CN1786409A - 水力脉冲钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油工业钻井作业中井下工具，它由上接头、悬挂盘、端帽、分流变向器、叶轮、轴、套子、密封压盖、转子、定子、本体、球轴承组成，使用时，本发明接在钻头的上方，当钻进时，一部分钻井液通过分流变向器带动叶轮进而带动转子旋转，当转子的流道与定子流道互相封闭时，通道面积最小，当转子的流道与定子的流道互相流通时，流道面积最大，从而造成流道面积的周期性变化，在下游形成持续的高压脉动射流，这种高压脉动射流有助于提高钻井机械钻速；另一部分流体从分流变向器的分流孔通过，避免了叶轮受卡造成工具中钻井液流的中断，降低了工具的应用风险。

Description

水力脉冲钻井工具

                       技术领域

本发明涉及一种水力脉冲钻井工具，属于石油工业中钻井中井下工具。

                       技术背景

目前，随着勘探向深部地层发展，深井越来越多，但随着井深的增加，沿程水力损耗增大，井底钻头可用水马力急剧下降，水力破岩、清岩的能力随之减弱，造成深井钻井速度下降。因此，如何尽可能地提高井底水力能量利用效率，进而提高钻井机械钻速是迫切解决的问题之一。

水力脉冲式钻井是利用特定的工具使钻井管柱中的连续流转变为水力脉冲射流，从而改变井底流场的压力状况，进而提高机械钻速的一种钻井新工艺。水力脉冲射流不同于连续射流，它产生的周期性动压力增大了钻头喷嘴射流的轴心瞬时冲击压力，使井底获得更高的能量。大多数岩石焦脆，不易发生明显的塑性变形，因此当岩石受到高的液压压缩时，大部分压缩能在岩石中储存起来，当瞬时冲击周期结束或卸载时，表面液压迅速解除，岩石体内的压缩能迅速向表面释放，岩石体内产生膨胀作用，这种膨胀作用促使岩屑从母岩中弹起，而内部产生拉应力，当其超过岩石的抗拉强度一般只有其抗压强度的2％-10％。因此射流的动压力大时，给岩石造成了拉应力，易引起岩石的拉伸破碎。由于水力脉冲射流具有很高的动压力，在井底岩屑(岩石)上造成拉应力，同时给岩屑一个周期性应力，因此动压力越大，井底净化效果更好，这是消除或减小了井底岩屑压持效应所致。

                        发明内容

进行水力脉冲钻井的关键是利用特定的工具使钻井管柱中的连续流转变为脉冲射流，实践证明，基于瞬变流理论产生的机械阻断式水力脉冲射流，具有较大的优越性。当管道流在某处瞬间启闭时，则在上下游产生水击增压波和降压波，这种压力波动必然作用在钻柱，产生周期性的压力脉动，这种脉动附加钻压对井底岩石产生交变的冲击载荷，使得岩石的裂隙扩展，强度减低，有利于体积破碎的产生，进而有利于提高机械钻速。同时这种压力脉动也会对钻柱产生交变的冲击动载，从而减小深井、水平井、大斜度井的摩阻，提高机械钻速。水力脉冲在下游产生的水击降压波的计算公式为： $\mathrm{\Δp}=\mathrm{\Δv}\sqrt{\mathrm{\ρE}},$ 这种降压波在井底钻头附近形成脉动性负压流场，这种井底局部脉冲负压降低了井底岩石的法向主应力，改善了井底岩石的受力状况；降低了岩屑压持效应，在同样的井底平均清洗水功率的条件下，比较容易获得好的净化效果，从而使得钻井速度提高。本发明的目的就是提供一种能够产生水力脉冲射流的水力脉冲钻井工具。

本发明主要由上接头、悬挂盘、端帽、分流变向器、叶轮、轴、套子、密封压盖、转子、定子、本体、球轴承组成，上接头和本体通过丝扣联接，分流变向器及叶轮被悬挂在轴上，轴用端帽悬挂在上接头上，叶轮下端通过套子与转子用花键连接，转子与定子之间是球连接，定子与本体之间有密封并成紧配合。

本发明是这样实现的：钻进时，钻柱中的钻井液进入上接头，通过分流变向器时，一部分流体通过分流变向器的侧向孔，进入分流变向器内部，驱动叶轮旋转，叶轮通过下端连接的套子带动转子旋转，转子旋转时，转子上面的流道与定子的流道时而连通时而断开，从而使定子下游的流体时而停止，时而流通，形成周期性的水力脉冲射流另一部分流体从分流变向器的分流孔通过，避免了叶轮受卡造成工具中钻井液流的中断，降低了工具的应用风险。

本发明基于影响深部地层钻井速度的机理分析，提出通过水力脉冲射流来减少“压持效应”、降低岩石的破碎强度，提高机械钻速，并且采用分流变向器降低了工具应用的风险。本发明具有结构简单、使用方便、不影响现有钻具结构等特点，对于油田提高钻井机械钻速、降低生产成本具有重要的实际意义。

                      附图说明

图1：水力脉冲钻井工具示意图

1-上接头、2-悬挂盘、3-端帽、4-分流变向器、5-叶轮、6-轴、7-套子、8-密封压盖、9-转子、10-定子、11-本体、12-球轴承。

                    具体实施方式

现结合说明书附图对本发明作进一步描述。

本发明主要由上接头1、悬挂盘2、端帽3、分流变向器4、叶轮5、轴6、套子7、密封压盖8、转子9、定子10、本体11、球轴承12组成。上接头1和本体11是两段加工有丝扣的中空管状体，本体11内腔下端加工有台阶，上接头1和本体11通过丝扣联接，悬挂盘2安装在上接头1内腔，中心开有通孔，孔周围加工有互不联通的数个通孔，分流变向器4为中空筒体，下端加工有外台阶，外台阶上沿同心圆开有分流孔，内腔加工有倒台阶，倒台阶下开有侧向通孔，轴6下端加工有外台阶，叶轮5套在轴6上装入分流变向器4内腔，轴6固定在分流变向器4上，并通过端帽3悬挂在悬挂盘2上，叶轮5与套子7通过丝扣联接，套子7与转子9通过花键连接，转子9与定子10上围绕圆心开有互不联通的数个通孔，转子9与定子10通过球轴承12连接，定子10坐在本体11的内台阶上。密封压盖8是一个环状体，压在转子9上，限制转子9上下活动。

使用时，本发明接在钻头上方，钻井液经钻柱进入上接头，从悬挂盘的通孔进入分流变向器与本体组成的环空，其中一部分经分流变向器侧孔进入分流变向器内腔，由垂直流变为径向流推动叶轮旋转，叶轮通过下端的套子带动转子旋转，转子旋转时，转子上的流道与定子的流道时而连通时而断开，从而在下游产生水力脉冲射流，另一部分流体从分流变向器的分流孔通过，避免了叶轮受卡造成工具中钻井液流的中断，降低了工具的应用风险。这种水力脉冲射流能够相较于连续射流提高机械钻速，降低钻井成本。

Claims (5)

1、水力脉冲钻井工具包括上接头1、悬挂盘2、端帽3、分流变向器4、叶轮5、轴6、套子7、密封压盖8、转子9、定子10、本体11、球轴承12，其特征是：上接头1和本体11是两段加工有丝扣的中空管状体，本体11内腔下端加工有台阶，上接头1和本体11通过丝扣联接，叶轮5套在轴6上装入分流变向器4内腔，轴6固定在分流变向器4上，并通过端帽3悬挂在悬挂盘2上，叶轮5与套子7通过丝扣联接，套子7与转子9通过花键连接，转子9与定子10通过球轴承12连接，定子10坐在本体11的内台阶上，密封压盖8是一个环状体，压在转子9上。

2、根据权利要求书1所述的水力脉冲钻井工具，其特征在于：转子9与定子10上围绕圆心开有互不联通的数个通孔。

3、根据权利要求书1所述的水力脉冲钻井工具，其特征在于：悬挂盘2中心开有通孔，孔周围加工有互不联通的数个通孔。

4、根据权利要求书1所述的水力脉冲钻井工具，其特征在于：分流变向器4为中空筒体，下端加工有外台阶，外台阶上沿同心圆开有分流孔，内腔加工有倒台阶，倒台阶下开有侧向通孔。

5、根据权利要求书1所述的水力脉冲钻井工具，其特征在于：轴6下端加工有外台阶。

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