专利名称：井底局部脉冲负压工具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能够提高机械钻速的井底局部负压脉冲工具，属于石油、地质钻井工具的改进。
技术背景近年来，随着油气勘探开发向深部地层发展，深井超深井逐渐增多。在深井钻井过程中，随着钻井液密度和井深的增加，钻井速度急剧降低，井筒内钻井液液柱施加的围压增加是降低常规旋转钻井的速度的主要原因之一。液柱压力对井底破碎出来的岩屑产生压持作用，使破碎出来的岩屑在压差作用下不易离开井底，结果在井底易形成垫层，钻头易重复破碎岩屑，降低了破碎效率，严重影响钻井速度的提高；同时，深部井段的岩石在上覆地层压力下变得非常致密，液柱压力的增大也将增大岩石的“各向压缩效应”，不仅硬度和密度增加，而且机械性能从脆性的破坏转变为塑性破坏，使得钻头破岩载荷明显增大，破岩效率明显降低。
发明内容
解决上面问题的关键是降低钻井液液柱压力，实践证明，在欠平衡钻井过程中通过采用低密度钻井液，使井筒液柱压力小于地层孔隙压力，在井下形成负压条件，是显著提高机械钻速的有效方法。目前，为了达到此目的，国内外钻井作业多采用低密度钻井液、空气钻井等实现欠平衡钻井，但在欠平衡钻井过程中，由于整个裸眼井段处于低压状态，降低了井眼的稳定性和对地层流体的控制能力，从而增加了气涌的可能性，并且常规欠平衡钻井须靠庞大的地面压力控制系统完成，大大增加了钻井成本。本实用新型就是在不增加地面装备的同时实现井底脉动负压，并且避免了整个裸眼井段处于低压状态的可能性，经济简单，大大降低了钻井成本，同时脉动负压相较于负压更能破坏井底岩石的结构，能够大幅度的提高机械钻速。本实用新型的目的就是提供一种只在井底实现脉动负压钻井的井底局部脉冲负压工具。
本实用新型是这样实现的由上接头、本体、喷嘴、中心管、阀腔、弹簧腔、弹簧、限位盒、提升阀、中心杆组成，上接头1和本体4均是两段加工有丝扣的中空管，上接头1和本体4通过丝扣联接，中心管3下端与阀腔7通过丝扣联接，两者组装后放入上接头1和本体4组成的内腔中，弹簧腔8内装有弹簧9，上端开有一泄压孔，下端加工有内丝扣和限位盒5联接，限位盒5坐落在阀腔7的内部上台阶上，中心杆10上端加工有外台阶，下端加工有锥度，中心杆10穿过弹簧9，插入提升阀6上端。上接头1加工有内台阶，装有喷嘴2，喷嘴2加工成倒漏斗状，与上接头2内腔之间有密封。中心管3为一中空管状体，上下两部分外缘均加工有对称的两个四分之一凸出圆环，并且上端开口呈喇叭口状，中部内外径逐渐放大，下端加工有丝扣。提升阀6成倒伞状，上端加工有盲孔，下端呈圆锥形。阀腔7为中空管状体，内径上端加工有丝扣，丝扣下端加工有两级台阶，其中下台阶为锥形台阶，阀腔7下部加工有泄流孔，阀腔底座外缘加工有密封槽，与本体2内腔密封联结。限位盒5外缘上端加工有丝扣，丝扣下方加工有两个对称的四分之一凸环，限位盒5上端丝扣处内径小于弹簧腔8的内径。喷嘴2与中心管3上端有间隙。本实用新型接在钻头上方，钻井时，钻柱中的钻井液进入上接头，在喷嘴中得到加速，从喷嘴中出来的钻井液流体是高速流体，根据射流泵的特性，从喷嘴出来的流体将全部进入中心管，同时在中心管和本体腔壁形成的环空中形成低压区，迫使部分流体进入射流管，中心管中的高速流体经过提升阀时，由于提升阀的上下表面的面积不同，流经上下表面的流体速度也不同，上表面的面积小，流体速度小，根据伯努利原理，上表面的压力要大于下表面的压力，在提升阀上下表面将产生压力差，这种压力差迫使提升阀克服弹簧阻力下落，直至坐在阀座堵塞流道，这时流体突然停止，阀下游将产生降压波水击压力，这种降压波到达井底，在井底产生瞬时负压流场，而同时阀上游会在提升阀上表面产生增压波水击压力，这种水击压力向上以声波速度传播，一旦到达射流管顶部就会进入射流管和本体内腔壁组成的环空中，流体沿环空下行经泄流孔进入主流道，这时提升阀上下表面压力达到相等，提升阀在弹簧力的作用下上行，流道打开，钻井液重新进入射流管进行下一个周期。这样循环往复，就会不断在井底产生脉动负压。这种井底脉动负压能够大大降低钻井液柱压力，提高机械钻速，降低钻井成本。
本实用新型基于影响深部地层钻井速度的机理分析，提出通过降低液柱压力来减少“压持效应”、降低岩石的破碎强度，提高机械钻速。本实用新型具有结构简单、使用方便、不影响现有钻具结构等特点，降低生产成本具有重要的实际意义。
图1井底局部脉冲负压工具示意图1-上接头、2-喷嘴、3-中心管、4-本体、5-限位盒、6-提升阀、7-阀腔、8-弹簧腔、9-弹簧、10-中心杆具体实施方式
现结合说明书附图对本实用新型作进一步描述。
本实用新型主要由上接头1、本体4、喷嘴2、中心管3、阀腔7、弹簧腔8、弹簧9、限位盒5、提升阀6、中心杆10组成。上接头1和本体4均是两段加工有丝扣的中空管，上接头1和本体4通过丝扣联接，硬质合金喷嘴2与上接头1密封联结，中心管3为一中空管状体，上下两端均加工有对称的两个四分之一凸出圆环，保证中心管在本体4内腔中能够居中，并且上端开口呈喇叭口状，下端与阀腔7通过丝扣联接，阀腔7上端丝扣下加工有两级内台阶，下台阶下部加工有泻流孔，阀腔7最下端阀腔底座与本体4内腔密封联结，弹簧腔8内装有弹簧9，上端开有一泄压孔，下端加工有丝扣和限位盒5联接，限位盒5外缘上端加工有丝扣，丝扣下方加工有两个对称的四分之一凸环，限位盒5内径小于弹簧腔8的内径，从而能够限制弹簧9的运动，中心杆10上端加工有台阶，下端穿过弹簧9插入提升阀6的上端。
使用时，本实用新型接在钻头上方，钻井液经钻柱进入上接头1，在喷嘴2中得到加速，从喷嘴出来的高速流体将全部进入类似射流泵结构的中心管3，由于射流泵的特性，将在中心管3和本体4内腔壁形成的环空中形成低压区，迫使部分环空中流体进入中心管3，中心管3中的高速流体经中心管内径放大部分，向下流经限位盒5、提升阀6、阀腔7主流道、本体4内腔到达井底，当流经提升阀时，由于流经提升阀下端的流体速度较大，根据伯努利效应，将在提升阀6上下表面产生压力差，这种压力差迫使提升阀克服弹簧8阻力下落，直至坐落在阀腔的下台阶上完全堵塞流道，这时流体突然停止，阀下游将产生降压波水击压力，这种降压波到达井底，在井底产生瞬时负压流场，而同时阀上游会在提升阀6上表面产生增压波水击压力，这种水击压力向上以声波速度传播，一旦到达中心管3顶部就会进入中心管3和本体4内腔壁组成的环空中，流体沿环空下行经阀腔下部泄流孔进入主流道，这时提升阀6上下表面压力达到相等，提升阀6在弹簧力的作用下上行，流道打开，钻井液重新进入中心管进行下一个周期。这样循环往复，就会不断在井底产生脉动负压。这种井底脉动负压能够大大降低钻井液柱压力，提高机械钻速，降低钻井成本。
权利要求1.一种井底局部脉冲负压工具，主要由上接头、本体、喷嘴、中心管、阀腔、弹簧腔、弹簧、限位盒、提升阀、中心杆组成，其特征在于上接头1和本体4均是两段加工有丝扣的中空管，上接头1和本体4通过丝扣联接，中心管3下端与阀腔7通过丝扣联接，两者组装后放入上接头1和本体4组成的内腔中，弹簧腔8内装有弹簧9，上端开有一泄压孔，下端加工有内丝扣和限位盒5联接，限位盒5坐落在阀腔7的内部上台阶上，中心杆10上端加工有外台阶，下端加工有锥度，中心杆10穿过弹簧9，插入提升阀6上端。
2.根据权利要求1所述的井底局部脉冲负压工具，其特征在于上接头1加工有内台阶，装有喷嘴2，喷嘴2加工成倒漏斗状，与上接头2内腔之间有密封。
3.根据权利要求1所述的井底局部脉冲负压工具，其特征在于中心管3为一中空管状体，上下两部分外缘均加工有对称的两个四分之一凸出圆环，并且上端开口呈喇叭口状，中部内外径逐渐放大，下端加工有丝扣。
4.根据权利要求1所述的井底局部脉冲负压工具，其特征在于提升阀6成倒伞状，上端加工有盲孔，下端呈圆锥形。
5.根据权利要求1所述的井底局部脉冲负压工具，其特征在于阀腔7为中空管状体，内径上端加工有丝扣，丝扣下端加工有两级台阶，其中下台阶为锥形台阶，阀腔7下部加工有泄流孔，阀腔底座外缘加工有密封槽，与本体2内腔密封联结。
6.根据权利要求1所述的井底局部脉冲负压工具，其特征在于限位盒5外缘上端加工有丝扣，丝扣下方加工有两个对称的四分之一凸环，限位盒5上端丝扣处内径小于弹簧腔8的内径。
7.根据权利要求1所述的井底局部脉冲负压工具，其特征在于喷嘴2与中心管3上端有间隙。
专利摘要本实用新型涉及石油工业钻井作业中井下工具，它由上接头、本体、喷嘴、中心管、阀腔、弹簧腔、弹簧、限位盒、提升阀、中心杆组成，使用时，本实用新型接在钻头的上方，当钻进时，本实用新型能够在井底附近形成脉动负压流场，该脉动负压流场能够大幅度降低液柱对岩屑的压持效应，有利于清除井底凹坑中的岩屑，避免钻头的重复切削，并且脉动负压可以改变岩石的结构，提高破岩效率，从而提高机械钻速，由于负压脉冲的抽吸作用，也会在钻头上产生脉动附加钻压，这种脉动附加钻压也有助于提高机械钻速。
文档编号E21B7/00GK2758437SQ20042009937
公开日2006年2月15日 申请日期2004年12月21日 优先权日2004年12月21日
发明者王智锋, 李作会, 王敏生 申请人:中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院