水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及到一種水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置。包括：帶有斜向流道的本體，葉輪，底座，葉輪軸等。底座通過定位銷安裝在本體中，使兩個(gè)瀉流通道關(guān)于本體上兩個(gè)斜流通道所在平面對(duì)稱；葉輪通過葉輪軸安裝在底座上方。其基本工作原理為：鉆井液通過裝置本體內(nèi)腔，帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪下面的擋板會(huì)周期性的打開、關(guān)閉底座的瀉流通道從而改變流體通過的截面積，將流過該裝置連續(xù)的鉆井液調(diào)制成脈動(dòng)形式，提高清巖效率；在瀉流通道周期性開、閉的同時(shí)，葉輪的側(cè)向開口則會(huì)對(duì)應(yīng)的閉、開斜向流道，使鉆井液斜向上噴射，由此產(chǎn)生的反沖力在鉆頭上增加壓力，并在斜向流道以下環(huán)空產(chǎn)生抽吸壓力實(shí)現(xiàn)欠平衡，最終提高了破巖效率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，巧妙的結(jié)合了水力脈沖鉆井技術(shù)、井下增壓鉆井技術(shù)和欠平衡鉆井技術(shù)，合理的分配井下水力能量，大幅提高了破巖效率和清巖效率，節(jié)約了鉆井成本。
【專利說明】水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置。屬于石油、天然氣開采領(lǐng)域鉆井中的井下工具。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著油氣資源的勘探開發(fā)向著深部地層發(fā)展，所鉆遇的深井、超深井越來越多，隨著所鉆井深的不斷增加，井筒內(nèi)的鉆井液柱的靜液柱壓力不斷加大，對(duì)巖屑的壓持效應(yīng)越來越明顯；然而傳統(tǒng)的鉆井方式在鉆井過程中的水力能量的傳輸、轉(zhuǎn)換、分配及利用效率隨井深的增加進(jìn)一步降低。這直接導(dǎo)致了鉆井速度的明顯下降。因此，如何通過提高水力能量的傳輸、轉(zhuǎn)換、分配及利用效率來改善井底巖石的應(yīng)力狀態(tài)和流場分布，進(jìn)而提高破巖、清巖效率提高鉆井速度是亟需解決的問題。雖然近些年有學(xué)者研發(fā)了旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具、井下增壓器和單一的水力脈沖鉆井工具等提高鉆井速度工具，但由于內(nèi)部構(gòu)件復(fù)雜導(dǎo)致壽命和穩(wěn)定性差，井下增壓器產(chǎn)生的高壓水射流輔助破巖能量低、破巖效果一般，單一脈沖發(fā)生裝置產(chǎn)生脈動(dòng)振幅小及壓降、能量損耗較大等原因，所以一直未能推廣為大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)。
[0003]水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置是結(jié)合水力脈沖鉆井技術(shù)、井下增壓鉆井技術(shù)和欠平衡鉆井技術(shù)來實(shí)現(xiàn)提高鉆井速度的關(guān)鍵部件，鉆井時(shí)該裝置安裝在鉆頭和鉆鋌之間，或在鉆頭和井下動(dòng)力鉆具之間，將連續(xù)流動(dòng)的鉆井液轉(zhuǎn)化為脈沖射流經(jīng)鉆頭噴嘴噴射至井底，鉆井液由斜向流道向上噴射產(chǎn)生的向下反沖力由該裝置傳遞到鉆頭上作用在巖石上形成脈動(dòng)增壓，鉆井液由斜向流道向上噴射在斜向流道以下環(huán)空產(chǎn)生抽吸壓力實(shí)現(xiàn)欠平衡，從而改變了井底巖石的受:力狀態(tài)和井底流場狀態(tài)，進(jìn)而提聞機(jī)械鉆速。
[0004]綜合考慮以上工具的工作方式及存在的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，本發(fā)明人根據(jù)多年從事巖石破碎與清除方面的實(shí)踐和配套工具研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，研制出了本發(fā)明的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是巧妙的結(jié)合水力脈沖鉆井技術(shù)、井下增壓鉆井技術(shù)和欠平衡鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，合理分配鉆井過程中的水力能量:鉆井液通過斜向流道產(chǎn)生的反沖力形成水力脈動(dòng)增壓，該增加壓力通過該裝置傳遞到鉆頭鉆用在井底巖石上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力集中破巖，增加破巖效果；水力脈沖通過鉆頭噴嘴噴出減少“壓持效應(yīng)”，改善井底流場，提高清巖效率；抽吸壓力產(chǎn)生裝置到井底欠平衡，形成欠平衡鉆井；同時(shí)斜向流道的卷吸作用對(duì)攜帶巖屑也有很好的效果；這些作用有效提高了破巖、清巖效率，機(jī)械鉆速顯著提高。
[0006]為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)研制了一種水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，包括:本體，葉輪，底座，葉輪軸等。其特征是:
[0007]本體為中空柱狀結(jié)構(gòu)，壁面開有兩個(gè)對(duì)稱斜向流道，柱體的一端為流體入口段，另一端為流體出口段，流體入口段與出口段之間構(gòu)成空置腔，其內(nèi)由上至下依次設(shè)有葉輪、葉輪軸、底座，本體內(nèi)腔上端設(shè)有擋圈槽用于安置彈性擋圈固定內(nèi)部零件，本體內(nèi)腔下端設(shè)有定位孔用于定位底座；所述葉輪葉片帶有一定的扭轉(zhuǎn)角度，可以在流體通過時(shí)產(chǎn)生周向運(yùn)動(dòng)，葉輪的側(cè)向壁面是開有側(cè)向開口的封閉壁面，葉輪的流體入口端是開放的，葉輪的流體出口端設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的擋板；所述底座流體入口端設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的寫流通道，入口端中間開有軸座孔用于安置葉輪軸，底座流體出口端設(shè)有定位銷。
[0008]本發(fā)明中本體的的斜向流道可以根據(jù)需要改變流道半徑大小和流道數(shù)量；葉輪可以根據(jù)需要改變?nèi)~片扭轉(zhuǎn)角度和葉片數(shù)；底座的瀉流通道開口可以與葉輪出口端擋片完全重合，瀉流通道開口也可以比葉輪出口端擋片大，進(jìn)而調(diào)制井底鉆頭噴射流體的脈動(dòng)幅度大?。槐景l(fā)明中的葉輪與底座的配合可以根據(jù)需要由葉輪軸配合改為軸承配合。
[0009]本發(fā)明的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置的裝配，底座定位銷在與本體定位孔配合時(shí)要保證底座上的兩個(gè)瀉流通道關(guān)于本體上的兩個(gè)斜向流道的剖面對(duì)稱，這可以保證流體帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，底座瀉流通道打開時(shí)本體斜向流道關(guān)閉，本體斜向流道打開時(shí)底座瀉流通道關(guān)閉，保證不會(huì)產(chǎn)生憋壓且合理分配井底水力能量。
[0010]本發(fā)明的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比具備的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn):
[0011]本發(fā)明提出的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置結(jié)合了水力脈沖鉆井技術(shù)、井下增壓鉆井技術(shù)和欠平衡鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，合理分配井下水力能量，提高了破巖、清巖效率，鉆井速度顯著提高。主要具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1、結(jié)構(gòu)簡單。尤其在復(fù)雜的井下條件下，簡單的結(jié)構(gòu)能夠保證工具的可靠性；
[0013]2、脈沖幅度可調(diào)，鉆頭孔眼噴射壓力可為零?？赏ㄟ^設(shè)計(jì)葉輪擋板與底座瀉流通道的重合度實(shí) 現(xiàn)；
[0014]3、脈動(dòng)增壓應(yīng)力集中。流體通過本體的斜向流道產(chǎn)生反沖脈動(dòng)增壓作用在鉆頭上實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中破巖，提聞破巖效率；
[0015]4、井底欠平衡。流體通過本體的斜向流道會(huì)產(chǎn)生抽吸欠平衡；
[0016]5、攜帶巖屑效果好。通過本體斜向流道的流體結(jié)合鉆柱的旋轉(zhuǎn)作用會(huì)形成旋轉(zhuǎn)射流，有利于攜帶巖屑和清潔井底壁面。
[0017]6、合理分配井下水力能量。流體周期性的分別從鉆頭孔眼和本體的斜向流道噴出，能量損耗少。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]以下附圖對(duì)本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明工具的范圍。
[0019]圖1為本發(fā)明專利的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置裝配示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明專利的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置內(nèi)葉輪的三維示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明專利的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置內(nèi)底座的三維示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明專利的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置本體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]附圖標(biāo)號(hào)說明:
[0024]1、本體2、葉輪3、底座4、葉輪軸
[0025]5、斜向流道 6、擋板7、側(cè)向開口 8、瀉流通道
[0026]9、定位銷10、定位孔 11、擋圈槽 12、軸座孔
【具體實(shí)施方式】[0027]為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0028]圖1為本發(fā)明專利的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置裝配示意圖，在圖1中，底座3通過定位銷9與本體I的定位孔10定位，定位時(shí)要保證底座上的兩個(gè)瀉流通道關(guān)于本體上的兩個(gè)斜向流道的剖面對(duì)稱，葉輪2通過葉輪軸4安裝在底座3的軸座孔12上。
[0029]圖4為本發(fā)明專利的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置本體結(jié)構(gòu)示意圖，在圖4中，本體I是兩端加工有內(nèi)螺紋的中空管狀體，本體I的壁面設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的斜向流道5，本體I的內(nèi)腔上端設(shè)有擋圈槽11用于安置彈性擋圈固定內(nèi)部零件，本體I內(nèi)腔下端設(shè)有定位孔10用于定位底座3。
[0030]圖3為本發(fā)明專利的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置內(nèi)底座的三維示意圖，在圖3中，底座3下端周向設(shè)有四個(gè)定位銷9用于連接本體1，底座3流體入口端設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的瀉流通道8，瀉流通道8可以根據(jù)需要改變通道截面積大小，底座3上端設(shè)有軸座孔12用于通過葉輪軸4定位葉輪2，葉輪2與底座3連接也可以根據(jù)需要采用軸承結(jié)構(gòu)。
[0031]圖2為本發(fā)明專利的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置內(nèi)葉輪的三維示意圖，在圖2中，葉輪2流體入口端是開放的，流體出口端設(shè)有與底座3的瀉流通道8匹配的對(duì)稱的兩個(gè)擋板6，葉輪2的側(cè)向壁面是封閉的并設(shè)有對(duì)稱的兩個(gè)側(cè)向開口 7，葉輪2上的兩個(gè)擋板6關(guān)于兩個(gè)側(cè)向開口 7的剖面對(duì)稱，葉輪2的葉片帶有一定的扭轉(zhuǎn)角度，葉輪2的葉片數(shù)和葉片扭轉(zhuǎn)角度可以根據(jù)需要改變。
[0032]在井下使用時(shí)，鉆井液經(jīng)過鉆柱進(jìn)入水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置的本體I內(nèi)腔，驅(qū)動(dòng)葉輪2旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中葉輪2下端的擋板6會(huì)周期性的打開、關(guān)閉底座3上的瀉流通道8，從而改變流體通過的截面積產(chǎn)生鉆頭噴嘴的脈沖射流。當(dāng)葉輪2剛好旋轉(zhuǎn)到擋板6關(guān)閉底座3的瀉流通道8時(shí)，葉輪2上的側(cè)向開口 7將與本體I的斜向流道5重合打開斜向流道5瀉流，這將在工具上產(chǎn)生向下的反沖力實(shí)現(xiàn)增壓，此增壓是脈動(dòng)的并最終作用在鉆頭上實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中破巖，提高了破巖效率，該過程會(huì)同時(shí)產(chǎn)生向上的抽吸作用產(chǎn)生欠平衡效果。當(dāng)斜向流道5瀉流時(shí)，聯(lián)合鉆柱的旋轉(zhuǎn)作用，有利于攜帶巖屑出井。不同的脈沖壓力振幅可以依靠設(shè)計(jì)中的葉輪2的擋板6和底座3的瀉流通道8的面積大小關(guān)系獲得，不同的脈沖頻率可以依靠設(shè)計(jì)中的葉輪2的葉片數(shù)和葉片扭轉(zhuǎn)角度來獲得，不同的增壓效果可以依靠設(shè)計(jì)中的本體I的斜向流道5的數(shù)量和半徑大小來獲得。同時(shí)，脈沖壓力振幅、頻率和增壓效果與工程中的排量大小也有關(guān)系。
[0033]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實(shí)施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。而且需要說明的是，本發(fā)明的各組成部分并不僅限于上述整體應(yīng)用，本發(fā)明的說明書中描述的各技術(shù)特征可以根據(jù)實(shí)際需要選擇一項(xiàng)單獨(dú)采用或選擇多項(xiàng)組合使用，因此本發(fā)明當(dāng)然地涵蓋了與本案發(fā)明點(diǎn)有關(guān)的其他組合及具體應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明的水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，包括:中空柱狀本體，本體空腔內(nèi)依次設(shè)有葉輪、葉輪軸、底座；其特征在于，本體壁面設(shè)有斜向流道，流體通過其可以產(chǎn)生反沖增壓和井下環(huán)空抽吸作用；葉輪葉片帶有一定扭轉(zhuǎn)角度利于葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪壁面封閉且?guī)в袀?cè)向開口，使葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)與本體斜向流道周期性配合，葉輪流體入口端開放，流體出口端設(shè)有擋板；底座設(shè)有與葉輪擋板配合的瀉流通道；流體通過水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置會(huì)周期性的從底座瀉流通道和本體斜向流道分別噴射出來，使井底鉆頭孔眼產(chǎn)生一定振幅、頻率的脈動(dòng)射流，使鉆頭產(chǎn)生一定的脈動(dòng)增壓，使環(huán)空產(chǎn)生一定的欠平衡，形成一種新的聯(lián)合破巖方式。
2.如權(quán)利要求1所述水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，其特征在于，所述本體內(nèi)腔上端設(shè)有擋圈槽用于安裝彈性擋圈固定內(nèi)部構(gòu)件，本體內(nèi)腔下端設(shè)有帶定位孔的凸臺(tái)用于定位底座。
3.如權(quán)利要求1-2所述水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，其特征在于，所述底座下端設(shè)有定位銷用于定位其在本體上，底座上端設(shè)有軸座孔用于安置裝配葉輪軸的葉輪。
4.如權(quán)利要求1所述水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，其特征在于，所述底座瀉流通道的截面為部分圓環(huán)形狀。
5.如權(quán)利要求1-3所述水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，其特征在于，所述葉輪的擋板形狀和位置要與底座上的瀉流通道的形狀和位置嚴(yán)格一致或葉輪擋板遮擋瀉流通道面積面積比底座瀉流通道面積小。
6.如權(quán)利要求1所述水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，其特征在于，所述葉輪與底座連接可通過葉輪軸連接或軸承機(jī)構(gòu)連接。
7.如權(quán)利要求1所述水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，其特征在于，所述葉輪的葉片數(shù)、葉片厚度和葉片扭轉(zhuǎn)角度是可變的。
8.如權(quán)利要求1所述水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，其特征在于，所述葉輪的側(cè)向開口大小是可變的。
9.如權(quán)利要求1所述水力脈沖增壓欠平衡鉆井裝置，其特征在于，所述本體上的斜向流道可以是一對(duì)或多對(duì)。
【文檔編號(hào)】E21B7/18GK103821453SQ201310365356
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】李根生, 蘭起超, 姚晨昊, 黃中偉, 宋先知, 史懷忠, 王海柱 申請人:中國石油大學(xué)(北京)