CN107237607A - 一种井下水力旋流辅助破岩工具 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种井下水力旋流辅助破岩工具，包括上接头和下接头，上接头内设置有钻井液输送通道孔，下接头内设置有下接头中心孔，下接头中心孔内密封套设有能封隔下接头中心孔的分流管座，下接头中心孔内设置有锥筒旋流器，锥筒旋流器的大径端的侧壁上设置有允许钻井液沿锥筒旋流器的内壁切向进入的导流槽，锥筒旋流器的大径端密封穿设有能连通锥筒旋流器的内腔与钻头的分流管；锥筒旋流器的小径端能沿与井下水力旋流辅助破岩工具的外部环空自内向外单向连通。该工具能够实现井底钻井液固相分离，降低钻头处钻井液密度及环空液柱压力，减少压持效应，减轻钻头磨损，延长钻头寿命。
Description
技术领域
本发明涉及石油、天然气钻井的配套井下工具技术领域，尤其涉及一种井下水力旋流辅助破岩工具。
背景技术
在油气勘探开发过程中，钻井工程是最关键的环节和最主要的手段，它具有高风险、高投资、资金密集等特点，并且钻井速度的快慢直接影响着油气勘探开发的经济效益。在钻井工程施工过程中，利用优选可控的钻井因素，有助于缩短作业时间，降低成本，提高机械钻速。其中钻井液的密度和固相含量是可优选化的可控因素，钻井液密度与固相含量有着密切的联系，同时也和分散的钻屑或者低密度的劣质土等有害固相含量有关，钻井液的基本作用在于保持一定的液柱压力，以控制地层内的流体进入井内。室内试验和钻井实践证明，提高钻井液密度，增加井内液柱压力和地层压力之间的压力差将使钻速急剧下降。其主要原因是井底压差对刚破碎的岩屑有压持作用，阻碍井底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效率，从而使钻速相应下降。钻井液的固相含量对钻进速度和钻头消耗量都有严重影响，因此必须严格控制钻井液的固相含量。对钻井液固相含量的深入研究发现，不仅固相含量对钻速有影响，固体颗粒的分散度也对钻速有影响。实验证明，钻井液内直径小于1μm的胶体颗粒越多，对钻速的影响越大。
钻井液中固相含量对机械钻速的影响较大，随着固相含量的增加，机械钻速明显降低，大量研究结果表明，钻井液中固相含量每降低1％，机械钻速至少可提高10％。随着井深的增加，钻井液固相含量也会增加，成为影响深井提速的重要因素之一。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种井下水力旋流辅助破岩工具，以实现井底钻井液固相分离、提高钻井速度的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种井下水力旋流辅助破岩工具，该工具能够在钻井液进入钻头前实现井底钻井液固相分离，降低钻头处钻井液密度及环空液柱压力，减少压持效应，减轻钻头磨损，延长钻头寿命。
本发明的目的是这样实现的，一种井下水力旋流辅助破岩工具，包括密封连接的上接头和下接头，所述上接头内设置有多个沿轴向贯通、且沿周向间隔设置于所述上接头的周向一侧的钻井液输送通道孔，所述下接头内设置有沿轴向贯通的、且与所述钻井液输送通道孔连通的下接头中心孔，所述下接头中心孔内密封套设有能封隔所述下接头中心孔的分流管座，所述下接头中心孔内位于所述上接头与所述分流管座之间设置有直径向所述上接头方向渐缩的锥筒旋流器，所述锥筒旋流器的外壁与所述下接头中心孔的内壁之间呈间隔设置，所述锥筒旋流器的大径端的侧壁上设置有允许钻井液沿所述锥筒旋流器的内壁切向进入的导流槽，所述锥筒旋流器的大径端密封穿设有能连通所述锥筒旋流器的内腔与钻头的、且密封穿设于所述分流管座上的分流管；所述锥筒旋流器的小径端能沿与所述上接头的轴向呈倾斜、且朝向远离所述下接头的方向与所述井下水力旋流辅助破岩工具的外部环空自内向外单向连通。
在本发明的一较佳实施方式中，所述分流管座上设置有轴向贯通的分流过孔，所述分流管座的一端密封套设于所述锥筒旋流器的大径端，所述分流管座的另一端密封套设于所述下接头中心孔内，所述分流管密封套设于所述分流过孔一端的内部，所述分流管的内腔与所述分流过孔连通。
在本发明的一较佳实施方式中，所述分流管座的侧壁上位于所述锥筒旋流器外部的位置沿径向密封穿设有分流喷嘴，所述分流喷嘴允许钻井液自外而内进入所述分流过孔内。
在本发明的一较佳实施方式中，所述分流喷嘴的数量为多个。
在本发明的一较佳实施方式中，所述锥筒旋流器包括直径向所述上接头方向渐缩的锥筒部，所述锥筒部的大径端连接有圆筒部，所述圆筒部的侧壁上设置多个所述导流槽，所述导流槽的一侧壁沿所述圆筒部的内壁的切向设置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述分流管座的一端的侧壁上设置有与所述导流槽连通设置的分流管座导槽。
在本发明的一较佳实施方式中，所述锥筒旋流器的小径端密封连通有延长管，所述上接头内设置有一端与所述延长管连通的排固通道孔，所述排固通道孔设置在所述上接头上远离所述钻井液输送通道孔的周向另一侧，所述排固通道孔与所述上接头的轴向呈倾斜、且向远离所述下接头的方向延伸设置，所述排固通道孔的另一端通过喷嘴与所述上接头的外部环空自内向外单向连通，所述喷嘴的开口方向与所述上接头的轴向平行、且朝向远离所述下接头的方向。
在本发明的一较佳实施方式中，所述上接头的外壁上沿周向均匀设置有多个螺旋扶正块。
在本发明的一较佳实施方式中，一所述螺旋扶正块上设置有压盖，所述压盖内设置有与所述排固通道孔的另一端连通的延伸孔，所述压盖内还设置有沿轴向设置的喷嘴固定孔，所述喷嘴固定孔的开口方向与所述上接头的轴向平行、且朝向远离所述下接头的方向，所述喷嘴固定设置于所述喷嘴固定孔内，所述喷嘴的一端与所述延伸孔连通设置，所述螺旋扶正块上设置有沿所述上接头的轴向设置、且与所述喷嘴的另一端连通的喷嘴透孔。
由上所述，本发明的井下水力旋流辅助破岩工具具有如下有益效果：
(1)本发明的井下水力旋流辅助破岩工具能够在钻井液进入钻头之前，通过锥筒离心沉降原理实现井下钻井液固相分离并形成反向射流，降低井底钻头处的钻井液密度和液柱压力，减轻压持效应，减少了岩石重复破碎，提高清洗效率和破岩效率，提高钻井速度，固相含量的减少有利于减轻钻井液对钻头水眼的磨损，延长钻头寿命；
(2)本发明的井下水力旋流辅助破岩工具结构简单，安装方便，工作安全可靠，即使工具失效也不会影响钻进，在深井复杂环境中比其他井下钻具更具优势；
(3)本发明的井下水力旋流辅助破岩工具对现场施工作业条件没有特殊限制，具有普遍适用性，易于现场推广。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1：为本发明的井下水力旋流辅助破岩工具的剖视图。
图2：为本发明的井下水力旋流辅助破岩工具的主视图。
图3：为本发明的井下水力旋流辅助破岩工具的俯视图。
图4：为本发明的井下水力旋流辅助破岩工具的轴测图。
图5：为图1中A-A剖视图。
图6：为图1中B-B剖视图。
图中:
100、井下水力旋流辅助破岩工具；
1、上接头；
11、钻井液输送通道孔；12、排固通道孔；13、压盖；131、延伸孔；
2、下接头；
20、密闭腔室；21、下接头中心孔；
3、锥筒旋流器；
31、导流槽；32、锥筒部；33、圆筒部；
4、分流管座；
41、分流过孔；42、分流管座导槽；
5、分流管；
6、延长管；
7、喷嘴；
8、分流喷嘴；
9、螺旋扶正块；
91、喷嘴透孔。
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。
如图1至图6所示，本发明提供一种井下水力旋流辅助破岩工具100，包括密封连接的上接头1和下接头2，在本实施方式中，上接头1和下接头2通过爱克母螺纹(梯形螺纹，现有技术)密封连接，上接头1内设置有沿轴向贯通的钻井液输送通道孔11，在本实施方式中，钻井液输送通道孔11的数量为多个，多个钻井液输送通道孔11沿周向间隔设置于上接头1的周向一侧，在本发明的一具体实施例中，钻井液输送通道孔11的数量为5个。下接头2内设置有沿轴向贯通的、且与钻井液输送通道孔11连通的下接头中心孔21，上接头1的另一端通过锥螺纹与钻铤(现有技术，图中未示出)连接，下接头2的另一端通过锥螺纹与钻头(现有技术，图中未示出)连接；下接头中心孔21内密封套设有能封隔下接头中心孔21的分流管座4，下接头中心孔21内位于上接头1与分流管座4之间构成密闭腔室20，密闭腔室20内设置有直径向上接头1方向渐缩的锥筒旋流器3，锥筒旋流器3的外壁与下接头中心孔21的内壁之间呈间隔设置，锥筒旋流器3的大径端的侧壁上设置有允许钻井液沿锥筒旋流器3的内壁切向进入的导流槽31，锥筒旋流器3的大径端密封穿设有能连通锥筒旋流器3的内腔与钻头的分流管5，分流管5密封穿设固定于分流管座4上；锥筒旋流器3的小径端能沿与上接头1的轴向呈倾斜、且向远离下接头2的方向(图1中斜向上的方向)与井下水力旋流辅助破岩工具100的外部环空自内向外单向连通，在本实施方式中，锥筒旋流器3的小径端密封连通有延长管6，上接头1内设置有一端与延长管6连通的排固通道孔12，排固通道孔12与钻井液输送通道孔11呈间隔设置，排固通道孔12设置在上接头1上远离钻井液输送通道孔11的周向另一侧，排固通道孔12与上接头1的轴向呈倾斜、且向远离下接头2的方向设置，排固通道孔12的另一端通过喷嘴7与上接头1的外部环空(现有技术，图中未示出)自内向外单向连通，喷嘴7的开口方向与上接头1的轴向平行、且朝向远离下接头2的方向(即图1中向上的方向)，喷嘴7允许钻井液自内向外流向上接头1的外部环空，经锥筒离心沉降分离的钻井液经延长管6、排固通道孔12及喷嘴7形成的反向射流，避免了射流对井壁的冲刷作用，有利于井壁稳定。使用本发明的井下水力旋流辅助破岩工具100进行深井钻井时，高压钻井液经钻井液输送通道孔11进入密闭腔室20内，通过导流槽31沿切线方向进入锥筒旋流器3内，钻井液高速旋转，钻井液内的固相颗粒、高粘液相在离心力的作用下迅速甩向锥筒旋流器3内壁并在液压作用下滑向锥筒旋流器3的小径端，经延长管6、排固通道孔12及喷嘴7排向井下水力旋流辅助破岩工具100的外部环空，形成反向(与钻井液注入方向相反)射流，低粘度液相钻井液能通过分流管5流向钻头。本发明的井下水力旋流辅助破岩工具100能够在钻井液进入钻头之前，通过锥筒离心沉降原理实现井下钻井液固相分离并形成反向射流，降低井底钻头处的钻井液密度和液柱压力，减轻压持效应，减少了岩石重复破碎，提高清洗效率和破岩效率，提高钻井速度，固相含量的减少有利于减轻钻井液对钻头水眼的磨损，延长钻头寿命；本发明的井下水力旋流辅助破岩工具100结构简单，安装方便，工作安全可靠，即使工具失效也不会影响钻进，在深井复杂环境中比其他井下钻具更具优势；本发明的井下水力旋流辅助破岩工具100对现场施工作业条件没有特殊限制，具有普遍适用性，易于现场推广。
进一步，如图1所示，分流管座4上设置有轴向贯通的分流过孔41，分流管座4的一端密封套设于锥筒旋流器3的大径端，分流管5密封套设于分流过孔41一端的内部，分流管座4的另一端密封套设于下接头中心孔21内，分流管5的内腔与分流过孔41连通，经分离后的低粘度液相钻井液能通过分流管5和分流过孔41流向钻头。
进一步，如图1所示，分流管座4的侧壁上位于锥筒旋流器3外部的位置沿径向密封穿设有分流喷嘴8，在本实施方式中，分流喷嘴8的数量为多个，在本发明的一具体实施例中，分流喷嘴8的数量为两个。分流喷嘴8允许钻井液自外而内进入分流过孔41内。高压钻井液经钻井液输送通道孔11进入密闭腔室20内，分为两路，一路钻井液通过导流槽31沿切线方向进入锥筒旋流器3内，通过锥筒旋流器3的离心沉降作用实现井下钻井液固相分离并形成反向射流；另一路钻井液通过锥筒旋流器3的外壁与下接头中心孔21的内壁之间的间隔向下流动，经分流喷嘴8进入分流过孔41后流向钻头，两路钻井液能够有效提高井底清洗效率和破岩效率。
进一步，如图1、图6所示，锥筒旋流器3包括直径向上接头1方向渐缩的锥筒部32，锥筒部32的大径端连接有圆筒部33，圆筒部33的侧壁上设置多个前述的导流槽31，导流槽31的一侧壁沿圆筒部33的内壁的切向设置，在本发明的一具体实施例中，导流槽31的数量为2个，2个导流槽31呈径向对称设置，导流槽31为方形透槽。钻井液通过导流槽31沿圆筒部33的内壁的切向进入，形成水力旋流，钻井液高速旋转，钻井液内的固相颗粒、高粘液相在离心力的作用下迅速甩向锥筒部32内壁并在液压作用下滑向锥筒部32的小径端，经延长管6、排固通道孔12及喷嘴7排向井下水力旋流辅助破岩工具100的外部环空，形成反向(与钻井液注入方向相反)射流；由于锥筒部32锥体作用，低粘度液相钻井液在向锥筒部32小径端运动时旋转速度越来越高，在到达一定位置后返回锥筒部32大径端通过分流管5和分流过孔41流向钻头。
在本实施方式中，如图6所示，分流管座4的一端的侧壁上设置有与导流槽31连通设置的分流管座导槽42。钻井液顺序通过导流槽31、分流管座导槽42沿切线方向进入锥筒旋流器3内，通过锥筒旋流器3的离心沉降作用实现井下钻井液固相分离并形成反向射流。
进一步，如图1至图4所示，上接头1的外壁上沿周向均匀设置有多个螺旋扶正块9(现有技术)，在本实施方式中，螺旋扶正块9的数量为3个，在本发明的一具体实施例中，螺旋扶正块9的轴向两端均设置有倒角，以方便井下水力旋流辅助破岩工具100的外部环空中液体流动。螺旋扶正块9能够减轻钻杆在孔内的径向和轴向的剧烈振动，减少钻头和钻杆的偏磨，实现稳定井下钻具、防斜作用。
进一步，如图1、图2、图4、图5所示，上接头1外壁上的一螺旋扶正块9上设置有压盖13，压盖13内设置有与排固通道孔12的另一端连通的延伸孔131，压盖13内还设置有沿轴向(上接头1的轴线方向)设置的喷嘴固定孔，喷嘴固定孔的开口方向与上接头1的轴向平行、且朝向远离下接头的方向(图1中向上的方向)，喷嘴7固定设置于压盖13内的喷嘴固定孔中，喷嘴7的一端与延伸孔131连通设置，螺旋扶正块9上设置有沿上接头1的轴向设置、且与喷嘴7的另一端连通的喷嘴透孔91。钻井液通过锥筒旋流器3的离心沉降作用实现井下钻井液固相分离，钻井液内的固相颗粒、高粘液相在离心力的作用下迅速甩向锥筒旋流器3内壁并在液压作用下滑向锥筒旋流器3的小径端，经延长管6、排固通道孔12、延伸孔131及喷嘴7、喷嘴透孔91排向井下水力旋流辅助破岩工具100的外部环空，形成反向(与钻井液注入方向相反)射流，降低井底钻头处的钻井液密度和液柱压力，有效减轻钻井过程中的压持效应。
使用本发明的井下水力旋流辅助破岩工具100进行深井钻井时，首先将井下水力旋流辅助破岩工具100密封连接于钻铤和钻头之间，在入井前必须使用钻杆滤清器(现有技术，图中未示出)充分循环清洁泥浆，尽可能降低泥浆含沙量，工具压耗在2Mpa左右，确保泥浆设备(现有技术，图中未示出)有足够的动力。将连接井下水力旋流辅助破岩工具100的钻头及钻铤下入井内，钻井液经钻井液输送通道孔11进入密闭腔室20内，分为两路，一路钻井液通过导流槽31沿切线方向进入锥筒旋流器3内，钻井液高速旋转，钻井液内的固相颗粒、高粘液相在离心力的作用下迅速甩向锥筒旋流器3内壁并在液压作用下滑向锥筒旋流器3的小径端，经延长管6、排固通道孔12及喷嘴7、喷嘴透孔91排向井下水力旋流辅助破岩工具100的外部环空，形成反向(与钻井液注入方向相反)射流，低粘度液相钻井液在向锥筒部32小径端运动时旋转速度越来越高，在到达一定位置后返回锥筒部32大径端通过分流管5和分流过孔41流向钻头；另一路钻井液通过锥筒旋流器3的外壁与下接头中心孔21的内壁之间的间隔向下流动，经分流喷嘴8进入分流过孔41后流向钻头。
由上所述，本发明的井下水力旋流辅助破岩工具具有如下有益效果：
(1)本发明的井下水力旋流辅助破岩工具能够在钻井液进入钻头之前，通过锥筒离心沉降原理实现井下钻井液固相分离并形成反向射流，降低井底钻头处的钻井液密度和液柱压力，减轻压持效应，减少了岩石重复破碎，提高清洗效率和破岩效率，提高钻井速度，固相含量的减少有利于减轻钻井液对钻头水眼的磨损，延长钻头寿命；
(2)本发明的井下水力旋流辅助破岩工具结构简单，安装方便，工作安全可靠，即使工具失效也不会影响钻进，在深井复杂环境中比其他井下钻具更具优势；
(3)本发明的井下水力旋流辅助破岩工具对现场施工作业条件没有特殊限制，具有普遍适用性，易于现场推广。
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出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种井下水力旋流辅助破岩工具，包括密封连接的上接头和下接头，其特征在于，所述上接头内设置有多个沿轴向贯通、且沿周向间隔设置于所述上接头的周向一侧的钻井液输送通道孔，所述下接头内设置有沿轴向贯通的、且与所述钻井液输送通道孔连通的下接头中心孔，所述下接头中心孔内密封套设有能封隔所述下接头中心孔的分流管座，所述下接头中心孔内位于所述上接头与所述分流管座之间设置有直径向所述上接头方向渐缩的锥筒旋流器，所述锥筒旋流器的外壁与所述下接头中心孔的内壁之间呈间隔设置，所述锥筒旋流器的大径端的侧壁上设置有允许钻井液沿所述锥筒旋流器的内壁切向进入的导流槽，所述锥筒旋流器的大径端密封穿设有能连通所述锥筒旋流器的内腔与钻头的、且密封穿设于所述分流管座上的分流管；所述锥筒旋流器的小径端能沿与所述上接头的轴向呈倾斜、且朝向远离所述下接头的方向与所述井下水力旋流辅助破岩工具的外部环空自内向外单向连通。
2.如权利要求1所述的井下水力旋流辅助破岩工具，其特征在于，所述分流管座上设置有轴向贯通的分流过孔，所述分流管座的一端密封套设于所述锥筒旋流器的大径端，所述分流管座的另一端密封套设于所述下接头中心孔内，所述分流管密封套设于所述分流过孔一端的内部，所述分流管的内腔与所述分流过孔连通。
3.如权利要求2所述的井下水力旋流辅助破岩工具，其特征在于，所述分流管座的侧壁上位于所述锥筒旋流器外部的位置沿径向密封穿设有分流喷嘴，所述分流喷嘴允许钻井液自外而内进入所述分流过孔内。
4.如权利要求3所述的井下水力旋流辅助破岩工具，其特征在于，所述分流喷嘴的数量为多个。
5.如权利要求2所述的井下水力旋流辅助破岩工具，其特征在于，所述锥筒旋流器包括直径向所述上接头方向渐缩的锥筒部，所述锥筒部的大径端连接有圆筒部，所述圆筒部的侧壁上设置多个所述导流槽，所述导流槽的一侧壁沿所述圆筒部的内壁的切向设置。
6.如权利要求5所述的井下水力旋流辅助破岩工具，其特征在于，所述分流管座的一端的侧壁上设置有与所述导流槽连通设置的分流管座导槽。
7.如权利要求1所述的井下水力旋流辅助破岩工具，其特征在于，所述锥筒旋流器的小径端密封连通有延长管，所述上接头内设置有一端与所述延长管连通的排固通道孔，所述排固通道孔设置在所述上接头上远离所述钻井液输送通道孔的周向另一侧，所述排固通道孔与所述上接头的轴向呈倾斜、且向远离所述下接头的方向延伸设置，所述排固通道孔的另一端通过喷嘴与所述上接头的外部环空自内向外单向连通，所述喷嘴的开口方向与所述上接头的轴向平行、且朝向远离所述下接头的方向。
8.如权利要求7所述的井下水力旋流辅助破岩工具，其特征在于，所述上接头的外壁上沿周向均匀设置有多个螺旋扶正块。
9.如权利要求8所述的井下水力旋流辅助破岩工具，其特征在于，一所述螺旋扶正块上设置有压盖，所述压盖内设置有与所述排固通道孔的另一端连通的延伸孔，所述压盖内还设置有沿轴向设置的喷嘴固定孔，所述喷嘴固定孔的开口方向与所述上接头的轴向平行、且朝向远离所述下接头的方向，所述喷嘴固定设置于所述喷嘴固定孔内，所述喷嘴的一端与所述延伸孔连通设置，所述螺旋扶正块上设置有沿所述上接头的轴向设置、且与所述喷嘴的另一端连通的喷嘴透孔。
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