一種阻斷式脈沖射流鉆井裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種鉆井用鉆頭，特別涉及一種阻斷式脈沖射流鉆井裝置，屬于 石油天然氣鉆井設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在石油天然氣鉆井過程中，噴射鉆井技術(shù)是通過在鉆頭噴嘴處產(chǎn)生高速射流的方 式進(jìn)行井底巖肩的清洗和輔助機(jī)械破巖，以達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。現(xiàn)有的井下鉆頭裝 置包括共軸線的雙母套筒、鉆頭接頭和鉆頭本體，雙母套筒的下端與鉆頭接頭的上端相旋 接，鉆頭接頭的下端與鉆頭本體的上端相旋接，鉆頭本體的下端安裝有刀翼，鉆頭本體的上 端設(shè)有沿軸線向下延伸的鉆頭水腔，鉆頭水腔的底壁上分布有多個鉆頭水眼，各鉆頭水眼 以軸線為中心均勻分布在同一個圓周上，各鉆頭水眼分別向下延伸且分別與鉆頭本體下端 面的噴孔相通，各噴孔中分別安裝有噴嘴；雙母套筒和鉆頭接頭的中心設(shè)有與鉆頭水腔相 通的中心水道。工作時，鉆柱驅(qū)動雙母套筒、鉆頭接頭和鉆頭本體旋轉(zhuǎn)，鉆頭本體上的刀翼 切削巖石，同時地面機(jī)栗將鉆井液栗入井下，鉆井液從鉆柱、雙母套筒和鉆頭接頭的中心流 道到達(dá)鉆頭本體的鉆頭水腔，再從鉆頭水眼進(jìn)入噴嘴噴出，對井底巖肩進(jìn)行清洗。
[0003] 常規(guī)PDC鉆頭（即PolycrystallineDiamondCompactbit聚晶金剛石復(fù)合片鉆 頭）與普通噴嘴組合，鉆井液通過鉆具內(nèi)水眼、鉆頭內(nèi)腔，從噴嘴流出，由于流體沒有經(jīng)過擾 動，在井底產(chǎn)連續(xù)射流，這種連續(xù)射流雖然在一定程度上有助于水力破巖和清洗井底，但由 于連續(xù)射流會在井底形成持續(xù)的正壓力，對井底巖肩產(chǎn)生壓持效應(yīng)，不利于巖肩的即時清 洗，易造成巖肩的重復(fù)切削，降低機(jī)械鉆速。連續(xù)射流的射流沖擊力和液柱的靜壓力會增加 井底巖石的圍壓，使巖石的塑性增強(qiáng)，不利于巖石的破碎。隨著井深的增加和地面機(jī)栗條件 的限制，鉆頭噴嘴處射流噴射速度會逐漸減小，嚴(yán)重降低了射流清巖和輔助破巖的效率，從 而影響機(jī)械鉆速。同時，傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)中，鉆井液為均勻的連續(xù)射流，存在水力能量分配 和利用效率低等問題。
[0004] 經(jīng)過科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐證明：脈沖射流作為一種改變井底流場的射流方式與連 續(xù)射流在射流清巖和輔助破巖機(jī)理方面存在差異，脈沖射流具有更好的輔助破巖和清巖效 果。合理的射流脈沖壓力的變化不僅能夠起到良好的井底清洗效果，還可能達(dá)到輔助破巖 甚至直接水力破巖的目的。目前，可進(jìn)行鉆井應(yīng)用的脈沖射流鉆井技術(shù)主要通過在鉆頭和 鉆柱中間安裝脈沖接頭或在鉆頭水眼末端安裝脈沖噴嘴來實現(xiàn)脈沖。
[0005] 脈沖接頭結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，安全可靠性差；接頭中脈沖發(fā)生裝置的能量由鉆井液提 供，脈沖發(fā)生裝置將鉆井液的動能轉(zhuǎn)化為流體的脈沖能量，連續(xù)流體流經(jīng)脈沖接頭時會產(chǎn) 生相對較高的壓力損耗，從而增加地面機(jī)栗的工作壓力；而且脈沖射流發(fā)生的位置距離鉆 頭噴嘴至少0. 5m左右，脈沖接頭產(chǎn)生的脈沖射流不能直接作用于井底，脈沖射流經(jīng)過鉆頭 流道后實際作用于井底的脈沖效果會削弱。
[0006] 脈沖噴嘴雖然能夠?qū)⑦B續(xù)流體調(diào)整成脈沖流體，但脈沖效果相對較低。由于鉆頭 水眼孔徑通常只有18mm，脈沖噴嘴的設(shè)計受到鉆頭水眼孔徑及自身強(qiáng)度要求的限制，產(chǎn)生 的空化效果達(dá)不到最大化，隨著井深的增加，井底圍壓增加，也會削弱脈沖噴嘴的脈沖效 果，使得水力破巖和清潔井底的效果被削弱，提高機(jī)械鉆速的程度也受到限制。
[0007] 以上的脈沖射流工具為被動式結(jié)構(gòu)，脈沖效果主要由鉆井液流量和脈沖射流工具 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，而脈沖射流工具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常是固定的，無法根據(jù)現(xiàn)場情況及時進(jìn)行 改變。尋找新的脈沖射流產(chǎn)生方法和脈沖射流作用方式，對于提高機(jī)械鉆速，縮短油氣勘探 周期，降低油氣鉆井成本具有非常重要的意義。 【實用新型內(nèi)容】
[0008] 本實用新型的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種阻斷式脈沖射流 鉆井裝置，可以提高清洗井底的效果和水力破巖的能力。
[0009] 為解決以上技術(shù)問題，本實用新型的一種阻斷式脈沖射流鉆井裝置，包括鉆頭本 體，所述鉆頭本體的下端安裝有刀翼，所述鉆頭本體的上端設(shè)有沿軸線向下延伸的鉆頭水 腔，所述鉆頭水腔的底壁上分布有多個鉆頭水眼，各鉆頭水眼以軸線為中心均勻分布在同 一個圓周上，各鉆頭水眼分別向下延伸且分別與鉆頭本體下端面的噴孔相通，其特征在于： 所述鉆頭水腔的底壁上安裝有靜閥盤，所述靜閥盤上設(shè)有靜閥盤水孔，各所述靜閥盤水孔 與所述鉆頭水眼的孔徑相同且分別與所述鉆頭水眼一一對應(yīng)貫通，所述靜閥盤的上方覆蓋 有可繞軸線轉(zhuǎn)動的動閥盤，所述動閥盤上設(shè)有至少一個動閥盤水孔，所述動閥盤水孔與所 述靜閥盤水孔的孔徑相同且與靜閥盤水孔位于同一個圓周上。
[0010] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型取得了以下有益效果：⑴當(dāng)鉆井液通過鉆井液流道 到達(dá)鉆頭本體的鉆頭水腔時，被動閥盤阻擋；由于靜閥盤固定不動，當(dāng)動閥盤轉(zhuǎn)動時，動閥 盤上的動閥盤水孔和靜閥盤上的靜閥盤水孔出現(xiàn)周期性的貫通或關(guān)閉。⑵當(dāng)動閥盤水孔和 靜閥盤水孔的重合度高時，鉆井液流經(jīng)靜閥盤水孔進(jìn)入鉆頭水眼的流量大，從鉆頭噴嘴噴 出的射流速度高、沖擊力大，射流對井底的清洗效果好。⑶當(dāng)動閥盤水孔和靜閥盤水孔的重 合度低時，鉆井液流經(jīng)靜閥盤水孔進(jìn)入鉆頭水眼的流量小，從鉆頭噴嘴噴出的射流速度低、 沖擊力小，射流對井底的清洗效果差。⑷隨著動閥盤的旋轉(zhuǎn)，鉆井液被周期性分配到不同的 鉆頭水眼中，形成脈沖射流直接作用于井底；一方面提高清巖破巖能力，另一方面在鉆頭附 近形成低壓區(qū)，減少環(huán)空液柱對井底巖石的壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速。（5)當(dāng)只有一只動閥盤 水孔和靜閥盤水孔完全重合，其余均不通時，鉆頭水腔全截面上鉆井液的能量全部集中于 某一只鉆頭水眼中，從該鉆頭噴嘴噴出的射流速度最高、沖擊力極大；動閥盤旋轉(zhuǎn)一周，則 每個噴嘴輪流噴出最強(qiáng)勁的射流且輪流關(guān)閉，達(dá)到最佳的脈沖效果。(6)不必改造昂貴的roc 鉆頭本體，動閥盤和靜閥盤結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，制造周期短，適應(yīng)性好，可以根據(jù)現(xiàn)場要 求的不同排量，改變動閥盤水孔的孔徑和個數(shù)，調(diào)整脈沖射流參數(shù)，使脈沖效果達(dá)到最優(yōu)。 (7)簡化了鉆具組合并減小了脈沖射流發(fā)生位置與噴嘴間的距離，一方面降低了鉆具安全風(fēng) 險，另一方面使脈沖射流作用得到強(qiáng)化，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，提高油氣勘 探開發(fā)的效率。
[0011] 作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述動閥盤的中心固定在閥桿的下端，所述閥桿的 上端頭設(shè)有螺紋且安裝有槳葉，所述槳葉的上下兩端分別旋接有槳葉鎖緊螺母將槳葉固定 在所述閥桿上。當(dāng)鉆井液流過槳葉時，將驅(qū)動槳葉連續(xù)旋轉(zhuǎn)，槳葉帶動閥桿進(jìn)而動閥盤轉(zhuǎn) 動，無需外部動力即可實現(xiàn)動閥盤上的動閥盤水孔和靜閥盤上的靜閥盤水孔周期性的貫通 或關(guān)閉，且可以根據(jù)現(xiàn)場鉆井液流量需要選擇不同規(guī)格的槳葉，使動閥盤具有需要的轉(zhuǎn)速； 槳葉尺寸小，制造成本低，且更換方便快捷，利用鉆井液流道的空間，對原鉆具的改造量小。
[0012] 作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述槳葉上方的鉆井液流道中固定有導(dǎo)流板，所述 導(dǎo)流板的上下端面之間設(shè)有斜向的導(dǎo)流孔，各所述導(dǎo)流孔以軸線為中心均勻分布。鉆井液 從導(dǎo)流板上的斜向?qū)Я骺琢鬟^，將由垂直射流轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)射流，并集中鉆井液的水力能量， 以較大的射流沖擊力沖擊在槳葉上，使槳葉的旋轉(zhuǎn)更加輕盈靈活。
[0013] 作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述導(dǎo)流板的上端面的圓周上均勻連接有至少三根 連接桿，各所述連接桿相互平行且沿軸向向上延伸，各所述連接桿的上端連接在固定圈的 下端面上，所述固定圈的上端面設(shè)有向外周翻出的凸緣，所述凸緣固定在鉆井液流道的孔 壁臺階上，所述連接桿、固定圈與所述導(dǎo)流板連為一體。連接桿與固定圈形成花籃結(jié)構(gòu)，導(dǎo) 流板固定在花籃下方，上方安裝的鉆柱可以壓住固定圈的上端面，使導(dǎo)流板、連接桿與固定 圈得以固定，防止脈沖壓力上返時，波動壓力推動導(dǎo)流板上移。連接桿、固定圈與導(dǎo)流板連 為一體以使三者之間具有更好的剛性且安裝更加方便。
[0014] 作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述閥桿的中上部通過軸承裝置支撐在鉆井液流道 的孔壁臺階上，所述軸承裝置包括固定在鉆井液流道孔壁臺階上的軸承座，所述軸承座的 內(nèi)孔軸向中部安裝有隔套，所述隔套的上下兩端分別安裝有推力軸承，所述推力軸承的外 側(cè)分別安裝有密封套，上密封套的頂部與所述槳葉鎖緊螺母之間支撐有上定位套，下密封 套的底部與所述閥桿的軸肩之間支撐有下定位套；所述軸承座的上下端面的中心分別安裝 有軸承蓋，所述上密封套和下密封套分別從所述軸承蓋的中心孔中穿過。采用雙推力軸承 支撐，可以使閥桿的轉(zhuǎn)動更加靈活穩(wěn)定；采用隔套、上定位套、下定位套、上密封套和下密封 套可以使閥桿得到很好的軸向定位。
[0015] 作為本實用新型進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述軸承蓋的法蘭邊與所述軸承座的端面之 間分別安裝有〇形圈，所述軸承蓋的中心分別設(shè)有穹窿形油封腔，所述油封腔中分別設(shè)有 油封。0形圈及油封可以阻止鉆井液進(jìn)入軸承空間，保證軸承潤滑良好。
[0016] 作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述靜閥