空腔21与中空流道11连通，阀芯20包括隔板22，隔板22将中空腔21分隔为第一中空腔211和第二中空腔212，隔板22开设有第一中心过孔221，阀芯20的下端面开设有第二中心过孔23，挡板30设置在第二中空腔212内，挡板30的一端与阀芯20的侧壁可翻转地连接，挡板30具有初始状态和封堵状态，在初始状态下，挡板30与隔板22呈锐角地设置以避让第一中心过孔221；发生溢流或井喷时，钻井液从中空流道11进入中空腔21并向上运动，钻井液带动挡板30沿靠近隔板22的方向翻转并封堵第一中心过孔221，挡板30由初始状态切换为封堵状态，这样在未发生溢流或井喷时，挡板30始终避让第一中心过孔221，从而避免钻井液对挡板30的冲击，挡板30只会在发生溢流或井喷时被钻井液冲击并向上翻转，从而封堵第一中心过孔221以阻止溢流进一步发展，上述设置使得挡板30不会在钻具内的流体的冲击下反复翻转，从而大大减少了磨损和使用疲劳，提高了使用寿命，进而保证钻具内防喷工具的长期有效性。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。