[发明专利]石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置。

背景技术

高压喷射钻井技术自20世纪60年代问世以来，为高效快速钻井开辟了广阔的前景，是钻井技术变革的一项重大成果。随着高压喷射钻井技术在石油工程中的应用研究，人们关注的焦点是如何向井下输送水力能量以及如何高效利用井下水力能量。近二十年来，国内外研究的方向集中在两方面：一是研究如何降低钻井液的沿程水力能量损失；二是研究高压大排量的泥浆泵。

由于高压喷射钻井技术能大幅度提高钻井速度，而泥浆泵泵压的提高幅度则是有限的，因而有学者研究用井下工具来抽吸环空流体到钻杆内，以达到增加井底水力能量的目的。但是到目前为止，该课题仍处于理论研究阶段且尚不成熟，没有在生产中得到应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置，利用钻井过程中钻头在井底的振动产生抽吸作用，把环空中的钻井液吸入到钻柱内，增加钻头处流量，同时形成脉冲射流，增强出口射流的动量和冲击作用，从而在钻井中增大井下水力能量，并提高机械钻速。

本发明的技术方案是：石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置包括上接头、承压台阶、中心管、承压外筒、缸盖、花键、外筒单向阀、共振腔单向阀、共振腔、吸入腔、下接头。上接头联接钻柱，其下部为承压台阶，上接头与承压台阶为一体。承压台阶通过其内部的母螺纹与中心管顶端的公螺纹相联。承压台阶的作用为承受装置上部钻具施加的轴向载荷，并将载荷传递给下方的承压外筒。承压外筒的外筒壁上对称安装有两个外筒单向阀，外筒单向阀使流体只能从承压外筒外部流向承压外筒内部，外筒单向阀装有过滤网，防止环空内钻井液中的钻屑等固态颗粒进入装置内部，堵塞流道。承压外筒上部内壁与中心管外壁相应位置有花键配合并传递扭矩。承压外筒顶部有可拆卸缸盖，中心管从缸盖中心穿过，缸盖内壁与中心管外壁通过密封件密封，中心管底部外径与承压外筒内径相同并有密封件密封。通过缸盖内壁、中心管外壁、中心管下部外壁与承压外筒下部内壁的密封件将承压外筒内部空间分隔为两个腔室，上部腔室为吸入腔，下部腔室为共振腔。在中心管下端对称安装有两个共振腔单向阀，共振腔单向阀使承压外筒内部流体只能从吸入腔流入共振腔。整个装置通过螺纹竖直联接在钻柱中，装置外部为井筒环空。

在钻井的过程中，由于井底岩石的反作用力和钻柱本身的振动，使得钻柱纵向跳动导致吸入腔体积变化。当钻柱向上运动时，吸入腔体积减小，腔内压力大于环空压力，承压外筒单向阀关闭，而共振腔单向阀开启，之前进入吸入腔内的流体流入共振腔；当钻柱向下运动时，吸入腔体积增大，腔内压力小于环空压力，承压外筒单向阀开启，环空内的流体流入吸入腔，共振腔单向阀关闭，与此同时，先前由吸入腔进入共振腔的流体与由中心管流入的流体一起流入下部钻柱。如此可利用钻柱振动周而复始地把环空中的流体通过本装置补给钻头，让钻头得到更多的水力能量，从而提高机械钻速。

本装置解决了目前钻井工况下井下自增压装置应用效果有限的难题，并且具有以下优点：（1）充分利用钻柱自身振动所产生的能量，有效利用井下环空流体，增加钻头处射流流量，达到水力增压的目的；（2）钻柱向上运动时射流冲击力较小，钻柱向下运动时射流冲击力较大。这种冲击力的交替变化使得井底岩石表面产生松弛效应，改善井底流场，提高井底净化和清岩效率，减少压持和重复破碎，从而提高了射流的冲刷能力；（3）装置制造简单，成本低廉，系统工作稳定，可广泛应用于钻井作业领域。

附图说明

图1是本装置结构示意图。

图2是中心管底部与承压外筒结合处局部放大示意图。

具体实施方式

本发明的核心在于：利用钻井过程中钻柱自身和钻头冲击岩石的振动，在钻柱内产生类似活塞作用的抽吸力，在钻柱内外形成压差，让钻柱外环空中的钻井液进入钻柱内部，增加出口射流流量，同时形成脉冲射流，改善井底流场，提高井底净化和清岩效率，减少压持和重复破碎，增强出口射流的动量和冲击作用。

下面结合附图，具体说明本发明。