钻压控制式井下循环短接
技术领域
本实用新型涉及油气井开发技术领域，具体涉及一种钻压控制式井下循环短接。
背景技术
近年来，随着国内外页岩气和致密低渗油气藏的大规模开发，水平井可钻式桥塞分段多簇压裂得到广泛的应用。该项技术通过分簇式射孔和分层压裂形成复杂的裂缝网络系统，提高储层渗流率，对页岩气和致密低渗油气藏增产改造效果明显。在完成所有层段的压裂施工后，采用连续管携带磨铣工具钻磨井筒内残留桥塞，不仅可以提高施工效率节约生产成本，而且可以缩减钻塞工作液在井筒内的滞留时间，降低对储层的破坏。
国内外现有连续管钻塞工艺为：钻磨若干个桥塞后，上提至某一位置或不上提连续管，钻塞液从磨鞋水眼正向冲出，如后文附图11所示，经环空携带磨屑上返，然后重复上述流程直至全部桥塞钻磨完毕，由于金属磨屑颗粒密度高，尺寸大，上返速度Vf非常小，作业时间长，与现场期望值相差甚远。即便如此，在很多情况下，尤其是大斜度井段，仍然会有部分磨屑无法正常返出，导致现场被迫多次上提下放管柱，增加管柱疲劳损害程度和变形、卡钻风险，或采用强磁工具打捞，增加作业时间和成本。由此，大大制约了连续管钻磨桥塞技术的应用和推广。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种钻压控制式井下循环短接，能有效提高磨屑上返速度和循环效果，大大减少管柱上提次数和作业时间，降低连续管疲劳程度和井下风险，提高连续管钻塞效益。
为实现上述目的，本实用新型技术方案如下：
一种钻压控制式井下循环短接，其关键在于：包括均呈中空管状结构的上接头体和下接头体，所述下接头体通过弹性元件同轴地活套于上接头体下部，并与上接头体合围形成相互隔离的前喷流道和侧喷流道，所述下接头体侧壁上具有与侧喷流道连通的侧喷孔，该侧喷孔朝上倾斜设置，下接头体能够在外力作用下相对于上接头体轴向滑动；
所述上接头体下端通过封堵结构封闭，并在靠近下端的侧壁上设有过流孔，下接头体滑动时，所述过流孔能够选择性地与前喷流道或侧喷流道连通。
采用以上方案，当下接头体承压时弹性元件处于压缩状态，前喷流道与过流孔连通，钻具内钻井液全部通过前喷流道，乃至下部钻具射入井底，而当下接头体处于悬空状态，弹性元件处于复位状态时，侧喷流道与过流孔连通，同时因为主流道(上接头体的内腔)下端封闭，故钻具内钻井液全部通过侧喷孔向上倾斜喷至环空，从而大大提高射流冲击力和磨屑上返速度，进而提高桥塞磨屑的反排效率，且利用钻压控制，其操作相对简单便捷。
作为优选：所述上接头体包括一体成型的连接端、内筒和外筒，所述下接头体内具有沿其径向设置上封隔盘和下封隔盘，所述上封隔盘和下封隔盘与内筒的侧壁紧贴，并对应设置有动密封结构；
所述上封隔盘和下封隔盘之间的空间与所述内筒构成所述侧喷流道，所述下封隔盘下部空间与内筒构成所述前喷流道。采用内外筒设计，可有效提高上接头整体强度，以及下接头体滑动时的稳定性，同时通过动态密封结构，有利于保证当过流孔与侧喷流道连通时，其内部的压力稳定性，防止有部分流体进入前喷流道中，或不受侧喷孔的限制，影响射流速度的情况发生。
作为优选所述上接头体和下接头体之间设有限位导向结构，用于限制上接头体和下接头体产生相对转动。采用以上方案，可确保下接头体相对上接头体滑动时的可靠性，同时提高二者作为整体应用时的抗扭能力，确保二者是整体转动，而不会发生相对转动，且能够实现上部动力传递，不会影响底部磨鞋的转速。
作为优选：所述限位导向结构包括均匀分布于外筒外壁上的凸台，所述凸台沿外筒的长度方向设置，所述下接头体上端内侧具有与所述凸台配合的凹槽。采用以上方案，结构相对简洁可靠，且有利于降低生产加工成本。
作为优选：所述弹性元件为螺旋弹簧或碟簧，所述螺旋弹簧或碟簧位于内筒和外筒之间，其上下两端分别与内筒上端和上封隔盘抵接。采用以上结构，将弹性元件设置于内外筒之间，外筒可有效隔绝井底返屑进入弹性元件的安装空间内，避免对其正常伸缩造成影响，即有利于延长弹性元件的正常工作寿命。
作为优选：所述下接头体包括以可拆卸方式相连的接头上段和接头下段，所述上封隔盘与接头上段一体成型，下封隔盘与接头下段一体成型，所述侧喷孔位于接头上段上，所述接头下段的下端具有内螺纹。采用分体式的下接头体，有利于提高整体的可装配性、维修性和适用性，因为通常针对不同井眼尺寸所采用磨鞋尺寸不同，则磨鞋的连接扣也会随之变化，如此时仍采用一体式下接头体，则需要配置多种扣型，而采用分体式的下接头体，则仅仅配置多个不同扣型的接头下段，而接头下段与接头上段之间采用通用扣型连接即可，此外，当侧喷孔损坏时，也仅仅需要更换接头上段即可，相对降低使用成本。
作为优选：所述封堵结构为堵头，所述堵头的直径大于下封隔盘的内径，所述堵头以焊接或螺纹连接方式与内筒固定连接。采用以上方案，下接头体的滑动行程下止位受到堵头的限制，可有效防止下接头体从上接头体上脱落，提高其井下使用安全系数。
作为优选：所述侧喷孔侧壁上具有内螺纹。采用以上方案，可根据需要在侧喷孔内装入不同尺寸的喷嘴，以调整喷射压力和速度等参数，扩大同一短接的适用范围，同时，喷嘴处射流速度高，射流部分属于易损部件，在出现损坏后，也仅需要更换喷嘴即可，无需拆卸短节。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
采用本实用新型提供的钻压控制式井下循环短接，可通过控制钻压实现侧喷孔的开闭，无需额外操作控制，大大降低操作难度，并能够很好的传递上部动力扭矩，整体结构简单，易于加工、组装和维护，工作寿命长。使用过程中，可通过优化排量、以及测量射流配合钻具管柱上提方式进行冲洗磨屑，极大提高桥塞磨屑的上返速度和桥塞钻磨效率，降低钻塞施工作业时间和风险，提高连续管钻塞效益，特别有助于促进连续管钻磨桥塞技术的应用和推广。
附图说明
图1为本实用新型结构的爆炸图；
图2为当弹性元件处于复位状态时，本实用新型的结构示意图；
图3为图2的剖视图；
图4为当弹性元件处于承压状态时，本实用新型结构示意图；；
图5为图4的剖视图；
图6为接头上段结构示意图；
图7为接头下段结构示意图；
图8为侧向喷嘴对桥塞磨屑上返速度的影响对比图；
图9为不同孔径侧向喷嘴的射流速度对比示意图；
图10为本实用新型用于钻磨工艺动态冲洗磨屑的示意图；
图11为常规钻磨工艺流体冲洗磨屑示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。
参考图1至图10所示的钻压控制式井下循环短接，其中钻压控制式井下循环短接主要包括均大体呈中空管状结构的上接头体1和下接头体2，上接头体1和下接头体2相对活动连接，即二者可沿轴线相对滑动，并在二者之间设有弹性元件3，弹性元件3主要用于在非承压状态时辅助二者恢复原位，上接头体1的上端以及下接头体2的下端均具有用于与对应钻具连接的螺纹扣。
上接头体1主要包括连接端13、内筒14和外筒15，如图1和图3所示，连接端13、内筒14和外筒15一体成型，连接端13上具有用于与上部钻具连接的内螺纹，且连接端13、外筒15和内筒14三者的外径逐渐减小，这样使得外筒15与连接端13之间形成台阶16，内筒14的中空部分构成与上部钻具连通的主流道10，内筒14的下端设置有封堵结构11，通过封堵结构11对主流道10的下端实现封闭，内筒14的下端具有沿其周向均匀分布的过流孔12，过流孔12为开设在内筒14侧壁上与主流道10连通的通孔。
下接头体2基本活套于内筒14上，并通过内部设置的封隔结构与内筒14之间分别形成前喷流道4和侧喷流道5，封隔结构位于台阶16与封堵结构11之间，即下接头体2的滑动行程受台阶16与封堵结构11的限制，同时，下接头体2上对应侧喷流道5设有侧喷孔20，侧喷孔20沿下接头体2的周向均匀分布，需要注意的是，过流孔12与内筒14下沿之间的距离小于下接头体2的滑动行程，即当下接头体2没有反作用压力，仅受弹性元件3的作用力时，过流孔12与侧喷流道5连通，此时，主流道10内的流体全部进入侧喷流道5中，并通过侧喷孔20进入井下环空之中，反之，当下接头体2受到反作用压力，压缩弹性元件时，可使过流孔12与前喷流道4连通，此时主流道10内的流体全部进入前喷流道4中。
当然，为保证当流体经侧喷孔20进入环空时具有良好的辅助反排效果，故本申请中侧喷孔20整体朝上倾斜设置，即侧喷孔20的外端高于内端。
上述的封隔结构主要包括均呈环形盘状结构的上封隔盘23和下封隔盘24，上封隔盘23和下封隔盘24的内径均与内筒14相适应，装配完成之后二者的内壁与内筒14周向侧壁紧贴，上封隔盘23和下封隔盘24上下分布，二者之间的高度空间与内筒14的侧壁，以及下接头体2对应的内壁合围构成了前述的侧喷流道5，相应的，下封隔盘24的下部空间与内筒14则构成前喷流道4，同时，为提高前喷流道4和侧喷流道5的相对独立性，故在上封隔盘23和下封隔盘24于内筒14之间均设有动密封结构，本实施例中，采取在二者的周向内侧嵌设密封环6的方式进行密封，其结构成本相对较低，且便于后期更换。
因为使用过程中，需要确保上接头体1和下接头体2同步运动或同步停止，以达到动力传递的目的，故在上接头体1和下接头体2之间设置有相互配合的限位导向结构，具体参考图1、图3和图6，外筒15的外壁上具有沿其周向均匀分布的凸台150，凸台150沿外筒15的长度方向延伸，而下接头体2的上端内侧具有与凸台150配合的凹槽210，因此，需要注意的是，外筒15的长度需大于下接头体2的滑动行程，即使弹性元件3处于复位状态时，外筒15与下接头体2之间仍有重合部分，该重合部分内的凸台150与对应凹槽210始终处于配合状态，确保上接头体1上部传递的动力扭矩可以通过限位导向结构传递给下接头体2，且二者之间不会发生相对转动，此外，限位导向结构的设计，还可提高下接头体2轴向滑动时的平稳性和可靠性。
另外本申请中为提高扭矩传递的可靠性，故关于外筒15的长度设计、上封隔盘23与下接头体2的上沿之间距离、以及下封隔盘24的位置和封堵结构11的尺寸设计，还需满足如下关系，即当下接头体2承压，压缩弹性元件2之后，下接头体2的上沿与台阶16紧贴时，外筒15的下沿刚好与上封隔盘23的上表面紧贴，以圆形堵头为封堵结构11的实施例，其直径大于下封隔盘24的内径，当弹性元件3处于复位状态时，下封隔盘24的下表面可刚好与圆形堵头的上表面紧贴。
而堵头与内筒14之间可采用焊接固定或螺纹连接固定连接方式，焊接固定相对更牢实，而螺纹连接更便于后期进行拆装维修，亦可根据实际需要选择其他连接方式。
本申请中的弹性元件3可为螺旋弹簧或碟簧，本实施例中优选高强度螺旋弹簧，并将其设置于内筒14和外筒15之间，如图3和图5所示，安装时可将螺旋弹簧的上端固定在内筒14和外筒15之间的端面上，而下端与上封隔盘23的上表面紧贴，当然，可根据需要，在上封隔盘23上对应位置设置螺旋弹簧限位环槽，以提高对螺旋弹簧的限位，防止使用过程中螺旋弹簧移位或压缩扭曲等。
本申请中的下接头体2可采用一体式铸造结构，也可采用分体式可拆卸结构，以分体式可拆卸结构为例，其主要包括通过螺纹扣连接的接头上段21和接头下段22，如图1、图3、图5、图6和图7所示，上封隔盘23与接头上段21一体成型，而下封隔盘24则与接头下段22一体成型，接头下段22的下端具有内螺纹，侧喷孔20被构造于接头上段21上，采用此种分体式结构，主要便于后期局部更换，或与下部连接钻具搭配，降低成本等。
为进一步扩大本循环短接的适用情况，故在侧喷孔20的侧壁上加工有内螺纹，用以安装不同尺寸的喷嘴，可以有效扩大侧向射流的速度调整范围。
利用本申请钻压控制式井下循环短接进行连续管钻塞动态冲洗工艺，主要是采用上述的循环短接，其钻具组合至少包括从下至上依次螺纹连接的磨鞋、循环短接、马达、连续管接头和连续管，以及根据实际情况所连接的一些必需井下工具，如为提高安全性，在马达的上方连接震击器、液压丢手等钻具，其大体的步骤如下；
第一步，根据桥塞物性、弹性元件3的弹性系数以及下接头体2的滑动行程确定合理钻压参数，因为桥塞通常采用复合材料，过大或过小的钻压都会影响实际钻进尺寸，同时在给定钻压时，还需避免过大钻压造成上下接头体之间的轴向压力过大，长期处于过载状态等，确保循环短接处于最优的工作位置，一般现场钻压均完全满足短节使用要求。
第二步，根据井眼及钻具组合尺寸、井深等优化钻磨排量、侧喷孔20孔径(当侧喷孔20内安装有侧向喷嘴时，则此处为侧向喷嘴孔径)，并以合理钻压参数进行钻磨操作，钻压、排量优化与常规钻磨工艺优化方法相同，侧喷孔20(侧向喷嘴)孔径则根据上提循环时最大射流冲击力方式优化，该方法与钻井时钻头喷嘴尺寸优化方法类似。
第三步，钻磨N个桥塞之后(N通常为大于0的自然数，此处主要针对页岩气井下桥塞而言，其具有多个桥塞，而对于其他情形可此处可将时间和进尺变量作为参考)，上提钻具使弹性元件3处于复位状态(可根据复核悬重确定弹性元件3是否处于复位状态)，确保过流孔12与侧喷流道5连通，根据侧喷孔20(或安装的侧向喷嘴)孔径、地面额定泵压进行排量、上提管柱速度优化，并以优化后的排量进行循环，同时上提钻具实现动态冲洗，类似通过流体将磨屑从下往上扫动的状态，只要排量、上提速度和侧喷孔20(或安装的侧向喷嘴)的孔径配合得当，即可达到一次将之前磨屑反排干净的效果；
第四步，重复第二步和第三步直至完成桥塞钻磨。
即如图10所示，通过侧喷孔20(或安装的侧向喷嘴)的孔径及排量优化，得到优化后的侧向射流速度Vf，配合优化的钻具上提速度Vp，即可得到较大的环空流体速度Vf，且因为连续管的持续上提，可有效减少环空流体速度损耗，使其始终具有良好的携屑能力，可大大提高磨屑冲洗效果和效率。
其中，第三步数值N可通过地面泵的最大排量、管柱最大上提速度、钻磨速度、司钻经验等确定，并通过理论排屑量与实际井口收集排屑量进行对比进行修正，以确保更优的钻磨效率。
本申请的钻压控制式井下循环短接除了可用于连续管的钻磨桥塞工艺之外，还可以用于类似的其他井下施工，均在本申请的保护范围之内。
参考图1至图10所示钻压控制式井下循环短接，进行了如下物理模拟实验，其具体参数为50.8mm连续管，90mm井眼尺寸，桥塞磨屑密度7870Kg/m3，桥塞磨屑尺寸为16、20和40mm的混合大尺寸桥塞磨屑，井斜角为90°，流体为水，排量范围12.0-27.2m3/h，接头上段21上均匀分布有两种方案的侧向喷嘴：
方案1：接头上段21上具有6个侧喷孔20，同时各侧喷孔20内安装有的Φ15.51mm侧向喷嘴A，所有侧喷孔20的截面积之和为11.33cm2，略小于过流孔12的截面积之和；
方案2：接头上段21具有8个侧喷孔20，同时各侧喷孔20内安装有的Φ9.525mm侧向喷嘴B，所有侧喷孔20的截面积之和为5.7cm2，小于方案1中侧向喷嘴A截面积之和。
实验结果如图8和图9所示，从实验结果来看，本实用新型的循环短接可以极大提高桥塞磨屑上返速度，且射流速度越大(排量一致，喷嘴孔径截面积之和越小，射流速度越大)，磨屑上返速度越高。
当然通过侧喷孔20提高环空反排速度时，也可能存在主流道10封闭或打开两种情况，一是主流道10保持不变，仅有部分流体从侧喷孔20处冲出，此种方案设计简单，可提高一定的环空反排速度，但射流速度小，冲洗效果差；二是主流道10关闭，全部流体从侧喷孔20处冲出，即本实用新型提出的方案，此方案设计难度较大，但理论计算和室内实验均表明该方案射流速度大大提高，冲洗效果明显好于主流道10打开的方案，在前述8*Φ9.525mm侧向喷嘴B同等条件下，侧向喷嘴工作时，主流道10打开和关闭两种情况下，射流速度对比结果如下：
由此可知，在主流道10打开的情况下，侧向射流作用较小，对排屑效果提升有限，而采用本申请的结构时，其射流速度提升3倍左右，排屑效果明显加强，如果射流孔径、角度等进一步优化，排屑效果将进一步提升。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本实用新型的优选实施例，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不违背本实用新型宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本实用新型的保护范围之内。
