CN108049814B - 一种可注入并循环粒子的钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体指一种可注入并循环粒子的钻井工具，包括外筒、分别固设于外筒内部和外部的内筒和粒子挡环、套于内筒外侧可相对内筒滑动并与外筒存在间隙的滑动筒以及设于滑动筒与外筒的间隙中的弹簧及粒子。本发明所述可注入并循环粒子的钻井工具能够在不增加地面设备的情况下实现粒子在井下的注入和循环利用，可有效消除地面设备的复杂性、不可靠性带来的各种安全隐患，并可长时间连续运转，有助于提高钻井效率。

Description

一种可注入并循环粒子的钻井工具

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体指一种可注入并循环粒子的钻井工具。

背景技术

目前深井与超深井在钻井过程中遇到硬地层及强研磨性地层时普遍存在钻速慢、周期长、成本高等问题，严重制约了油气资源整体勘探开发的速度和效益。粒子冲击钻井是在不改变现有钻井设备和工艺的基础上，将2％～5％的钢质粒子通过注入系统注入到高压钻井液中，通过钻杆输送到PID(Particle Impact Drilling)钻头，粒子从钻头喷嘴高速喷出冲击破碎井底岩石，从而实现高效破岩，是一项有着巨大的发展潜力的新钻井技术。

粒子的连续、稳定注入是实现粒子冲击钻井技术的前提。目前，国内外主要存在粒子水力注入和机械注入两种注入方式。粒子的水力注入类似于射流泵的工作原理，采用压差引射的方式实现，依靠压差的大小控制粒子的注入量，但压差稳定性难以控制，使粒子注入不均匀，严重时还会引发粒子堵塞事故，因此应用范围较为受限。粒子的机械注入主要采用螺旋输送机或旋叶输送机实现，通过配套的动力设备带动输送机旋转，从而将粒子注入钻井液。对于机械注入方式而言，在高压、高粒子含量的工作介质环境下，系统中运动部件的可靠性和使用寿命是影响该种注入方式推广应用的关键问题，而一般情况下，机械式输送机结构比较复杂，磨损严重，密封易发热失效，影响工作的可靠性，且设备尺寸较大，不便于检修和装卸。

另外无论是粒子采用水力注入方式还是机械注入方式，都需要在井场配置两到三个高压粒子罐作为粒子的注入系统，并配置结构复杂的粒子回收系统及配套的高压管道和阀门，硬件投入成本较高。并且由于粒子在流动过程中会造成管线和阀门的磨损并影响管道的密封性，这些都给钻井施工带来了极大的安全隐患，严重影响了粒子冲击钻井技术的推广应用。以上局面严重制约了粒子冲击钻井技术商业化应用的进程，粒子注入及循环利用环节存在的问题急需得到解决。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题提出了一种可注入并循环粒子的钻井工具，该工具可携带足够的粒子至井下释放并实现粒子在井下的循环利用。

本发明所述可注入并循环粒子的钻井工具包括外筒、分别固设于外筒内部和外部的内筒和粒子挡环、套于内筒外侧可相对内筒滑动并与外筒存在间隙的滑动筒以及设于滑动筒与外筒的间隙中的弹簧和粒子。

所述外筒包括外径相同并在端部焊连的上筒节和下筒节，所述上筒节上端与钻井管柱螺接，中部的内壁上设有一隔挡凸环并开有多个连通隔挡凸环两侧的沟通孔道。所述下筒节由上至下包括内径大于上筒节的出粒段、内径窄于出粒段的混合段以及与PID钻头螺接的连接段。

所述滑动筒上下两端的外壁上分别设有封端凸环和限位凸环，所述封端凸环的外径与上筒节的内径相适应，限位凸环与上筒节内壁的间距小于粒子的直径，与出粒段内壁的间距大于粒子的直径。所述弹簧封装于封端凸环与隔挡凸环间的环空内，所述粒子装填于限位凸环与隔挡凸环间的环空内。

所述内筒包括外径与滑动筒的内径相适应的内筒上段以及外径大于内筒上段且下端与混合段的台阶面贴合并焊连的内筒下段，所述内筒下段与出粒段之间为一出粒环空。所述混合段在顶面上沿径向开有多道将出粒环空与混合段内部连通的沟通槽，并在外壁上开有与沟通槽连通的回流孔。所述沟通孔道的上端口位于封端凸环的下方且与内筒下段台阶面的间距大于滑动筒的长度。所述粒子挡环上设有多个直径小于粒子的回液孔且外径与井筒的直径相适应。

所述下筒节的外壁上设有与粒子挡环内缘相适应的嵌合环槽，所述粒子挡环固定套于嵌合环槽处。

所述内筒下段的内部固定设有一射流喷嘴。

所述内筒上段的上端面为一下倾的锥面。

所述沟通孔道的下端口设于隔挡凸环的底面上。

所述连接段及上筒节顶端的内壁上均设有锥管螺纹。

本发明所述可注入并循环粒子的钻井工具能够在不增加地面设备的情况下实现粒子在井下的注入和循环利用，可有效消除地面设备的复杂性、不可靠性带来的各种安全隐患，并可长时间连续运转，有助于提高钻井效率。

附图说明

图1为可注入并循环粒子的钻井工具的结构示意图；

图2为可注入并循环粒子的钻井工具释放粒子状态下的结构示意图；

图3为粒子在井筒中的循环状态示意图；

图4为可注入并循环粒子的钻井工具中上筒节的结构示意图；

图5为可注入并循环粒子的钻井工具中下筒节的结构示意图；

图6为可注入并循环粒子的钻井工具中内筒的结构示意图；

图7为可注入并循环粒子的钻井工具中滑动筒的结构示意图。

其中：1-外筒(11-上筒节、111-隔挡凸环、112-沟通孔道、12-下筒节、121-出粒段、122-混合段、123-连接段、124-沟通槽、125-回流孔、126-嵌合环槽)、2-内筒(21-内筒上段、22-内筒下段、23-出粒环空、24-射流喷嘴)、3-粒子挡环(31-回液孔)、4-滑动筒(41-封端凸环、42-限位凸环)、5-弹簧、6-粒子、7-钻井管柱、8-PID钻头、9-井筒、10-封堵塞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述可注入并循环粒子的钻井工具作进一步说明。

如图1～7所示，本发明所述可注入并循环粒子的钻井工具包括外筒1、分别固设于外筒1内部和外部的内筒2和粒子挡环3、套于内筒2外侧可相对于内筒2滑动并与外筒1存在间隙的滑动筒4以及设于滑动筒4与外筒1的间隙中的弹簧5和粒子6。

外筒1包括外径相同并在端部焊连的上筒节11和下筒节12，上筒节11的顶部与钻井管柱7螺接，中部的内壁上设有一隔挡凸环111并开有多个连通隔挡凸环111两侧的沟通孔道112。下筒节12由上至下包括内径大于上筒节11的出粒段121、内径窄于出粒段121的混合段122以及与PID钻头8螺接的连接段123。

滑动筒4上下两端的外壁上分别设有封端凸环41和限位凸环42，封端凸环41的外径与上筒节11的内径相适应，限位凸环42与上筒节11内壁的间距小于粒子6的直径，与出粒段121内壁的间距大于粒子6的直径。弹簧5封装于封端凸环41与隔挡凸环111间的环空内，粒子6装填于限位凸环42与隔挡凸环111间的环空内。

内筒2包括外径与滑动筒4的内径相适应的内筒上段21以及外径大于内筒上段21且下端与混合段122的台阶面贴合并焊连的内筒下段22，内筒下段22与出粒段121之间为一出粒环空23。混合段122在顶面上沿径向开有多道将出粒环空23与混合段122内部连通的沟通槽124，并在外壁上开有与沟通槽124连通的回流孔125。沟通孔道112的上端口位于封端凸环41的下方且与内筒下段22台阶面的间距大于滑动筒4的长度。粒子挡环3上设有多个直径小于粒子6的回液孔31且外径与井筒9的直径相适应。

滑动筒与上筒节间的环空通过三个凸环结构分隔成了两个相对独立的环腔用于储存粒子及安装弹簧，从而有效区隔流经内筒和PID钻头的钻井液。装填的粒子量可根据所钻地层的岩性以及钻井现场的施工条件(如泵压、排量等)确定出的粒子体积分数来确定。内筒上端被封堵后钻井液集中作用于封端凸环上推动滑动筒下移并经沟通孔道进入装填有粒子的环腔，同时限位凸环下移至内筒下段的台阶面处并不再对粒子构成阻挡，粒子在自身重力及钻井液的推动下进入出粒环空并经由粒子循环孔道排出下筒节或进入混合段内。

粒子完全释放后便可解除对内筒上端的封堵，钻井液重新进入内筒携带混合段内部的粒子经由PID钻头上的喷嘴高速喷出并撞击岩层。处于钻井工具外的粒子被粒子挡环阻挡并随钻井液经回流孔和沟通槽回流至混合段内从而实现循环利用。粒子的活动范围被限制在粒子挡环至井筒底端这一区间内，因此无需太大的装填量即可满足粒子冲击钻井的设计指标。岩层破碎后产生的小颗粒岩屑能够通过回液孔随钻井液返回底面，大颗粒的岩屑则会随钻井液流动并继续撞击岩层使自身进一步粉碎至能够通过回液孔。

下筒节12外壁上设有与粒子挡环3内缘相适应的嵌合环槽126，粒子挡环3固定套于嵌合环槽126处，这样粒子挡环3可作为一个完整的部件进行加工制造，结构强度较高，并且能够通过套合工艺牢固装配至下筒节12上。

内筒下段22的内部固定设有一射流喷嘴24，能够使内筒2中的钻井液加速流入混合段122内，有助于在混合段122的内外两侧形成明显压差，可在提高PID钻头8的粒子喷射速度及破岩效率的同时促进粒子6的回流及循环利用。

内筒上段21的上端面为一下倾的锥面。实施例中是通过吊绳下放一个封堵塞10堵住内筒2上端实现粒子6的释放的，封堵塞10的下端呈倒圆台状，将内筒2上端面设置成下倾的锥面有助于加强内筒2与封堵塞10间的配合，改善对内筒2的密封效果。

沟通孔道112的下端口位于隔挡凸环111的底面，这样流经沟通孔道112的钻井液将从下端口处向下射出，能够促进粒子6向下移动同时减少钻井液对滑动筒4外壁的冲击。实施例中沟通孔道的形状较为复杂，含有多处弯折段，可通过在上筒节内壁上车削出相应的沟槽后补焊钢带得到。

连接段123及上筒节11顶部的内壁上均设有锥管螺纹。锥管螺纹的密封性能较好，钻井工具上下两端通过锥管螺纹可与钻井管柱及PID钻头牢固连接并保证连接处的密封性。

在进行钻井施工前需要向钻井工具内装填足够的粒子6，装填时应将钻井工具倒置并向封端凸环41处施压，使滑动筒4移动至最大位置，随后通过回流孔125向滑动筒4与外筒1的间隙内装填粒子6。填充好粒子后的钻井工具在与钻井管柱7及PID钻头8完成连接后即可下入井底开始钻井施工。将封堵塞10投入钻井管柱7内并通过吊绳下放至内筒2上端，保持对内筒2的封堵直至粒子6完全释放，之后即可将封堵塞10吊出，同时钻井液也恢复正常循环，释放的粒子6高频冲击地层并破碎岩石。粒子6随钻井液在粒子挡环3至井筒9底端的这一区间内循环，钻井工具外部的粒子6通过压差抽吸作用和射流的卷吸作用经由回流孔125和沟通槽124回到混合段122内部，从而实现粒子的循环利用。

其它未详细说明的部分均属于现有技术。

Claims (6)

1.一种可注入并循环粒子的钻井工具，其特征在于，包括外筒(1)、分别固设于外筒(1)内部和外部的内筒(2)和粒子挡环(3)、套于内筒(2)外侧可相对内筒(2)滑动并与外筒(1)存在间隙的滑动筒(4)以及设于滑动筒(4)与外筒(1)的间隙中的弹簧(5)和粒子(6)；

所述外筒(1)包括外径相同并在端部焊连的上筒节(11)和下筒节(12)，所述上筒节(11)上端与钻井管柱(7)螺接，中部的内壁上设有一隔挡凸环(111)并开有多个连通隔挡凸环(111)两侧的沟通孔道(112)，所述下筒节(12)由上至下包括内径大于上筒节(11)的出粒段(121)、内径窄于出粒段(121)的混合段(122)以及与PID钻头(8)螺接的连接段(123)；

所述滑动筒(4)上下两端的外壁上分别设有封端凸环(41)和限位凸环(42)，所述封端凸环(41)的外径与上筒节(11)的内径相适应，限位凸环(42)与上筒节(11)内壁的间距小于粒子(6)的直径，与出粒段(121)内壁的间距大于粒子(6)的直径，所述弹簧(5)封装于封端凸环(41)与隔挡凸环(111)间的环空内，所述粒子(6)装填于限位凸环(42)与隔挡凸环(111)间的环空内；

所述内筒(2)包括外径与滑动筒(4)的内径相适应的内筒上段(21)以及外径大于内筒上段(21)且下端与混合段(122)的台阶面贴合并焊连的内筒下段(22)，所述内筒下段(22)与出粒段(121)之间为一出粒环空(23)，所述混合段(122)在顶面上沿径向开有多道将出粒环空(23)与混合段(122)内部连通的沟通槽(124)，并在外壁上开有与沟通槽(124)连通的回流孔(125)，所述沟通孔道(112)的上端口位于封端凸环(41)的下方且与内筒下段(22)台阶面的间距大于滑动筒(4)的长度，所述粒子挡环(3)上设有多个直径小于粒子(6)的回液孔(31)且外径与井筒(9)的直径相适应。

2.如权利要求1所述的可注入并循环粒子的钻井工具，其特征在于，所述下筒节(12)的外壁上设有与粒子挡环(3)内缘相适应的嵌合环槽(126)，所述粒子挡环(3)固定套于嵌合环槽(126)处。

3.如权利要求2所述的可注入并循环粒子的钻井工具，其特征在于，所述内筒下段(22)的内部固定设有一射流喷嘴(24)。

4.如权利要求3所述的可注入并循环粒子的钻井工具，其特征在于，所述内筒上段(21)的上端面为一下倾的锥面。

5.如权利要求4所述的可注入并循环粒子的钻井工具，其特征在于，所述沟通孔道(112)的下端口设于隔挡凸环(111)的底面上。

6.如权利要求1～5中任意一项所述的可注入并循环粒子的钻井工具，其特征在于，所述连接段(123)及上筒节(11)顶端的内壁上均设有锥管螺纹。