CN112554795B - 一种脉冲射流减震降压装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲射流减震降压装置及使用方法，该装置包括上接头、外筒、加压杆、活塞、活动密封装置、喷射机构和下接头，所述的上接头下端与外筒上部之间设有单流阀总成，所述的外筒下端与喷射机构连接，所述的活塞位于外筒内，且与外筒之间设有压缩弹簧，所述的压缩弹簧位于外筒内中下部；所述的活塞下端与加压杆连接，所述的加压杆下端穿过喷射机构并与位于喷射机构下方的下接头连接，所述的加压杆与喷射机构下部连接处滑动密封连接；所述的加压杆上部径向上设有射流孔。本发明可以吸收钻柱震动，并将吸收的机械能转化为液压喷射，最终实现降低井底压力的目的，保证安全高效的钻井。

Description

一种脉冲射流减震降压装置及使用方法

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，特别是涉及一种脉冲射流减震降压装置及使用方法。

背景技术

在深水钻井中，由于海水替代了陆地钻井的岩石，所以上覆岩层压力减小，使得破裂压力降低，另一方面，由于深水地层中的孔隙压力比陆地钻井要高，所以出现地层压力窗口窄，在深水钻井中，安全钻井液密度窗口很小，难控制。钻井液密度如果大于破裂，那么对于裂缝发育的地层就会很容易出现漏失或者压裂地层，如果减小钻井液密度，但是又会小于孔隙压力，则会出现溢流或者使得井壁出现坍塌，这些复杂情况都会导致钻井成本增加，有时甚至导致钻井事故。所以针对深水钻井液安全密度窗口窄的问题，设计了脉冲射流减震降压装置。

发明内容

为了克服现有深水钻井液安全密度窗口窄造成工作成本高、效率低的问题，本发明提供一种脉冲射流减震降压装置及使用方法，本发明可以吸收钻柱震动所产生的机械能，然后将机械能转化为液压能，为射流孔提供更大的压力，从而产生更大的负压，则最后加速环空钻井液的上返，从而实现降压的目的。本发明降低了环空压力，防止漏失情况的发生，钻井安全且高效。

本发明所采用的技术方案如下：

一种脉冲射流减震降压装置，包括上接头、外筒、加压杆、活塞、活动密封装置、喷射机构和下接头，所述的上接头下端与外筒上部之间设有单流阀总成，所述的外筒下端与喷射机构连接，所述的活塞位于外筒内，且与外筒之间设有压缩弹簧，所述的压缩弹簧位于外筒内中下部；所述的活塞下端与加压杆连接，所述的加压杆下端穿过喷射机构并与位于喷射机构下方的下接头连接，所述的加压杆与喷射机构下部连接处滑动密封连接；所述的加压杆上部径向上设有射流孔，所述的喷射机构设有喷嘴，所述的射流孔与喷嘴连通；所述的喷射机构下端设有吸入口，吸入口与喷嘴连通，所述的吸入口内设有过滤塞。

所述的上接头下端与单流阀下端通过螺纹连接；下接头与加压杆之间通过螺纹连接。

所述的单流阀总成包括单流阀本体、阀座、弹簧、阀杆和阀球，所述的单流阀本体上端开有锥形孔，单流阀本体下端开有内台阶孔，所述的阀球位于内台阶孔内，阀球的直径大于锥形孔的最小内径；所述的阀球下端与阀杆连接，阀杆下端通过弹簧与阀座连接，所述的阀座通过支撑杆固定在外筒上端的内壁上。

所述的外筒为空心筒体，其上部开有凹槽，活塞上端位于该凹槽处，且通过活动密封装置密封连接；所述的外筒下部开有内台阶孔，所述的活塞上部开有外台阶孔，所述的压缩弹簧上端连接在外筒下部内台阶孔的台阶面上，所述的压缩弹簧下端连接在活塞上部的外台阶孔的台阶面上。

所述的加压杆和活塞同轴设置，加压杆的内径与活塞的内径相同，加压杆的外径小于活塞的最大外径。

所述的喷嘴呈U形状通孔，U形底部内径小，喷嘴的喷出口为锥形孔，所述的加压杆外壁与U形通孔底部之间形成增压腔，U形通孔底部与过流口上部形成混流区，混流区与喷出口之间的竖直通道为过渡区，竖直通道与喷出口底部之间设有倾斜通道，该倾斜通道的内径小于竖直通道的内径，该倾斜通道形成加速区。

所述的活塞下端面与加压杆上端面通过焊接的方式进行连接，并且活塞和加压杆的中心孔相通。

所述的活动密封装置为密封圈。

一种脉冲射流减震降压装置使用方法，具体步骤为：首先将脉冲射流减震降压装置上下通过螺纹与钻杆相连，当钻井液进入上接头，然后继续向下流动进入到单流阀总成，因为钻井液的作用，阀球和阀杆会压缩弹簧向下运动,则钻井液会从单流阀总成的锥形口进入到单流阀总成的内腔，然后进入到活塞的上端面所在的腔内，然后经过主流道(16)，流经加压杆的中心孔，最后经过下接头进入井下动力钻具或者钻头；其中流经加压杆中心孔的部分钻井液会流入到射流孔，由于活塞向下运动，会对射流孔出流的钻井液进行加压，所以该部分钻井液经过喷嘴喷射，从而在其出口处产生负压，则环空底部的部分钻井液被吸入，经过吸入口、过滤塞进入到混流区，然后经过渡区，再经过加速区，最后再由喷出口喷射，使得环空流体加速上返；

当钻头出现跳钻时，使得活塞自下往上运动，则活塞上端面所在的腔容积被压缩，因为单流阀总成的反向限流的作用，腔内部会积蓄压力，此时实现了钻头震动，将机械能转化成液压能；

当再次钻进时，除了钻柱施加的压力外，腔内积蓄的液压能也会释放，压缩弹簧推动活塞下行，从射流孔出流的液压力增大后通过喷嘴喷射，实现将储存的液压能转变为机械能，之后又转变为液压能的过程。

本发明的有益效果为：

用直线往复运动代替了旋转装置，提高了工具的使用寿命，也使得安装更加方便。同时在钻柱震动时可以实现减震，并将震动的机械能转换为液压能提供喷射，实现了更好的降压。这为钻井节约了作业时间，降低了生产成本。

以下将结合附图进行进一步的说明。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中，附图标记为：1、上接头；2、单流阀总成；3、外筒；4、活动密封装置；5、压缩弹簧；6、喷出口；7、过渡区；8、喷嘴；9、过滤塞；10、吸入口；11、下接头；12、加压杆；13、射流孔；14、活塞；15、加速区；16、主通道；17、腔；18、弹簧；19、阀座；20、阀杆；21、阀球；柱塞。

具体实施方式

实施例1：

为了克服现有深水钻井液安全密度窗口窄造成工作成本高、效率低的问题，本发明提供一种脉冲射流减震降压装置及使用方法，本发明可以吸收钻柱震动所产生的机械能，然后将机械能转化为液压能，为射流孔提供更大的压力，从而产生更大的负压，则最后加速环空钻井液的上返，从而实现降压的目的。本发明降低了环空压力，防止漏失情况的发生，钻井安全且高效。

一种脉冲射流减震降压装置，包括上接头1、外筒3、加压杆12、活塞14、活动密封装置、喷射机构和下接头11，所述的上接头下端与外筒3上部之间设有单流阀总成2，所述的外筒3下端与喷射机构连接，所述的活塞14位于外筒3内，且与外筒3之间设有压缩弹簧5，所述的压缩弹簧5位于外筒3内中下部；所述的活塞14下端与加压杆12连接，所述的加压杆12下端穿过喷射机构并与位于喷射机构下方的下接头11连接，所述的加压杆12与喷射机构下部连接处滑动密封连接；所述的加压杆12上部径向上设有射流孔13，所述的喷射机构设有喷嘴8，所述的射流孔13与喷嘴8连通；所述的喷射机构下端设有吸入口10，吸入口10与喷嘴8连通，所述的吸入口10内设有过滤塞9。

本发明的工作过程为：

一、正常钻进过程中，将如图1所示的脉冲射流减震降压装置上下通过螺纹与钻杆相连。深水钻井中，钻遇窄压力窗口的地层时，可以在近钻头处安装本装置。当钻井液进入上接头1，然后继续向下流动进入到单流阀总成2。因为钻井液的作用，阀球21和阀杆20会压缩弹簧18向下运动,则钻井液会从单向流通阀总成的锥形入口进入到阀2的内腔，然后进入到活塞14的上端面所在的腔内3，然后经过主流道16，流经加压杆12的中心孔，最后经过下接头11进入井下动力钻具或者钻头。其中流经加压杆12中心孔的部分钻井液会流入到射流孔13，由于活塞14向下运动，会对射流孔13出流的钻井液进行加压，所以该部分钻井液经过喷嘴8喷射，从而在其出口处产生负压，则环空底部的部分钻井液因为文丘里效应会被吸入，经过吸入口10、过滤塞9进入到喷嘴8出口与过滤塞9之间的混流区，然后经过渡区7，再经过加速区15，最后再由喷出口6喷射，使得环空流体加速上返。一方面，本发明能够吸入环空底部部分钻井液，使得环空底部的压力减小，另一方面，本装置喷射口的附近产生的喷射压力，能够为该区域的环空钻井液上返提供动力，所以，综合两方面的情况，可以实现降低环空压力的目的。

二、当钻头出现跳钻时，活塞14自下往上运动，活塞14上端面所在的腔17内容积减小，钻井液受到挤压则会向上运动至单流阀总成2的腔内，因为单流阀总成2的限流作用，所以在阀的腔内部会形成“憋压”，此过程实现了钻头震动产生的机械能转变为液压能。当再次钻进时，因为钻柱给工具外筒3施加压力，所以外筒3会推动其内壁中部上的凸起挡块自上往下运动，则压缩弹簧5又会推动活塞14向下运动并压缩其所在的增压腔，该过程实现了将储存的液压能转变为机械能，之后又转变为液压能的过程。同时该液压能同正常钻进时一样，为喷嘴的喷射提供更大的压力，则负压效果更佳，工具产生的降压效果也更好。

本发明可以吸收钻柱震动所产生的机械能，然后将机械能转化为液压能，为射流孔提供更大的压力，从而产生更大的负压，则最后加速环空钻井液的上返，从而实现降压的目的。在钻遇较低的地层压力时，钻井液密度大于孔隙压力，则会出现漏失，下入该工具（脉冲射流减震降压装置）可以实现降低环空压力，防止漏失情况的发生。实现安全高效的钻井，避免了调节钻井液所导致的钻井成本高、时间周期长等不利因素。

实施例2：

基于实施例1的基础上，本实施例中，优选的，所述的上接头1下端与单流阀总成2下端通过螺纹连接；下接头11与加压杆12之间通过螺纹连接。

本装置通过公扣和母口连接在钻杆的两端。上接头1下端（母螺纹）与单流阀总成2上端（公螺纹）通过螺纹连接；下接头11与加压杆12之间通过螺纹连接。

优选的，所述的单流阀总成2包括单流阀本体、阀座19、弹簧18、阀杆20和阀球21，所述的单流阀本体上端开有锥形孔，单流阀本体下端开有内台阶孔，所述的阀球21位于内台阶孔内，阀球21的直径大于锥形孔的最小内径；所述的阀球21下端与阀杆20连接，阀杆20下端通过弹簧18与阀座19连接，所述的阀座19通过支撑杆固定在外筒3上端的内壁上。

本发明中单向流阀总成2的阀座19与工具外筒3的内壁通过支撑杆进行焊接固定，并且阀球21、阀杆20以及弹簧18与阀座19都同轴线安装。活塞14和加压杆12与单向流阀总成2的安装同轴线。

优选的，所述的外筒3为空心筒体，其上部开有凹槽，活塞14上端位于该凹槽处，且通过活动密封装置4密封连接；所述的外筒3下部开有内台阶孔，所述的活塞14上部开有外台阶孔，所述的压缩弹簧5上端连接在外筒3下部内台阶孔的台阶面上，所述的压缩弹簧5下端连接在活塞14上部的外台阶孔的台阶面上。

优选的，所述的加压杆12和活塞14同轴设置，加压杆12的内径与活塞14的内径相同，加压杆12的外径小于活塞14的最大外径。

优选的，所述的喷嘴8呈U形状通孔，U形底部内径小，喷嘴8的喷出口6为锥形孔，所述的加压杆12外壁与U形通孔底部之间形成增压腔，U形通孔底部与过流口10上部形成混流区，混流区与喷出口6之间的竖直通道为过渡区，竖直通道与喷出口6底部之间设有倾斜通道，该倾斜通道的内径小于竖直通道的内径，该倾斜通道形成加速区15。

所述的喷射机构至少包括本体、喷嘴8和吸入口10，所述的本体内设有两个喷嘴8，所述的吸入口10内设有过滤塞9。所述的吸入口10呈锥形状。

本发明中加压杆12在径向上对称开设有两个射流孔13。本发明中射流喷嘴高速喷射的钻井液会在其出口处产生负压，则环空底部的钻井液因为文丘里效应会被吸入到工具内部，从射流喷嘴喷射的流体与环空中吸入的流体在混流区进行混合。然后进入过渡区7，最后经加速区15加速后，从喷出口6喷射。喷射出来的钻井液，为环空中上返的钻井液提供了一个自下往上的作用力，使得环空钻井液加速上返。因为工具即本装置底部的吸入口10吸入了环空底部的部分钻井液，使得底部区域的压力减小，而喷射出口附近又加速了环空中钻井液的上返，所以能够实现降低环空压力的目的。

在正常钻进时，钻柱施加钻压，则外筒3会自上而下运动，外筒3内壁中部上的凸起挡块会压缩其与活塞14间隙之间安装的弹簧5，弹簧5则会推动活塞14往下运动，则增压腔内的容积减小，钻井液的压力增大，则从喷嘴8喷射的压力大，从而在其出口处的负压效果更强，则从工具底部的吸入口10吸入的流入越多，最后经过混流后喷射的作用力更强。

优选的，所述的活塞14下端面与加压杆12上端面通过焊接的方式进行连接，并且活塞14和加压杆12的中心孔相通。

优选的，所述的活动密封装置4为密封圈。

本发明中，活动密封装置4为两个，安装在活塞14的上端周向上。一种脉冲射流减震降压装置使用方法，具体步骤为：首先将脉冲射流减震降压装置上下通过螺纹与钻杆相连，当钻井液进入上接头1，然后继续向下流动进入到单流阀总成2，因为钻井液的作用，阀球21和阀杆20会压缩弹簧18向下运动,则钻井液会从单流阀总成2的锥形口进入到单流阀总成2的内腔，然后进入到活塞14的上端面所在的腔17内，然后经过主流道16，流经加压杆12的中心孔，最后经过下接头11进入井下动力钻具或者钻头；其中流经加压杆12中心孔的部分钻井液会流入到射流孔13，由于活塞14向下运动，会对射流孔13出流的钻井液进行加压，所以该部分钻井液经过喷嘴8喷射，从而在其出口处产生负压，则环空底部的部分钻井液被吸入，经过吸入口10、过滤塞9进入到混流区，然后经过渡区7，再经过加速区15，最后再由喷出口6喷射，使得环空流体加速上返；

当钻头出现跳钻时，使得活塞14自下往上运动，则活塞14上端面所在的腔17容积被压缩，因为单流阀总成2的反向限流的作用，腔17内部会积蓄压力，此时实现了钻头震动，将机械能转化成液压能；

当再次钻进时，除了钻柱施加的压力外，腔17内积蓄的液压能也会释放，压缩弹簧5推动活塞14下行，从射流孔13出流的液压力增大后通过喷嘴8喷射，实现将储存的液压能转变为机械能，之后又转变为液压能的过程。

本发明设置了在吸入口10处设置了过滤塞9，防止流道堵塞；本发明用直线往复运动代替了旋转装置，提高了工具的使用寿命，也使得安装更加方便。同时在钻柱震动时可以实现减震，并将震动的机械能转换为液压能提供喷射，实现了更好的降压。这为钻井节约了作业时间，降低了生产成本，具有广泛的应用前景。在钻遇较低的地层压力时，钻井液密度大于孔隙压力，则会出现漏失，下入该工具可以实现降低环空压力，防止漏失情况的发生。实现安全高效的钻井，避免了调节钻井液所导致的钻井成本高、时间周期长等不利因素。

本发明在正常钻进时，钻柱给工具外筒3施加压力，使得活塞14下行，增压腔的压力增大，从而使得喷嘴8的喷射压力更大，负压更明显，可以从工具底部吸入更多的环空钻井液。当钻头出现跳钻时，使得加压杆12和活塞14组成的柱塞执行机构自下往上运动，则活塞14上端面所在腔17的容积被压缩，因为单流阀总成2的反向限流的作用，腔17内部会积蓄压力，此时实现了钻头震动，将机械能转化成液压能。当再次钻进时，除了钻柱施加的压力外，腔17内积蓄的液压能也会释放，推动活塞14下行，活塞14压缩增压腔，从射流孔13出流的液压力增大，喷射效果更好。从工具底部吸入口10可以吸入环空底部部分钻井液，可以降低部分压力，另一方面，喷射口喷射的钻井液为环空的钻井液上返提供了助力，加速了环空钻井液的上返，使得压力再次降低。

以上举例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本发明中未详细描述的装置结构及其方法步骤均为现有技术，本发明中将不再进行进一步的说明。

Claims (6)

1.一种脉冲射流减震降压装置使用方法，其特征在于：具体步骤为：首先将脉冲射流减震降压装置上下通过螺纹与钻杆相连，当钻井液进入上接头（1），然后继续向下流动进入到单流阀总成（2），因为钻井液的作用，阀球（21）和阀杆（20）会压缩弹簧（18）向下运动,则钻井液会从单流阀总成（2）的锥形口进入到单流阀总成（2）的内腔，然后进入到活塞（14）的上端面所在的腔（17）内，然后经过主流道(16)，流经加压杆（12）的中心孔，最后经过下接头（11）进入井下动力钻头；其中流经加压杆（12）中心孔的部分钻井液会流入到射流孔（13），由于活塞（14）向下运动，会对射流孔（13）出流的钻井液进行加压，所以该部分钻井液经过喷嘴（8）喷射，从而在其出口处产生负压，则环空底部的部分钻井液被吸入，经过吸入口（10）、过滤塞（9）进入到混流区，然后经过渡区（7），再经过加速区（15），最后再由喷出口（6）喷射，使得环空流体加速上返；

当钻头出现跳钻时，使得活塞（14）自下往上运动，则活塞（14）上端面所在的腔（17）容积被压缩，因为单流阀总成（2）的反向限流的作用，腔（17）内部会积蓄压力，此时实现了钻头震动，将机械能转化成液压能；

当再次钻进时，除了钻柱施加的压力外，腔（17）内积蓄的液压能也会释放，压缩弹簧（5）推动活塞（14）下行，从射流孔（13）出流的液压力增大后通过喷嘴（8）喷射，实现将储存的液压能转变为机械能，之后又转变为液压能的过程；

脉冲射流减震降压装置，包括上接头（1）、外筒（3）、加压杆（12）、活塞（14）、活动密封装置、喷射机构和下接头（11），所述的上接头下端与外筒（3）上部之间设有单流阀总成（2），所述的外筒（3）下端与喷射机构连接，所述的活塞（14）位于外筒（3）内，且与外筒（3）之间设有压缩弹簧（5），所述的压缩弹簧（5）位于外筒（3）内中下部；所述的活塞（14）下端与加压杆（12）连接，所述的加压杆（12）下端穿过喷射机构并与位于喷射机构下方的下接头（11）连接，所述的加压杆（12）与喷射机构下部连接处滑动密封连接；所述的加压杆（12）上部径向上设有射流孔（13），所述的喷射机构设有喷嘴（8），所述的射流孔（13）与喷嘴（8）连通；所述的喷射机构下端设有吸入口（10），吸入口（10）与喷嘴（8）连通，所述的吸入口（10）内设有过滤塞（9）；所述的加压杆（12）和活塞（14）同轴设置，加压杆（12）的内径与活塞（14）的内径相同，加压杆（12）的外径小于活塞（14）的最大外径；所述的喷嘴（8）呈U形状通孔，U形底部内径小，喷嘴（8）的喷出口（6）为锥形孔，所述的加压杆（12）外壁与U形通孔底部之间形成增压腔，U形通孔底部与吸入口（10）上部形成混流区，混流区与喷出口（6）之间的竖直通道为过渡区，竖直通道与喷出口（6）底部之间设有倾斜通道，该倾斜通道的内径小于竖直通道的内径，该倾斜通道形成加速区（15）。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲射流减震降压装置使用方法，其特征在于：所述的上接头（1）下端与单流阀总成（2）上端通过螺纹连接；下接头（11）与加压杆（12）之间通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲射流减震降压装置使用方法，其特征在于：所述的单流阀总成（2）包括单流阀本体、阀座（19）、弹簧（18）、阀杆（20）和阀球（21），所述的单流阀本体上端开有锥形孔，单流阀本体下端开有内台阶孔，所述的阀球（21）位于内台阶孔内，阀球（21）的直径大于锥形孔的最小内径；所述的阀球（21）下端与阀杆（20）连接，阀杆（20）下端通过弹簧（18）与阀座（19）连接，所述的阀座（19）通过支撑杆固定在外筒（3）上端的内壁上。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲射流减震降压装置使用方法，其特征在于：所述的外筒（3）为空心筒体，其上部开有凹槽，活塞（14）上端位于该凹槽处，且通过活动密封装置（4）密封连接；所述的外筒（3）下部开有内台阶孔，所述的活塞（14）上部开有外台阶孔，所述的压缩弹簧（5）上端连接在外筒（3）下部内台阶孔的台阶面上，所述的压缩弹簧（5）下端连接在活塞（14）上部的外台阶孔的台阶面上。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲射流减震降压装置使用方法，其特征在于：所述的活塞（14）下端面与加压杆（12）上端面通过焊接的方式进行连接，并且活塞（14）和加压杆（12）的中心孔相通。

6.根据权利要求1所述的一种脉冲射流减震降压装置使用方法，其特征在于：所述的活动密封装置（4）为密封圈。

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