CN104405292B - 一种双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头，其特征在于包括双壁钻头，及设置在双壁钻头内部的桥式双管流道、射流泵、固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置。所述的桥式双管流道代替双壁钻杆反循环钻井中底部钻具组合上部的流动转换接头，实现了钻井液和岩屑从双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头的岩屑吸入管直接进入双壁钻杆的内管，从而提高了井底清岩效率；所述的射流泵抽吸井底流体，减小井底压差，实现欠平衡而提高机械钻速；所述的固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置，通过固定导向叶轮旋转射流喷嘴产生高速旋转射流，形成有利于清岩的井底旋流流场，改善井底岩屑的受力状况，提升井底清岩效率。
Description
技术领域
本发明属于钻井与油气工程领域，具体涉及一种双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头。
背景技术
双壁钻杆反循环钻井(Reel Well钻井)是一项新的钻井技术，它以双壁钻杆为基础，钻井液从双壁钻杆环空泵入井内并清洗井底，从内部钻杆中携带岩屑返回地面，从而实现钻井液闭环循环。双壁钻杆反循环钻井技术最初是为了解决连续管钻井中井眼清洗问题而提出来的。双壁钻杆反循环钻井技术自2004年创建以来，主要由挪威国家石油公司、挪威科学研究委员会进行理论研究、配套设备的研发与测试。2005年开始对双壁钻杆反循环钻井技术展开可行性分析与调研；2006年完成了关键配套设备的研发与测试，同年Shell公司也加入对该技术的研究；2007年对全尺寸的模型在“Ullrigg”钻机上进行了考证；2008年实际设备在“Ullrigg”钻机上进行了试验；2009年在陆上与海上进行了试验井的钻探试验并取得成功；2013年OTC会议上推出了双壁钻杆反循环无隔水管钻井方法。双壁钻杆反循环技术在控制压力钻井、大位移钻井、深水钻井以及有压力挑战性的地层钻进方面具有极大的优势，主要具有如下特点：(1)钻井液在管中管内反循环，实现无隔水管钻井；(2)双壁钻杆充当电力和数据传输通道；(3)实现全过程控压钻井。但是由于钻井过程中，钻井液是从底部钻具组合上部的流动转换接头进入双壁钻杆的内管，流动方向突然转变，使得井底岩屑的上返效率降低，井底岩屑得不到及时清理，从而造成部分岩屑的重复破碎，影响破岩效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头，通过双壁钻头内部的桥式双管流道，实现钻井液从钻头处直接进入双壁钻杆的内管，提高井底清岩效率；通过射流泵抽吸井底流体，减小井底压差，实现欠平衡而提高机械钻速；通过固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置，产生有利于清岩的井底旋流流场，改善井底岩屑的受力状况，提升井底清岩效率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头，包括双壁钻头，及设置在双壁钻头内部的桥式双管流道、射流泵、固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置。
双壁钻头包括外管接头、内管接头、外管、内管、钻头；外管接头与外管连接，外管与钻头连接；内管接头与内管连接，内管与钻头连接，内管接头和内管位于外管接头和外管内部；外管接头、内管接头、外管、内管、钻头为一个整体；双壁钻头是双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头切削岩石的工作部分。
桥式双管流道包括小环空、流动转换流道、高压腔、岩屑吸入管；小环空位于所述的内管与外管之间，小环空通过流动转换流道与高压腔连通；岩屑吸入管与流动转换流道交叉设置，贯穿所述的外管与内管；岩屑吸入管外端与钻头的外壁连接；桥式双管流道代替双壁钻杆反循环钻井中底部钻具组合上部的流动转换接头，实现了钻井液和岩屑从双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头的岩屑吸入管直接进入双壁钻杆的内管，从而大大提高了井底清岩效率。
射流泵包括反向高速射流喷嘴、吸入腔、喉管、扩散管、钻井液上返流道；反向高速射流喷嘴入口与所述的高压腔连通，反向高速射流喷嘴的出口位于吸入腔内；吸入腔与喉管对接连通，吸入腔的侧面与岩屑吸入管的內端连接；喉管与扩散管对接连通；扩散管与钻井液上返流道对接连通；吸入腔、喉管、扩散管、钻井液上返流道均包含于所述的内管内；射流泵是实现欠平衡，提高井底清岩效率和机械钻速的关键机构。
固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置包括井底岩屑搅动与清洗流道、固定导向叶轮旋转射流喷嘴；井底岩屑搅动与清洗流道的入口与所述的高压腔连通，井底岩屑搅动与清洗流道出口与固定导向叶轮旋转射流喷嘴的入口连接；固定导向叶轮旋转射流喷嘴为锥形喷嘴，由圆柱形内腔、导向叶轮、收缩加速段和直柱出口段四部分组成，导向叶轮固定在圆柱形内腔内，圆柱形内腔与收缩加速段及直柱出口段依次串联而成；固定导向叶轮旋转射流喷嘴的出口与钻头端部连接，钻头喷嘴数量根据钻头结构而定；固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置是产生有利于清岩的井底旋流流场的关键机构，固定导向叶轮旋转射流喷嘴和钻头旋转联合作用产生井底旋流流场，改善井底岩石和岩屑的受力状况，大幅度提升井底清岩效率，提高钻进速度。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下良好效果：
(1)本发明的桥式双管流道，代替了双壁钻杆反循环钻井中底部钻具组合上部的流动转换接头，实现钻井液和岩屑从钻头处直接进入双壁钻杆的内管，使井底岩屑及时被清除，提高井底清岩效率。
(2)本发明的射流泵抽吸井底流体，减小井底压差，实现欠平衡而提高机械钻速。
(3)本发明的固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置产生旋转射流，一方面大大提高了井底射流的冲洗范围，旋转射流能够在井底产生较大的切向速度，从而增大井底漫流速度，促使破碎的岩屑迅速离开井底，大幅度提升井底清岩效率；另一方面产生的旋转射流与钻头旋转联合作用可产生有利于清岩的井底旋流流场，在井底形成有序的高压区和低压区分布，改善井底岩石和岩屑的受力状况，提高钻进速度。
附图说明
图1为双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头的示意图；
图2为双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头沿图1俯视示意图；
图3为双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头沿图1中A-A的剖视示意图；
图4为双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头沿图1中B-B的剖视示意图；
图5为双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头的反向高速射流喷嘴示意图；
图6为双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头的固定导向叶轮旋转射流喷嘴示意图；
图7为双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头的固定导向叶轮旋转射流喷嘴中导向叶轮的示意图。
图中：1、双壁钻头，2、桥式双管流道，3、射流泵，4、固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置；101、外管接头，102、内管接头，103、外管，104、内管，105、钻头；201、小环空，202、流动转换流道，203、高压腔，204、岩屑吸入管；301、反向高速射流喷嘴，302、吸入腔，303、喉管，304、扩散管，305、钻井液上返流道；401、井底岩屑搅动与清洗流道，402、固定导向叶轮旋转射流喷嘴，403、导向叶轮。
具体实施方式
以下结合附图，说明本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
一种双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头，包括双壁钻头1及设置在双壁钻头内部的桥式双管流道2、射流泵3、固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置4。
双壁钻头1包括外管接头101、内管接头102、外管103、内管104、钻头105；外管接头101与外管103连接，外管103与钻头105连接；内管接头102与内管104连接，内管104与钻头105连接，内管接头102和内管104位于外管接头101和外管103内部；外管接头101、内管接头102、外管103、内管104、钻头105为一个整体；双壁钻头1是双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头切削岩石的工作部分。
桥式双管流道2包括小环空201、流动转换流道202、高压腔203、岩屑吸入管204；小环空201位于所述的内管104与外管103之间，小环空201通过流动转换流道202与高压腔203连通；岩屑吸入管204与流动转换流道202交叉设置，贯穿所述的外管103与内管104；岩屑吸入管204外端与钻头105的外壁连接；桥式双管流道2代替双壁钻杆反循环钻井中底部钻具组合上部的流动转换接头，实现了钻井液和岩屑从双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头的岩屑吸入管204直接进入双壁钻杆的内管，从而大大提高了井底清岩效率。
射流泵3包括反向高速射流喷嘴301、吸入腔302、喉管303、扩散管304、钻井液上返流道305；反向高速射流喷嘴301入口与所述的高压腔203连通，反向高速射流喷嘴301的出口位于吸入腔302内；吸入腔302与喉管303对接连通，吸入腔302的侧面与岩屑吸入管204的內端连接；喉管303与扩散管304对接连通；扩散管304与钻井液上返流道305对接连通；吸入腔302、喉管303、扩散管304、钻井液上返流道305均包含于所述的内管104内；射流泵3是实现欠平衡，提高井底清岩效率和机械钻速的关键机构。
固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置4包括井底岩屑搅动与清洗流道401、固定导向叶轮旋转射流喷嘴402；井底岩屑搅动与清洗流道401的入口与所述的高压腔203连通，井底岩屑搅动与清洗流道401出口与固定导向叶轮旋转射流喷嘴402的入口连接；固定导向叶轮旋转射流喷嘴402为锥形喷嘴，由圆柱形内腔、导向叶轮403、收缩加速段和直柱出口段四部分组成，导向叶轮403固定在圆柱形内腔内，圆柱形内腔与收缩加速段及直柱出口段依次串联而成；固定导向叶轮旋转射流喷嘴402的出口与钻头端部连接，钻头喷嘴数量根据钻头结构而定；固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置4是产生有利于清岩的井底旋流流场的关键机构，固定导向叶轮旋转射流喷嘴402和钻头旋转联合作用产生井底旋流流场，改善井底岩石和岩屑的受力状况，大幅度提升井底清岩效率，提高钻进速度。
本发明的双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头的工作过程如下：
在钻进过程中，双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头旋转，切削岩石产生岩屑。同时双壁钻头1的外管接头101和内管接头102分别接双壁钻杆的外管和内管，高压钻井液由外管103和内管104之间的小环空201进入，然后通过桥式双管流道2的流动转换流道202进入高压腔203。高压腔203内的高压钻井液一部分由反向高速射流喷嘴301喷出，形成高速射流，高速射流在吸入腔302内产生负压，负压通过岩屑吸入管204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固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置4的井底岩屑搅拌与清洗流道401内，进而经过导向叶轮403，并由固定导向叶轮旋转射流喷嘴402喷出。固定导向叶轮旋转射流喷嘴402喷出的不对称高速旋转射流将井底岩屑冲击成高浓度的湍流，使得井底岩屑在井底钻井液的举升作用下和岩屑吸入管204的抽吸作用下被高效吸入吸入腔302内。射流泵3的反向高速射流喷嘴喷出高速射流，在吸入腔302产生负压卷吸岩屑及钻井液，井底岩屑与钻井液在吸入腔302和喉管303处被汇入高速射流，然后射流中的岩屑与钻井液混合物由喉管303进入扩散管304，在扩散管304内射流的动能部分转换成压能，其速度降下来后排入钻井液上返流道305。
Claims (1)
1.一种双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头，其特征在于包括双壁钻头，及设置在双壁钻头内部的桥式双管流道、射流泵、固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置；
所述的双壁钻头包括外管接头、内管接头、外管、内管、钻头；外管接头与外管连接，外管与钻头连接；内管接头与内管连接，内管与钻头连接，内管接头和内管位于外管接头和外管内部；外管接头、内管接头、外管、内管、钻头为一个整体；
所述的桥式双管流道包括小环空、流动转换流道、高压腔、岩屑吸入管；小环空位于所述的内管与外管之间，小环空通过流动转换流道与高压腔连通；岩屑吸入管与流动转换流道交叉设置，贯穿所述的外管与内管；岩屑吸入管外端与钻头的外壁连接；
所述的射流泵包括反向高速射流喷嘴、吸入腔、喉管、扩散管、钻井液上返流道；反向高速射流喷嘴入口与所述的高压腔连通，反向高速射流喷嘴的出口位于吸入腔内；吸入腔与喉管对接连通，吸入腔的侧面与岩屑吸入管的内端连接；喉管与扩散管对接连通；扩散管与钻井液上返流道对接连通；吸入腔、喉管、扩散管、钻井液上返流道均包含于所述的内管内；
所述的固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置包括井底岩屑搅动与清洗流道、固定导向叶轮旋转射流喷嘴；井底岩屑搅动与清洗流道的入口与所述的高压腔连通，井底岩屑搅动与清洗流道出口与固定导向叶轮旋转射流喷嘴的入口连接；固定导向叶轮旋转射流喷嘴为锥形喷嘴，由圆柱形内腔、导向叶轮、收缩加速段和直柱出口段四部分组成，导向叶轮固定在圆柱形内腔内，圆柱形内腔与收缩加速段及直柱出口段依次串联而成；固定导向叶轮旋转射流喷嘴的出口与钻头端部连接，钻头喷嘴数量根据钻头结构而定。
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- 2014-11-03 CN CN201410605630.1A patent/CN104405292B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN104405292A (zh) | 2015-03-11 |
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