CN101245694B - 井下钻井液分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下钻井液分离装置，安装在钻铤与钻头之间。来自地面的高压钻井液经过钻杆和钻铤驱动钻井液分离装置的涡轮组高速旋转，并将动力通过涡轮轴传给了动态旋流器的旋转筒。旋转筒随着钻具外壳拥有一定旋转速度，在涡轮轴的带动下产生一个同向的附加旋转运动，使其转速进一步提高。从涡轮流出的钻井液在最后一级导轮的作用下获得高速的旋转运动，并沿切向流入旋转筒，经旋转栅调理后近似与旋转筒同步转动。钻井液中的重组分在离心力的作用下甩到了靠近旋转筒壁附近，并沿轴向运动到下部经底流孔和外壳上的回流孔进入钻具与井壁的环形空间上返。钻井液中的轻组分则在重组分的挤压下集中旋转筒中心轴线附近并沿轴向向下流动井收液管进入下部的钻头。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井装置，尤其涉及一种井下钻井液旋流分离装置。
背景技术
在石油钻井过程中，钻井液经钻井泵增压后，通过钻杆内孔通道直接到达钻头处，从钻头水眼喷出，携带钻井过程中产生的岩屑，沿环空返回地面。
随着石油资源开发的逐步深入，浅层油藏逐年减少，取而代之的是大量的深井和超深井，使得油井钻探日趋困难，钻井成本大幅度增高。随着钻井深度的增加，地层压力增高，为增加井壁的稳定性，避免压差卡钻，保护油气层，必须在钻井液中加入固相重组分(如重晶石)，以增大钻井液密度，从而使钻井液的液柱压力大于或等于地层压力，保证钻井作业顺利进行。但钻井液密度的增大，将导致机械钻速降低，钻头磨损明显加剧，更换钻头的周期缩短，从而增加了石油钻井的作业成本。这一问题随着钻井目标深度的增加而日趋严重。
解决上述问题的方法是在钻铤和钻头之间安装固—液两相分离器，钻井液沿切向进入静态旋流分离器并获得高速旋转运动，使钻井液在井下通过钻头之前进行固相分离，使高密度、高固相含量、高粘度的重钻井液通过它的上喷嘴提前射入环形空间，从而减少井底的液柱压力；让分离后的低密度、低固相含量、低粘度的钻井液通过钻头水眼冲刷井底。这样就改善了钻头的工作环境，提高井底射流的破岩和清除岩屑的能力，延长钻头的使用寿命，提高机械钻速，缩短建井周期。
采用静态旋流分离器虽然可以获得一定的分离效果，但由于钻井液流量大，在分离器中停留的时间短，分离效果不是很明显，而且由于钻柱空间有限，分离器倾斜安装，重组分的出口会使转矩获得一个不平衡的径向力，从而影响井眼的质量。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于动态旋流分离器的井下钻井液分离装置，既能够有效改善钻头的工作环境，提高钻进的速度，又能够充分利用分离器侧向对称喷嘴射流作用，在井底造成一定的负压，增强井底岩屑的清除效果和携带能力，具有结构简单、能耗低、效果好、径向力平衡且自动对中的优点。
为实现上述目的，本发明的总体构思是利用来自上部钻铤的高压钻井液驱动涡轮，并通过涡轮轴带动旋转筒高速旋转，使从涡轮组流出的钻井液在连续旋转动力的驱动下保持高速旋转，借助于离心力将钻井液中的重组份分离出去，剩下的轻组份经钻头水眼喷射到井底携带岩屑上返，并在环形空间再次与重组份钻井液混合。采用该装置不仅可以减少重组份钻井液对钻头的影响，提高钻井速度，降低钻井成本，而且能够保证井筒内具有适当的工作压力。
本发明采用的技术方案是在钻铤和钻头之间设置一个独立的动态钻井液分离装置。该装置由外壳总成、涡轮组总成、动态旋流分离器总成和支撑系统总成四部分组成：上接头通过上联接套，下接头通过下联接套分别与壳体相联，构成装置的外壳总成；涡轮轴、涡轮和导轮构成了涡轮组总成，其中导轮与壳体固联，涡轮与涡轮轴固联；旋转筒、旋转栅和收液管构成的动态旋流分离器总成，通过螺纹与涡轮轴固联并随之旋转；轴向止推轴承、轴向止推轴承座、径向扶正轴承和径向扶正轴承座构成了支撑系统总成，将涡轮轴和旋转筒支撑在外壳总成内并使其可以自由旋转。
在轴向止推轴承座上沿圆周方向均布4个斜向小孔，作为钻井液的通道。来自钻铤内腔的钻井液经上接头和轴向止推轴承座进入涡轮组的上腔，驱动涡轮和涡轮轴旋转，并通过涡轮轴把动力传给旋转筒，使旋转筒中的钻井液随之高速旋转。在离心力的作用下高密度、高固相含量、高粘度的重钻井液被沉降到靠近旋转筒壁的环形空间内，通过其上的4个均布小孔、旋转筒外腔和壳体上均布向上倾斜的4个喷嘴射入钻具与井筒的环形空间。安装在壳体上的喷嘴与轴线之间具有45°～60°的夹角，且相对于轴线呈对称分布，喷嘴的直径为4～6mm。分离后剩下的低密度、低固相含量、低粘度的轻质钻井液通过收液管进入钻头水眼冲刷井底后返回到钻具与井筒的环形空间，并与喷嘴喷出的钻井液汇合共同上返出井眼。外腔通道和下腔通道综合水力半径之比为1∶4～1∶6。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
(1)系统利用旋转筒的高速旋转实现钻井液的动态旋流分离，分离效率高，能量损耗少，对地面设备的影响小。在旋转筒的入口处设计有旋转栅，不仅能够保证流体流动的稳定，使得轻重组分易于分离，而且可以进一步吸收来自于导轮钻井液的旋转动能。
(2)系统结构采用对称设计，避免了现有钻井液分离装置在过程中产生的径向不平衡力对井眼质量的影响。
(3)壳体上的喷嘴圆轴对称分布，在保证喷射反作用力平衡的基础上，还具有自动对中的功能，从而进一步提高了钻井质量。另外，由于喷嘴采用向上倾斜的设计方案，将在井底产生一定的负压，便于井底岩屑的清除，加快钻头的钻进速度。
附图说明
附图是本发明的结构示意图。
图中：1-上接头，2-轴向止推轴承座，3-上联接套，4-轴向止推轴承，5-涡轮轴，6-导轮，7-涡轮，8-旋转栅，9-旋转筒，10-壳体，11-收液管，12-径向扶正轴承座，13-喷嘴，14-径向扶正轴承，15-下联接套，16-下接头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如附图所示，该装置置于钻铤和钻头之间，由外壳总成、涡轮组总成、动态旋流分离器总成和支撑系统总成四部分组成：上接头1通过上联接套3、下接头16通过下联接套15分别与壳体10相联，构成装置的外壳总成；涡轮轴5、涡轮7和导轮6构成了涡轮组总成，其中导轮6与壳体10固联，涡轮7与涡轮轴5固联；旋转筒9、旋转栅8和收液管11构成的动态旋流分离器总成，通过螺纹与涡轮轴5固联并随之旋转；轴向止推轴承4、轴向止推轴承座2、径向扶正轴承14和径向扶正轴承座12构成了支撑系统总成，轴向止推轴承座2和轴向止推轴承4安装于上接头1与壳体10连接处，径向扶正轴承座12和径向扶正轴承14安装于下接头16和壳体10连接处，将涡轮轴5和旋转筒9支撑在外壳总成内并使其可以自由旋转。
在轴向止推轴承座2上沿圆周方向均布4个斜向小孔，作为钻井液的通道，使钻铤的内腔与涡轮组上腔导通。在旋转筒9的下部设计有4个径向小孔，在壳体10的下部设计有4个向上倾斜的喷嘴13，使得旋转筒9内腔、外腔以及壳体10的外腔相互导通。安装在壳体上的喷嘴与轴线之间具有45°～60°的夹角，且相对于轴线呈对称分布，喷嘴的直径为4～6mm。壳体10和旋转筒9构成外腔通道，收液管11内腔形成下腔通道，外腔通道和下腔通道综合水力半径之比为1∶4～1∶6。
本发明的工作流程如下：来自钻铤内腔的钻井液经上接头1和轴向止推轴承座2进入涡轮组的上腔，驱动涡轮7和涡轮轴5旋转，并通过涡轮轴5把动力传递给旋转筒9，使旋转筒9中的钻井液随之高速旋转。在离心力的作用下高密度、高固相含量、高粘度的重钻井液被沉降到靠近旋转筒9壁面的环形区域内，通过其上的小孔通道、旋转筒9外腔和壳体10上均布的4个喷嘴13射入钻具与井筒的环形空间；分离后剩下的低密度、低固相含量、低粘度的轻质钻井液通过收液管11进入钻头水眼冲刷井底后返回到钻具与井筒的环形空间，并与喷嘴13喷出的钻井液汇合后一同上返出井眼。
[0020] 本发明采用钻井液驱动涡轮组作为分离装置的动力来源，附加设备少，结构简单可靠，便于加工制造，相关的技术相对成熟，加工生产成本低。
Claims (4)
1.一种井下钻井液分离装置，安装于钻铤和钻头之间，包括外壳总成、涡轮组总成、分离器总成、支撑系统总成，其特征在于：外壳总成由上接头(1)、下接头(16)分别通过上联接套(3)和下联接套(15)与壳体(10)用螺纹联接构成，上下接头处于外壳的两端，壳体(10)的下部设有4个向上倾斜的喷嘴(13)；涡轮组总成由涡轮轴(5)、涡轮(7)和导轮(6)组成，导轮(6)与壳体(10)固联，涡轮(7)固联在涡轮轴(5)上；分离器总成由旋转筒(9)、旋转栅(8)和收液管(11)构成，旋转栅(8)用螺纹固联在涡轮轴(5)上，旋转筒(9)下部设有4个径向小孔；支撑系统总成由轴向止推轴承座(2)、轴向止推轴承(4)、径向扶正轴承座(12)、径向扶正轴承(14)构成，轴向止推轴承座(2)和轴向止推轴承(4)安装于上接头(1)与壳体(10)连接处，径向扶正轴承座(12)、径向扶正轴承(14)安装于下接头(16)和壳体(10)连接处，轴向止推轴承座(2)上沿圆周方向均布4个斜向小孔，涡轮轴(5)、旋转栅(8)、旋转筒(9)和径向扶正轴承座(12)固联形成转子总成，并通过轴向止推轴承(4)和径向扶正轴承(14)与外壳总成相联，收液管(11)与下接头(16)通过螺纹固联。
2.根据权利要求1所述的井下钻井液分离装置，其特征在于所述的壳体(10)上的喷嘴(13)与轴线之间具有45°～60°的夹角，且相对于轴线呈对称分布。
3.根据权利要求1所述的井下钻井液分离装置，其特征在于所述的壳体(10)上的喷嘴(13)的直径为4～6mm。
4.根据权利要求1所述的井下钻井液分离装置，其特征在于：壳体(10)和旋转筒(9)构成外腔通道，收液管(11)内腔形成下腔通道，外腔通道和下腔通道综合水力半径之比为1∶4～1∶6。
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