CN103774991A - 井底粒子引射钻井提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井底粒子引射钻井提速工具，属于石油、天然气钻井的配套装置领域。该井底粒子引射钻井提速工具包括上接头、收缩喷嘴、壳体及下接头；其中，下接头与一个钻头连接；钻头设有水眼；收缩喷嘴设有喷嘴通道；收缩喷嘴与壳体之间形成环形空间，喷嘴通道与环形空间连通；壳体设有粒子吸入口；下接头设有锥形的扩压流道，且扩压流道与环形空间贯通的入口处的直径小于扩压流道与水眼贯通的出口处的直径。本发明的井底粒子引射钻井提速工具在进行钻井的过程中，钻井液通过收缩喷嘴形成高速射流后喷出，由于射流的引射作用，在环形空间内形成一个低压区，通过高低压力的压力差将环空内的钢制粒子吸入到环形空间内，增加了粒子的吸入效果。

Description

井底粒子引射钻井提速工具

技术领域

本发明属于石油、天然气钻井的配套装置领域，特别涉及一种能够提高深部坚硬地层钻井破岩速度的井底粒子引射钻井提速工具。

背景技术

近年来，随着我国浅层油气资源的不断枯竭，在深部坚硬地层以及复杂地质条件下发现油气是目前勘探开发的重要工作。在钻井过程中，地层硬度和钻井难度随着井深的增加而不断增大，提高硬地层钻速是世界公认的难题之一。国内外各油田在深井、硬岩地层钻进中普遍存在钻井速度慢、钻具寿命短、钻井周期长、钻井成本高等难题，制约着勘探开发的整体效益。

粒子冲击钻井技术是近几年发展起来的一种专门针对深部硬地层的高效钻井技术，它是在位于泥浆泵和钻柱之间的高压管处将球形钢粒子混入钻井液中，钻井液携带粒子进入立管并传递到井下钻头，粒子以高速喷出，通过高频撞击和磨削作用破碎破岩，是高速水力破岩为主、机械牙齿破岩为辅的一种崭新的高效钻井破岩方法。它将破岩方式由传统的高压水射流对井底岩石的静压作用改变为高速粒子流对井底岩石的冲蚀和磨削作用，大大提高了能量的利用率，提高了钻井速度。然而，粒子冲击钻井技术在我国尚处于起步阶段，目前国内开发的井底岩屑磨料射流钻井工具可用来开展井底自吸式粒子冲击钻井，但现场试验表明，粒子吸入效果差，提速效果不明显。

发明内容

为了解决上述粒子冲击钻井技术的粒子吸入效果差的技术问题，本发明实施例提供了一种井底粒子引射钻井提速工具。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种井底粒子引射钻井提速工具，其包括上接头、第一端连接上接头的壳体及连接壳体的第二端的下接头；其中，下接头与一个钻头连接；钻头设有水眼；井底粒子引射钻井提速工具还包括安装在壳体内的收缩喷嘴，收缩喷嘴设有一个喷嘴通道；收缩喷嘴的外周面与壳体之间形成有环形空间，喷嘴通道与环形空间连通；壳体的壁面间隔均匀的分布有多个与环形空间连通的粒子吸入口；下接头设有一个锥形的扩压流道，且扩压流道与环形空间贯通的入口处的直径小于扩压流道与水眼贯通的出口处的直径。

进一步地，壳体沿着轴向设有一个贯穿的中空腔，收缩喷嘴固定在中空腔内，且中空腔内于收缩喷嘴的下方还固定有一个衬套，衬套设有一个与喷嘴通道对齐贯通的收缩流道，且收缩流道与环形空间及扩压流道贯通。

进一步地，衬套包括面向收缩喷嘴的第一端及与第一端相对的第二端，收缩流道贯穿衬套的第一端和第二端，收缩流道包括位于第一端的截面呈圆锥形的第一孔段和位于第二端的截面呈圆形的第二孔段，第二孔段的直径范围为30-40mm。

进一步地，衬套的第二端的端面顶抵于下接头，第二孔段与扩压流道的入口对齐贯通，且扩压流道的入口处的直径与第二孔段的直径相等。

进一步地，衬套的第二端的外周面设有固定凸环，中空腔的内壁凹陷有固定固定凸环的第二安装环槽。

进一步地，收缩喷嘴远离衬套的第一端的外周面设有安装凸环，中空腔的内壁凹陷有固定安装凸环的第一安装环槽。

进一步地，收缩喷嘴面向衬套的第二端呈锥形，且收缩喷嘴的第二端的外锥面为内凹的弧形面，收缩喷嘴的第二端的外锥面和中空腔一起围成环形空间。

进一步地，中空腔的内壁于衬套的下方设有连接内螺纹，上接头的外周面设有与中空腔的连接内螺纹配合连接的外螺纹。

进一步地，中空腔的内壁于缩喷嘴的上方设有连接内螺纹，上接头的外周面上设有与中空腔的连接内螺纹连接的锥形外螺纹。

进一步地，每一粒子吸入口的直径范围为24-28mm，喷嘴通道的直径范围为20-25mm。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的井底粒子引射钻井提速工具在进行钻井的过程中，钻井液通过收缩喷嘴形成高速射流后喷出，由于射流的引射作用，在环形空间内形成一个低压区，通过高低压力的压力差将环空内的钢制粒子吸入到环形空间内，增加了粒子的吸入效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的井底粒子引射钻井提速工具的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，本发明实施例提供的井底粒子引射钻井提速工具包括与钻铤（图未示）连接的上接头1、壳体2、安装在壳体2内的收缩喷嘴3、安装在壳体2内的衬套5及下接头7。其中，下接头7与钻井装置的钻头8连接，且钻头8上设有相互贯通的多处水眼81。

上接头1沿着轴向设有一个贯穿其第一端和第二端的阶梯通孔11。其中，该阶梯通孔11位于第一端处的为大孔段，且该大孔段的壁面设有锥形螺纹111。上接头1通过锥形螺纹111与钻铤相连。上接头1的第二端处的外周面上设有锥形外螺纹113。

壳体2呈中空的筒状，其沿着轴向设有一个贯穿其第一端和第二端的中空腔21。中空腔21的内壁于第一端和第二端处分别设有连接内螺纹，优选地，在本实施方式中，中空腔21的连接内螺纹是与锥形外螺纹113对应的锥形内螺纹。中空腔21的内壁于第一端的连接内螺纹处的下方向内凹陷形成第一安装环槽23；中空腔21的内壁于第二端的连接内螺纹处的上方向内凹陷形成第二安装环槽24。上接头1的第二端处的锥形外螺纹113与壳体2的第一端的连接内螺纹连接，以将上接头1与壳体2相连。井眼（图未示）的内壁和壳体2的外周面之间的间隙为环空（图未示）。

壳体2于第一安装环槽23和第二安装环槽24之间间隔均匀地设有多个与中空腔21贯通的粒子吸入口25，优选地，在本实施方式中，壳体2上均匀分布4个粒子吸入口25，且每一粒子吸入口25的直径范围为24-28mm。

收缩喷嘴3沿着轴向设有一个喷嘴通道31，优选地，在本实施方式中，喷嘴通道31的直径范围为20-25mm。收缩喷嘴3的第一端向外凸设有安装凸环33，收缩喷嘴3的第二端大致呈锥形。优选地，在本实施方式中，收缩喷嘴3的第二端的外锥面为内凹的弧形面。安装凸环33固定在壳体2的第一安装环槽23内，以将收缩喷嘴3固定在壳体2的中空腔21内。此时，收缩喷嘴3的喷嘴通道31与上接头1的阶梯通孔11对齐贯通，且收缩喷嘴3的第二端的外周面与中空腔21之间形成环形空间35。环形空间35与壳体2的粒子吸入口25贯通对齐。优选地，在本实施方式中，收缩喷嘴3的第一端与中空腔21的内壁之间设有O形橡胶圈密封6。

衬套5包括贯通第一端和第二端的收缩流道51。收缩流道51包括位于衬套5的第一端的截面呈圆锥形的第一孔段511和位于衬套5的第二端的截面呈圆形的第二孔段513。优选地，在本实施方式中，第二孔段513的直径范围为30-40mm。衬套5的第二端的外周面凸设有固定凸环53。衬套5容置于壳体2的中空腔21内，且固定凸环53固定安装在壳体2的第二安装环槽24内。衬套5的第一端的端面与收缩喷嘴3的第二端的端面对齐，收缩流道51与喷嘴通道31贯通对齐，环形空间35与第一孔段511贯通。优选地，在本实施方式中，衬套5的第二端与中空腔21的内壁之间也设有O形橡胶圈密封6。

下接头7的第一端的外周面设有与壳体2的第二端的连接内螺纹相配合连接的外螺纹。下接头7的第二端凹陷形成一个固定槽（未标号），且该固定槽的内壁面设有固定钻头8的内螺纹。下接头7沿着轴向设有一个贯穿第一端和固定槽的锥形的扩压流道71。下接头7固定在壳体2的第二端的中空腔21内，且下接头7的第一端的端面与衬套5的第二端的端面相抵顶。扩压流道71的入口通过收缩流道51与环形空间35连通。第二孔段513与扩压流道71的入口对齐贯通，且扩压流道71的入口处的直径与收缩流道51的第二孔段513的直径相等。扩压流道71的出口与钻头8的水眼81相连通。扩压流道71的入口出的直径小于扩压流道71的出口处地直径。

当使用本发明的井底粒子引射钻井提速工具在井底进行钻井工作时，上接头1与钻铤相连，下接头7与钻头8相连；在接单根的过程中，往钻柱内部加入适量钢制粒子，起钻后粒子经钻柱到达钻头8，经钻头8的喷嘴加速后冲击井底岩石，反弹后进入井眼和壳体2之间的环空内。钻井液通过钻柱流入上接头1的阶梯通孔11后进入收缩喷嘴3，通过收缩喷嘴3加速形成高速射流后由喷嘴通道31喷出。由于射流的引射作用，在喷嘴通道31出口处的环形空间35内形成一个低压区。在环形空间35内的低压的作用下，环空内的钢制粒子由壳体2上的粒子吸入口25被引入到环形空间35内，与钻井液充分混合。之后，混合后的钻井液和粒子依次通过衬套5的收缩流道51及下接头7的扩压流道71后，由钻头8的水眼81高速喷出，形成粒子射流并作用于井底岩石，这样，粒子射流对井底岩石进行高频冲击和磨削，使岩石破碎所需的限压力降低，进而高效破碎岩石，大幅提高钻井速度。

破碎岩石后的粒子经反弹后再次进入环空内，并再次被吸入到环形空间35内和钻井液混合形成粒子射流；之后，粒子射流再从钻头8的水眼81高速喷出破碎岩石，如此往复。

综上所述，本发明的井底粒子引射钻井提速工具在进行钻井的过程中，钻井液通过收缩喷嘴3形成高速射流后喷出，由于射流的引射作用，在环形空间35内形成一个低压区，通过高低压力的压力差将环空内的钢制粒子吸入到环形空间35内，增加了粒子的吸入效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种井底粒子引射钻井提速工具，其包括上接头（1）、第一端连接所述上接头（1）的壳体（2）及连接所述壳体（2）的第二端的下接头（7）；其中，所述下接头（7）与一个钻头（8）连接；所述钻头（8）设有水眼（81）；

其特征在于，所述井底粒子引射钻井提速工具还包括安装在所述壳体（2）内的收缩喷嘴（3），所述收缩喷嘴（3）设有一个喷嘴通道（31）；

所述收缩喷嘴（3）的外周面与所述壳体（2）之间形成有环形空间（35），所述喷嘴通道（31）与所述环形空间（35）连通；所述壳体（2）的壁面间隔均匀的分布有多个与所述环形空间（35）连通的粒子吸入口（25）；

所述下接头（7）设有一个锥形的扩压流道（71），且所述扩压流道（71）与所述环形空间（35）贯通的入口处的直径小于所述扩压流道（71）与所述水眼（81）贯通的出口处的直径。

2.根据权利要求1所述的井底粒子引射钻井提速工具，其特征在于，所述壳体（2）沿着轴向设有一个贯穿的中空腔（21），所述收缩喷嘴（3）固定在所述中空腔（21）内，且所述中空腔（21）内于所述收缩喷嘴（3）的下方还固定有一个衬套（5），所述衬套（5）设有一个与喷嘴通道（31）对齐贯通的收缩流道（51），且所述收缩流道（51）与所述环形空间（35）及所述扩压流道（71）贯通。

3.根据权利要求2所述的井底粒子引射钻井提速工具，其特征在于，所述衬套（5）包括面向所述收缩喷嘴（3）的第一端及与所述第一端相对的第二端，所述收缩流道（51）贯穿所述衬套（5）的第一端和第二端，所述收缩流道（51）包括位于所述第一端的截面呈圆锥形的第一孔段（511）和位于所述第二端的截面呈圆形的第二孔段（513），所述第二孔段（513）的直径范围为30-40mm。

4.根据权利要求3所述的井底粒子引射钻井提速工具，其特征在于，所述衬套（3）的第二端的端面顶抵于所述下接头（7），所述第二孔段（513）与所述扩压流道（71）的入口对齐贯通，且所述扩压流道（71）的入口处的直径与所述第二孔段（513）的直径相等。

5.根据权利要求3所述的井底粒子引射钻井提速工具，其特征在于，所述衬套（5）的第二端的外周面设有固定凸环（53），所述中空腔（21）的内壁凹陷有固定所述固定凸环（53）的第二安装环槽（24）。

6.根据权利要求2所述的井底粒子引射钻井提速工具，其特征在于，所述收缩喷嘴（3）远离所述衬套（5）的第一端的外周面设有安装凸环（33），所述中空腔（21）的内壁凹陷有固定所述安装凸环（33）的第一安装环槽（23）。

7.根据权利要求6所述的井底粒子引射钻井提速工具，其特征在于，所述收缩喷嘴（3）面向所述衬套（5）的第二端呈锥形，且所述收缩喷嘴（3）的第二端的外锥面为内凹的弧形面，所述收缩喷嘴（3）的第二端的外锥面和所述中空腔（21）一起围成所述环形空间（35）。

8.根据权利要求2所述的井底粒子引射钻井提速工具，其特征在于，所述中空腔（21）的内壁于所述衬套（5）的下方设有连接内螺纹，所述上接头（7）的外周面设有与所述中空腔（21）的连接内螺纹配合连接的外螺纹。

9.根据权利要求2所述的井底粒子引射钻井提速工具，其特征在于，所述中空腔（21）的内壁于所述缩喷嘴（3）的上方设有连接内螺纹，所述上接头（1）的外周面上设有与所述中空腔（21）的连接内螺纹连接的锥形外螺纹（113）。

10.根据权利要求1所述的井底粒子引射钻井提速工具，其特征在于，每一所述粒子吸入口（25）的直径范围为24-28mm，所述喷嘴通道（31）的直径范围为20-25mm。

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