CN102691477A - 一种钻具上使用的岩屑清洁装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种钻具上使用的岩屑清洁装置，这种钻具上使用的岩屑清洁装置由本体、旋转增速器、扩眼保护器组成，本体为圆钢管，上扩眼保护器、旋转增速器、下扩眼保护器设置在本体的外壁上，旋转增速器位于上扩眼保护器与下扩眼保护器之间；旋转增速器由螺旋翼片和排屑槽构成，螺旋翼片等圆心角均匀分布；上扩眼保护器和下扩眼保护器均由螺旋保护翼片等圆心角均布构成，该螺旋保护翼片之间形成曲面排屑槽；旋转增速器的螺旋角、上扩眼保护器的螺旋角和下扩眼保护器的螺旋角相等。本发明中扩眼保护器能够保护旋转增速器，减少不平整井壁对其产生的磨损，即使在钻具在弯曲、屈曲时也可减少旋转增速器与井壁间的碰撞，延长工具的使用寿命。

Description

一种钻具上使用的岩屑清洁装置

一、     技术领域：

本发明涉及的是石油天然气钻井过程中的井眼清洁工具，具体涉及的是一种钻具上使用的岩屑清洁装置。

二、背景技术：

石油天然气资源钻井过程中，钻头不断破碎岩石形成井眼，岩屑（岩石破碎后的碎屑）在环空（钻柱与井眼之间的环形空间）通过钻井液循环被携带到地表，而岩屑如果不能被及时清理出井眼将会出现岩屑堆积现象，即形成岩屑床，尤其大位移水平井、多分支井等复杂结构井钻井过程中容易形成岩屑床，现场经验与室内理论实验均表明岩屑床易于在大斜度井段和水平井段（井斜角约为45~90°）之间形成。如果井内沉积岩屑床厚度过高，将会导致一系列严重的井下问题，如钻具摩擦阻力、扭矩增大，甚至发生严重的井下事故如卡钻、扭断钻具等，处理这些井下事故将大幅度降低机械钻速，大幅度增加非生产时间和作业成本。这就要求在复杂结构井钻井过程中保持较高的井眼清洁效率，在岩屑床易于形成的井段采用必要的方法，防止岩屑床的形成，保证钻具与井眼安全。

复杂结构井井眼清洁技术存在的难点：

目前钻井现场普遍采用三种方法清洁井眼岩屑，包括：提高返速法、改善钻井液性能法和短起下钻具清除法。

1提高返速法

井眼环空中钻井液平均上返速度越高，越有利于清除岩屑。但高返速对钻井设备的要求高，相应的动力成本也很高。同时对于某些松软地层，高返速可能造成严重的井壁坍塌事故。因此，受设备和地层的限制，提高返速并不能完全解决井眼清洁问题。

2改善钻井液性能法

该方法通过降低泥浆的流性指数,提高动塑比，改善钻井液携岩性能，增强其悬浮携带能力。该方法的缺点是改善钻井液性能需要额外添加钻井液外加剂，增加成本，同时较高的动塑比也会给泵等地表设备带来较大的负担，增大功耗。该方法单独应用往往起到的效果有限，须配合其它方法。

3短起下钻具清除法

在现有条件下，除采用提高泥浆返速及改善泥浆性能来提高其携岩能力外,实际钻井中还需配合短程起下钻、分段循环和倒划眼等措施，以破坏、清除岩屑床。因此，对于岩屑床沉积不严重井段，可采用短程起下钻的办法。对岩屑床易于形成的井型和井段，在短程起下钻过程中，造斜点以下钻具沿下井壁运动,可破坏岩屑床。对岩屑床比较严重，采用短程起下钻效果不明显的井，可采用倒划眼的办法破坏岩屑床。采用短起下清除法虽能起到清屑效果，却要在起下钻上花费很多时间，严重影响了钻井的效率。

三、发明内容：

本发明的目的是提供一种钻具上使用的岩屑清洁装置，它用于解决现有的复杂结构井井眼清洁效率低下的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种钻具上使用的岩屑清洁装置由本体、旋转增速器、扩眼保护器组成，本体为圆钢管，上扩眼保护器、旋转增速器、下扩眼保护器设置在本体的外壁上，旋转增速器位于上扩眼保护器与下扩眼保护器之间；旋转增速器由螺旋翼片和排屑槽构成，螺旋翼片等圆心角均匀分布；上扩眼保护器和下扩眼保护器均由螺旋保护翼片等圆心角均布构成，该螺旋保护翼片之间形成曲面排屑槽；旋转增速器的螺旋角、上扩眼保护器的螺旋角和下扩眼保护器的螺旋角相等。

上述方案中旋转增速器排屑槽截面曲线在笛卡尔直角坐标系中的方程为                                                

，其中

的取值范围为（0，+∞），a，b为设计系数。

上述方案中本体的一端为公接头，另一端为母接头。

上述方案中螺旋保护翼片两端倒角面和肩部敷焊金刚石切削齿或硬质合金切削齿。

上述方案中旋转增速器直径、上扩眼保护器直径、下扩眼保护器直径均与钻杆接头直径相等，不影响底部钻具组合造斜与防斜功能，同时因工具最大外径仅与钻杆接头相等，不会因装置的下入而发生卡钻事故。

上述方案中旋转增速器的螺旋角、上扩眼保护器的螺旋角、下扩眼保护器的螺旋角应满足函数关系：

上式中：

为螺旋角(度)；

为钻井液平均上反速度（米/秒）；

 

 为转速（转/秒）；

 

为截面上螺旋翼片根部与圆心的距离（米）；

 

，

为钻井液排量（立方米/秒），

为平均环空面积（平方米）。

上述方案中旋转增速器有七条螺旋翼片，上扩眼保护器和下扩眼保护器分别有五条螺旋保护翼片。

有益效果：

1、本发明可以使成床的岩屑旋转脱离井底，并提高岩屑轴向和切向运移速度，从而有效地破坏岩屑床，清除易成床井段的岩屑。

2、本发明提高了这种岩屑清洁装置附近区域钻井液的上返速度，改善了钻井液对岩屑的清洁效果，更高效地清除岩屑。 

3、本发明可实现以较低钻井液排量达到高钻井液排量的携岩效果，节约了动力成本；能大幅减小短起下距离，减少了工作量，缩短了作业时间。

4、本发明中向螺旋翼片内凹的角度防止了岩屑流出排屑槽，从而使该工具对岩屑的加速效果达到最优。

5、本发明中扩眼保护器能够保护旋转增速器，减少不平整井壁对其产生的磨损，即使在钻具在弯曲、屈曲时也可减少旋转增速器与井壁间的碰撞，延长工具的使用寿命。

6、本发明的扩眼保护器可辅助清除岩屑床，保证工具的完整性。

7、本发明能够高效清除岩屑床，提高井眼清洁效率，减小钻杆的扭矩和摩阻，能有效避免或减少卡钻、钻具断裂等井下复杂事故的发生。

四、附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中旋转增速器水平剖面图；

图3是本发明中扩眼保护器水平剖面图；

图4是本发明轴向剖面示意图；

图5是本发明中本体切削机械加工水平剖面示意图。

1公接头； 2下扩眼保护器； 3旋转增速器； 4上扩眼保护器； 5切削齿； 6母接头； 7本体； 8螺旋翼片； 9排屑槽； 10排屑槽； 11螺旋保护翼片； 12虚线圆； 13本体内圆环； 14本体外圆环；15夹角 SHAPE  \* MERGEFORMAT 。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种钻具上使用的岩屑清洁装置由非等直径的厚壁钢管坯料整体机械加工制成，主要包括上扩眼保护器4、旋转增速器3、下扩眼保护器2和未做机械加工的本体部分构成。结合图2所示，本体7为厚壁钢管，内部贯通且内径相同。本体7用来加工旋转增速器3、下扩眼保护器2、上扩眼保护器4的部分管壁厚度比其余部分大，此处管壁厚度以能够加工出旋转增速器3、下扩眼保护器2、上扩眼保护器4为宜，本体7的其余部分管壁厚度相对薄一些。本体7一端为公接头1，本体7的另一端为母接头6，公接头1、母接头6均为API标准接头，方便与钻杆丝扣连接。上扩眼保护器4、旋转增速器3、下扩眼保护器2设置在本体7的外壁上，上扩眼保护器4与下扩眼保护器2位于旋转增速器3的两端，即旋转增速器3在上扩眼保护器4与下扩眼保护器2之间。旋转增速器3的螺旋角、上扩眼保护器4的螺旋角、下扩眼保护器2的螺旋角均相等。本实施方式中旋转增速器螺旋翼片8两端加工有倒角。上扩眼保护器的螺旋保护翼片11和下扩眼保护器的螺旋保护翼片11两端加工有60度倒角，倒角内侧与本体光滑过渡。在钻井过程中根据钻头转速的不同选择对应的不同螺旋角的岩屑清洁装置，对应参数表见表1。

表1 本发明中螺旋角与钻头转速对应关系表

钻头转速（转/分）	60-80	80-100	100-120	120-160
					螺旋角（度）	18-23	23-28	28-32	32-40

如图2所示，旋转增速器3由螺旋翼片8和排屑槽9构成，螺旋翼片8有七条，螺旋翼片8均布在本体7的外壁上，螺旋翼片8向本体倾斜的面上有内凹的弧型排屑槽9。

本发明中旋转增速器3清除岩屑床原理如下：

1、对岩屑颗粒的举升作用。

（1）压力作用：该旋转增速器3的旋转会将岩屑颗粒从井壁带入螺旋翼片8与本体之间的排屑槽9中，由于过流面积减小以及翼片凹角所产生的文丘里效应使岩屑滞留在排屑槽9里，将岩屑颗粒从井底举升起来。

（2）机械作用：螺旋翼片8的负角前缘依靠纯机械作用将岩屑从岩屑床上挖掘起来并留在排屑槽9里，不再落向井壁。

2、对固液两相的加速作用。

通过以上两个作用使岩屑留在排屑槽9中，而通过旋转产生的阿基米德旋转作用会对流体及岩屑产生轴线方向的加速作用。该轴线方向的上升速度会高于其他环空位置的速度。通过合理设计螺旋角度可以产生最优的加速效果。

3、对岩屑颗粒的循环推动作用。

岩屑颗粒在排屑槽9内部向井口运送的过程中会沿顺时针（视线方向为从井口指向钻头）滑动，但始终不能滑出排屑槽9，这样就形成了一个循环。在循环过程中旋转作用使岩屑颗粒的轴向和切向速度增加，从而提高岩屑的整体运送速度。

如图3所示，上扩眼保护器4和下扩眼保护器2的结构相同，它们均由螺旋保护翼片11均布在本体的外壁上形成，该螺旋保护翼片11与本体7外壁间形成排屑槽10；上扩眼保护器4和下扩眼保护器2分别有五条螺旋保护翼片11。

本发明中旋转增速器3、上下扩眼保护器均为等螺距螺旋，若使其对流体的推力达到最大，螺旋角应满足如下函数关系：

上式中：

为螺旋角(度)；

    

为钻井液平均上反速度（米/秒），其中

,为钻井液排量（立方米/秒）,

为平均环空面积（平方米）；

   

为转速（转/秒）；

   

为虚线圆半径（米）。

本发明中扩眼保护器工作原理如下：

（1）旋转增速器3上下各有一个扩眼保护器，每个扩眼保护器两端倒角面上和肩部敷焊有金刚石切削齿5或硬质合金切削齿，切削齿耐磨且有很高的硬度，扩眼保护器布置在旋转增速器3两端，在整个钻井过程中对不平整井壁产生切削作用修整井壁，即使工具弯曲或屈曲时依然能保证旋转增速器3免受岩石刮碰。

（2）扩眼保护器有类似于旋转增速器3的对固液两相混合流体的加速作用，使岩屑均匀悬浮在钻井液中，辅助清除岩屑床。

本发明是通过对本体坯料进行机械加工获得，为叙述方便，假设旋转增速器和扩眼保护器本体坯料被虚线圆12分割为本体外圆环14和本体内圆环13两部分，实际为一整体坯料，如图5所示。虚线圆12直径与装置除旋转增速器和扩眼保护器以外的其余部分本体外径相同， SHAPE  \* MERGEFORMAT 通过切削机械加工外圆环坯料部分，得到旋转增速器和扩眼保护器翼片，翼片切削加工最大深度至与虚线圆相切。

旋转增速器的加工方法为：如图5所示，图中视线方向为从井口指向钻头，以曲线切削加工外圆环横截面，曲线在笛卡尔直角坐标系中的方程为

其中

的取值范围为（0，+∞），a，b为设计系数。曲线切削加工深度至与虚线圆相切，圆心O和该曲线顶点的连线与该曲线实轴成一定的夹角15，该夹角

为顺时针旋转夹角。以上述方法，应用七条相同上述曲线以等圆心角分布对外圆环进行切削加工，如图2所示，即为旋转增速器横截面的几何图形。轴向加工方法为：得到旋转增速器横截面几何图形后，以满足函数

的螺旋角进行沿装置轴向螺旋切削加工，得到旋转增速器。通过利用这种曲线方程加工的排屑槽9，岩屑颗粒从井内向井口运送的过程中会沿排屑槽曲面顺时针（视线方向为从井口指向钻头）滑动，但始终不能滑出排屑槽9，形成螺旋向上运动，旋转作用使岩屑颗粒的轴向和切向速度增加，从而提高岩屑的整体运送速度。

扩眼保护器的加工方法为：以半径为d的圆弧切削扩眼保护器本体外圆环14横截面，切削加工深度至与虚线圆13相切，其中d为设计系数。以上述方法，应用五条相同上述半径的圆弧以等圆心角分布对外圆环进行切削加工，即得到扩眼保护器的横截面的几何图形，如图3所示。扩眼保护器轴向加工方法为：得到扩眼保护器横截面几何图形后，以满足函数

的螺旋角进行沿装置轴向螺旋切削加工，得到扩眼保护器。

Claims (7)

1.一种钻具上使用的岩屑清洁装置，其特征在于：这种钻具上使用的岩屑清洁装置由本体（7）、旋转增速器（3）、扩眼保护器组成，本体（7）为圆钢管，上扩眼保护器（4）、旋转增速器（3）、下扩眼保护器（2）设置在本体（7）的外壁上，旋转增速器（3）位于上扩眼保护器（4）与下扩眼保护器（2）之间；旋转增速器（3）由螺旋翼片（8）和排屑槽（9）构成，螺旋翼片（8）等圆心角均匀分布，上扩眼保护器（4）和下扩眼保护器（2）的螺旋保护翼片（11）等圆心角均布，该螺旋保护翼片（11）之间形成曲面排屑槽（10）；旋转增速器（3）的螺旋角、上扩眼保护器（4）的螺旋角和下扩眼保护器（2）的螺旋角相等。

2.根据权利要求1所述的钻具上使用的岩屑清洁装置，其特征在于：所述的本体（7）的一端为公接头（1），本体（7）的另一端为母接头（6）。

3.根据权利要求1或2所述的钻具上使用的岩屑清洁装置，其特征在于：所述的旋转增速器排屑槽截面曲线在笛卡尔直角坐标系中的方程为                                                

，其中y大于0，a，b为设计系数。

4.根据权利要求3所述的钻具上使用的岩屑清洁装置，其特征在于：所述的螺旋保护翼片（11）两端倒角为60度，倒角面和肩部敷焊金刚石切削齿（5）或硬质合金切削齿。

5.根据权利要求4所述的钻具上使用的岩屑清洁装置，其特征在于：所述的旋转增速器（3）直径、上扩眼保护器（4）直径、下扩眼保护器（2）直径均与钻杆接头直径相等。

6.根据权利要求5所述的钻具上使用的岩屑清洁装置，其特征在于：所述的旋转增速器（3）的螺旋角、上扩眼保护器（4）的螺旋角、下扩眼保护器（2）的螺旋角应满足函数关系：

上式中：

为螺旋角，

为钻井液平均上反速度，

 为转速，

为截面上螺旋翼片根部与圆心的距离，

为钻井液排量，

为平均环空面积。

7.根据权利要求6所述的钻具上使用的岩屑清洁装置，其特征在于：所述的旋转增速器（3）有七条螺旋翼片（8），上扩眼保护器（4）和下扩眼保护器（2）分别有五条螺旋保护翼片（11）。

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