CN112096342B - 一种用于井底降压堵漏的钻井提速工具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于井底降压堵漏的钻井提速工具，包括：构造成具有中心流道的圆柱形的本体，其一端与钻柱连接，另一端与钻头连接；至少两个固定在所述本体的外周表面的扶正条；若干设置在相邻的所述扶正条之间的射流装置，所述射流装置构造成具有三通结构，其包括连通的喷射通道和射吸通道，以及与所述中心流道连通的射流通道；其中，所述钻井提速工具构造成能够使所述中心流道内的钻井液一部分从所述钻头喷出，另一部分从所述射流通道流入所述喷射通道，且从所述钻头喷出的钻井液的一部分部分通过所述射吸通道流入所述喷射通道，进而形成旋流喷射而进入井筒环空以降低井底压力同时封堵地层裂缝。本发明还提供了一种用于井底降压堵漏的方法。
Description
技术领域
本发明属于能源开采技术领域，具体地涉及一种用于井底降压堵漏的钻井提速工具。本发明还涉及一种用于井底降压堵漏的方法。
背景技术
在钻井工程中，随着井深的增大，钻具的钻进速度逐渐下降。由于钻头破碎岩石生成的岩屑在井底液柱压力和地层孔隙流体压力差的作用下被压在原位，这导致钻头重复切削，阻碍了岩石新的破碎面暴露，从而形成了“压持效应”。由此，大大降低了钻头的破岩钻进效率。同时，随着井深的增大，井底液柱应压力增大，这提高了岩石的“塑性”，增大了破碎强度。由此，要求钻具的钻头需要具有更强的破碎强度。
现有技术中主要通过减小井底液柱压力，来达到减少“压持效应”、降低岩石破碎强度和地层漏失风险，提高钻井速度的目的。虽然采用欠平衡钻井技术可以大幅度提高机械钻速，减小地层伤害，但是该技术对设备能力要求高、投资大，且易出现井塌、井眼扩大等风险，该技术大规模应用的条件尚不成熟。
目前，在实际施工中，大多钻具通常采用射流泵钻头或者在钻头上增加一段降压工具的方式来实现降低井底压差的目的。然而，在裂缝发育的地层中钻井，常常会出现因钻井过程中的压力激动、待钻地层压力梯度预测不准确、实用钻井液密度高于地层压力而发生的钻井液漏失问题。钻井液漏失问题严重影响了井下作业的安全性能，且现有的承压堵漏技术耗时长，易出现后续作业再次漏失，严重制约了勘探开发提速提效的技术研究。此外，现有技术只能针对裂缝性地层单独实现井底降压，或者单独实现随钻堵漏。因此，亟需一种能够用于裂缝性地层且集井底降压功能和随钻堵漏功能于一体的钻井提速工具。
发明内容
针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于井底降压堵漏的钻井提速工具，其能够用于裂缝性地层，并且能够同时实现井底降压和随钻堵漏。通过该钻井提速工具能够是使钻井液在井底产生射吸效应，从而降低井底压力，有利于提高井底岩屑清洗效率，并能够有效提高钻具的机械钻速，大大提高了钻井效率。同时，该钻井提速工具能够防止地层漏失，其能够分离钻井液中的钻屑和固相颗粒，并将其挤入地层裂缝，从而实现井筒360°全面覆盖，有利于地层的封堵和泥饼的形成，减少了堵漏带来的非作业时间，显著提高了钻井效率。
本发明还提出了一种用于井底降压堵漏的方法，该方法使用如上所述的用于井底降压堵漏的钻井提速工具。
为此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于井底降压堵漏的钻井提速工具，包括：构造成具有中心流道的圆柱形的本体，所述本体的一端与钻柱连接，另一端与钻头连接；至少两个固定在所述本体的外周表面且在周向上均匀间隔开分布的扶正条；若干设置在相邻的所述扶正条之间的射流装置，所述射流装置构造成具有三通结构，其包括相互连通而轴向贯穿所述本体的喷射通道和射吸通道，以及与所述本体的中心流道连通的射流通道；其中，所述钻井提速工具构造成能够使所述中心流道内的来自所述钻柱的钻井液的一部分从所述钻头喷出，另一部分从所述射流通道流入所述喷射通道，且从所述钻头喷出的钻井液的一部分能够通过所述射吸通道流入所述喷射通道，进而在所述喷射通道的作用下与从所述射流通道流入所述喷射通道的钻井液共同地形成旋流喷射，并进入井筒环空而对井底钻井液形成射吸效应，从而降低井底压力。
在一个优选的实施例中，所述射流通道的出口端构造成圆弧形流道，以使所述射流通道的出口与所述喷射通道的入口处于同一轴线。
在一个优选的实施例中，所述喷射通道的出口的直径设置成大于入口的直径。
在一个优选的实施例中，在所述喷射通道的出口处设有能够使钻井液形成旋流的叶轮，所述叶轮构造成三头矩形螺旋。
在一个优选的实施例中，所述扶正条构造成螺旋形，且所述喷射通道的出口的喷射方向与所述扶正条的延伸方向一致，以使从所述喷射通道喷出的钻井液在所述扶正条的作用下形成旋流喷射。
在一个优选的实施例中，所述扶正条通过焊接的方式固定在所述本体的外周表面。
在一个优选的实施例中，所述扶正条的外周表面设有耐磨件。
在一个优选的实施例中，所述射流装置通过焊接方式设置在所述本体的外周表面，或设置在所述本体内部，或部分设置在所述本体内。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于井底降压堵漏的方法，包括以下步骤：
将所述钻井提速工具连接到所述钻柱和所述钻头之间，并下入到井筒中；
启动钻具，钻井液通过所述钻柱进入所述中心流道后，一部分从所述钻头喷出，另一部分从所述射流通道流入所述喷射通道；
部分从所述钻头喷出的钻井液通过所述射吸通道一并流入所述喷射通道，进而通过所述喷射通道喷出进入井筒环空而对井底钻井液形成射吸效应，从而降低井底压力；
经过所述喷射通道喷出的钻井液形成旋流，以分离出岩屑并使岩屑进入地层裂缝，从而完成地层裂缝的堵漏。
在一个优选的实施例中，所述射流通道均安装有控制阀，所述控制阀采用机械控制或电子控制，所述控制阀根据不同地层选择性地开启或关闭。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1显示了根据本发明的用于井底降压堵漏的钻井提速工具的结构。
图2显示了图1所示的钻井提速工具中的射流装置的结构。
图3是图2所示的射流装置中的叶轮的结构。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
需要说明的是，在本申请中，将用于井底降压堵漏的钻井提速工具下放到井筒中远离井口的一端定义为下端或相似用语，将靠近井口的一端定义为上端或相似用语。
图1显示了根据本发明的用于井底降压堵漏的钻井提速工具100的结构。如图1所示，钻井提速工具100包括本体110，本体110构造成具有中心流道的圆柱体形。本体110的一端(图1中的上端)与钻柱101连接，本体110的另一端(图1中的下端)与钻头102连接。在一个实施例中，本体110的两端设有连接螺纹。本体110通过连接螺纹分别与钻柱101和钻头102形成固定连接，本体110的这种连接方式安装连接方便，且连接稳定可靠。
如图1所示，在本体110的外周表面设有至少两个扶正条120。扶正条120在周向上均匀间隔开设置。在图1所示的实施例中，在本体110的外周表面设有三个在周向上均匀分布的扶正条120。扶正条120构造成螺旋形，从而在本体110的外周表面呈螺旋形分布。优选地，扶正条120通过焊接方式固定在本体110的外周表。钻井提速工具100在工作过程中，扶正条120具有良好的扶正作用，保证了钻具的钻进方向的精确性，从而有效增强了钻井提速工具100的提速效果，同时增强了钻具的钻井施工效果。
为了增强扶正条120的表面的耐磨性，在扶正条120的表面镶嵌有耐磨件(未示出)。优选地，耐磨件采用硬质合金。耐磨件有效增强了扶正条120的耐磨性，显著延长了钻井提速工具100的使用寿命。
根据本发明，钻井提速工具100还包括若干射流装置130。射流装置130设置在本体110的外周表面且在周向上处于相邻的扶正条120之间。在图1所示的实施例中，在本体110的外周表面设有三个射流装置130，且分别设置在扶正条120之间。射流装置130能够使部分来自钻柱的钻井液反向喷射进入井筒环空，同时，从钻头102喷出的钻井液的一部分也通过射流装置130反向喷射进入井筒环空，从而对井底钻井液产生射吸效应。由此，在井底形成负压区，从而达到降低井底压力的目的。
在一个实施例中，射流装置130可以通过焊接方式固定在本体110的外表面上。当然可以理解，射流装置130还可以通过焊接方式设置在本体110的内部，或部分地设置在本体110的内部。
图2显示了射流装置130的具体结构。如图2所示，射流装置130包括射流本体134，射流本体134构造成具有三通结构。在射流本体134内设有轴向延伸的喷射通道132和射吸通道133，喷射通道132和射吸通道133相互连通而轴向贯穿射流本体134。喷射通道132的直径设置成小于射吸通道133的直径，且在喷射通道132和射吸通道133的连接处设有过渡区域136。在射流本体134内还设有射流通道131，射流通道131设置在喷射通道132的一侧。射流通道131的入口延伸到射流本体134的轴端，射流通道131的出口延伸到过渡区域136。射流通道131的直径小于射吸通道133的直径。射流通道131的出口端设置成一端圆弧形流道，从而使射流通道131的出口处于过渡区域136中，且射流通道131的出口与喷射通道132处于同一个中心轴线上。
在一个实施例中，可以在每个射流通道131中安装控制阀(未示出)，控制阀采用机械控制或电子控制。根据不同的地层状况，控制阀可以根据实际需要选择性开启或关闭。例如，在对井底进行降压的同时，在一些需要进行封堵的地层，可以打开控制阀。而在一些不需要进行封堵的地层中，可以关闭控制阀。
在钻进施工过程中，来自钻柱101的钻井液进入本体110的中心流道后，中心流道内的一部分钻井液从钻头102的喷嘴103流出以冷却钻头102，并且从钻头102喷射出的部分钻井液带动井底岩屑通过射吸通道133上返，进而进入喷射通道132。中心流道内的另一部分钻井液进入射流通道131，进而通过射流通道131的出口直接进入喷射通道132。进入喷射通道132的钻井液通过喷射通道132的出口喷出而进入井筒环空，从而对井底钻井液形成射吸效应。由此，在井底形成了负压区，从而达到降低井底压力的目的。这里需要说明的是，图2中的箭头指示的方向为钻井液在射流通道131、喷射通道132以及射吸通道133中的流动方向。
根据本发明，射流装置130设置在螺旋形的扶正条120之间，且喷射通道132的出口的喷射方向设置成与扶正条120的螺旋形的延伸方向一致，从而使得从喷射通道132喷出的钻井液在扶正条120的螺旋形结构的作用下形成旋流。此外，喷射通道132的出口的直径设置成大于入口的直径，并且在喷射通道132的出口处设有一个叶轮134，叶轮134能够使钻井液从喷射通道132喷出后形成旋流。如图3所示，在一个实施例中，叶轮134采用右旋叶轮，且叶轮134构造成三头矩形螺旋。由此，喷射通道132中的钻井液在叶轮134和扶正条120的共同作用下形成旋流喷射。钻井提速工具100的这种结构能够有效提高对井底钻井液的射吸效果，从而显著提高了钻井提速工具100对井底的降压效果和对漏失地层的堵漏效果。
在工作过程中，叶轮134在钻井液的压差作用下转动，使得钻井液的旋转射流速度分布均匀并且形成旋流喷射。钻井液流经喷射通道132时，在叶轮134的带动下产生旋流，从而分离钻井液中的钻屑和固相颗粒。同时，钻井液的旋流会提高井底岩屑的射吸效果。分离出的钻屑和固相颗粒在离心力的作用下挤入地层裂缝，从而实现井筒360°全面覆盖。由此，在近井壁地层形成一层致密、低渗透、能承受较大压差的屏蔽层，拓宽了地层的安全密度窗口，增强了井壁裂缝的封堵效果，有利于泥饼的形成，显著减少了堵漏带来的非作业时间。
根据本发明的用于井底降压堵漏的钻井提速工具100尤其适用于裂缝性地层的井底降压堵漏。
下面简述使用根据本发明的钻井提速工具100进行井底降压堵漏的方法。
施工前，首先，将钻井提速工具100连接到钻柱101和钻头102之间，并下入到井筒中。之后，启动钻具进行钻进施工，钻井液通过钻柱101进入钻井提速工具100的本体110的中心流道内。之后，中心流道内的钻井液的一部分从钻头102的喷嘴103流出，从而冷却钻头102，并且钻头102喷射出的部分钻井液带动井底岩屑进入射吸通道133，进而进入喷射通道132喷出进入井筒环空。与此同时，中心流道内的钻井液的另一部分流入射流通道131，进而通过射流通道131的出口进入喷射通道132，并且与来自射吸通道133的带有岩屑的钻井液一同通过喷射通道132喷出而进入井筒环空。由此，来自射流通道131和射吸通道133的钻井液通过喷射通道132，并在叶轮134的带动下以及扶正条120的螺旋形结构的作用下产生旋流喷射，从而对井底的钻井液形成射吸效应。同时，钻井液在旋流作用下分离出钻屑和固相颗粒，分离出的钻屑和固相颗粒在离心力的作用下挤入地层裂缝，从而实现井筒360°全面覆盖。最终同时完成井底的降压和裂缝地层的堵漏，从而有效降低了井底压力，有利于提高钻井机械钻速和钻井效率，以及井底岩屑清洗效率，同时有利于降低地层漏失风险。
根据本发明的用于井底降压堵漏的钻井提速工具100能够用于裂缝性地层，且将井底降压功能和随钻堵漏功能结合于一体。在钻进施工过程中，射流装置130能够使钻井液在井底产生射吸效应，从而降低井底压力，能够有效提高钻具的机械钻速，大大提高了钻井效率。同时，钻井提速工具100能够防止地层漏失，其通过射流装置130能够分离钻井液中的钻屑和固相颗粒，并在离心力的作用下将分离钻井液中的钻屑和固相颗粒挤入地层裂缝，从而实现井筒360°全面覆盖，有利于地层的封堵和泥饼的形成，减少了堵漏带来的非作业时间，进一步提高了钻井效率。此外，钻井提速工具100的结构简单、制造成本低，且使用寿命长，具有良好的提速效果。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于井底降压堵漏的钻井提速工具，包括：
构造成具有中心流道的圆柱形的本体(110)，所述本体的一端与钻柱(101)连接，另一端与钻头(102)连接；
至少两个固定在所述本体的外周表面且在周向上均匀间隔开分布的扶正条(120)；
若干设置在相邻的所述扶正条之间的射流装置(130)，所述射流装置构造成具有三通结构，其包括相互连通而轴向贯穿所述本体的喷射通道(132)和射吸通道(133)，以及与所述本体的中心流道连通的射流通道(131)，射流通道及喷射通道的直径均设置成小于射吸通道的直径，且在喷射通道和射吸通道的连接处设有过渡区域(136)，所述射流通道的出口端构造成圆弧形流道，以使射流通道的出口处于过渡区域中并与所述喷射通道的入口处于同一轴线；
其中，在所述喷射通道的出口处设有能够使钻井液形成旋流的叶轮(134)，所述扶正条构造成螺旋形，且所述喷射通道的出口的喷射方向与所述扶正条的延伸方向一致，以使从所述喷射通道喷出的钻井液在所述扶正条的作用下形成旋流喷射，所述钻井提速工具构造成能够使所述中心流道内的来自所述钻柱的钻井液的一部分从所述钻头喷出，另一部分从所述射流通道流入所述喷射通道，且从所述钻头喷出的钻井液的一部分能够通过所述射吸通道流入所述喷射通道，进而通过所述喷射通道在叶轮的带动下以及扶正条的螺旋形结构的作用下，与从所述射流通道流入所述喷射通道的钻井液共同地形成旋流喷射，并进入井筒环空而对井底钻井液形成射吸效应，从而降低井底压力。
2.根据权利要求1所述的钻井提速工具，其特征在于，所述喷射通道的出口的直径设置成大于入口的直径。
3.根据权利要求2所述的钻井提速工具，其特征在于，所述叶轮构造成三头矩形螺旋。
4.根据权利要求1所述的钻井提速工具，其特征在于，所述扶正条通过焊接的方式固定在所述本体的外周表面。
5.根据权利要求4所述的钻井提速工具，其特征在于，所述扶正条的外周表面设有耐磨件。
6.根据权利要求1所述的钻井提速工具，其特征在于，所述射流装置通过焊接方式设置在所述本体的外周表面，或设置在所述本体内部，或部分设置在所述本体内。
7.一种用于井底降压堵漏的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将根据权利要求1到6中任一项所述的钻井提速工具连接到所述钻柱和所述钻头之间，并下入到井筒中；
启动钻具，钻井液通过所述钻柱进入所述中心流道后，一部分从所述钻头喷出，另一部分从所述射流通道流入所述喷射通道；
部分从所述钻头喷出的钻井液通过所述射吸通道一并流入所述喷射通道，进而通过所述喷射通道喷出进入井筒环空而对井底钻井液形成射吸效应，从而降低井底压力；
经过所述喷射通道喷出的钻井液形成旋流，以分离出岩屑并使岩屑进入地层裂缝，从而完成地层裂缝的堵漏。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述射流通道均安装有控制阀，所述控制阀采用机械控制或电子控制，所述控制阀根据不同地层选择性地开启或关闭。
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