CN101487385B - 一种降低当量循环密度的井下工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于油气田钻井中降低当量循环密度的井下工具，属于油气田钻井的配套装置。它能提高窄密度窗口钻井可操作性，降低钻井液当量循环密度，防止产层破裂井眼扩大。其技术方案是：该工具从上至下由螺杆马达、挠轴体、螺杆泵、密封短节、研磨短节构成，该工具连接在钻柱上随钻柱向下移动；螺杆马达上部与钻柱用螺纹连接，下部与螺杆泵转子通过挠轴体连接；螺杆泵定子下部与密封短接用螺纹连接；研磨短节安装在密封短节以下的钻柱上；在螺杆马达的上部的钻柱上选择性地安装一个喷嘴短节。该井下工具可有效防止地层破裂，避免钻井泥浆漏失造成的钻井停工，拓宽钻井泥浆密度的选择范围，减少喷、塌、卡事故的发生。

Description

一种降低当量循环密度的井下工具

技术领域

本发明涉及一种用于油气田钻井中降低当量循环密度的井下工具，属于石油、天然气钻井的配套装置，是一种可应用于易发生喷、塌、卡事故的窄密度窗口钻井工况的的特殊工具。

技术背景

在油气田钻井中，地层岩石存在临界坍塌压力和破裂压力。通常情况下，要求已钻井中钻井泥浆形成的压力介于坍塌压力和破裂压力之间，否则井眼岩石容易出现坍塌和破裂，从而引发喷、塌、卡事故。

钻井工作者习惯使用等效密度液体产生的液柱压力来描述坍塌压力和破裂压力；坍塌压力和破裂压力数值的差值通常称之为压力窗口，并常用等效密度来表示，常简称为密度窗口。施工时要求钻井泥浆的当量循环密度(表征钻井泥浆的流体静压力和钻井泥浆流动时造成的环空摩擦压降之和)介于该密度窗口之间，以确保钻井安全。

在部分深井中，密度窗口很窄且钻井泥浆的当量循环密度靠近破裂压力曲线。这种情况下钻井泥浆容易压裂地层引起泥浆漏失造成钻井停工，因此必须减小钻井泥浆的当量循环密度，使当量循环密度介于密度窗口的中值附近，以提高窄密度窗口工况下钻井的可操作性。

减少钻井泥浆粘度可以降低其当量循环密度，但钻井泥浆必须要完成携岩任务，因此该方法在实践中很少用到。

根据地层要求不同，现场有四种降低循环液压耗的方式：(1)减少加重剂，直接降低钻井泥浆密度；(2)充入一定量的气体；(3)掺入玻璃微珠；(4)使用双梯度钻井工艺。在上述方法中，第一种最直接，但该方法对某些地层和工艺的适应性很差，后三种实施费用昂贵，需要额外的配套设备。

发明内容

本发明的目的是：为解决现有技术的不足，防止钻井泥浆当量循环密度过大而引起产层破裂、井眼扩大等问题，特提供一种降低当量循环密度的井下工具。

为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种降低当量循环密度的井下工具，由螺杆马达、挠轴体、螺杆泵、密封短节、研磨短节、喷嘴短节构成。其结构特征是：螺杆马达上部与钻柱用螺纹连接，第一挠轴接头安装在螺杆马达转子上；螺杆马达与螺杆泵之间用挠轴体来连接，挠轴体内部有两根挠轴，两根挠轴均嵌入挠轴转换接头中，使用过盈配合并用销钉加固，挠轴转换接头上装有轴承，轴承放置在挠轴体壳体上的钢体台阶上；挠轴体壳体与螺杆泵定子开有4个第一钻井泥浆下行过流孔，挠轴体壳体上开有4个钻井泥浆下行旁通孔和4个钻井泥浆上行旁通孔，钻井泥浆下行旁通孔与第一钻井泥浆下行过流孔相通，钻井泥浆上行旁通孔不与第一钻井泥浆下行过流孔相交；螺杆泵定子下部与密封短节螺纹连接，密封短节中间开有第二钻井泥浆下行过流孔，周围开有4个钻井泥浆上行过流孔；密封短节以下的钻柱上安装研磨短节，研磨短节由叶轮、上接头和下接头组成，上接头和下接头均与钻柱螺纹连接，叶轮与下接头外表面螺纹连接；在螺杆马达的上方，安装一个喷嘴短节与钻柱螺纹连接。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：1)该工具系统在不改变钻井泥浆性质(密度和粘度)的前提下，可有效降低钻井泥浆当量循环密度，提高窄密度窗口钻井工况下的钻井可操作性，减少地层破裂、钻井泥浆漏失和避免钻井停工；2)该工具系统相比现有技术方法，投入要低的多；3)该工具虽然提高了对地面泵设备的要求，但仍然可行，现有泵设备可以满足该系统的正常工作需要。

附图说明

图1是本发明一种降低当量循环密度的井下工具结构示意图；

图2是本发明一种降低当量循环密度的井下工具的上部分螺杆马达与挠轴体结构图；

图3是本发明一种降低当量循环密度的井下工具的下部分螺杆泵与密封短节结构图；

图4是图2的A向视图；

图5是图3的B-B视图；

图6是本发明一种降低当量循环密度的井下工具研磨短节示意图；

图7是本发明一种降低当量循环密度的井下工具喷嘴短节剖面图；

图8是钻井压力剖面及其形成的密度窗口图。

图中，1泥浆池，2地面泵，3防喷装置，4钻柱，5螺杆马达，6挠轴体，7螺杆泵，8密封短节，9研磨短节，10下部钻具组合，11钻头，12套管，13外环空，14内环空，15井眼，16螺杆马达转子，17螺杆马达定子，18第一挠轴接头，19第一挠轴，20挠轴体壳体，21轴承，22钢体台阶，23第二挠轴，24第二挠轴接头，25螺杆泵转子，26螺杆泵定子，27挠轴转换接头，28破裂压力剖面，29坍塌压力剖面，30当量循环密度曲线，31使用工具后的当量循环密度曲线，32上接头，33下接头，34叶轮，35喷嘴短节，36钻井泥浆下行旁通孔，37挠轴壳体上行旁通孔，38第一钻井泥浆下行过流孔，39第二钻井泥浆下行过流孔，40钻井泥浆下行管道，41钻井泥浆上行过流孔。

具体实施方式

如图1所示，螺杆马达5、挠轴体6、螺杆泵7、密封短节8、研磨短节9组成了整个工具，整个工具安装在钻柱4上，且安装在垂直井段，钻柱4与螺杆马达定子17和密封短节8连接。

如图2、图3所示，第一挠轴接头18安装在螺杆马达转子16上，第一挠轴19安装在第一挠轴接头18上，第一挠轴19与第二挠轴23均嵌入挠轴转换接头27中，使用过盈配合并用销钉加固，销钉在图中没有具体绘制，挠轴转换接头27安装有轴承21，挠轴体壳体20上设有刚体台阶22来放置轴承21，第二挠轴23安装在第二挠轴接头24上，第二挠轴接头24安装在螺杆泵转子25上，密封短节8连接在螺杆泵定子26上。挠轴体壳体20内开有4个第一钻井泥浆下行过流孔38，通过钻井泥浆下行旁通孔36与第一挠轴19与挠轴壳体20之间的环空联通，第一钻井泥浆下行过流孔38一直通向螺杆泵定子26末端，通过钻井泥浆下行管道40与密封短节8中间的第二钻井泥浆下行过流孔39连通。

如图4所示，挠轴体壳体20上还设计了4个钻井泥浆上行流体旁通孔37，钻井泥浆上行流体旁通孔37不与第一钻井泥浆下行过流孔38相交。

如图5所示，密封短节8除开有第二钻井泥浆下行过流孔39外，还在周围开了4个钻井泥浆上行过流孔41。

如图6所示，研磨短节9由上接头32、下接头33、叶轮34组成，上接头32、下接头33与钻柱4用螺纹连接，叶轮34使用螺纹安装在下接头33的外表面。密封短节8下面的钻柱上可根据需要安装一个或多个研磨短节9，用以研磨钻头11破碎岩石时产生的岩石颗粒。

如图7所示，在螺杆马达5的上方，连接一个喷嘴短节35，喷嘴短节35消耗下行钻井泥浆的液力能量，对外环空上行流体产生向上的抽吸作用，喷嘴短节35作为工具的辅助工具，可增强工具系统的抽吸能力，更大幅度的降低当量循环密度。

如图8所示，在本工具系统所处的初始位置d以下，绝大部分未使用本工具系统的钻井泥浆当量循环密度曲线30在压力密度窗口之内，但基本上都靠近破裂压力曲线28，由于钻井过程中泵压等参数是波动的，就可能会出现超过破裂压力剖面的情况，使用本工具可使曲线30适当左移，通过合理选择本工具系统的参数可使曲线30左移至破裂压力曲线28与坍塌压力曲线29之间较理想的曲线31位置。

本工具的工作原理是：钻井泥浆进入井眼15后，通过钻柱4流到螺杆马达5，驱动螺杆马达转子16旋转，沿着第一挠轴19的轴向方向可以逐渐消除转子16的公转运动；转子16的公转运动在挠轴转换接头27处已完全消除，挠轴转换接头27将两根挠轴连接在一起形成一个宏观上的整体，以带动第二挠轴23运动；轴承21用来限制挠轴转换接头27的径向运动，轴承21固定在转换接头27上，上下均放置了一个密封圈，将挠轴与壳体之间的环空分为上下两部分，轴承21放置于钢体台阶22上，起防掉作用；通过转换接头27，第一挠轴19将螺杆马达5输出的扭矩传递给下一根第二挠轴23，第二挠轴23再将输入的扭矩沿着轴向方向往下传递；第二挠轴23通过第二挠轴接头24把扭矩传递给螺杆泵转子25，螺杆泵转子25接收能量后开始旋转；螺杆泵7随着螺杆泵转子25的旋转开始工作，将下部的液体往上抽吸，在密封短节8封堵了外环空13的上返途径后，流体进入内环空14，螺杆泵7抽吸上返流体上行，加速流体回流，从而可降低密封短节8下部外环空的流体压力，从而降低下部液体的压力。通常螺杆马达5消耗的水力能量在5～7MPa间，经过螺杆马达5和螺杆泵7的逐级损失后，螺杆泵7产生的压差能达到1～2MPa。

钻井泥浆在整个过程的流动路线为：从泥浆池1由地面泵2抽吸到钻柱4，流到螺杆马达5，驱动螺杆马达5转动后流到挠轴体6，从钻井泥浆下行旁通孔36流入挠轴壳体20内的4个第一钻井泥浆下行过流孔38中，最后从钻井泥浆下行管道40流入密封短节8的第二钻井泥浆下行过流孔39中，经过钻柱4从钻头11向外喷出，经外环空13往上返回，返回至密封短节8处经过密封短节8的四个钻井泥浆上行过流孔41流向螺杆泵7定子26与转子25之间的内环空14，钻井泥浆经螺杆泵7后从挠轴壳体20的四个上行旁通孔37返回到钻柱4与套管12之间的环空返回地面。

当需要形成更大的压差时，可以通过下面两种方式实现。一种方法是加长螺杆马达转子16，使螺杆马达5转化更多的机械能，以提高螺杆泵7的抽吸能力，螺杆泵7便可以产生更大的压差，这种方法虽然简单，但螺杆马达转子16越长，消耗的能量越多，由于受到地面泵2能力的限制，将会导致用于下部钻具组合10的能量不足，所以，加长螺杆马达转子16必须保证在不影响正常钻井操作的条件下进行；另一种方法是在螺杆马达5上面的钻柱4上安装一个图4中的喷嘴短节35，钻井泥浆流过喷嘴短节35时，会产生压降，在钻柱4和外环空13之间形成压差，钻井泥浆在该压差的作用下，会经喷嘴短节35加速而形成指向环空上返方向的射流，在喷嘴出口附近的区域就会形成一个低压区，下方的液压就高于低压区的液压，下部分的液体会加速上返，使螺杆泵7上面的压力降低，增加了螺杆泵7的抽吸能力，提高了螺杆泵的效率。

Claims (4)

1.一种降低当量循环密度的井下工具，由螺杆马达(5)、挠轴体(6)、螺杆泵(7)、密封短节(8)、研磨短节(9)、喷嘴短节(35)构成，其特征是：螺杆马达(5)上部与钻柱(4)用螺纹连接；第一挠轴接头(18)安装在螺杆马达转子(16)上；螺杆马达(5)与螺杆泵(7)之间用挠轴体(6)来连接；挠轴体(6)外为挠轴体壳体(20)上连接螺杆马达定子(17)；螺杆泵定子(26)下部与密封短节(8)螺纹连接；密封短节(8)以下的钻柱(4)上安装研磨短节(9)，研磨短节(9)由叶轮(34)、上接头(32)和下接头(33)组成，上接头(32)、下接头(33)均与钻柱(4)螺纹连接，叶轮(34)用螺纹连接在下接头(33)的外表面；在螺杆马达(5)的上方，安装一个喷嘴短节(35)与钻柱(4)螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的降低当量循环密度的井下工具，其特征是：挠轴体(6)与螺杆马达转子(16)通过第一挠轴接头(18)连接，挠轴体(6)与螺杆泵转子(25)通过第二挠轴接头(24)连接；挠轴体(6)内部有第一挠轴(19)和第二挠轴(23)，两根挠轴均嵌入挠轴转换接头(27)中，使用过盈配合并用销钉加固，挠轴转换接头(27)上装有轴承(21)，轴承(21)放置在挠轴体壳体(20)上的钢体台阶(22)上。

3.根据权利要求1所述的降低当量循环密度的井下工具，其特征是：密封短节(8)中间开有第二钻井泥浆下行过流孔(39)，周围开有4个钻井泥浆上行过流孔(41)。

4.根据权利要求1所述的降低当量循环密度的井下工具，其特征是：挠轴体壳体(20)与螺杆泵定子(26)开有4个第一钻井泥浆下行过流孔(38)；挠轴体壳体(20)上开有4个钻井泥浆下行旁通孔(36)和4个钻井泥浆上行旁通孔(37)，钻井泥浆下行旁通孔(36)与第一钻井泥浆下行过流孔(38)相通，钻井泥浆上行旁通孔(37)不与第一钻井泥浆下行过流孔(38)相交；螺杆泵定子(26)底部有钻井泥浆下行管道(40)与密封短节(8)的第二钻井泥浆下行过流孔(39)相通。

Images