一种油气井遥控多次开关旁通装置与方法

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1.本发明涉及一种井下工具，具体是一种油气井遥控多次开关旁通装置及其方法，属于机械工程或钻井工程技术领域。

背景技术：

2.石油天然气是影响国民经济的重要资源，其钻采过程的高效性和安全性一直是业界关心的重点。经过多年的发展，油气钻采已逐步转身深部地层，深井超深井数量不断增加。在深井超深井钻井过程中，存在着诸多难题，例如井眼尺寸变小易导致钻柱断裂、起下钻时间长、机械钻速低等。
3.为适应不同钻井工艺的需求以及井控工艺的需求，钻井过程中常用到旁通阀，以实现对不同工艺状态下井筒中流体的合理控制。然而，深井中的旁通装置的安装或更换需要起下钻，使得非生产时间长而导致钻井效率低。因此，有必要研发油气钻采中的多次开关旁通装置，从而节约非生产时间。现有多次开关旁通装置的原理主要基于投球等方式，有必要在现有技术结构的基础上研制新型结构的旁通装置。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于：提出一种油气井遥控多次开关旁通装置与方法，用于形成不同的钻井液循环状态，从而丰富钻井提速的工艺需求和井控中钻井液循环工艺的需求。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一种油气井遥控多次开关旁通装置，包括壳体、上芯轴、中芯轴、旋转头和下芯轴、浮动块、第一密封块、第二密封块和销钉，所述上芯轴与中芯轴、中芯轴与下芯轴间均通过螺纹连接；所述壳体内设有固定头；所述上芯轴包括上芯轴大径段和上芯轴小径段，所述上芯轴大径段和上芯轴小径段间形成上芯轴台阶面，在所述上芯轴台阶面与固定头间设有复位弹簧，所述上芯轴大径段与壳体的内壁间设有密封圈；所述旋转头为圆筒状；所述下芯轴包括下芯轴上小径段、下芯轴中大径段和下芯轴下小径段，所述下芯轴上小径段与下芯轴中大径段间形成下芯轴外台阶，所述下芯轴上小径段穿过旋转头，所述旋转头的下端与下芯轴外台阶间设有止推轴承，所述下芯轴上还设有下芯轴限位槽，所述壳体上通过螺纹连接有限位块，限位块的一端嵌入下芯轴限位槽内用于阻止下芯轴相对壳体转动；所述下芯轴下小径段与壳体内壁间设有浮动块、第一密封块和第二密封块，所述第一密封块和第二密封块均通过销钉限制相对于壳体的轴向移动，所述第一密封块和第二密封块与壳体内壁间均设有密封圈。
7.所述壳体上设有壳体旁通孔、限位块安装孔、压力平衡孔和密封块固定销孔；所述中芯轴上设有驱动凸块，所述驱动凸块上设有驱动滑面和侧滑面；所述旋转头上设有旋转控制楞、旋转头纵向滑面、旋转头环向滑面和旋转头侧孔；所述下芯轴还设有下芯轴旁通孔和下芯轴泥浆流道；所述固定头包括固定头第一环向滑面、固定头第二环向滑面、固定头纵向台阶面、固定头纵向滑面和固定头纵向槽。
8.所述壳体旁通孔、旋转头侧孔、下芯轴旁通孔、旋转控制楞和固定头纵向槽的数量相等。
9.在所述旁通装置安装好后，所述壳体旁通孔、旋转头侧孔和下芯轴旁通孔对齐，所述旋转控制楞位于固定头纵向槽内，所述浮动块设于压力平衡孔上方，所述下芯轴泥浆流道设于第一密封块和第二密封块之间，所述下芯轴的下端为封闭状态。
10.所述壳体的下端设有下接头。
11.一种油气井遥控多次开关旁通装置的方法，所述旁通装置安装于油气钻柱的中间，由上部钻柱传递的钻压和扭矩经壳体和下接头传向下部钻柱；由上芯轴台阶面、壳体内壁、上芯轴外壁、中芯轴外壁、下芯轴外壁和浮动块上端面所形成的腔体通过壳体旁通孔与钻柱和井壁形成的钻柱外环空连通，使得所述腔体与所述外环空压力相等；当钻柱中的钻井液未循环时，所述壳体旁通孔、旋转头侧孔和下芯轴旁通孔对齐，钻柱内和钻柱外的钻井液连通，上芯轴、中芯轴、旋转头、下芯轴和浮动块相对壳体静止，由于下芯轴泥浆流道位于第一密封块和第二密封块之间且下芯轴的下端为封闭状态，钻柱内的钻井液无法通过下芯轴泥浆流道流向下部钻柱；当开启泥浆泵使钻柱中的钻井液循环时，钻柱内的钻井液为高压而所述腔体中钻井液为低压，钻井液驱动上芯轴、中芯轴和下芯轴向下运动并同步压缩复位弹簧，下芯轴的轴向移动使下芯轴泥浆流道位于第二密封块下方，钻柱内的钻井液可通过下芯轴泥浆流道流向下部钻柱；在第一次开启泥浆泵后，所述轴向移动的中芯轴上的驱动凸块通过驱动滑面下压旋转控制楞，所述旋转控制楞沿固定头纵向槽向下滑动，所述旋转头纵向滑面沿固定头纵向滑面滑动，当所述旋转控制楞的顶点滑过固定头纵向滑面的下端点时，所述旋转头环向滑面将沿固定头第二环向滑面滑动直到滑至固定头纵向台阶面；关闭泥浆泵，所述旋转控制楞被固定头第二环向滑面限制无法回到固定头纵向槽，所述复位弹簧处于压缩状态，壳体旁通孔、旋转头侧孔和下芯轴旁通孔未对齐，钻柱内的钻井液无法通过旁通装置流向钻柱外而只能通过钻柱流向钻头并流向钻柱外环空；第二次开启泥浆泵，钻井液压差作用下上芯轴、中芯轴和下芯轴再次向下移动，所述驱动凸块作用于旋转头环向滑面并使所述旋转头纵向滑面沿固定头纵向台阶面滑动直到滑脱，所述旋转控制楞的上端面沿固定头第一环向滑面滑动；第二次关闭泥浆泵，所述旋转控制楞滑至固定头纵向槽，恢复至第一次开启泥浆泵前的状态，形成状态的闭环。
12.进一步的，在压力平衡孔上方设置浮动块，可使下芯轴移动时带动浮动块微幅移动，从而扰动由浮动块下表面、第一密封块上表面、下芯轴外壁和壳体内壁所形成腔体的流体，避免泥砂堆积。
13.与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)通过打开和关闭泥浆泵实现旁通装置不同状态的切换，且不同状态间的切换时无需将钻柱起出井眼；(2)本装置无电子元器件，可适用于高温高压等环境。
附图说明
14.图1为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置的结构示意图；
15.图2为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置的另一结构示意图；
16.图3为图1中的a-a剖面示意图；
17.图4为图1中的b-b剖面示意图；
18.图5为图1中的c-c剖面示意图；
19.图6为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置中的壳体的结构示意图；
20.图7为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置中的上芯轴的结构示意图；
21.图8为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置中的中芯轴的结构示意图；
22.图9为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置中的旋转头的结构示意图；
23.图10为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置中的旋转头的另一结构示意图；
24.图11为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置中的下芯轴的结构示意图；
25.图12为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置中的限位块的结构示意图；
26.图13为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置中的固定头的结构示意图；
27.图14为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置中的固定头的另一结构示意图；
28.图15为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置第一次开启泥浆泵时中芯轴上的驱动凸块推动旋转头沿固定头纵向槽下移的结构示意图；
29.图16为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置第一次开启泥浆泵时中芯轴上的驱动凸块刚开始推动旋转头纵向滑面沿固定头纵向滑面滑动的结构示意图；
30.图17为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置第一次开启泥浆泵时旋转头环向滑面将沿固定头第二环向滑面滑动直到滑至固定头纵向台阶面的结构示意图；
31.图18为本发明一种油气井遥控多次开关旁通装置第二次开启泥浆泵时中芯轴上的驱动凸块作用于旋转头环向滑面并使所述旋转头纵向滑面沿固定头纵向台阶面滑脱瞬间的结构示意图；
32.图中：1-壳体，1a-壳体旁通孔，1b-限位块安装孔，1c-压力平衡孔，1d-密封块固定销孔，2-密封圈，3-复位弹簧，4-上芯轴，4a-上芯轴大径段4b-上芯轴小径段，4c-上芯轴台阶面，5-中芯轴，5a-驱动凸块，5b-驱动滑面，5c-侧滑面，6-旋转头，6a-旋转控制楞，6b-旋转头纵向滑面，6c-旋转头环向滑面，6d-旋转头侧孔，7-止推轴承，8-下芯轴，8a-下芯轴上小径段，8b-下芯轴中大径段，8c-下芯轴下小径段，8d-下芯轴外台阶，8e
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下芯轴限位槽，8f-下芯轴旁通孔，8g-下芯轴泥浆流道，9-限位块，10-浮动块，11-第一密封块，12-第二密封块，13-销钉，14-下接头，15-固定头，15a-固定头第一环向滑面， 15b-固定头第二环向滑面，15c-固定头纵向台阶面，15d-固定头纵向滑面，15e-固定头纵向槽。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明做进一步说明。
34.实施例：
35.一种油气井遥控多次开关旁通装置，包括壳体1、上芯轴4、中芯轴5、旋转头6和下芯轴8、浮动块10、第一密封块11、第二密封块12和销钉13，所述上芯轴4与中芯轴5、中芯轴5与下芯轴8间均通过螺纹连接；所述壳体1内设有固定头15；所述上芯轴4包括上芯轴大径段4a和上芯轴小径段4b，所述上芯轴大径段4a和上芯轴小径段4b间形成上芯轴台阶面4c，在所述上芯轴台阶面4c与固定头15间设有复位弹簧3，所述上芯轴大径段4a与壳体1的内壁间设有密封圈2；所述旋转头6为圆筒状；所述下芯轴8包括下芯轴上小径段8a、下芯轴中大径段8b和下芯轴下小径段8c，所述下芯轴上小径段8a与下芯轴中大径段8b间形成下芯轴外台阶8d，所述下芯轴上小径段8a穿过旋转头6，所述旋转头 6的下端与下芯轴外台阶8d间设有
止推轴承7，所述下芯轴8上还设有下芯轴限位槽8e，所述壳体1上通过螺纹连接有限位块9，限位块9的一端嵌入下芯轴限位槽8e内用于阻止下芯轴8相对壳体1转动；所述下芯轴下小径段8c与壳体1内壁间设有浮动块10、第一密封块11和第二密封块12，所述第一密封块11和第二密封块12均通过销钉13限制相对于壳体1的轴向移动，所述第一密封块11和第二密封块12与壳体1内壁间均设有密封圈 2。
36.所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置，所述壳体1上设有壳体旁通孔1a、限位块安装孔1b、压力平衡孔1c和密封块固定销孔1d；所述中芯轴5上设有驱动凸块5a，所述驱动凸块5a上设有驱动滑面5b和侧滑面5c；所述旋转头6上设有旋转控制楞6a、旋转头纵向滑面6b、旋转头环向滑面6c和旋转头侧孔6d；所述下芯轴8还设有下芯轴旁通孔8f 和下芯轴泥浆流道8g；所述固定头15包括固定头第一环向滑面15a、固定头第二环向滑面 15b、固定头纵向台阶面15c、固定头纵向滑面15d和固定头纵向槽15e。
37.所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置，所述壳体旁通孔1a、旋转头侧孔6d、下芯轴旁通孔8f、旋转控制楞6a和固定头纵向槽15e的数量相等。
38.所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置，在所述旁通装置安装好后，所述壳体旁通孔1a、旋转头侧孔6d和下芯轴旁通孔8f对齐，所述旋转控制楞6a位于固定头纵向槽15e 内，所述浮动块10设于压力平衡孔1c上方，所述下芯轴泥浆流道8g设于第一密封块11 和第二密封块12之间，所述下芯轴8的下端为封闭状态。
39.所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置，所述壳体1的下端设有下接头14。
40.所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置的方法，所述旁通装置安装于油气钻柱的中间，由上部钻柱传递的钻压和扭矩经壳体1和下接头14传向下部钻柱；由上芯轴台阶面 4c、壳体1内壁、上芯轴4外壁、中芯轴5外壁、下芯轴8外壁和浮动块10上端面所形成的腔体通过壳体旁通孔1a与钻柱和井壁形成的钻柱外环空连通，使得所述腔体与所述外环空压力相等；当钻柱中的钻井液未循环时，所述壳体旁通孔1a、旋转头侧孔6d和下芯轴旁通孔8f对齐，钻柱内和钻柱外的钻井液连通，上芯轴4、中芯轴5、旋转头6、下芯轴8 和浮动块10相对壳体静止，由于下芯轴泥浆流道8g位于第一密封块11和第二密封块12 之间且下芯轴8的下端为封闭状态，钻柱内的钻井液无法通过下芯轴泥浆流道8g流向下部钻柱；当开启泥浆泵使钻柱中的钻井液循环时，钻柱内的钻井液为高压而所述腔体中钻井液为低压，钻井液驱动上芯轴4、中芯轴5和下芯轴8向下运动并同步压缩复位弹簧3，下芯轴8的轴向移动使下芯轴泥浆流道8g位于第二密封块12下方，钻柱内的钻井液可通过下芯轴泥浆流道8g流向下部钻柱；在第一次开启泥浆泵后，所述轴向移动的中芯轴5 上的驱动凸块5a通过驱动滑面5b下压旋转控制楞6a，所述旋转控制楞6a沿固定头纵向槽15e向下滑动，所述旋转头纵向滑面6b沿固定头纵向滑面15d滑动，当所述旋转控制楞 6a的顶点滑过固定头纵向滑面15d的下端点时，所述旋转头环向滑面6c将沿固定头第二环向滑面15b滑动直到滑至固定头纵向台阶面15c；关闭泥浆泵，所述旋转控制楞6a被固定头第二环向滑面15b限制无法回到固定头纵向槽15e，所述复位弹簧3处于压缩状态，壳体旁通孔1a、旋转头侧孔6d和下芯轴旁通孔8f未对齐，钻柱内的钻井液无法通过旁通装置流向钻柱外而只能通过钻柱流向钻头并流向钻柱外环空；第二次开启泥浆泵，钻井液压差作用下上芯轴4、中芯轴5和下芯轴8再次向下移动，所述驱动凸块5a作用于旋转头环向滑面6c并使所述旋转头纵向滑面6b沿固定头纵向台阶面15c滑动直到滑脱，所述旋转控制楞6a的上端面沿固定头第一环向滑面15a滑动；第二
次关闭泥浆泵，所述旋转控制楞6a滑至固定头纵向槽15e，恢复至第一次开启泥浆泵前的状态，形成状态的闭环。
41.进一步的，在压力平衡孔1c上方设置浮动块10，可使下芯轴8移动时带动浮动块10 微幅移动，从而扰动由浮动块10下表面、第一密封块11上表面、下芯轴8外壁和壳体1 内壁所形成腔体的流体，避免泥砂堆积。
42.以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所做出的等同变化与修改，均属于本发明系统的保护范围。

技术特征：

1.一种油气井遥控多次开关旁通装置，包括壳体(1)、上芯轴(4)、中芯轴(5)、旋转头(6)和下芯轴(8)、浮动块(10)、第一密封块(11)、第二密封块(12)和销钉(13)，其特征在于，所述上芯轴(4)与中芯轴(5)、中芯轴(5)与下芯轴(8)间均通过螺纹连接；所述壳体(1)内设有固定头(15)；所述上芯轴(4)包括上芯轴大径段(4a)和上芯轴小径段(4b)，所述上芯轴大径段(4a)和上芯轴小径段(4b)间形成上芯轴台阶面(4c)，在所述上芯轴台阶面(4c)与固定头(15)间设有复位弹簧(3)，所述上芯轴大径段(4a)与壳体(1)的内壁间设有密封圈(2)；所述旋转头(6)为圆筒状；所述下芯轴(8)包括下芯轴上小径段(8a)、下芯轴中大径段(8b)和下芯轴下小径段(8c)，所述下芯轴上小径段(8a)与下芯轴中大径段(8b)间形成下芯轴外台阶(8d)，所述下芯轴上小径段(8a)穿过旋转头(6)，所述旋转头(6)的下端与下芯轴外台阶(8d)间设有止推轴承(7)，所述下芯轴(8)上还设有下芯轴限位槽(8e)，所述壳体(1)上通过螺纹连接有限位块(9)，限位块(9)的一端嵌入下芯轴限位槽(8e)内用于阻止下芯轴(8)相对壳体(1)转动；所述下芯轴下小径段(8c)与壳体(1)内壁间设有浮动块(10)、第一密封块(11)和第二密封块(12)，所述第一密封块(11)和第二密封块(12)均通过销钉(13)限制相对于壳体(1)的轴向移动，所述第一密封块(11)和第二密封块(12)与壳体(1)内壁间均设有密封圈(2)。2.根据权利要求1所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置，其特征在于，所述壳体(1)上设有壳体旁通孔(1a)、限位块安装孔(1b)、压力平衡孔(1c)和密封块固定销孔(1d)；所述中芯轴(5)上设有驱动凸块(5a)，所述驱动凸块(5a)上设有驱动滑面(5b)和侧滑面(5c)；所述旋转头(6)上设有旋转控制楞(6a)、旋转头纵向滑面(6b)、旋转头环向滑面(6c)和旋转头侧孔(6d)；所述下芯轴(8)还设有下芯轴旁通孔(8f)和下芯轴泥浆流道(8g)；所述固定头(15)包括固定头第一环向滑面(15a)、固定头第二环向滑面(15b)、固定头纵向台阶面(15c)、固定头纵向滑面(15d)和固定头纵向槽(15e)。3.根据权利要求2所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置，其特征在于，所述壳体旁通孔(1a)、旋转头侧孔(6d)、下芯轴旁通孔(8f)、旋转控制楞(6a)和固定头纵向槽(15e)的数量相等。4.根据权利要求2所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置，其特征在于，在所述旁通装置安装好后，所述壳体旁通孔(1a)、旋转头侧孔(6d)和下芯轴旁通孔(8f)对齐，所述旋转控制楞(6a)位于固定头纵向槽(15e)内，所述浮动块(10)设于压力平衡孔(1c)上方，所述下芯轴泥浆流道(8g)设于第一密封块(11)和第二密封块(12)之间，所述下芯轴(8)的下端为封闭状态。5.根据权利要求1所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置，其特征在于，所述壳体(1)的下端设有下接头(14)。6.根据权利要求1-4所述的一种油气井遥控多次开关旁通装置的方法，其特征在于，所述旁通装置安装于油气钻柱的中间，由上部钻柱传递的钻压和扭矩经壳体(1)和下接头(14)传向下部钻柱；由上芯轴台阶面(4c)、壳体(1)内壁、上芯轴(4)外壁、中芯轴(5)外壁、下芯轴(8)外壁和浮动块(10)上端面所形成的腔体通过壳体旁通孔(1a)与钻柱和井壁形成的钻柱外环空连通，使得所述腔体与所述外环空压力相等；当钻柱中的钻井液未循环时，所述壳体旁通孔(1a)、旋转头侧孔(6d)和下芯轴旁通孔(8f)对齐，钻柱内和钻柱外的钻井液连通，上芯轴(4)、中芯轴(5)、旋转头(6)、下芯轴(8)和浮动块(10)相对壳体静止，由于下芯
轴泥浆流道(8g)位于第一密封块(11)和第二密封块(12)之间且下芯轴(8)的下端为封闭状态，钻柱内的钻井液无法通过下芯轴泥浆流道(8g)流向下部钻柱；当开启泥浆泵使钻柱中的钻井液循环时，钻柱内的钻井液为高压而所述腔体中钻井液为低压，钻井液驱动上芯轴(4)、中芯轴(5)和下芯轴(8)向下运动并同步压缩复位弹簧(3)，下芯轴(8)的轴向移动使下芯轴泥浆流道(8g)位于第二密封块(12)下方，钻柱内的钻井液可通过下芯轴泥浆流道(8g)流向下部钻柱；在第一次开启泥浆泵后，所述轴向移动的中芯轴(5)上的驱动凸块(5a)通过驱动滑面(5b)下压旋转控制楞(6a)，所述旋转控制楞(6a)沿固定头纵向槽(15e)向下滑动，所述旋转头纵向滑面(6b)沿固定头纵向滑面(15d)滑动，当所述旋转控制楞(6a)的顶点滑过固定头纵向滑面(15d)的下端点时，所述旋转头环向滑面(6c)将沿固定头第二环向滑面(15b)滑动直到滑至固定头纵向台阶面(15c)；关闭泥浆泵，所述旋转控制楞(6a)被固定头第二环向滑面(15b)限制无法回到固定头纵向槽(15e)，所述复位弹簧(3)处于压缩状态，壳体旁通孔(1a)、旋转头侧孔(6d)和下芯轴旁通孔(8f)未对齐，钻柱内的钻井液无法通过旁通装置流向钻柱外而只能通过钻柱流向钻头并流向钻柱外环空；第二次开启泥浆泵，钻井液压差作用下上芯轴(4)、中芯轴(5)和下芯轴(8)再次向下移动，所述驱动凸块(5a)作用于旋转头环向滑面(6c)并使所述旋转头纵向滑面(6b)沿固定头纵向台阶面(15c)滑动直到滑脱，所述旋转控制楞(6a)的上端面沿固定头第一环向滑面(15a)滑动；第二次关闭泥浆泵，所述旋转控制楞(6a)滑至固定头纵向槽(15e)，恢复至第一次开启泥浆泵前的状态，形成状态的闭环。

技术总结

本发明公开了一种油气井遥控多次开关旁通装置，包括壳体、上芯轴、中芯轴、旋转头和下芯轴、浮动块、第一密封块、第二密封块和销钉，所述壳体内设有固定头；初始状态，旁通装置内的钻井液与钻柱外环空连通；当开启泥浆泵时，钻井液驱动上芯轴、中芯轴和下芯轴向下移动，中芯轴上的驱动凸块驱动旋转头轴向移动，当旋转头上的旋转控制楞脱离固定头纵向槽时，旋转头相对固定头转动，在此过程中旁通装置内的钻井液无法与钻柱外环空连通，关闭泥浆泵后旁通装置维持该状态；当再次开启泥浆泵然后关闭泥浆泵时，旁通装置将恢复至初始状态，旁通装置内的钻井液可与钻柱外环空连通；本装置可实现不起下钻便可完成旁通装置不同状态切换的目的。的。的。