CN107461163B - 内排屑脉冲射流降压钻柱短节 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内排屑脉冲射流降压钻柱短节，包括：钻柱短节主体，所述钻柱短节主体内部设置有脉冲降压结构、岩屑吸入道和输送初始钻井液的主流道；所述脉冲降压结构和所述主流道连通并与所述主流道反向设置，所述岩屑吸入道的出口和所述脉冲降压结构连通，所述脉冲降压结构用于使通过所述主流道的初始钻井液从所述脉冲降压结构以脉冲形式反向冲出以产生脉冲负压，所述岩屑吸入道用于利用所述脉冲负压将井底的携岩钻井液吸入所述钻柱短节主体内部。本发明的内排屑脉冲射流降压钻柱短节能够减小井底压差，实现欠平衡提高机械钻速。

Description

内排屑脉冲射流降压钻柱短节

技术领域

本发明涉及钻井工具技术，尤其涉及一种内排屑脉冲射流降压钻柱短节，属于钻井与油气工程技术领域。

背景技术

加快非常规油气的勘探开发速度，降低勘探开发成本，对于推进我国非常规油气产业化，实现“非常规油气革命”，缓解我国油气供需矛盾，具有重要的战略意义。

钻井速度是影响非常规油气成本的主要因素之一。一口典型的油气井中，接近50％的费用用于机械钻进。据美国的研究与实践表明：如果钻井效率提高一倍，总的钻井费用可以降低约25％。因此，提高机械钻速是降低钻井成本、实现效益最大化的首要追求。

降低井底压力并实现井底局部反循环能够有效提高机械钻速，一方面降低井底压差会降低井底待破碎岩石的塑性，并使得井底岩石由塑性向脆性转变，从而降低破碎强度，提高破碎效率；另一方面实现井底局部反循环会减轻或消除井底岩屑的压持效应，促使新产生的岩屑及时脱离井底岩石母体，避免重复破碎。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种内排屑脉冲射流降压钻柱短节，用来提高钻井的效率。

本发明提供一种内排屑脉冲射流降压钻柱短节，包括：钻柱短节主体，所述钻柱短节主体内部设置有脉冲降压结构、岩屑吸入道和输送初始钻井液的主流道；

所述脉冲降压结构和所述主流道连通并与所述主流道反向设置，所述岩屑吸入道的出口和所述脉冲降压结构连通，所述脉冲降压结构用于使通过所述主流道的初始钻井液从所述脉冲降压结构以脉冲形式反向冲出以产生脉冲负压，所述岩屑吸入道用于利用所述脉冲负压将井底的携岩钻井液吸入所述钻柱短节主体内部。

如上所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其中，所述脉冲降压结构包括反向高速脉冲射流喷嘴以及与所述反向高速脉冲射流喷嘴的出口连通，并沿所述主流道的反方向延伸的脉冲负压输送通道；

所述反向高速脉冲射流喷嘴的入口与所述主流道连通。

如上所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其中，所述反向高速脉冲射流喷嘴的轴线与所述主流道的轴线之间的夹角为β，0°≤β＜90°。

如上所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其中，所述岩屑吸入道的入口设置在所述钻柱短节主体的底端面，所述岩屑吸入道的出口与所述脉冲负压输送通道连通。

如上所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其中，所述脉冲负压输送通道由底端至顶端包括依序连通的脉冲负压室、喉管以及旁通管，

如上所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其中，所述脉冲负压室的第一入口与所述反向高速脉冲射流喷嘴的出口连通，所述脉冲负压室的第二入口与所述岩屑吸入道的出口连通。

如上所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其中，所述旁通管为两端口径不等的管，其中，大口径端口为所述旁通管的出口，小口径端口为所述旁通管的入口。

如上所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其中，所述旁通管的出口与钻柱和井壁之间形成的环空连通。

如上所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其中，还包括上接头和下接头，所述上接头设置在所述钻柱短节主体的顶部，所述下接头设置在所述钻柱短节主体的底部。

如上所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其中，所述上接头用于与钻柱固定连接，所述下接头用于与钻头固定连接。

本发明提供的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，结构简单，便于加工，通过脉冲降压结构在钻柱短节主体内部产生脉冲负压，降低井底压差，岩屑吸入道利用脉冲负压对井底生成的携岩钻井液进行抽吸使钻井液反循环，最终实现欠平衡提高机械钻速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例内排屑脉冲射流降压钻柱短节的剖视图；

图2为图1的右视图；

图3为本实施例中反向高速脉冲射流喷嘴的剖视图。

附图标记说明：

1：钻柱短节主体；

101：主流道；

102：岩屑吸入道；

103：上接头；

104：下接头；

201：反向高速脉冲射流喷嘴；

202：脉冲负压输送通道；

202a：脉冲负压室；

202b：喉管；

202c：旁通管；

A：第一入口；

B：第二入口。

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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的实例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”“、水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，方位“顶端”指示的是靠近钻柱一端的位置，方位“底端”指的是靠近钻头一端的位置，方位“近端”指的是在钻柱短节底端面的径向方向上靠近钻柱短节中轴线一端的位置，方位“远端”指的是在钻柱短节底端面的径向方向上远离钻柱短节中轴线一端的位置，方向“正向”是指初始钻井液进入的方向，方向“反向”是指将初始钻井液进入方向改变90°-180°的方向。

此外，在本发明中，初始钻井液指的是从泥浆泵泵出流至钻柱、未携带有岩屑、岩渣的钻井液；携岩钻井液指的是钻井液经过井底工作面、携带有岩屑、岩渣的钻井液。

图1为本发明实施例内排屑脉冲射流降压钻柱短节的剖视图，图2为图1的右视图。

请参照图1-图2，本实施例的内排屑脉冲射流降压钻柱短节包括：钻柱短节主体1，钻柱短节主体1内部设置有脉冲降压结构、输送初始钻井液的主流道101和岩屑吸入道102；脉冲降压结构和主流道101连通并与主流道101反向设置，岩屑吸入道102的出口和脉冲降压结构连通，脉冲降压结构用于使通过主流道101的初始钻井液从脉冲降压结构以脉冲形式反向冲出以产生脉冲负压，岩屑吸入道102用于利用脉冲负压将井底的携岩钻井液吸入钻柱短节主体1内部。。

本实施例中的钻柱短节主体1内部开设有用于初始钻井液进入钻柱短节主体1的主流道101，可以想象的是该钻柱短节主体1的顶端是与钻柱(未图示)连接的，并且主流道101的入口是与钻柱的出液口连通的，从而使得钻柱中的初始钻井液经过主流道101的入口进入主流道101。

具体地，本实施例中的钻柱短节主体1在使用时，顶端与钻柱固定连接在一起，底端与钻头固定连接在一起，可以是通过螺纹固定连接。本实施例的内排屑脉冲射流降压钻柱短节可以是钻柱短节主体1顶端设置有内螺纹，和钻柱设置的外螺纹配合，实现固定连接；或者，钻柱短节主体1顶端设置有外螺纹，和钻柱设置的内螺纹配合，实现固定连接；本实施例的内排屑脉冲射流降压钻柱短节可以是钻柱短节主体1底端设置有内螺纹，和钻柱设置的外螺纹配合，实现固定连接；或者，钻柱短节主体1底端设置有外螺纹，和钻柱设置的内螺纹配合，实现固定连接。当然，钻柱短节主体1和钻柱、钻头之间也可以通过焊接等连接方式实现固定连接，本发明不作具体限定。

本发明对和钻柱短节主体1底端连接的钻头不做限制，可以是本领域常用的钻头，例如PDC钻头，一般的，在PDC钻头端底端沿圆周方向会间隔设置有多个PDC刀翼，PDC刀翼是钻头切削岩石的工作部件，其表面分布有数个PDC切削齿。

在本实施例中，主流道101的横截面可以是圆形、椭圆形、多边形，或者不规则形状等。为了减小主流道101对初始钻井液的阻力以及增加初始钻井液对井底的清洗力度，本实施例主流道101的主要部分优选圆形通道，主流道101的底端优选为梯形通道。同时，主流道101可以是单独的管道，也可以是通过在钻柱短节主体1内部的一个柱状部件上开设通孔的方式来形成上述主流道101，当然，还可以采用其他结构形式，本发明不作具体限制。同时本发明也不限制主流道101的具体个数。

在本实施例中，脉冲降压结构具体设置在钻柱短节主体1的内部，脉冲降压结构与主流道101连通并且反向设置，从而能够利用主流道101中的初始钻井液产生脉冲负压，通过脉冲负压对井底流体和岩屑的作用降低井底的局部压力，减小井底压差，促进岩屑脱离井底并加速上返，实现局部欠平衡提高机械钻速。本发明对脉冲降压结构的具体表现形式不做限制，只要能够利用初始钻井液产生脉冲负压即可。

在本实施例中，岩屑吸入道102具体设置在钻柱短节主体1的内部，其主要作用是为井底的携岩钻井液提供进入钻柱短节主体1内部的通道，能够在脉冲降压结构产生的脉冲负压下帮助井底的携岩钻井液进入钻柱短节主体1内部实现反循环，降低压持效应。本发明对岩屑吸入道102的具体结构不做限制，只要能够实现上述功能即可。

本实施例中的脉冲降压结构以及岩屑吸入道102可以根据钻柱短节主体1内部的具体结构进行设置，本发明也不限制脉冲降压结构和岩屑吸入道102的具体个数，可以是一个或多个，具体个数可以根据本发明的内排屑脉冲射流降压钻柱短节在钻井时的具体条件进行设置。

本实施例提供的内排屑脉冲射流降压钻柱短节结构简单，易于生产加工，通过钻柱短节主体1的主流道101，使得初始钻井液进入钻柱短节主体1内部，脉冲降压结构利用钻柱短节主体1内部的初始钻井液产生脉冲负压，岩屑吸入道102利用脉冲负压将岩屑、岩渣以及井底的钻井液吸入钻柱短节主体1内部，从而完成钻井液的反循环，本发明能够加速携岩钻井液的流动，高效的清洗井底岩屑和岩渣，提高钻井的效率，避免井底压持效应和岩屑重复破碎的问题，而且还能减小压持效应和防漏。

在上述实施例的基础上，本实施例的内排屑脉冲射流降压钻柱短节中的脉冲降压结构包括反向高速脉冲射流喷嘴201以及与反向高速脉冲射流喷嘴201的出口连通，并沿主流道101的反方向延伸的脉冲负压输送通道202；反向高速脉冲射流喷嘴201的入口与主流道101连通。

具体的，反向高速脉冲射流喷嘴201的入口与主流道101连通，反向高速脉冲射流喷嘴201的出口与脉冲负压输送通道202的入口连通，从而能够分流进入主流道101的初始钻井液使部分主流道101中的初始钻井液经反向高速脉冲射流喷嘴201的入口进入反向高速脉冲射流喷嘴201，再由反向高速脉冲射流喷嘴201的出口进入至脉冲负压输送通道202。

本实施例中的反向高速脉冲射流喷嘴201是指能够将初始钻井液的流入方向改变90°-180°的并且能够将初始钻井液以脉冲的形式喷出的喷嘴，经过该反向高速脉冲射流喷嘴201的初始钻井液能够在脉冲负压输送通道202的入口处以与初始钻井液流入方向相反的方向向钻柱短节主体1的顶端喷射，从而在脉冲负压输送通道202的入口产生脉冲负压。在该脉冲负压的作用下，井底的携岩钻井液会通过岩屑吸入道102进入钻柱短节主体1内部，再经过脉冲负压输送通道202的入口进入脉冲负压输送通道202，经过脉冲负压输送通道202的出口排出钻柱短节主体1实现钻井液的反循环。

本实施例对反向高速脉冲射流喷嘴201的构造不做限制，只要能够实现聚能释放，形成具有足够高的能量产生脉冲射流，将初始钻井液以脉冲射流形式喷出并产生脉冲负压即可，可以为本领域常规的风琴构造，图3为本实施例中反向高速脉冲射流喷嘴的剖视图。另外，反向高速脉冲射流喷嘴201的脉冲频率也可以针对钻井条件进行具体设置。

反向高速脉冲射流喷嘴201与主流道101的具体连通的位置能够决定在井底产生脉冲负压的大小，反向高速脉冲射流喷嘴201与主流道101具体连通的位置越靠近主流道101的底端，井底产生的脉冲负压就越大。在图1中，反向高速脉冲射流喷嘴201与主流道101具体连通的位置靠近主流道101的偏底部，针对不同的钻井情况工作人员可以设置具体的连通的位置。

另外，本实施例对脉冲负压输送通道202的轴向剖面不做限制，可以是规则或者不规则结构，为了方便携岩钻井液的排出，本实施例中的脉冲负压输送通道202的轴向剖面为不规则结构，即底端细顶端粗的喇叭型结构。

本实施例对反向高速脉冲射流喷嘴201和脉冲负压输送通道202的个数不做具体限制，可以为一个或多个，但是反向高速脉冲射流喷嘴201和脉冲负压输送通道202两者的个数必须一一对应。

需要注意的是，为了便于本实施例中的内排屑脉冲射流降压钻柱短节适用于各种情况的油气井的钻井开发，脉冲降压结构产生的脉冲负压大小还可以根据反向高速脉冲射流喷嘴201的轴线与主流道101的轴线之间的夹角β进行调节，其中，0°≤β<90°，当β越小，产生的脉冲负压越大，促进岩屑脱离井底并加速上返的动力就越大。

进一步地，本实施例的内排屑脉冲射流降压钻柱短节中的岩屑吸入道102的入口设置在钻柱短节主体1的底端面，岩屑吸入道102的出口与脉冲负压输送通道202连通。

岩屑吸入道102是井底的携岩钻井液进入钻柱短节主体1内部的唯一通道，具体地，岩屑吸入道102的入口设置在钻柱短节主体1的底端面，岩屑吸入道102的出口与脉冲负压输送通道202连通。由于岩屑吸入道102的出口与脉冲负压输送通道202连通，因此岩屑吸入道102的出口处有脉冲负压，从而井底的携岩钻井液会被岩屑吸入道102的入口吸入至钻柱短节主体1内部，即经岩屑吸入道102的入口进入岩屑吸入道102，再由岩屑吸入道102的出口进入脉冲负压输送通道202，最后通过脉冲负压输送通道202被排出钻柱短节主体1，完成钻井液的反循环。

为了最大限度利用脉冲降压结构生成的脉冲负压，岩屑吸入道102的出口可以与脉冲负压输送通道202的入口(即反向高速脉冲射流喷嘴201的出口)连通。

岩屑吸入道102的横截面可以是圆形、椭圆形、多边形，或者不规则形状等。为了减小岩屑吸入道102对携岩钻井液的阻力，使携岩钻井液的畅通，本实施例岩屑吸入道102优选为入口大出口小的喇叭管。

本实施例中对岩屑吸入道102的个数不做具体限制，可以为一个或者多个，但是，岩屑吸入道102的个数与脉冲负压输送通道202两者的个数必须一一对应。

在本实施例中，脉冲负压输送通道202由底端至顶端包括依序连通的脉冲负压室202a、喉管202b以及旁通管202c，脉冲负压室202a的第一入口A与反向高速脉冲射流喷嘴201的出口连通，202a脉冲负压室的第二入口B则与岩屑吸入道102的出口连通。

可以将脉冲负压输送通道202进行细化，使其由底端至顶端依次具体包括脉冲负压室202a、喉管202b以及旁通管202c，并且脉冲负压室202a与喉管202b连通，喉管202b与旁通管202c连通。其中，脉冲负压室202a包括两个入口，分别为第一入口A和第二入口B，第一入口A与反向高速脉冲射流喷嘴201的出口连通，用于利用反向高速脉冲射流喷嘴201喷射出的初始钻井液产生脉冲负压；第二入口B与岩屑吸入道的出口连通，用于利用脉冲负压室202a的压力将携岩钻井液通过岩屑吸入道吸入至脉冲负压室202a，然后通过喉管202b、旁通管202c排出钻柱短节主体1，完成钻井液的反循环。

进一步地，为了降低携岩钻井液自脉冲负压室202a向外喷射的动力，可以将旁通管202c设置为两端口径不等的管，其中，大口径端口为旁通管202c的出口，小口径端口为旁通管202c的入口。

具体地，小口径的端口与喉管202b的出口连通，大口径的端口与钻柱和井壁之间形成的环空(未图示)连通，当携岩钻井液在脉冲负压的作用下，经岩屑吸入道102的入口进入岩屑吸入道102，再由岩屑吸入道102的出口喷出经由第二入口进B入脉冲负压室202a后，会汇入由反向高速脉冲射流喷嘴201喷射出的部分初始钻井液形成高速脉冲射流，由底端至顶端依序经脉冲负压室202a、喉管202b、旁通管202c，最终进入环空。当行至旁通管202c时，由于其进口小出口大的特殊结构，高速脉冲射流会在旁通管202c内发生降速。

参照图1，本实施例的内排屑脉冲射流降压钻柱短节还包括上接头103和下接头104，上接头103设置在钻柱短节主体1的顶部，下接头104设置在钻柱短节主体1的底部。

本实施例中上接头103用于与钻柱固定连接，下接头104用于与钻头固定连接。

具体地，上接头103与钻柱固定连接，可以是卡接，也可以是螺纹连接等。为了使连接更稳定，本实施例上接头103与钻柱优选通过螺纹连接，可以是上接头103设置有外螺纹，钻柱设置有与外螺纹相配合的内螺纹，也可以是上接头103设置有内螺纹，钻柱设置有与内螺纹相配合的外螺纹。

下接头104与钻头固定连接，可以是卡接，也可以是螺纹连接等。本实施例下接头104与钻头优选通过螺纹连接，可以是下接头104设置有外螺纹，钻头设置有与外螺纹相配合的内螺纹，也可以是下接头104设置有内螺纹，钻柱设置有与内螺纹相配合的外螺纹。螺纹可以是三角螺纹、矩形螺纹等，本发明对螺纹的具体结构不做限制。

上述实施例的内排屑脉冲射流降压钻柱短节的具体工作过程如下：

在钻进过程中，高压初始钻井液由钻柱进入主流道101，一部分高压初始钻井液由主流道101继续流向井底，另一部分高压初始钻井液由反向高速脉冲射流喷嘴201喷出，形成高速脉冲射流，高速脉冲射流在脉冲负压室202a产生脉冲负压，脉冲负压室202a内的脉冲负压通过岩屑吸入道102对井底的流体和岩屑进行抽吸，井底岩屑与井底钻井液在反向高速脉冲射流喷嘴201的抽吸作用下经岩屑吸入道102进入脉冲负压室202a。

脉冲降压结构的反向高速脉冲射流喷嘴201喷出高速脉冲射流，在脉冲负压室202a产生脉冲负压卷吸岩屑与井底钻井液，井底岩屑与井底钻井液在脉冲负压室202a和喉管202b处被汇入高速脉冲射流，高速脉冲射流在旁通管202c内速度降下来后排入环空。

本发明的内排屑脉冲射流降压钻柱短节的内部水利结构及流道相对简单，易于生产和加工，其中的脉冲降压结构基于射流泵的原理，能够抽吸井底岩屑和井底钻井液，使井底岩屑和流体从钻柱短节内部返出，实现井底反循环，减小井底压差，实现欠平衡提高机械钻速。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其特征在于，包括：钻柱短节主体，所述钻柱短节主体内部设置有脉冲降压结构、岩屑吸入道和输送初始钻井液的主流道；

所述脉冲降压结构和所述主流道连通并与所述主流道反向设置，所述岩屑吸入道的出口和所述脉冲降压结构连通，所述脉冲降压结构用于使通过所述主流道的初始钻井液从所述脉冲降压结构以脉冲形式反向冲出以产生脉冲负压，所述岩屑吸入道用于利用所述脉冲负压将井底的携岩钻井液吸入所述钻柱短节主体内部；

所述脉冲降压结构包括反向高速脉冲射流喷嘴以及与所述反向高速脉冲射流喷嘴的出口连通，并沿所述主流道的反方向延伸的脉冲负压输送通道；

所述反向高速脉冲射流喷嘴的入口与所述主流道连通；

所述反向高速脉冲射流喷嘴的轴线与所述主流道的轴线之间的夹角为β，0°＜β＜90°；

所述脉冲负压输送通道由底端至顶端包括依序连通的脉冲负压室、喉管以及旁通管；

所述脉冲负压室的第一入口与所述反向高速脉冲射流喷嘴的出口连通，所述脉冲负压室的第二入口与所述岩屑吸入道的出口连通；

所述脉冲负压输送通道的轴向剖面为底端细顶端粗的喇叭型结构；

所述主流道的主要部分为圆形通道；

所述主流道的底端为梯形通道；

所述岩屑吸入道的入口设置在所述钻柱短节主体的底端面，所述岩屑吸入道的出口与所述脉冲负压输送通道连通；

所述岩屑吸入管为入口大出口小的喇叭管；

所述旁通管的出口与钻柱和井壁之间形成的环空连通；

所述旁通管为两端口径不等的管，其中，大口径端口为所述旁通管的出口，小口径端口为所述旁通管的入口。

2.根据权利要求1所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其特征在于，还包括上接头和下接头，所述上接头设置在所述钻柱短节主体的顶部，所述下接头设置在所述钻柱短节主体的底部。

3.根据权利要求2所述的内排屑脉冲射流降压钻柱短节，其特征在于，所述上接头用于与钻柱固定连接，所述下接头用于与钻头固定连接。