钻井注气接头及其使用方法.pdf

钻井注气接头，应用于石油钻井技术领域。本体上端面钻有纵向孔，纵向孔与横向孔相连通，横向孔的内端是圆形孔，在横向孔内有阀芯，阀芯)的一端与横向孔内端的圆形孔配合，能起到密封作用，在阀芯另一端固定有导向盘，在导向盘与丝堵之间有弹簧，高压空气通过纵向孔输送到横向孔内，导向盘上有通孔，弹簧为螺旋拉伸弹簧，纵向孔上螺纹固定有管线接头。使用过程：下套管：钻井注气接头连接在套管管柱上。B、固井；C、连接地面注气系统；D、钻井施工；E、高压气体注入套管内；E、停止注气。能有效地降低环空内液柱压力，实现安全、快速、高效钻进的目的。

1、  一种钻井注气接头，包括本体(201)、锥形阀芯(202)、弹簧(203)、丝堵(204)、导向盘(207)，本体(201)为圆筒形，本体(201)的上端和下端有连接螺纹；其特征在于：
在本体(201)的上端面钻有纵向孔(205)，纵向孔(205)与横向孔(206)相连通，所述的横向孔(206)垂直本体(201)中心线，横向孔(206)的内端是圆形孔，横向孔(206)的外端有螺纹，横向孔(206)外端螺纹上固定有丝堵(204)，在横向孔(206)内有阀芯(202)，阀芯(202)的一端与横向孔(206)内端的圆形孔配合，在阀芯(202)的另一端固定有导向盘(207)，导向盘(207)能沿横向孔(206)内壁滑动，在导向盘(207)与丝堵(204)之间有弹簧(203)，高压空气通过纵向孔(205)输送到横向孔(206)内，能推动阀芯(202)和导向盘(207)向本体(201)内部滑动，所述的导向盘(207)上有通孔或导向盘(207)的边沿有豁口(208)，所述的弹簧(203)为螺旋拉伸弹簧，所述纵向孔(205)上螺纹固定有管线接头(4)。

2、  如权利要求1所述的钻井注气接头，其特征在于：所述的阀芯(202)是锥形阀芯，横向孔(206)内端的圆形孔是圆锥形孔。

3、  如权利要求1钻井注气接头，其特征在于：所述的阀芯(202)是平面阀芯，在平面阀芯的边沿有豁口，高压空气能通过豁口进入套管内，横向孔(206)内端的圆形孔是圆形台阶孔。

4、  如权利要求1、2或3所述的钻井注气接头，其特征在于：所述的导向盘(207)可以采用螺钉与锥形阀芯(202)固定；也可以采用螺纹固定，采用螺纹固定的结构是：在锥形阀芯(202)的端部中心与导向盘(207)一侧的中心有螺纹连接。

5、  如权利要求1、2或3所述的钻井注气接头，其特征在于：所述的管线接头(4)是单向阀管线接头。

6、  一种权利要求1、2或3所述的钻井注气接头使用方法，其特征在于：
A、下套管：完成二开钻井后，下入带有钻井注气接头(3)的套管柱，所述的套管管柱中部连接有钻井注气接头，即套管管柱的结构自下而上依次螺纹连接有套管、套管接箍、下转换接头(1)、钻井注气接头(3)、上转换接头(6)、套管接箍(7)和套管，钻井注气接头(3)下入深度为300～1000m；在钻井注气接头(3)的上部连接至少一个管线接头(4)，管线接头(4)上部连接注气高压管线(5)，注气高压管线(5)一直到地面；
注气高压管线(5)内径为在5～15mm之间；
B、固井：将带有钻井注气接头(3)和注气高压管线(5)的套管柱下入井内后，进行固井施工；钻井注气接头(3)与套管柱一起固定在井内，注气高压管线(5)固定在水泥环中间，钻井注气接头(3)和注气高压管线(5)在水泥环的包围中；
C、连接地面注气系统：在地面，将空气压缩机系统与注气高压管线(5)连接，所述的高压空气压缩机系统的最高工作压力10MPa；
D、钻井施工：在带有钻井注气接头(3)的套管柱内，下入钻杆柱，钻杆柱自下而上主要包括钻头、钻铤、钻杆和方钻杆，开始钻井施工；
E、当钻井施工需要往井内注入高压气体时，通过空气压缩机系统，将高压空气注入注气高压管线(5)，通过注气高压管线(5)到达钻井注气接头(3)，高压气体在压力作用下打开钻井注气接头(3)并通过钻井注气接头(3)进入套管内；
注入高压气体的压力在5～10MPa之间，高压气体的注气流量小于等于35m³/min，钻井施工过程中，注入高压气体的压力和高压气体的注气流量是根据所需要的钻井井底压力欠压值确定，钻井井底压力欠压值控制在0.2～0.8MPa之间；
E、当完成钻井施工不需要往井内注入高压气体时，地面高压气泵停止注气，高压管线(5)泄压后钻井注气接头(3)关闭，套管与钻井管柱之间环空钻井液不能进入钻井注气接头(3)内。

钻井注气接头及其使用方法
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种连接在套管中部与套管一起固定在井壁上的套管接头，能进行环空注气的接头。
背景技术
常规的注气钻井技术主要采用钻柱注气和环空注气两种方法。
钻柱注气采用钻杆柱中心直接向井底注气，虽然不需要增加井下设备，操作工艺比较简单，但限制了脉冲随钻测量工具MWD的使用。
环空注气主要有两种方式，一种是使用一套同心管柱。所述同心管柱即在井壁套管与钻杆柱之间再下入一层外径稍小的套管，井壁套管与套管之间底端用封隔器封隔，气体从井壁套管与套管之间的环空内注入，与井底钻井液混合后从套管与钻杆柱间的环空内返排至地面。从同心的两层套管环空向钻杆外环空进行注气。由于煤层气井所需气量小，环空截面积大，容易形成气液两相混合流体，而且气水混合不均匀，出现阶段性的气体段塞，故注气量不连续，注气压力也不稳定，在正常钻进时无法实现稳定的欠平衡钻进；且注气点受制于套管深度，并局限于在直井中使用。另外一种是采用双井筒结构进行环空注气。即先钻成一口直井，直井采用洞穴完井，完井后下入注气油管和井下封隔器。而后在距直井一定距离处钻一口水平井，当水平井的主水平井眼与洞穴直井连通，通过洞穴直井的油管将压缩气体注入水平井环空，降低水平井环空内液柱压力，从而实现水平井的欠平衡钻进，达到保护储层的目的。双井筒结构进行环空注气工艺技术由于采用双井筒结构，在进行多分支水平井钻井前必须先钻一口注气直井，并对直接进行扩孔造穴，因而大大增加了钻井周期和钻井成本。此外，该工艺技术是在水平井与注气的洞穴直井连通后通过洞穴直井进行环空注气，因而在两井连通之前对水平井钻进过程中的地质导向、随钻测量及连通工具等要求都较高，从而也就大大地增加了钻井风险。
发明内容
本发明的目的是：提供一种钻井注气接头及其使用方法，这种方法是利用注气接头与套管一起下入井内并固定在井壁上，通过高压注气管线和注气接头为钻井环空注气，能实现钻井的单井注气。采用注气接头环空注气模式，不需要钻一口注气直井；能方便调整钻井的注气量，在起下钻时以低速注入气体，在正常钻进时能稳定注入气体。克服常规注气钻井技术单井筒注气模式局限于直井、限制脉冲随钻测量工具MWD的使用；克服双井筒注气模式需要多下入一层套管和至少一个封隔器，造成施工复杂、风险高、成本大的不足。
本发明采用的技术方案是：
钻井注气接头包括本体、锥形阀芯、弹簧、丝堵、导向盘。钻井注气接头的本体为圆筒形，本体的上端和下端有连接螺纹，上端和下端连接螺纹的作用是在下套管作业时能与上转换接头和下转换接头连接，将钻井注气接头固定在套管柱中间，与套管柱同时下井。
在本体的上端面钻有纵向孔，纵向孔与横向孔相连通。所述的横向孔垂直本体中心线，横向孔的内端是圆形孔，横向孔的外端有螺纹，横向孔外端螺纹上固定有丝堵。在横向孔内有阀芯，阀芯的一端与横向孔内端的圆形孔配合，能起到密封作用。在阀芯的另一端固定有导向盘，导向盘能沿横向孔内壁滑动。在导向盘与丝堵之间有弹簧。高压空气通过纵向孔输送到横向孔内，能推动阀芯和导向盘向本体内部滑动，高压空气进入本体内腔。为了使高压空气能通过导向盘，所述的导向盘上有通孔或导向盘的边沿有豁口。为了使阀芯与横向孔内端的圆形孔之间密封，所述的弹簧为螺旋拉伸弹簧。为了钻井注气接头能与注气高压管线连接，所述纵向孔上螺纹固定有管线接头。
所述的阀芯是锥形阀芯，横向孔内端的圆形孔是圆锥形孔。
所述的阀芯是平面阀芯，在平面阀芯的边沿有豁口，高压空气推动阀芯移动后，高压空气能通过豁口进入套管内。横向孔内端的圆形孔是圆形台阶孔。平面阀芯有单项密封作用，还有导向作用，平面阀芯也是一个导向盘。采用的是双导向结构。
所述的导向盘可以采用螺钉与锥形阀芯固定；也可以采用螺纹固定，采用螺纹固定的结构是：在锥形阀芯的端部中心与导向盘一侧的中心有螺纹连接。
为了保证固井施工时和完成钻井施工后不需要往井内注入高压气体时，套管内的钻井液不会流入钻井注气接头内，所述的管线接头是单向阀管线接头，即是一种具有单向阀功能的管线接头。
钻井注气接头的使用方法
A、下套管：完成二开钻井后，下入带有钻井注气接头的套管柱。所述的套管管柱中部连接有钻井注气接头。即套管管柱的结构自下而上依次螺纹连接有套管、套管接箍、下转换接头、钻井注气接头、上转换接头、套管接箍和套管。钻井注气接头下入深度为300～1000m；在钻井注气接头的上部连接至少一个管线接头，管线接头上部连接注气高压管线。注气高压管线一直到地面。
为了提高注气量，在钻井注气接头上有两个管线接头，两个管线接头上分别连接有注气高压管线。能分别通过两根注气高压管线为井内注入高压空气。两个管线接头对称固定在钻井注气接头的两侧。
注气高压管线内径为在5～15mm之间。
B、固井：将带有钻井注气接头和注气高压管线的套管柱下入井内后，进行固井施工。固井施工的方法是现有技术，本领域技术人员熟知并能完成固井施工。钻井注气接头与套管柱一起固定在井内，注气高压管线固定在水泥环中间。钻井注气接头和注气高压管线在水泥环的包围中。
C、连接地面注气系统：在地面，将压缩机系统(或带增压机)与注气高压管线连接。
所述的高压空气压缩机系统的最高工作压力10MPa。
D、钻井施工：在带有钻井注气接头的套管柱内，下入钻杆柱，钻杆柱自下而上主要包括一个钻头、钻铤100米、钻杆和方钻杆。继续加深钻井，开始实施钻井施工。
E、当钻井施工需要往井内注入高压气体时，在地面通过压缩机系统(或带增压机)将高压空气泵入注气高压管线，通过注气高压管线到达钻井注气接头。高压气体在压力作用下打开钻井注气接头并通过钻井注气接头进入套管内。因高压空气不断进入钻井液，使套管与钻井管柱之间环空的钻井液密度降低。钻井液密度降低后，一方面能降低钻井液柱对井底地层的压力；另一方面，套管与钻杆之间环空钻井液的密度低于钻杆内钻井液的密度，形成密度差。根据流体连通器原理，该密度差能促进钻井液的循环，顺利实施钻井施工。
注入高压气体的压力是5～10MPa之间，高压气体的注气流量小于35m³/min(标准状态空气)。钻井施工过程中，注入高压气体的压力和高压气体的注气流量是根据所需要的钻井井底压力欠压值确定的，钻井井底压力欠压值控制在0.2～0.8MPa之间。
E、当完成钻井施工不需要往井内注入高压气体时，地面高压气泵停止注气。高压管线泄压后钻井注气接头关闭。套管与钻井管柱之间环空钻井液不能进入钻井注气接头内。因而在钻进时只允许高压空气进入套管与钻杆之间的环空内，而环空内钻井液不能返回到钻井注气接头内。
本发明的有益效果是：钻井注气接头固定在井壁上，通过注气高压管线和的钻井注气接头进行环空注气，使钻井液密度得到控制，能有效地降低环空内混相流体静液柱压力，注气稳定，注气效果好，为实现安全、快速、高效钻进奠定基础。在三开钻进过程中，利用钻井注气接头调整钻井液柱压力，克服了双井筒结构注气模式工艺复杂、钻井周期长、成本高、安全风险较大的不足。
附图说明
图1是本发明钻井注气接头连接在套管柱中，并通过固井施工，固定在井下水泥环的包围中的结构剖面示意图。
图2是钻井注气接头的结构剖面示意图。
图3是图2的俯视图。
图4是图2的局部放大图，横向孔的内端是圆锥形孔，配合的是锥形阀芯。
图5是导向盘的剖面图。
图6是图5的左视图。
图7是图2的局部放大图，是横向孔的内端是圆形台阶孔，配合的是平面阀芯。
图8是平面阀芯的主视图。
图9是图8的左视图
图中：1.下转换接头，2.水泥环，3.钻井注气接头，4.管线接头，5.注气高压管线，6.上转换接头，7.套管接箍；201.本体，202.阀芯，203.弹簧，204.丝堵，205.通道，206.横向孔，207.导向盘，208.豁口。
具体实施方式
实施例1：以一个内径为142.08mm，外径为153.67mm的钻井注气接头为例，对本发明作进一步详细说明。
参阅图2。钻井注气接头，包括本体201、锥形阀芯202、弹簧203、丝堵204、导向盘207。本体201为圆筒形，内径为142.08mm，外径为153.67mm，长度为203.2mm采用钢材为J55(API套管标准)。本体201的上端和下端有套管内螺纹。上端和下端套管内螺纹能在下套管作业时与上转换接头6和下转换接头1连接，将钻井注气接头固定在套管柱中间，与套管柱同时下井。
在本体201的上端面钻有两个纵向孔205，纵向孔205的直径为8mm。纵向孔205上螺纹固定分别固定有一个管线接头4。纵向孔205与横向孔206相连通。
参阅图4。所述的横向孔206垂直本体201中心线，横向孔206的内端是圆锥形孔，横向孔206的外端有螺纹，横向孔206外端螺纹上固定有丝堵204。在横向孔206内有锥形阀芯202，锥形阀芯202的一端与横向孔206内端的圆锥形孔配合，能起到密封作用。在锥形阀芯202的另一端固定有一个导向盘207。参阅图5和图6。导向盘207的边沿有四个豁口208，导向盘207能沿横向孔206内壁滑动。参阅图4。导向盘207采用螺纹与锥形阀芯202固定，采用螺纹固定的结构是：在锥形阀芯202的端部中心与导向盘207一侧的中心有螺纹连接。
参阅图4。在导向盘207与丝堵204之间有一个螺旋拉伸弹簧203。
高压空气通过纵向孔205输送到横向孔206内，能推动锥形阀芯202和导向盘207向本体201内部滑动。
实施例2：实施例2于实施例1不同点是：参阅图7。所述的阀芯202是平面阀芯，在平面阀芯的边沿有豁口，高压空气能通过豁口进入套管内。横向孔206内端的圆形孔是圆形台阶孔。
钻井注气接头的使用方法实施例：在一口二开深度为1100m的井内，进行下套管固井，并实施欠平衡钻井。工作过程是：参阅图1。
A、下套管：完成二开钻井后，下入带有钻井注气接头3的套管柱。所述的套管管柱中部连接有一个钻井注气接头3。即套管管柱的结构自下而上依次螺纹连接有400m的套管、一个套管接箍、一个下转换接头1、一个钻井注气接头3、一个上转换接头6、一个套管接箍7和长度为700m的套管。钻井注气接头3下入深度为700m；在钻井注气接头3的上部螺纹连接两个管线接头4，两个管线接头4上分别连接有注气高压管线5。注气高压管线5一直到地面；注气高压管线5是高压软管。管线接头4采用的是单向阀管线接头。
注气高压管线5内径为8mm，长度为720米。在地面还有20米注气高压管线5，是与高压空气泵连接用。
B、固井：将带有钻井注气接头3和注气高压管线5的套管柱下入井内后，进行固井施工。钻井注气接头3与套管柱一起固定在井内，注气高压管线5固定在水泥环中间。钻井注气接头3和注气高压管线5在水泥环的包围中；
C、连接地面注气系统：在地面，将空气压缩机系统(或带增压机)与注气高压管线5连接。所述的空气压缩机系统的最高工作压力10MPa；高压空气压缩机型号是SF-10/150。
D、钻井施工：在带有钻井注气接头3的套管柱内，下入钻井管柱，开始钻井施工；
E、当钻井施工需要往井内注入高压气体时，在地面通过高压气泵将高压空气泵入注气高压管线5，通过注气高压管线5到达钻井注气接头3。高压气体在压力作用下打开钻井注气接头3并通过钻井注气接头3进入套管内；
注入高压气体的压力为5MPa之间，高压气体的注气流量为25m³/min(标准状态空气)。钻井施工过程中，注入高压气体的压力和高压气体的注气流量是根据所需要的钻井井底压力欠压值确定的，钻井井底压力欠压值控制在0.5MPa。
E、当完成钻井施工不需要往井内注入高压气体时，地面高压气泵停止注气。高压管线5泄压后钻井注气接头3关闭。套管与钻井管柱之间环空钻井液不能进入钻井注气接头3内。