CN2718198Y - 一种在井底产生水击压力脉动的钻头短节 - Google Patents

Abstract

一种在井底产生水击压力脉动的钻头短节由壳体、转换接头、喷嘴、上内管、下内管、联结套、钻头驱动短节、活塞、堵头、堵头承座等组成，其特征是钻头驱动短节在壳体下端与壳体配装，上端和下端分别与联结套和钻头相联，下内管与联结套配装、其上端装有堵头承座，上内管的下部装有缸套、活塞、堵头等组成的部件，在转换接头的下端装有喷嘴，上端与钻柱相连，工具的工作原理是利用伯努力效应，使堵头周期性阻断钻井液的通道，形成水击压力作用于钻头，使钻头产生机械振动，同时水击压力向下传播至井底，使并底流场产生脉动，钻头的机械振动和井底流场的水力脉动的综合作用，使得钻头与井底附近岩石的受力状况显著改善，有效提高钻头的破岩钻进效率。

Description

一种在井底产生水击压力脉动的钻头短节

                       技术领域

本实用新型属于石油、天然气钻井的配套装置。

                       技术背景

目前国内油气勘探、开发正向深部地层发展，出现坚硬不易破碎的地层越来越多，井深的增大造成的钻头直径大、井段长，机械钻速慢等问题一直影响着整个井的施工进程和钻井成本。例如：经常遇到钻压小、钻速慢、易井斜、钻头选型范围小以及寿命短等一系列问题，使勘探费用大大超出计划投资，勘探周期大大延长，大大制约了勘探开发的进展。因此，寻找新的、高效的破岩技术，对进一步提高这些区域的钻井速度、降低钻井成本、缩短勘探开发周期具有重要意义。

实践表明，在不增加地面设备能力的前提下，合理利用水力能量或以水力能量驱动适当井下工具辅助破岩，是当前有效提高深部地层钻井速度的最可行的途径之一。利用井底水力脉动，或对钻头施加适当的周期性冲击作用力，通过改善井底附近岩石或钻头的受力状况，来提高钻头的破岩钻进效率，是已为实践证明有效的技术手段。

利用井底水力脉动提高破岩钻进效率的基本原理，是利用适当方法使井底流场产生脉动效应，迫使岩屑翻转、启动，强化井底的净化，减少由于“压持效应”引起的重复切削，同时在一定程度上改善井底附近的岩石受力状况，使得钻头的破岩效率提高。这种提高钻井速度的方法，由于实现方式相对简单，易于见到效果，因而曾受到广泛重视。自20世纪80年代至90年代初期，国内外学者在水力脉破岩、辅助破岩机理方面开展了系统而深入的工作，并形成了聚能脉冲喷嘴、水力盘阀及水力提升阀等多种形式的井下水力脉冲工具，在实践中也取得了一定成效。但是由于该类技术所产生的水力脉冲压力的幅度和峰值相比于上覆岩层压力和井眼内的液柱压力比较有限，且喷嘴与井底有一定距离，因此水力能量的沿程损耗不可避免，现场应用表明，该技术一般适用于中深井，随着地层埋深的增大，辅助破岩效果迅速衰减。特别是自20世纪90年代以来，随着钻井总体技术的提高，深井逐渐增多，利用井底水力脉动提高破岩钻进效率的技术优势逐渐淡化。

在钻进过程中，通过对钻头施加适当的周期性冲击作用力，提高破岩钻进效率的方法，以冲击旋转钻井技术为代表。冲击旋转钻井是在旋转钻井基础上将冲击和旋转结合起来的钻井新方法。在钻铤和钻头之间加上一个液动冲击器对钻头产生高频冲击，钻头再对岩石施加交变的冲击载荷，这载荷明显的特征是作用时间短而有力，因此岩石变形时间很少，变形速度增大，被冲击点应力很快接近或超过岩石强度极限，使岩石疲劳强度降低，加速脆性破坏，有利于岩石裂隙的扩展，使破岩效率增加，提高机械钻速。适合石油钻探泥浆为介质的液动冲击旋转钻井技术可大大提高硬岩破岩效果，提高钻井速度，钻井中可防止井斜，减少钻铤数量，减少钻柱弯曲，改善钻井工艺参数，该技术有望成为今后提高深井机械钻速的一个重要手段。经过一个世纪的发展，冲击旋转钻井技术有了很大的发展，国内外业开发了多种形式的冲击旋转钻井工具，但是受限于时代科技水平的发展，现有技术仍存在以下几个方面的问题亟待解决，(一)寿命短。由于材料性能的限制，致使有些工具难以适应井底高温高压、强酸强碱等复杂物理化学环境，寿命较短，如以弹簧作为蓄能元件的簧阀式冲击旋转钻井工具。(二)受钻井液性能和背压影响较大，如以双稳射流作为换向元件的冲击钻井工具，当钻井液性能或背压发生变化时，则可能导致工具工作不稳定。(三)受井深的影响较大，如需要设置环空呼吸孔，通过位移实现压差反馈的套阀式冲击旋转钻井工具只有在一定井深范围内才能正常工作。(四)由于在冲击旋转钻井技术破岩机理、钻井参数与岩石性质匹配以及怎样更好地在新的钻井工艺上发挥作用等方面缺乏深入研究，片面追求高冲击功，这对冲击钻井工具以及钻头等配套工具的性能提出了很高的要求，使工具结构趋于复杂，制造成本上升，系统稳定性下降。上述因素制约了冲击旋转钻井技术的发展，也然该项技术提出虽已有一个世纪，但却一直未能实现大规模工业化应用的主要原因。综合上述分析可见，今后冲击钻井技术研究的一个主要方向应是在优化工具工作原理的前提下，开展冲击振动钻井破岩机理的研究，降低对配套工具的性能要求，提高系统的稳定性和寿命，尽快形成稳定的、规模化的工业应用。

                       发明内容

本实用新型正是为解决现有技术手段寿命短、受钻井液性能和井深的影响较大、冲击振动参数不合理、难以有效提高深井钻井速度等问题而设计的，其原理是通过周期性阻断钻井液的通道，形成水击压力作用于钻头，使钻头产生机械振动，同时水击压力向下传播至井底，使井底流场产生脉动，钻头的机械振动和井底流场的水力脉动的综合作用，使得钻头与井底附近岩石的受力状况显著改善，有效提高钻头的破岩钻进效率，本实用新型的目的就是为现场提供一种在井底产生水击压力脉动的钻头短节。

本实用新型是这样来实现的，它由转换接头、喷嘴、上内管、中内管、丝堵、缸套、活塞、堵头、堵头承座、下内管、联结套、壳体、钻头驱动短节等组成，钻头驱动短节两端加工有螺纹，下端与钻头相联，壳体下端的配合通孔和钻头驱动短节中部的配合段加工成多边形，钻头驱动短节由壳体下端配装入壳体下端的配合通孔，钻头驱动短节上端与联结套用螺纹联结，然后将下内管装入壳体内部下端与联结套配装，在下内管的上端装有堵头承座，在堵头承座的下方，下内管的壁上加工有下内管壁通孔，将堵头与活塞配装后，一起配装入缸套，在活塞的上端面和缸套的内部上端面之间留有距离，然后在缸套上端用丝堵将缸套封闭，将缸套居中扶正块与缸套焊接好后，一起装入中内管下部，并固定，下内管的上端、中内管的两端和上内管的下端均加工有螺纹，将中内管与下内管联接，并使堵头和堵头承座之间留有间隙，将内管居中扶正块与上内管焊接好后，装入壳体内部，并与中内管联接，将喷嘴配装入转换接头下端后，将转换接头与壳体相联，转换接头的下端面与上内管的入口端面之间留有间隙，转换接头的上端与钻柱相联，钻井液经转换接头由喷嘴喷出，在喷嘴出口附近形成一个负压区，可抽吸部分内管外壁与壳体内壁组成的环形空间内的钻井液进入内管，钻井液在内管中下行，经由堵头和堵头承座之间的间隙，进入钻头驱动短节和钻头，然后到达井底，因为堵头和堵头承座之间的间隙较小，钻井液经过堵头和堵头承座之间的间隙时速度增大，由伯努力效应知，此处速度的增大将导致压力下降，从而在堵头的上端和下端形成一个指向钻头的压力差，在该压力差的作用下，堵头向下运动，随着堵头向下运动，活塞的上端面和缸套的内腔上端面之间的距离增大，导致其间的气体体积增大，压力降低，使得堵头的下端和活塞得上端面之间形成一个指向钻柱的压力差，该指向钻柱的压力差小于由伯努力效应形成的指向钻头的压力差，因此堵头持续向下运动，直到与堵头承座碰接，将钻井液流道瞬时关闭，高速钻井液因阻断产生正水击，在堵头上部内管中形成很大的水击压力，同时堵头下部因上面液流不能下行，而原来的钻井液继续向下流动，压力急剧降低，即在堵头上部产生正水击的同时，下部产生负水击，堵头上部和下部的压力差将堵头紧紧地压在堵头承座上，堵头下部因钻井液流道被阻断而产生的负的水击压力经钻头驱动短节和钻头向下传播至井底，使得井底流场的压力下降，堵头上部的正水击压力经内管向上传播，经过转换接头的下端面和上内管的上端面之间的间隙，进入内管外壁与壳体内壁形成的环形空间，向下传播，通过位于堵头承座下方、下内管的壁上的下内管壁通孔，到达堵头下端，与堵头上部的正水击压力平衡，从而堵头在指向钻柱的压力差的作用下脱离喷嘴承座，向上运动，钻井液流道打开，正水击压力在平衡堵头上端正水击压力的同时，也向下传播作用于联结套上端，对钻头产生冲击作用，且正水击压力经钻头驱动短节和钻头向下传播至井底，使得井底流场的压力升高，如此周而复始，钻井液流道被周期性打开和关闭，所产生的周期性水击压力作用于钻头驱动短节顶端，对钻头形成周期性的冲击，使钻头产生纵向的机械振动，同时水击压力向下传播至井底，也使井底流场的压力周期性地降低和升高，形成水力脉动，钻头的机械振动和井底流场的水力脉动的综合作用，使得钻头与井底附近岩石的受力状况显著改善，有效提高钻头的破岩钻进效率，钻头机械振动及井底流场脉动的频率、峰值和幅值，通过调整堵头和堵头承座之间的间隙、上内管和中内管的长度、活塞的上端面和缸套的内部上端面之间的距离以及钻头驱动短节的长度等来获得。

本实用新型创造性地综合水力脉冲和冲击振动钻井两类技术的优势，将调制生成的周期性水击压力，转换为钻头的纵向机械振动和井底流场的脉动，通过改善钻头与井底附近岩石的受力状况，有效提高钻头的破岩钻进效率，本实用新型具有结构简单、使用操作方便、安全可靠、压耗低、对钻头和地层的适应性强且不影响钻具结构等特点，对于提高钻井速度、降低生产成本具有重要的实际意义。

                       附图说明

图1一种在井底产生水击压力脉动的钻头短节

1.转换接头；2.喷嘴；3.上内管；4.内管居中扶正块；5.中内管；6.丝堵；7.缸套；8.缸套居中扶正块；9.活塞；10.堵头；11.堵头承座；12.下内管；13.联结套；14.壳体；15.钻头驱动短节；16.下内管壁通孔

                       具体实施方式

现结合说明书附图对本实用新型作进一步的描述。

当采用本实用新型进行水力脉冲振动钻井时，钻头驱动短节[15]两端加工有螺纹，下端与钻头相联，壳体[14]下端的配合通孔和钻头驱动短节[15]中部的配合段加工成多边形，钻头驱动短节[15]由壳体[14]下端配装入壳体[14]下端的配合通孔，钻头驱动短节[15]上端与联结套[13]用螺纹联结，然后将下内管[12]装入壳体[14]内部下端与联结套[13]配装，在下内管[12]的上端装有堵头承座[11]，在堵头承座[11]的下方，下内管[12]的壁上加工有下内管壁通孔[16]，将堵头[10]与缸活塞[9]配装后，一起配装入缸套[7]，在缸活塞[9]的上端面和缸套[7]的内部上端面之间留有距离，然后在缸套[7]上端用丝堵[6]将缸套[7]封闭，将缸套居中扶正块[8]与缸套[7]焊接好后，一起装入中内管[5]下部，并固定，下内管[12]的上端、中内管[5]的两端和上内管[3]的下端均加工有螺纹，将中内管[5]与下内管[12]联接，并使堵头[10]和堵头承座[11]之间留有间隙，将内管居中扶正块[4]与上内管[3]焊接好后，装入壳体[14]内部，并与中内管[5]联接，将喷嘴[2]配装入转换接头[1]下端后，将转换接头[1]与壳体[14]相联，转换接头[1]的下端面与上内管[3]的入口端面之间留有间隙，转换接头[1]的上端与钻柱相联。

当采用本实用新型进行水力脉冲振动钻井时，钻井液经转换接头[1]由喷嘴[2]喷出，在喷嘴[2]出口附近形成一个负压区，可抽吸部分内管外壁与壳体[14]内壁组成的环形空间内的钻井液进入内管，钻井液在内管中下行，经由堵头[10]和堵头承座[11]之间的间隙，进入钻头驱动短节[15]和钻头，然后到达井底，因为堵头[10]和堵头承座[11]之间的间隙较小，钻井液经过堵头[10]和堵头承座[11]之间的间隙时速度增大，由伯努力效应知，此处速度的增大将导致压力下降，从而在堵头[10]的上端和下端形成一个指向钻头的压力差，在该压力差的作用下，堵头[10]向下运动，随着堵头[10]向下运动，缸活塞[9]的上端面和缸套[7]的内腔上端面之间的距离增大，导致其间的气体体积增大，压力降低，使得堵头[10]的下端和缸活塞[9]得上端面之间形成一个指向钻柱的压力差，该指向钻柱的压力差小于由伯努力效应形成的指向钻头的压力差，因此堵头[10]持续向下运动，直到与堵头承座[11]碰接，将钻井液流道瞬时关闭，高速钻并液因阻断产生正水击，在堵头[10]上部内管中形成很大的水击压力，同时堵头[10]下部因上面液流不能下行，而原来的钻井液继续向下流动，压力急剧降低，即在堵头[10]上部产生正水击的同时，下部产生负水击，堵头[10]上部和下部的压力差将堵头[10]紧紧地压在堵头承座[11]上，堵头[10]下部因钻井液流道被阻断而产生的负的水击压力经钻头驱动短节[15]和钻头向下传播至井底，使得井底流场的压力下降，堵头[10]上部的正水击压力经内管向上传播，经过转换接头[1]的下端面和上内管[3]的上端面之间的间隙，进入内管外壁与壳体[14]内壁形成的环形空间，向下传播，通过位于堵头承座[11]下方、下内管[12]的壁上的下内管壁通孔[16]，到达堵头[10]下端，与堵头[10]上部的正水击压力平衡，从而堵头[10]在指向钻柱的压力差的作用下脱离喷嘴[2]承座，向上运动，钻井液流道打开，正水击压力在平衡堵头[10]上端正水击压力的同时，也向下传播作用于联结套[13]上端，对钻头产生冲击作用，且正水击压力经钻头驱动短节[15]和钻头向下传播至井底，使得井底流场的压力升高，如此周而复始，钻井液流道被周期性打开和关闭，所产生的周期性水击压力作用于钻头驱动短节[15]顶端，对钻头形成周期性的冲击，使钻头产生纵向的机械振动，同时水击压力向下传播至井底，也使井底流场的压力周期性地降低和升高，形成水力脉动，钻头的机械振动和井底流场的水力脉动的综合作用，使得钻头与井底附近岩石的受力状况显著改善，有效提高钻头的破岩钻进效率，钻头机械振动及井底流场脉动的频率、峰值和幅值，通过调整堵头[10]和堵头承座[11]之间的间隙、上内管[3]和中内管[5]的长度、缸活塞[9]的上端面和缸套[7]的内部上端面之间的距离以及钻头驱动短节[15]的长度等来获得。

Claims (2)

1.一种在井底产生水击压力脉动的钻头短节，它包括转换接头、喷嘴、上内管、内管居中扶正块、中内管、丝堵、缸套、缸套居中扶正块、活塞、堵头、堵头承座、下内管、联结套、壳体和钻头驱动短节，其特征是钻头驱动短节[15]两端加工有螺纹，下端与钻头相联，壳体[14]下端的配合通孔和钻头驱动短节[15]中部的配合段加工成多边形，钻头驱动短节[15]由壳体[14]下端配装入壳体[14]下端的配合通孔，钻头驱动短节[15]上端与联结套[13]用螺纹联结，然后将下内管[12]装入壳体[14]内部下端与联结套[13]配装，在下内管[12]的上端装有堵头承座[11]，在堵头承座[11]的下方，下内管[12]的壁上加工有下内管壁通孔[16]，将堵头[10]与活塞[9]配装后，一起配装入缸套[7]，在活塞[9]的上端面和缸套[7]的内部上端面之间留有距离，然后在缸套[7]上端用丝堵[6]将缸套[7]封闭，将缸套居中扶正块[8]与缸套[7]焊接好后，一起装入中内管[5]下部，并固定，下内管[12]的上端、中内管[5]的两端和上内管[3]的下端均加工有螺纹，将中内管[5]与下内管[12]联接，并使堵头[10]和堵头承座[11]之间留有间隙，将内管居中扶正块[4]与上内管[3]焊接好后，装入壳体[14]内部，并与中内管[5]联接，将喷嘴[2]配装入转换接头[1]下端后，将转换接头[1]与壳体[14]相联，转换接头[1]的下端面与上内管[3]的入口端面之间留有间隙，转换接头[1]的上端与钻柱相联。

2.根据权利要求1所述的一种在井底产生水击压力脉动的钻头短节，其特征是喷嘴[2]和转换接头[1]、活塞[9]和缸套[7]、联接套和下内管[12]采用采用密封配合连接。