CN103775010A - 一种水平段气体钻井用井眼净化工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平段气体钻井用井眼净化工具，由主体、螺旋流道、合金齿以及接头组成，所述主体两端是接头，螺旋流道位于主体上，所述螺旋流道包括占螺旋流道长度1/3的前螺旋流道和占螺旋流道长度2/3的后螺旋流道，所述前螺旋流道、后螺旋流道的扶正条上均嵌入不等径的合金齿，后螺旋流道中开有截面深度为2~4cm的斜U型凹槽。本发明采用复合结构螺旋流道，增大气体流速，增强环空气体的绕动流动；在螺旋流道迎风面设计斜U型凹槽，将岩屑大量举升到环空空中；在螺旋流道扶正条嵌入大小不同的合金齿，增强旋转过程中对岩屑的研磨。本发明原理可靠，结构合理，适用于气体钻井和液体钻井工况下的钻水平井井眼净化工艺，具有广阔的市场前景。

Description

一种水平段气体钻井用井眼净化工具
技术领域
本发明涉及石油工程领域钻井过程中钻水平井井眼净化的工具。
背景技术
在钻大斜度井、水平井、大位移井等倾斜角度较大的井时，容易出现井下岩屑运移困难，发生岩屑滞留、堆积在井眼下方低边方向，形成具有一定长度的岩屑床。岩屑床的形成造成了钻井扭矩加大，施加钻压困难甚至卡钻的危险，导致钻井无法顺利进行，造成巨大的经济损失。
为解决岩屑床的形成，目前已有一些清除岩屑床的工具但其功能并不十分理想：专利CN102220847A公开的旋涡清洁钻杆，具有一定改变环空气体流场的功能，但清洁钻杆对岩屑的举升能力由于涡旋发生器尺寸过小而十分微弱，并且岩屑床堆积在钻铤靠近钻头处已经形成，在钻杆处才改变流场为时已晚。专利CN1318726C披露的一种气体钻水平井用的钻具扶正器，其主要功能实现了减少甚至消除由于偏心环空造成的低速流动区域，从而使岩屑运移出去，具有一定的稳定、减小摩阻的功能，但基于扶正器上修改后的工具对岩屑向上举升的能力十分弱小，宽窄不一的流道只能让悬浮的岩屑通过扶正器，而起不到将堆积的岩屑大量举升至空中的作用。专利CN203285361U描述的一种岩屑床清除器，其清除功能只依靠螺旋流道改变流场方向、速度，不能大量举升岩屑，使大量岩屑再次运移，亦不能研磨岩屑减小岩屑运移的困难。专利CN201738848U描述的钻井用井眼清洁工具，可以实现改变环空流场，再次破碎岩屑床的岩石，但不具有将大量岩屑举升在环空空中进行再次运移的功能。而气体钻水平井过程中，岩屑床比常规钻井更容易形成，因为气体质量小，动能小，流动过程中携带岩屑的能力弱，上述专利技术不能满足气体钻井清洁岩屑床的需要。
目前国内外也有涉及有关井眼清洁工具的设计，其设计原理大致分为两类：一种是添加螺旋形工具，其目的是改变环空流场，将稳定流动的流体改变为紊乱流，从而增加流体携岩能力（陈锋，狄勤丰，袁鹏斌等. 高效岩屑床清除钻杆作用机理[J]. 石油学报，2012，33(2): 298-303）。另一种是在工具上造成“斜U”型槽，其目的是加大工具将沉积的岩屑从岩屑床举升到环空空中的能力，可以造成岩屑的二次运移（王智锋. 复杂结构井岩屑床清除技术[J]. 石油钻采工艺，2009，31(1): 102-104；孙浩玉. 岩屑床清除器设计及其流场仿真研究[J]. 石油机械，2009，37(12): 38-41）。所涉及的特殊工具或新结构扶正器在一定程度上具备一定清洁岩屑床的功能，但不能很好满足气体钻水平井清理岩屑床的需求，因为在气体钻水平井过程中，岩屑颗粒受到流体的浮力、冲击力远远小于常规泥浆钻井，单位体积气体的动能也小于钻井液的动能。
由此可见，目前少有能将改变流场、再次破岩以及举升岩屑至环空空中的清洁岩屑床的工具。而气体钻井形成的岩屑床相对于液体钻井而言，更难清理，针对气体钻水平井时形成的岩屑床，还需要更有效的清洁工具。
目前针对气体钻水平井井眼净化的研究表明，加强井眼净化率的方法有以下几种方式：1、设计螺旋流道，改变环空气体流场，使之成为非稳定流，增加绕动，提高气体携岩能力。2、设计螺旋键槽，提高清洁短接旋转时举升岩屑的能力，使大量岩屑被抬到环空空中，造成再次运移。3、研磨岩屑，减小岩屑平均粒径，使岩屑更容易被携带。4、加大空压机注气量，增加环空气体流速。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平段气体钻井用井眼净化工具，原理可靠，结构合理，不仅使大量岩屑再次运移，同时研磨岩屑，使岩屑粒径尺寸减少，从而增强岩屑被气体携带运移的能力，适用于气体钻井和液体钻井工况下的钻水平井井眼净化工艺，弥补了现有技术的缺陷和不足，具有广阔的市场前景。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
本发明采用复合结构螺旋流道，不但增大气体流速还可增强环空气体的绕动流动，增大气体的携岩能力；在螺旋流道的迎风面设计斜U型凹槽，在旋转过程中斜U型凹槽可将岩屑床的岩屑大量举升到环空空中，达到使大量岩屑再次运移的目的；在螺旋流道扶正条外表面嵌入大小不同的合金齿，增强旋转过程中对岩屑的研磨，达到进一步研磨岩屑，使岩屑粒径尺寸减少，从而达到增强岩屑被气体携带运移能力的目的。
一种水平段气体钻井用井眼净化工具，由主体、螺旋流道、合金齿以及接头组成，所述主体为圆柱型，其外径为15cm~30cm，长度为80cm~120cm，主体两端是接头，所述螺旋流道位于主体上，所述螺旋流道的宽度为7~14cm，深度为5~10cm。
所述螺旋流道包括前螺旋流道和后螺旋流道，所述前螺旋流道占螺旋流道长度的1/3，后螺旋流道占螺旋流道长度的2/3，所述前螺旋流道、后螺旋流道的轴线与水平方向呈30°~60°角，前螺旋流道、后螺旋流道的螺旋角度关于主体轴线的法线对称。
所述前螺旋流道、后螺旋流道的扶正条上均嵌入不等径的合金齿，其直径为0.5cm~2cm；所述后螺旋流道中开有截面深度为2~4cm的斜U型凹槽，该斜U型凹槽的中心线与圆柱型主体的交接处切线呈5°~60°夹角，在旋转过程中斜U行凹槽可将岩屑刮入U型槽中，并携带至环空空中形成再次运移。
所述前、后螺旋轴线与水平方向呈30°~60°角，前后螺旋流道轴线方向反向，呈120°~150°角，反向角度设计更能加强气体流动的扰动，使气体流线更加不规则，增加了气体的携岩能力。所述主体外径为15cm ~30cm ，长度为80cm~120cm，具体尺寸根据不同井眼尺寸确定。后螺旋流道的迎风侧面开有斜U型凹槽，斜U型凹槽衍生方向与螺旋状扶正条平行。斜U型凹槽位于转动的迎风面，能有效并大量束缚住被卷入的岩屑，并且随着转动将岩屑举升到环空空中的一定高度，同时还是给予岩屑一定的动能，使得岩屑能够再次运移。 扶正条上嵌入合金齿的直径为0.5cm~2cm，根据钻头一次破岩实验研究发现首次破岩后岩屑粒径分布主要在3cm~6cm，因此设计不同直径的合金齿便于破碎不同粒径的岩屑。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：同时将改变流场、再次破岩和物理举升岩屑三种功能结合在一起，并且采用了复合流道，在流道中开斜U型凹槽，提高了扰乱流动的能力和对岩屑的举升能力，采取多直径合金齿工艺，提高了破碎岩屑的能力，能更有效地清除岩屑床。本发明不仅适用常规液体钻井，在气体钻井中同样能达到较好的效果。
 
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1 主体，2前螺旋流道，3后螺旋流道，4 凹槽，5 合金齿，6接头。
图2是图1的A-A剖面（前螺旋流道）的结构示意图。
图3是图1的B-B剖面（后螺旋流道）的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和气体钻水平井过程对本发明作进一步说明。
参看图1、图2、图3。
一种水平段气体钻井用井眼净化工具，由主体1、螺旋流道、合金齿5以及接头6组成，所述主体1为圆柱型，主体两端是接头6，所述螺旋流道位于主体上，所述螺旋流道的宽度为7~14cm，深度为5~10cm；所述螺旋流道包括前螺旋流道2和后螺旋流道3，所述前螺旋流道占螺旋流道长度的1/3，后螺旋流道占螺旋流道长度的2/3，所述前螺旋流道、后螺旋流道的轴线与水平方向呈30°~60°角，前螺旋流道、后螺旋流道的螺旋角度关于主体轴线的法线对称；所述前螺旋流道2、后螺旋流道3的扶正条上均嵌入不等径的合金齿5，其直径为0.5cm~2cm；所述后螺旋流道中开有截面深度为2~4cm的斜U型凹槽4，该斜U型凹槽的中心线与圆柱型主体的交接处切线呈5°~60°夹角。
将本发明接在钻铤靠近钻头部位，往后可每间隔100米安装1个，该工具或短接跟随钻柱旋转时，气流流经前螺旋流道时，流速增加并且改变之前稳定的流动变为螺旋流动，将岩屑床中岩屑吹起，同时前螺旋流道的螺旋外径上的合金齿能将岩屑床上的岩屑进行研磨。前螺旋流道的作用主要用于改变流场和研磨岩屑（此时大部分岩屑依然处于岩屑床上）。如此，加速气体和被研磨后的岩屑进入后螺旋流道中，后螺旋流道的斜U状凹槽将被研磨的岩屑从岩屑床上刮入斜U型凹槽，斜U型设计可以减少岩屑掉出凹槽的可能几率，岩屑随转动被斜U型凹槽带到环空空中后掉落，掉落时被凹槽中的高速紊流气体携带，吹离短接进行再次运移。 

Claims (3)

1.一种水平段气体钻井用井眼净化工具，由主体（1）、螺旋流道、合金齿（5）以及接头（6）组成，所述主体（1）为圆柱型，主体两端是接头（6），所述螺旋流道位于主体上，其特征在于，所述螺旋流道包括前螺旋流道（2）和后螺旋流道（3），所述前螺旋流道占螺旋流道长度的1/3，后螺旋流道占螺旋流道长度的2/3，所述前螺旋流道、后螺旋流道的轴线与水平方向呈30°~60°角，前螺旋流道、后螺旋流道的螺旋角度关于主体轴线的法线对称；所述前螺旋流道（2）、后螺旋流道（3）的扶正条上均嵌入不等径的合金齿（5），其直径为0.5cm~2cm；所述后螺旋流道中开有截面深度为2~4cm的斜U型凹槽（4）。
2.如权利要求1所述的气体钻井用井眼净化工具，其特征在于，所述主体（1）外径为15cm~30cm，长度为80cm~120cm，所述螺旋流道的宽度为7~14cm，深度为5~10cm。
3.如权利要求1所述的气体钻井用井眼净化工具，其特征在于，所述斜U型凹槽的中心线与圆柱型主体的交接处切线呈5°~60°夹角。
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