CN103821453A - 水力脉冲增压欠平衡钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种水力脉冲增压欠平衡钻井装置。包括：带有斜向流道的本体，叶轮，底座，叶轮轴等。底座通过定位销安装在本体中，使两个泻流通道关于本体上两个斜流通道所在平面对称；叶轮通过叶轮轴安装在底座上方。其基本工作原理为：钻井液通过装置本体内腔，带动叶轮旋转，叶轮下面的挡板会周期性的打开、关闭底座的泻流通道从而改变流体通过的截面积，将流过该装置连续的钻井液调制成脉动形式，提高清岩效率；在泻流通道周期性开、闭的同时，叶轮的侧向开口则会对应的闭、开斜向流道，使钻井液斜向上喷射，由此产生的反冲力在钻头上增加压力，并在斜向流道以下环空产生抽吸压力实现欠平衡，最终提高了破岩效率。本发明结构简单，巧妙的结合了水力脉冲钻井技术、井下增压钻井技术和欠平衡钻井技术，合理的分配井下水力能量，大幅提高了破岩效率和清岩效率，节约了钻井成本。

Description

水力脉冲增压欠平衡钻井装置

技术领域

本发明涉及到一种水力脉冲增压欠平衡钻井装置。属于石油、天然气开采领域钻井中的井下工具。

背景技术

随着油气资源的勘探开发向着深部地层发展，所钻遇的深井、超深井越来越多，随着所钻井深的不断增加，井筒内的钻井液柱的静液柱压力不断加大，对岩屑的压持效应越来越明显；然而传统的钻井方式在钻井过程中的水力能量的传输、转换、分配及利用效率随井深的增加进一步降低。这直接导致了钻井速度的明显下降。因此，如何通过提高水力能量的传输、转换、分配及利用效率来改善井底岩石的应力状态和流场分布，进而提高破岩、清岩效率提高钻井速度是亟需解决的问题。虽然近些年有学者研发了旋转冲击钻井工具、井下增压器和单一的水力脉冲钻井工具等提高钻井速度工具，但由于内部构件复杂导致寿命和稳定性差，井下增压器产生的高压水射流辅助破岩能量低、破岩效果一般，单一脉冲发生装置产生脉动振幅小及压降、能量损耗较大等原因，所以一直未能推广为大规模应用技术。

水力脉冲增压欠平衡钻井装置是结合水力脉冲钻井技术、井下增压钻井技术和欠平衡钻井技术来实现提高钻井速度的关键部件，钻井时该装置安装在钻头和钻铤之间，或在钻头和井下动力钻具之间，将连续流动的钻井液转化为脉冲射流经钻头喷嘴喷射至井底，钻井液由斜向流道向上喷射产生的向下反冲力由该装置传递到钻头上作用在岩石上形成脉动增压，钻井液由斜向流道向上喷射在斜向流道以下环空产生抽吸压力实现欠平衡，从而改变了井底岩石的受力状态和井底流场状态，进而提高机械钻速。

综合考虑以上工具的工作方式及存在的优点与缺点，本发明人根据多年从事岩石破碎与清除方面的实践和配套工具研发的经验，研制出了本发明的水力脉冲增压欠平衡钻井装置。

发明内容

本发明的目的是巧妙的结合水力脉冲钻井技术、井下增压钻井技术和欠平衡钻井技术的优点，合理分配钻井过程中的水力能量：钻井液通过斜向流道产生的反冲力形成水力脉动增压，该增加压力通过该装置传递到钻头钻用在井底岩石上，实现机械应力集中破岩，增加破岩效果；水力脉冲通过钻头喷嘴喷出减少“压持效应”，改善井底流场，提高清岩效率；抽吸压力产生装置到井底欠平衡，形成欠平衡钻井；同时斜向流道的卷吸作用对携带岩屑也有很好的效果；这些作用有效提高了破岩、清岩效率，机械钻速显著提高。

为此，本发明设计研制了一种水力脉冲增压欠平衡钻井装置，包括：本体，叶轮，底座，叶轮轴等。其特征是：

本体为中空柱状结构，壁面开有两个对称斜向流道，柱体的一端为流体入口段，另一端为流体出口段，流体入口段与出口段之间构成空置腔，其内由上至下依次设有叶轮、叶轮轴、底座，本体内腔上端设有挡圈槽用于安置弹性挡圈固定内部零件，本体内腔下端设有定位孔用于定位底座；所述叶轮叶片带有一定的扭转角度，可以在流体通过时产生周向运动，叶轮的侧向壁面是开有侧向开口的封闭壁面，叶轮的流体入口端是开放的，叶轮的流体出口端设有两个对称的挡板；所述底座流体入口端设有两个对称的写流通道，入口端中间开有轴座孔用于安置叶轮轴，底座流体出口端设有定位销。

本发明中本体的的斜向流道可以根据需要改变流道半径大小和流道数量；叶轮可以根据需要改变叶片扭转角度和叶片数；底座的泻流通道开口可以与叶轮出口端挡片完全重合，泻流通道开口也可以比叶轮出口端挡片大，进而调制井底钻头喷射流体的脉动幅度大小；本发明中的叶轮与底座的配合可以根据需要由叶轮轴配合改为轴承配合。

本发明的水力脉冲增压欠平衡钻井装置的装配，底座定位销在与本体定位孔配合时要保证底座上的两个泻流通道关于本体上的两个斜向流道的剖面对称，这可以保证流体带动叶轮旋转，底座泻流通道打开时本体斜向流道关闭，本体斜向流道打开时底座泻流通道关闭，保证不会产生憋压且合理分配井底水力能量。

本发明的水力脉冲增压欠平衡钻井装置与现有技术相比具备的优点和特点：

本发明提出的水力脉冲增压欠平衡钻井装置结合了水力脉冲钻井技术、井下增压钻井技术和欠平衡钻井技术的优点，合理分配井下水力能量，提高了破岩、清岩效率，钻井速度显著提高。主要具有以下优点：

1、结构简单。尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性；

2、脉冲幅度可调，钻头孔眼喷射压力可为零。可通过设计叶轮挡板与底座泻流通道的重合度实现；

3、脉动增压应力集中。流体通过本体的斜向流道产生反冲脉动增压作用在钻头上实现应力集中破岩，提高破岩效率；

4、井底欠平衡。流体通过本体的斜向流道会产生抽吸欠平衡；

5、携带岩屑效果好。通过本体斜向流道的流体结合钻柱的旋转作用会形成旋转射流，有利于携带岩屑和清洁井底壁面。

6、合理分配井下水力能量。流体周期性的分别从钻头孔眼和本体的斜向流道喷出，能量损耗少。

附图说明

以下附图对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明工具的范围。

图1为本发明专利的水力脉冲增压欠平衡钻井装置装配示意图；

图2为本发明专利的水力脉冲增压欠平衡钻井装置内叶轮的三维示意图；

图3为本发明专利的水力脉冲增压欠平衡钻井装置内底座的三维示意图；

图4为本发明专利的水力脉冲增压欠平衡钻井装置本体结构示意图。

附图标号说明：

1、本体         2、叶轮         3、底座        4、叶轮轴

5、斜向流道     6、挡板         7、侧向开口    8、泻流通道

9、定位销       10、定位孔      11、挡圈槽     12、轴座孔

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明专利的水力脉冲增压欠平衡钻井装置装配示意图，在图1中，底座3通过定位销9与本体1的定位孔10定位，定位时要保证底座上的两个泻流通道关于本体上的两个斜向流道的剖面对称，叶轮2通过叶轮轴4安装在底座3的轴座孔12上。

图4为本发明专利的水力脉冲增压欠平衡钻井装置本体结构示意图，在图4中，本体1是两端加工有内螺纹的中空管状体，本体1的壁面设有两个对称的斜向流道5，本体1的内腔上端设有挡圈槽11用于安置弹性挡圈固定内部零件，本体1内腔下端设有定位孔10用于定位底座3。

图3为本发明专利的水力脉冲增压欠平衡钻井装置内底座的三维示意图，在图3中，底座3下端周向设有四个定位销9用于连接本体1，底座3流体入口端设有两个对称的泻流通道8，泻流通道8可以根据需要改变通道截面积大小，底座3上端设有轴座孔12用于通过叶轮轴4定位叶轮2，叶轮2与底座3连接也可以根据需要采用轴承结构。

图2为本发明专利的水力脉冲增压欠平衡钻井装置内叶轮的三维示意图，在图2中，叶轮2流体入口端是开放的，流体出口端设有与底座3的泻流通道8匹配的对称的两个挡板6，叶轮2的侧向壁面是封闭的并设有对称的两个侧向开口7，叶轮2上的两个挡板6关于两个侧向开口7的剖面对称，叶轮2的叶片带有一定的扭转角度，叶轮2的叶片数和叶片扭转角度可以根据需要改变。

在井下使用时，钻井液经过钻柱进入水力脉冲增压欠平衡钻井装置的本体1内腔，驱动叶轮2旋转，旋转过程中叶轮2下端的挡板6会周期性的打开、关闭底座3上的泻流通道8，从而改变流体通过的截面积产生钻头喷嘴的脉冲射流。当叶轮2刚好旋转到挡板6关闭底座3的泻流通道8时，叶轮2上的侧向开口7将与本体1的斜向流道5重合打开斜向流道5泻流，这将在工具上产生向下的反冲力实现增压，此增压是脉动的并最终作用在钻头上实现应力集中破岩，提高了破岩效率，该过程会同时产生向上的抽吸作用产生欠平衡效果。当斜向流道5泻流时，联合钻柱的旋转作用，有利于携带岩屑出井。不同的脉冲压力振幅可以依靠设计中的叶轮2的挡板6和底座3的泻流通道8的面积大小关系获得，不同的脉冲频率可以依靠设计中的叶轮2的叶片数和叶片扭转角度来获得，不同的增压效果可以依靠设计中的本体1的斜向流道5的数量和半径大小来获得。同时，脉冲压力振幅、频率和增压效果与工程中的排量大小也有关系。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合使用，因此本发明当然地涵盖了与本案发明点有关的其他组合及具体应用。

Claims (9)

1.本发明的水力脉冲增压欠平衡钻井装置，包括：中空柱状本体，本体空腔内依次设有叶轮、叶轮轴、底座；其特征在于，本体壁面设有斜向流道，流体通过其可以产生反冲增压和井下环空抽吸作用；叶轮叶片带有一定扭转角度利于叶轮旋转，叶轮壁面封闭且带有侧向开口，使叶轮旋转时与本体斜向流道周期性配合，叶轮流体入口端开放，流体出口端设有挡板；底座设有与叶轮挡板配合的泻流通道；流体通过水力脉冲增压欠平衡钻井装置会周期性的从底座泻流通道和本体斜向流道分别喷射出来，使井底钻头孔眼产生一定振幅、频率的脉动射流，使钻头产生一定的脉动增压，使环空产生一定的欠平衡，形成一种新的联合破岩方式。

2.如权利要求1所述水力脉冲增压欠平衡钻井装置，其特征在于，所述本体内腔上端设有挡圈槽用于安装弹性挡圈固定内部构件，本体内腔下端设有带定位孔的凸台用于定位底座。

3.如权利要求1-2所述水力脉冲增压欠平衡钻井装置，其特征在于，所述底座下端设有定位销用于定位其在本体上，底座上端设有轴座孔用于安置装配叶轮轴的叶轮。

4.如权利要求1所述水力脉冲增压欠平衡钻井装置，其特征在于，所述底座泻流通道的截面为部分圆环形状。

5.如权利要求1-3所述水力脉冲增压欠平衡钻井装置，其特征在于，所述叶轮的挡板形状和位置要与底座上的泻流通道的形状和位置严格一致或叶轮挡板遮挡泻流通道面积面积比底座泻流通道面积小。

6.如权利要求1所述水力脉冲增压欠平衡钻井装置，其特征在于，所述叶轮与底座连接可通过叶轮轴连接或轴承机构连接。

7.如权利要求1所述水力脉冲增压欠平衡钻井装置，其特征在于，所述叶轮的叶片数、叶片厚度和叶片扭转角度是可变的。

8.如权利要求1所述水力脉冲增压欠平衡钻井装置，其特征在于，所述叶轮的侧向开口大小是可变的。

9.如权利要求1所述水力脉冲增压欠平衡钻井装置，其特征在于，所述本体上的斜向流道可以是一对或多对。

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