水平井脉冲内磨钻杆短节的制作方法

本发明属于油气工程领域，具体设计一种水平井脉冲内磨钻杆短节。

背景技术：

井眼净化，是水平井的关键技术之一。在水平井钻井过程中，如果产生岩屑床，就可能导致托压、底部钻具粘托、起下钻遇阻、憋泵、蹩钻甚至卡钻等复杂钻井事故的发生。常规的解决方法多为提高钻速、增大排量、添加润滑剂，通过短距离上提下放钻具，将钻头附近的大颗粒岩屑推回井底重复破碎，虽然有一定的效果，但降低了机械钻速，不能从根本上清除岩屑床。产生岩屑床的一个很重要的原因就是大颗粒岩屑得不到有效的粉碎，理论研究和现场试验都充分证明，小尺寸岩屑的携岩效率明显大于大尺寸岩屑。由此，将岩屑粉碎为更小粒径，可以更好地清除水平井岩屑床，相关理论可用于钻杆短节设计。

射流泵在采油、固井等领域已经得到大规模的应用，而如何将射流泵理论应用于岩屑的清岩、携岩却是一个新问题，将基于射流泵的负压抽汲理论应用于新型钻杆接头的设计也是一个新方向。

脉冲射流以非对称、不稳定特性，相对常规稳态射流，可提高水力辅助破岩效率，理论研究和现场试验均证明脉冲射流在钻井领域有着广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水平井脉冲内磨钻杆短节，通过脉冲射流、负压抽汲和岩屑内磨等结构提高清岩和携岩效率，清除水平井岩屑床。为实现上述目的，本发明设计了一种水平井脉冲内磨钻杆短节，包括脉冲射流生成装置、负压抽汲装置和岩屑内磨装置。

所述的脉冲射流生成装置包括钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区等部分。各部分设计为共轴圆柱形构造，相互之间对接连通，其中分流区出口与反向高速流道、下喷流道连通；并优化管径：进给腔管径为钻井液流道的1.2倍，谐振腔管径为流道的0.8倍，谐振管出口为流道的0.5倍，分流区为流道的2倍。

钻井液流道、进给腔，是钻井液进入的通道；谐振管出口产生初始压力波动，并将初始压力波动反馈到谐振腔；谐振腔当反馈的初始压力波动与谐振腔固有频率相匹配时，激发液体共振，产生断续涡流，从而获得脉冲射流；分流区与下喷流道、反向高速流道相连通，实现流量分配。

所述的负压抽汲装置包括反向高速流道、抽汲环空。反向高速流道与分流区相连通，出口在混合腔内。凭借反向射流高速特性，在抽汲环空形成负压区，抽汲岩屑脱离井底上返；抽汲环空与钻杆环空连通，出口在混合腔中，是抽汲岩屑上返的通道。

所述的岩屑内磨装置包括混合腔、喉道、加速腔、内磨腔、内磨体和扩散腔：

混合腔与反向高速流道、抽汲环空连通，内端与喉道对接连通，实现岩屑与反向流体的混合；高压脉冲射流经喷嘴高速喷出，压力迅速释放，在混合腔内形成负压，在负压的作用下，岩屑被高速射流束抽汲形成两相高速紊流。

喉道与加速腔对接连通，设计为圆柱形构造，管径是加速腔管径的0.5倍，以充分加速岩屑，其收缩截面增强反向射流的冲击力；

加速腔与内磨腔连通，设计为圆柱形构造，以避免附壁流和提高射流能量利用率，凭借钻井液粘滞力加速岩屑，实现主流体与岩屑之间的能量传递。

内磨腔与加速腔相互连通，为圆柱形构造，横截面为加速腔圆形横截面的外接正六边形，轴线与加速腔轴线呈138°夹角；内磨体附于内磨腔内壁，正对加速腔，利用颗粒-颗粒和颗粒-内磨体之间的高压作用力、水楔效应粉碎岩屑。

扩散腔与内磨腔相互连通，为锥度10°的渐增式锥形构造，轴线与内磨腔呈138°夹角并接环空，以有效降低岩屑速度，减小岩屑流对井壁的冲击，岩屑流速度降下来之后，经扩散腔外排入环空。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)结构简单、易于加工；

(2)脉冲内磨装置产生不稳定的高速脉冲射流，一方面水力辅助破岩，提高机械钻速；另一方面改善钻井液清岩、携岩；

(3)负压抽汲装置，反向高速射流凭借高速特性，在抽汲环空形成负压，抽汲环空岩屑上返，提高清岩效率；

(4)岩屑内磨装置，基于颗粒-颗粒和颗粒-内磨体之间的高压作用力、水楔效应，进一步减小岩屑粒径，提高携岩效率，清除岩屑床。

附图说明

图1为水平井脉冲内磨钻杆短节的示意图。

图2为图1的左视示意图图。

图3为图1中A-A剖面示意图。

图4为图1中B-B剖面示意图。

图5为图1中C-C剖面示意图。

图中：1、扩散腔，2、内磨腔，3、内磨体，4、加速腔，5、喉道，6、混合腔，7、反向高速流道，8、抽汲环空，9、短节上接头，10、钻井液流道，11，进给腔，12、谐振腔，13、谐振管出口，14、分流区，15、短节下接头。

具体实施方式

如图1所示，一种水平井脉冲内磨钻杆短节，包括1、扩散腔，2、内磨腔，3、内磨体，4、加速腔，5、喉道，6、混合腔，7、反向高速流道，8、抽汲环空，9、短节上接头，10、钻井液流道，11，进给腔，12、谐振腔，13、谐振管出口，14、分流区，15、短节下接头。主要为四部分：钻杆短节本体、脉冲生成部分、负压抽汲部分和岩屑内磨部分。

钻杆短节本体部分，包括短节上接头9、短节下接头15。

脉冲生成部分包括钻井液流道10、进给腔11、谐振腔12、谐振管出口13、分流区14，产生脉冲射流。如图1所示，稳定的钻井液流体经钻井液流道10、进给腔11进入，流经谐振管出口13时，在收缩截面的作用下，产生初始压力波动；产生的压力波动被反馈到谐振腔12，当压力波动的频率与谐振腔12固有频率相匹配时，激发液体共振，在谐振腔12内产生断续涡流，获得脉冲射流；得到的脉冲射流在分流区14分别流向反向高速流道7和钻杆下接头15。

负压抽汲部分包括反向高速流道7、抽汲环空8，抽汲环空岩屑上返。如图1所示，流经反向高速流道7的脉冲射流形成高速射流束，凭借高速特性在抽汲环空8形成负压；在负压作用下，抽汲环空流体和岩屑上返，在混合腔6实现与反向高速射流混合。

岩屑内磨部分包括混合腔6、喉道5、加速腔4、内磨腔2、内磨体3和扩散腔1，减小颗粒粒径，提高携岩效率。如图1所示，在混合腔6混合后的钻井液-岩屑流经喉道5进入加速腔4，凭借钻井液粘滞力，岩屑获得加速并进入内磨腔2；在内磨腔2中，岩屑与内磨体3发生碰撞，由于颗粒与颗粒和颗粒与内磨体3之间的高压作用力、水楔效应的作用，岩屑被进一步粉碎，速度降下来之后经扩散腔1排出。