CN103912225A - 用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，属于石油、天然气及地质钻井领域。所述携岩工具包括整体成型的本体，所述携岩工具本体包括肩轴、过渡导流坡面、中颈、入口导流坡面、螺旋运移结构、出口导流坡面及接头；所述螺旋运移结构设置在中颈部位。本发明通过螺旋运移结构,可产生螺旋状紊态强旋流流动，在煤层气开采分支井段环空内，增强了液基循环介质旋流动能，提高了煤层气开采分支井段环空的携岩能力。通过圆弧型螺旋棱柱可将环空内上返的岩屑团破碎成细小岩屑颗粒，减小大颗粒岩屑对钻杆表面的冲蚀磨损，提高了钻杆的使用寿命；通过圆弧型螺旋槽可提高环空内岩屑运移性能，减少煤储层伤害。

Description

用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具

技术领域

本发明涉及石油、天然气及地质钻井领域，特别涉及一种用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具。

背景技术

煤层气又称“瓦斯”，其主要成分为甲烷，热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。

充气欠平衡钻井技术是目前煤层气钻井中减少煤储层伤害，保护煤储层最常用的措施之一，通过与多分支水平井钻井技术相结合可以有效地提高低渗储层煤层气采收率。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

一、煤储层伤害是影响煤层气开发成功率的决定因素之一，直接影响到煤层气的解吸、扩散、运移及后期排采。水基钻井液工艺钻采煤层气时，通常采用提高钻井液密度以保证安全钻进，但易造成煤层污染和伤害。

二、在充气欠平衡钻分支井作业中，因岩屑自身重力作用，使钻杆本体对应的环空段岩屑不均匀的悬浮于钻井液中，并有沉降趋势，导致环空内携岩能力较差，严重影响煤层气钻井时效和钻井成本。

三、现阶段，设计和使用专用工具是在保持煤储层井壁稳定、降低煤储层的伤害基础上实现提高煤层气钻井时效和钻井成本的新思路。目前，国外煤层气充气欠平衡分支井钻井过程中涉及到许多新式的工具和仪器，例如用于两井连通的电磁测量装置，小尺寸的地质导向工具以及高效减阻短节等，然而，对于岩屑悬浮于钻井液中，导致环空内携岩能力较差的问题，现阶段没有好的解决措施，尤其是在充气欠平衡钻分支井作业中，有效清除环空内岩屑的携岩工具目前还处于空白，没有产品问世。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具。通过增强液基循环介质旋流动能，有效提高煤层气开采分支井段环空的携岩能力，提高煤层气钻井时效，降低钻井成本。所述技术方案如下：

一种用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，所述携岩工具包括整体成型的本体，所述携岩工具本体包括肩轴、过渡导流坡面、中颈、入口导流坡面、螺旋运移结构、出口导流坡面及接头；所述螺旋运移结构设置在中颈部位。

具体地，所述携岩工具本体为一空心圆柱体，外径为变径，形成两端肩轴和中颈，所述两端肩轴以所述中颈的垂直中心线为基准而相互对称，一端为入口肩轴，另一端为出口肩轴，所述入口肩轴和所述出口肩轴的中心与所述中颈的中心在同一水平中心线上，所述入口肩轴的外端设置有所述接头；所述入口肩轴和出口肩轴向所述中颈过渡处设置有所述过渡导流坡面，与所述中颈外径平滑过渡。

进一步地，所述两端肩轴的外径尺寸大于所述中颈的外径尺寸2-6mm。

具体地，所述螺旋运移结构的轴向长度占据所述中颈轴向长度的1/2至2/3，所述中颈剩余轴向长度在所述螺旋运移结构两侧呈对称分布。

具体地，所述螺旋运移结构至少包括圆弧型螺旋棱柱、圆弧型螺旋槽；所述圆弧型螺旋棱柱与所述圆弧型螺旋槽周向上等宽且呈等间距型分布，圆弧型螺旋棱柱倾斜角γ为40～60°；所述圆弧型螺旋棱柱为三至七条，按圆周均匀分布在所述螺旋运移结构上，所述圆弧型螺旋棱柱的起始端设置有所述入口导流坡面，终止端设置有所述出口导流坡面,均与所述中颈的外径平滑过渡；所述圆弧型螺旋槽的槽底为所述中颈的外径。

进一步地，所述圆弧型螺旋棱柱的外径尺寸大于两端肩轴的外径尺寸3～10mm。

进一步地，所述过渡导流坡面、所述入口导流坡面及所述出口导流坡面为斜面或圆弧面。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明实施例通过在携岩工具本体上设置的螺旋运移结构的周向等间距排列的圆弧型螺旋棱柱和圆弧型螺旋槽可产生螺旋状紊态强旋流流动，在煤层气开采分支井段环空内，增强了液基循环介质旋流动能，提高了煤层气开采分支井段环空的携岩能力。

2、随钻杆的旋转，通过圆弧型螺旋棱柱可将环空内上返的岩屑团破碎成细小岩屑颗粒，减小大颗粒岩屑对钻杆表面的冲蚀磨损，因而提高了钻杆的使用寿命；通过圆弧型螺旋槽可携带分支井段下环空低速运移的岩屑至上环空高速区，提高了环空内岩屑运移性能，有效运移环空内岩屑，减少煤储层伤害，显著提高了低渗储层煤层气采收率。

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用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具结构示意图；

图2是本发明实施例提供的携岩工具工作时煤层气开采分支井段环空内岩屑运移机理轴向示意图；

图3是本发明实施例提供的携岩工具的圆弧型螺旋棱槽携带下环空岩屑至上环空的机理横截面示意图。

图中各符号表示含义如下：

1肩轴，1.1入口肩轴，1.2出口肩轴，

2过渡导流坡面，3中颈，4入口导流坡面，

5螺旋运移结构，5.1圆弧型螺旋棱柱，5.2圆弧型螺旋槽，

6出口导流坡面，7接头；

A上井壁，B下井壁，C岩屑颗粒低速流动区，D岩屑颗粒高速螺旋紊态流动区，E下环空低速区，F上环空高速区，J井眼;

Ca轴向载荷，M扭矩，γ倾斜角。

箭头为岩屑颗粒流向（即由岩屑颗粒入口到岩屑颗粒出口的方向）。

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、图2所示，本发明实施例提供了一种用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，采用在工具本体上设置螺旋运移结构，增强了液基循环介质旋流动能，有效清除环空内岩屑，提高低渗储层煤层气采收率。所述携岩工具本体主要包括：肩轴1、过渡导流坡面2、中颈3、入口导流坡面4、螺旋运移结构5、出口导流坡面6、接头7等部分，材质为合金钢，整体制造成型为一体。

具体地，作为优选，所述携岩工具本体为一个空心圆柱体，其外径为变径，形成两端直径大的肩轴1和中部直径小的中颈3，所述两端的肩轴1以所述中颈3的垂直中心线为基准而相互对称，一端为入口肩轴1.1，另一端为出口肩轴1.2，且入口肩轴1.1和出口肩轴1.2的中心与中颈3的中心在同一水平中心线上，所述入口肩轴1.1的外端设置有接头7，用以联接钻杆；所述入口肩轴1.1和出口肩轴1.2向中颈3过渡处均设置有过渡导流坡面2，与中颈3的外径平滑过渡；所述中颈3的中心部位设置有螺旋运移结构5。

进一步地，所述两端肩轴1的外径尺寸大于中颈3的外径尺寸，约大于2-6mm；所述螺旋运移结构5的轴向长度占据中颈3轴向长度的1/2至2/3，且中颈3剩余轴向长度1/2至1/3在螺旋运移结构5两侧呈对称分布。

具体地，作为优选，所述螺旋运移结构5至少包括圆弧型螺旋棱柱5.1、圆弧型螺旋槽5.2；所述圆弧型螺旋棱柱5.1与圆弧型螺旋槽5.2周向上等宽且呈等间距型分布，圆弧型螺旋棱柱5.1倾斜角γ为40～60°；所述圆弧型螺旋棱柱5.1为三至七条，按圆周均匀分布在螺旋运移结构5上，所述圆弧型螺旋棱柱5.1的起始端设置有入口导流坡面4，终止端设置有出口导流坡面6，均与中颈3的外径平滑过渡；所述圆弧型螺旋槽5.2的槽底即为所述中颈3的外径；所述圆弧型螺旋棱柱5.1的外径比两端肩轴1的外径尺寸大约3～10mm；所述螺旋运移结构5可产生螺旋状紊态强旋流流动，提高了携岩能力，有效保护储层，减少煤储层坍塌。

进一步地，所述过渡导流坡面2、入口导流坡面4及出口导流坡面6均采用斜面或圆弧面的表面轮廓，端面厚度均为零，无凸台，有利于顺次将入口肩轴1.1、中颈3、圆弧型螺旋棱柱5.1、中颈3、出口肩轴1.2相接处平滑过渡，降低上返岩屑经过辅助携岩工具前后的动能损耗。

参见图2、图3所示，本发明实施例的工作原理：在充气欠平衡钻分支井作业中，水平井段内每隔2～3根钻杆安装一根辅助携岩工具，位于井眼J的上井壁A与下井壁B之间，煤层气开采分支井段环空内，岩屑颗粒按箭头方向经岩屑颗粒低速流动区C进入岩屑颗粒高速螺旋紊态流动区D，此时，所述螺旋运移结构5周向等间距排列的圆弧型螺旋棱柱5.1和圆弧型螺旋槽5.2可产生螺旋状紊态强旋流流动，本辅助携岩工具所对应的环空段旋流动能约为钻杆本体对应的环空段旋流动能的3～5倍，增强了液基循环介质旋流动能，提高了煤层气开采分支井段环空的携岩能力。

在钻杆的旋转带动下，携岩工具承载着轴向载荷Ca及扭矩M，所述螺旋运移结构5一方面将下环空低速区E内的岩屑通过圆弧型螺旋槽5.2低速运移携带上返至上环空高速区F，同时通过圆弧型螺旋棱柱5.1将岩屑团破碎成细小岩屑颗粒，减小大颗粒岩屑对钻杆表面的冲蚀磨损，提高钻杆的使用寿命；另一方面通过圆弧型螺旋槽5.2携带分支井段下环空低速区E运移的岩屑经上环空高速区F高速运移，提高了环空内岩屑运移性能。

而且，在煤层气作业起下钻时，具有平滑过渡斜面或圆弧面的入口导流坡面4及出口导流坡面6具有很好的引导作用，提高了钻具的通过性能和作业效率。

此外，本发明实施例还具有的优点是：由于在水平井段内每隔2～3根钻杆安装一根辅助携岩工具，大幅提高机械钻速，缩短钻井周期，提高我国煤层气开发的经济性。而且，所述携岩工具本体尺寸完全按照美国石油学会(API)相应钻杆尺寸进行设计，使用时将接头7通过螺纹直接连接于钻杆上，操作方便，适用性强，使用安全性高。

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 (7)

1.一种用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，其特征在于，所述携岩工具包括整体成型的本体，所述携岩工具本体包括肩轴(1)、过渡导流坡面(2)、中颈(3)、入口导流坡面(4)、螺旋运移结构(5)、出口导流坡面(6)及接头(7)；所述螺旋运移结构(5)设置在中颈(3)部位。

2.根据权利要求1所述的用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，其特征在于，所述携岩工具本体为一空心圆柱体，外径为变径，形成两端肩轴(1)和中颈(3)，所述两端肩轴(1)以所述中颈(3)的垂直中心线为基准而相互对称，一端为入口肩轴(1.1)，另一端为出口肩轴(1.2)，所述入口肩轴(1.1)和所述出口肩轴(1.2)的中心与所述中颈(3)的中心在同一水平中心线上，所述入口肩轴(1.1)的外端设置有所述接头(7)；所述入口肩轴(1.1)和出口肩轴(1.2)向所述中颈(3)过渡处设置有所述过渡导流坡面(2)，与所述中颈(3)外径平滑过渡。

3.根据权利要求2所述的用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，其特征在于，所述两端肩轴(1)的外径尺寸大于所述中颈(3)的外径尺寸2-6mm。

4.根据权利要求1所述的用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，其特征在于，所述螺旋运移结构(5)的轴向长度占据所述中颈(3)轴向长度的1/2至2/3，所述中颈(3)剩余轴向长度在所述螺旋运移结构(5)两侧呈对称分布。

5.根据权利要求4所述的用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，其特征在于，所述螺旋运移结构(5)至少包括圆弧型螺旋棱柱(5.1)、圆弧型螺旋槽(5.2)；所述圆弧型螺旋棱柱(5.1)与所述圆弧型螺旋槽(5.2)周向上等宽且呈等间距型分布，圆弧型螺旋棱柱(5.1)倾斜角γ为40～60°；所述圆弧型螺旋棱柱(5.1)为三至七条，按圆周均匀分布在所述螺旋运移结构(5)上，所述圆弧型螺旋棱柱(5.1)的起始端设置有所述入口导流坡面(4)，终止端设置有所述出口导流坡面(6),均与所述中颈(3)的外径平滑过渡；所述圆弧型螺旋槽(5.2)的槽底为所述中颈(3)的外径。

6.根据权利要求5所述的用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，其特征在于，所述圆弧型螺旋棱柱(5.1)的外径尺寸大于两端肩轴(1)的外径尺寸3～10mm。

7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的用于煤层气开采充气欠平衡钻分支井的辅助携岩工具，其特征在于，所述过渡导流坡面(2)、所述入口导流坡面(4)及所述出口导流坡面(6)为斜面或圆弧面。