CN109653691B - 一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，在外壳体外部设有螺旋槽道、钻井液喷射孔，在钻井液喷射孔内部安装有喷头。在外壳体内部设有滑套、大直径弹簧、轴承盖、等厚偏心圆筒，在等厚偏心圆筒两端装有深沟球轴承，在偏心圆筒内部设有推进筒、弹簧挡环、小直径弹簧。本发明结合了大斜度井、大位移井、水平井等钻进过程中岩屑床形成原理和岩屑运移规律，采用基于流量控制的钻井液喷射机构控制钻井液流量，从而达到提高环空返速、搅动沉积岩屑的效果。相较于常规机械式岩屑床清除工具，其不仅可以有效地解决长距离水平钻进过程中岩屑沉积而导致的卡钻、形成泥包等问题，还能达到清洗钻杆与井眼、控制环空流速提高钻井效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻大斜度井、水平井、大位移井以及复杂结构井钻进过程中岩屑床清除技术领域，特别涉及一种石油、天然气、页岩气及其他地质钻水平井用岩屑床清除工具。
技术背景
岩屑床是在钻水平井、大斜度井、大位移井、复杂结构井时钻头不断破碎岩石形成的岩屑颗粒，岩屑颗粒在重力作用下沉积在水平井、大斜度井、大位移井、复杂结构井等的下井壁而形成的。在日常钻井过程中，如果不能很好的清除岩屑床或者是控制其形成则会造成诸多钻井问题，如：①增加环空泥浆固相含量，减小环空间隙，形成椭圆井眼，造成憋泵以及降低钻速，增加起下钻的抽吸压力；②易形成键槽和台阶，造成井下事故；③钻井中悬重和钻压失真；④造成扶正器、钻铤扭矩增大或扶正器泥包，导致憋钻；⑤岩屑下沉造成砂卡或粘卡；⑥导致旋转与推进摩阻增大，致使钻柱和套管磨损加剧；⑦对钻柱施加钻压困难及地面驱动设备扭矩不足，影响钻进的效果；⑧使套管下入、固井作业困难，水泥封固井质量变差，各类测试工具和测试仪器工作受阻等问题。
为了解决岩屑床带来的问题，目前主要采取以下措施：①提高返速法，环空上返速度越高,越有利于清除岩屑，但返速太高，易造成上部松软地层垮塌掉块，同时对钻井设备和钻具也提出了更高的要求；②改善泥浆性能法，一般采用正电胶泥浆体系,通过降低泥浆流性指数，提高动塑比，改善泥浆携岩性能，增强悬浮携带能力，但泥浆性能调整范围有限需要额外添加钻井液外加剂，使得钻井成本增加，而且较高的钻井液动塑比容易压漏地层，造成井漏；③采用定时定井段的短起下钻，分段循环和划眼等措施，即对岩屑床不太严重的井段,可采用短起下钻，但是在起下钻具的过程中耗费较多的时间，影响钻进效率，间接增加钻井成本。上述几种方法，虽然对清除岩屑很有利，能达到清除岩屑床的效果，但却会带来对钻井设备与钻具要求提高、钻井成本增加以及耗时较长影响钻井效率等问题。同样达不到快速、稳定、高效清除岩屑床，从而达到优质钻井的目的。
总结目前现有岩屑床清除工具存在如下问题：(1)大多采用纯机械式的岩屑床清除工具清除井筒环空底部沉积的岩屑，有少部分采用水力射流的方式清除岩屑床，但是整体效果都欠佳；(2)现有的岩屑床清除工具并没有针对各井段不同的岩屑沉积情况，通过同一工具采用不同的清除方式来分别针对性地进行清除；(3)极少有只针对岩屑床进行水力清除，而不影响井筒上壁面，且是通过通入流量大小来控制清除机构开启与关闭的岩屑床清除工具；(4)目前，也极少有采用机械与水力射流相结合的方式来清除岩屑床的工具，且都是被动式，更无法根据不同岩屑床情况实现主动式可控操作。因此，有必要发明一种新型的岩屑床清除工具，实现机械与水力喷射相结合，且可针对不同的岩屑沉积情况，实现主动操作，从而采用不同的清除方式更加有效地清除岩屑床，提高钻井效率。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有岩屑床清除工具所存在的问题，并根据岩屑床的形成机理，提供一种机械与水力作用相结合且可针对不同井段岩屑沉积的不同情况采用不同的方式清除岩屑的岩屑床清除工具，解决石油、天然气、页岩气及地质钻水平井过程中产生岩屑床的问题，从而解决在钻井过程中由于岩屑床的形成而导致的一系列钻井问题。
本发明采用如下技术方案：
一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，其特征在于：其主要包括外壳体，在外壳体外部设有螺旋槽道、辅助岩屑排出喷射孔、辅助岩屑清除喷射孔，在辅助岩屑排出喷射孔与辅助岩屑清除喷射孔内部均安装有射流喷头。在外壳体内部设有滑套、大直径弹簧、轴承盖、等厚偏心圆筒，其中等厚偏心圆筒由重质偏心半圆筒与轻质偏心半圆筒通过榫槽结构连接，在等厚偏心圆筒两端装有深沟球轴承，在等厚偏心圆筒内部设有推进筒、弹簧挡环、小直径弹簧等结构；在等厚偏心圆筒右边设有轴承端盖。所述的外壳体的两端有连接钻柱的公扣和母扣。
采用上述结构，当本装置外壳体两端的公扣与母扣连接于钻柱上随钻柱旋转时，由于所述的等厚偏心圆筒两端装设有深沟球轴承，所以外壳体随钻柱旋转的同时，等厚偏心圆筒不会随外壳体一起转动，当本工具处于大斜度井或水平井段时，等厚偏心圆筒在自身偏心重力的作用下，质量较大的一半会滑到井筒下壁岩屑床沉积侧。当钻井液保持正常钻进的流量大小时钻井液正常流过本工具，不会产生喷射；由于在本工具的中部有一螺旋扰动机构，其随钻柱一起转动，在转动过程中，该螺旋扰动结构会改变井筒中钻井液的静压以及井筒中钻井液的湍动强度，这将使得沉积在井筒下壁的表层岩屑随钻井液一起被扰动到井筒的上部环空中，随钻井液一起排出，从而达到清除岩屑床这一目的。
若遇到井筒环空内岩屑较多，排屑不畅时，可以增大泵入钻井液的流量，位于公扣端的滑套会在钻井液流过滑套的过程中向工具右端滑动压缩弹簧，从而打开外壳上的辅助排屑喷射孔，使工具内部的钻井液在过流的同时向钻柱与井筒的环空喷射钻井液，因其喷射方向与本工具的轴线方向夹角较小，所以喷出的钻井液不仅可以清除岩屑床表层的岩屑，并且其产生的喷射效果可以增加井筒环空中的环空返速，从而达到清除岩屑床，增加岩屑排出效率的目的。
当岩屑沉积所形成的岩屑床较厚，采用前面两种方案均不能有效清除时，可以进一步增大泵入的钻井液流量，钻井液流经滑套时，会推动其滑动压缩大直径的弹簧，从而打开辅助排屑喷射孔，使钻井液喷出，大流量的钻井液会进一步流向偏心圆筒，当大流量的钻井液进入偏心圆筒时会首先经过偏心圆筒内部的推进筒，钻井液会推动推进筒向钻井液的出流方向滑动，其产生的推力将直接传递给弹簧挡环，然后经弹簧挡环传递给位于其底部的弹簧，从而压缩弹簧使其变形。因弹簧挡环与推进筒在大流量作用下会紧密接触，并且在推进筒的周向均布有泄流槽，当推进筒与弹簧挡环的接触部位滑移到偏心圆筒壁面的弧形槽位置时，钻井液会经泄流槽排向弧形槽，然后再从弧形槽区域所对应的外壳体表面的岩屑床清除喷射孔喷出，因岩屑床清除喷射孔的钻井液喷射方向与本工具轴向的夹角较大，所以喷射出的钻井液将会冲刷破碎下井壁岩屑沉积所形成的岩屑床。破碎的岩屑与钻井液混合经外壳体中部的螺旋扰动机构，将钻井液与岩屑的混合液扰动到钻柱与井筒之间的大环空，然后在辅助排屑喷射孔的喷射作用下排出岩屑，从而达到清除岩屑沉积较厚的岩屑床的目的。
所述的螺旋扰动机构位于外壳体的中间部位，其螺旋槽道的数目为四个，均匀分布在外壳体中部的壁面上。
所述外壳体表面上的钻井液喷射孔包括辅助排屑喷射孔和岩屑床清除喷射孔，其中辅助排屑喷射孔相对于本工具轴线的喷射角度小于岩屑床清除喷射孔的喷射角度，在喷射孔内部均装设有相应的喷头，喷头与钻井液喷射孔之间采用螺纹连接，所述的岩屑床清除喷射孔总共分为三层，每层之间的错角为二十度。
所述的等厚偏心圆筒由两种密度差别较大但强度相当的材料制成，并采用榫槽结构进行连接，从而达到圆筒重心偏心的目的。
所述的推进筒位于等厚偏心圆筒内部，其内部的过流通道也是呈渐缩形，在钻井液的出口端周向设置有泄流槽。
所述的滑套在其内部左端有一用于产生压降，从而推动滑套的锥形变径段，在滑套外部设有压缩弹簧的台阶，在台阶周向均布有用于压力平衡的弧形压力平衡槽以及在滑套中部外表面均布有六个用于压力平衡的压力平衡孔，在滑套两端外表面上还设有用于密封的O形密封圈。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明所提供的一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，其清除过程为可控过程，可根据泵入钻柱的钻井液流量来控制岩屑床清除工具外壳体表面的钻井液喷射孔的开闭，从而清除岩屑床。
2.本发明所提供的一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，可以解决石油、天然及地质钻进钻大斜度井、水平井、复杂井以及大位移井过程中所产生的岩屑床堆积问题，其可达到根据不同的岩屑沉积情况，通过改变泵入钻柱钻井液在同一时间内流量大小，改变岩屑床清除工具的工作模式，达到高效破碎、清除岩屑床以及清洗钻杆的效果，从而解决由岩屑床所引起的憋钻、钻速降低、摩擦阻力增大、形成泥包等一系列问题。
3.本发明所提供的一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，在其外壳体中部的螺旋扰动机构在随钻柱旋转的过程中会搅动井筒环空中的钻井液，改变井筒中钻井液的湍动能，从而使岩屑床表面的岩屑以及通过本工具上的岩屑床清除喷射孔射流破碎岩屑床所产生岩屑被扰动到井筒与钻杆之间的大环空，然后随钻井液一起排出。
4.本发明所提供的一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，所述的等厚偏心圆筒是由重质偏心半圆筒与轻质偏心半圆筒通过榫槽结构进行连接，在工具处于水平段时，由于在等厚偏心圆筒两端均装设有深沟球轴承，在工具随钻柱旋转过程中，质量较大的一半在重力作用下会始终处于岩屑沉积侧。
5.本发明所提供的一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，所述滑套与推进筒的开闭主要是通过改变通入钻柱的流量大小来实现的，由于滑套与推进筒内部有锥面，所以当钻井液通过滑套与推进筒内部时会产生压力降，所产生的压力降将直接作用于滑套于推进筒上，推动其压缩弹簧从而打开喷头。
6.本发明所提供的一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，保证了钻井液在流经本工具时始终保持在一条直线上，从而减小了钻井液的流动阻力。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的全剖视图；
图3为本发明滑套整体结构示意图；
图4为本发明推进筒整体结构示意图；
图5为本发明偏心圆筒正视图；
图6为本发明偏心圆筒中部弧形槽处剖视图；
图7为本发明工作原理示意图。
图中：1.母扣；2.轴承端盖；3.深沟球轴承；4.外壳体；5.重质偏心半圆筒；6.轻质偏心半圆筒；7.小直径弹簧；8.弹簧挡环；9.O形密封圈；10.弧形槽；11.喷头；12.螺旋槽道；13.推进筒；14.轴承盖；15.滑套；16.大直径弹簧；17.压力平衡孔；18.压力平衡槽；19.辅助岩屑排出喷射孔；20.公扣；21.辅助岩屑清除喷射孔；22.泄流槽；23.榫槽结构；24.井筒环空。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1～7所示，一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，其主要包括外壳体(4)，在外壳体(4)外部设有螺旋槽道(12)以及钻井液喷射孔(19、21)，在钻井液喷射孔(19、21)内部安装有喷头(11)。在外壳体(4)内部从左到右依次设有滑套(15)、大直径弹簧(16)、轴承盖(14)、等厚偏心圆筒(5、6)，在等厚偏心圆筒(5、6)两端装有深沟球轴承(3)，在等厚偏心圆筒(5、6)内部设有推进筒(13)、弹簧挡环(8)、小直径弹簧(7)等结构在等厚偏心圆筒(5、6)右边设有轴承端盖(2)；所述的外壳体(4)的两端有连接钻柱的公扣(20)和母扣(1)。
所述的外壳体通过公扣(20)、母扣(1)与钻杆相连接，在近公扣端设有六个均匀分布的辅助排屑喷射孔(19)，在其内部装设有喷头(11)，喷头(11)与喷射孔之间通过螺纹连接，其与工具轴线的夹角为十五度，在外壳体(4)的中部均匀分布有四个螺旋槽(12)，在外壳体表面的近母扣(1)端均匀分布着三层每层六个的岩屑床清除喷射孔(21)，其与工具轴线之间的夹角为六十度。
所述外壳体内部安装与连接关系：首先是滑套(15)从母扣(1)端装入外壳体(4)内部，使之与位于近公扣(20)端的定位台阶接触，然后再装入大直径弹簧(16)使之与滑套(15)中部用于压缩弹簧的台阶接触，在大直径弹簧(16)的下端与之相接触的是轴承盖(14)；然后与轴承盖(14)相接触的是等厚偏心圆筒(5、6)与深沟球轴承(3)相配合形成的装配体。
等厚偏心圆筒(5、6)是由轻质偏心半圆筒(6)与重质偏心半圆筒(5)两部分通过榫槽结构(23)相连接的，在等厚偏心圆筒(5、6)的内部装设有推进筒(13)，推进筒(13)的大口端与等厚偏心圆筒(5、6)的入口端相接触，然后与推进筒(13)相接触的是弹簧挡环(8)与弹簧挡环(8)相接触的是小直径弹簧(7)。在等厚偏心圆筒(5、6)的两端装设有与之相配合的深沟球轴承(3)，然后再是定位深沟球轴承(3)的轴承端盖(2)，轴承端盖(2)通过螺纹与外壳体(4)内壁相连接，从而实现轴向定位。
实施例一：
在钻井过程中，当井底岩屑沉积较薄不需要使用岩屑床清除工具时，可通入正常钻进时所需钻井液流量，通入钻柱的钻井液将会直接从本岩屑床清除工具内流过，由于通入的钻井液流量没有达到推动工具内部滑套(15)与推进筒(13)压缩弹簧(7、16)从而滑动打开钻井液喷射孔的目的，所以本工具只有过流作用。由于在工具外壳体(4)中部有螺旋扰动机构(12)，其在随钻柱一起旋转的过程当中会扰动井筒与钻柱之间井筒环空(24)中的液体，从而使得沉积于井底的较薄的岩屑被扰动到上部井筒环空(24)中，然后被排出。
实施例二：
在钻井过程中，当井底遇到排屑不畅等情况时，可以增大通入钻柱的钻井液流量，当钻井液经过本工具时，会推动工具内部的滑套(15)压缩大直径弹簧(16)，从而产生滑动，打开辅助岩屑排出喷射孔(19)，使得工具内部的钻井液从外壳体(4)表面的辅助岩屑排出喷射孔(19)内部的喷头(11)喷出，因其喷射方向与本工具的轴线方向夹角较小，所以喷出的钻井液不仅可以清除岩屑床表层的岩屑，并且其产生的喷射效果可以增加井筒环空(24)中的环空返速，其喷射效果与位于其后方的螺旋扰动机构(12)相配合，从而达到清除岩屑床，提高岩屑排出效率的目的。
实施例三：
在钻井过程中，当井底岩屑较多严重影响钻井效率时，可进一步增大通入钻柱内部的钻井液流量，使得钻井液流经本工具时，在推动滑套(15)滑动打开辅助岩屑排出喷射孔(19)的同时，能推动等厚偏心圆筒(5、6)内部的推进筒(13)与弹簧挡环(14)压缩小直径弹簧(7)从而滑动。因在等厚偏心圆筒(5、6)两端装设有轴承(3)，所以偏心圆筒(5、6)会在偏心重力的作用下使其外壁面的弧形槽(12)滑动到工具底部，从而对准工具外壳体(4)上的岩屑床清除喷射孔(21)，当推进筒(13)与弹簧挡环(8)接触面间的泄流槽(22)在大流量钻井液的推动下滑动对准偏心圆筒上的弧形槽(10)时，钻井液会经过泄流槽(22)和弧形槽(10)，然后再从工具外壳体(4)上与弧形槽(10)相对区域的岩屑床清除喷射孔(21)内的喷头(11)高速喷出，从而破碎岩屑床，然后再在螺旋扰动机构(12)与辅助岩屑排出喷射孔(19)的辅助作用下达到高效清除岩屑床的目的。因只有弧形槽(10)所对应的工具外壳上的喷射孔会产生喷射，所以岩屑床清除喷射孔的高压喷射作用只会对沉积在井筒底部的岩屑床产生高压喷射作用，并不会对上井筒壁面产生影响。
本发明还可用于天然气水合物的开采过程中水平井岩屑床清除。
本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，其特征在于:其主要包括外壳体(4)，在外壳体(4)外部设有螺旋槽道(12)、辅助岩屑排出喷射孔(19)、辅助岩屑清除喷射孔(21)，在辅助岩屑排出喷射孔(19)与辅助岩屑清除喷射孔(21)内部均安装有喷头(11)，在外壳体(4)内部设有滑套(15)、大直径弹簧(16)、轴承盖(14)、等厚偏心圆筒(5、6)；其中所述的滑套(15)在其内部左端有一用于产生压降，从而推动滑套的锥形变径段，在滑套外部设有压缩弹簧的台阶，在台阶周向均布有用于压力平衡的弧形压力平衡槽(18)以及在滑套中部外表面均布有六个用于压力平衡的压力平衡孔(17)，在滑套两端外表面上还设有用于密封的O形密封圈(9)；所述的等厚偏心圆筒(5、6)由重质偏心半圆筒(5)与轻质偏心半圆筒(6)通过榫槽结构(23)连接，在等厚偏心圆筒(5、6)两端装有深沟球轴承(3)，在等厚偏心圆筒(5、6)内部设有推进筒(13)、弹簧挡环(8)、小直径弹簧(7)等结构；所述推进筒(13)内部的过流通道呈渐缩形，在钻井液的出口端周向设置有泄流槽(22)、在等厚偏心圆筒(5、6)右边设有轴承端盖(2)；所述的外壳体(4)的两端有连接钻柱的公扣(20)和母扣(1)。
2.如权利要求1所述的一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，其特征在于：所述的螺旋槽道(12)位于外壳体(4)的中间部位，其螺旋槽道(12)的数目为四个，均匀分布在外壳体(4)中部的壁面上。
3.如权利要求1所述的一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，其特征在于：所述外壳体(4)表面上的钻井液喷射孔包括辅助岩屑排出喷射孔(19)和辅助岩屑清除喷射孔(21)，其中辅助岩屑排出喷射孔(19)相对于本工具轴线的喷射角度小于辅助岩屑清除喷射孔(21)的喷射角度，在辅助岩屑排出喷射孔(19)和辅助岩屑清除喷射孔(21)内部均装设有相应的喷头(11)，喷头(11)与辅助岩屑排出喷射孔(19)、辅助岩屑清除喷射孔(21)之间采用螺纹连接，所述的辅助岩屑清除喷射孔(21)总共分为三层，每层之间的错角为二十度。
4.如权利要求1所述的一种水力与机械复合可控式岩屑床清除工具，其特征在于：所述的等厚偏心圆筒(5、6)由两种密度差别较大但强度相当的材料制成，并采用榫槽结构(23)进行连接，从而达到圆筒重心偏心的目的。
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