CN111852363B - 一种流量自调节的钻孔工艺增效装置及正循环钻孔设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻井机械技术领域，尤其涉及一种流量自调节的环钻孔工艺增效装置，包括连接管、涡轮部；所述连接管将钻杆间开，并且两端固定连接钻杆，连接管的内腔连通被间隔开的钻杆的内腔；所涡轮部可旋转的套设于所述连接管；涡轮部的叶片中空设置，与连接管的内腔连通；所述叶片与钻杆之间具有过水通道，所述过水通道的开度能够随钻杆内外冲洗液压差减小而增大。通过在钻头以上的钻杆设置涡轮部，扰动冲洗液及其中的钻屑，涡轮部之间形成接力，提高携带钻屑能力；过水通道的开度能够随钻杆内外冲洗液压差减小而增大，保证钻井深处涡轮部的转速，进一步保证携带钻屑的能力。

Description

一种流量自调节的钻孔工艺增效装置及正循环钻孔设备

技术领域

本发明涉及钻井机械技术领域，尤其涉及一种流量自调节的正循环钻孔工艺增效装置。

背景技术

正循环钻孔工艺中，泥浆以高压通过钻机的空心钻杆，从钻杆底部射出，底部的钻头在回转时将地层破碎为钻屑，被泥浆浮悬，随着泥浆上升而溢出流到井外。现有技术中，增加泵压在一定范围内可以增加正循环钻孔冲洗液的循环速度，提升循环液的携砂能力，但对设备的要求会提高很多，而且随着钻孔深度的增大，钻进对设备的性能要求会越来越高，通过增加泵压来提升效果更加困难，经济效益也会降低。冲洗液性能的调整是一个复杂过程，因为钻孔工程中会涉及到冲洗液的多种功能，对冲洗液性能的要求也不同，例如改变冲洗液的比重，可以改变其粘度提升携砂能力，但同时也会带来冲洗液循环速度快速降低，增加钻具磨损，钻进效率下降。

发明人考察了携砂能力弱的原因，发现在钻头位置的冲洗液携带钻屑能力强是由于冲洗液被钻头扰动，而在冲洗液上升过程中，冲洗液被扰动的程度越来越小，仅有向上的冲力，虽然流速与钻头位置相近，但携带钻屑能力却变弱。目前还未有发现该问题的原因并进行改进的技术方案。

发明内容

本发明为了解决携带泥沙能力弱的问题，首先在钻头以上的钻杆间隔设置不少于两个自动转动的涡轮部，扰动冲洗液及其中的钻屑，涡轮部之间形成接力，来提高携带钻屑能力；同时在涡轮部的叶片末端设置出水口，出水方向与弯管出口端旋转轨迹线相切，所以在水流冲击作用下，冲洗液形成螺旋向上的涡流，进一步提高携带钻屑能力；由于钻杆越深内外压差越小，不利于深处的扰动部旋转，本发明进一步的将钻杆与叶片之间的过水通道开度设置为能够随钻杆内外冲洗液压差减小而增大，保证钻井深处涡轮部的转速。

具体提供一种流量自调节的钻孔工艺增效装置，包括连接管、涡轮部；连接管将钻杆间开，并且两端固定连接钻杆，连接管的内腔与钻杆的内腔连通；涡轮部可旋转的套设于所述连接管；涡轮部的叶片中空设置，与连接管的内腔连通；

所述叶片与钻杆之间具有过水通道，过水通道的开度能够随钻杆内外冲洗液压差减小而增大。

进一步的改进，所述涡轮部包括套筒、固定于所述套筒两端的法兰、固定于所述套筒侧面的叶片；

所述法兰可旋转的套设于所述连接管。

进一步的改进，所述法兰与连接管外壁固定连接。

进一步的改进，所述法兰的法兰盘边缘设置螺栓孔，通过螺栓将法兰盘与套筒固定，法兰盘与套筒之间设置橡胶垫。

进一步的改进，所述连接管两端为圆形管，连接管两端设置螺纹，与钻杆配合与其螺纹连接；

所述连接管的中部由两个方形管插接而成，其中一个方形管为内插接方形管，另一个为外插接方形管；

内插接方形管与外插接方形管过盈配合，内插接方形管与外插接方形管之间的空隙形成所述连接管出水口。

进一步的改进，所述叶片为具有弧度的弯管，固定于套筒，与套筒内腔连通。

进一步的改进，所述弯管不少于两个，外形呈扁平并倾斜，与套筒共同形成涡轮形状。

进一步的改进，所述套筒沿中心线向外分为三层，分别为外层套筒、中间层套筒、内层套筒；

中间层套筒两端与法兰固定，外层套筒与中间层套筒可相对转动连接，内层套筒与中间层套筒可相对转动连接；

中间层套筒开有第一方形孔，内层套筒具有第二长方形孔，与中间层套筒的第一长方形孔相对应，形成过水通道；在方形孔的一侧，内层套筒与中间层套筒之间设置拉伸弹簧，能够拉动内层套筒相对于中间层套筒旋转一定距离；在方形孔的另一侧设置楔形限位块，能够根据压差大小对内层套筒的旋转行程进行限位。

进一步的改进，所述外层套筒的下缘套筒壁为阶梯状，形成第一凸台。与外套筒相对，所述中间层套筒设置成阶梯状，形成第二凸台；

所述第一凸台、第二凸台与挡块围成容纳第一滑轨、第二滑轨的滑轨槽。第一滑轨的上顶面与中间层套筒的第二凸台抵接，第一滑轨的下顶面具有滚珠凹槽；挡块设置内螺纹与外层套筒通过螺纹连接；

第二滑轨上顶面具有滚珠凹槽，与第一滑轨的滚珠凹槽配合，下顶面与挡块抵接。

进一步的改进，在所述内层套筒内层设置活塞筒，活塞筒一端与法兰盘固定并伸出法兰盘，

所述活塞筒内沿自身轴向设置压缩弹簧，压缩弹簧一端固定在活塞筒的下，另一端通过连接杆连接楔形块；

所述楔形块为直角三角形，一个直角边向上，斜边与固定于内套筒的滚轮相抵接，对滚轮限位。

本发明还提供一种正循环钻孔设备，包括钻杆，以及设置在钻杆的如上所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，所述流量自调节的钻孔工艺增效装置不少于一个，沿钻杆轴向设置。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案的有益效果：

(1)通过在钻头以上的钻杆设置不少于两个在钻杆自动转动的涡轮部，扰动冲洗液及其中的钻屑，涡轮部之间形成接力，同时在涡轮部的叶片末端设置出水口，使出水口喷出的水呈旋流状，扰动水流，提高携带钻屑能力。

(2)由于钻杆越深内外压差越小，不利于深处的扰动部旋转，本发明将钻杆与叶片之间的过水通道开度设置为能够随钻杆内外冲洗液压差减小而增大，保证钻井深处的冲洗液流量和涡轮部的转速，进一步保证携带钻屑的能力。

(3)旋转向上的涡流增大提高了冲洗液的携砂能力，可以悬浮冲洗液中的大颗粒钻屑并携带至孔外，防止大颗粒钻屑沉淀回孔底进行二次破碎影响钻进速度。

(4)旋转的涡流由于冲洗液的离心力，对孔壁作用有除静水压力之外的附加压力，附加压力可以分为垂直孔壁向外和与孔壁相切两个方向的分力，与孔壁相切的分力跟冲洗液的粘度和孔壁的粗糙度相关，垂直孔壁向外的力则对于平衡钻孔内外压力，防止塌孔有重要作用。

(5)由于离心力作用，冲洗液悬浮的钻屑和泥浆颗粒被甩向孔壁，有助于形成孔壁泥皮，维护孔壁稳定性防止塌孔。

附图说明

图1为本发明实施例提供的正循环钻孔增效装置的主视示意图；

图2为本实用图1的俯视图；

图3为本发明实施例提供的正循环钻孔增效装置的立体示意图；

图4为本实用新型实施例提供的连接管结构的立体示意图；

图5为本实用新型实施例提供的方形管连接处截面示意图；

图6为本实用新型实施例提供的方形管连接处立体示意图；

图7为本实用新型实施例提供的连接管的方形管连接处炸开示意图；

图8为本发明实施例流量自调节原理示意图；

图9为本发明实施例的立体示意图，为套筒剖开后的视角；

图10是图9的局部放大图；

图11是本发明实施例外层套筒结构示意图；

图12是本发明实施例中间层套筒结构示意图；

图13是本发明实施例内层套筒结构示意图；

图中：

1连接管、2法兰、21、螺栓、3套筒、31外层套筒、311滑轨槽、312第一滑轨、313挡块、32中间层套筒、322第二滑轨、323方形孔、33、内层套筒、333栅板、34第一过水间隙、35第二过水间隙、4钻杆、5叶片、61活塞筒、62楔形块、63滚轮、64拉伸弹簧，11内插接方形管、12外插接方形管、13连接管出水口。

具体实施方式

实施例1

如图1－3所示，本实施例1提供的一种流量自调节的钻孔工艺增效装置，包括连接管1、涡轮部；所述连接管1将钻杆4间开，并且两端固定连接钻杆4，连接管1的内腔连通被间开的钻杆4的内腔；涡轮部可旋转的套设于连接管；涡轮部的叶片5中空设置，与连接管1的内腔连通；

如图4－7所示，连接管1两端为圆形管，连接管两端设置螺纹，与钻杆配合与其螺纹连接；连接管1的中部由两个方形管插接而成，其中一个方形管为内插接方形管11，另一个为外插接方形管12；内插接方形管与外插接方形管过盈配合，内插接方形管与外插接方形管之间的空隙形成所述连接管出水口13。这种插接的方式一方面形成接管出水口，使冲洗液从连接管内流到内套筒的腔体，另一方面，避免了在连接管侧壁开孔，提高连接管传递扭矩的能力。

涡轮部包括套筒3、固定于套筒3侧面的叶片5；套筒3两端与法兰2滑动密封连接，使套筒3能够绕自轴转动，法兰2固定套设于连接管1外壁；叶片5中空设置，与套筒3连接处的具有过水通道。叶片5为具有弧度的叶片，固定于套筒，与套筒3内腔连通；叶片5有四个，外形呈扁平并倾斜，与套筒3共同形成涡轮形状。法兰盘与套筒之间设置橡胶垫，保证密封性。

工作过程：钻杆4中的冲洗液向下进入连接管1，一部分冲洗液从连接管中部方形管连接处的出水口13流出，进入套筒3的内腔，然后穿过套筒3的筒壁进入叶片5后喷出，喷出的冲洗液一方面形成向上的涡流，另一方反作用于套筒使套筒转动，形如涡轮状的叶片进一步推动冲洗液向上，提高携带钻屑的能力。

由于钻杆设置不少于两个在钻杆自动转动的涡轮部，扰动冲洗液及其中的钻屑，涡轮部之间形成接力，提高了冲洗液携带钻屑能力。

由于正循环钻孔冲洗液通过钻杆泵入钻孔内，到达孔底部后从钻杆流出冲洗冷却钻头，携带钻屑上返至孔外地表。由于受阻力影响，冲洗液的泵送压力沿冲洗液流路逐步衰减，因此在同一孔深的断面上，钻杆内外的冲洗液存在一定的压力差。利用钻杆内外压差将冲洗液从叶片喷射出的方法驱动本装置旋转，旋转可以对钻杆外冲洗液进行搅拌，并由于外置的叶片的倾斜角度对叶片上部的冲洗液产生一个向上的推动力，推动冲洗液上升；与此同时叶片喷射出的冲洗液流冲击钻杆外围的冲洗液，使其形成速度更快旋转向上的涡流。

旋转向上的涡流的作用有：(1)速度的增大提高了冲洗液的携砂能力，可以悬浮冲洗液中的大颗粒钻屑并携带至孔外，防止大颗粒钻屑沉淀回孔底进行二次破碎，影响钻进速度；(2)旋转的涡流由于冲洗液的离心力，对孔壁作用有除去静水压力如外的附加压力，附加压力可以分为垂直孔壁向外和与孔壁相切两个方向的分力，与孔壁相切的分力跟冲洗液的粘度和孔壁的粗糙度相关，垂直孔壁向外的力则对于平衡钻孔内外压力，防止塌孔有重要作用。(3)由于离心力作用，冲洗液悬浮的钻屑和泥浆颗粒被甩向孔壁，有助于形成孔壁泥皮，保护孔壁防止塌孔。

发明人还考虑到，如果钻杆内冲洗液流向杆外的冲洗液过水通道的大小无论深浅是一样的，钻井越深钻杆内外压差越小，影响钻井深处的涡轮部的转速，降低了扰动效果。为了保证钻井深处涡轮部的转速，需要叶片5与钻杆1之间的过水通道的开度能够随钻杆内外冲洗液压差减小而增大，从而保证流量，达到过流能力随深度进行自调节的目的，即达到过水通道能够随着钻杆深度增加而开度增大的效果。

为实现流量随深度进行自调节的目的，将套筒3进行改进，如图8－10所示，

套筒3沿中心线向外分为三层，分别为外层套筒31、中间层套筒32、内层套筒33；中间层套筒32两端与法兰固定，外层套筒31与中间层套筒32可相对转动连接，内层套筒33与中间层套筒32可相对转动连接。

中间层套筒32开有四个方形孔323的固定套筒，两端通过螺栓21与法兰2固定。

外套筒与中间层套筒的结构如图11－12所示。

外层套筒筒壁有出水孔，连通中空设置的叶片5，两端设置周向的滑轨槽311。以下端为例(上端的滑轨槽结构与下端对称)，在外层套筒31的下缘套筒壁为阶梯状，形成第一凸台。与外套筒相对，中间层套筒也设置成阶梯状，形成第二凸台。第一凸台、第二凸台与挡块313围成容纳第一滑轨312、第二滑轨322的滑轨槽311。第一滑轨312的上顶面与中间层套筒的第二凸台抵接，第一滑轨312的下顶面具有滚珠凹槽；挡块313设置内螺纹与外层套筒通过螺纹连接。第二滑轨322上顶面具有滚珠凹槽，与第一滑轨的滚珠凹槽配合，下顶面与挡块313抵接。

这样，第一滑轨可以与第二滑轨可以相对转动，从而外层套筒可以相对于中间层套筒进行周向的转动。为了更加利于第一滑轨可以与第二滑轨相对转动，第一凸台下顶面比第二凸台下顶面略微靠上，使第一凸台下顶面与第一滑轨存在一个微小间隙，使两者脱离接触。第一滑轨、与第二滑轨宽度的设置使中间层套筒与外侧套筒、挡块之间保持微小缝隙。

与外层套筒螺纹配合的挡块313可以调节滚珠凹槽配合的紧密程度。

这样，第一滑轨312、第二滑轨322通过挡块、两个凸台在被限位在外、中间套筒之间并可相对转动，第一滑轨312与外套筒之间、第二滑轨322与中间套筒均存在间隙，没有接触摩擦。

通过第二滑轨322与第一滑轨312配合滚珠凹槽进行定位在，中间层套筒与外层套筒之间具有一定间隙，形成了第一过水间隙34，允许冲洗液通过。中间层套筒还设置四个方形孔323，允许冲洗液从中间层套筒内腔流向过第一过水间隙。

内层套筒33的结构如图13所示，内层套筒33可转动的嵌于中间层套筒32内壁的凹槽，内层套筒33可相对中间层套筒32转动一定距离。内层套筒的结构33与通常的套筒不同，具有四个栅板333，栅板333之间形成筒壁的缺失部分。以一个栅板为例，栅板333与方形孔323相对应，能够与方形孔大小重合。在冲洗液水流的作用下，内层套筒转动，栅板333与方形孔323错开一定距离，形成第二过水间隙35，允许冲洗液从内层套筒内腔流向第一过水间隙34。内层套筒内腔、第二过水间隙、第一过水间隙及外层套筒的出水孔形成过水通道。

第二过水间隙35在套筒内外压差的变化的情况下，可以自适应的调节开度，自适应的调节开度由下述结构实现。

以一个方向孔为例，在方形孔的右侧，内层套筒与中间层套筒之间设置拉伸弹簧64，拉伸弹簧64能够拉动内层套筒逆时针旋转一定距离。在方形孔的左侧设置楔形限位块，能够根据压差大小对内层套筒的旋转行程进行限位。

楔形限位块的具体结构：在内层套筒内层设置两端开放的活塞筒61，活塞筒61下端与法兰盘固定并伸出法兰盘。活塞筒6内沿自身轴向设置压缩弹簧，压缩弹簧一端固定在活塞筒的下，另一端通过连接杆连接楔形块62。楔形块62为直角三角形，一个直角边向上，斜边与固定于内套筒的滚轮63相抵接，对滚轮63限位。当楔形块压缩弹簧下运动时，滚轮滑向楔形块末端，在拉伸弹簧64的拉力下，使内层套筒逆时针运动。

选择合适的压缩弹簧、拉力弹簧，使内外压差为零时，内层套筒与中间层套筒的长方形孔重合。

流量自调节原理：在钻井深度较小处，钻杆内冲洗液压力与钻杆外部冲洗液的压力差较大，推动楔形块向下运动，滚轮滑向楔形块末端，限位行程减小，在拉伸弹簧的作用下，内层套筒逆时针运动，使内层套筒与中间层套筒之间方形孔重合度变小，过水面积减小。相反，钻井深处，钻杆内外冲洗液压差小，钻杆内外冲洗液压力相近，活塞筒内的弹簧推动活塞沿活塞筒向上，进而带动楔形块推动滚轮63，使内层套筒顺时针转动，最终使内层套筒与中间层套筒之间方形孔重合度变大，过水面积增大，有利于增大流量；

由于钻杆越深内外压差越小，不利于深处的扰动部旋转，本发明进一步的将出口的大小设置为随钻杆内外部冲洗液压差减小而增大的形式，保证了钻井深处涡轮部的转速。

实施例2

本发明的第二个实施例提供一种正循环钻孔设备，包括钻杆，以及设置在钻杆的如实施例1所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，所述流量自调节的钻孔工艺增效装置不少于一个，沿钻杆轴向设置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种流量自调节的钻孔工艺增效装置，其特征在于，包括连接管、涡轮部；所述连接管将钻杆间开，并且两端固定连接钻杆，连接管的内腔连通被间开的钻杆的内腔；所述涡轮部可旋转的套设于所述连接管；所述涡轮部包括套筒、固定于所述套筒侧面的叶片，所述叶片与连接管的内腔连通；所述叶片为具有弧度的弯管，固定于套筒，所述弯管不少于两个，与套筒共同形成涡轮形状；所述叶片与套筒内腔连通；所述叶片中空设置；

所述套筒沿中心线向外分为三层，分别为外层套筒、中间层套筒、内层套筒；

中间层套筒两端与法兰固定，外层套筒与中间层套筒可相对转动连接，内层套筒与中间层套筒可相对转动连接；

中间层套筒开有第一方形孔，内层套筒具有第二长方形孔，与中间层套筒的第一长方形孔相对应，形成过水通道；所述过水通道的开度能够随钻杆内外冲洗液压差减小而增大。

2.根据权利要求1所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，其特征在于，所述涡轮部还包括固定于所述套筒两端的法兰，所述法兰可旋转的套设于所述连接管。

3.根据权利要求2所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，其特征在于，所述法兰与连接管外壁固定连接。

4.根据权利要求3所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，其特征在于，所述法兰的法兰盘边缘设置螺栓孔，通过螺栓将法兰盘与套筒固定，法兰盘与套筒之间设置橡胶垫。

5.根据权利要求4所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，其特征在于，所述连接管两端为圆形管，连接管两端设置螺纹，与钻杆配合与其螺纹连接；

所述连接管的中部由两个方形管插接而成，其中一个方形管为内插接方形管，另一个为外插接方形管；

内插接方形管与外插接方形管过盈配合，内插接方形管与外插接方形管之间的空隙形成所述连接管出水口。

6.根据权利要求2所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，其特征在于，所述弯管外形呈扁平并倾斜。

7.根据权利要求2所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，其特征在于，在方形孔的一侧，内层套筒与中间层套筒之间设置拉伸弹簧，能够拉动内层套筒相对于中间层套筒旋转一定距离；在方形孔的另一侧设置楔形限位块，能够根据压差大小对内层套筒的旋转行程进行限位。

8.根据权利要求7所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，其特征在于，所述外层套筒的下缘套筒壁为阶梯状，形成第一凸台；与外套筒相对，所述中间层套筒设置成阶梯状，形成第二凸台；

所述第一凸台、第二凸台与挡块围成容纳第一滑轨、第二滑轨的滑轨槽；第一滑轨的上顶面与中间层套筒的第二凸台抵接，第一滑轨的下顶面具有滚珠凹槽；挡块设置内螺纹与外层套筒通过螺纹连接；

第二滑轨上顶面具有滚珠凹槽，与第一滑轨的滚珠凹槽配合，下顶面与挡块抵接。

9.根据权利要求7所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，其特征在于，在所述内层套筒内层设置活塞筒，活塞筒一端与法兰盘固定并伸出法兰盘，

所述活塞筒内沿自身轴向设置压缩弹簧，压缩弹簧一端固定在活塞筒的下，另一端通过连接杆连接楔形块；

所述楔形块为直角三角形，一个直角边向上，斜边与固定于内套筒的滚轮相抵接，对滚轮限位。

10.一种正循环钻孔设备，其特征在于，包括钻杆，以及设置在钻杆的根据权利要求1－9任一项所述的流量自调节的钻孔工艺增效装置，所述流量自调节的钻孔工艺增效装置不少于一个，沿钻杆轴向设置。

Images