CN103790521B - 水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水平井安全高效泥浆钻井的射流磨钻头，其特征在于在现有钻头上加装了射流粉碎装置和高浓度湍流抽砂装置。因此，射流磨钻头主要包括射流粉碎部和高浓度湍流抽砂部；所述的射流粉碎部，其特征在于有反向自振空化射流喷嘴、混合室、喉管、岩屑解离加速管、粉碎靶体、粉碎仓及旁通；高浓度湍流抽砂部，其特征在于有井底岩屑搅动与清洗流道、岩屑吸入管及钻头喷嘴。岩屑吸入管、井底岩屑搅动与清洗流道基于抽砂泵的原理抽吸高浓度湍流岩屑，可有效减小井底压差，从而提高机械钻速；基于射流磨原理，岩屑通过水力脉冲空化射流作用进一步粉碎，达到液固悬浮流动的状态，从而消除水平井中所形成的岩屑床。

Description

水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头

技术领域

本发明属于钻井与油气工程领域，具体涉及一种水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头。

背景技术

众所周知，携岩是水平井和大位移井钻井的一个重要难题，如果岩屑携带效果达不到要求，会导致诸多问题发生，如高摩阻和高扭矩，沉砂卡钻，下套管与固井困难，钻具磨损严重，测井仪器下入作业困难等，甚至导致钻井作业可能被迫中止。然而，影响携岩效果的一个最为重要的因素就是岩屑尺寸，根据斯托克斯定律，岩屑的沉降末速与岩屑粒径的平方成正比，因此减小岩屑尺寸可以大大提高携岩效率。前人研究和现场施工表明，在水平井和大位移井钻井中，一般使用聚合物和油基钻井液，小尺寸岩屑的携岩效率明显大于大尺寸岩屑。现场为了控制岩屑床，经常进行短起下钻划眼，甚至将钻头附近大颗粒岩屑推回井底重复破碎；采用低钻压和高转速，使钻头第一次破碎产生的岩屑不致于过大，但这都会降低机械钻速。

发明内容

本发明的第一目的在于粉碎岩屑，解决水平井和大位移井的携岩难题，消除岩屑床。

本发明的第二目的在于利用反向水力脉冲空化射流抽吸井底流体及岩屑，减小井底压差，消除压持效应，进一步提高机械钻速。

为实现第一目的，本发明的射流磨钻头的射流粉碎装置包括：

反向自振空化射流喷嘴，用于产生高聚能自振空化射流；通过合理设计喷嘴内腔形状，使流体通过喷嘴加速为高聚能自振空化射流，充分粉碎岩屑。

混合室，与高速射流喷嘴相连，用于将岩屑混入高速射流；高压流体经喷嘴高速喷出，压力迅速释放，在混合室内产生负压，岩屑被高速吸入，并被高速射流束卷吸归流，射流束外围岩屑受混合室末端收缩体型设计的影响，在收缩段产生回流并汇入高速射流主流，形成两相混合射流，在混合射流外部空间的岩屑则在剪切作用下高速流入加速管。

岩屑解离加速管，与混合室相连，用于解离带微裂缝的岩屑，实现解离破碎，柑间及颗粒之间的碰撞、互磨产生的冲击压力和剪切力造成颗粒的破碎，并实现对岩屑的加速；为了避免附壁流和提高射流能量利用率，对喷嘴直径与加速管管径配置进行优化。

粉碎靶体，与岩屑解离加速管相连，利用瞬间冲击力、水楔粉碎岩屑；为了减小水垫增阻对粉碎的不利影响，靶面与加速管轴线设计呈一定角度。

粉碎仓，与粉碎靶面呈一定角度相连，用于对岩屑的再次粉碎。

旁通，与粉碎仓呈一定角度相连并接环空，用于降低混合流的流速，并将粉碎后的岩屑排入环空。

为实现第二目的，本发明的射流磨钻头的抽沙泵包括：

井底岩屑搅动与清洗流道，与井底连通，用于搅动岩屑与冷却钻头，为了提高了岩屑搅动和清洗效率，流道为不对称设计。

钻头喷嘴，装在井底岩屑搅动与清洗流道上，产生射流，该喷嘴射出的不对称高速射流将井底岩屑冲击成高浓度的湍流，使射流磨在无须附属装置的情况下实现高浓度吸入岩屑；喷嘴的不对称布置提高了岩屑搅动和清洗效率。

岩屑吸入管，连通井底与混合室，用于吸走井底岩屑，让井底岩屑和气流从吸入管上返。

反向自振空化射流喷嘴，其利用了射流泵的原理，即抽吸井底流体使井底局部压力降低，减小井底压差，从而促使岩屑脱离井底并加速上返，避免重复破碎，进一步产生提速效果。旁通，与粉碎仓呈一定角度相连并接环空，用于降低混合流的流速，减小混合流对井壁的冲蚀，并将粉碎后的岩屑排入环空。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下良好效果：

(1)所述的射流磨利用高聚能射流的超细粉碎技术能够粉碎岩屑，大大降低水平井中岩屑的沉降末速，提高携岩效率，消除水平井中的岩屑床。相比采用低钻压和高转速、短起下钻划眼来控制岩屑床而言，本发明从根本上解决了岩屑床问题，并解放了钻压及提高了钻速。

(2)本发明所述的反向高速射流喷嘴利用抽沙泵的原理，抽吸井底流体使井底局部压力降低，减小井底压差，从而促使岩屑脱离井底并加速上返，避免重复破碎，从而提高了机械钻速。

附图说明

图1为一种水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头的示意图。

图2为图1中A-A剖面示意图。

图3为图1中B-B剖面示意图。

图4为图1中C-C剖面示意图。

图5为图1中D-D剖面示意图。

图6为图1中E-E剖面示意图。

图7为一种水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头的水眼和排屑孔布置示意图；

图8为一种水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头的反向自振空化射流喷嘴示意图；

图9为一种水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头的钻头水眼喷嘴示意图；

图中：1、旁通，2、粉碎仓，3、喉管，4、反向自振空化射流喷嘴，5、PDC钻头本体，6、钻头刀翼，7、粉碎靶体，8、解离加速管，9、混合室，10、岩屑吸入管，11、井底岩屑搅拌与清洗流道，12、钻头水眼喷嘴。

具体实施方式

如图1所示，一种水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头，包括：1、旁通，2、粉碎仓，3、喉管，4、反向自振空化射流喷嘴，5、PDC钻头本体，6、钻头刀翼，7、粉碎靶体，8、解离加速管，9、混合室，10、岩屑吸入管，11、井底岩屑搅拌与清洗流道，12、钻头水眼喷嘴。概括起来主要为两个主要部分：钻头底部的抽沙泵，射流磨。

在钻进过程中，高压钻井液由主流道进入，一部分钻井液由反向自振空化射流喷嘴4喷出，形成高速空化脉冲射流，高速空化脉冲射流在混合室9产生负压，此负压通过岩屑吸入管10对井底流体和岩屑进行抽吸，从而降低井底压差，减小岩屑的压持效应，创造井底的欠平衡条件，提高机械钻速。另一部分钻井液进入井底岩屑搅拌与清洗流道11由钻头喷嘴12喷出，所述钻头喷嘴12喷出的不对称高速射流将井底岩屑冲击成高浓度的湍流，使射流磨在无须附属装置的情况下实现高浓度吸入岩屑，井底岩屑搅拌与清洗流道11和钻头喷嘴12的不对称设计提高了岩屑搅动效率。井底高浓度岩屑湍流在反向自振空化射流喷嘴4的抽吸作用下经岩屑吸入管10进入混合室9。此部分为抽沙泵。

反向自振空化射流喷嘴4喷出高聚能空化脉冲射流，在混合室9产生负压卷吸岩屑，岩屑在混合室9和喉管3处被汇入高聚能射流，高聚能射流在解离加速管8解离带微裂缝的岩屑，实现解离破碎，相间及颗粒之间的碰撞、互磨产生的冲击压力和剪切力造成颗粒的破碎，并实现对岩屑的加速。高速岩屑高速冲击粉碎靶体7，利用瞬间冲击力、水楔粉碎岩屑。带微裂缝的细小岩屑在粉碎仓2经过多次反射碰撞进一步粉碎，其速度降下来后由旁通排入环空。此部分为射流磨。

Claims (6)

1.一种水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头，包括PDC钻头，PDC钻头刀翼，其特征在于去除了PDC钻头保径部位的排屑槽，并在PDC钻头内部加装了射流粉碎装置和高浓度湍流抽砂装置，因此射流磨钻头主要包括射流粉碎部和高浓度湍流抽砂部；

所述的射流粉碎部，包括反向自振空化射流喷嘴、混合室、喉管、岩屑解离加速管、粉碎靶体、粉碎仓及旁通；反向自振空化射流喷嘴入口与钻头的主流道连通，反向自振空化射流喷嘴的喷嘴出口位于混合室内，混合室与喉管对接连通，喉管与岩屑解离加速管对接连通，岩屑解离加速管出口与粉碎仓连通，粉碎仓内安有粉碎靶体正对着岩屑解离加速管出口，粉碎仓与旁通连通；

所述的高浓度湍流抽砂部，包括井底岩屑搅动与清洗流道、岩屑吸入管及钻头喷嘴；井底岩屑搅动与清洗流道入口与钻头的主流道连通，井底岩屑搅动与清洗流道出口处设置有钻头喷嘴，钻头喷嘴与反向自振空化射流喷嘴反向设置；岩屑吸入管入口与钻头端部排屑槽的外端连接，岩屑吸入管出口与混合室连接。

2.根据权利要求1所述的水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头，其特征在于井底岩屑搅动与清洗流道由前一个流道分为后三个流道；前一个流道连通PDC钻头的主流道，为圆管；后三个流道为前端直径小、后端直径大的圆管，出口处设置有钻头喷嘴，且为不对称布置。

3.根据权利要求1所述的水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头，其特征在于岩屑吸入管为圆管，入口连接钻头端部排屑槽的外端，并向靠近切削齿一侧布置。

4.根据权利要求1所述的水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头，其特征在于岩屑解离加速管为圆管，其轴线与粉碎靶体的靶面呈135°夹角。

5.根据权利要求1所述的水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头，其特征在于粉碎仓的形状为四方体，其横截面为所述岩屑解离加速管截面的外接正方形。

6.根据权利要求1或5所述的水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头，其特征在于旁通为圆管，其横截面为所述粉碎仓横截面的外接圆。