CN108915620B - 正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，这种正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具包括本体，本体上设置正向螺旋叶片组和反向螺旋叶组，本体上端设置母螺纹接头，本体下端设置公螺纹接头，靠近公接头一侧为正向螺旋叶片组，正向螺旋叶片组与公螺纹接头间距离为叶片前距；正向螺旋叶片组上方为反向螺旋叶片组，正向螺旋叶片与反向螺旋叶片间距离为叶片组间距；反向螺旋叶片组上方为母螺纹接头，反向螺旋叶片组与母接头间距离为叶片后距；相邻两个正向螺旋叶片或相邻两个反向螺旋叶片间均形成钻井液过流通道。本发明反向螺旋叶片组旋转后对其后方的岩屑和钻井液有强烈的螺旋造涡能力，可抑制岩屑床和砂丘的形成，提高岩屑清洁效率。

Description

正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探设备技术领域岩屑清洁工具，具体涉及正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具。

背景技术

石油天然气井钻井是应用钻头破碎地层岩石形成井眼，井眼是地表与油气储层联通的通道，也是油气开采的通道。钻头破碎地层岩石过程中产生大量岩屑，这些岩屑通过钻井液循环，携带返出地面。若不能及时将岩屑携带出井眼，将会导致一系列井下问题，如钻头重复破碎、钻具摩擦阻力、扭矩增大，、固井质量差等，甚至发生严重的井下事故如卡钻、扭断钻具、岩屑沉降掩埋井眼等，处理这些井下事故将大幅度增加非生产时间和作业成本。这就要求在钻井过程中，保持较高的井眼岩屑清洁效率，井眼清洁是优快钻井的重要技术之一。

解决油气钻井井眼清洁问题的常规方法是提高钻井液返速、改善钻井液流变性能、短起下钻具、提高钻杆转速等，这些方法属于优化钻井参数，牺牲钻时，耗能同时井眼净化效率低。另一种提高井眼清洁效率的方法是应用带有叶片的岩屑清洁工具，依靠钻杆旋转的同时将扭矩传递给岩屑清洁工具，岩屑清洁工具随钻杆旋转，搅动环空钻井液，提高钻井液周向流速从而提高携带岩屑能力。岩屑清洁工具两端加有公母接头，与钻杆通过丝扣相连接。

发明内容

本发明的目的是提供正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，这种正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具用于解决现有技术中井眼岩屑清洁效率低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具包括本体，本体上设置正向螺旋叶片组和反向螺旋叶组，本体上端设置母螺纹接头，本体下端设置公螺纹接头，定义钻井液上返方向为正方向，螺旋叶片方向符合右手定则，用右手握住本体并保持四指弯曲方向与螺旋叶片缠绕延伸方向一致，大拇指向上与钻井液上返方向一致，则螺旋叶片为正向螺旋叶片，否则螺旋叶片为反向螺旋叶片；靠近公接头一侧为正向螺旋叶片组，正向螺旋叶片组与公螺纹接头间距离为叶片前距；正向螺旋叶片组上方为反向螺旋叶片组，正向螺旋叶片与反向螺旋叶片间距离为叶片组间距；反向螺旋叶片组上方为母螺纹接头，反向螺旋叶片组与母接头间距离为叶片后距；相邻两个正向螺旋叶片或相邻两个反向螺旋叶片间均形成钻井液过流通道。

上述方案中任意一个正向螺旋叶片、反向螺旋叶片的表面均涂覆特氟龙涂层，防止泥包工具影响工具清洁效率。

上述方案中任意一个正向螺旋叶片、反向螺旋叶片横截面均为类梯形，两端为圆弧形，底边与本体重合；与本体相交的两条边线为直线形，其中一边线与交线切面相垂直，此边线所在面为扰流面，起搅动钻井液作用；另一条边线与交线切面倾斜相交，此边线所在面为支撑面，起加固叶片作用，两边线夹角满足：

其中n为钻井最大转速，单位r/min。

上述方案中任意一个正向螺旋叶片、反向螺旋叶片两端均加工倒角，倒角度数为45°，任意一个螺旋叶片钻井液进口端加工为楔形。

上述方案中任意一个正向螺旋叶片、反向螺旋叶片延伸形状均为螺距减小型螺旋线，螺旋线方程为：

式中R为工具本体外径，t为参数变量，取值范围为[0,+∞]，当t趋于零时，得到初始螺旋角为a/2。单位°。

上述方案中叶片前距运动时间t₁为：

叶片前距L₁为：

式中Q为排量，单位m³/s；D为井眼直径，单位m；d为工具本体直径，单位m；g为重力加速度，单位9.81m/s²。

上述方案中叶片组间距运动时间t₂为：

叶片组间距L₂为：

式中β为反向螺旋叶片入口螺旋角，为正向螺旋叶片出口螺旋角，F_正为岩屑正向螺旋叶片出口动力，单位N；F_逆为岩屑反向螺旋叶片进口阻力，单位，N；m为岩屑单颗粒质量，单位g；f为水流阻力，单位N。

上述方案中正向螺旋叶片组的正向螺旋叶片与反向螺旋叶片组的反向螺旋叶片起始位置存在相位差，称为相位角α，相位角α为：

式中Q为排量，单位m³/s；D为井眼直径，单位m；d为工具本体直径，单位m；n为叶片数量、L₂为叶片组间距，单位m；、t₂为叶片组间距运动时间；便于钻井液和岩屑通过叶片组间距段进入反向螺旋叶片组流域，减少进口阻碍。其大小与钻井液流速、钻杆转速有关，相位角α取值范围为0～2π/m(m为叶片数量)。

上述方案中叶片后距长度大于卡瓦或吊卡高度，方便起下钻时上扣和卸扣作业。

上述方案中正向螺旋叶片组的正向螺旋叶片数量为3-9个，沿本体横截面周向等角度或变角度分布在本体上；反向螺旋叶片组反向螺旋叶片数量为3-9个，沿本体横截面周向等角度或变角度分布在本体上。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中的关键技术是应用了非常规的反向螺旋叶片组，该叶片组旋转时会对其上下游的环空钻井液均产生螺旋涡流诱导作用，反向螺旋叶片组旋转后对其后方的岩屑和钻井液有强烈的螺旋造涡能力，作用后使环空岩屑均匀分散在钻井液中，抑制岩屑床和砂丘的形成，提高岩屑清洁效率。反向螺旋叶片组旋转在其前方(叶片组间距位置)所造成的涡流对环空岩屑有明显的阻碍上返作用。为了消除叶片间距区域的涡流使岩屑平稳进入反螺旋叶片组工作区域并顺利上返，工具在反向螺旋叶片组下方设计了正向螺旋叶片组，该组叶片的作用是通过旋转运动对其附近局部环空造成高速低压区，岩屑和钻井液通过该叶片组后同时增加周向和轴向流速，使岩屑和钻井液越过叶片间距区域，进入反螺旋叶片组工作区域。

2、本发明中的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，叶片前距段设计可以使岩屑颗粒得到最大的加速效果，获得最优的上返动能。

3、本发明中的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，正反螺旋叶片组相位角设计可以使岩屑通过叶片组间距后顺利进入反向螺旋叶片组流道而不与反向螺旋叶片前缘发生碰撞，提高携屑效率。

4、本发明中的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，叶片两端具有45°倒角设计，可以在强行起下钻过程中通过井口环形防喷器胶芯。

5、本发明中的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，叶片后距长段设计便于钻杆卡瓦悬持工具进行卸上扣操作。

附图说明

图1是本发明实施例的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具轴测图；

图2是本发明实施例的工具工作过程中钻井液在井眼环空流动方向示意图；

图3是本发明实施例的叶片区横截面示意图；

图4是本发明实施例的叶片区局部加工示意图；

图5是本发明实施例的叶片螺旋形状螺旋线示意图；

图6是本发明实施例的叶片前距计算示意图；

图7是本发明实施例的叶片组间距计算示意图；

图8是本发明实施例的叶片初始位置相位角设计示意图。

图中：1公螺纹接头，2母螺纹接头，3正向螺旋叶片，4反向螺旋叶片，5叶片组间距段，6叶片后距段，7倒角，8楔形，9螺旋线，10岩屑颗粒，11钻井液流动方向，12后方螺旋流流动方向，13钻具旋转方向，14叶片横截面，15交线切面，16本体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具包括本体16，本体16为管体，本体16上设置正向螺旋叶片组和反向螺旋叶组，本体16上端设置母螺纹接头2，本体16下端设置公螺纹接头1，公螺纹接头1和母螺纹接头2配合钻杆接头使用，连接钻杆。公螺纹接头1、母螺纹接头2可由坯料机械加工而成，也可以通过摩擦焊接与本体16连接，保证焊接质量与连接强度。正向螺旋叶片3、反向螺旋叶片4均与本体16配合成型，可由整块坯料机械加工而成，也可以采用焊接方式成型。

定义钻井液上返方向为正方向，螺旋叶片方向符合右手定则，用右手握住本体16并保持四指弯曲方向与螺旋叶片缠绕延伸方向一致，大拇指向上与钻井液上返方向一致，则螺旋叶片为正向螺旋叶片3，否则凡符合左手螺旋定则螺旋发展方向式叶片为反向螺旋叶片4。靠近公接头一侧为正向螺旋叶片组，正向螺旋叶片组与公螺纹接头1间距离为叶片前距，正向螺旋叶片组与公螺纹接头1间为叶片前距段；正向螺旋叶片组上方为反向螺旋叶片组，正向螺旋叶片3与反向螺旋叶片4间距离为叶片组间距，正向螺旋叶片与反向螺旋叶片间为叶片组间距段5；反向螺旋叶片组上方为母螺纹接头2，反向螺旋叶片组与母接头间距离为叶片后距，反向螺旋叶片组与母接头间为叶片后距段6；相邻两个正向螺旋叶片3或相邻两个反向螺旋叶片4间均形成钻井液过流通道。

螺旋叶片工作原理，流体在螺旋叶片的作用下产生逆向阻力与垂向升力。逆向阻力引起环隙区域流体被挤压至本体16与叶片之间的空腔，使得螺旋叶片内侧区域的压强急剧升高。垂向升力引起叶片外侧近壁面处流体的流线扭曲程度增大，从而形成稳定的螺旋流，提高钻井液携带岩屑能力。

参阅图1与图2所示，本实施例的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，接头螺纹倾斜角度20度，与之相配合的母螺纹接头2螺纹倾角也为20度，这种角度的螺纹可以最大限度的增加接头扣合能力。

如图1所示，本实施中叶片与本体16一体成型，由整块坯料机械加工而成。岩屑清洁叶片每组叶片数量为3～9个，周向等间距(等相位角)或非对称间距分布在本体16上。叶片之间形成钻井液过流通道。

参阅图1与图2所示，工具在井下正常工作时，钻具旋转方向13为逆时针方向。钻井液在叶片区的流动形态见图中钻井液流动方向11，在后方形成螺旋流形态见图中后方螺旋流流动方向12。

参阅图1与图2所示，本体16旋转过程中，上方反向螺旋叶片4左侧部分为压力面，右侧为吸力面，反向螺旋叶片4的优势在于可以在叶片后方形成更为强烈的螺旋流，提高钻井液的携带岩屑能力。实验证明，同等条件下，反向螺旋叶片4钻井液螺旋强度约为正向螺旋叶片3的2～3倍，增幅效果明显。但是反向螺旋叶片4的使用弊端在于旋转过程中钻井液入口前缘形成螺旋扰流，阻碍岩屑颗粒10的进入。故在下方设计正向螺旋叶片3克服此弊端。

参阅图1与图2所示，本体16旋转过程中，下方正向螺旋叶片3左侧部分为压力面，右侧为吸力面，吸力面在旋转过程中形成低压区对下方岩屑具有吸引作用，便于岩屑颗粒10启动进入叶片区；压力面在旋转过程中形成局部高压，对进入的岩屑起到增速增旋作用，使岩屑颗粒10加速运移进入反向螺旋叶片区。克服反向螺旋叶片前缘扰流作用。

参阅图1与图3所示，正向螺旋叶片、反向螺旋叶片横截面14均为类梯形，上下两边为圆弧形，底边与本体16相重合，上缘直径与提升短节相平齐或略低于钻杆接头；左右边线为直线形，其中一边与交线切面15相垂直，此边线所在面为扰流面，起搅动钻井液作用，另一条边线与交线切面15倾斜一定角度，此边线所在面为支撑面，起加固叶片作用。两边线夹角满足

其中n为钻井最大转速，单位r/min。

参阅图1与图4所示，正向螺旋叶片3、反向螺旋叶片4两端均加工倒角7，倒角度数为45°，倒角设计可以使工具在强行起下钻过程中通过井口防喷器胶芯，有利于钻井事故的处理。

参阅图1与图4所示，正向螺旋叶片3、反向螺旋叶片4钻井液进口端均加工为楔形8，减小叶片进口端截面面积，进而减小入口流动阻力，降低工具环空压耗。

参阅图1与图5所示，清洁叶片延伸形状为螺距减小型螺旋线9，螺旋线方程为

式中R为工具本体外径，t为参数变量，取值范围为[0,+∞]，当t趋于零时，得到初始螺旋角为a/2。

参阅图1与图5所示，本发明实施例的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，以三叶片型为例，单叶片覆盖面积应小于120°，保证相邻两叶片互不干扰。将t＝2π/3代入螺旋线方程即可求出叶片长度z。

参阅图1与图6所示，本发明实施例的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具叶片前距计算示意图。叶片前距设计依据为：岩屑颗粒10在重力作用下，运动轨迹为一抛物线，叶片前距设计要保证所有岩屑颗粒10都能从叶片前缘进入，使得岩屑颗粒10可以得到充分加速，设计公式如下。

叶片前距运动时间t₁为：

叶片前距L₁为：

式中Q为排量，单位m³/s；D为井眼直径，单位m；d为工具本体直径，单位m；g为重力加速度，单位9.81m/s²。

参阅图1与图7所示，本发明实施例的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具叶片组间距计算示意图。其中β为反向叶片入口螺旋角，为正向叶片出口螺旋角。岩屑颗粒10在叶片组间距端运移时，受到正螺旋叶片3的螺旋推力和反螺旋叶片4的螺旋扰流阻力的双重作用，要保证反螺旋阻碍作用最低即合力作用下，反螺旋进口速度大于0。叶片组间距计算公式如下。

叶片组间距运动时间t₂为：

叶片组间距L₂为：

式中β为反向螺旋叶片入口螺旋角，为正向螺旋叶片出口螺旋角，F_正为岩屑正向螺旋叶片出口动力，单位N；F_逆为岩屑反向螺旋叶片进口阻力，单位，N；m为岩屑单颗粒质量，单位g；f为水流阻力，单位N。

参阅图1与图7所示，本发明实施例的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具叶片后距端设计，为满足工具卸上扣过程中卡瓦悬持工具，叶片后距应大于卡瓦高度，以350t卡瓦为例，卡瓦高度390mm，叶片后距应设计在435mm～455mm。

参阅图1与图8所示，两组叶片起始位置存在相位差，目的是使岩屑颗粒10更容易进入反螺旋叶片区，图中α为叶片中点相位角，相位角度α计算如下：

相位角度α为：

式中叶片组间距运动时间t₂已计算得到，Q为排量，单位m³/s；D为井眼直径，单位m；d为本体直径，单位m；n为叶片数量。

本发明实施例的自带岩屑清洁效用的钻杆接头装置表面进行镀铬处理，增强接头装置抗冲击能力；再涂覆特氟龙涂层，防止泥包工具。

以上所仅是本发明较佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识，本发明的保护范围以权利要求内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换均为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，其特征在于：这种正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具包括本体(16)，本体(16)上设置正向螺旋叶片组和反向螺旋叶组，本体(16)上端设置母螺纹接头(2)，本体(16)下端设置公螺纹接头(1)，定义钻井液上返方向为正方向，螺旋叶片方向符合右手定则，用右手握住本体(16)并保持四指弯曲方向与螺旋叶片缠绕延伸方向一致，大拇指向上与钻井液上返方向一致，则螺旋叶片为正向螺旋叶片(3)，否则螺旋叶片为反向螺旋叶片(4)；靠近公接头一侧为正向螺旋叶片组，正向螺旋叶片组与公螺纹接头(1)间距离为叶片前距；正向螺旋叶片组上方为反向螺旋叶片组，正向螺旋叶片(3)与反向螺旋叶片(4)间距离为叶片组间距；反向螺旋叶片组上方为母螺纹接头(2)，反向螺旋叶片组与母接头间距离为叶片后距；相邻两个正向螺旋叶片(3)或相邻两个反向螺旋叶片(4)间均形成钻井液过流通道；

任意一个正向螺旋叶片、反向螺旋叶片延伸形状均为螺距减小型螺旋线(9)，螺旋线方程为：

式中R为工具本体外径，t为参数变量，取值范围为[0,+∞]，当t趋于零时，得到初始螺旋角为a/2，单位°；

所述的正向螺旋叶片组的正向螺旋叶片(3)与反向螺旋叶片组的反向螺旋叶片(4)起始位置存在相位差，称为相位角α，相位角α为：

式中Q为排量，单位m³/s；D为井眼直径，单位m；d为工具本体直径，单位m；n为叶片数量、L₂为叶片组间距，单位m；、t₂为叶片组间距运动时间；便于钻井液和岩屑通过叶片组间距段(5)进入反向螺旋叶片组流域，减少进口阻碍，其大小与钻井液流速、钻杆转速有关，相位角α取值范围为0～2π/m，m为叶片数量；

所述的正向螺旋叶片组的正向螺旋叶片(3)数量为3-9个，沿本体横截面周向等角度或变角度分布在本体(16)上；反向螺旋叶片组反向螺旋叶片(4)数量为3-9个，沿本体横截面周向等角度或变角度分布在本体(16)上。

2.根据权利要求1所述的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，其特征在于：所述的任意一个正向螺旋叶片(3)、反向螺旋叶片(4)的表面均涂覆特氟龙涂层。

3.根据权利要求2所述的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，其特征在于：所述的任意一个正向螺旋叶片(3)、反向螺旋叶片(4)两端均加工倒角(7)，倒角度数为45°，任意一个螺旋叶片钻井液进口端加工为楔形(8)。

4.根据权利要求3所述的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，其特征在于：叶片前距运动时间t₁为：

叶片前距L₁为：

式中Q为排量，单位m³/s；D为井眼直径，单位m；d为工具本体直径，单位m；g为重力加速度，单位9.81m/s²。

5.根据权利要求4所述的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，其特征在于：所述的叶片组间距运动时间t₂为：

叶片组间距L₂为：

两式中β为反向螺旋叶片入口螺旋角，为正向螺旋叶片出口螺旋角，F_正为岩屑正向螺旋叶片出口动力，单位N；F_逆为岩屑反向螺旋叶片进口阻力，单位，N；m为岩屑单颗粒质量，单位g；f为水流阻力，单位N。

6.根据权利要求5所述的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，其特征在于：叶片后距长度大于卡瓦或吊卡高度。