CN202152634U - 频率可调脉冲射流提速装置 - Google Patents

Abstract

频率可调脉冲射流提速装置，应用于钻井技术领域提高钻井速度。在外壳体中心孔的上部有阶梯形内孔；在下部的阶梯内孔的台阶上固定有圆柱体形谐振脉冲管；在外壳体中部阶梯内孔的台阶上固定有周期导流平板；在外壳体上部阶梯内孔的台阶上固定有一块下固定孔平板；在下固定孔平板的上部有配合筒；在配合筒的上部固定有上固定孔平板；在中心轴上焊接有导流叶片；在中心轴的下端有连接块；连接块的下端固定有转动密封块。转动密封块的中心距与周期导流平板上的扰流通孔中心距相同。效果是：能将钻井液的部分动能通过周期性开、闭的流体通道将连续的钻井液流动转化为具有一定频率的脉冲流体。提高破岩效率和钻井速度15％以上。

Description

频率可调脉冲射流提速装置

技术领域

本实用新型涉及钻井技术领域，特别涉及一种钻井井下新装置，是一种提高钻井速度、频率可调的脉冲射流提速装置。

背景技术

钻井工程就是通过钻井工具和技术开凿出通往地下的原油通道。目前，主要用于石油、天然气、地热、地下水等资源开采，此外钻井工程还被用于核废料处理、CO₂的深层储存等一些前沿科学领域。随着钻井深度和难度的增加，对钻井技术本身也提出新的要求。特别是深井、超深井，钻井工程的主要难点是机械钻速低、钻井周期长、钻井费用高。提高钻头破岩效率、提高钻井速度、缩短周期是钻井技术一直追求的目标。

钻井工程最重要的一步是破碎岩石。破碎岩石所需要能量来自地表，能量通过钻井液、钻杆传递到下部钻头，钻头直接破岩。过去几十年间出现了一批技术用于提高钻头破岩效率的技术，脉冲射流钻井就是其中一种。脉冲射流钻井提速技术是将钻井液的连续流动转动成一定频率的间歇流动。通过这种转换钻井液在钻头水眼的出口速度大幅提高，直接带来射流冲击效率的提高，水力破岩效率得到增强。脉冲射流效应改变井底岩屑床的分布，提高了井底钻头部岩屑上返速度，避免了岩屑的重复破碎。脉冲射流效应周期性地降低井底压力，这种周期性降低井底压力减小井底岩石“压持效应”，使钻井速度得到提高。在上述三种效应的作用下，脉冲射流钻井技术有效地提高了钻井机械钻速。

国内脉冲射流钻井技术也得到较为广泛的推广应用，取得较好的提速效果。传统的脉冲钻井技术多采用脉冲钻头，由于钻头尺寸限制，脉冲射流在振幅和脉冲频率的调制方面限制较多。脉冲钻头频率多为随流量变化值，且无法调节，导致脉冲射流钻井技术未能最大限度的发挥作用。随着当前井深增加，需更大限度的发挥脉冲射流的效能，使脉冲射流钻井技术根据地层特性需求对频率和幅值进行适当的调整。

实用新型内容

本实用新型的目的是：提供一种频率可调脉冲射流提速装置，能将连续流动的钻井液调制成具有一定频率的脉冲射流，脉冲射流经谐振放大后脉冲幅值增大，最终使钻头水眼出口处的连续流体转换成具有一定频率和幅值的脉冲射流，提高钻头的破岩效率、周期性地降低井底压力和减小井底岩石“压持效应”，解决当前破岩效率低、钻井成本高的问题，特别适用于中深地层的钻井提速。通过脉冲调制系统中配合阀件的数量的不同，达到调整脉冲射流的频率和脉冲幅值，以适应地层岩性，最终实现钻井提速的目的。

本实用新型采用的技术方案是：频率可调脉冲射流提速装置，主要由外壳体、轴承、上固定孔平板、导流叶片、配合筒、下固定孔平板、中心轴、转动密封块、连接块、周期导流平板和谐振脉冲管组成，在圆柱体形的外壳体的上端有钻具内螺纹，能连接在钻杆柱的下端；在外壳体的下端有钻具外螺纹，能连接钻头。其特征在于：在外壳体内下部有中心孔，在中心孔的上部有三个阶梯形内孔；在下部的阶梯内孔的台阶上固定有圆柱体形谐振脉冲管，谐振脉冲管有调整脉冲射流的阶梯形中心孔；在外壳体中部阶梯内孔的台阶上固定有一块周期导流平板；周期导流平板上对称分布有扰流通孔，扰流通孔是钻井液流动的通道；在外壳体上部阶梯内孔的台阶上固定有一块下固定孔平板，下固定孔平板有中心孔，在下固定孔平板的中心孔内固定有轴承，在下固定孔平板中心孔周围有通孔，通孔是钻井液的流动通道。在下固定孔平板的上部有配合筒，配合筒为柱体形，配合筒中心孔；在配合筒的上部固定有上固定孔平板，上固定孔平板有中心孔，在上固定孔平板的中心孔内固定有轴承，在上固定孔平板中心孔周围有通孔，通孔是钻井液的流动通道。在上固定孔平板固定的轴承和下固定孔平板固定的轴承上有一个中心轴；在中心轴上焊接有导流叶片。配合筒直径大于导流叶片的外径。钻井液通过上固定孔平板的导流孔后冲击导流叶片，导流叶片改变了钻井液的流动方向，同时导流叶片在流体冲击作用下带到中心轴旋转。导流叶片将钻井液的部分动能转换成中心轴的旋转机械能。中心轴的下端穿过下固定孔平板上固定的轴承，在中心轴的下端通过螺纹或焊接的方式连接有连接块；连接块的下端通过焊接或螺纹对称固定有转动密封块。转动密封块的下平面在周期导流平板上平面上，转动密封块的中心距与周期导流平板上的扰流通孔中心距相同；连接块的数量、转动密封块的数量和周期导流平板上的扰流通孔的数量相同。中心轴旋转并通过连接块带动转动密封块旋转。在旋转的过程中，当转动密封块与扰流通孔相对时，转动密封块堵塞扰流通孔形成密封，此时钻井液的流动通道被完全切断；随着中心轴旋转，转动密封块与扰流通孔间的密封消失，钻井液能通过扰流通孔继续向下流动。在中心轴带动转动密封块旋转的过程中，转动密封块与扰流通孔间形成周期的密封，这种周期性的密封使原本连续流动钻井液变成周期性的脉冲流体。

所述的外壳体的三个阶梯形内孔分别为正多边形孔或圆形孔，比如：正四边形、正六边形、正八边形或圆形孔；所述的谐振脉冲管、周期导流平板、下固定孔平板、配合筒和上固定孔平板的外壁形状与其配合的外壳体的阶梯形内孔的截面形状相同。

上固定孔平板与下固定孔平板之间的距离为50～2000mm。

中心轴上端面与上固定孔平板上平面重合，中心轴下端面距离下固定孔平板上平面50～1000mm。

下固定孔平板上的扰流通孔的数量为1～10个。

谐振脉冲管安装在周期导流平板的下端，主要作用是对脉冲流体进行再次诱导脉冲，形成共振、增大流体的脉冲增幅。谐振脉冲管中心有阶梯孔，孔为圆形或多边形，孔直接或当量直径从上至下依次减小。谐振脉冲管为柱状多边体或圆形，与外壳下部孔配合。

本实用新型的有益效果：本实用新型频率可调脉冲射流提速装置，频率可调脉冲射流提速装置首先是将钻井液的部分动能通过涡轮动力系统转化为中心轴旋转机械能。中心轴的旋转带动转动密封块的旋转，转动密封块与周期导流平板的扰流通孔形成具有一定频率开、闭的钻井液通道。这种周期性开、闭的流体通道将连续的钻井液流动转化为具有一定频率的脉冲流体。脉冲流体进入谐振脉冲管后，脉冲振幅增大。钻头水眼出口处的钻井液处于脉冲流动状态，脉冲射流一方面降低了钻头周围的岩石的“压持效应”，同时还能周期性的降低井底压力；这有助于提高破岩效率和钻井速度。能根据地层需要调配阀件，实现脉冲射流频率和幅值的调整。频率可调脉冲射流提速装置对钻井工艺工程无需修改、在不增加地面机泵功率的情况下能有效的高破岩效率。此外频率可调脉冲射流提速短接装置尺寸小、安装便捷、成本低、适用范围广、具有广阔的应用前景，特别是对中深度地层可提高钻井速度15％以上。

附图说明

图1是本实用新型频率可调脉冲射流提速装置结构剖面示意图。

图2是周期导流平板结构示意图。

图3a工作状态示意图，是处于打开状态。

图3b 工作状态示意图，是处于关闭状态。

图中，1-外壳体，2-轴承，3-上固定孔平板，4-导流叶片，5-配合筒，6-下固定孔平板，7-中心轴，8-转动密封块，9-连接块，10-周期导流平板，11-谐振脉冲管。

具体实施方式

实施例1：以一个频率可调脉冲射流提速装置为例，对本实用新型作进一步详细说明。

参阅图1。本实用新型频率可调脉冲射流提速装置，主要由外壳体1、轴承2、上固定孔平板3、导流叶片4、配合筒5、下固定孔平板6、中心轴7、转动密封块8、连接块9、周期导流平板10和谐振脉冲管11组成。在圆柱体形的外壳体1的上端有钻具内螺纹；在外壳体1的下端有钻具外螺纹。在外壳体1内下部有中心孔，在中心孔的上部有三个阶梯形内孔。下部的阶梯形内孔为圆形孔；中部的阶梯形内孔为正八边形孔；上部的阶梯形内孔为正八边形孔。

在下部的阶梯内孔的台阶上固定有圆柱体形谐振脉冲管11，谐振脉冲管11有调整脉冲射流的阶梯形中心孔(即：谐振腔)，中心孔为圆形孔。谐振腔的作用是对脉冲射流的脉冲幅值进一步放大。

在外壳体1中部阶梯内孔的台阶上固定有一块周期导流平板10。参阅图2。周期导流平板10的外壁形状与中部阶梯内孔的截面形状相同，是正八边形。周期导流平板10上对称分布有两个扰流通孔201，扰流通孔201是钻井液流动的通道。

参阅图1。在外壳体1上部阶梯内孔的台阶上固定有一块下固定孔平板6，下固定孔平板6的外壁形状与上部阶梯内孔的截面形状相同，是正八边形。下固定孔平板6有中心孔，在下固定孔平板6的中心孔内固定有一个轴承2。在下固定孔平板6中心孔周围有四个通孔，四个通孔是钻井液循环的流通途径。在下固定孔平板6的上部有外壁形状为正八边形的配合筒5，配合筒5中心孔。在配合筒5的上部固定有一个上固定孔平板3，上固定孔平板3的外壁形状与上部阶梯内孔的截面形状相同，是正八边形。上固定孔平板3有中心孔，在上固定孔平板3的中心孔内固定有一个轴承2，在上固定孔平板3中心孔周围有四个通孔。上固定孔平板3与下固定孔平板6之间的距离为500mm。

参阅图1。在上固定孔平板3固定的轴承2和下固定孔平板6固定的轴承2上固定有一个中心轴7。在中心轴7上焊接有两层导流叶片4。中心轴7的下端穿过下固定孔平板6上固定的轴承2，中心轴7下端面距离下固定孔平板10上平面300mm。在中心轴7的下端通过焊接的方式连接有连接块9。连接块9的下端通过焊接对称固定有转动密封块8。转动密封块8的下平面在周期导流平板10上平面上，转动密封块8的中心距与周期导流平板10上的扰流通孔201中心距相同；连接块9的数量、转动密封块8的数量和周期导流平板10上的扰流通孔201的数量为两个。

简述频率可调脉冲射流提速装置在井下与钻头连接的工作状态。图3a表示的是转动密封块8与扰流通孔201未形成密封状态，此时钻井液沿图3a箭头方向流动。钻井液首先通过上固定孔平板3的流道，然后通过周期导流平板10的扰流通道201，随后经过谐振脉冲传扭腔11的谐振腔，最后通过下部连接钻头的钻头内流道射入井底。图3b表示的是转动密封块8与扰流通孔201形成密封状态，此时钻井液沿图3b箭头方向流动。钻井液首先通过上固定孔平板3的流道后，由于转动密封块8和扰流通孔201形成的密封关闭了钻井液的流道，谐振脉冲管11中无钻井液流过。周期导流平板10以下至钻头水眼无钻井液，井底瞬时无流体射入，井下压力降低。

频率可调脉冲射流提速装置，通过脉冲调制系统中配合阀件的数量的调配，达到调整脉冲射流的频率和脉冲幅值，以产生适应地层岩性的脉冲射流，提高钻头的破岩效率和钻井速度。

Claims (5)

1.一种频率可调脉冲射流提速装置，主要由外壳体(1)、轴承(2)、上固定孔平板(3)、导流叶片(4)、配合筒(5)、下固定孔平板(6)、中心轴(7)、转动密封块(8)、连接块(9)、周期导流平板(10)和谐振脉冲管(11)组成，在圆柱体形的外壳体(1)的上端有钻具内螺纹；在外壳体(1)的下端有钻具外螺纹，其特征在于：在外壳体(1)内下部有中心孔，在中心孔的上部有三个阶梯形内孔；在下部的阶梯内孔的台阶上固定有圆柱体形谐振脉冲管(11)，谐振脉冲管(11)有调整脉冲射流的阶梯形中心孔；在外壳体(1)中部阶梯内孔的台阶上固定有一块周期导流平板(10)；周期导流平板(10)上对称分布有扰流通孔(201)，扰流通孔是钻井液流动的通道；在外壳体(1)上部阶梯内孔的台阶上固定有一块下固定孔平板(6)，下固定孔平板(6)有中心孔，在下固定孔平板(6)的中心孔内固定有轴承(2)，在下固定孔平板(6)中心孔周围有通孔；在下固定孔平板(6)的上部有配合筒(5)，配合筒(5)为柱体形，配合筒(5)中心孔；在配合筒(5)的上部固定有上固定孔平板(3)，上固定孔平板(3)有中心孔，在上固定孔平板(3)的中心孔内固定有轴承(2)，在上固定孔平板(3)中心孔周围有通孔；在上固定孔平板(3)固定的轴承(2)和下固定孔平板(6)固定的轴承(2)上有一个中心轴(7)；在中心轴(7)上焊接有导流叶片(4)；中心轴(7)的下端穿过下固定孔平板(6)上固定的轴承(2)，在中心轴(7)的下端通过螺纹或焊接的方式连接有连接块(9)；连接块(9)的下端通过焊接或螺纹对称固定有转动密封块(8)；转动密封块(8)的下平面在周期导流平板(10)上平面上，转动密封块(8)的中心距与周期导流平板(10)上的扰流通孔(201)中心距相同；连接块(9)的数量、转动密封块(8)的数量和周期导流平板(10)上的扰流通孔(201)的数量相同。

2.根据权利要求1所述的频率可调脉冲射流提速装置，其特征是： 所述的外壳体(1)的三个阶梯形内孔分别为正多边形孔或圆形孔；所述的谐振脉冲管(11)、周期导流平板(10)、下固定孔平板(6)、配合筒(5)和上固定孔平板(3)的外壁形状与其配合的外壳体(1)的阶梯形内孔的截面形状相同。

3.根据权利要求1所述的频率可调脉冲射流提速装置，其特征是：上固定孔平板(3)与下固定孔平板(6)之间的距离为50～2000mm。

4.根据权利要求1所述的频率可调脉冲射流提速装置，其特征是：中心轴(7)上端面与上固定孔平板(3)上平面重合，中心轴(7)下端面距离下固定孔平板(10)上平面50～1000mm。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的频率可调脉冲射流提速装置，其特征是：下固定孔平板(10)上的扰流通孔(201)的数量为1～10个。 

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