钻具旁通工具及其使用方法与流程

1.本发明涉及天然气井开发技术领域，特别是涉及一种钻具旁通工具。本发明还涉及一种使用该钻具旁通工具的方法。


背景技术：

2.在油气资源勘探开发中，钻具旁通工具(或称为旁通阀)作为一种能连通钻具内外环空的短节被广泛应用，主要用于在井下发生复杂情况时候实施快速循环作业，如实施堵漏、压井或钻头水眼堵塞等复杂情况的处理。
3.另外，设置有旁通阀的钻具也可在天然气井中用作采气通道。例如，在对储层段进行钻井的过程中、尤其是在完全揭开储层岩石之后，储层中的气体可以经旁通阀进入到钻具中，并由此输送向井口。
4.现有的旁通阀通常是投球式的。这种旁通阀一般为单开式旁通阀或单次开关式旁通阀。对于单开式旁通阀来说，可以向井内投入憋压球并通过憋压剪断旁通阀上的剪钉而使一开始处于关闭状态的旁通阀打开。对于单次开关式旁通阀来说，其可在单开式旁通阀的基础上再投入一次憋压球，实现进一步憋压和剪断另一剪钉，实现旁通阀从打开状态再回到关闭状态。从上述工作原理可以看出，这种结构顶多实现单次开关，而不可能实现更多次的重复开关。因此，这不能适应采气过程中需要多次开关旁通阀以进行采气和气层测试的情况。另外，对于天然气井来说，在井内介质为低粘度的气体的情况下，憋压球的密封效果较差，容易导致旁通阀不能正常憋压和开关。另外，憋压球在钻具内的下降速度会非常快，从而容易使球座受到很大的冲击力，进一步影响憋压球与球座的密封效果。
5.此外，目前也存在电机控制式的可重复开关旁通阀。然而，这种旁通阀难以适应气体介质(低粘度介质)下的密封要求，因此不能用于采气应用中。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提出了一种用于天然气井的钻具旁通工具及其使用方法，适应于在低粘度介质中进行作业。
7.根据本发明的第一方面，提出了一种钻具旁通工具，包括：纵向延伸的外筒，所述外筒的侧壁构造有径向贯穿的外筒流通孔；套设在所述外筒内的内筒，所述内筒的侧壁构造有径向贯穿的内筒流通孔；套设在所述外筒内的开关套，所述开关套接合在所述内筒的上端处，所述开关套构造为用于控制所述内筒相对于所述外筒的纵向位置，以实现所述外筒流通孔与所述内筒流通孔在纵向上对齐或错开，从而实现所述外筒流通孔与所述内筒流通孔之间的连通或断开；以及胶塞，所述胶塞包括能与所述开关套的上端密封接合的末端部，以及连接在所述末端部上方的能与所述外筒的内壁密封接合的密封部，所述密封部构造有沿纵向向上的方向逐渐径向向外延伸的胶碗；其中，当所述胶塞与所述开关套和外筒密封接合时，所述胶塞可驱动所述开关套来控制所述内筒相对于所述外筒的纵向位置，当所述内筒流通孔与所述外筒流通孔在纵向上对齐时，流体介质进入到所述内筒中，并向上
推动所述胶塞，使得所述胶塞与所述开关套和外筒之间不密封，允许所述流体介质流向井口。
8.通过采用胶塞来进行碰压和密封能够有效确保胶塞与外筒和开关套之间的密封。另外，胶塞在下入到低粘度介质的井中时也可具有较低的速率，因而不容易与开关套发生会导致破坏的碰撞。这导致上述钻具旁通工具在低粘度介质(气体介质)中非常适用。值得注意的是，胶塞一般用于固井的水泥浆注替过程中，即用于高粘度介质的环境下。并且，胶塞在使用过程中一般仅沿朝向井底的方向移动。本发明发现，可在低粘度介质中使用胶塞以使钻具旁通工具获得足够的密封性，并且可使胶塞进行朝向井口的短距离移动(程度很小)，以实现在钻具内设置有胶塞的情况下从井底向井口的方向穿过胶塞实现连通。
9.在一个优选的实施例中，所述外筒包括外筒主体以及连接在所述外筒主体上端的上接头，所述上接头的下端插入到所述外筒主体内，使得所述上接头的内径小于所述外筒主体的内径；其中，所述胶塞的末端部在所述外筒主体内与所述开关套相接合，所述胶塞的密封部在所述上接头内与所述外筒相接合。
10.在一个优选的实施例中，所述胶塞的末端部构造有纵向向上延伸的连接杆，以及在所述连接杆的上端处径向向外延伸的连接凸缘，所述密封部由橡胶制成，并在所述连接杆与连接凸缘处与所述末端部硫化连接。
11.在一个优选的实施例中，所述开关套包括胶塞接合部和连接在所述胶塞接合部之下的内筒接合部，所述内筒接合部构造为用于与所述内筒相接合以控制所述内筒相对于所述外筒的纵向位置，所述胶塞接合部延伸到所述内筒的上端之外，并与所述外筒相接合为使得所述开关套能相对于所述外筒纵向移动，但不能相对于所述外筒旋转，所述胶塞接合部构造为能与所述胶塞密封接合。
12.在一个优选的实施例中，在所述外筒的内侧壁与所述开关套的胶塞接合部的外侧壁之间设置有花键，用于限制所述开关套能相对于所述外筒纵向移动，但不能相对于所述外筒旋转。
13.在一个优选的实施例中，所述内筒接合部包括多个沿轴向布置的齿形件，各个齿形件的上端与所述胶塞接合部相连，各个齿形件的下端包括相对于纵向方向彼此相对倾斜的第一倾斜轮廓和第二倾斜轮廓，各个齿形件的第一倾斜轮廓和第二倾斜轮廓在下端处相交；所述内筒的内侧壁上设置有对应于所述齿形件的内筒内壁导向体，所述内筒的外壁上设置有内筒外壁导向体，所述内筒内壁导向体与所述内筒外壁导向体在周向上错开；所述外筒的内侧壁上设置有对应于所述内筒外壁导向体的多个彼此间隔开的外筒定位件，在相邻的外筒定位件之间的通道能容纳所述内筒外壁导向体并限制所述内筒外壁导向体发生周向旋转，各个外筒定位件的下端面包括相对于纵向方向彼此相对倾斜的第三倾斜轮廓和第四倾斜轮廓，所述第三倾斜轮廓和所述第四倾斜轮廓的上端相交；在所述内筒与外筒之间设置有纵向延伸的弹性件，所述弹性件构造为能相对于所述外筒向上推压所述内筒。在第一状态下，在所述胶塞纵向向下的驱动下，第一齿形件的第二倾斜轮廓向下推动所述内筒内壁导向体，使得所述内筒相对于所述外筒纵向向下移动，直到所述内筒外壁导向体从相邻的外筒定位件之间的通道离开，在所述第一齿形件的第二倾斜轮廓与所述内筒内壁导向体的相互作用下，所述内筒周向旋转一定角度以使所述内筒外壁导向体与所述外筒定位件的下端面相抵，直到所述内筒外壁导向体在周向上越过所述第三倾斜轮廓定位在第三倾
斜轮廓与所述第四倾斜轮廓的相交处为止，使得所述内筒在纵向上相对于所述外筒定位，所述内筒流通孔与所述外筒流通孔在纵向上对齐并连通，并且所述内筒内壁导向体与不同于第一齿形件的第二齿形件的第二倾斜轮廓相对。在第二状态下，在所述胶塞纵向向下的驱动下，所述第二齿形件在周向上越过第四倾斜轮廓，与相邻的外筒定位件之间的通道对齐，所述胶塞停止纵向向下驱动，所述内筒在所述弹性件的作用下向上移动，使得所述内筒流通孔与所述外筒流通孔在纵向上错开并断开，并且所述内筒内壁导向体与不同于第二齿形件的第三齿形件的第二轮廓相对。
14.在一个优选的实施例中，所述多个齿形件中相邻的齿形件彼此间隔开。
15.根据本发明的第二方面，一种使用上述钻具旁通工具的方法，包括：将所述胶塞泵入钻具中，直到所述胶塞与所述开关套密封接合导致泵压上升；从井口向所述钻具内打压，使得所述胶塞驱动所述开关套来控制所述内筒相对于所述外筒的纵向位置。
16.在一个优选的实施例中，通过空气泵将所述胶塞泵入钻具中或从井口向所述钻具内打压。
17.在一个优选的实施例中，当所述内筒流通孔与所述外筒流通孔连通时，储层气体经所述外筒流通孔和内筒流通孔进入到所述内筒内，并向上推动所述胶塞，解除所述胶塞与所述开关套和外筒之间的密封关系。
附图说明
18.在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
19.图1显示了根据本发明的一个实施例的钻具旁通工具的整体结构示意图；
20.图2显示了图1中的钻具旁通工具的外筒的结构示意图；
21.图3显示了图1中的钻具旁通工具的胶塞的结构示意图；
22.图4显示了图1中的钻具旁通工具的开关套的结构示意图；
23.图5显示了图1中的钻具旁通工具的内筒的结构示意图；
24.图6显示了图1中的钻具旁通工具的关闭状态(第二状态)的示意图；
25.图7显示了图1中的钻具旁通工具的打开状态(第一状态)的示意图。
26.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
28.在本文中，除非有特别说明或存在矛盾，否则用语“上”、“下”、“纵向”等均是相对于井眼的方向而限定的。用语“上”指的是相对靠近井口的方向。用语“下”指的是相对靠近井底的方向。用语“纵向”指的是与井眼的延伸方向大致相同的方向。
29.如图1所示，钻具旁通工具100包括外筒和套设在外筒内的内筒130。外筒大体上包括外筒主体102，连接在外筒主体102上端的上接头101和连接在外筒主体102下端的下接头103。上接头101和下接头103可用于与钻具中的钻柱相连，以将钻具旁通工具100安装到钻具中。在图1所示的实施例中，下接头103与外筒主体102成形为一体。然而应当理解的是，下接头103可与外筒主体102分体制造再连接在一起。在外筒(外筒主体102)与内筒之间还可设置纵向延伸的弹性件140。该弹性件140总是处于压缩状态，以用于相对于外筒而向上推
压内筒130。弹性件140例如为螺旋弹簧、碟簧或任意其他适当的已知的弹性器件。
30.另外，钻具旁通工具100还包括套设在外筒内的开关套120，该开关套设置在内筒130的上端。钻具旁通工具100还可包括可投入钻具内、进入到外筒内并与外筒和开关套密封配合的胶塞110。
31.下面将参照图2至图5对上述各个部件进行详细说明。
32.如图2所示，在外筒的外筒主体102的侧壁上构造有径向贯穿的外筒连通孔102a。可设置多个(例如，3个)在周向上间隔开排布的外筒连通孔102a。在外筒主体102的内侧壁上设置有多个周向间隔开排布的外筒定位件104。相邻的外筒定位件104之间形成有通道105。各个外筒定位件104的下端面包括第三倾斜轮廓104a和第四倾斜轮廓104b。第三倾斜轮廓104a和第四倾斜轮廓104b均相对于纵向方向倾斜，并且倾斜方向彼此相对(或者说相反)。如图2所示，第三倾斜轮廓104a和第四倾斜轮廓104b在上端处彼此相交，从而使得外筒定位件104的下端面形成凹陷的轮廓，并且该凹陷的轮廓具有明确的拐角。
33.另外，在外筒主体102的上端内侧构造有内螺纹。如图1所示，上接头101的下端插入到该外筒主体102的上端内。上接头101的下端外侧构造有用于与该内螺纹相配合的外螺纹，使得上接头101和外筒主体102能通过螺纹连接在一起。
34.如图3所示，胶塞110包括用于与开关套120密封配合的末端部111，以及用于与外筒的内侧壁密封接合的密封部114。密封部114构造有径向向外延伸的胶碗115。胶碗115的延伸末端纵向向上倾斜，使得胶碗115形成大体上为锥形的结构。末端部111构造有纵向向上延伸的连接杆112，以及从连接杆112的上端处径向向外延伸的连接凸缘113。密封部114整体由橡胶构成，并包围连接杆112和连接凸缘113与末端部111硫化连接为一体。
35.如图4所示，开关套120可包括胶塞接合部121和连接在该胶塞接合部121之下的内筒接合部。在图4所示的实施例中，内筒接合部构造为多个周向布设的齿形件122。胶塞接合部121构造为完整的圆环状，能够与胶塞110的末端部111密封接合。齿形件122相对于胶塞接合部121纵向向下延伸。齿形件122的下端包括相对于纵向彼此相对(或者说相反)地倾斜的第一倾斜轮廓122a和第二倾斜轮廓122b。第一倾斜轮廓122a和第二倾斜轮廓122b的下端彼此相交，使得齿形件122的下端形成尖齿状。整个齿形件122可具有五边形的轮廓。另外，开关套120还可通过花键(未显示)与外筒主体102配合，使得开关套120仅能相对于外筒主体102纵向移动，而不能相对于外筒主体102旋转。
36.优选地，相邻的齿形件122彼此间隔开。由此，当流体流动通过间隔处时，有利于为齿形件122与内筒130之间的配合提供更好的润滑作用。这有利于确保钻具旁通工具100的工作顺畅性和稳定性。
37.如图5所示，内筒130的中部设置有径向向外延伸的环形凸起132。弹性件140设置在该环形凸起132与外筒120的台阶之间(参见图1)。内筒130的侧壁还构造有径向贯穿的内筒流通孔130a。内筒流通孔130a处于环形凸起132的纵向下方。可设置多个(例如，3个)在周向上间隔开的内筒流通孔130a。内筒130的外侧壁上还设置有多个在周向上间隔开排布的内筒外壁导向体131。该内筒外壁导向体131可用于与外筒主体102上的外筒定位件104相配合。另外，如图1所示，内筒130的内侧壁上还设置有多个在周向上间隔开排布的内筒内壁导向体133。内筒内壁导向体133与开关套120相配合。内筒内壁导向体133与内筒外壁导向体131可在周向上错开一定角度。
38.在进行装配时，先从外筒主体102的上端处向外筒主体102内装入弹性件140。然后，从外筒主体102的上端处向外筒主体102内装入内筒130。由此，弹性件140设置在内筒130与外筒主体102之间。另外，在内筒130插入到外筒主体102内时，使得内筒外壁导向体131插入到相邻的外筒定位件104之间的通道105内，由此能限制内筒130相对于外筒主体102的旋转运动。此后，再从外筒主体102的上端处向外筒主体102内装入开关套120，使得开关套120的胶塞接合部121与外筒主体102实现花键安装，并使开关套120的内筒接合部(即，齿形件122)插入到内筒130的上端内。此时，在内筒外壁导向体131与外筒定位件104之间以及胶塞接合部121与外筒主体102之间的配合作用下，开关套120相对于外筒主体102在周向上定位成使得开关套120的齿形件122的第二倾斜轮廓122b能与内筒130的内筒侧壁导向体133相对，即第二倾斜轮廓122b处于该内筒内壁导向体133的纵向正上方，并且第二倾斜轮廓122b所形成的表面至少部分地与内筒内壁导向体133的相应表面重叠。最后，将上接头101的下端插入到外筒主体102的上端内，使得上接头101的下端面能接触开关套120的上端面，以限制开关套120的纵向移动空间。图6示意性显示了上述装配好的组件。此时，内筒流通孔130a与外筒流通孔102a错开，处于其上方，并因此不与外筒流通孔102a连通。将这种状态定义为钻具旁通工具100的关闭状态。
39.在钻井过程中，可将钻具旁通工具100的上述装配好的组件连接到钻具中的两节钻柱之间，并由此将上述装配好的组件送入到井下预期位置，例如为正对气体储层的位置。
40.在需要打开钻具旁通工具100时，向钻具内送入胶塞110。可通过从井口处向钻具内泵压(例如，通过空气泵)而驱使胶塞110一直向下移动至胶塞110与开关套120的胶塞接合部121密封配合(图6)。此时，井口处可观测到明显的压力升高。在此过程中，胶塞110的胶碗115会不时地与钻具的内壁接触并发生摩擦，由此使得胶塞110的下入速度不会过快。另外，与现有技术中的憋压球相比，胶塞110在近似尺寸下可具有相对较小的重量(因为其中一部分由质量相对较轻的橡胶制成)。基于上述原因，胶塞110不会强力地冲击开关套120或钻具内的其他结构，从而能在胶塞110与开关套120配合时确保他们之间的密封性能较好。另外，胶塞110的胶碗115还可额外地与外筒的上接头101的内壁有效地密封配合。
41.进一步从井口处向钻具内打压(例如，通过空气泵)，由于密封作用，胶塞110会进一步下压并驱动开关套120。开关套120的齿形件122的第二倾斜轮廓122b下压内筒内壁导向体133，使得内筒130相对于外筒主体102向下移动，从而使得内筒外壁导向体131沿着外筒定位件104之间的通道105向下移动，直到内筒外壁导向体131脱离该通道105。此时，内筒130可相对于外筒主体102旋转。此后，随着第二倾斜轮廓122b与内筒内壁导向体133的进一步作用，内筒130可相对于外筒主体102旋转，使得内筒外壁导向体131能沿着第三倾斜轮廓104a朝向第四倾斜轮廓104b旋转。随着内筒130相对于外筒主体102的旋转，内筒内壁导向体133会沿着第二倾斜轮廓122b纵向向上移动。在某一时刻，内筒内壁导向体133可与第二倾斜轮廓122b分离，转而使内筒外壁导向体131抵着第三倾斜轮廓104a移动。这导致内筒外壁导向体131能在第三倾斜轮廓104a与第四倾斜轮廓104b的相交处停止。此时，如图7所示，胶塞110、开关套102和内筒130均相对于外筒主体102下降一段距离，导致内筒连通孔130a和外筒连通孔102a在纵向上对齐并彼此连通。此时，钻具旁通工具100处于打开状态。弹性件140处于更加压缩的状态。由于内筒外壁导向体131与第三倾斜轮廓104a和第四倾斜轮廓104b的相交处的卡接配合，所以能够在井口不继续打压的情况下有效保持钻具旁通工具
100打开。此事，内筒内壁导向体133与开关套120的另一齿形件122的第二倾斜轮廓122b相对。
42.此时，钻具外的气体(低粘度介质)可通过彼此连通的外筒流通孔102a和内筒流通孔130a而进入到内筒130内，并向上推压胶塞110。此时，胶塞110的末端部112能略微地向上移动而与开关套120分离。同时，胶碗115受到向上的作用力而收拢，从而能在胶塞110与上接头101之间形成供气体通过的空间。这使得钻具内部能够贯通，气体能输送并采集到井口。
43.在希望再次关闭钻具旁通工具100的情况下，可再次从井口向钻具内打压。由此，活塞110再次向下推压并驱动开关套120，使得开关套120的齿形件122的第二倾斜轮廓122b向下推动内筒内壁导向体133，导致内筒130相对于外筒主体102向下移动，从而导致内筒外壁导向体131相对于外筒定位件104向下移动。同时，在第二倾斜轮廓122b的表面与内筒内壁导向体133的配合下，内筒130继续旋转，直到内筒外壁导向体131越过第四倾斜轮廓104b而与另外的通道105对齐。此时，在弹性件140的推动下，内筒130、开关套120和胶塞110一起向上移动，直到开关套120的上端面再次与上接头101的下端面接触。由此，实现了钻具旁通工具100的再次关闭。同时，内筒130旋转至内筒内壁导向体133再次与另一齿形件122的第二倾斜轮廓122b相对。
44.反复进行井口打压的动作即可重复上述过程而实现钻具旁通工具100的反复开关。这使得本发明的钻具旁通工具100能够有效适应需要多次旁通开关来进行采气和气体储层测试的应用。
45.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。