一種清潔井眼的鉆井工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種清潔井眼的鉆井工具，包括本體，本體內部設有中心流道，本體的上端設有上接頭，下端設有下接頭；本體的外周上間隔均布有環(huán)空流道及凸起部，凸起部上凹陷設置有自激振蕩結構單元，自激振蕩結構單元設有自激振蕩腔，自激振蕩腔與井壁之間的流體壓力區(qū)分為入口輻射低壓區(qū)、渦環(huán)負壓區(qū)、邊界負壓區(qū)和出口碰撞高壓區(qū)；凸起部上還設置有噴射單元。本發(fā)明的清潔井眼的鉆井工具安裝于鉆柱上，增強了環(huán)空流體的紊流度和脈動效應，沖刷、擾動和卷吸井壁上的巖屑床和不規(guī)則井壁，提高了巖屑床的清除和修整井壁效率，可有效消除由于巖屑床的存在導致過大的摩阻扭矩以及沙卡鉆具事故和由于井眼不規(guī)則和縮頸的存在導致的鉆柱遇阻和阻卡現象。
【專利說明】一種清潔井眼的鉆井工具
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及石油、天然氣鉆井的配套設備【技術領域】，尤其涉及一種復雜結構井鉆進過程中用于清潔井眼的鉆井工具。
【背景技術】
[0002]隨著油氣開采難度的增大，我國加大了對深層、薄油層、斷塊油層等復雜油層和海洋油氣資源的開發(fā)，定向井、水平井及大位移井等復雜結構井技術已經成為開發(fā)此類油氣資源的有效手段。在復雜結構井的鉆進過程中，受井斜角、巖屑粒度和環(huán)空水力參數等因素的影響易形成巖屑床，巖屑床的存在導致鉆進過程中產生過大的摩阻扭矩，甚至導致沙卡鉆具事故，嚴重影響鉆進的安全性。同時，在井壁穩(wěn)定性差和易縮頸地層鉆進過程中，鉆柱容易受到井壁掉塊、井壁不規(guī)則形狀和縮頸的影響產生上提下放摩阻較大的現象，嚴重時會產生卡鉆。
[0003]針對以上兩種工程問題，研究表明:井眼環(huán)空水力參數是實現清除巖屑床和消除鉆柱受到較大摩阻和卡鉆現象的關鍵因素。
[0004]目前，對本領域技術人員來說，迫切需要樣研制一種用于清潔井眼的鉆井工具，以改善環(huán)空鉆井液的壓力分布和速度分布，破壞巖屑床并在一定程度上消除卡鉆現象。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種清潔井眼的鉆井工具，該工具能夠使環(huán)空鉆井液產生自激振蕩和高速射流，用于清除復雜結構井鉆進過程中產生的巖屑床，改善井眼清潔狀態(tài)，提高鉆進的安全性。
[0006]為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是:一種清潔井眼的鉆井工具，包括本體，所述本體內部設有沿其軸線方向延伸的貫通的中心流道，所述本體的上端設有用于連接上部鉆柱的上接頭，所述本體的下端設有用于連接下部鉆柱的下接頭；所述本體的外周上間隔均布有環(huán)空流道，所述環(huán)空流道的延伸方向與所述本體的軸線方向一致，相鄰的所述環(huán)空流道之間為凸起部，所述凸起部與所述環(huán)空流道間隔設置，所述凸起部上凹陷設置有自激振蕩結構單元，所述自激振蕩結構單元設有自激振蕩腔，沿所述本體的軸線方向，所述自激振蕩腔與井壁之間的流體壓力區(qū)分為入口輻射低壓區(qū)、渦環(huán)負壓區(qū)、邊界負壓區(qū)和出口碰撞聞壓區(qū)。
[0007]優(yōu)選，所述自激振蕩結構單元包括自下而上依次連接的第一斜面、與所述本體軸線平行的底面、第二斜面，以及兩個側面；所述第一斜面與所述底面之間的夾角為鈍角，所述第二斜面與所述底面之間的夾角為銳角。
[0008]進一步優(yōu)選，所述第一斜面的底邊還連接有第一平面，所述第二斜面的底邊還連接有第二平面。自激振蕩結構單元中的第一斜面、底面、第二斜面、兩個側面、第一平面、第二平面等多個面的設置，提高了阻擋流體使流體發(fā)生碰撞并改變流向的機會，有助于渦環(huán)負壓區(qū)形成渦旋，提高了對巖屑床的破壞、卷吸能力，提高了對巖屑的清洗效率。
[0009]另一種優(yōu)選，每個所述凸起部上還設置有至少一個噴射單元，所述噴射單元設有噴射流道，用于將所述本體中心流道內的高壓鉆井液噴射至井壁。
[0010]進一步優(yōu)選，所述噴射單元包括設置于所述凸起部上的階梯通孔，所述階梯通孔的軸線方向沿所述本體的徑向設置，所述階梯通孔的大孔端靠近所述本體的外部，所述階梯通孔的大孔端安裝有噴嘴，所述噴嘴具有中空的噴嘴流道，所述噴嘴流道沿所述本體的徑向設置。
[0011]優(yōu)選，所述本體的外周上間隔均布有至少兩個所述環(huán)空流道，所述凸起部至少均布有兩個。最好，所述環(huán)空流道均布有三個，所述凸起部均布有三個。
[0012]優(yōu)選，每個所述凸起部上設有一個所述自激振蕩結構單元。
[0013]優(yōu)選，每個所述凸起部上設有若干所述自激振蕩結構單元。若干所述自激振蕩結構單元分為多列，每列設有至少一個所述自激振蕩結構單元；同一列的所述自激振蕩結構單元同軸線設置，相鄰兩列的所述自激振蕩結構單元位置相對應或交錯設置。
[0014]優(yōu)選，所述本體、所述上接頭、所述下接頭為一體式結構。采用該結構，本發(fā)明的整個工具沒有活動部件，結構簡單、使用方便、安全可靠。
[0015]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的用于清潔井眼的鉆井工具，在本體內部設有貫通的中心流道，本體的上端設有上接頭，本體的下端設有下接頭，本體的外周上間隔均布有環(huán)空流道及與環(huán)空流道間隔設置的凸起部，在凸起部上凹陷設置有自激振蕩結構單元，自激振蕩結構單元設有自激振蕩腔，沿工具本體的軸線方向，自激振蕩腔與井壁之間的流體壓力區(qū)分為入口輻射低壓區(qū)、渦環(huán)負壓區(qū)、邊界負壓區(qū)和出口碰撞高壓區(qū)；將本發(fā)明的工具安裝在易形成巖屑床、井壁不穩(wěn)定易形成掉塊和不規(guī)則形狀以及易縮頸的水平段或大位移段所對應的鉆柱中，鉆進過程中，環(huán)空內的鉆井液流體連續(xù)進入自激振蕩腔，流經入口輻射低壓區(qū)后，渦環(huán)負壓區(qū)對緊鄰井壁的流體產生周期性阻尼，形成水力脈動，增大了自激振蕩腔所在區(qū)域的紊流度，有助于擾動巖屑床；同時，在井壁高壓區(qū)和渦環(huán)負壓區(qū)的壓差作用及入口輻射低壓區(qū)高速連續(xù)鉆井液的沖刷作用的雙重作用下，將井壁上的巖屑床破壞并將巖屑卷吸到渦環(huán)負壓區(qū)，繼而在環(huán)空擾動和鉆柱旋轉的作用下將這部分巖屑帶入到環(huán)空流道內并隨環(huán)空鉆井液上返循環(huán)至地面固控設備進行固液分離，從而實現了巖屑床的清除和巖屑的清洗，改善了井眼清潔狀態(tài)。
[0016]由于還進一步在工具本體的凸起部上設置有噴射單元，噴射單元設有用于將本體中心流道內的高壓鉆井液噴射至井壁的噴射流道；鉆進過程中，鉆柱內的高壓流體從噴射流道噴出高速沖刷井壁，改善了井眼的形狀，使井眼更加規(guī)則，進一步提高了鉆進的效率和安全性。
[0017]使用本發(fā)明的工具后，由于環(huán)空鉆井液流過該工具的自激振蕩腔與井壁之間時，經過諧振、反饋、選頻及放大等自激振蕩過程，在腔內形成“低壓-高壓”交替區(qū)，在出口形成脈沖射流；同時，在噴射單元所對應的環(huán)空區(qū)域形成高壓噴射區(qū)，改善了工具所在環(huán)空的流場分布和紊流度，破壞了巖屑床并實現了對井壁的修整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實施例一的結構剖視示意圖；
[0019]圖2是圖1中的B-B剖視示意圖；
[0020]圖3是圖1中的C-C剖視示意圖；
[0021]圖4是圖1中自激振蕩結構單元的結構示意及其與井壁之間的位置示意圖；
[0022]圖5是圖1中的自激振蕩腔與井壁之間的流體壓力分區(qū)示意圖；
[0023]圖6是圖1中的噴射單元結構示意圖；
[0024]圖7是本發(fā)明實施例二中的自激振蕩結構單元分布示意圖；
[0025]圖8是本發(fā)明實施例三中的自激振蕩結構單元分布示意圖；
[0026]圖中:1-上接頭；2-中心流道；3-本體；4_環(huán)空流道；5-自激振蕩結構單元；51-第一斜面；52_底面；53_第二斜面；54_第二平面；55_第一平面；56_側面；6-下接頭-J-自激振蕩腔；71-入口 ；72_出口 ；8_井壁；9-噴射單元；91-階梯通孔；92-卡簧槽；93-噴嘴；94_卡簧；95_噴嘴流道；A-入口輻射低壓區(qū)；B_渦環(huán)負壓區(qū)；C_邊界負壓區(qū)；D-出口碰撞聞壓區(qū)。
【具體實施方式】
[0027]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0028]實施例一
[0029]如圖1所示，為本發(fā)明實施例一的清潔井眼的鉆井工具結構剖視示意圖，為了便于說明，本圖僅提供與本發(fā)明有關的結構部分。本實施例的清潔井眼的鉆井工具包括本體3，在本體3內部設有沿其軸線方向延伸的貫通的中心流道2，中心流道2是鉆進時鉆柱內高壓鉆井液的流道；本體3的上端為用于連接上部鉆柱的上接頭1，本體3的下端為用于連接下部鉆柱的下接頭6，本實施例中的本體3、上接頭I與下接頭6為一體式結構，采用該結構，本發(fā)明的整個工具沒有活動部件，結構簡單、使用方便、安全可靠；在本體3的外周上間隔均布有環(huán)空流道4，環(huán)空流道4的延伸方向與本體3的軸線方向一致，環(huán)空流道4是環(huán)空低壓鉆井液的主要過流通道，有助于減小環(huán)空鉆井液流過工具外表面和井壁間隙時的壓耗，同時也有助于巖屑的攜帶；相鄰的環(huán)空流道4之間為凸起部，凸起部與環(huán)空流道4間隔設置，在凸起部上凹陷設置有自激振蕩結構單元5，如圖4和圖5所示，自激振蕩結構單元5設有自激振蕩腔7，沿本體3的軸線方向，自激振蕩腔7與井壁8之間的流體壓力區(qū)分為入口輻射低壓區(qū)A、渦環(huán)負壓區(qū)B、邊界負壓區(qū)C和出口碰撞高壓區(qū)D。
[0030]如圖3和圖4所示，本實施例中，自激振蕩結構單元5包括自下而上依次連接的第一斜面51、與本體3軸線平行的底面52、第二斜面53，以及兩個側面56 ;其中，第一斜面51與底面52之間的夾角α為鈍角，第二斜面53與底面52之間的夾角β為銳角。進一步優(yōu)化設計，在第一斜面51的底邊還連接有第一平面55，第二斜面53的底邊還連接有第二平面54。自激振蕩結構單元5中的第一斜面51、底面52、第二斜面53、兩個側面56、第一平面55、第二平面54等多個面共同圍成了自激振蕩腔7，多個面的設置提高了阻擋流體使流體發(fā)生碰撞并改變流向的機會，有助于渦環(huán)負壓區(qū)B形成渦旋，提高對巖屑床的破壞卷吸能力和對巖屑的清洗效率。
[0031]如圖1和圖6所示，本發(fā)明的清潔井眼的鉆井工具，在工具本體3的每個凸起部上還設置有至少一個噴射單元9，該噴射單元9設有噴射流道,該噴射流道用于將本體中心流道2內的高壓鉆井液噴射至井壁8。
[0032]其中，噴射單元9的結構為:包括設置于凸起部上的階梯通孔91，階梯通孔91的軸線方向沿本體3的徑向設置，階梯通孔91的小孔端靠近本體3的中心流道2，階梯通孔91的大孔端靠近本體3的外部，在階梯通孔91的大孔端安裝有噴嘴93，噴嘴93具有中空的噴嘴流道95，噴嘴流道95沿本體3的徑向設置，在階梯通孔91大孔端的外端設有卡簧槽92，卡簧槽92內設有卡簧94，用于對噴嘴93限位。
[0033]其中，噴射單元9的結構還可以采用在本體3的凸起部上直接鉆出內大外小的階梯通孔的結構(即大孔端靠近本體3的中心流道2，小孔端靠近本體3的外部)。該種噴射單元的結構相對簡單。
[0034]以上兩種噴射單元9的結構中，優(yōu)選設有噴嘴93的結構，現有技術中，噴嘴93的材質優(yōu)于本體3，且更換、使用更方便。
[0035]本發(fā)明的清潔井眼的鉆井工具，在本體3的外周上間隔均布有至少兩個環(huán)空流道，凸起部相應地至少均布有兩個。實施例一中，如圖2和圖3所示，環(huán)空流道4均布有三個，凸起部均布有三個，呈120°均勻分布。如圖1和圖3所示，實施例一中，在每個凸起部上設有一個自激振蕩結構單元5。
[0036]實施例二
[0037]如圖7所示，實施例二與實施例一基本相同，不同之處在于，實施例二的清潔井眼的鉆井工具，在本體3外周的每個凸起部上設有若干自激振蕩結構單元5，若干自激振蕩結構單元5分為多列(圖中示出了三列)，每列設有至少一個自激振蕩結構單元5 (圖中示出了兩個)；同一列的自激振蕩結構單元5同軸線設置，相鄰兩列的自激振蕩結構單元5位置相對應。
[0038]實施例三
[0039]如圖8所示，實施例三與實施例二基本相同，實施例三的清潔井眼的鉆井工具，在本體3外周的每個凸起部上設有若干自激振蕩結構單元5，若干自激振蕩結構單元5分為多列(圖中示出了三列)，每列設有至少一個自激振蕩結構單元5(圖中示出了一個)；不同之處在于，相鄰兩列的自激振蕩結構單元5位置交錯設置。
[0040]實施例二與實施例三中，通過對工具本體凸起部上散布的若干自激振蕩結構單元5進行串聯、交錯等多種形式的布置，相比于實施例一，增強了工具自激振蕩水力脈動對巖屑床的擾動、破壞、卷吸和清除效果，可實現對環(huán)空流場最大限度的擾動，從而更有效的破壞和清除巖屑床。
[0041]上述實施例中，本發(fā)明的清潔井眼的鉆井工具，設于本體3外周的環(huán)空流道4、凸起部、設于凸起部上的自激振蕩結構單元5及噴射單元9的數量均可根據實際需要有所增減。
[0042]工作原理:自激振蕩結構單元5是本發(fā)明的清潔井眼的鉆井工具的核心單元，如圖5所示(圖5中箭頭所示為鉆井流體的流向)，鉆井流體自入口 71流過自激振蕩腔7與井壁8之間時，產生諧振、反饋、選頻及放大等自激振蕩過程，在腔室內形成四個壓力分區(qū):入口輻射低壓區(qū)A、壓力和大小呈周期性變化的渦環(huán)負壓區(qū)B、邊界負壓區(qū)C和出口碰撞高壓區(qū)D。入口輻射低壓區(qū)A的出現是因為腔室中心原生渦環(huán)在射流上游形成低壓區(qū)，導致流體流過入口 71后流速急劇上升所致，同時射流的加速也促進了低壓渦環(huán)的形成；出口碰撞高壓區(qū)D的出現是因為流體通過出口 72后，造成壓力突然上升，并輻射到腔室內部一定區(qū)域；流體進入上部出口碰撞高壓區(qū)D后，流速增大，形成脈沖射流，壓力逐漸下降，并逐漸趨近于環(huán)空壓力。
[0043]另外，噴射單元9也是本發(fā)明的清潔井眼的鉆井工具優(yōu)選的一個重要結構，如圖6所示，鉆井液自噴嘴流道95高速噴出作用于井壁8，消除了由于泥餅過厚、井壁掉塊、縮頸等原因導致的井眼過細和不規(guī)則所引起的鉆柱上提下放遇阻甚至卡鉆現象?？梢酝ㄟ^調節(jié)噴嘴結構和類型控制噴嘴能量的分布，在充分沖刷、修正井壁的同時不破壞井壁穩(wěn)定性。
[0044]工作過程:將本發(fā)明的清潔井眼的鉆井工具安裝在易形成巖屑床、井壁泥餅過厚、井壁不穩(wěn)定易形成掉塊和不規(guī)則形狀以及易縮頸的水平段或大位移段所對應的鉆柱中。鉆進過程中，環(huán)空中連續(xù)流動的鉆井流體流過工具自激振蕩結構單元5的自激振蕩腔7與井壁8之間，經過諧振、反饋、選頻及放大等自激振蕩過程，在腔內形成高低壓擾動區(qū)，同時將連續(xù)射流調制成出口 72處的脈沖射流，在井壁高壓區(qū)和渦環(huán)負壓區(qū)B壓差的作用及入口輻射低壓區(qū)A高速鉆井流體的沖刷作用的雙重作用下，井壁8上的巖屑床被破壞并被卷吸到渦環(huán)負壓區(qū)B，繼而在環(huán)空擾動和鉆柱旋轉的作用下將這部分巖屑帶入到環(huán)空流道4內并隨環(huán)空鉆井液上返循環(huán)至地面的固控設備進行固液分離；同時，沿噴射單元9噴出的高速射流沖刷、修整井壁，使泥餅變薄、井眼變得更規(guī)則，尤其是在易縮頸的鹽膏巖層使井徑擴大，從而消除鉆柱上提下放遇阻和卡鉆的現象。
[0045]本發(fā)明針對復雜結構井由于井眼不夠清潔和井壁不規(guī)則導致的沙卡和阻卡問題，創(chuàng)新性地提出利用加工于工具本體上的自激振蕩結構單元的自激振蕩腔和高速噴射的噴射單元與井壁結合，增強了環(huán)空流體的紊流度和脈動效應，沖刷、擾動和卷吸井壁上的巖屑床和突出的井壁，從而提高巖屑床的清除和修整井壁的思路，可有效消除由于巖屑床的存在導致過大的摩阻扭矩以及沙卡鉆具事故和由于井眼不規(guī)則和縮頸的存在導致的鉆柱遇阻和阻卡現象，提高鉆進的安全性，具有廣泛的應用前景。
[0046]本發(fā)明的清潔井眼的鉆井工具具有結構簡單、無活動部件、使用方便、安全可靠、壓耗低、不影響鉆具結構、適用于多種鉆井平臺、加工制造和使用維護的成本較低等特點，對于復雜結構井的水平井段和大位移井段的安全快速鉆進具有重要的實際意義。
【權利要求】
1.一種清潔井眼的鉆井工具，包括本體，所述本體內部設有沿其軸線方向延伸的貫通的中心流道，所述本體的上端設有用于連接上部鉆柱的上接頭，所述本體的下端設有用于連接下部鉆柱的下接頭；其特征在于:所述本體的外周上間隔均布有環(huán)空流道，所述環(huán)空流道的延伸方向與所述本體的軸線方向一致，相鄰的所述環(huán)空流道之間為凸起部，所述凸起部與所述環(huán)空流道間隔設置，所述凸起部上凹陷設置有自激振蕩結構單元，所述自激振蕩結構單元設有自激振蕩腔，沿所述本體的軸線方向，所述自激振蕩腔與井壁之間的流體壓力區(qū)分為入口輻射低壓區(qū)、渦環(huán)負壓區(qū)、邊界負壓區(qū)和出口碰撞高壓區(qū)。
2.如權利要求1所述的一種清潔井眼的鉆井工具，其特征在于:所述自激振蕩結構單元包括自下而上依次連接的第一斜面、與所述本體軸線平行的底面、第二斜面，以及兩個側面；所述第一斜面與所述底面之間的夾角為鈍角，所述第二斜面與所述底面之間的夾角為銳角。
3.如權利要求2所述的一種清潔井眼的鉆井工具，其特征在于:所述第一斜面的底邊還連接有第一平面，所述第二斜面的底邊還連接有第二平面。
4.如權利要求1所述的一種清潔井眼的鉆井工具，其特征在于:每個所述凸起部上還設置有至少一個噴射單元，所述噴射單元設有噴射流道，用于將所述本體中心流道內的高壓鉆井液噴射至井壁。
5.如權利要求4所述的一種清潔井眼的鉆井工具，其特征在于:所述噴射單元包括設置于所述凸起部上的階梯通孔，所述階梯通孔的軸線方向沿所述本體的徑向設置，所述階梯通孔的大孔端靠近所述本體的外部，所述階梯通孔的大孔端安裝有噴嘴，所述噴嘴具有中空的噴嘴流道，所述噴嘴流道沿所述本體的徑向設置。
6.如權利要求1至5任一項所述的一種清潔井眼的鉆井工具，其特征在于:所述本體的外周上間隔均布有至少兩個所述環(huán)空流道，所述凸起部至少均布有兩個。
7.如權利要求6所述的一種清潔井眼的鉆井工具，其特征在于:所述環(huán)空流道均布有三個，所述凸起部均布有三個。
8.如權利要求6所述的一種清潔井眼的鉆井工具，其特征在于:每個所述凸起部上設有一個所述自激振蕩結構單元。
9.如權利要求6所述的一種清潔井眼的鉆井工具，其特征在于:每個所述凸起部上設有若干所述自激振蕩結構單元。
10.如權利要求9所述的一種清潔井眼的鉆井工具，其特征在于:若干所述自激振蕩結構單元成列布置，每列設有至少一個所述自激振蕩結構單元；同一列的所述自激振蕩結構單元同軸線設置，相鄰兩列的所述自激振蕩結構單元位置相對應或交錯設置。
【文檔編號】E21B21/00GK104153730SQ201410353821
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權日:2014年7月23日
【發(fā)明者】王鵬, 倪紅堅, 王瑞和 申請人:中國石油大學(華東)