CN103256020B - 固井缓冲器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固井缓冲器，属于石油机械领域。包括与管串连通的壳体，以及布置在壳体内部的具有第一过流孔的第一缓冲部件。其中，沿着流体流动方向在挡板的下游还设有至少一个附加缓冲部件，所述附加缓冲部件具有附加过流孔，从而在所述缓冲器内形成了曲折的流体流动通道。本发明的固井缓冲器能够显著减缓水泥浆的流动流速，实现保护缓冲器下部的固井工具并能够显著降低环空堵塞几率。

Description

固井缓冲器

技术领域

本发明涉及一种固井用装置，特别涉及一种干法固井缓冲器。

背景技术

气体钻井技术在提高钻速、防漏堵漏、发现和保护油气层等方面具有明显的效果。但气体钻井完钻后，为了进行表层套管或者技术套管固井，在常规固井作业前，需要再替入水基钻井液，该过程会造成井壁水化失稳和井漏。由于处理井壁失稳和井漏等井下复杂情况要花费大量时间和钻井材料，并且在固井后需要再气举出钻井液，干燥井壁后继续空气钻进，因此作业周期较长，无法获得气体钻井既得经济效益。而气体钻井完成后，在不替入任何液体钻井液的情况下，直接进行干法固井，则可以省去替入钻井液步骤，避免处理井下复杂事故等中间环节，缩短了钻井周期，降低钻井综合成本。

干法固井需要向井中注入水泥。在注水泥作业期间，水泥浆从1000-3000米的井口自由下落，沿程对固井工具以及套管附件的冲击力很大，容易造成浮箍、浮鞋等附件的失效，并且固井后(或替浆后)水泥浆易倒返。另外，由于水泥浆的冲击作用，会使干燥井壁产生失稳而掉块，增加了环空堵塞的几率。

目前，在实施干法固井的注水泥作业期间，为了减少高速运动的水泥浆对固井工具和套管附件的冲击，通常采用内插管注水泥的方法。但是内插管注水泥的方法并不能从根本上解决最下部水泥浆的高速流动对固井工具冲击的问题，而且内插管注水泥的方法不适用于尺寸较小的套管。

US6520256提及了一种安装在管串上并下入井中的水泥节流器。这种水泥节流器包括与壳体固定连接的挡板，在挡板上布置有用于使水泥浆流过的通孔，在通孔的朝向水泥浆流向的下游侧的端部布置有依靠弹簧开合的挡盖。依靠弹簧开合的挡盖存在不能关闭的风险，在水泥节流器下部不使用浮箍、浮鞋等工具的情况下，会造成水泥浆倒返，套管内留水泥塞等危险。该水泥节流器不能有效降低水泥浆的下落速度。

因此，需要一种装置，其能降低水泥浆的下落速度以减小水泥浆对管串工具和井壁的巨大冲击，提高固井工具的可靠性，减小固井风险。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种固井缓冲器，其能够减缓流体的流动流速，从而保护缓冲器下部的固井工具，并能够显著降低环空堵塞的几率。

根据本发明，提出了一种固井缓冲器，其包括与管串连通的壳体，以及布置在壳体内部的具有第一过流孔的第一缓冲部件。其中，其特征在于，沿着流体流动方向在挡板的下游还设有至少一个附加缓冲部件，所述附加缓冲部件具有附加过流孔，从而在所述缓冲器内形成了曲折的流体流动通道。

在本文中，用语“曲折的流体流动通道”指形成在固井缓冲器内的具有多个拐弯的流体流动通道。这些拐弯尤其可以是直角拐弯。

在一个实施例中，第一缓冲部件与壳体内壁以可拆卸的方式固定接合。壳体例如可为圆柱形以与管串相连，因此布置在壳体内部的缓冲部件也为圆形设计。

在一个实施例中，附加缓冲部件包括设置成与第一缓冲部件直接相邻的第二缓冲部件，在所述第二缓冲部件上布置有第二过流孔，所述第二过流孔与第一过流孔的轴向具有相同的朝向，但所述第二过流孔与第一过流孔的径向位置彼此错开。在一个优选的实施例中，第一过流孔布置在固井缓冲器的径向中心，而所述第二过流孔布置在径向外侧。

在一个实施例中，将第二缓冲部件构造为带有第一凸缘的盘状结构，该第一凸缘朝向流体流向的上游侧延伸，并且第一凸缘的端部与第一缓冲部件的下游端面直接相邻，从而在所述第一缓冲部件的下游端面、所述第二缓冲部件的上游端面和所述第一凸缘之间形成了第一缓冲腔。在保证第二缓冲部件的强度下，将第二过流孔在尽可能靠近盘体边缘的部位均匀布置。

在本文中，用语“下游端面”和“上游端面”均以流体的流向为参照。

在一个实施例中，附加缓冲部件还包括一端开口一端封闭的第三缓冲部件，其开口端与第二缓冲部件的下游端面直接相邻，在所述第三缓冲部件的侧壁上布置有与第一和第二过流孔的轴向朝向成一定角度的第四过流孔，例如将第四过流孔布置为与第一和第二过流孔的轴向朝向成90度。在一个优选的实施例中，第三缓冲部件为阶梯筒状结构，其大端为开口端，小端为封闭端，并且所述第四过流孔布置在小端的侧壁上。

当附加缓冲部件不包括第三缓冲部件时，需要将第二缓冲部件与壳体固定接合。当附加缓冲部件包括第三缓冲部件时，可使第三缓冲部件与壳体固定接合，例如使第三缓冲部件的大端与壳体固定接合，而第二缓冲部件与壳体固定接合则不是必须的，这是由于第三缓冲部件与第二缓冲部件的直接相邻对第二缓冲部件起到支撑作用。

在一个实施例中，第二缓冲部件还包括朝向流体流向的下游侧的第二凸缘，在所述第二凸缘的壁上布置有与第一和第二过流孔的轴向朝向成一定角度的第三过流孔。在一个实施例中，将第三过流孔布置为与第一和第二过流孔的轴向朝向成90度。在一个优选的实施例中，第二凸缘与第二缓冲部件为一体成型。

在一个实施例中，第二过流孔设置在第二缓冲部件上的处于第一凸缘和第二凸缘之间的径向区域中。

在另一个实施例中，第二凸缘的壁与第三缓冲部件的小端的内壁固定配合，从而在所述第二缓冲部件的下游端面、所述第三缓冲部件的大端侧壁、所述第三缓冲部件的阶梯面和所述第二凸缘的侧壁之间形成了第二缓冲腔。该固定配合使得第三缓冲部件对第二缓冲部件的支撑作用更好。第三缓冲部件的小端形成了第三缓冲腔。

由此，固井缓冲器内的彼此错开布置的导流孔形成了曲折的流体通道，导致流体在流动中多次发生变向，使得流体的流速明显放缓，从而对固井缓冲器下部的固井工具的冲击显著减弱，同时也避免了流体对井壁的冲击力过大造成的井壁失稳。固井缓冲器内的三个缓冲腔，对流体产生预存储的作用，增加了流体的流动阻力从而进一步降低了流体的流速，缓冲作用也更加明显。

在一个实施例中，第一过流孔、第二过流孔、第三过流孔和第四过流孔的过流面积相等。这种设计避免了由于过流面积不均匀而造成二次冲击。

此外，可将本发明的固井缓冲器根据实际使用的套管的直径来制造。当套管直径为大时，可将固井缓冲器的直径相应的制造为大，当套管直径为小时，可将固井缓冲器的直径相应的制造为小，而不需要改变固井缓冲器的内部结构，即本发明的固井缓冲器的尺寸不受套管尺寸的限制。

本发明的优点在于，通过使用固井缓冲器，能显著地降低流体的流度，从而保护固井缓冲器下部的固井工具和套管附件免受自由落体流体冲击而失效，同时也减少了干法固井作业中，井眼受高流速流体的冲击而掉块、坍塌造成环空堵塞的可能性，提高了干法固井作业的可靠性。同时还能够使得流体以更加合理的流速沿环空上行，返出井口。此外，还可将本发明的固井缓冲器根据实际使用的套管的直径来制造而不受套管尺寸的限制。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的固井缓冲器的结构图。

附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的固井缓冲器30。如图1所示，该固井缓冲器30包括壳体1。在壳体1的两端均设置有螺纹，以便与相邻的管串(未示出)连接。在图1所示的实施例中，在壳体1的第一端部的内侧设置有内螺纹2，在壳体1的第二端部的外侧设置有外螺纹13。

在壳体1内布置有第一缓冲部件，如图1中所示的挡板3。在挡板3上布置有第一过流孔5，以接受进入到井内的流体。在一个优选的实施例中，第一过流孔5布置在挡板3的中心。挡板3与壳体1固定连接。在一个实施例中，在挡板3的侧壁上设置有螺纹，由此挡板3与壳体1通过螺纹4连接。

根据本发明，沿着流体的流动方向、即如图1中的箭头指向，在挡板3的下游侧布置有第二缓冲部件，例如为图中所示的阻流挡环6。在阻流挡环6上布置有第二过流孔7。第二过流孔7布置为与第一过流孔5轴向朝向相同但彼此错开。在第一过流孔5和第二过流孔7之间形成第一缓冲腔18。

在一个实施例中，阻流挡环6实施为其周向边缘带有第一凸缘16的盘状结构，第一凸缘16朝向流体流向的上游侧延伸并与挡板3的下游端面直接相邻。从而，第一缓冲腔18由挡板3的下游端面、阻流挡环6上游端面和第一凸缘16包围而成。

如图所示，第二过流孔7的轴线优选地平行于第一过流孔5的轴线。此外，第二过流孔7优选布置在尽可能靠近径向外侧的位置，使得从第一过流孔5到第二过流孔7的流动距离尽可能长。由于从井口落下的流体首先冲击在挡板3上，此时具有最大的冲击力，因此这种尽可能长的从第一过流孔5到第二过流孔7的流动距离有利于减缓该最大的冲击力。

如图1所示，优选地，阻流挡环6还包括朝向流体流向的下游侧的第二凸缘17。第二凸缘17与第一凸缘16位于阻流挡环6的不同侧。在一个实施例中，第二凸缘17与阻流挡环6一体成型。第二凸缘17的外径小于第二过流孔7的中心到固井缓冲器30的轴线的距离，因此第二过流孔7处于第二凸缘17和第一凸缘16之间的径向区域中。在第二凸缘17的侧壁上布置有第三过流孔8，将第三过流孔8的朝向设置为与第一过流孔5或第二过流孔7的朝向成一定角度，例如为90度。

根据本发明，固井缓冲器30还可包括一端开口一端封闭的第三缓冲部件。开口端与阻流挡环6的下游端面直接相邻，封闭端为自由端。在第三缓冲部件的侧壁上布置有与第一和第二过流孔的轴向朝向成一定角度的第四过流孔。

如图1所示，在一个实施例中，将第三缓冲部件形成为一端封闭的阶梯筒状结构，如图1中所示的过流套12。过流套12的开口端为大端15，其与阻流挡环6的下游端面直接相邻，封闭端为小端22。阻流挡环6的第二凸缘17的壁与小端22的内壁固定接合，在小端22与壳体1之间存在间隙。在小端22的侧壁上布置有与第一和第二过流孔的朝向成一定角度的第四过流孔11，例如为90度。流体经过第四过流孔11从固井缓冲器30中流出。

如图1所示，过流套12的大端15的外壁上布置有螺纹，由此将过流套12与壳体1之间通过螺纹9连接。过流套12的小端22的内壁上布置有螺纹，由此阻流挡环6的第二凸缘17的外壁与过流套12的小端22的内壁通过螺纹10接合，以进一步支撑阻流挡环6。阻流挡环6的第二凸缘17与过流套12的小端22之间接合，使得在阻流挡环6的下游端面、过流套12的大端15侧壁、过流套12的阶梯面21和第二凸缘17的侧壁之间形成了第二缓冲腔19。过流套12的小端22形成第三缓冲腔20。

在一个实施例中，将第一过流孔5、第二过流孔7、第三过流孔8和第四过流孔11的过流面积设计为相等。这种设计避免了由于过流面积不均匀而造成流体的二次冲击。

在装配过程中，首先将过流套12通过螺纹9与壳体1接合。接着，将阻流挡环6的第二凸缘17通过螺纹10与过流套12的小端22接合，同时使阻流档环6的下游端面压紧过流套12的大端15的端部，形成第二缓冲腔19。在装配时，保证第二过流孔7和第三过流孔8完全处于第二缓冲腔19的范围中，即第二过流孔7和第三过流孔8不会被封住或排除在第二缓冲腔19之外。然后，将挡板3通过螺纹4与壳体1相连，并保证阻流挡环6的第一凸缘16的顶端与挡板3直接相邻。最后，将装配完成的固井缓冲器30与管串(未示出)相连。

根据图1所示的固井缓冲器30，在使用过程中，在气体钻井完钻并通井后，将一个或者多个固井缓冲器30串联随管串(未示出)入井。在固井时，直接从井口将水泥浆注入。当水泥浆到达固井缓冲器30时，将沿着固井缓冲器30内的曲折通道流动，如图1中的箭头所示。首先，水泥浆穿过挡板3上的第一过流孔5进入第一缓冲腔18。然后，水泥浆沿曲折通道穿过阻流挡环6的第二过流孔7进入第二缓冲腔19。接着，穿过第三过流孔8从第二缓冲腔19中流出并进入第三缓冲腔20。最后，水泥浆穿过第四过流孔11从过流套12的小端22与壳体1之间的间隙流出固井缓冲器30。

经过这样四组过流孔和三个缓冲腔后，水泥浆的流速会明显放缓，并且流出方向也发生改变，对固井缓冲器30下部的固井工具(未示出)的冲击里明显减弱，减少了固井工具失效概率，同时也避免了水泥浆冲击力过大造成的井壁失稳。

可以理解，过流孔的数量不限于四组，缓冲腔的数量也不限于三组。同样地，缓冲部件也不限于三个，可根据实际情况对缓冲部件进行增加和减少。

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。

Claims (9)

1.一种固井缓冲器，包括与管串连通的壳体，以及布置在壳体内部的具有第一过流孔的第一缓冲部件，

其特征在于，沿着流体流动方向在第一缓冲部件的下游还设有至少一个附加缓冲部件，所述附加缓冲部件具有附加过流孔，从而在所述缓冲器内形成了曲折的流体流动通道；

所述附加缓冲部件包括设置成与第一缓冲部件直接相邻的第二缓冲部件，在所述第二缓冲部件上布置有第二过流孔，所述第二过流孔与第一过流孔的轴向具有相同的朝向，但所述第二过流孔与第一过流孔的径向位置彼此错开；所述附加缓冲部件还包括一端开口一端封闭的第三缓冲部件，其开口端与第二缓冲部件的下游端面直接相邻，在所述第三缓冲部件的侧壁上布置有与第一和第二过流孔的轴向朝向成一定角度的第四过流孔。

2.根据权利要求1所述的固井缓冲器，其特征在于，所述第一过流孔布置在固井缓冲器的径向中心，而所述第二过流孔布置在径向外侧。

3.根据权利要求1所述的固井缓冲器，其特征在于，所述第二缓冲部件构造为带有第一凸缘的盘状结构，所述第一凸缘朝向流体流向的上游侧延伸，并且第一凸缘的端部与第一缓冲部件的下游端面直接相邻，从而在所述第一缓冲部件的下游端面、所述第二缓冲部件的上游端面和所述第一凸缘之间形成了第一缓冲腔。

4.根据权利要求1或3所述的固井缓冲器，其特征在于，所述第三缓冲部件为阶梯筒状结构，其大端为开口端，小端为封闭端，并且所述第四过流孔布置在小端的侧壁上。

5.根据权利要求4所述的固井缓冲器，其特征在于，所述第二缓冲部件还包括朝向流体流向的下游侧的第二凸缘，在所述第二凸缘的壁上布置有与第一和第二过流孔的轴向朝向成一定角度的第三过流孔。

6.根据权利要求5所述的固井缓冲器，其特征在于，所述第二过流孔设置在所述第二缓冲部件上的处于第一凸缘和第二凸缘之间的径向区域中。

7.根据权利要求5所述的固井缓冲器，其特征在于，所述第二凸缘的壁与第三缓冲部件的小端的内壁固定配合，从而在所述第二缓冲部件的下游端面、所述第三缓冲部件的大端侧壁、所述第三缓冲部件的阶梯面和所述第二凸缘的侧壁之间形成了第二缓冲腔。

8.根据权利要求4所述的固井缓冲器，其特征在于，所述小端形成了第三缓冲腔。

9.根据权利要求5所述的固井缓冲器，其特征在于，所述第一过流孔、第二过流孔、第三过流孔和第四过流孔的过流面积相等。