CN102003151A - 一种气体钻井专用稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于石油、天然气及地质钻井的气体钻井专用稳定器。它能有效解决或大幅缓解稳定器入口端的岩屑粒子反射及出口端螺旋棱“关键点”处的沉降问题。其技术方案是：螺旋棱与稳定器本体下、上两端用具有平滑过渡斜面或圆面的入口导流坡面和出口导流坡面连接；流道槽的的横截面形状为燕尾形，燕尾形结构起于入口导流坡面端面止于出口导流坡面端面，具有宽出口的结构，流道槽出口口径大于中部窄通道口径。入口导流坡面和出口导流坡面端面厚度为零，无凸台，两坡面均采用三角形或圆弧形表面轮廓。本发明可有效解决或缓解稳定器入出口端的岩屑粒子反射及沉降，结构简单、适用性强，用于气体或流体为循环介质的钻井中。

Description

一种气体钻井专用稳定器

技术领域

本发明涉及一种用于石油、天然气及地质钻井的井下工具，特别是适用于石油钻井中利用气体为循环介质钻井时的气体钻井专用稳定器，该稳定器也适用于流体为循环介质钻井中。

背景技术

随着石油天然气勘探开发力度的进一步加大，为提高勘探开发速度、保护储层，气体钻井技术已在国内外得到了广泛的应用。但是在气体钻井实施过程中，避免或大幅缓解稳定器入出口端的岩屑粒子发生反射、沉降成为急需解决的难题。若使用常规稳定器，岩屑粒子在稳定器入出口端发生明显反射、沉降(关键点效应)。因此，目前在气体钻井过程中，为降低井下卡钻风险，常常不加稳定器，这又将会给气体钻井井身质量控制带来很大难度。

稳定器是石油钻井中必不可少的工具之一，在水平井等复杂结构井的钻井中，当气体携带着岩屑在环空中返至稳定器顶部时，从能量观点看，由于环空面积突然扩大及气体具有较强的可压缩性，在该处有一个较大的能量损失，气体压力、密度都有一个突降，在此点(关键点)附近将出现对岩屑粒子的最小举升力，以至岩屑在下井壁滞留、堆积。一旦出现上述状况，将不仅造成井眼不通畅，且极有可能导致钻柱卡钻，甚至钻进无法继续。

现有技术中此类用于气体钻井稳定器已有专利文献予以批露：中国专利CN1644870A(2005年7月27日公布)描述了一种气体钻水平井用的稳定器，该稳定器对螺旋流道做了创新。但经流体数值模拟仿真发现，该稳定器的出口处岩屑粒子发生明显沉降甚至出现漩涡，为了降低气体钻井发生井下事故风险，此类稳定器难以应用于水平井等复杂结构井施工过程中。

发明内容

本发明的目的是，为了有效解决或大幅缓解稳定器入口端的岩屑粒子反射以及稳定器出口端螺旋棱“关键点”处岩屑粒子的沉降问题，特提供一种气体钻井专用稳定器。该稳定器基于气固两相流理论和数值模拟技术，优化出的燕尾槽形的流道入出口和零端面厚度的螺旋棱复合结构可以有效解决或缓解稳定器入出口端的岩屑粒子反射和沉降问题。

为了达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种气体钻井专用稳定器，主要由稳定器本体、螺旋棱、流道槽组成，其特征在于：螺旋棱与稳定器本体下、上两端用具有平滑过渡斜面或圆面的入口导流坡面和出口导流坡面连接；流道槽的横截面形状为燕尾形，燕尾形结构起于入口导流坡面端面止于出口导流坡面端面，具有宽出口的结构，流道槽出口口径大于中部窄通道口径。该稳定器入口导流坡面和出口导流坡面的端面厚度均为零，无凸台。入口导流坡面和出口导流坡面均采用三角形或圆弧形表面轮廓。该结构促使气体、岩屑粒子近乎于无阻碍的进入入口导流坡面并经中部窄通道加速产生高速螺旋状流动，冲刷稳定器出口处其它静止岩屑粒子，最后无明显沉降的流出出口导流坡面。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：1)可使岩屑粒子近乎于无阻碍的进入及无明显沉降的流出稳定器；2)燕尾形流道槽不仅使流体产生螺旋状流动，而且增大了的过流面积，使流体更加顺畅地通过稳定器；3)中部窄通道可对气体、岩屑粒子进行加速，速度峰值提高2～3倍；4)同时，降低岩屑粒子在环空下井壁的体积分数，使岩屑粒子均匀分布于环空中。本发明是涉及利用气体为循环介质钻井时的专用稳定器，也适应于流体为循环介质钻井中。

本发明是在保证常规稳定器工具性能的基础上，可以有效解决或大幅缓解稳定器入口端的岩屑粒子反射以及稳定器出口端螺旋棱“关键点”处岩屑粒子的沉降问题的气体钻井专用稳定器，且结构简单，适用性强。

附图说明

图1是本发明气体钻井专用稳定器的结构示意图；

图2是常规稳定器的流道槽示意图；

图3是CN1644870A披露的稳定器的流道槽示意图；

图4是本发明稳定器的流道槽示意图；

图5是垂直于传统稳定器螺旋流道槽方向的截面示意图；

图6是垂直于本发明螺旋流道槽方向的截面示意图；

图7是本稳定器工作时岩屑粒子的运移轨迹示意流图。

图中，1稳定器本体，2螺旋棱，3流道槽，4入口导流坡面，5出口导流坡面，6硬质合金。

具体实施方式

结合图1对其发明做进一步的描述，本发明所述的用于气体钻井专用稳定器主要由稳定器本体1、螺旋棱2、流道槽3组成，稳定器本体1为一管状构件，两端分别用公扣、母扣与钻具螺纹联接。螺旋棱2与稳定器本体1下、上两端用具有平滑过渡斜面或圆面的入口导流坡面4和出口导流坡面5连接，入口导流坡面4和出口导流坡面5的端面厚度为零，无凸台。流道槽3的横截面形状为燕尾形，该燕尾形结构贯穿整个流道槽，流道口径由宽变窄，再由窄变宽，流道出口口径大于中部窄通道口径，螺旋棱2表面镶有硬质合金6。

对比图2、图3、图4，本发明流道槽3的横截面为燕尾形结构，增大了稳定器的过流面积，降低了流体流出稳定器前后环空面积变化的急剧程度，经过中部窄通道加速后的流体，速度峰值提高2～3倍，具有高动能的螺旋状流体流出稳定器时，由于流道出口口径大于中部窄通道口径，会冲刷稳定器出口处沉降的岩屑，从而减小岩屑粒子在螺旋棱2“关键点”处发生沉降的体积分数。

对比图5、图6，本发明的燕尾形流道槽结构起于入口导流坡面4端面止于出口导流坡面5端面，增大了稳定器的过流面积，降低了岩屑粒子流经稳定器前后的动能损耗。

参看图7，经两相流数值模拟仿真发现，使用本发明可以有效解决或大幅缓解稳定器入口端的岩屑粒子反射以及稳定器出口端螺旋棱2“关键点”处岩屑粒子的沉降问题。常规稳定器螺旋棱入口处岩屑粒子反射程度大，在螺旋棱出口“关键点”处漩涡明显。本文披露的稳定器螺旋棱入口处岩屑粒子反射程度有所减缓，但在螺旋棱2“关键点”处仍有漩涡。

起下钻时，具有平滑过渡斜面或圆面表面特征的入口导流坡面4和出口导流坡面5具有很好的引导作用，可以减少遇阻、卡钻等风险。螺旋棱2上镶有的硬质合金6具有耐磨和重复破碎岩屑的功能。

Claims (2)

1.一种气体钻井专用稳定器，由稳定器本体(1)、螺旋棱(2)、流道槽(3)组成，其特征在于：螺旋棱(2)与稳定器本体(1)下、上两端用具有平滑过渡斜面或圆面的入口导流坡面(4)和出口导流坡面(5)连接；流道槽(3)的横截面形状为燕尾形，燕尾形结构起于入口导流坡面(4)端面止于出口导流坡面(5)端面，具有宽出口的结构，流道槽(3)出口口径大于中部窄通道口径。

2.根据权利要求1所述的气体钻井专用稳定器，其特征在于：入口导流坡面(4)和出口导流坡面(5)的端面厚度均为零，无凸台；入口导流坡面(4)和出口导流坡面(5)均采用三角形或圆弧形表面轮廓。

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