[发明专利]水力脉冲增压欠平衡钻井装置

说明书

技术领域

本发明涉及到一种水力脉冲增压欠平衡钻井装置。属于石油、天然气开采领域钻井中的井下工具。

背景技术

随着油气资源的勘探开发向着深部地层发展，所钻遇的深井、超深井越来越多，随着所钻井深的不断增加，井筒内的钻井液柱的静液柱压力不断加大，对岩屑的压持效应越来越明显；然而传统的钻井方式在钻井过程中的水力能量的传输、转换、分配及利用效率随井深的增加进一步降低。这直接导致了钻井速度的明显下降。因此，如何通过提高水力能量的传输、转换、分配及利用效率来改善井底岩石的应力状态和流场分布，进而提高破岩、清岩效率提高钻井速度是亟需解决的问题。虽然近些年有学者研发了旋转冲击钻井工具、井下增压器和单一的水力脉冲钻井工具等提高钻井速度工具，但由于内部构件复杂导致寿命和稳定性差，井下增压器产生的高压水射流辅助破岩能量低、破岩效果一般，单一脉冲发生装置产生脉动振幅小及压降、能量损耗较大等原因，所以一直未能推广为大规模应用技术。

水力脉冲增压欠平衡钻井装置是结合水力脉冲钻井技术、井下增压钻井技术和欠平衡钻井技术来实现提高钻井速度的关键部件，钻井时该装置安装在钻头和钻铤之间，或在钻头和井下动力钻具之间，将连续流动的钻井液转化为脉冲射流经钻头喷嘴喷射至井底，钻井液由斜向流道向上喷射产生的向下反冲力由该装置传递到钻头上作用在岩石上形成脉动增压，钻井液由斜向流道向上喷射在斜向流道以下环空产生抽吸压力实现欠平衡，从而改变了井底岩石的受力状态和井底流场状态，进而提高机械钻速。

综合考虑以上工具的工作方式及存在的优点与缺点，本发明人根据多年从事岩石破碎与清除方面的实践和配套工具研发的经验，研制出了本发明的水力脉冲增压欠平衡钻井装置。

发明内容

本发明的目的是巧妙的结合水力脉冲钻井技术、井下增压钻井技术和欠平衡钻井技术的优点，合理分配钻井过程中的水力能量：钻井液通过斜向流道产生的反冲力形成水力脉动增压，该增加压力通过该装置传递到钻头钻用在井底岩石上，实现机械应力集中破岩，增加破岩效果；水力脉冲通过钻头喷嘴喷出减少“压持效应”，改善井底流场，提高清岩效率；抽吸压力产生装置到井底欠平衡，形成欠平衡钻井；同时斜向流道的卷吸作用对携带岩屑也有很好的效果；这些作用有效提高了破岩、清岩效率，机械钻速显著提高。

为此，本发明设计研制了一种水力脉冲增压欠平衡钻井装置，包括：本体，叶轮，底座，叶轮轴等。其特征是：

本体为中空柱状结构，壁面开有两个对称斜向流道，柱体的一端为流体入口段，另一端为流体出口段，流体入口段与出口段之间构成空置腔，其内由上至下依次设有叶轮、叶轮轴、底座，本体内腔上端设有挡圈槽用于安置弹性挡圈固定内部零件，本体内腔下端设有定位孔用于定位底座；所述叶轮叶片带有一定的扭转角度，可以在流体通过时产生周向运动，叶轮的侧向壁面是开有侧向开口的封闭壁面，叶轮的流体入口端是开放的，叶轮的流体出口端设有两个对称的挡板；所述底座流体入口端设有两个对称的写流通道，入口端中间开有轴座孔用于安置叶轮轴，底座流体出口端设有定位销。

本发明中本体的的斜向流道可以根据需要改变流道半径大小和流道数量；叶轮可以根据需要改变叶片扭转角度和叶片数；底座的泻流通道开口可以与叶轮出口端挡片完全重合，泻流通道开口也可以比叶轮出口端挡片大，进而调制井底钻头喷射流体的脉动幅度大小；本发明中的叶轮与底座的配合可以根据需要由叶轮轴配合改为轴承配合。

本发明的水力脉冲增压欠平衡钻井装置的装配，底座定位销在与本体定位孔配合时要保证底座上的两个泻流通道关于本体上的两个斜向流道的剖面对称，这可以保证流体带动叶轮旋转，底座泻流通道打开时本体斜向流道关闭，本体斜向流道打开时底座泻流通道关闭，保证不会产生憋压且合理分配井底水力能量。

本发明的水力脉冲增压欠平衡钻井装置与现有技术相比具备的优点和特点：

本发明提出的水力脉冲增压欠平衡钻井装置结合了水力脉冲钻井技术、井下增压钻井技术和欠平衡钻井技术的优点，合理分配井下水力能量，提高了破岩、清岩效率，钻井速度显著提高。主要具有以下优点：

1、结构简单。尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性；

2、脉冲幅度可调，钻头孔眼喷射压力可为零。可通过设计叶轮挡板与底座泻流通道的重合度实现；

3、脉动增压应力集中。流体通过本体的斜向流道产生反冲脉动增压作用在钻头上实现应力集中破岩，提高破岩效率；

4、井底欠平衡。流体通过本体的斜向流道会产生抽吸欠平衡；