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一种井下循环洗井工具及其使用方法

阅读：836发布：2021-07-04

专利汇可以提供一种井下循环洗井工具及其使用方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种井下循环洗井工具及其使用方法，包括依次连接的循环洗井工具本体、泄压短节以及开关收纳器，其中，所述循环洗井工具本体包括中空的循环外套、套设于循环外套内且中空的芯轴和开关器组件；所述泄压短节为连接于循环外套底部的中空腔体结构，其中空腔体连通循环外套内的钻井液流通通道，于泄压短节的侧壁设开口，开口内设泄压阀；所述开关收纳器包括收纳外套和设于收纳外套内的内筒，收纳外套连接于泄压短节的底部，开关器本体和关阀球收纳于内筒内，内筒为镂空结构。可实现循环洗井和正常钻井作业的自由切换，采用泄压短节的设置还可以解决钻具堵塞时能够及时打开循环通道，具有自动排液、自动灌浆、提高工作效率等特点。，下面是一种井下循环洗井工具及其使用方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种井下循环洗井工具，其特征在于：包括依次连接的循环洗井工具本体（1）、泄压短节（2）以及开关收纳器（3），
所述循环洗井工具本体（1）包括中空的循环外套（1-1）、套设于循环外套（1-1）内且中空的芯轴（1-2）和开关器组件（1-3），循环外套（1-1）和芯轴（1-2）的中空结构配合形成钻井液流通通道，循环外套（1-1）的中部壳体上设外套通孔（1-101），外套通孔（1-101）内设喷嘴（1-102）；芯轴（1-2）于循环外套（1-1）内轴向滑动，芯轴（1-2）的壳体上设芯轴通孔（1-
201），于芯轴通孔（1-201）下方的芯轴（1-2）内设阀座（1-4），阀座（1-4）的内孔连通芯轴（1-
2）内的钻井液流通通道，芯轴（1-2）顶部设与循环外套（1-1）上部壳体卡接的弹性锁扣机构（1-5），芯轴（1-2）底部设弹性复位机构（1-6），芯轴（1-2）通过弹性锁扣机构（1-5）锁定时，芯轴通孔（1-201）与外套通孔（1-101）错位设置；所述开关器组件（1-3）包括开关器本体（1-
301）、关阀球（1-302）和锁定球（1-303），开关器本体（1-301）的弹性部件坐封于阀座（1-4）的内孔，并带动芯轴（1-2）沿循环外套（1-1）向下滑动至芯轴通孔（1-201）与外套通孔（1-
101）连通，锁定球（1-303）的直径小于芯轴通孔（1-201）与喷嘴（1-102）通孔的内径，于喷嘴（1-102）内设卡紧锁定球（1-303）的锁定器（6），沿外套通孔（1-101）的位置在循环外套（1-
1）的壳体内壁设环形槽（1-103），环形槽（1-103）的宽度大于喷嘴（1-102）通孔的内径，关阀球（1-302）的直径大于芯轴通孔（1-201）的内径且小于阀座（1-4）的内孔内径，关阀球（1-
302）作用于锁定球（1-303）上，
所述泄压短节（2）为连接于循环外套（1-1）底部的中空腔体结构，其中空腔体连通循环外套（1-1）内的钻井液流通通道，于泄压短节（2）的侧壁设开口，开口内设泄压阀（2-1），所述开关收纳器（3）包括收纳外套（3-1）和设于收纳外套（3-1）内的内筒（3-2），收纳外套（3-1）连接于泄压短节（2）的底部，开关器本体（1-301）和关阀球（1-302）收纳于内筒（3-
2）内，内筒（3-2）为镂空结构。
2.根据权利要求1所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述弹性锁扣机构（1-
5）的下端部分套接于芯轴（1-2）的顶部，弹性锁扣机构（1-5）的上端部分为割缝结构的可变径的弹性管（1-501），且其上端部分的外径大于其下端部分的外径，连接弹性锁扣机构（1-
5）上端部分与下端部分的中端部分呈倾斜结构，所述循环外套（1-1）的内壁上设有约束弹性锁扣机构（1-5）上端部分的斜面结构（1-104）。
3.根据权利要求1所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：沿所述芯轴（1-2）的底部向下延伸设中空的芯轴延伸段（1-202），芯轴延伸段（1-202）与芯轴（1-2）内径相等，芯轴延伸段（1-202）的外径小于的芯轴（1-2）外径，芯轴延伸段（1-202）外壁与循环外套（1-1）之间形成环形腔（4），所述弹性复位机构（1-6）套设于环形腔（4）内。
4.根据权利要求3所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述芯轴延伸段（1-
202）的侧壁上设连通环形腔（4）的连通孔。
5.根据权利要求1所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：于循环外套（1-1）和芯轴（1-2）之间设密封机构（5），该密封机构（5）对应设于外套通孔（1-101）的上、下两侧。
6.根据权利要求1所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述开关器本体（1-
301）包括球体部分（1-301a）、设于球体部分（1-301a）上部的椎体部分（1-301b）以及设于球体部分（1-301a）下部的加重短柄（1-301c），所述球体部分（1-301a）为开关器本体（1-301）的弹性部件，其外径大于阀座（1-4）的内孔内径，椎体部分（1-301b）和加重短柄（1-301c）的最大外径小于阀座（1-4）的内孔内径。
7.根据权利要求6所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：于所述阀座（1-4）的内孔内设有环形分布的凸台结构（1-401）。
8.根据权利要求6所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：与所述芯轴（1-2）接触的阀座（1-4）外壁设密封槽（1-402），与球体部分（1-301a）接触的阀座（1-4）上设密封面（1-
403）。
9.根据权利要求1所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述锁定器（6）包括设于喷嘴（1-102）内的旋转卡瓦（6-1）和弹簧组件（6-2），旋转卡瓦（6-1）包括随转轴（6-3）旋转的双向卡齿，转轴（6-3）固定于喷嘴（1-102）内；弹簧组件（6-2）包括设于喷嘴（1-102）内的套筒（6-201），套筒（6-201）内设弹簧（6-202），弹簧（6-202）顶部设活塞（6-203），所述双向卡齿的内卡齿作用于活塞（6-203）上。
10.根据权利要求1所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述泄压阀（2-1）包括套设于开口内的泄压阀座（2-101），泄压阀座（2-101）内孔的一端为泄压通孔（2-102），于泄压阀座（2-101）的内孔设阀芯（2-103），阀芯（2-103）的顶部为密封泄压通孔（2-102）的球体部件（2-103a），阀芯（2-103）下部与泄压阀座（2-101）的内孔之间套设调整螺栓（2-104），阀芯（2-103）底部设套设于调整螺栓（2-104）内的螺母（2-105），阀芯（2-103）下部内设有与外界连通的下部通孔（2-103b），阀芯（2-103）中部的外壁与泄压阀座（2-101）的内孔形成环形空间（2-106），于阀芯（2-103）中部设垂直于下部通孔（2-103b）的中部通孔（2-103c），中部通孔（2-103c）连通环形空间（2-106）和下部通孔（2-103b），于环形空间（2-106）内的阀芯（2-103）外套设弹簧机构（2-107）。
11.根据权利要求10所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述泄压通孔（2-
102）与球体部件（2-103a）的接触面为锥形密封面（2-108）。
12.根据权利要求10所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述泄压阀座（2-
101）与开口的内壁之间设密封部件（2-109）。
13.根据权利要求10所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述泄压阀座（2-
101）的外侧端面设有径向沉孔结构（2-110）。
14.根据权利要求1所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述内筒（3-2）经隔板（3-3）分割形成钻井液流通的主通道（3-4）和收纳开关器本体（1-301）和关阀球（1-302）的收纳通道（3-5），沿主通道（3-4）向上延伸设导向的斜面凸台（3-6），所述主通道（3-4）和收纳通道（3-5）均呈镂空结构，内筒（3-2）底部设支撑板（3-8），收纳通道（3-5）底部设有限制开关器本体（1-301）和关阀球（1-302）通过的通孔（3-7）。
15.根据权利要求1所述的一种井下循环洗井工具，其特征在于：所述隔板（3-3）偏心设置于内筒（3-2）内。
16.一种如权利要求1所述井下循环洗井工具的使用方法，其特征在于：所述井下循环洗井工具配套钻具进行使用，所述循环外套（1-1）的顶部连接钻杆或钻铤，开关收纳器（3）的底部连接井下仪器，包括以下使用方法：
（1）正常作业时：芯轴（1-2）通过弹性锁扣机构（1-5）被锁定；
（2）循环洗井时：
（2.1）向循环外套（1-1）内依次投入开关器本体（1-301）和锁定球（1-303），开关器本体（1-301）的弹性部件坐封于阀座（1-4）的内孔后，使锁定球（1-303）到达喷嘴（1-102）并被锁定器（6）锁定；
（2.2）井内浆液经喷嘴（1-102）流入外套通孔（1-101）的环形槽（1-103）内，实现工具的自动灌浆；
（2.3）灌浆结束后，向循环外套（1-1）内投入关阀球（1-302），关阀球（1-302）作用于锁定球（1-303）上使锁定球（1-303）解锁后，开关器本体（1-301）的弹性部件受压力变形而穿过阀座（1-4）的内孔，开关器本体（1-301）和关阀球（1-302）均下落至内筒（3-2）内，芯轴（1-
2）恢复锁定状态，以待下一次洗井操作；
（3）井下仪器堵塞时进行循环洗井：
向循环外套（1-1）内依次投入开关器本体（1-301）和锁定球（1-303），判断井下仪器堵塞时，增大泄压短节（2）内的压力至泄压阀（2-1）开启，同时控制泄压短节（2）内的压力低于开关器本体（1-301）弹性部件的变形压力，芯轴（1-2）下滑，使锁定球（1-303）到达喷嘴（1-
102）并被锁定器（6）锁定，然后再重复上述步骤（2.2）、（2.3），完成井下仪器堵塞时的一次洗井操作。
17.根据权利要求16所述的井下循环洗井工具的使用方法，其特征在于：所述步骤（2.1）中，向循环外套（1-1）内依次投入开关器本体（1-301）和锁定球（1-303）后，开启钻井泵循环，压力先增加后降低，同时排量增加，判断此时开关器本体（1-301）的弹性部件坐封于阀座（1-4）的内孔后，芯轴（1-2）下降，且锁定球（1-303）到达喷嘴（1-102）并被锁定器（6）锁定。
18.根据权利要求16所述的井下循环洗井工具的使用方法，其特征在于：所述步骤（3）中，向循环外套（1-1）内依次投入开关器本体（1-301）和锁定球（1-303）后，开启钻井泵循环，压力增加后后为下降，同时排量未增加，判断此时的井下仪器堵塞。

说明书全文

一种井下循环洗井工具及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明是一种井下循环洗井工具及其使用方法，具体涉及水平井钻完井、修洗井作业中可实现井下循环洗井操作的工具及其使用方法，属于石油天然气钻探井下工艺及工具的技术领域。

背景技术

[0002] 在钻水平井、大位移井的过程中，由于水平方向井筒岩屑受重力影响不能及时循环出地面，在水平段井内产生大量岩屑沉积，形成岩屑床，进而造成完井时不能顺利下入预定深度的套管，增加非生产时间，降低钻井效率和完井质量。通常情况下，需采用增加泥浆泵泵冲的方式产生一定扰流，有助于清洁井筒。但是对于小井眼的泥浆马达和随钻测量（MWD）工具并不能满足达到扰流状态所需的泵速要求，尤其是在大斜度井和水平井钻井时进行井筒高效清洁造成极大困难。钻井作业人员通常采用短起、洗井作业、更换钻头以及其他清洗作业等解决该类问题。这些方法或许在某种程度上有一定效果，但是需要消耗大量时间进行起下钻，降低了生产效率。另外，如遇下部钻具或钻头水眼被堵而不能及时进行循环作业，容易造成井壁坍塌等井下复杂事故，增加井喷事故风险。

[0003] 现有专利文献CN203594377U（一种连续油管重力钻具，2014.05.14）公开了一种能降低油、气、水井内油管结垢、缩颈状况的钻具结构，在该结构中，通过在钻头内腔中部形成的喷水孔，施工过程中，将连续油管穿过防喷井口及防喷管，插入连续油管接头并由锥形螺母上紧，然后将装置整体收入防喷管内，之后将防喷管及防喷井口与采油井口相连，开井。慢慢将重力钻具下入井内，当井内钻头遇到阻力停止前进，而工作筒以上部分仍受到连续油管向下的重力影响，并由螺旋轴和螺旋传动螺母将连续油管向下的运动转换成螺旋转动，带动钻头旋转刮削钻进。一个行程完成后，上提完成第二次向下加压钻进，钻进同时连续油管内高压洗井液冲砂洗井，直至将井壁污物及附着物清完，周而复始直至完工。

[0004] 除此之外，现有专利文献CN204113158U（一种与螺杆钻具配套使用的正钻反洗装置，2015.01.21）还公开了一种能有效减少起下螺杆钻、起下洗井管柱及洗井次数的洗井装置，该洗井装置与螺杆钻具配套使用，可实现一趟下钻多次正钻、反洗往复施工，既可以实现正常钻塞，又可以及时将灰屑反洗出地面。在进行正钻时，钻塞液自油管注入，经上接头进入筒体，经筛孔过滤进入中心筛管，经换向接头中心通孔进入螺杆钻，推动螺杆钻转子带动下端钻头转动实现钻塞。反洗开始时，油、套管环形空间内携带灰屑的钻塞液由上行转变为下行，行至洗井装置转换接头侧孔时进入，打开凡尔、进入中心筛管与筒体的环形空间、经上接头进入油管，最终返出地面完成洗井。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种井下循环洗井工具，采用循环洗井工具本体、泄压短节以及开关收纳器配合形成钻具的一部分，通过开关器组件的投入使用，不仅可实现循环洗井和正常钻井作业的自由切换，采用泄压短节的设置还可以解决钻具堵塞时能够及时打开循环通道，避免停止循环造成的井下复杂事故的发生，在起钻时通过该工具可实现将钻具内钻井液自动排出，防止钻井液外溅至钻井平台，且在下钻时实现自动灌浆的功能，提高工作效率。

[0006] 本发明的目的在于提供一种井下循环洗井工具的使用方法，使用方法简单，不仅可实现循环洗井和正常钻井作业的自由切换，还可以解决钻具堵塞时循环通道的及时打开，整个作业状态切换过程不需要起下钻具、更换钻头或洗井工具，可减少非生产时间，具有提高钻井效率，提升井筒清洁程度与完井质量的特点。

[0007] 本发明通过下述技术方案实现：一种井下循环洗井工具，包括依次连接的循环洗井工具本体、泄压短节以及开关收纳器，所述循环洗井工具本体包括中空的循环外套、套设于循环外套内且中空的芯轴和开关器组件，循环外套和芯轴的中空结构配合形成钻井液流通通道，循环外套的中部壳体上设外套通孔，外套通孔内设喷嘴；芯轴于循环外套内轴向滑动，芯轴的壳体上设芯轴通孔，于芯轴通孔下方的芯轴内设阀座，阀座的内孔连通芯轴内的钻井液流通通道，芯轴顶部设与循环外套上部壳体卡接的弹性锁扣机构，芯轴底部设弹性复位机构，芯轴通过弹性锁扣机构锁定时，芯轴通孔与外套通孔错位设置；所述开关器组件包括开关器本体、关阀球和锁定球，开关器本体的弹性部件坐封于阀座的内孔，并带动芯轴沿循环外套向下滑动至芯轴通孔与外套通孔连通，锁定球的直径小于芯轴通孔与喷嘴通孔的内径，于喷嘴内设卡紧锁定球的锁定器，沿外套通孔的位置在循环外套的壳体内壁设环形槽，环形槽的宽度大于喷嘴通孔的内径，关阀球的直径大于芯轴通孔的内径且小于阀座的内孔内径，关阀球作用于锁定球上，
所述泄压短节为连接于循环外套底部的中空腔体结构，其中空腔体连通循环外套内的钻井液流通通道，于泄压短节的侧壁设开口，开口内设泄压阀，
所述开关收纳器包括收纳外套和设于收纳外套内的内筒，收纳外套连接于泄压短节的底部，开关器本体和关阀球收纳于内筒内，内筒为镂空结构。

[0008] 所述弹性锁扣机构的下端部分套接于芯轴的顶部，弹性锁扣机构的上端部分为割缝结构的可变径的弹性管，且其上端部分的外径大于其下端部分的外径，连接弹性锁扣机构上端部分与下端部分的中端部分呈倾斜结构，所述循环外套的内壁上设有约束弹性锁扣机构上端部分的斜面结构。

[0009] 沿所述芯轴的底部向下延伸设中空的芯轴延伸段，芯轴延伸段与芯轴内径相等，芯轴延伸段的外径小于的芯轴外径，芯轴延伸段外壁与循环外套之间形成环形腔，所述弹性复位机构套设于环形腔内。

[0010] 所述芯轴延伸段的侧壁上设连通环形腔的连通孔。

[0011] 于循环外套和芯轴之间设密封机构，该密封机构对应设于循环通孔的上、下两侧。

[0012] 所述开关器本体包括球体部分、设于球体部分上部的椎体部分以及设于球体部分下部的加重短柄，所述球体部分为开关器本体的弹性部件，其外径大于阀座的内孔内径，椎体部分和加重短柄的最大外径小于阀座的内孔内径。

[0013] 于所述阀座的内孔内设有环形分布的凸台结构。

[0014] 与所述芯轴接触的阀座外壁设密封槽，与球体部分接触的阀座上设密封面。

[0015] 所述锁定器包括设于喷嘴内的旋转卡瓦和弹簧组件，旋转卡瓦包括随转轴旋转的双向卡齿，转轴固定于喷嘴内；弹簧组件包括设于喷嘴内的套筒，套筒内设弹簧，弹簧顶部设活塞，所述双向卡齿的内卡齿作用于活塞上。

[0016] 所述泄压阀包括套设于开口内的泄压阀座，泄压阀座内孔的一端为泄压通孔，于泄压阀座的内孔设阀芯，阀芯的顶部为密封泄压通孔的球体部件，阀芯下部与泄压阀座的内孔之间套设调整螺栓，阀芯底部设套设于调整螺栓内的螺母，阀芯下部内设有与外界连通的下部通孔，阀芯中部的外壁与泄压阀座的内孔形成环形空间，于阀芯中部设垂直于下部通孔的中部通孔，中部通孔连通环形空间和下部通孔，于环形空间内的阀芯外套设弹簧机构。

[0017] 所述泄压通孔与球体部件的接触面为锥形密封面。

[0018] 所述泄压阀座与开口的内壁之间设密封部件。

[0019] 所述泄压阀座的外侧端面设有径向沉孔结构。

[0020] 所述内筒经隔板分割形成钻井液流通的主通道和收纳开关器本体和关阀球的收纳通道，沿主通道向上延伸设导向的斜面凸台，所述主通道和收纳通道均呈镂空结构，内筒底部设支撑板，收纳通道底部设有限制开关器本体和关阀球通过的通孔。

[0021] 所述隔板偏心设置于内筒内。

[0022] 一种井下循环洗井工具的使用方法，所述井下循环洗井工具配套钻具进行使用，所述循环外套的顶部连接钻杆或钻铤，开关收纳器的底部连接井下仪器，包括以下使用方法：（1）正常作业时：芯轴通过弹性锁扣机构被锁定；
（2）循环洗井时：
（2.1）向循环外套内依次投入开关器本体和锁定球，开关器本体的弹性部件坐封于阀座的内孔后，使锁定球到达喷嘴并被锁定器锁定；
（2.2）井内浆液经喷嘴流入外套通孔的环形槽内，实现工具的自动灌浆；
（2.3）灌浆结束后，向循环外套内投入关阀球，关阀球作用于锁定球上使锁定球解锁后，开关器本体的弹性部件受压力变形而穿过阀座的内孔，开关器本体和关阀球均下落至内筒内，芯轴恢复锁定状态，以待下一次洗井操作；
（3）井下仪器堵塞时进行循环洗井：
向循环外套内依次投入开关器本体和锁定球，判断井下仪器堵塞时，增大泄压短节内的压力至泄压阀开启，同时控制泄压短节内的压力低于开关器本体弹性部件的变形压力，芯轴下滑，使锁定球到达喷嘴并被锁定器锁定，然后再重复上述步骤（2.2）、（2.3），完成井下仪器堵塞时的一次洗井操作。

[0023] 所述步骤（2.1）中，向循环外套内依次投入开关器本体和锁定球后，开启钻井泵循环，压力先增加后降低，同时排量增加，判断此时开关器本体的弹性部件坐封于阀座的内孔后，芯轴下降，且锁定球到达喷嘴并被锁定器锁定。

[0024] 所述步骤（3）中，向循环外套内依次投入开关器本体和锁定球后，开启钻井泵循环，压力增加后后为下降，同时排量未增加，判断此时的井下仪器堵塞。

[0025] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：（1）本发明结构设计合理，循环外套与芯轴采用滑动配合的方式，以开关器组件作为其状态切换开关，当芯轴锁定时，循环通道关闭可实现正常钻井作业，当投入开关器本体和锁定球后，循环通道开启可进行自动灌浆，以实现自动洗井操作，操作步骤简单，仅需采用投掷开关器组件的方式即可实现正常钻井作业和洗井操作的切换，有效的克服了现有洗井作业时采用起下钻所消耗的生产时间，有利于钻井效率的提高。

[0026] （2）本发明涉及的循环洗井工具本体可配合钻杆或钻具形成钻具的一部分，使用时，可在循环洗井本体的循环外套上设置上部接头，通过上部接头连接钻杆或钻具的下部，打开或锁定循环通道时，只需在地面进口向钻具内投入开关器组件，即可实现一次洗井操作，使用便利。

[0027] （3）本发明在芯轴下部设计有弹性复位机构，可采用弹簧或其他弹性材料制作而成，避免使用剪切销钉等机构设置，其作用在于：当投入关阀球后，可使芯轴在弹性作用下向上滑行并恢复锁定状态，以便于下次开关器组件投入而实现循环洗井的操作。

[0028] （4）本发明涉及的弹性复位机构套设于芯轴延伸段与循环外套之间形成的环形腔内，使用时，可在芯轴延伸段上设连通孔，便于芯轴上下滑动时，上下压力的平衡。

[0029] （5）本发明在芯轴上设置有弹性锁扣机构，该弹性锁扣机构受循环外套上斜面结构的制约而使芯轴锁定于循环外套上，可以避免在正常钻井时芯轴与阀座受推力而滑动，避免工具循环通过过早打开。

[0030] （6）本发明在喷嘴内设计有独特的旋转卡瓦结构，可以在投入锁定球后，锁定球由旋转卡瓦结构而被锁定在喷嘴内，使工具处于锁定打开状态，一方面，芯轴因锁定球的锁定而限制滑行，尤其是在地面钻井泵停止后，弹性锁扣机构复位而带动芯轴向上的滑动；另一方面，因锁定球的锁定能开启工具内外的循环通道，由于循环外套内壁设置的环形槽，因U型管效应，当锁定球的锁定时，可实现工具内外流体通道的连接，不仅可进行自动灌浆，减少井口地面的灌浆环节，起钻过程中，钻具内的液体受重力作用还能通过该通道自动排出，避免了钻台面的液体外溅，具有提高下钻效率、满足安全环保要求的特点。

[0031] （7）本发明涉及的循环洗井工具本体采用专门设计的开关器组件，包括由球体部分、椎体部分和加重短柄组成的开关器本体等，球体部分可采用变形材料制作而成的弹性部件，三个部分可做成整体结构，也可通过螺纹等发生连接而固定。在实现工具开关操作的同时，还能够较普通球形工具更快投掷到位，并有利于水平井段工具的开关操作，如加重短柄的设计，可采用比重比变形材料较大的材料或金属，能加快开关器本体的下行速度，提高作业效率；于椎体部分而言，其上的斜面将有助于支撑关阀球更好的坐封到位。

[0032] （8）本发明通过阀座的设计，利用开关器本体的球体部分坐封于阀座的内孔，实现芯轴下滑至循环通道的开启，使用时，可在阀座的内孔内设计一环形分布的凸台结构，以防止开关器本体在下降过程中受重力及惯性的影响过早的击穿阀座，失去开启能力，同时，为不影响阀座的密封，在阀座上还设计有密封槽和设密封面，以保证球体部分坐封后，阀座上下钻具空间的密封隔离，便于开关器组件的有效使用。

[0033] （9本发明在循环洗井工具本体的底部设计有泄压短节，泄压短节通过独特结构设计的泄压阀进行泄压。在正常钻井时，如遇下部钻具或钻头水眼堵塞，常规的循环工具在投球后形成密封面，但是由于密封面的上下部均形成密封腔，因此不能利用压差及时打开工具，会造成井下复杂甚至生产事故发生。而本发明采用泄压短节的设置，在密封面下部流道堵塞的情况下仍可通过增压后泄压的方式，实现下部流体的流通，解决了下部钻具水眼堵塞不能及时打开循环洗井工具的问题。

[0034] （10）本发明在泄压短节下设计有开关收纳器，开关收纳器的内筒采用偏心设置的隔板将其分割形成钻井液流通的主通道和收纳通道，避免装满开关器组件的对钻具内流道形成堵塞；主通道和收纳通道均采用镂空结构，便于增加钻具的流通面积，避免液体中杂质对工具可能造成的堵塞问题，同时降低了工具的整体压耗，减小了对正常钻井过程的影响；镂空部分可采用条形孔，便于液体交错流道，以增加流体面积。
附图说明

[0035] 图1为本发明所述井下循环洗井工具在下入井下就位状态的剖视结构示意图。

[0036] 图2为本发明所述井下循环洗井工具在开启时状态的剖视结构示意图。

[0037] 图3为本发明所述弹性锁扣机构的剖视示意结构图。

[0038] 图4为本发明所述锁定球进入喷嘴时未锁定状态的剖视结构示意图。

[0039] 图5为本发明所述锁定球进入喷嘴时锁定状态的剖视结构示意图。

[0040] 图6为本发明所述开关器本体的结构示意图。

[0041] 图7为本发明所述开关器本体的关闭操作示意图。

[0042] 图8为本发明所述开关器本体关闭操作后的状态示意图。

[0043] 图9为本发明所述阀座的结构示意图。

[0044] 图10为本发明所述泄压阀的结构示意图。

[0045] 图11为本发明所述内筒的结构示意图。

[0046] 图12为本发明所述内筒的俯视图。

[0047] 图13为本发明所述井下循环洗井工具的使用方法示意图（a）。

[0048] 图14为本发明所述井下循环洗井工具的使用方法示意图（b）。

[0049] 图15为本发明所述井下循环洗井工具的使用方法示意图（c）。

[0050] 图16为本发明所述井下循环洗井工具的使用方法示意图（d）。

[0051] 图17为本发明所述井下循环洗井工具的使用方法示意图（e）。

[0052] 图18为本发明所述井下循环洗井工具的使用方法示意图（f）。

[0053] 图19为本发明所述井下循环洗井工具的使用方法示意图（g）。

[0054] 图20为本发明所述井下循环洗井工具的使用方法示意图（h）。

[0055] 图21为本发明所述井下循环洗井工具的使用方法示意图（i）。

[0056] 其中，1—循环洗井工具本体，1-1—循环外套，1-101—外套通孔，1-102—喷嘴，1-103—环形槽，1-104—斜面结构，1-2—芯轴，1-201—芯轴通孔，1-202—芯轴延伸段，1-3—开关器组件，1-301—开关器本体，1-301a—球体部分，1-301b—椎体部分，1-301c—加重短柄，1-302—关阀球，1-303—锁定球；1-4—阀座，1-401—凸台结构，1-402—密封槽，1-
403—密封面，1-5—弹性锁扣机构，1-501—弹性管，1-6—弹性复位机构，
2—泄压短节，2-1—泄压阀，2-101—泄压阀座，2-102—泄压通孔，2-103—阀芯，2-
103a—球体部件，2-103b—下部通孔，2-103c—中部通孔，2-104—调整螺栓，2-105—螺母，
2-106—环形空间，2-107—弹簧机构，2-108—锥形密封面，2-109—密封部件，2-110—径向沉孔结构，
3—开关收纳器，3-1—收纳外套，3-2—内筒，3-3—隔板，3-4—主通道，3-5—收纳通道，3-6—斜面凸台，3-7—通孔，3-8—支撑板，
4—环形腔，5—密封机构，6—锁定器，6-1—旋转卡瓦，6-2—弹簧组件，6-3—转轴，6-
201—套筒，6-202—弹簧，6-203—活塞，7—上部接头，8—沉孔。

具体实施方式

[0057] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

[0058] 实施例1：本实施例涉及一种井下循环洗井工具，如图1结构所示，该井下循环洗井工具主要由依次连接的循环洗井工具本体1、泄压短节2以及开关收纳器3三部分组成，其具体结构可概括如下：
循环洗井工具本体1包括中空的循环外套1-1、套设于循环外套1-1内且中空的芯轴1-2和开关器组件1-3，其中，循环外套1-1顶部可连接上部接头7，上部接头7连接钻铤或钻杆的下部，组成钻具的一部分，循环外套1-1和上部接头7均为中空结构，其中空结构连通于钻铤或钻杆并形成钻井液流通通道，循环外套1-1的中部壳体上设外套通孔1-101，外套通孔1-
101内设可更换的喷嘴1-102，作为循环洗井时的流体通道，沿外套通孔1-101的位置在循环外套1-1的壳体内壁设环形槽1-103，环形槽1-103的宽度大于喷嘴1-102通孔的内径，其作用是能够实现工具内外流体通道的连接。芯轴1-2于循环外套1-1内轴向滑动，芯轴1-2的中空结构与钻井液流通通道保持一致，芯轴1-2的壳体上设芯轴通孔1-201，通孔尺寸位置与循环外套1-1的喷嘴1-102的位置保持一致。使用时，外套通孔1-101和芯轴通孔1-201的数量可以根据施工工艺进行适当调整，例如图1所示的，外套通孔1-101和芯轴通孔1-201的数量均设置为两个。

[0059] 如图1所示，芯轴通孔1-201下方的芯轴1-2内设置有阀座1-4，阀座1-4的内孔连通芯轴1-2内的钻井液流通通道，芯轴1-2顶部设与循环外套1-1上部壳体卡接的弹性锁扣机构1-5，芯轴1-2底部设弹性复位机构1-6，芯轴1-2通过弹性锁扣机构1-5锁定时，芯轴通孔1-201与外套通孔1-101错位设置。

[0060] 本实施例涉及的井下循环洗井工具的开关采用开关器组件1-3，包括开关器本体1-301、关阀球1-302和锁定球1-303，开关器本体1-301的弹性部件坐封于阀座1-4的内孔，并带动芯轴1-2沿循环外套1-1向下滑动至芯轴通孔1-201与外套通孔1-101连通，锁定球1-
303的直径小于芯轴通孔1-201与喷嘴1-102通孔的内径，于喷嘴1-102内设卡紧锁定球1-
303的锁定器6，关阀球1-302的直径大于芯轴通孔1-201的内径且小于阀座1-4的内孔内径，关阀球1-302作用于锁定球1-303上。

[0061] 本实施例中，泄压短节2为连接于循环外套1-1底部的中空腔体结构，其中空腔体连通循环外套1-1内的钻井液流通通道，于泄压短节2的侧壁设开口，开口内设泄压阀2-1。开关收纳器3包括收纳外套3-1和设于收纳外套3-1内的内筒3-2，收纳外套3-1连接于泄压短节2的底部，开关器本体1-301和关阀球1-302收纳于内筒3-2内，内筒3-2为镂空结构。

[0062] 实施例2：本实施例涉及实施例1所述井下循环洗井工具的使用方法。

[0063] 如实施例1所述，本实施例涉及的井下循环洗井工具配套钻具进行使用，循环外套1-1的上部接头7连接钻杆或钻铤，开关收纳器3的底部连接井下仪器。

[0064] 具体的使用方法可概括如下：（1）正常作业时：如图1所示状态，芯轴1-2通过弹性锁扣机构1-5被锁定，此时，芯轴1-2通孔与外套通孔1-101上下错位设置，工具的循环通道关闭。

[0065] （2）循环洗井时：（2.1）在地面井口向循环外套1-1内依次投入开关器本体1-301和锁定球1-303，开启钻井泵循环，开关器本体1-301的弹性部件坐封于阀座1-4的内孔后，钻井泵压力先增加后降低，同时排量增加，此时芯轴1-2沿循环外套1-1向下滑动至芯轴通孔1-201与外套通孔1-
101连通，循环通道被开启，如图2所示状态，锁定球1-303下行至循环通道时，受流体低压区吸力作用进入循环通道，当锁定球1-303到达喷嘴1-102后，并被锁定器6锁定。

[0066] （2.2）井内浆液经喷嘴1-102流入外套通孔1-101的环形槽1-103内，实现工具的自动灌浆。

[0067] （2.3）灌浆结束后，在地面井口向循环外套1-1内投入与芯轴通孔1-201数量一致的关阀球1-302，关阀球1-302下行至芯轴通孔1-201时，受流体低压力区的吸力作用，被吸附再芯轴通孔1-201处，并将其封堵密封，同时作用于锁定球1-303上而使锁定球1-303解锁，解锁后的锁定球1-303排出工具外部，并沿井眼环空上升至井口回收；随着阀座1-4上部空间压力上升到一定值后，开关器本体1-301的弹性部件受压力变形而穿过阀座1-4的内孔，开关器本体1-301和关阀球1-302均下落至内筒3-2内，芯轴1-2上行在弹性复位机构1-6的作用下恢复至锁定状态，以待下一次洗井操作。

[0068] （3）井下仪器堵塞时进行循环洗井：向循环外套1-1内依次投入开关器本体1-301和锁定球1-303，开启钻井泵循环，压力增加后后为下降，同时排量未增加，判断井下仪器堵塞，此时，继续增加钻井泵压力，以增大泄压短节2内的压力至泄压阀2-1开启，同时控制泄压短节2内的压力低于开关器本体1-301弹性部件的变形压力，使芯轴1-2下滑至循环通道开启，使锁定球1-303到达喷嘴1-102并被锁定器6锁定，然后再重复上述步骤（2.2）、（2.3），完成井下仪器堵塞时的一次洗井操作。

[0069] 实施例3：本实施例在实施例1的基础上对循环洗井工具本体1的结构进行了限定，具体包括以下内容：
如图3所示，本实施例涉及的弹性锁扣机构1-5的下端部分套接于芯轴1-2的顶部，弹性锁扣机构1-5的上端部分为割缝结构的可变径的弹性管1-501，且其上端部分的外径大于其下端部分的外径，连接弹性锁扣机构1-5上端部分与下端部分的中端部分呈倾斜结构，所述循环外套1-1的内壁上设有约束弹性锁扣机构1-5上端部分的斜面结构1-104。

[0070] 当需要打开循环通道时，芯轴1-2受力沿轴线向下滑动，同时带动弹性锁扣机构1-5向下滑动，当弹性锁扣机构1-5向下滑动时，其终端部分的倾斜结构与斜面结构1-104配合滑动，其上端部分由于是可变径的弹性管1-501，其外径受循环外套1-1内侧斜面结构1-104的约束，弹性管1-501外径减小并收拢继续向下滑动，使芯轴1-2脱离锁定状态。当需要关闭工具时，芯轴1-2向上滑动，弹性管1-501向上沿循环外套1-1内斜面结构1-104滑动，弹性管
1-501受弹力作用扩径，此时，芯轴1-2处于锁定状态。芯轴1-2的锁定状态有利于工具在轴向循环时不至于提前滑动并打开，保证了正常作业的可靠性。

[0071] 如图1所示，本实施例中，沿所述芯轴1-2的底部向下延伸设中空的芯轴延伸段1-202，芯轴延伸段1-202与芯轴1-2内径相等，芯轴延伸段1-202的外径小于的芯轴1-2外径，芯轴延伸段1-202外壁与循环外套1-1之间形成环形腔4，弹性复位机构1-6套设于环形腔4内，可采用弹簧或其他弹性机构，循环洗井工具本体1的开关依靠芯轴1-2的轴向滑动并推动弹性复位机构1-6的压缩或伸长来实现。为便于芯轴1-2滑动时，上下压力的平衡，芯轴延伸段1-202的侧壁上还设有连通环形腔4的连通孔。

[0072] 如图4、图5所示，本实施例涉及的锁定器6包括设于喷嘴1-102内的旋转卡瓦6-1和弹簧组件6-2，旋转卡瓦6-1包括随转轴6-3旋转的双向卡齿，转轴6-3固定于喷嘴1-102内；弹簧组件6-2包括设于喷嘴1-102内的套筒6-201，套筒6-201内设弹簧6-202，弹簧6-202顶部设活塞6-203，双向卡齿的内卡齿作用于活塞6-203上。

[0073] 本实施例中，喷嘴1-102可通过螺纹或其他方式连接在外套通孔1-101内，作为循环洗井时的流体通道，喷嘴1-102的更换可以由其端面设置的沉孔8配合专用工具进行拆装。喷嘴1-102内的旋转卡瓦6-1，可以在投球后使工具处于锁定打开状态。其机构的工作原理是：在工具内投入开关器本体1-301后，实现了工具（循环通道）的打开操作，此后在工具内投入一个锁定球1-303，该球的材料也为可变形材料。锁定球1-303下行至循环通孔后，受低压区吸力作用将进入径向循环通道，如图4所示。当锁定球1-303进入喷嘴1-102后，其沿径向向外的作业力将推动旋转卡瓦6-1的外卡瓦旋转，并继而推动活塞6-203与弹簧6-202压缩。旋转卡瓦6-1旋转的同时，其内卡瓦从锁定球1-303另一面将其咬合，此时由于锁定球1-303受弹簧6-202弹力以及卡瓦的双重卡紧力作用，锁定球1-303处于锁定状态，如图5所示。

[0074] 如图1所示，本实施例中，在循环外套1-1和芯轴1-2之间设密封机构5，该密封机构5对应设于循环通孔的上、下两侧。

[0075] 实施例4：本实施例在实施例3的基础上对开关器本体1-301和相关阀座1-4的结构进行了限定，具体包括以下内容：
如图6、图7、图8所示，本实施例涉及的开关器本体1-301包括球体部分1-301a、设于球体部分1-301a上部的椎体部分1-301b以及设于球体部分1-301a下部的加重短柄1-301c，球体部分1-301a为开关器本体1-301的弹性部件，其外径大于阀座1-4的内孔内径，椎体部分
1-301b和加重短柄1-301c的最大外径小于阀座1-4的内孔内径。

[0076] 如图9所示，本实施例在阀座1-4的内孔内设有环形分布的凸台结构1-401；与所述芯轴1-2接触的阀座1-4外壁设密封槽1-402，与球体部分1-301a接触的阀座1-4上设密封面1-403。

[0077] 本实施例涉及的开关器本体1-301的三个部分可做成整体结构，也可以通过螺纹等方式连接。球体部分1-301a为可变形材料组成的弹性部件，加重短柄1-301c可以为比重比变形材料较大的材料或金属。需要打开工具时，在地面井口向钻具内投入该开关器本体1-301，由于加重短柄1-301c重力加大，加快了开关器的下行速度，提高作业效率，且加重短柄1-301c外径小于阀座1-4内径，而球体部分1-301a外径大于阀座1-4内径，因此加重短柄
1-301c可以通过阀座1-4，而球体部分1-301a则坐封于阀座1-4的内孔上，以隔离了阀座1-4上下的钻具内空间。随着阀座1-4上部压力的逐渐增加，克服弹性复位机构1-6的支持力与弹性锁扣机构1-5的作用力后，芯轴1-2压缩弹性复位机构向下滑动，直到循环通道被打开。
打开状态的工具如图2所示。需要关闭工具时，在地面井口向钻具内投入与芯轴1-2上通孔数量一致的关阀球1-302。关阀球1-302下行至芯轴通孔1-201时，由于受流体低压区的吸力作用，将被吸在芯轴通孔1-201处，并将其封堵密封。开关器本体1-301上的锥体部分的斜面将有助于支撑关阀球1-302封堵到位。阀座1-4的上部钻具内空间再次被封闭，并且压力增加，芯轴1-2此时已经下行至最低位，开关器本体1-301受上部压力增加，迫使其球体部分1-
301a开始变形，压力增加到一定设定压力，球体部分1-301a变形完全穿过阀座1-4的内孔，钻具内通道再次联通，弹性复位机构复位，推动芯轴1-2上行至锁定状态，工具本体实现关闭，关闭状态的工具如图1所示。随着钻具内压力下降，关阀球1-302失去椎体部分1-301b的支撑后，由于其外径小于阀座1-4的内孔内径，将随开关器本体1-301下落至内筒3-2。

[0078] 另外，本实施例在阀座1-4的内孔设计的凸台结构1-401，其作用是防止开关器本体1-301在下降过程中受重力及惯性影响过早的击穿阀座1-4，失去开启能力，同时亦不影响阀座1-4的密封。便于在开关器本体1-301坐封与阀座1-4内孔上的密封面1-403时，该密封槽1-402亦能将阀座1-4上下的钻具空间进行密封隔离。

[0079] 实施例5：本实施例在实施例4的基础上对泄压阀2-1的结构进行了限定，具体包括以下内容：
如图10所示，本实施例涉及的泄压阀2-1包括套设于开口内的泄压阀座2-101，泄压阀座2-101内孔的一端为泄压通孔2-102，于泄压阀座2-101的内孔设阀芯2-103，阀芯2-103的顶部为密封泄压通孔2-102的球体部件2-103a（如半球状的实体结构），阀芯2-103下部与泄压阀座2-101的内孔之间套设调整螺栓2-104，阀芯2-103底部设套设于调整螺栓2-104内的螺母2-105，如六角螺母等，阀芯2-103下部内设有与外界连通的下部通孔2-103b，阀芯2-
103中部的外壁与泄压阀座2-101的内孔形成环形空间2-106，于阀芯2-103中部设垂直于下部通孔2-103b的中部通孔2-103c，中部通孔2-103c连通环形空间2-106和下部通孔2-103b，于环形空间2-106内的阀芯2-103外套设弹簧机构2-107。泄压通孔2-102与球体部件2-103a的接触面为锥形密封面2-108。泄压阀座2-101与开口的内壁之间设密封部件2-109。泄压阀座2-101的外侧端面设置有可以方便拆装更换的径向沉孔结构2-110。

[0080] 该泄压短节2的工作原理是：当泄压短节2内的高压液体通过泄压通孔2-102推动阀芯2-103上的球体部件2-103a后，经环形空间2-106进入阀芯2-103的中部通孔2-103c和下部通孔2-103b，再泄漏到泄压短节2外部，形成泄压通道。在安装使用前，可以通过调整调节螺塞的位移量来调节弹簧机构2-107的压缩量，进而调节阀芯2-103的密封压力。

[0081] 该泄压短节2的作用是：在循环洗井过程中，遇下部钻具或钻头水银堵塞时，通过投开关器本体1-301后，由于阀座1-4上下密封压力均等，不能推动芯轴1-2向下压缩弹性复位机构，压力升高至球体部分1-301a的变形压力后，开关器本体1-301变形通过阀座1-4，工具依然处于关闭状态。安装该泄压短节2后，即使下部钻具水眼堵塞，阀座1-4下部钻具内的压力升高至一定压力值时（该压力值低于球体部分1-301a的变形压力），阀芯2-103克服弹簧机构2-107的力移动，形成泄压通道，使阀座1-4下部空间压力降低后，开关器本体1-301可以推动芯轴1-2下行，并打开循环通道。因此该泄压短节2保障了本工具在钻具水眼堵塞时的顺利打开。

[0082] 实施例6：本实施例在实施例5的基础上对开关收纳器3的结构进行了限定，开关收纳器3的收纳外套3-1通过螺纹连接在泄压短节2的下部，其作用是用于接受操作工具开关的开关器本体
1-301以及关阀球1-302等机构，同时保持钻井液流道畅通。具体包括以下内容：
如图11、图12所示，本实施例涉及的内筒3-2经隔板3-3分割形成钻井液流通的主通道
3-4和收纳开关器本体1-301和关阀球1-302的收纳通道3-5，沿主通道3-4向上延伸设导向的斜面凸台3-6，主通道3-4和收纳通道3-5均呈镂空结构，内筒3-2底部设支撑板3-8，收纳通道3-5底部设有限制开关器本体1-301和关阀球1-302通过的通孔3-7。本实施例中，隔板
3-3偏心设置于内筒3-2内，保证了在装满开关器本体1-301和关阀球1-302的时候避免对钻具内流道形成的堵塞。

[0083] 实施例7：本实施例涉及实施例6所述井下循环洗井工具的使用方法。具体内容概括如下：
在将工具下钻前，在钻具内投入一个开关器本体1-301（图13），之后再投入一个锁定球
1-303，开启钻井泵循环，通过压力降判断开关器本体1-301到位，排量先增加然后降低，锁定球1-303到喷嘴1-102位（图14）。下钻，工具将实现对钻具的自动灌浆。下钻到位后，投入关阀球1-302，关阀球1-302到芯轴通孔1-201位并将锁定球1-303解锁（图15），锁定球1-303排除工具外部，并沿井眼环空上升至井口回收。阀座1-4上部压力上升到一定值，开关器本体1-301的球体部分1-301a变形，穿过阀座1-4，关阀球1-302失去支撑同时下落（图16）。开关器本体1-301与关阀球1-302下落至下部专用收纳工具，工具芯轴1-2上行回到锁定状态（图17），进行正常作业循环。当需要打开工具时，在钻具内投入一个开关器本体1-301。开启钻井泵循环，通过压力降判断开关器到位（图18），工具打开后排量增大，进行循环洗井等特殊作业。如果投入开关器本体1-301后压力增加（低于开关器本体1-301球体部分1-301a的变形压力），但是之后没有压力降，同时排量也没有增加，判断为下部钻具或钻头水眼堵塞。
此时继续增加泵冲，泵压上升至泄压短节2密封压力值后（仍低于开关器变形压力），泄压阀
2-1打开，阀座1-4下部压力减小，阀座1-4上下形成压力差，芯轴1-2下行，工具仍可正常打开。下部压力下降后，泄压短节2的泄压阀2-1自动关闭。当需要关闭工具时，在钻具内投入关阀球1-302，关阀球1-302到芯轴通孔1-201位后（图19），泵压上升。泵压增加到开关器变形压力值后开关器开始变形并穿过球座，关阀球1-302失去支撑同时下落（图20）。开关器与关阀球1-302下落至泄压短节2下部的专用收纳工具（收纳通道3-5），芯轴1-2上行回到锁定状态（图21），进行正常作业循环。

[0084] 本实施例中，也可以将开关器本体1-301、关阀球1-302、锁定球1-303等部件设置为可降解材料，完成操作后在井下收纳工具内自行降解，可以延长工具在井下的工作时间，同时减少工具设计长度。

[0085] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。

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