CN115788307A - 双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具 - Google Patents
双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及油气钻井技术领域，具体公开了一种双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，包括钻柱、领眼钻头、扩眼钻头和流体自激振荡腔；流体自激振荡腔设置在钻柱的钻井液流道的底部；领眼钻头沿上下方向滑动设置在扩眼钻头的底部，且领眼钻头与扩眼钻头之间设置有弹性件使领眼钻头具有向下的弹力，且领眼钻头的顶部与流体自激振荡腔的出口连通；领眼钻头的内部设置有高压脉冲射流孔；扩眼钻头内设置有第一下喷流道和第二下喷流道。本发明通过高压脉冲射流在井底多方位的辅助破岩、领眼钻头低频高强度的振动冲击以及与扩眼钻头的交互配合，大幅提高破岩效率，且不消耗水力能量，还能减缓钻柱振动，提高钻头使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及油气钻井技术领域，具体涉及双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具。
背景技术
深层、超深层油气及地热资源的勘探开发面临岩石可钻性差、机械钻速慢，在深层钻井中，井底钻井液能量有限，地面射流经传递到钻头处能量也会降低，在针对以上难题，高效破岩方法及钻井提速工具是解决该问题的有效手段之一。为此，旋冲破岩提速工具、扭冲破岩提速工具、高压脉冲射流辅助破岩工具、减振增压提速工具、双级钻头、差压式钻头等一系列钻井提速工具相继被研发，且取得了不错的提速效果。上述提速工具根据提速原理可分为三类：双级钻头、振动冲击、高压脉冲射流。为了提高深部硬地层的破岩效率，单纯依靠一种提速原理已不能满足需求，因此，“公开号为CN201710975525.0的专利申请公开了可产生水力脉冲和冲击振动双作用的钻井提速装置”“公开号为CN201710041423.1的专利申请公开了脉动冲击产生机构及含有该产生机构的中心差压钻头”等综合2种甚至3种提速原理的提速工具相继被提出，尤其是公开专利CN201710041423.1，综合了3种提速原理，优势明显，但该专利所述提速工具目前还存在如下不足：①水力脉冲是通过钻井液驱动螺旋转子和叶轮叶片相对运动产生的，需要消耗水力能量，且脉冲压力较小；②产生的脉冲射流仅能起到辅助清洁井底岩屑的作用，难以产生高压脉冲射流辅助破岩；③双级钻头的提速效率较大程度上取决于领眼钻头的破岩效率，但该专利脉冲射流对领眼钻头的冲击力不大，产生的冲击振动破岩效果不佳，一定程度上限制了双级钻头的提速效果。因此，有必要针对以上存在的问题，研发不额外消耗水力能量、能够产生高压脉冲射流和更大振动冲击载荷以及双级钻头3种提速原理相结合的钻井提速工具。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，通过高压脉冲射流在井底多方位的辅助破岩、领眼钻头低频高强度的振动冲击以及与扩眼钻头的交互配合，大幅提高破岩效率，且不消耗水力能量，还能减缓钻柱振动，提高钻头使用寿命。
本发明解决技术问题的技术方案为：
一种双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，包括钻柱、领眼钻头、扩眼钻头和流体自激振荡腔，所述的钻柱内设置有钻井液流道；
所述的流体自激振荡腔设置在钻柱的钻井液流道的底部；
所述的扩眼钻头固定设置在钻柱的底部，所述的领眼钻头沿上下方向滑动设置在扩眼钻头的底部，且所述的领眼钻头与扩眼钻头之间设置有弹性件使领眼钻头具有向下的弹力，且所述的领眼钻头的顶部与流体自激振荡腔的出口连通；
所述的领眼钻头的内部设置有高压脉冲射流孔，所述的高压脉冲射流孔的入水口位于流体自激振荡腔的下方，所述的高压脉冲射流孔的出水口位于领眼钻头的底部；
所述的扩眼钻头内设置有第一下喷流道和第二下喷流道，所述的第一下喷流道和第二下喷流道的出水口位于扩眼钻头的底部，所述的第一下喷流道的入水口位于流体自激振荡腔的上方且与钻柱的钻井液流道连通，所述的第二下喷流道的入水口位于流体自激振荡腔的下方，且所述的第二下喷流道的入水口位于领眼钻头的滑动通道内，当领眼钻头滑动至最顶端时第二下喷流道的入水口被领眼钻头封堵，当领眼钻头滑动至最底端时第二下喷流道的入水口与流体自激振荡腔连通。
进一步地，所述的高压脉冲射流孔位于领眼钻头的轴心处，且上下贯通。
进一步地，流体自激振荡腔的出口口径小于领眼钻头顶部直径。
进一步地，所述的弹性件为弹簧，所述的领眼钻头的侧边固定设置有的外延板，所述的扩眼钻头内设置供外延板上下滑动的空腔，弹簧设置于所述的外延板与空腔的上壁之间。
进一步地，所述的领眼钻头滑动至底端时，领眼钻头的顶部与第二下喷流道的入水口平齐。
进一步地，所述的领眼钻头与扩眼钻头之间设置有滑动密封件。
本发明的有益效果：
1、本发明将双级钻头、振动冲击、高压脉冲射流三种提速原理相耦合：
利用双级钻头原理，领眼钻头和扩眼钻头在破岩后会形成两个同心的破碎环，领眼钻头形成的破碎环小于扩眼钻头，先通过领眼钻头破岩，领眼钻头在破岩后形成较小的破碎坑，先释放地层岩石的内应力，使岩石破碎强度降低，之后扩眼钻头跟进破碎台阶体岩石；
经流体自激振荡腔调制高压脉冲射流，高压脉冲射流的冲击作用于领眼钻头顶部的台阶位置，对领眼钻头施加一定频率的冲击载荷，即振动冲击，在高压脉冲射流对领眼钻头的冲击以及弹簧弹力对领眼钻头的弹力作用下，使领眼钻头在高钻压下工作，高压脉冲射流经过高压脉冲射流孔喷出，对井底进行高压脉冲射流，实现领眼钻头在高钻压、振动冲击和高压脉冲射流三重作用下钻进；
当领眼钻头到达极限位置后，扩眼钻头获得最大钻压，冲击载荷部分传递给扩眼钻头，脉冲射流一部分经第二下喷流道分流至扩眼钻头，也使扩眼钻头钻速提高；脉冲射流和钻头的耦合工作，也能使岩石表面应力集中，促使裂纹迅速扩展，实现高效破岩的目的。
较常规提速工具，本方法效率高、功率消耗小、寿命长的优势更为突出。且实现方式简单，通过精妙的结构设计，能在现有技术基础上有效提高破岩效率的同时，尽可能减小了设备成本投入。
2、本发明将一部分高压脉冲流体经扩眼钻头的第一下喷流道喷出，对井底进行辅助破岩；另一部分高压脉冲流体经流体自激振荡腔的调制，产生更高压力和更低频率的脉冲，对领眼钻头施加高压低频的脉动冲击力，同时从领眼钻头的高压脉冲射流孔喷出，在高压脉冲射流和振动冲击的双重作用下提高领眼钻头的破岩效率；当领眼钻头钻进完、需要扩眼钻头钻进时，高压脉冲射流经第二下喷流道喷出，辅助扩眼钻头钻进。通过这一设计，实现了流体的分配更加恰当的效果，即在需要领眼钻头钻进时，分配更多的高压脉冲射流辅助领眼钻头钻进，需要扩眼钻头钻进时，分配更多的高压脉冲射流辅助扩眼钻头钻进。
3、本发明的流体自激振荡腔通过第二下喷流道实现了与领眼钻头和扩眼钻头的耦合：1）经流体自激振荡腔调制的高压水射流作用于领眼钻头顶部，为领眼钻头提供向下冲击载荷；2）领眼钻头向下运动后，第二下喷流道入口打开，流体从第二下喷流道射出后实现卸载。
4、从本发明中第一下喷流道射出的水射流和从第二下喷流道、高压脉冲射流孔释放的高压脉冲射流辅助破岩的具体表现为既可以提前破岩，形成一个破碎坑，释放地层内应力，也可以改变地层应力状态，方便领眼钻头破岩，还可以有效改善压持作用，提高钻进效率。
5、本发明优选流体自激振荡腔，针对钻头、钻具的空间局限性和现有螺杆钻具需要消耗大量水力能量才能产生高压脉冲射流的问题，优选了占用空间小、消耗水力能量小、利用自激振荡产生高压脉冲射流的流体自激振荡腔，通过流体自激振荡放大压力脉冲信号，实现脉冲信号共振、叠合、放大，提高脉冲能量利用率，作用是调制高压脉冲水流，本装置产生的脉冲射流具有更强的岩石表面破碎能力和岩石内部径向破坏能力大大提高了井底清洗效率，同时相比于常规脉冲射流，本方法调制的自激脉冲射流能够产生较大的瞬时冲击能，能有效地辅助破岩，大大提高钻井速度，也解决了常规射流对领眼钻头的冲击力不大，产生的冲击振动破岩效果不佳的问题，最大限度地实现了双级钻头的提速效果。通过调节流体自激振荡腔的参数，使之调制的高压脉冲射流与领眼钻头轴向运动的频率相同，给领眼钻头以振动同频的动力载荷，耦合领眼钻头的振动频率，为领眼钻头的振动钻进提供同步动力，也可以从领眼钻头的高压脉冲射流孔射出直接破岩，释放地层压力，或辅助破岩，提前改变岩石的应力状态。
7、由于材料不均匀和制造安装的偏差，转动部件偏心或转轴偏离惯性主轴，旋转时会产生附加反力，影响机器的平稳运行、机械效率和机件的寿命，本发明当领眼钻头和扩眼钻头转向相反时，钻杆上传递的扭矩方向相反，有助于降低钻柱的附加转矩；当领眼钻头和扩眼钻头转向相同时，领眼钻头钻速高于扩眼钻头，有助于延长钻头寿命。
附图说明
图1为本发明处于工作流程（I）时的结构示意图；
图2为本发明处于工作流程（II）时的结构示意图；
图3为本发明处于工作流程（III）时的结构示意图；
图中，钻柱1，钻井液流道11，领眼钻头2，高压脉冲射流孔21，弹簧22，扩眼钻头3，第一下喷流道31，第二下喷流道32，空腔33，外延板34，流体自激振荡腔4。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例一
一种双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，包括钻柱1、领眼钻头2、扩眼钻头3和流体自激振荡腔4，所述的钻柱1内设置有钻井液流道11；
所述的流体自激振荡腔4设置在钻柱1的钻井液流道11的底部；流体自激振荡腔可以在不额外消耗水力能量的前提下，可以实现在井底调制产生高压脉冲水射流。具体的，流体自激振荡腔4是现有技术中所公开的，如石油学报中公开的《新型自激脉冲射流装置实验与现场应用》中的自激振荡腔结构即为流体自激振荡腔。
所述的扩眼钻头3固定设置在钻柱1的底部，所述的领眼钻头2沿上下方向滑动设置在扩眼钻头3的底部，且所述的领眼钻头2与扩眼钻头3之间设置有弹性件使领眼钻头具有向下的弹力，且所述的领眼钻头2的顶部与流体自激振荡腔4的出口连通；
所述的领眼钻头2的内部设置有高压脉冲射流孔21，所述的高压脉冲射流孔21的入水口位于流体自激振荡腔4的下方，所述的高压脉冲射流孔21的出水口位于领眼钻头2的底部；
所述的扩眼钻头3内设置有第一下喷流道31和第二下喷流道32，所述的第一下喷流道31和第二下喷流道32的出水口位于扩眼钻头3的底部，所述的第一下喷流道31的入水口位于流体自激振荡腔4的上方且与钻柱1的钻井液流道11连通，所述的第二下喷流道32的入水口位于流体自激振荡腔4的下方，且所述的第二下喷流道32的入水口位于领眼钻头2的滑动通道内，当领眼钻头2滑动至最顶端时第二下喷流道32的入水口被领眼钻头2封堵，当领眼钻头2滑动至最底端时第二下喷流道32的入水口与流体自激振荡腔4连通。第一下喷流道31射出的是地面射流经过长距离传递后能量降低的水射流，经第一下喷流道31从扩眼钻头射出，可辅助破岩；当领眼钻头处于上极限位置时，该第二下喷流道32被堵住，当领眼钻头向下冲击时，作用在其顶部的高压射流同时向下运动，进入设置在滑动通道侧面的第二下喷流道32，从扩眼钻头射出辅助破岩。通过第二下喷流道32的设置，领眼钻头向下冲击后还有相对于扩眼钻头的向上运动，实际是领眼钻头基本静止，扩眼钻头向下冲击，那么水射流动力载荷就不能持续作用在其上，否则相对于扩眼钻头的向上运动将会需要大量能量去抵抗，第二下喷流道32的设置可以实现水射流载荷作用在领眼钻头给予向下冲击的动力后，经过第二下喷流道32射出卸掉载荷，减少领眼钻头钻压，方便后续扩眼钻头跟进向下冲击，同时射出的流体可以辅助破岩。
经流体自激振荡腔调制后的高压水射流自腔体出道射出后有两个去处：高压脉冲射流孔21和第二下喷流道32；
另一种实施例，与实施例一的区别在于，所述的高压脉冲射流孔21位于领眼钻头2的轴心处，且上下贯通。
另一种实施例，与实施例一的区别在于，流体自激振荡腔4的出口口径小于领眼钻头2顶部直径。这种设置可以将流体自激振荡腔出道口作为领眼钻头运动的上极限位置，射出高压脉冲流体可直接接触领眼钻头2顶部，为领眼钻头提供动力载荷，同时可进入设置在领眼钻头顶部的高压脉冲水射流孔入口，自领眼钻头射出辅助破岩。
另一种实施例，与实施例一的区别在于，所述的弹性件为弹簧22，所述的领眼钻头2的侧边固定设置有的外延板34，所述的扩眼钻头3内设置供外延板34上下滑动的空腔33，弹簧22设置于所述的外延板34与空腔34的上壁之间。外延板34可以实现对领眼钻头下极限位置的约束。具体的，空腔33顶部低于领眼钻头下极限位置时的顶部，也就是水射流不会进入空腔33。
另一种实施例，与实施例一的区别在于，所述的领眼钻头2滑动至底端时，领眼钻头2的顶部与第二下喷流道32的入水口平齐。
另一种实施例，与实施例一的区别在于，所述的领眼钻头2与扩眼钻头3之间设置有滑动密封件。
本发明的具体工作流程：
（I）.钻头开始工作，领眼钻头2通过钻柱1获得钻压，弹簧处于压缩状态，此时，一部分钻井液从扩眼钻头的第一下喷流道31处喷出，实现清洁井底的作用，另一部分钻井液经流体自激振荡腔4调制后的高压脉冲射流，通过高压脉冲射流孔21喷出，这部分脉冲射流不仅可以清洁井底岩屑，还能产生足够大的冲击力辅助破岩；同时，另一部分脉冲射流的冲击作用于领眼钻头2顶部的台阶位置，对领眼钻头施加一定频率的冲击载荷，实现领眼钻头在高钻压、振动冲击和高压脉冲射流三重作用下钻进。领眼钻头在高压脉冲射流的冲击载荷下获得最大钻压，获得初始钻进速度。此时，领眼钻头钻进速度远大于扩眼钻头。
（II）.在钻压作用下领眼钻头继续向下钻进破岩，钻进过程中弹簧的弹性势能被释放，弹簧伸长。该过程中领眼钻头仍在振动冲击和脉冲射流的双重作用下实现破岩。
（III）.弹簧继续延伸到最大长度，此时领眼钻头达到极限位置，第二下喷流道32的位置正好是领眼钻头的极限位置的顶部，更多的脉冲射流在此时通过第二下喷流道32从扩眼钻头中射出，使射流对于领眼钻头的能量减少，施加于领眼钻头的振动冲击作用和脉冲射流作用降低，钻柱产生的钻压也由领眼钻头传递至扩眼钻头，此时，扩眼钻头获得最大钻压扩眼钻头快速钻进。由第二下喷流道32喷出的脉冲射流也辅助扩眼钻头进行破岩，提高了扩眼钻头钻进速度，速度大于领眼钻头后，实现扩眼。
（IV）.扩眼钻头继续向下，弹簧重新被压缩，此时第二下喷流道32关闭，领眼钻头重新获得最大钻压，领眼钻头速度重新大于扩眼钻头，继续破岩钻进。
流程（I）~（IV）不断循环，实现了领眼钻头与扩眼钻头自动分配钻压，自动分配射流能量，同时，还可以有效控制领眼钻头的振动冲击力。本装置借助领眼钻头顶部的台阶，巧妙控制领眼钻头和扩眼钻头的钻进速度，实现高效破岩钻进。
上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，其特征在于，包括钻柱（1）、领眼钻头（2）、扩眼钻头（3）和流体自激振荡腔（4），所述的钻柱（1）内设置有钻井液流道（11）；
所述的流体自激振荡腔（4）设置在钻柱（1）的钻井液流道（11）的底部；
所述的扩眼钻头（3）固定设置在钻柱（1）的底部，所述的领眼钻头（2）沿上下方向滑动设置在扩眼钻头（3）的底部，且所述的领眼钻头（2）与扩眼钻头（3）之间设置有弹性件使领眼钻头具有向下的弹力，且所述的领眼钻头（2）的顶部与流体自激振荡腔（4）的出口连通；
所述的领眼钻头（2）的内部设置有高压脉冲射流孔（21），所述的高压脉冲射流孔（21）的入水口位于流体自激振荡腔（4）的下方，所述的高压脉冲射流孔（21）的出水口位于领眼钻头（2）的底部；
所述的扩眼钻头（3）内设置有第一下喷流道（31）和第二下喷流道（32），所述的第一下喷流道（31）和第二下喷流道（32）的出水口位于扩眼钻头（3）的底部，所述的第一下喷流道（31）的入水口位于流体自激振荡腔（4）的上方且与钻柱（1）的钻井液流道（11）连通，所述的第二下喷流道（32）的入水口位于流体自激振荡腔（4）的下方，且所述的第二下喷流道（32）的入水口位于领眼钻头（2）的滑动通道内，当领眼钻头（2）滑动至最顶端时第二下喷流道（32）的入水口被领眼钻头（2）封堵，当领眼钻头（2）滑动至最底端时第二下喷流道（32）的入水口与流体自激振荡腔（4）连通。
2.如权利要求1所述的双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，其特征在于，流体自激振荡腔（4）的出口口径小于领眼钻头（2）顶部直径。
3.如权利要求1所述的双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，其特征在于，所述的领眼钻头（2）滑动至底端时，领眼钻头（2）的顶部与第二下喷流道（32）的入水口平齐。
4.如权利要求1-3任一项所述的双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，其特征在于，所述的弹性件为弹簧（22），所述的领眼钻头（2）的侧边固定设置有的外延板（34），所述的扩眼钻头（3）内设置供外延板（34）上下滑动的空腔（33），弹簧（22）设置于所述的外延板（34）与空腔（34）的上壁之间。
5.如权利要求1-3任一项所述的双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，其特征在于，所述的领眼钻头（2）与扩眼钻头（3）之间设置有滑动密封件。
6.如权利要求1-3任一项所述的双级钻头与振动冲击及高压脉冲射流相耦合的钻井工具，其特征在于，所述的高压脉冲射流孔（21）位于领眼钻头（2）的轴心处，且上下贯通。
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