CN111502547B - 一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，涉及油井井下钻井设备技术领域。本发明在旋转导向井下设备的钻柱上设计一可调面积的射流孔，在工程技术人员认为井下岩屑床堆积严重时，下发指令，明确射流孔分流比例，设定钻具的等效流道面积，计算出射流孔打开面积，让一部分钻井液通过射流孔，并结合钻柱旋转，形成旋转射流，破坏周边岩屑床，实现旋转导向工具的解卡。本发明控制简单，解卡能力强，能够有效解决井下旋转导向工具的卡钻问题。
Description
技术领域
本发明涉及油井井下钻井设备技术领域，更具体地说涉及一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法。
背景技术
钻井过程中会钻遇松散层、粘土、泥岩、页岩等水敏性地层，在这类地层中由于岩层遇水极易出现膨胀、缩径和剥落等问题，从而严重威胁着钻具在井内的安全。在这类地层钻进过程中泥浆使用稍有不慎或者突遇停电、泥浆不循环的情况下，很容易导致粘卡。所以，在这种地层中钻进时，最常见的问题就是粘吸卡钻事故。
随着页岩气勘探开发的持续推进，川渝地区大位移井、水平井，特别是三维丛式水平井大幅增加，其中页岩气部署的水平井中90%为三维水平井，而且水平段越来越长。水平井钻井中，普遍存在井眼摩阻大、卡埋井下工具等问题，极大影响了勘探开发的时效。
国家知识产权局于2017年3月1日，公开了一件公开号为CN104863503B，名称为“基于双壁钻杆和井下动力钻具的防卡钻钻井装置”的发明专利，该发明专利包括有多根顺序排列串接的双壁钻杆，各双壁钻杆之间连接有一旋转喷射除砂装置，最末一根双壁钻杆的底端连接一转换接头，该转换接头下端连接井下动力钻具。该发明将旋转喷射除砂装置和单双壁钻杆转换接头应用于钻柱上，可增加双壁钻杆外管与井壁之间的外环空过流通道内钻井液流速和减少固相颗粒的沉积，减少和减小沉积在井壁上的滤饼，有效预防粘吸卡钻事故的发生。
上述现有技术中已经公开通过钻柱上的射流孔，通过该射流孔，可以有效预防粘吸卡钻事故的发生。但是上述现有技术中仅能起到预防的作用，若出现卡钻的事故发生，采用上述现有技术中的方案，其解卡能力并不理想。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，本发明的发明目的在于解决现有技术中井下设备解卡能力不理想的问题，本发明在旋转导向井下设备的钻柱上设计一可调面积的射流孔，在工程技术人员认为井下岩屑床堆积严重时，下发指令，明确射流孔分流比例，设定钻具的等效流道面积，计算出射流孔打开面积，让一部分钻井液通过射流孔，并结合钻柱旋转，形成旋转射流，破坏周边岩屑床，实现旋转导向工具的解卡。本发明控制简单，解卡能力强，能够有效解决井下旋转导向工具的卡钻问题。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，其特征在于：包括以下步骤：
地面控制系统根据岩屑床清理的需求，明确射流孔分流比例p；并将射流孔分流比例p下发到井下旋转导向系统的控制单元上；
井下旋转导向系统的控制单元根据明确的射流孔分流比例p、钻具的等效流道面积S，确定射流孔打开面积s；计算公式为：s=p*S/（1-p）；井下旋转导向系统的控制单元根据计算得到的射流孔打开面积s控制可调旁通阀，控制其转子端与定子端上扇形孔的重合面积，打开射流孔；清理完毕之后，等待地面控制系统指令，关闭射流孔。
地面控制系统根据井底岩屑床堆积状态，依靠地面摩阻扭矩进行粗分，设为3档分离比例，分别为20%，40%，60%。同时，分流比例越高，适用于岩屑床堆积越严重，即摩阻扭矩更大的状态。
钻具的等效流道面积是在钻具入井前就获知的固定参数。计算是井下旋转导向系统的控制单元上完成。依据需要的分流比例，计算出射流孔打开面积，结合射流孔打开面积与转子定子相对角度关系（该关系是本质属性，可在实验室标定），利用电机驱动转子至设定位置。
依据需要的分流比例，计算出射流孔打开面积，结合射流孔打开面积与转子定子相对角度关系（该关系是本质属性，可在实验室标定），利用电机驱动转子至设定位置。
流速有下限要求，因为喷射速度低，破除岩屑床效果不明显。在钻铤上，开孔大小有要求，依据伯努利方程获得，需要最低分流比例时，喷射速度不低于30m/s，且需大于转子与定子的打开扇形面积。本发明中只需要控制打开面积即可，因为打开面积就决定了分流比例，而分流比例又决定了喷射速度。对介质无要求。
所述射流孔倾斜向钻头方向设置，所述射流孔的出射角度为30°-45°。
所述可调旁通阀包括驱动电机、转子端和定子端，驱动电机输出轴与转子端相连，转子端和定子端上均开设有扇形孔，驱动电机带动转子端相对于定子端转动，改变转子端与定子端上扇形孔的重合面积，从而调节射流孔开合。
所述可调旁通阀还包括外筒，所述外筒设置在射流孔内，所述驱动电机通过电机支撑板固定安装在所述外筒内壁，所述定子端固定安装在外筒内壁。
所述外筒的侧壁上开有旁通孔，所述定子端上开设有与旁通孔相连的通孔。转子端上设置有与定子端通孔连接的连接孔。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明在旋转导向井下设备的钻柱上设计一可调面积的射流孔，在工程技术人员认为井下岩屑床堆积严重时，可下发指令打开射流孔内的可调旁通阀，让一部分钻井液通过射流孔，并结合钻柱旋转，形成旋转射流，破坏周边岩屑床，实现旋转导向工具的解卡。本发明结构简单，解卡能力强，能够有效解决井下旋转导向工具的卡钻问题。
2、可调射流孔由转子和定子两部分组成，其中转子端、定子端均为一耐磨合金扇形柱。通过转子转动，改变两个扇形孔的重合面积，从而调节射流孔面积，以此形成不同的射流，以满足不同岩屑床清理的需求。转子的转动动力依靠电控实现。
3、相比钻柱旋流清砂器，本发明具备射流可调的效果，能针对不同需求提供不同类型的射流，以实现最优的清除效果。可调射流孔转子端和定子端的设计依据和要求，其中，转子端与定子端的最大过流面积根据钻具强度和射流效果综合考虑，与在钻柱上的通孔面积相当。射流孔的出射角度以30~45°，倾斜向靠近钻头方向为宜。
附图说明
图1为本发明射流调节方法的流程图
图2为本发明射流调节的钻柱结构示意图；
图3为本发明可调旁通阀的结构示意图；
图4为本发明图3中A-A的截面图；
附图标记：1、钻柱，2、射流孔，3、可调旁通阀，4、驱动电机，5、电机支撑板，6、外筒，7、转子端，8、定子端，9、扇形孔，10、旁通孔，11、通孔，12、连接孔。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。
实施例1
作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：
一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，包括以下步骤：
地面控制系统根据岩屑床清理的需求，明确射流孔2分流比例p；并将射流孔2分流比例p下发到井下旋转导向系统的控制单元上；
井下旋转导向系统的控制单元根据明确的射流孔2分流比例p、钻具的等效流道面积S，确定射流孔2打开面积s；计算公式为：s=p*S/（1-p）；井下旋转导向系统的控制单元根据计算得到的射流孔2打开面积s控制可调旁通阀3，控制其转子端7与定子端8上扇形孔9的重合面积，打开射流孔2；清理完毕之后，等待地面控制系统指令，关闭射流孔2。
地面控制系统根据井底岩屑床堆积状态，依靠地面摩阻扭矩进行粗分，设为3档分离比例，分别为20%，40%，60%。同时，分流比例越高，适用于岩屑床堆积越严重，即摩阻扭矩更大的状态。钻具的等效流道面积是在钻具入井前就获知的固定参数。计算是井下旋转导向系统的控制单元上完成。依据需要的分流比例，计算出射流孔2打开面积，结合射流孔2打开面积与转子定子相对角度关系（该关系是本质属性，可在实验室标定），利用电机驱动转子至设定位置。
依据需要的分流比例，计算出射流孔2打开面积，结合射流孔2打开面积与转子定子相对角度关系（该关系是本质属性，可在实验室标定），利用电机驱动转子至设定位置。流速有下限要求，因为喷射速度低，破除岩屑床效果不明显。在钻铤上，开孔大小有要求，依据伯努利方程获得，需要最低分流比例时，喷射速度不低于30m/s，且需大于转子与定子的打开扇形面积。本发明中只需要控制打开面积即可，因为打开面积就决定了分流比例，而分流比例又决定了喷射速度。对介质无要求。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-4，本实施例公开了：
一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，包括以下步骤：
地面控制系统根据岩屑床清理的需求，明确射流孔2分流比例p；并将射流孔2分流比例p下发到井下旋转导向系统的控制单元上；井下旋转导向系统的控制单元根据明确的射流孔2分流比例p、钻具的等效流道面积S，确定射流孔2打开面积s；计算公式为：s=p*S/（1-p）；井下旋转导向系统的控制单元根据计算得到的射流孔2打开面积s控制可调旁通阀3，控制其转子端7与定子端8上扇形孔9的重合面积，打开射流孔2；清理完毕之后，等待地面控制系统指令，关闭射流孔2。地面控制系统根据井底岩屑床堆积状态，依靠地面摩阻扭矩进行粗分，设为3档分离比例，分别为20%，40%，60%。同时，分流比例越高，适用于岩屑床堆积越严重，即摩阻扭矩更大的状态。钻具的等效流道面积是在钻具入井前就获知的固定参数。计算是井下旋转导向系统的控制单元上完成。依据需要的分流比例，计算出射流孔2打开面积，结合射流孔2打开面积与转子定子相对角度关系（该关系是本质属性，可在实验室标定），利用电机驱动转子至设定位置。依据需要的分流比例，计算出射流孔2打开面积，结合射流孔2打开面积与转子定子相对角度关系（该关系是本质属性，可在实验室标定），利用电机驱动转子至设定位置。流速有下限要求，因为喷射速度低，破除岩屑床效果不明显。在钻铤上，开孔大小有要求，依据伯努利方程获得，需要最低分流比例时，喷射速度不低于30m/s，且需大于转子与定子的打开扇形面积。本发明中只需要控制打开面积即可，因为打开面积就决定了分流比例，而分流比例又决定了喷射速度。对介质无要求。
所述射流孔2倾斜向钻头方向设置在钻柱1上，所述射流孔2的出射角度为30°-45°。所述可调旁通阀3包括驱动电机4、转子端7和定子端8，驱动电机4输出轴与转子端7相连，转子端7和定子端8上均开设有扇形孔9，驱动电机4带动转子端7相对于定子端8转动，改变转子端7与定子端8上扇形孔9的重合面积，从而调节射流孔2开合。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-4，本实施例公开了：
一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，包括以下步骤：
地面控制系统根据岩屑床清理的需求，明确射流孔2分流比例p；并将射流孔2分流比例p下发到井下旋转导向系统的控制单元上；井下旋转导向系统的控制单元根据明确的射流孔2分流比例p、钻具的等效流道面积S，确定射流孔2打开面积s；计算公式为：s=p*S/（1-p）；井下旋转导向系统的控制单元根据计算得到的射流孔2打开面积s控制可调旁通阀3，控制其转子端7与定子端8上扇形孔9的重合面积，打开射流孔2；清理完毕之后，等待地面控制系统指令，关闭射流孔2。地面控制系统根据井底岩屑床堆积状态，依靠地面摩阻扭矩进行粗分，设为3档分离比例，分别为20%，40%，60%。同时，分流比例越高，适用于岩屑床堆积越严重，即摩阻扭矩更大的状态。钻具的等效流道面积是在钻具入井前就获知的固定参数。计算是井下旋转导向系统的控制单元上完成。依据需要的分流比例，计算出射流孔2打开面积，结合射流孔2打开面积与转子定子相对角度关系（该关系是本质属性，可在实验室标定），利用电机驱动转子至设定位置。依据需要的分流比例，计算出射流孔2打开面积，结合射流孔2打开面积与转子定子相对角度关系（该关系是本质属性，可在实验室标定），利用电机驱动转子至设定位置。流速有下限要求，因为喷射速度低，破除岩屑床效果不明显。在钻铤上，开孔大小有要求，依据伯努利方程获得，需要最低分流比例时，喷射速度不低于30m/s，且需大于转子与定子的打开扇形面积。本发明中只需要控制打开面积即可，因为打开面积就决定了分流比例，而分流比例又决定了喷射速度。对介质无要求；
所述射流孔2倾斜向钻头方向设置，所述射流孔2的出射角度为30°-45°。所述可调旁通阀3包括驱动电机4、转子端7和定子端8，驱动电机4输出轴与转子端7相连，转子端7和定子端8上均开设有扇形孔9，驱动电机4带动转子端7相对于定子端8转动，改变转子端7与定子端8上扇形孔9的重合面积，从而调节射流孔2开合。
所述可调旁通阀3还包括外筒6，所述外筒6设置在射流孔2内，所述驱动电机4通过电机支撑板5固定安装在所述外筒6内壁，所述定子端8固定安装在外筒6内壁。所述外筒6的侧壁上开有旁通孔10，所述定子端8上开设有与旁通孔10相连的通孔11。转子端7上设置有与定子端8通孔11连接的连接孔12。
Claims (5)
1.一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，其特征在于：包括以下步骤：
地面控制系统根据岩屑床清理的需求，明确射流孔（2）分流比例p；并将射流孔（2）分流比例p下发到井下旋转导向系统的控制单元上；
井下旋转导向系统的控制单元根据明确的射流孔（2）分流比例p、钻具的等效流道面积S，确定射流孔（2）打开面积s；计算公式为：s=p*S/（1-p）；井下旋转导向系统的控制单元根据计算得到的射流孔（2）打开面积s控制可调旁通阀（3），控制其转子端（7）与定子端（8）上扇形孔（9）的重合面积，打开射流孔（2）；清理完毕之后，等待地面控制系统指令，关闭射流孔（2）；
所述可调旁通阀（3）包括驱动电机（4）、转子端（7）和定子端（8），驱动电机（4）输出轴与转子端（7）相连，转子端（7）和定子端（8）上均开设有扇形孔（9），驱动电机（4）带动转子端（7）相对于定子端（8）转动，改变转子端（7）与定子端（8）上扇形孔（9）的重合面积，从而调节射流孔（2）开合。
2.如权利要求1所述的一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，其特征在于：地面控制系统根据井底岩屑床堆积状态，依靠地面摩阻扭矩进行粗分，设为3档分离比例，分别为20%，40%，60%。
3. 如权利要求1所述的一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，其特征在于：所述射流孔（2）倾斜向钻头方向设置在钻柱（1）上，所述射流孔（2）的出射角度为30°-45°。
4.如权利要求1所述的一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，其特征在于：所述可调旁通阀（3）还包括外筒（6），所述外筒（6）设置在射流孔（2）内，所述驱动电机（4）通过电机支撑板（5）固定安装在所述外筒（6）内壁，所述定子端（8）固定安装在外筒（6）内壁。
5.如权利要求4所述的一种用于旋转导向井下解卡的射流调节方法，其特征在于：所述外筒（6）的侧壁上开有旁通孔（10），所述定子端（8）上开设有与旁通孔（10）相连的通孔（11），转子端（7）上设置有与定子端（8）通孔（11）连接的连接孔。
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