CN109025825B - 基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置，这种基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置包括上接头、喷嘴、进液室、喉管、扩散管、下接头，进液室上端与上接头螺纹连接，上接头内腔由喇叭段和喷嘴段构成，喷嘴段相应的上接头外部为缩径段，喷嘴段为等径段，喷嘴与喷嘴段螺纹连接，喷嘴及喷嘴段伸入到进液室内，喷嘴上部孔道为喇叭孔道，下部孔道为圆柱孔道，进液室具有进液孔；进液室下端连接扩散管，扩散管上端设置喉管，喷嘴与喉管同轴线设置，扩散管下端连接下接头。本发明能将从环空中吸入的岩屑作为冲击粒子，大大提高机械钻速，适用于深部的坚硬地层，可有效提高破岩速度。

Description

基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置

技术领域：

本发明涉及的是应用在石油工程、采矿工程、岩土工程等领域中的钻井装置，具体涉及的是基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置。

背景技术：

随着我们国家浅层油气资源的不断枯竭，使得目前的油气勘探及开发的重心向着深部坚硬地层以及复杂地质条件下油气田的方向转移。在钻井过程中，深井地层硬度及钻井难度不断增大，因此如何提升硬地层的钻速成为公认的世界性难题之一。在深井、硬地层的钻进过程中，国内外油田都存在普遍性的钻速慢、钻具使用寿命短、钻井周期过长、钻井成本过高等一系列难题，影响着勘探及开发整体经济效益，由此深井、硬地层高效钻井新方法的研究成为油气钻探重要的研究方向，并对地层油气资源的高效获取具有重要的作用。

发明内容：

本发明的目的是提供基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置，这种基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置用于解决深井、硬地层的钻进过程中普遍存在的钻速慢的难题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置包括上接头、喷嘴、进液室、喉管、扩散管、下接头，进液室上端与上接头螺纹连接，上接头内腔由喇叭段和喷嘴段构成，喷嘴段相应的上接头外部为缩径段，喷嘴段为等径段，喷嘴与喷嘴段螺纹连接，喷嘴及喷嘴段伸入到进液室内，喷嘴上部孔道为喇叭孔道，下部孔道为圆柱孔道，进液室具有进液孔；进液室下端连接扩散管，扩散管上端设置喉管，喷嘴与喉管同轴线设置，扩散管下端连接下接头。

上述方案中喷嘴直径与喉管的直径对应设计，喷嘴直径与喉管的直径为5mm、15mm，或6mm、20mm，或8mm、25mm，或10mm、30mm，进液孔的直径为20mm。

上述方案中喷嘴与喉管的距离是通过进液孔直径与喷嘴直径的差的二分之一来计算，喷嘴与喉管之间的最小距离为7mm。

上述方案中喉管的长度是喉管直径的6到7倍，扩散管10的扩散角为8到12度。

上述方案中喷嘴与喉管之间的距离通过设置每个厚度为1mm的垫片来控制。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明以石油钻探破碎地层生成的大量岩屑当作磨料粒子介质，利用文丘里效应，直接将部分岩屑从井底引入钻柱内部，与钻井液混合后，经钻头喷嘴高速喷出，形成的岩屑粒子射流作用于井底地层，同时，为使射流作用效果更好，通过适当的水力结构，改善钻头与井底附近岩石的受力状况，强化岩屑的启动和净化，以及利用岩屑粒子射流的冲击研磨协同作用，进行破岩、辅助破岩，使得钻井速度有效提高。由于本发明是利用破碎地层生成的岩屑在井底生成粒子射流，不需增加地面设备，也不改变现有石油钻探的工艺流程，大大简化了系统结构，具有较高的可靠性、安全性、较低的制造和使用成本。

2、本发明能从环空中吸入的岩屑作为冲击粒子，大大提高机械钻速，适用于深部的坚硬地层，可有效提高破岩速度。

3、本发明能够实现粒子的井下自循环，节省外部输送粒子的设备。

4、本发明由于采用文丘里管特殊的结构，大大降低了能量的损耗。

5、本发明工具结构简单，在高强度的井下作业过程中，不易损坏。

四、附图说明：

图1为本发明的截面图；

图2为喷嘴的截面图；

图3为进液室截面图；

图4为扩散管截面图。

图中，1上接头；2喷嘴；3进液室；4喉管；5扩散管；6下接头；7喇叭段；8喇叭孔道；9进液孔；10圆柱孔道；11外螺纹；12内螺纹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1、图2、图3、图4所示，这种基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置包括上接头1、喷嘴2、进液室3、喉管4、扩散管5、下接头6，进液室3上端有内螺纹12，与上接头1螺纹连接，上接头1内腔由喇叭段7和喷嘴段构成，喷嘴段相应的上接头外部为缩径段，喷嘴段为等径段，喷嘴2与喷嘴段螺纹连接，喷嘴2及喷嘴段伸入到进液室3内，可以通过调节喷嘴2的尺寸改变流入液体的流速；进液室3具有两个进液孔9，吸收环空的液体；进液室3下端有外螺纹11，通过螺纹连接扩散管5，扩散管5上端设置喉管4，喉管4的孔道为等径的，喷嘴2与喉管4同轴线设置，扩散管5上、下两端均具有内螺纹，扩散管5下端通过螺纹连接下接头6，用于降低流速，改变内部压力。

上接头1上部与钻铤螺纹连接，上接头1下部与喷嘴2螺纹连接，喷嘴2的流道结构如图2所示，上部孔道是喇叭孔道8，下部孔道是圆柱孔道10，通过螺纹与上接头1连接，这有利于大流量、高流速流体形成射流，并且减少流体流过喷嘴时的能量损失。当流体从喇叭状孔道8流出的时候，产生高速流体，出现低压区，外部空间（环空）压力高于喷出的射流（附近压力），从而产生卷吸作用，将流体从进液孔吸入，进入喉管4。喷嘴2的直径越小，吸入的流体越多，然而直径过小，压耗损失过大。而喷嘴2直径过大，由于射流的扩散作用，会使得流体的流速降低，产生不了足够的射流距离，大大影响卷吸作用。喷嘴2与喉管4的距离有一定的要求，通过改变喷嘴2与上接头1螺纹连接多少，来调节它们之间的距离。喉管4的直径对于射流管吸入液体的流量影响是最大的，在一定范围内，流量与喉管4直径成正比关系，从这个角度来说，应该尽量地增加喉管4的直径。但是喉管4直径过大，又会引起动量系数和动量修正系数的减小，所以喉管4直径的大小应与射流半径相适应。喉管4长度是以喉管直径的倍数关系来表示的，在一定的几何和动力条件下，工作流体和被吸流体正好在喉管出口处完成混合过程，二股流体在喉管出口处形成管流的流速分布，因此喉管4的长度应适中。流体进入扩散管5的扩散孔道之后速度变慢，由伯努利方程可知，压力变大，从而增加后续流体流动的动力。扩散管5的扩散孔道的扩散角影响的主要是流速系数，它们近似呈抛物线关系，在一些范围呈正比关系，而在另一些范围呈反比，因此，扩散角也有其最佳值。当流体流过扩散管5之后，进入下接头6的钻头的喷嘴，钻头的喷嘴直径要比喷嘴2的直径要大，这样才能保证流体从上至下的正压力。由于是高压下的流体运动，流体流到下接头圆柱孔道10（下接头由圆柱孔道10和扩散孔道构成）时，又产生高速流体，对岩屑进行冲击，降低压实效应对钻井的影响。从钻头喷出的流体，一部分流体对岩石进行冲击加速钻井，另一部分携带岩屑进入环空，从进液孔9进入一部分流体，完成循环。

喷嘴2的直径根据泵的排量和扬程通过固定的公式算出，本发明中所用的喷嘴直径有5mm、6mm、8mm、10mm四个不同的尺寸。而喉管4的直径根据射流的流速和流体排量算出，对应的喉管的直径分别是15mm、20mm、25mm、30mm。而进液孔9的直径通过计算为20mm，而喷嘴2与喉管4的距离是通过孔道与喷嘴2直径的差的二分之一来计算的，在没有垫片的时候，它们之间的最小距离为7mm，通过不断增加厚度为1mm的垫片来控制它们之间的距离。喉管4的长度是喉管直径的6到7倍，扩散管5的扩散角在8到12度时，吸入液体的量最大。钻头水眼按照当量直径计算。

本发明是应用于井下，高压条件下的循环系统，通过吸入环空中的带有岩屑的流体，通过优化钻头喷嘴直径，产生带有岩屑的高速流体，增加对岩石的冲击，降低压实效应，加速破岩，提高机械钻速。

Claims (4)

1.一种基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置，其特征在于：这种基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置包括上接头（1）、喷嘴（2）、进液室（3）、喉管（4）、扩散管（5）、下接头（6），上接头（1）内腔由喇叭段和喷嘴段构成，喷嘴段相应的上接头外部为缩径段，喷嘴段为等径段，喷嘴（2）与喷嘴段螺纹连接，喷嘴（2）及喷嘴段伸入到进液室（3）内，喷嘴（2）上部孔道为喇叭孔道（8），下部孔道为圆柱孔道（10），进液室（3）具有进液孔（9）；进液室（3）下端连接扩散管（5），扩散管（5）上端设置喉管（4），喷嘴（2）与喉管（4）同轴线设置，扩散管（5）下端连接下接头（6）；

进液室（3）上端有内螺纹（12），与上接头（1）螺纹连接，进液室（3）下端有外螺纹（11），通过螺纹连接扩散管（5），进液室下端出口与喉管（4）相适配，通过调节喷嘴（2）的尺寸改变流入液体的流速，通过改变喷嘴（2）与上接头（1）螺纹连接多少，来调节喷嘴（2）与喉管（4）之间的距离，喷嘴与喉管之间的距离通过设置每个厚度为1mm的垫片来控制。

2.根据权利要求1所述的基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置，其特征在于：所述的喷嘴（2）直径与喉管（4）的直径对应设计，喷嘴（2）直径与喉管（4）的直径为5mm、15mm，或6mm、20mm，或8mm、25mm，或10mm、30mm，进液孔（9）的直径为20mm。

3.根据权利要求2所述的基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置，其特征在于：所述的喷嘴（2）与喉管（4）的距离是通过进液孔（9）直径与喷嘴（2）直径的差的二分之一来计算，喷嘴（2）与喉管（4）之间的最小距离为7mm。

4.根据权利要求3所述的基于文丘里效应的井下自吸式粒子射流钻井装置，其特征在于：所述的喉管（4）的长度是喉管直径的6到7倍，扩散管（5）的扩散角为8到12度。

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