CN203239230U - 一种井下射流辅助钻井提速装置 - Google Patents

Abstract

一种井下射流辅助钻井提速装置，属于石油钻井技术领域。包括外壳体、轴承、上固定孔板、导流叶片、配合筒、下固定孔板、中心通孔轴、转动密封块、偏心轴、周期导流板、液缸、活塞、弹簧、脉冲导流管、高压导流孔；扰流通孔与液缸上腔相连，扰流盲孔与脉冲导流管相连；外壳体上部通过螺纹与钻井管柱相连接，下部通过下接头螺纹直接与钻头相连接；井下射流辅助钻井提速装置包括外壳体、涡轮动力系统、脉冲调制系统、液缸活塞增压系统；内部有圆形和多边形阶梯孔；外壳体上、下端有用于与钻井管柱和钻头连接的内螺纹；外壳体内部孔从上至下分别安装了涡轮动力系统、脉冲调制系统和液缸活塞增压系统。特别适用于中深部地层硬度高、研磨性强的地层。

Description

一种井下射流辅助钻井提速装置

技术领域

本实用新型涉及一种井下射流辅助钻井提速装置，属于石油钻井技术领域。 

背景技术

钻井工程就是通过一系列的工具和技术开凿出通往地下的通道。目前钻井技术主要用于石油、天然气、地热、地下水等资源开采，这是钻井工程最主要的应用，比例也高达98%以上，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，如井下增压泵、脉冲射流等。井下增压泵是通过液缸活塞将部分钻井液增压至超高压状态，通过专门的流道从钻头水眼中喷射出高速射流，这种射流速度超过200m/s，高速射流能启到很好的辅助破岩作用。脉冲射流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，这种速度的提高直接带来射流冲击效率的提高，水力破岩效率得到提高。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。井底增压泵钻头水眼产生高速 射流，对硬地层效果显著，机械钻速提高明显，但存在寿命不足的缺点；脉冲射流能高效地清理岩屑，能有效提高钻头进尺。 

发明内容

本实用新型提供一种井下射流辅助钻井提速装置。 

一种井下射流辅助钻井提速装置，包括外壳体、轴承、上固定孔板、导流叶片、配合筒、下固定孔板、中心通孔轴、转动密封块、偏心轴、周期导流板、液缸、活塞、弹簧、脉冲导流管、高压导流孔； 

扰流通孔与液缸上腔相连，扰流盲孔与脉冲导流管相连； 

外壳体上部通过螺纹与钻井管柱相连接，下部通过下接头螺纹直接与钻头相连接；井下射流辅助钻井提速装置包括外壳体、涡轮动力系统、脉冲调制系统、液缸活塞增压系统； 

内部有圆形和多边形阶梯孔；多边形孔为正六边形或正八边形，孔当量直径或直径从上至下依次减少；外壳体上、下端有用于与钻井管柱和钻头连接的内螺纹；外壳体内部孔从上至下分别安装了涡轮动力系统、脉冲调制系统和液缸活塞增压系统； 

涡轮动力系统包括固定孔板、轴承、中心通孔轴、导流叶片、配合筒；固定孔板外形为多边形；固定孔板中心有圆形通孔用于固定轴承；固定孔板上面还开有一系列通孔，这些通孔是钻井液的流动通道；涡轮动力系统中有上下两块固定孔板，两块孔板上下间距为50-2000mm；固定孔板中心圆孔与通过配合轴承外径连接；轴承内径通过配合与中心通孔轴相连接；中心通孔轴长度大于上下固定孔板间的距离；中心通孔轴上端面与上固定孔板上表面重合，中心通孔轴下端面距离下固定孔板下表面50-1000mm；上固定孔板下表面与下固定孔板上表面间的中心通孔轴上通过焊接的方式与导流叶片相连接；导流叶片外径与外壳体内孔间安装配合 筒；配合筒外形为多边形，其具体边数量及其边长与外壳体内孔边数及边长相等；配合筒内有圆形通孔，其直径大于导流叶片旋转当量直径；钻井液通过上固定孔板的导流孔后冲击导流叶片； 

脉冲调制系统由偏心轴、转动密封块和周期导流板组成；周期导流板外形为多边形，其边数及边长与外壳体内孔的边数及边长相等；在距离板中心一定偏心位置有扰流通孔和扰流盲孔，扰流通孔和扰流盲孔是钻井液流动的通道；偏心轴上端与中心通孔轴通过螺纹或焊接的方式连接，下端通过焊接或螺纹与转动密封块相连；转动密封块为圆形或多边形，安装后其中心与扰流通孔和扰流盲孔同心；周期导流板上有2个扰流通孔和2个扰流盲孔；扰流通孔下部于液缸相连；扰流盲孔与脉冲流道相连； 

液缸活塞增压系统由液缸、活塞、弹簧、液压开关阀组成；脉冲流体通过扰流通孔进入液缸推动活塞向下运动，活塞上端面面积大于活塞下端面面积。 

本实用新型的优势在于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提高破岩效率。此外井下射流辅助钻井提速装置尺寸小、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硬度高、研磨性强的地层。 

本实用新型提供的井下射流辅助钻井提速装置，钻头水眼处周期性地出现高速射流和脉冲射流，提高破岩效率和钻井速度，解决当前难钻井地层机械钻速低、钻井效率低、钻井成本高的问题。本实用新型特别适用于中深部地层硬度高、研磨性强的地层。该发明的井下射流辅助钻井提速装置可提高钻井速度25%以上。 

附图说明：

图1为井下射流辅助钻井提速装置装配示意图； 

图2为外壳体剖面图； 

图3为图2A-A向视图； 

图4为固定孔板俯视图； 

图5为配合筒俯视图； 

图6为周期导流板示意图； 

图7为图6B-B向视图； 

图8（a）为转动密封块与扰流通孔和扰流盲孔的密封共轭关系图；扰流通孔与转动密封块处于关闭状态，扰流盲孔开； 

图8（b）为转动密封块与扰流通孔和扰流盲孔的密封共轭关系图；扰流盲孔孔与转动密封块处于关闭状态，扰流通孔开； 

图9为液缸活塞增压系统装配示意图； 

图10为液缸活塞增压系统的之一工作状态图； 

图11为液缸活塞增压系统的之二工作状态图； 

图12（a）为井下射流辅助钻井提速装置的之一工作状态图; 

图12（b）为井下射流辅助钻井提速装置的之二工作状态图。 

具体实施方式

本实用新型一种井下射流辅助钻井提速装置如图1所示，外形为圆柱状，上部与钻井管柱相连接，下部直接与钻头相连接。井下射流辅助钻井提速装置能使钻头不同水眼产生两种射流，即高速射流和脉冲射流。高速射流用于辅助破岩，脉冲射流用于清理岩屑。在这两种射流的辅助作用下，高效地实现钻头的破岩和清岩屑，最终达到提高钻头机械钻速和钻头进尺的目的。 

本实用新型井下射流辅助钻井提速装置包括外壳体、涡轮动力系统、脉冲调制系统、和液缸活塞增压系统组成。井下射流辅助钻井提速装 置的部件包括外壳体1、轴承2、上固定孔板3、导流叶片4、配合筒5、下固定孔板6、中心通孔轴7、转动密封块8、偏心轴9、周期导流板10、液缸11、活塞12、弹簧13、脉冲导流管14、高压导流孔15、 

外壳体1示意剖面图如图2所示。外壳体1外形为圆柱体，内有阶梯状通孔，通孔直径或当量直径逐渐减小。外壳体1上部螺纹、下部螺纹分别用于工具与上部钻井管柱和下部钻头连接。图2所示的阶梯孔分为Ⅰ段孔100、Ⅱ段101、Ⅲ段孔102分别用于安装涡轮动力系统、脉冲调制系统和液缸活塞增压系统，其中Ⅰ段孔100、Ⅱ段101为多边形孔，Ⅲ段孔102为圆形。本实施例中，Ⅰ段孔100、Ⅱ段孔101为正八方孔，Ⅲ段孔103为圆形。图3为图2A-A向视图，阶梯孔的Ⅰ段孔100为正八方孔。 

涡轮动力系统包括轴承2、上固定孔板3、导流叶片4、配合筒5、下固定孔板6、中心通孔轴7。涡轮动力系统通过配合安装在外壳体1的Ⅰ段孔100孔处，Ⅰ段孔100和Ⅱ段孔101抬肩作为支撑。上固定孔板3如图4所示，外形为正八方，中心有通孔用于安装轴承2。上固定孔板3有4个流道401，这是钻井液循环的流通途径。流道401的数量为3-15个，形状可为任意的多边形或其它形状。上固定孔板3的中心孔通过配合与轴承2的外径表面连接，轴承2的内径表面通过配合与中心通孔轴7相连接。中心通孔轴7处于上固定孔板3下表面和下固定孔板6上表面之间部分通过焊接的方式与导流叶片4相连接。配合筒5如图5所示，正八方柱体，中心有通孔。配合筒5安装在上固定孔板3和下固定孔板6之间。配合筒5的外表面与外壳体1的Ⅰ段孔100孔相配合。配合筒5的中心通孔直径大于安装后导流叶片4的转动半径。中心通孔轴7长度大于上固定孔板3和下固定孔板6之间的距离。中心通孔轴7上端面与上固定孔板3上端面同平面。中心通孔轴7下端面距离下固定孔板6的距离为 50-500mm。 

脉冲调制系统包括偏心轴8、转动密封块9、周期导流板10。脉冲调制系统通过配合安装在外壳体1的Ⅱ段孔101处，Ⅱ段孔101和Ⅲ段孔102的抬肩作为支撑。周期导流板如图6所示。周期导流板10上有2个扰流通孔1001和2个扰流盲孔1002。2个扰流通孔1001和2个扰流盲孔1002在一个同心圆上均匀对称分布。本实施例中扰流通孔1001和扰流盲孔1002为圆形，直径相等。通过扰流通孔1001的钻井液进入液缸11推动活塞12产生超高压钻井液，最终在钻头水眼产生高速射流；通过扰流盲孔1002的流体进入脉冲导流管14，在钻头水眼产生脉冲射流。 

周期导流板图6的B-B向视图如图7所示，2个扰流盲孔1002的流体最终汇聚在脉冲汇集孔1003。脉冲汇集孔1003通过螺纹或焊接的方式与脉冲导流管14相连。转动密封块8的数量为2个，转动密封块9通过偏心轴8的下端面通过焊接或螺纹相连接，偏心轴8的上部与中心通孔轴7通过焊接或螺纹连接。转动密封块9的下表面与周期导流板10的上表面通过接触形成密封如图8所示。 

图8（a）转动密封块9与扰流通孔1001位置重合形成密封，扰流通孔1001处于关闭状态，此时扰流盲孔1002处于打开状态，钻井液通过扰流盲孔1002进入到脉冲汇集孔1003最终到达钻头水眼产生脉冲射流。图8（b）转动密封块9与扰流盲孔1002位置重合形成密封，此时扰流通孔处于打开状态，钻井通过扰流通孔1001进入到液缸11内推动活塞12对钻井液做功，将钻井液增压成超高压状态，最终在钻头形成高速射流。转动密封块9在旋转过程中，周期性地密封扰流通孔1001和扰流盲孔1002，使钻头水眼出口处连续流动的钻井液变成周期性的高速射流和脉冲射流。 

液缸活塞增压系统由液缸11、活塞12、弹簧13、过滤网9001、第一液压开关阀9002和第二液压开关阀9003、液缸上腔9004、液缸下腔9005。过滤网9001安装在脉冲导流管14上，液缸11上端面与周期导流板10的下表面通过焊接联接形成液缸上腔9004。液缸11为圆柱形，内部有三段圆形台阶孔，台阶孔直径自下往上依次增加。活塞12为带有台阶的圆柱形，活塞12上部直径大于下部，活塞12上下端面积比决定了增压后超高压钻井液的压力，通常情况下上下端面积比为2-8倍。活塞12中心有一通孔，通孔直径与液缸11下部孔直径和周期导流板10的脉冲汇集孔1003直径相同。活塞12中心孔与脉冲导流管14的外径配合，脉冲导流管14下端面与液缸11的下端面重合。活塞12上部圆柱面与液缸11上部孔配合形成液缸11的上部形成环形的液缸上腔9004，活塞12下部圆柱面与液缸11中部孔配合形成环形的液缸下腔9005。扰流通孔1001流过的钻井液在密闭腔中推动活塞12上端面向下运动；对液缸下腔9005内的钻井液进行增压，形成超高压钻井液。弹簧13的作用是在活塞运动到下死点时将活塞12推到上死点。 

图10和图11是液缸活塞增压系统的工作过程。图10中，转动密封块9与扰流盲孔1002重合形成密封，此时钻井液通过扰流通孔1001进入液缸上腔9004，推动活塞12上端面使活塞12向下运动，活塞12上下端面积比，使得液缸下腔9005内的钻井液产生超高压，最终通过钻头水眼形成高速射流（如图中箭头所示）。图11中，转动密封块9与扰流通孔1001重合，钻井液通过扰流盲孔1002进入到脉冲导流管14，最终从通过钻头水眼形成脉冲射流（如图中箭头所示）。而此时扰流通孔1001的钻井液被切断，活塞12运动到下死点，在弹簧13的作用下开始向上运动，第一液压开关阀9002和第二液压开关阀9003打开，液缸上腔9004 中钻井液经由第一液压开关阀9002排至脉冲导流管14中，第二液压开关阀9003打开，在活塞12向上运动的产生抽吸力的作用下进入液缸下腔9005内。待活塞12运动到上死点时，扰流通孔1001流道打开，第一液压开关阀9002和第二液压开关阀9003关闭，活塞12开始向下运动，再次对液缸下腔9005内的钻井液增压在钻头水眼产生高速射流；在转动密封块9转动过程中，转动密封9周期性的密封扰流通孔1001和扰流盲孔1002，使得钻头水眼周期性地出现高速射流和脉冲射流。高速射流辅助破岩，脉冲射流辅助清理岩屑，最大到提高钻头机械钻速和钻头进尺的目的。 

图12（a）、图12（b）是本实用新型的工作状态图。图12（a）井底钻头1201的水眼产生超高射流，钻井液首先通过上固定孔板3的流道401，然后通过扰流通孔1001进入液缸上腔9004推动活塞12向下运动，对液缸下腔9005内的钻井液增压，超高压钻井通过超高压导流孔15，最后经钻头超高压流道1202在钻头水眼形成高速射流。图12（b）井底钻头1201的水眼产生脉冲射流，钻井液首先通过上固定孔板3的流道401，然后通过扰流盲孔1002和脉冲导流管14，最后经钻头脉冲流道1203在钻头水眼形成脉冲射流。 

本实用新型的井下射流辅助钻井提速装置为钻头提供了高速射流和脉冲射流，高速射流有助于钻头破岩，脉冲射流有利于井底岩屑的清除。这两种效应提高了钻头机械钻速和钻头进尺。 

如上所述，对本实用新型的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本实用新型的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (1)

1.井下射流辅助钻井提速装置，包括外壳体、轴承、上固定孔板、导流叶片、配合筒、下固定孔板、中心通孔轴、转动密封块、偏心轴、周期导流板、液缸、活塞、弹簧、脉冲导流管、高压导流孔； 

扰流通孔与液缸上腔相连，扰流盲孔与脉冲导流管相连； 

外壳体上部通过螺纹与钻井管柱相连接，下部通过下接头螺纹直接与钻头相连接；井下射流辅助钻井提速装置包括外壳体、涡轮动力系统、脉冲调制系统、液缸活塞增压系统； 

内部有圆形和多边形阶梯孔；多边形孔为正六边形或正八边形，孔当量直径或直径从上至下依次减少；外壳体上、下端有用于与钻井管柱和钻头连接的内螺纹；外壳体内部孔从上至下分别安装了涡轮动力系统、脉冲调制系统和液缸活塞增压系统； 

涡轮动力系统包括固定孔板、轴承、中心通孔轴、导流叶片、配合筒；固定孔板外形为多边形；固定孔板中心有圆形通孔用于固定轴承；固定孔板上面还开有一系列通孔，这些通孔是钻井液的流动通道；涡轮动力系统中有上下两块固定孔板，两块孔板上下间距为50-2000mm；固定孔板中心圆孔与通过配合轴承外径连接；轴承内径通过配合与中心通孔轴相连接；中心通孔轴长度大于上下固定孔板间的距离；中心通孔轴上端面与上固定孔板上表面重合，中心通孔轴下端面距离下固定孔板下表面50-1000mm；上固定孔板下表面与下固定孔板上表面间的中心通孔轴上通过焊接的方式与导流叶片相连接；导流叶片外径与外壳体内孔间安装配合筒；配合筒外形为多边形，其具体边数量及其边长与外壳体内孔边数及边长相等；配合筒内有圆形通孔，其直径大于导流叶片旋转当量直径；钻井 液通过上固定孔板的导流孔后冲击导流叶片； 

脉冲调制系统由偏心轴、转动密封块和周期导流板组成；周期导流板外形为多边形，其边数及边长与外壳体内孔的边数及边长相等；在距离板中心一定偏心位置有扰流通孔和扰流盲孔，扰流通孔和扰流盲孔是钻井液流动的通道；偏心轴上端与中心通孔轴通过螺纹或焊接的方式连接，下端通过焊接或螺纹与转动密封块相连；转动密封块为圆形或多边形，安装后其中心与扰流通孔和扰流盲孔同心；周期导流板上有2个扰流通孔和2个扰流盲孔；扰流通孔下部于液缸相连；扰流盲孔与脉冲流道相连； 

液缸活塞增压系统由液缸、活塞、弹簧、液压开关阀组成；脉冲流体通过扰流通孔进入液缸推动活塞向下运动，活塞上端面面积大于活塞下端面面积。 

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