CN107461154A - 一种可调式钻井水力振荡器 - Google Patents

Abstract

一种可调式钻井水力振荡器。主要目的在于解决现有水力空化射流发生器只能产生高频率、低脉动幅值的脉冲射流的问题。其特征在于：为内外筒嵌套结构，主要由外筒、内筒、叶轮和弹簧总成等部分组成；其中弹簧总成可为井下流体充能，产生不稳定高压射流；不对称的叶轮设计能将连续钻井液管流调制成低频、多幅值高速射流，从而增加了井底及环形空间流场的紊流强度。本种可调式钻井水力振荡器通过内部的不对称叶轮将稳定钻井液流调制为能量可控的、不稳定的、多幅值的脉冲射流，这种不稳定脉冲射流在井底形成的高能冲击流和不稳定流场能提高井下能量利用率，强化钻井液破岩和清岩效果。

Description

一种可调式钻井水力振荡器

技术领域

本发明涉及一种应用于石油开采领域用于钻井工程中的钻井水力振荡器。

背景技术

钻井工程是石油开采过程中的重要一环。在世界范围内，探井费用占勘探总成本的55%~80%，开发井费用占开发总成本的比例也越来越高，随着油气勘探开发的深入和钻探地层复杂程度增加，提高钻井速度、缩短钻井周期一直是石油钻井研究的热点。钻井过程中井深越深，那么水力损失就越大，从而导致水力破岩、清岩能力也大大下降。尤其是水平井，水平井钻进过程中摩阻大、托压等问题不仅严重影响水平井的机械钻速，也容易引起水平井的压差卡钻等井下故障，既降低了钻井效率，延长了建井周期，又增加了开发成本，因此提高深井水平井机械钻速、提高钻井液破岩和清岩能力成为摆在钻井人面前的重要问题。

Asadollah和Ladd根据离心原理，利用旋流发生器使井底钻井液产生旋转，一方面高速旋转的钻井液降低井底压力，另一方面高速旋转的钻井液能够增加井底的漫流速度，促进钻屑及时脱离井底，但现场口井实验结果表明，提高钻速效果不明显。西南石油学院钻井信息中心对旋流降压法也进行了研究，并设计出井底降压短接。钻井实验结果表明，降压短接可提高机械钻速。由此可见，旋流钻井技术可以提高机械钻速，但是效果不明显。

低压脉冲射流钻井技术是利用低压脉冲射流调制器对液流进行调制，在井底产生脉动性低压，利用该脉动性低压降低岩石的抗破碎强度，减小“压持效应”促进岩屑及时脱离井底，从而提高机械钻速的一项钻井技术。在该技术的基础上，美国进行了低压脉冲射流调制器样机的研制工作，并进行了相应的性能实验，台架测试调制器产生的脉动性低压效果强，脉动低压幅值为5-17MPa，低压脉冲持续时间为1.3ms。实验利用模拟钻头在不同岩石中进行钻进，其结果表明，在相同的钻进条件下利用低压脉冲射流调制器可使机械钻速提高3-6倍，低压脉冲射流调制器表现出的巨大应用潜力不容忽视。美国曾研制出与“钻头配合使用的低压脉冲射流调制器，并进行了现场工况条件下的台架实验，实验结果是该调制器在排量30L/s下长时间连续工作，运行良好无损坏，其脉动低压幅值为5-5.5MPa。现场试验表明，在硬地层钻进可提高钻速50%。在研究射流理论的过程中，人们发现周期性的（间断射流）脉冲射流比普通连续射流效果更好。因此把脉冲射流应用于钻井成为研究新型高效射流直接破岩的钻井新方法。从负压脉冲射流技术提高深井钻井速度的机理上看该技术能很好的解决深井钻进中的井底压持效应，有效提高钻头的破岩效率，因而研究产生脉冲射流的设备成为该技术由理论走向现实应用的重要途径。

2012年，中国石油大学（北京）石油工程学院提出水力空化射流技术来解决大位移水平井井底能量利用率低、钻井液清岩与破岩效果差等问题。水力空化射流技术是通过在钻头上外接水力空化射流发生器，如图15所示，将井内稳定的、连续的钻井液液流调制为振荡脉冲射流。水力空化射流发生器主要由本体、弹性挡圈、导流体、叶轮总成、自激振荡室等组成。钻进时，水力脉冲空化射流发生器安装于钻头和钻挺之间，将流体的扰动作用和自振空化效应耦合，在井底形成脉冲空化射流，利用其在井底产生的不稳定流场和水力脉冲达到提高钻井液清岩、破岩效果的目的。但是，该水力空化射流发生器只能够激发高频率、低振幅的振荡脉冲，这种脉冲流具有规律性，且能量较低，清岩、破岩效果不稳定。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的目前钻井中井底能量利用效率仍然不是很理想的问题，以及各种井下水力设备的构型仍存在诸多不完善的地方，本发明在水力空化射流发生器的基础上创造出一种新型的高效利用井下能量的可调式多功能钻井水力振荡器，以满足实际生产需要。

本发明的技术方案是：该种可调式钻井水力振荡器，包括一个呈圆柱形管体状的外筒，所述外筒的上下两端具有接头，其中，上端接头用于连接钻铤，下端接头用于连接钻头；其特征在于：所述可调式钻井水力振荡器还包括内筒、止动销、弹簧、密封帽、耐磨块、叶轮、合金套、盖帽以及弹性挡圈；

内筒采用内外嵌套式的结构固定于外筒中，内筒和外筒之间通过螺纹固定；

内筒由第一半壳体和第二半壳体通过若干螺栓穿过丝孔紧固后连接而形成圆柱形管体；其中，第二半壳体内有一个用于导流的斜坡面，所述斜坡面的作用在于将液流引导至叶轮处；在所述斜坡面的下方，穿透所述第二半壳体开有一个用于固定弹簧和止动销的弹簧腔，所述弹簧腔的顶端开口处开有内螺纹，用于旋入密封帽，所述弹簧腔的底端开口为缩径后形成的凸台形开口，以实现将止动销的顶端限位在凸台形开口的大径端，止动销的底端伸出所述弹簧腔的底端开口可与叶轮上的耐磨块相触；弹簧和止动销通过密封帽紧固后被压缩固定于弹簧腔内；当叶轮转动与止动销发生接触时，在弹簧的作用下止动销向叶轮施加阻力；

第一半壳体和第二半壳体上分别开有一对用于固定叶轮轴的第一半圆孔和第二半圆孔；第一半圆孔和第二半圆孔吻合后构成的圆的圆心轴线位于斜坡面的底边之下，与所述底边之间的直线距离大于叶轮的最大半径以保证叶轮固定于内筒中后可实现自由旋转；

所述叶轮由叶轮轴、呈四分之一球体状的第一叶轮单元和呈半圆形薄片状的第二叶轮单元连接后组成；其中，在所述第一叶轮单元的外切线上开有呈接近半圆形的导流槽；在所述第二叶轮单元上开有耐磨块安装孔，通过所述耐磨块安装孔固定有耐磨块；叶轮位于内筒中的叶轮腔内，通过穿过第一半圆孔和第二半圆孔的叶轮轴与合金套紧固后而固定；所述耐磨块与止动销接触以实现在短时间内阻止叶轮转动。

本发明具有如下有益效果：本种水力振荡器对叶轮的形状进行了实质性的改进并增加弹簧总成对液流进行蓄能，可调制出高能、低频、多振幅的脉冲射流，并在井底产生高熵值不稳定流场，最大化钻井液的破岩、清岩能力。当处于憋压过程时，振荡器产生低能射流，处于泄压过程时，振荡器产生高能射流，并且整个泄压过程有两股高能射流产生，如此不断重复，就能调制出“低能-高能”的脉冲射流，之后钻井液流经钻头水眼，在井底和环形空间内完成一次振荡。与此同时，叶轮转回再次与弹簧总成接触产生流体瞬时断流，形成新一轮的压力控制过程。如此不断重复，便产生了比常规射流发生器更大的、符合实际需要的循环水力振荡能量，使钻井液在井底形成更强劲的非对称流场、在环形空间形成非稳态管流。此外，本种水力振荡器还可与自激振荡钻头形成耦合并针对不同地质条件改变弹簧型号和弹簧总成与叶轮的接触角度，以达到最佳的使用效果，进一步强化水力能量辅助清岩、破岩的作用效果，加快钻井速度，节约钻井成本。

附图说明：

图1 是可调式多功能钻井水力振荡器内外筒嵌套结构示意图。

图2 是可调式多功能钻井水力振荡器外筒示意图。

图3 是可调式多功能钻井水力振荡器内筒内部结构示意图。

图4 是组成内筒的第二半壳体结构示意图。

图5是组成内筒的第一半壳体结构示意图。

图6是止动销的结构示意图。

图7 是弹簧结构示意图。

图8 是密封帽结构示意图。

图9是形成的弹簧总成的组成结构示意图。

图10 是耐磨块的结构示意图。

图11 是叶轮的结构示意图。

图12 是水力空化射流发生器的叶轮结构示意图。

图13 是本发明所述振荡器处于憋压过程时的工作示意图。

图14 是本发明所述振荡器处于泄压过程时的工作示意图。

图15 现有技术中的水力空化射流发生器的结构示意图。

图中1-弹性挡圈，2-丝孔，3-第一半壳体，4-螺栓，5-弹簧，6-密封帽，7-弹簧腔，8-第二半壳体，9-止动销，10-耐磨块，11-叶轮，12-垫圈，13-合金套，14-盖帽，15-斜坡面，16-导流槽，17-外筒，18-内筒，19-耐磨块安装孔，20-第一叶轮单元，21-第二叶轮单元，22-叶轮轴，23-第一半圆孔，24-第二半圆孔。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图11所示，该种可调式钻井水力振荡器，包括一个呈圆柱形管体状的外筒17，所述外筒的上下两端具有接头，其中，上端接头用于连接钻铤，下端接头用于连接钻头；其特征在于：所述可调式钻井水力振荡器还包括内筒18、止动销9、弹簧5、密封帽6、耐磨块10、叶轮11、合金套13、盖帽14以及弹性挡圈1；

内筒18采用内外嵌套式的结构固定于外筒17中，内筒18和外筒17之间通过螺纹固定；

内筒18由第一半壳体3和第二半壳体8通过若干螺栓4穿过丝孔2紧固后连接而形成圆柱形管体；其中，第二半壳体8内有一个用于导流的斜坡面15，所述斜坡面的作用在于将液流引导至叶轮11处；在所述斜坡面的下方，穿透所述第二半壳体开有一个用于固定弹簧5和止动销9的弹簧腔7，所述弹簧腔的顶端开口处开有内螺纹，用于旋入密封帽6，所述弹簧腔的底端开口为缩径后形成的凸台形开口，以实现将止动销9的顶端限位在凸台形开口的大径端，止动销9的底端伸出所述弹簧腔的底端开口可与叶轮11上的耐磨块10相触；弹簧5和止动销9通过密封帽6紧固后被压缩固定于弹簧腔7内；当叶轮11转动与止动销9发生接触时，在弹簧5的作用下止动销9向叶轮11施加阻力；

第一半壳体3和第二半壳体8上分别开有一对用于固定叶轮轴的第一半圆孔23和第二半圆孔24；第一半圆孔23和第二半圆孔24吻合后构成的圆的圆心轴线位于斜坡面15的底边之下，与所述底边之间的直线距离大于叶轮11的最大半径以保证叶轮11固定于内筒18中后可实现自由旋转；

所述叶轮由叶轮轴22、呈四分之一球体状的第一叶轮单元20和呈半圆形薄片状的第二叶轮单元21连接后组成；其中，在所述第一叶轮单元20的外切线上开有呈接近半圆形的导流槽16；在所述第二叶轮单元21上开有耐磨块安装孔19，通过所述耐磨块安装孔固定有耐磨块10；叶轮11位于内筒18中的叶轮腔内，通过穿过第一半圆孔23和第二半圆孔24的叶轮轴22与合金套13紧固后而固定；所述耐磨块与止动销9接触以实现在短时间内阻止叶轮11转动。

图12是现有技术中的水力空化射流发生器叶轮，而本装置的叶轮结构如图11所示，位于内筒18中的叶轮腔内，通过转轴与合金套13固定在壳体8和壳体3之间，与水力空化射流发生器叶轮相比，本装置叶轮具有不对称性，在转轴的一侧为四分之一球体，在其外切线上设有导流槽16，另一侧是二分之一圆形薄片，在此圆形薄片上装有耐磨块10，当液流通过斜坡面15流至叶轮11时，叶轮11转动并与弹簧总成产生周期性的接触，从而形成振荡射流。

本装置整体为筒状钻头外接接头，上部接钻挺或螺杆钻具，下部接钻头。本装置为内外嵌套结构，外筒17为圆柱形管体，内筒18内安装叶轮11、弹簧总成等，内外筒通过螺纹固定。

内筒由壳体3和壳体8组成，两个壳体之间垫有密封垫，由螺栓4连接。其中壳体8上设有导流体15，可将液流引导至叶轮11处，这个壳体上还设有弹簧总成。弹簧总成由止动销9、弹簧5和密封帽6组成，使用时止动销9下端较细部位可以伸入叶轮腔内与叶轮11接触并在弹簧5的作用下对其施加作用力。弹簧5位于止动销9和密封帽6之间，密封帽6将弹簧5和止动销9密封在壳体8上的小孔内。

本装置的叶轮11位于内筒18中的叶轮腔内，通过转轴与合金套13固定在壳体之间。本装置叶轮11具有不对称性，在转轴的一侧为四分之一球体，在其外切线上设有导流槽16，另一侧是二分之一圆形薄片，在此圆形薄片上装有耐磨块10，当液流通过叶轮11时，叶轮11转动并与弹簧总成产生周期性的接触，从而形成振荡射流。

本装置工作时包括憋压和泄压两个过程：

（1）如图13所示，叶轮11的圆形薄片一侧与弹簧总成接触，此时叶轮11不转动，流体从导流槽16通过，此时流量最小，穿过的流体具有较少能量。同时液流在叶轮11上产生压力积累。此时处于憋压过程。

（2）如图14所示，当压力积累到足以使叶轮薄片脱离弹簧总成时，叶轮11再次转动，液流穿过叶轮11流动，此时的液流的能量最大，并且在薄片到达垂直轴向位置时可将高压射流割成前后两股。此时处于泄压过程。

当处于憋压过程时，振荡器产生低能射流，处于泄压过程时，振荡器产生高能射流，并且整个泄压过程有两股高能射流产生。如此不断重复，就能调制出“低能-高能”的脉冲射流，之后钻井液流经钻头水眼，在井底和环形空间内完成一次振荡。与此同时，叶轮11转回再次与弹簧总成接触产生流体瞬时断流，形成新一轮的压力控制过程。如此不断重复，便产生了比常规射流发生器更大的、符合实际需要的循环水力振荡能量，使钻井液在井底形成更强劲的非对称流场、在环形空间形成非稳态管流。

本装置创新设计叶轮的形状并增加弹簧总成对液流进行蓄能，可调制出高能、低频、多振幅的脉冲射流，并在井底产生高熵值不稳定流场，最大化钻井液的破岩、清岩能力；同时，本装置还可与自激振荡钻头形成耦合并针对不同地质条件改变弹簧型号和弹簧总成与叶轮的接触角度，以达到最佳的使用效果，进一步强化水力能量辅助清岩、破岩的作用效果，加快钻井速度，节约钻井成本。

Claims (1)

1.一种可调式钻井水力振荡器，包括一个呈圆柱形管体状的外筒（17），所述外筒的上下两端具有接头，其中，上端接头用于连接钻铤，下端接头用于连接钻头；其特征在于：所述可调式钻井水力振荡器还包括内筒（18）、止动销（9）、弹簧（5）、密封帽（6）、耐磨块（10）、叶轮（11）、合金套（13）、盖帽（14）以及弹性挡圈（1）；

内筒（18）采用内外嵌套式的结构固定于外筒（17）中，内筒（18）和外筒（17）之间通过螺纹固定；

内筒（18）由第一半壳体（3）和第二半壳体（8）通过若干螺栓（4）穿过丝孔（2）紧固后连接而形成圆柱形管体；其中，第二半壳体（8）内有一个用于导流的斜坡面（15），所述斜坡面的作用在于将液流引导至叶轮（11）处；在所述斜坡面的下方，穿透所述第二半壳体开有一个用于固定弹簧（5）和止动销（9）的弹簧腔（7），所述弹簧腔的顶端开口处开有内螺纹，用于旋入密封帽（6），所述弹簧腔的底端开口为缩径后形成的凸台形开口，以实现将止动销（9）的顶端限位在凸台形开口的大径端，止动销（9）的底端伸出所述弹簧腔的底端开口可与叶轮（11）上的耐磨块（10）相触；弹簧（5）和止动销（9）通过密封帽（6）紧固后被压缩固定于弹簧腔（7）内；当叶轮（11）转动与止动销（9）发生接触时，在弹簧（5）的作用下止动销（9）向叶轮（11）施加阻力；

第一半壳体（3）和第二半壳体（8）上分别开有一对用于固定叶轮轴的第一半圆孔（23）和第二半圆孔（24）；第一半圆孔（23）和第二半圆孔（24）吻合后构成的圆的圆心轴线位于斜坡面（15）的底边之下，与所述底边之间的直线距离大于叶轮（11）的最大半径以保证叶轮（11）固定于内筒（18）中后可实现自由旋转；

所述叶轮由叶轮轴（22）、呈四分之一球体状的第一叶轮单元（20）和呈半圆形薄片状的第二叶轮单元（21）连接后组成；其中，在所述第一叶轮单元（20）的外切线上开有呈接近半圆形的导流槽（16）；在所述第二叶轮单元（21）上开有耐磨块安装孔（19），通过所述耐磨块安装孔固定有耐磨块（10）；叶轮（11）位于内筒（18）中的叶轮腔内，通过穿过第一半圆孔（23）和第二半圆孔（24）的叶轮轴（22）与合金套（13）紧固后而固定；所述耐磨块与止动销（9）接触以实现在短时间内阻止叶轮（11）转动。