CN109736708A - 自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了石油开采技术领域中的一种自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置。包括空心的接头体，所述接头体内间隙配合有下接头，下接头内过盈配合有利用脉冲射流带动下接头与接头体之间产生相对转动的涡轮。本技术方案采用空心直连式通道，钻井液按照重力势能和喷射的初速度直接涌入接头体中带动涡轮转动，钻井液在流动时不受腔室内液压的阻流效果，解决了装置的施力不均现象，提升了钻井的准确度，同时本技术方案利用脉冲射流作用进行钻井，当钻井液受重力影响和钻铤的压力输出，钻井液在涡轮上产生竖直的分力和水平的分力，此时力矩依次通过涡轮、下接头和接头体传递到钻头，钻头对岩层产生轴向和径向的冲击，加快了破岩效率。

Description

自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，是一种自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置。

背景技术

在石油开采步骤中破岩步骤往往是花费最大，工具损耗最严重的步骤，其中与岩层直接接触的钻头在开采过程中需要多次更换，极大的影响了开采效率同时加大了开采成本。

为了解决上述问题，公开号为CN108729854A的现有技术，从转换接头上进行改进(转换接头在石油、天然气和地质钻井作业中起钻柱构件的转换连接作用，是连接上部钻具与下部钻具的主要工具之一)。利用脉冲射流产生的压力带动冲击锤产生往复的高频冲击，提高开采效率，同时改变钻头的粘滑震动现象提高钻头的使用寿命。

上述技术方案虽然利用脉冲射流技术解决了传统技术存在的缺陷，但是在实际操作中流体是否流入各个流道不仅仅取决于阀组的开合与重力，还取决于当时腔室内流体压力的大小，流体不能自适应流动，在实际使用上述方案时，往往会造成阻流现象，从而使两个冲击锤震动的频率不相等，产生的钻井斜度不规则，此时开采设备无法正常下潜，被岩层卡住，同时不规则的井体在开采时往往会造成坍塌、堵塞等安全隐患。

本发明者是长期从事一线石油开采装置设计的工程师，在长期的石油开采中早已设计研发出了一种自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，解决了岩层开采中钻头损耗和钻井倾斜角度不规则的技术问题，并且早已取得了巨大的商业成功，发明人为了维护自身法益且促进石油开采技术的进步，而对自身的商业秘密转化为专利保护。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，旨在加大钻头的使用寿命且在使用过程中实现规则的钻井角度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，包括空心的接头体，所述接头体内间隙配合有下接头，下接头内过盈配合有利用脉冲射流带动下接头与接头体之间产生相对转动的涡轮。

采用本技术方案后产生以下有益效果：1、相对于公开号为CN108729854A的现有技术，本技术方案中下接头与接头体之间产生相对转动，遇见硬质岩石时避免钻头与岩石之间抱死，能通过偏转角度缓和钻头的切片损伤，增加钻头的使用寿命。

2、相对于公开号为CN108729854A的现有技术，本技术方案不区分腔室和利用阀体控制钻井液的流向，采用空心直连式通道，钻井液按照重力势能和喷射的初速度直接涌入接头体中带动涡轮转动，钻井液在流动时不受腔室内液压的阻流效果，解决了装置的施力不均现象，提升了钻井的准确度。

3、相对于传统的刚性钻井装置，本技术方案利用脉冲射流作用进行钻井，当钻井液受重力影响和钻铤的压力输出，钻井液在涡轮上产生竖直的分力和水平的分力，竖直的重力分力产生了纵向高频冲击，此时力矩依次通过涡轮、下接头和接头体传递到钻头，钻头对岩层产生纵向和径向的冲击，加快了破岩效率。

4、相对于采用其他方式的钻井装置，本技术方案中的钻井液流至钻头上时对钻头产生润滑作用，改善了钻头的工作环境，提升了钻头的使用寿命。

5、相对于采用其他方式的钻井装置，本技术方案的钻井液流至钻头时会在钻头表面产生水膜，软化了周边岩层，提高钻头的使用寿命。

6、相对于采用其他方式的钻井装置，本技术方案的钻井液在喷至岩层时对岩层产生冲击力，提高了破岩效率，同时钻头在旋转时产生离心力场，钻井液在离心力作用下携带细小石块飞溅而出，避免细小石块填堵钻头表面的槽口，提升了破岩的效率和钻头的使用寿命。

进一步，下接头包括身部和尾部，身部的左侧和右侧都开有至少2组圆形锁眼，身部内焊接有水平杆，且水平杆表面开有通孔，水平杆将身部分为上螺旋室和下脉冲室。本技术方案中采用锁眼的方式使下接头与接头体连接，再向锁眼中倒入锁弹，完成锁止。相对于采用锁片或固定连接的锁止方式，本技术方案中的锁弹将下接头和接头体间隙配合，在保持锁止的情况下允许小幅度的转动，提高了下接头的自由度，提升了装置整体的自适应性。

进一步，所述上螺旋室内包括与水平杆的中部焊接的竖直杆，竖直杆螺栓连接涡轮，所述涡轮包括至少8组顺时针倾斜的叶片，叶片沿螺旋曲线的轨迹径向分布于螺旋杆表面，且叶片与上螺旋室采用过盈配合。叶片不仅仅承载钻井液产生的力矩，同时叶片的倾斜度将钻井液的力矩分散为竖直的分力和水平的分力，加大钻头的水平力矩和竖直力矩；同时叶片将钻井液的直线运动转化为螺旋曲线运动，加大了钻井液涌出钻头的覆盖范围，提高了钻井液的破岩、湿润效果，同时叶片承担力矩传递的桥梁。

进一步，下脉冲室的底部侧壁向内凸有放置台，放置台与水平杆之间卡合有内芯。通过一体内凹的方式形成放置台，节省了空间，同时放置台和下接头为一体，增加了同步率，避免内芯震动带来的转向延迟误差。

进一步，所述下接头的尾部上方外突有用于放置接头体的平台，平台与接头体之间采用间隙配合，尾部的下方开有连接用于连接钻头的螺纹槽。

进一步，接头体从上到下依次包括螺纹口和径向的橡胶圈，接头体的最低端外突形成有嘴部。通过橡胶圈进行接头体和下接头的柔性固定，予以下接头旋转的空间。

进一步，所述嘴部直径大于下接头的身部2-5mm。提供一定的转动空间。

进一步，所述接头体与橡胶圈连接处开有径向的螺孔。利用螺孔内连接螺纹控制橡胶圈的伸缩范围，

进一步，所述橡胶圈为耐油橡胶圈。增加橡胶圈的使用寿命。

采用整体装置后，产生以下有益效果：1、水力脉冲能改善井底流场，提高井底净化和清岩效率，减少压持和重复破碎，降低钻头磨损。

2、空化冲蚀,辅助破岩，提高破岩效率。

3、瞬时负压，井底瞬时负压脉冲，促进空化产生，局部瞬时欠平衡，提高钻头的破岩效率；

4、高速脉冲射流能快速降低钻头工作中产生的高温，提高钻头的使用寿命，提高行程钻速，减少起下钻的次数。

5、自激式多级谐振脉冲射流能提高岩屑携带能力，使破碎的岩屑快速脱离井底，改变了环空流场转变成脉动流体携岩能力增强井筒沉砂大幅度的减少。

6、脉冲PDC钻头所产生的岩屑颗粒比常规的岩屑颗粒大。能更准确地判断所钻地层的岩性。

7、脉冲钻头穿夹层能力强,能穿过砂砾岩，砂质泥岩，凝灰岩等不同的岩性。

8、自激式多级谐振脉冲射流技术可提高井壁的规则度，防止泥岩、盐膏层等不同岩性的缩径,减少起下钻的遇阻情况，防止井漏、井塌、井喷的现象。

9、自激式多级谐振脉冲装置结构简单合理，纯金属耐磨材料生产的元件组成的，可以长时间在井下工作使用安全可靠。

10、脉冲射流钻头在钻压参数20-40KN之间可以有效的降斜。

11、自激式多级脉冲射流技术可以在高泥浆密度，高粘度，有堵漏材料，钻井过程中减少泵的负荷，提高钻井速度较好的技术方法。

附图说明

图1为本发明实施例的全剖图；

图2为图1中接头体的全剖图；

图3为图1中下接头的全剖图；

图4为图1中内芯的全剖图；

图5为图1中涡轮的俯视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：接头体1、下接头2、内芯3、橡胶圈4、嘴部5、尾部6、锁眼7、水平杆8、放置台9、竖直杆10、涡轮11、叶片12、螺栓13、螺纹口14、螺纹槽15、螺孔16。

实施例基本如附图1和图2所示：一种自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，由外到内依次设置有空心的接头体、空心的下接头和用于产生脉冲射流的内芯，接头体从上到下依次包括螺纹口和径向的橡胶圈，接头体与橡胶圈连接处开有径向的螺孔，接头体的最低端外突形成有嘴部。

如图3和图4所示，接头体包裹下接头，下接头包括身部和尾部，身部的左侧和右侧都开有3组圆形锁眼，身部内焊接有水平杆，且水平杆表面开有通孔，水平杆将身部分为上螺旋室和下脉冲室，下脉冲室的底部侧壁向内凸有放置台，放置台与水平杆之间卡合内芯。上螺旋室内包括与水平杆的中部焊接的竖直杆。

如图5所示，竖直杆的周向盘旋有相互交错的10组倾斜的叶片组成的涡轮，叶片与上螺旋室采用过盈配合，且叶片与竖直杆采用螺栓连接。

下接头的尾部上方外突有用于放置接头体的平台，平台与接头体之间采用间隙配合，尾部的下方开有连接用于连接钻头的螺纹槽。

具体实施过程如下：将本装置的接头体和下接头分别连接钻铤和钻头，随后将锁弹放入锁洞中完成装配。当进行破岩工作时，钻铤通过接头体和下接头带动钻头旋转，此时钻铤中的钻井液依次流经接头体、涡轮、水平杆和内芯，当钻井液经过涡轮时，层层堆叠的涡轮对钻井液产生阻力，由于涡轮的叶片倾斜布置，受重力影响和钻铤的压力输出，钻井液在叶片上产生向竖直的分力和水平的分力。

在水平分力的带动下钻井液沿着涡轮的布置形式开始进行螺旋曲线运动，由于下接头与接头体采用间隙配合，所以当钻井液产生的力矩通过涡轮传递至下接头时，下接头在钻井液进入时，相对于接头体预先进行周向旋转运动，下接头实现了旋转扭冲，当钻头遇见硬质岩石时避免钻头与岩石之间抱死，能通过偏转角度缓和钻头的切片损伤，增加钻头的使用寿命。

进行螺旋曲线运动的钻井液在流过下脉冲室时产生通过内芯产生脉冲射流现象，随后钻井液在惯性的影响下保持螺旋曲线运动的状态并通过钻头间断式冲压岩层，产生了纵向高频冲击，当瞬时脉冲射流作用于钻头下部会由于泥浆的惯性使钻头的底部产生局部负压,同时对地层产生瞬间冲击冲蚀作用,减少井底压持效应,使井底持续慢流改变成高速瞬时脉冲流,大幅度提高了携岩速度,从而提高钻井速度。

本技术方案利用旋转扭冲、纵向高频冲击和流体脉冲射流三合一技术，提高钻头的破岩效率，同时提高钻头的使用寿命，提高行程钻速，减少起下钻的次数，并且防止泥岩、盐膏层等不同岩性的缩径,减少起下钻的遇阻情况，防止井漏、井塌、井喷的现象。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，其特征在于：包括空心的接头体，所述接头体内间隙配合有下接头，下接头内过盈配合有利用脉冲射流带动下接头与接头体之间产生相对转动的涡轮。

2.根据权利要求1所述的自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，其特征在于：下接头包括身部和尾部，身部的左侧和右侧都开有至少2组圆形锁眼，身部内焊接有水平杆，且水平杆表面开有通孔，水平杆将身部分为上螺旋室和下脉冲室。

3.根据权利要求2所述的自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，其特征在于：所述上螺旋室内包括与水平杆的中部焊接的竖直杆，竖直杆螺栓连接涡轮，所述涡轮包括至少8组顺时针倾斜的叶片，叶片沿螺旋曲线的轨迹径向分布于螺旋杆表面，且叶片与上螺旋室采用过盈配合。

4.根据权利要求3所述的自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，其特征在于：下脉冲室的底部侧壁向内凸有放置台，放置台与水平杆之间卡合有内芯。

5.根据权利要求2所述的自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，其特征在于：所述下接头的尾部上方外突有用于放置接头体的平台，平台与接头体之间采用间隙配合，尾部的下方开有连接用于连接钻头的螺纹槽。

6.根据权利要求5所述的自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，其特征在于：接头体从上到下依次包括螺纹口和径向的橡胶圈，接头体的最低端外突形成有嘴部。

7.根据权利要求6所述的自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，其特征在于：所述嘴部直径大于下接头的身部2-5mm。

8.根据权利要求7所述的自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，其特征在于：所述接头体与橡胶圈连接处开有径向的螺孔。

9.根据权利要求8所述的自适应旋转扭力脉冲射流钻井装置，其特征在于：所述橡胶圈为耐油橡胶圈。