CN113958281B - 一种利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节，它包括上接头、超声波振动工作头、短节主体、下接头、超声波发生装置，短节主体位于上接头与下接头之间，短节主体同轴设置内套筒，短节主体与内套筒之间形成封闭夹层，短节主体外壁周身镶嵌若干超声波振动工作头，超声波振动工作头为底端开口的筒体，超声波振动工作头的开口端与短节主体固定连接，各超声波振动工作头的开口端均位于封闭夹层内，每个超声波振动工作头的空腔内设置一个超声波发生装置，超声波发生装置的变幅杆与超声波振动工作头的封闭端相接。本发明利用超声波振动产生的共振作用和空化效应对岩屑和已经形成的泥包进行破碎，防止形成大泥包，导致卡钻等事故的发生。
Description
技术领域：
本发明涉及的是石油与天然气钻井领域，主要应用在石油工程、采矿工程、岩土工程等领域中防环空泥包的钻井短节，具体涉及的是一种利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节。
背景技术：
石油与天然气开采钻井是非常重要的一步，钻井是应用钻头穿透坚硬的地层形成井眼的一个过程，在钻头钻进的过程中随着钻头研磨地层会产生大量的岩屑，岩屑随着钻井液从钻柱和井壁之间的环空中返排回地面。当大量的岩屑堆积在环空中时，特别是大块的岩屑，聚集时形成泥包粘附在井壁或钻杆上，导致钻柱与井壁之间形成巨大的摩擦力，钻柱承受巨大的扭矩，形成卡钻、扭断钻具等钻井事故，因此，加速岩屑的返排，防止形成泥包，对于钻井施工显得尤为重要。
现有技术主要是通过连接带有凸起的特殊的钻柱短节借助钻杆的转动，搅动环空分散的岩屑，防止岩屑聚集，以达到防泥包的目的。但是目前技术无法对环空中的大块岩屑进行破碎，特别是在水平井作业中，大块岩屑由于重力作用都沉积在环空的下部，常规搅动难以使岩屑重新悬浮于钻井液中，而且搅动大块的岩屑会增大钻柱的扭矩，影响钻柱寿命且易造成钻柱断裂形成事故，且对于已形成的泥包无法破碎，只能停钻排除故障。
发明内容：
本发明的目的是提供一种利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节，这种利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节用于解决现有技术岩屑清除效果十分不理想，大块岩屑无法破碎，泥包形成只能停钻排除事故后再钻的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节包括上接头、若干超声波振动工作头、短节主体、下接头、若干超声波发生装置，短节主体位于上接头与下接头之间，短节主体同轴设置内套筒，短节主体与内套筒之间形成封闭夹层，短节主体外壁周身镶嵌若干超声波振动工作头，超声波振动工作头为底端开口的筒体，超声波振动工作头的开口端与短节主体固定连接，各超声波振动工作头的开口端均位于封闭夹层内，每个超声波振动工作头的空腔内设置一个超声波发生装置，超声波发生装置的变幅杆与超声波振动工作头的封闭端相接；超声波工作头为六棱柱体，六棱柱体的底面与短节主体相接，六棱柱体的其他表面均布满鱼鳞状花纹，鱼鳞状花纹防止小型岩屑粘在超声波工作头表面，六棱柱体的边缘锋利，六棱柱体在旋转中搅碎岩屑；各超声波发生装置均与地面上的超声波控制器通过电缆连接。
上述方案中上接头通过螺纹与钻杆相连接，下接头通过螺纹与钻杆连接。
上述方案中短节主体与超声波振动工作头均由高性能耐磨合金材料一体成型制作而成，外涂特氟龙材料。
上述方案中超声波振动工作头均匀分布于短节主体外壁。
上述方案中超声波振动工作头一圈圈分布于短节主体外壁，每圈超声波振动工作头之间间隔相等。
上述方案中超声波振动工作头呈螺旋状自下而上均匀分布于于短节主体外壁。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用超声波产生的激振力对大块的岩屑进行破碎，同时超声波会使超声波产生空化效应，在钻井液中产生微射流，对岩屑具有破碎作用，使岩屑破碎成更小的体积，有利于岩屑的快速排出，防止泥包形成。
2、本发明利用超声波振动产生的共振作用和空化效应对岩屑和已经形成的泥包进行破碎，促进岩屑的快速返排，防止形成大泥包，导致卡钻等事故的发生。
3、本发明六棱形工作头具有长而锋利的边缘，在短节随钻柱旋转中，可以快速的切割岩屑。
4、本发明工作头上采用鱼鳞状花纹防粘设计，可以降低岩屑粘附在工作头表面，且鱼鳞状花纹可以很好的增大工作头与岩屑碎块之间的摩擦，对岩屑碎块有一定的破坏作用。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为工作头的局部放大图。
图3为短节主体内部示意图。
图4为短节主体、超声波振动工作头、超声波发生装置连接关系示意图。
图5为本发明工作示意图。
图中：1-上接头，2-超声波振动工作头，3-短节主体，4-下接头，5-鱼鳞状花纹，6-内套筒，7-焊接密封填料，8-电缆接头，9-上接头螺纹连接端口，10-振子，11-导线，12-卡簧，13-端盖，14-变幅杆，15-超声波控制器，16-电缆，17-钻机转盘，18-钻杆，19-环空。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
结合图1-图4所示，这种利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节包括上接头1、若干超声波振动工作头2、短节主体3、下接头4、若干超声波发生装置，短节主体3位于上接头1与下接头4之间，短节主体3同轴设置内套筒6，短节主体3与内套筒6之间形成封闭夹层，短节主体3外壁周身镶嵌若干超声波振动工作头2，超声波振动工作头2为底端开口的筒体，超声波振动工作头2的开口端与短节主体3固定连接，各超声波振动工作头2的开口端均位于封闭夹层内，每个超声波振动工作头2的空腔内设置一个超声波发生装置，超声波发生装置的变幅杆与超声波振动工作头2的封闭端相接；超声波工作头为六棱柱体，六棱柱体的底面与短节主体3相接，六棱柱体的其他表面均布满鱼鳞状花纹5，鱼鳞状花纹5防止小型岩屑粘在超声波工作头表面，六棱柱体的边缘锋利，六棱柱体在旋转中搅碎岩屑；各超声波发生装置均与地面上的超声波控制器15通过电缆16连接。
超声波工作头采用六边形设计，边缘锋利有利于在旋转中搅碎岩屑，同时表面采用鱼鳞状花纹设计，有利于防止小型岩屑粘附在超声波工作头表面，形成泥包，并影响岩屑的破碎效果。
上接头1通过螺纹与钻杆18相连接，下接头4通过螺纹与钻杆18连接。上接头1和下接头4为标准接头，螺纹为钻井工程通用螺纹，可以与钻杆18螺纹连接。
短节主体3与超声波振动工作头2均由高性能耐磨合金材料一体成型制作而成，外涂特氟龙材料。短节主体3及超声波振动工作头2的制作过程中，按照电路设计已经预先埋设好电线，各超声波振动工作头2内预留有电线接头8，以便与超声波振动工作头2内超声波发生装置相连接，靠近上接头螺纹连接端口9处预留有电缆接口，电缆接头8事先预留，与地面下入井内的电缆进行连接，进行控制和供能。如图3所示，由于短节主体3内部在在工作时，需要输送钻井液，为达到防水作用，短节主体3内部有一层内套筒6将超声波工作装置封装于短节外壳和内套筒6之间，内套筒6上下位置用焊接密封填料7进行连接和防水，形成封闭夹层。
如图4所示，超声波振动工作头2的内部安装有超声波发生装置。超声波发生装置由粘接好的振子10和变幅杆14并与端盖13套接在一起，然后整体放置在超声波工作头的空腔内，并用卡簧12固定，振子10上的导线11与空腔内预埋的电缆接头8连接，变幅杆14下部应与超声波工作头外壁接触，以达到传导超声波的目的。
本发明中超声波振动工作头2可以设计为均匀分布于短节主体3外壁。超声波振动工作头2一圈圈分布于短节主体3外壁，每圈超声波振动工作头之间间隔相等；或者超声波振动工作头2呈螺旋状自下而上均匀分布于于短节主体3外壁。
如图5所示，当进行钻井作业时，将所示的短节连接在钻杆与钻杆之间，并随钻杆下放到井眼中，超声波发生装置由地面连接电缆供能进行供能。
在钻进过程中，地面上的钻机上的转盘带动钻杆18和钻头转动，随着钻头研磨破碎岩石，岩屑随着地面从钻杆输送的钻井液由井壁和钻杆之间的环形空间（环空）空返排上地面。
当用于泵送钻井液的泥浆泵开启时，当钻机转盘17带动钻杆18转动时，短节主体3随钻杆18一起转动，短节主体3上凸起的六棱形超声波振动工作头2与环空19中的岩屑碰撞，对岩屑具有剪切作用，使岩屑破碎变小。
地面通过超声波控制器15，控制开启短节主体3上的超声波发生装置，此时超声波发生装置上的振子10带动变幅杆14进行振动，振动产生的超声波通过超声波振动工作头2传递到钻井液中，随悬浮在环空钻井液中的大块岩屑在超声波作用下产生共振效应，使岩石破碎形成小的块状，同时，超声波可以激发钻井液中产生空化效应，空化效应使钻井液产生微射流，冲击岩屑，将岩屑打击成更小的碎块，同时，对于已经聚集形成的泥包，也会在此两种效应的作用下，被击碎。
Claims (6)
1.一种利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节，其特征在于：这种利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节包括上接头(1)、若干超声波振动工作头(2)、短节主体(3)、下接头(4)、若干超声波发生装置，短节主体(3)位于上接头(1)与下接头(4)之间，短节主体(3)同轴设置内套筒(6)，短节主体(3)与内套筒(6)之间形成封闭夹层，短节主体(3)外壁周身镶嵌若干超声波振动工作头(2)，超声波振动工作头(2)为底端开口的筒体，超声波振动工作头(2)的开口端与短节主体(3)固定连接，各超声波振动工作头(2)的开口端均位于封闭夹层内，每个超声波振动工作头的空腔内设置一个超声波发生装置，超声波发生装置的变幅杆(14)与超声波振动工作头(2)的封闭端相接；超声波振动工作头为六棱柱体，六棱柱体的底面与短节主体(3)相接，六棱柱体的其他表面均布满鱼鳞状花纹(5)，鱼鳞状花纹防止小型岩屑粘在超声波振动工作头表面，六棱柱体的边缘锋利，六棱柱体在旋转中搅碎岩屑；各超声波发生装置均与地面上的超声波控制器(15)通过电缆(16)连接；
超声波发生装置由粘接好的振子(10)和变幅杆(14)并与端盖(13)套接在一起，然后整体放置在超声波振动工作头的空腔内，并用卡簧(12)固定，振子(10)上的导线(11)与空腔内预埋的电缆接头(8)连接，变幅杆(14)下部与超声波振动工作头外壁接触。
2.根据权利要求1所述的利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节，其特征在于：所述的上接头(1)通过螺纹与钻杆(18)相连接，下接头(4)通过螺纹与钻杆(18)连接。
3.根据权利要求2所述的利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节，其特征在于：所述的短节主体(3)与超声波振动工作头(2)均由高性能耐磨合金材料一体成型制作而成，外涂特氟龙材料。
4.根据权利要求3所述的利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节，其特征在于：所述的超声波振动工作头(2)均匀分布于短节主体(3)外壁。
5.根据权利要求4所述的利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节，其特征在于：所述的超声波振动工作头(2)一圈圈分布于短节主体(3)外壁，每圈超声波振动工作头(2)之间间隔相等。
6.根据权利要求4所述的利用超声波振动防环空泥包的钻柱短节，其特征在于：所述的超声波振动工作头(2)呈螺旋状自下而上均匀分布于于短节主体(3)外壁。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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