CN103352663A - 可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其包括壳体、定子、转子及上、下卡环；壳体的内部设有通孔，壳壁上凸设有刀翼和旁通孔；定子的一端由上卡环轴向限位，另一端接触连接转子的一端；转子的另一端由下卡环轴向限位且还套设有滚动轴承；定子包括定子中间流道和定子引流道；转子包括转子中间流道、转子侧流道和转子驱动流道；转子侧流道位于相邻转子驱动流道之间且与转子中间流道呈相对布置；转子驱动流道的一端径向设有泄压孔；泄压孔在转子旋转过程中间歇性的分别与旁通孔及转子驱动流道连通且内部还匹配设有单向阀。本发明结构简单，即能大幅度提高井底清岩能力，又能很好的破坏并清除岩屑床，达到净化井眼的目的。

Description

可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器

技术领域

本发明涉及一种石油、天然气勘探工程机械技术领域，尤其涉及一种可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器。

背景技术

勘探开发形势的需要推动着井型的演变与发展，定向井、大位移井、水平井等复杂结构井在油气田勘探开发中所占的比例越来越大，并且旨在追求更高的井眼深度，更长的井眼水平段的延伸能力，这也对钻井过程中的机械钻速和钻头进尺提出了更高的要求。钻井过程中，井底岩屑若不能及时有效的被清除就会造成岩屑的重复切削，从而影响机械钻速和钻头进尺。而在定向井、大位移井和水平井的钻探中，钻具易于贴于井壁下侧，造成钻柱偏心，岩屑颗粒在重力作用下容易沉积在下井壁处，因此在钻定向井、大位移井和水平井时，特别容易因为岩屑的沉积而在下井壁处形成岩屑床，特别是在大斜度和水平井段，当岩屑床沉积到一定程度，会使钻柱的摩阻和扭矩突然增加，甚至床体滑坡形成堆积，严重时会造成卡钻等井下复杂，严重影响或制约了钻井施工的正常进行，降低了钻井效率和井眼延伸程度。岩屑床一旦形成，清除难度较大。现阶段井底清岩和清除岩屑床提高井眼净化程度的系列技术措施还存在诸多不足，尤其对于气体钻井。

目前井底清岩技术主要是高压流体介质通过钻头喷嘴形成射流直接冲击井底以漫流的形式使岩屑脱离井底进入环空，但这容易因为井底紊动度和动压力不足造成井底岩屑滞留，不能及时被清除，尤其，气体钻井中钻头一般不装喷嘴（为减小注入压力），井底岩屑的清除效果更差。而目前岩屑床清除工具技术，仍主要是利用从钻柱内循环进入环空的高压流体介质，通过对清除工具排屑槽道的不同改变或优化，实现携带更多的岩屑并清除岩屑床的目的，该类岩屑床清除工具的工作原理，始终是岩屑床处于被动处理的状态，方法单一，对岩屑床的破坏或清除效果不佳。

上述可知，有必要对现有技术进一步改进。

发明内容

本发明是为了解决现有钻井用扶正器在利用流体作为循环介质钻定向井、大位移井、水平井过程中无法及时有效清除井底岩屑和无法清除产生的岩屑床的问题，而提出一种结构设计简单、合理，能及时有效清除井底岩屑和有效破坏并清除岩屑床的可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，包括壳体，所述壳体的内部设有通孔，壳壁上凸设有刀翼且还设有与所述通孔贯通的旁通孔；所述扶正器还包括匹配装设于所述通孔内侧的定子、转子、上卡环和下卡环；所述定子的一端由所述上卡环轴向限位，另一端接触连接所述转子的一端；所述转子的另一端由所述下卡环轴向限位且还套设有滚动轴承，其通过所述滚动轴承可在所述通孔内周向旋转；所述定子包括自一端面向另一端面轴向贯通设置且呈孔状结构的定子中间流道以及沿圆周面轴向设置且呈槽体结构的定子引流道；所述转子包括自一端面向另一端面轴向贯通设置且呈孔状结构的转子中间流道和转子侧流道以及沿圆周面轴向贯通设置且呈槽体结构的转子驱动流道；所述转子侧流道位于相邻所述转子驱动流道之间且与所述转子中间流道呈相对布置；所述转子驱动流道的一端径向开设有泄压孔；所述泄压孔在所述转子旋转过程中间歇性的分别与所述旁通孔及转子驱动流道连通且内部还匹配设有单向阀。

所述可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其中：所述定子引流道为均匀布设于所述定子圆周面上的多个，其均为自所述定子的一端面向另一端面轴向延伸的螺旋状加速流道结构。

所述可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其中：所述转子驱动流道为沿所述转子圆周面均匀布设的多个，其均为自所述转子的一端面向另一端面轴向延伸且沿圆周面倾斜的加速流道结构。

所述可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其中：所述旁通孔相对于所述通孔的轴心线呈一定角度倾斜设置；所述旁通孔的内端沿所述通孔的内圆周均匀凸伸有限位挡块。

所述可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其中：所述定子的下端通过所述限位挡块轴向限位，上端通过所述上卡环轴向限位。

所述可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其中：所述上卡环匹配嵌设于所述通孔的内壁且下端顶紧所述定子的上端面；所述下卡环匹配嵌设于所述通孔的内壁，其上端分别顶紧所述转子和滚动轴承的下端面。

所述可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其中：所述刀翼呈螺旋状结构且匹配设于所述壳体的外壁；所述刀翼间的导流槽为宽进窄出的渐缩式流道，入口为开放型宽入口，中间直导流槽部分逐渐减小，出口为螺旋窄出口。

有益效果：

本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器结构设计简单、合理，装配连接简单、方便，其中，通过定子中间流道、定子引流道以及转子中间流道、转子侧流道、转子驱动流道的设计，使扶正器在使用过程中，在轴向和环空都能产生脉冲（交互式脉冲射流），经由转子侧流道和转子中间流道在轴向产生的脉冲频率不同，二者的频率是通过计算流体力学数值模拟及波相传动学优化后的频率且经过叠加，可使在轴向产生的脉冲强度得到加强，通过钻头后产生的脉冲射流能够大幅度提高井底的清岩能力；进入环空的脉冲流体，主动冲击岩屑床，使岩屑床受到较大的动压力和脉冲扰动，脉冲流体的不断扰动使静止的岩屑床被有效翻转或破坏，后又与其他颗粒相互碰撞，经过优化设计的导流槽被流体加速带走，这种主动攻击与被动加速相配合的方式，使岩屑床能够有效的被破坏并清除；同时，脉冲的产生，会使得钻柱产生相应振动，同样有利于清岩和岩屑床的清除，净化井眼，保证了整个扶正器使用的安全性、可靠性，也延长了扶正器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器的结构示意图；

图2为本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器的另一结构示意图；

图3为本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器的又一结构示意图；

图4为本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器的图3中A区域的局部放大图；

图5为本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器的定子的结构示意图；

图6为本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器的转子的结构示意图；

图7为本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器的定子与转子装配的结构示意图；

图8为本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器的壳体的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明中涉及到的方位词“上”、“下”以及“内”、“外”均与附图1或附图2中的朝向一致。

如图1至8所示，本发明可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，安装在钻头上方一定位置，包括壳体1、定子2、上卡环3、转子4、滚动轴承5和下卡环6。

壳体1大致呈圆柱形结构，其内部沿轴向还设有通孔11，在该壳体1的中段设有旁通孔12，该旁通孔12呈倾斜设置且与通孔11贯通，该旁通孔12由外向内先呈倾斜延伸再水平延伸形成，本实施例中该旁通孔12为1～4个，其轴线与扶正器轴线夹角即斜切角在5°～65°之间，有效直径为10～30mm。该旁通孔12呈水平延伸的内端口上侧沿通孔11内圆周均匀凸伸有限位挡块13。其中，在该壳体1的外壁上还凸设有刀翼14，该刀翼14呈螺旋状结构，且为无鳍无尾的海豚状，其凸设于壳体1的外壁。刀翼14间的导流槽为宽进窄出的渐缩式流道，入口为开放型宽入口，中间直导流槽部分逐渐减小，出口为螺旋窄出口，该结构促使流体、岩屑颗粒近乎无阻碍的进入导流槽，并无岩屑颗粒被反射、沉降；环空脉冲流体主动冲击岩屑床，使岩屑床受到较大的动压力和脉冲扰动，脉冲流体的不断扰动使静止的岩屑床被有效翻转或破坏，后又与其他颗粒相互碰撞；流体、岩屑颗粒被导流槽渐缩式流道加速，并在出口形成高速螺旋流，强化了流体携岩能力；同时，高速螺旋流动又使岩屑具有了碰撞其他静止岩屑使其运动的动力，高速螺旋流体又更利于下井壁沉积的岩屑床运动，进一步达到更好的岩屑床清除效果，该扶正器使用这种主动攻击与被动加速相配合的方式，使岩屑床能够有效的被破坏并清除。

定子2也大致呈圆柱体形结构，其匹配嵌设于该壳体1的通孔11的中段，上端通过上卡环3轴向限位，下端通过壳体1的限位挡块13限位且还与转子4的上端面接触连接；该定子2沿轴向贯通设置有定子中间流道21，沿圆周面轴向均匀设置有多个定子引流道22；其中，该定子中间流道21是自定子的一端面向另一端面轴向贯通设置且呈孔状结构；每个定子引流道22均呈槽体结构且均为自定子2的一端面向另一端面轴向延伸的螺旋状加速流道结构。本实施例中该定子引流道22为均匀布设于定子2圆周面的3～6个。

上卡环3大致呈圆形结构且匹配嵌设于壳体1的通孔11内壁，其下端顶紧接触定子2的上端面。

转子4也大致呈圆柱形结构且位于定子2的下侧，其也匹配嵌设于该壳体1的通孔11的中段，上端接触连接定子3的下端面，下端由下卡环6轴向限位，下端外圆周匹配套设有滚动轴承5，该转子4在滚动轴承5的作用下可周向旋转；其中，该转子4的上端面顶紧接触定子2的下端面。该转子4沿轴向贯通设有一个转子中间流道41，该转子中间流道41自转子4的一端面向另一端面轴向贯通设置且呈孔状结构；该转子4在旋转过程中，可间歇性的使转子中间流道41与定子2的中间流道211匹配对接导通，形成脉冲；该转子4沿圆周面轴向均匀设有多个呈槽体结构的转子驱动流道42，每个转子驱动流道42均为自转子4的一端面向另一端面轴向延伸的沿圆周面倾斜的加速流道结构，转子驱动流道42的开口朝向定子引流道22的出口设置，经过定子引流道22的流体流出后可以流向转子驱动流道42并且形成对转子驱动流道42的推动力，进而驱动转子4转动；

其中，在相邻转子驱动流道42之间还设有转子侧流道43；该转子侧流道43也自转子4的一端面向另一端面轴向贯通设置且呈孔状结构并与转子中间流道41呈相对布置，即位于转子中间流道41相对位置的最远端，同样的，转子4在旋转过程中，可间歇性的使转子侧流道43与定子2的引流道22导通，形成脉冲。经由转子侧流道43和转子中间流道41在轴向产生的脉冲频率不同，二者的频率是通过计算流体力学数值模拟及波相传动学优化后的频率且经过叠加，使在轴向产生的脉冲强度得到加强。该部分流体通过钻头产生脉冲射流，脉冲射流的井底获得的瞬时能量是连续射流的数倍，脉冲射流在井底具有很高的脉动性，使井底获得较高的动压力，增加了井底流动紊动度，增大了井底压力梯度，能及时有效的清除岩屑，净化井眼。同时，该转子驱动流道42的下端径向上开设有泄压孔44；每个泄压孔44内部均匹配设置有单向阀45，其在转子4旋转过程中间歇性的将壳体1的旁通孔12和转子驱动流道42相互连通，根据岩屑床形成与否，通过改变流过该扶正器内部的流体排量，来控制单向阀45的阀簧上所受到的压力的大小，进而控制单向阀的开启和关闭，针对性的对岩屑进行清理。本实施例中该转子驱动流道42为均匀布设于转子4圆周面上的6～10个，该泄压孔43为1～4个且有效直径为5～15mm。

滚动轴承5匹配套设于转子4的下端，其外壁接触连接壳体1的通孔11的内壁，下端由下卡环6轴向限位。

下卡环6大致呈圆形结构，其位于转子4的下侧且匹配嵌设于壳体1的通孔11内壁，上端面与转子4及滚动轴承5的下端面分别接触连接。

本发明的工作原理：

从扶正器上方进入的来流，一部分流体进入定子引流道驱动转子转动，另一部分流体进入定子中间流道蹩压，此时定子中间流道与转子中间流道处在错开位置。一方面，转子转动，当转子的泄压孔与壳体的旁通孔连通时，部分从定子引流来的流体通过壳体的旁通孔进入环空，当旁通孔与转子的泄压孔关闭时，无流体进入环空，随着壳体的旁通孔与转子的泄压孔周期性的连通和关闭，即形成了环空脉冲流体，环空脉冲流体冲击岩屑床，使岩屑床被有效清除；另一方面，在转子旋转的过程中，定子引流道与转子侧流道、定子中间流道与转子中间流道也将周期性的连通和关闭，在扶正器内部也将形成脉冲流体，经由转子侧流道和转子中间流道在轴向产生的脉冲频率不同，二者的频率是通过计算流体力学数值模拟及波相传动学优化后的频率且经过叠加，使在轴向产生的脉冲强度得到加强，该部分流体通过钻头产生脉冲射流，脉冲射流的井底获得的瞬时能量是连续射流的数倍，脉冲射流在井底具有很高的脉动性，使井底获得较高的动压力，增加了井底流动紊动度，增大了井底压力梯度，能够及时有效的清除井底岩屑，净化井眼。

本发明的使用方法及工作过程：

将本发明涉及的扶正器安装于距钻头一定距离钻柱上相应位置，钻柱在井眼中钻进；

当井眼水平段中的岩屑床未形成，钻柱所受摩擦阻力和扭矩较小，则保持钻柱内流体当前的一定的排量（如80～100m³/min），使钻柱正常钻进；此时钻柱内流体作用在单向阀上的压力值未达到能使阀簧收缩的启动压力值，阀簧不收缩，单向阀关闭，确保无流体进入环空，只有轴向形成脉冲，经过钻头形成加强脉冲射流，及时有效清除井底岩屑，净化井眼；

当井眼水平段中的岩屑床形成，钻柱所受的摩擦阻力和扭矩增加，出现钻柱的钻速降低，或者阻卡钻具无法正常钻进时，则提高钻柱内的流体排量至设定值，单向阀在受到较高排量流体作用后压缩阀簧，使单向阀开启，间歇性的分别与旁通孔及转子驱动流道连通。钻柱中的流体一部分喷出环空，形成环空脉冲流体，冲击岩屑床，使岩屑床被有效清除；另一部分，在轴向形成脉冲，经过钻头形成加强脉冲射流，及时有效清除井底岩屑，净化井眼；

当岩屑床清除完后，钻柱所受摩擦阻力和扭矩又降低，控制钻柱内的流体排量下降到最初值，阀簧弹回，单向阀关闭，无流体进入环空，只有轴向形成脉冲。

通过增加和降低钻井流体介质的排量，就可控制本发明涉及的扶正器的匹配装于其泄压孔内的单向阀的关闭，从而目的性的实现交互式脉冲的产生并针对性的清除井底岩屑和岩屑床。

本发明结构设计简单、合理，装配连接简单、方便，其中，定子和转子的引流道、驱动流道、中间流道、侧流道设计，形成的脉冲流体能使扶正器在使用过程中及时有效的清除井底岩屑，净化井眼；转子上的泄压孔及壳壁上的旁通孔设计形成的脉冲流体能使扶正器在使用过程中有效的清除形成的岩屑床，保证了整个扶正器使用的安全性、可靠性，也延长了扶正器的使用寿命。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，包括壳体（1），所述壳体（1）的内部设有通孔（11），壳壁上凸设有刀翼（14）且还设有与所述通孔（11）贯通的旁通孔（12）；其特征在于：所述扶正器还包括匹配装设于所述通孔（11）内侧的定子（2）、转子（4）、上卡环（3）和下卡环（6）；

所述定子（2）的一端由所述上卡环（3）轴向限位，另一端接触连接所述转子（4）的一端；所述转子（4）的另一端由所述下卡环（6）轴向限位且还套设有滚动轴承（5），其通过所述滚动轴承（5）可在所述通孔（11）内周向旋转；

所述定子（2）包括自一端面向另一端面轴向贯通设置且呈孔状结构的定子中间流道（21）以及沿圆周面轴向设置且呈槽体结构的定子引流道（22）；

所述转子（4）包括自一端面向另一端面轴向贯通设置且呈孔状结构的转子中间流道（41）和转子侧流道（43）以及沿圆周面轴向贯通设置且呈槽体结构的转子驱动流道（42）；

所述转子侧流道（43）位于相邻所述转子驱动流道（42）之间且与所述转子中间流道（41）呈相对布置；

所述转子驱动流道（42）的一端径向开设有泄压孔（44）；所述泄压孔（44）在所述转子（4）旋转过程中间歇性的分别与所述旁通孔（12）及转子驱动流道（42）连通且内部还匹配设有单向阀（45）。

2.如权利要求1所述的可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其特征在于：所述定子引流道（22）为均匀布设于所述定子（2）圆周面上的多个，其均为自所述定子（2）的一端面向另一端面轴向延伸的螺旋状加速流道结构。

3.如权利要求1所述的可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其特征在于：所述转子驱动流道（42）为沿所述转子（4）圆周面均匀布设的多个，其均为自所述转子（4）的一端面向另一端面轴向延伸且沿圆周面倾斜的加速流道结构。

4.如权利要求1所述的可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其特征在于：所述旁通孔（12）相对于所述通孔（11）的轴心线呈一定角度倾斜设置；

所述旁通孔（12）的内端沿所述通孔（11）的内圆周均匀凸伸有限位挡块（13）。

5.如权利要求4所述的可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其特征在于：所述定子（2）的下端通过所述限位挡块（13）轴向限位，上端通过所述上卡环（3）轴向限位。

6.如权利要求1所述的可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其特征在于：所述上卡环（3）匹配嵌设于所述通孔（11）的内壁且下端顶紧所述定子（2）的上端面；

所述下卡环（6）匹配嵌设于所述通孔（11）的内壁，其上端分别顶紧所述转子（4）和滚动轴承（5）的下端面。

7.如权利要求1所述的可井底清岩和清除岩屑床的钻井用扶正器，其特征在于：所述刀翼（14）呈螺旋状结构且匹配设于所述壳体（1）的外壁；

所述刀翼（14）间的导流槽为宽进窄出的渐缩式流道，入口为开放型宽入口，中间直导流槽部分逐渐减小，出口为螺旋窄出口。

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