一种水力脉冲钻井装置以及该装置的设计方法与流程

本发明涉及石油、天然气等资源的开发技术领域，尤其涉及一种水力脉冲钻井装置以及该装置的设计方法。

背景技术：

目前，钻井技术主要应用于石油、天然气、地热、地下水以及井盐等资源的开采。随着油气勘探开发的深入，钻井难度越来越大，特别是深井、超深井存在着机械钻速低、钻井周期长以及钻井费用高等问题。

脉冲射流钻井提速技术可将连续的钻井液调节成具有一定频率的间歇流动。这种脉冲效应可以有效减少钻井液对井底岩屑的“压持效应”，减少了钻头对岩屑的重复破碎，进而能有效的提高钻井的机械钻速。国内脉冲射流辅助钻井技术在施工现场取得了一定的效果。脉冲射流辅助钻井技术主要是通过脉冲喷嘴的作用来产生脉冲效应，安装在钻头底部的胎体上。由于钻头尺寸限制，脉冲射流在振幅和脉冲频率的调节方面受到的限制较多。

现有技术中的水力脉冲空化射流钻井技术，主要是通过在钻头的上部安装水力脉冲空化射流发生器，其能较好的减少“压持效应”，提高机械钻速。该工具可以通过叶轮不断旋转的方式来改变钻井液的过流面积，进而产生脉冲效应。由于叶轮旋转对钻井液过流面积的改变较小，因而产生的脉冲效应相对有限。同时，叶轮和谐振腔结构如何设计能达到两种脉冲相耦合，从而在谐振腔内产生流体共振，形成驻波，进一步扩大脉冲射流的能量，并没有提出理论依据。这些都导致脉冲射流辅助钻井技术未能最大限度的发挥作用，存在着一定的局限性。

技术实现要素：

为了解决上述全部或部分技术问题，根据本发明的第一个方面提供了一种水力脉冲钻井装置，包括本体、依次设置于本体内部的旋转组件、谐振腔以及压环。压环将旋转组件和谐振腔固定于本体内。旋转组件作为脉冲发生源可以周期性地改变钻井液的过流面积而产生第一脉冲。谐振腔用于产生能与第一脉冲相耦合的 第二脉冲。由此，当第二脉冲与第一脉冲相耦合时，在谐振腔内将产生流体共振，形成驻波，以扩大脉冲射流的能量，进而可以为水力脉冲钻井装置提速。

进一步地，旋转组件包括：导流体、圆盘固定座、圆盘旋转体以及转轴。圆盘旋转体通过转轴固定于圆盘固定座内；导流体设置于圆盘旋转体的上游，且导流体的出口对准圆盘旋转体。由此，钻井液可以在导流体的引导下冲击旋转体，使旋转体旋转并周期性地改变钻井液的过流面积而产生第一脉冲。

进一步地，圆盘旋转体为两个直径相同的圆盘相互垂直而组成。圆盘旋转体的结构与流体机械中的四叶片型摆动马达相似，因此，可以利用摆动马达的速度特征表达式来近似计算圆盘旋转体的旋转频率，进而计算第一脉冲的频率。

进一步地，在导流体的内部设有斜坡流道，斜坡流道从导流体的入口截面朝出口截面向下倾斜。优选地，斜坡流道与导流体的轴线的夹角为10°至45°。导流体的出口截面为半圆形且与圆盘半圆对准。优选地，出口截面的面积与圆盘半圆的面积相等。由此，钻井液经过斜坡流道的引导具有更大的冲击力，钻井液从半圆形的导流体的出口冲到圆盘半圆上，冲击面积与圆盘半圆的面积相等，能更好地推动圆盘旋转体旋转。

进一步地，圆盘固定座为两侧各设置有转轴安装孔的圆管体。由此，圆盘旋转体通过转轴穿过圆盘固定座上的安装孔固定于圆盘固定座内。圆盘旋转体可以在圆盘固定座内绕转轴旋转。

进一步地，谐振腔为风琴管自激振荡喷嘴结构。由于风琴管谐振腔的尺寸以及加工难度都比较低，因此可以更好地满足井下施工环境的要求。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述脉冲钻井装置的设计方法。

采用四叶片型摆动马达的速度特征表达式近似计算圆盘旋转体的旋转频率，得到圆盘旋转体所产生的脉冲频率；然后根据所述脉冲频率及所述谐振腔的固有频率，获得所述谐振腔的长度。更具体地：

首先，采用四叶片型摆动马达的速度特征表达式近似计算圆盘旋转体的旋转频率，得到圆盘旋转体所产生的脉冲频率：

其中，f—脉冲频率，Hz；Q—流量，L/min，D_y—圆盘直径，m；d_z—圆盘轴宽度，m；Z—叶片数；b—圆盘轴向当量宽度等于m；η_V—容积效率， 多叶片通常小于90％。

然后，根据风琴管谐振腔的固有频率表达式：

其中，f—固有频率，Hz；K_N—模数系数；c—声音在流体中的传播速度，m/s；L—风琴管谐振腔的长度,m；

建立等式(1)＝(2)，求得风琴管谐振腔的长度L。

进一步地，模数系数K_N的表达式为：

其中，N—为大于0的自然数；(Ds/D)²—谐振腔入口收缩端面参数；(D/d)²—谐振腔出口收缩端面参数；e—可以由实验确定的参数。

进一步地，参数d为谐振腔下部直径、Ds为谐振腔入口直径以及D为谐振腔本体直径；且均为受井眼直径和钻井液过流面积所限制的设计参数。

本发明的优点在于：(1)通过流体钻井液冲击圆盘旋转体旋转，产生脉冲效应。通过谐振腔将脉冲效应进一步放大，即，经过圆盘旋转体产生的脉冲的频率与谐振腔的固有频率相匹配时，在谐振腔内产生流体共振，形成驻波，进一步扩大脉冲射流的能量，提高钻速。(2)给出了圆盘旋转体和谐振腔两种脉冲效应耦合的理论设计方法，可以对谐振腔的具体设计参数进行计算。(3)本发明的水力脉冲钻井装置结构简单，性能可靠，应用性较强。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明实施例的水力脉冲钻井装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的导流体的结构示意图；

图3为本发明实施例的圆盘固定座的结构示意图；

图4为本发明实施例的圆盘旋转体的结构示意图；

图5为本发明实施例的谐振腔的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，水力脉冲钻井装置的本体1为其它部件的承载结构。在本体1的上端布置公接头，在本体1的下端布置母接头。在本体1内部从上至下依次布置导流体2、圆盘固定座3、圆盘旋转体4、转轴5、谐振腔6和压环7等，布置完上述各部件后用压环7旋紧，以将上述部件固定于本体1内，并最终安装挡圈8。

在本发明的一个具体实施例中，导流体2、圆盘固定座3、圆盘旋转体4以及转轴5共同组成旋转组件。如图1所示，圆盘旋转体4通过转轴5固定于圆盘固定座3内。导流体2设置于圆盘旋转体4的上游，且导流体2的出口对准圆盘旋转体4。具体地，转轴5垂直于本体1的轴线布置，圆盘旋转体4可以绕转轴5在本体1内旋转。导流体2的出口截面为半圆形且其上边缘位于本体1的轴线上。在这种情况下，转轴5与出口截面的上边缘均垂直相交于本体1的轴线，并呈平行布置，由此，可以保证出口截面与圆盘半圆对准。优选地，出口截面的面积等于圆盘半圆的面积。钻井液经过导流体2导流后直接冲击在圆盘旋转体4的下半部半圆上，使其旋转。旋转组件可以作为脉冲发生源，周期性地改变钻井液的过流面积而产生第一脉冲。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，导流体2的内部设有斜坡流道21，斜坡流道21从导流体2的入口截面朝出口截面向下倾斜。斜坡流道21与导流体2的轴线的夹角a的范围为10°至45°。优选地，导流体2的入口截面的直径长度L2为出口截面的直径长度L1的两倍，夹角a为20°。

在本发明的一个具体实施例中，如图3和图4所示，圆盘固定座3为两侧各设置有转轴安装孔32的圆管体31。圆盘旋转体4为两个直径相同的圆盘42、43相互垂直而组成。在圆盘42和43的相交轴线上设有转轴贯穿通道41。在这种情况下，转轴5可以穿过圆盘旋转体4的贯穿通道41将其固定在圆盘固定座3的圆管体31内部。转轴5的两端分别安装在圆盘固定座3的转轴安装孔32中。在这里需要说明的是，圆盘旋转体4的结构由两个相互垂直的圆盘42、43组成，一方面可以防止一个圆盘与工具位置水平时达到稳定状态，不能连续旋转的问 题。另一方面，两个相互垂直的圆盘结构与流体机械中的四叶片型摆动马达相似，因此，可以利用摆动马达的速度特征表达式来近似计算圆盘旋转体4的旋转频率，进而计算钻井液流经圆盘旋转体4后产生的第一脉冲的频率。

在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，谐振腔为风琴管自激振荡喷嘴结构。风琴管谐振腔是用一个长度为L、直径为D的谐振腔，其可作为振荡放大器。谐振腔入口与直径为Ds的来流管相连，(Ds/D)²构成谐振腔的入口收缩断面。谐振腔的下部与直径为d的出口断面相连，(D/d)²构成谐振腔的出口收缩断面。出口收缩断面是压力反馈机构。

根据瞬态流理论，如果上游流体压力波动频率和风琴管谐振腔的固有频率相匹配，反馈的压力振荡就能得到放大，从而在谐振腔内产生流体共振，形成驻波，进一步扩大脉冲射流的能量。在本发明的技术方案中，旋转的圆盘是脉冲产生源。根据水声学原理，共振驻波频率应与圆盘产生的脉冲频率相近。因此，风琴管谐振腔的参数设计，需要根据四叶片型摆动马达的速度特征表达式近似计算出圆盘所产生的第一脉冲频率。将计算得到的第一脉冲频率与谐振腔的固有频率计算表达式相结合(建立等式)，再结合井下工具尺寸限制设计出合适的谐振腔尺寸。

下面对本发明的水力脉冲钻井装置的设计方法进行举例说明。

该设计方法中，采用四叶片型摆动马达的速度特征表达式近似计算圆盘旋转体的旋转频率，得到圆盘旋转体所产生的脉冲频率；然后根据所述脉冲频率及所述谐振腔的固有频率，获得所述谐振腔的长度。

首先，采用四叶片型摆动马达的速度特征表达式近似计算圆盘旋转体的旋转频率，得到圆盘旋转体所产生的脉冲频率：

其中，f—脉冲频率，Hz；Q—流量，L/min，D_y—圆盘直径，m；d_z—圆盘轴宽度，m；Z—叶片数；b—圆盘轴向当量宽度等于m；η_V—容积效率，多叶片通常小于90％。

假设钻井液排量Q为1620L/min，圆盘直径D_y为0.06m，圆盘轴宽度d为0.015m，η_V选取75％，Z为4，把以上数据代入式(1)中，得：f＝164Hz。

为了可以产生共振驻波，则圆盘旋转体所产生的脉冲频率与风琴管谐振腔的 固有频率应相近。由于风琴管谐振腔的固有频率表达式：

其中，f—固有频率，Hz；K_N—模数系数；c—声音在流体中的传播速度，v/m；L—风琴管谐振腔的长度；

建立等式(1)＝(2)，由于圆盘旋转体产生的脉冲频率已经求出大约等于164Hz，实际设计时再根据具体需要考虑钻具外径及最小过流面积等限制因素，取Ds＝0.08m，D＝0.06m，d＝0.04m，c＝1400m/s，取N＝1，则最终可以求得谐振腔的长度L＝2.13m。

本发明的水力脉冲钻井装置的使用过程如下：

(1)把水力脉冲钻井装置连接于钻头上部，钻铤下部，进行正常钻进。

(2)当钻井液流入水力脉冲钻井装置后，首先流经导流体，钻井液经过导流体导流后直接冲击在圆盘旋转体上。

(3)当钻井液冲击圆盘旋转体时圆盘会发生连续的旋转，当圆盘旋转时本体内钻井液过流面积会发生不断的改变，进而使钻井液产生有规律的脉冲效应。

(4)当具有脉冲效应的钻井液流入谐振腔，谐振腔会进一步扩大钻井液的脉冲效应。

(5)钻井液从水力脉冲钻井装置流出后，直接经钻头喷嘴作用于井底，具有脉冲效应的钻井液可改善井底流场及井底岩石应力场，减少“压持效应”，达到提高机械钻速的目的。

综上所述，本发明的水力脉冲钻井装置为在本体内从上至下依次布置导流体、圆盘固定座、圆盘旋转体、转轴、谐振腔以及压环。钻井液经导流体的引导流经圆盘旋转体，圆盘旋转体旋转时使钻井液的过流面积发生改变可产生第一脉冲。钻井液后又流经谐振腔时可产生第二次脉冲，两次脉冲耦合后经钻头喷嘴射出直接作用于井底。本发明的水力脉冲钻井装置可改善井底流场及井底岩石应力场，减少“压持效应”，提高机械钻速。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。