钻井旁通循环工具的制作方法

本发明涉及石油行业钻井装备与工具技术领域，尤其涉及一种钻井旁通循环工具。

背景技术：

在大斜度井或水平井钻井过程中，受井斜、环空返速等因素的影响，环空岩屑在重力作用下容易在井壁底边上沉积形成岩屑床，尤其是停泵时这种现象尤其明显。井斜角越大的井段越易形成岩屑床。

岩屑床能够严重影响机械钻速，在大斜度井或水平井钻井过程中易造成井下脱压，导致钻头处没有钻压，长时间没有进尺，工程进度缓慢，增加钻井成本。同时，岩屑床还易导致钻具扭矩增大，严重时可以导致卡钻或钻具扭断，造成严重的钻井事故。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种钻井旁通循环工具，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钻井旁通循环工具，克服现有技术中存在的大斜度井或水平井钻井过程岩屑床影响钻井进程、安全性差的问题，该工具能在钻井过程中随时清除岩屑床，提高钻井过程的安全性和效率。

本发明的目的是这样实现的，一种钻井旁通循环工具，所述钻井旁通循环工具包括外筒结构，所述外筒结构内同轴套设有中心管结构，所述中心管结构上设置有沿轴向贯通的、且允许钻井液通过的中心通孔，所述中心通孔的出口端设置有能轴向固定的节流喷嘴，所述外筒结构靠近所述中心通孔的入口端的侧壁上贯通设置有允许钻井液自内向外流出的外流体通道，所述中心管结构的侧壁上贯通设置有能与所述外流体通道抵靠连通、且能周向旋转错开所述外流体通道的内流体通道。

在本发明的一较佳实施方式中，所述中心管结构包括周向固定、且能沿轴向移动的驱动部，所述驱动部上设置有沿轴向贯通的驱动部中心孔，所述驱动部的一端设置所述节流喷嘴，所述外筒结构的内壁上设置有能轴向顶抵限位所述节流喷嘴的第一内凸台，所述驱动部的另一端密封连接有轴向固定、且能周向转动的旋转部，所述旋转部上设置有沿轴向贯通的旋转部中心孔，所述旋转部中心孔和所述驱动部中心孔连通构成所述中心通孔，所述旋转部远离所述驱动部的一端的侧壁上设置所述内流体通道。

在本发明的一较佳实施方式中，所述驱动部包括周向固定、且能沿轴向移动的活塞杆，所述活塞杆上设置所述驱动部中心孔，所述活塞杆的一端连通设置所述节流喷嘴，所述活塞杆的一端的外壁上固定套设有活塞，所述活塞的外壁能沿所述外筒结构的内壁密封滑动，所述外筒结构的内壁上设置有第二内凸台，所述活塞杆的外壁上套设有顶抵连接于所述活塞和所述第二内凸台之间的弹簧，所述活塞杆的另一端的外壁上设置有外齿轮，所述旋转部的一端能周向旋转地套设于所述外齿轮上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述活塞杆的横截面为多边形，所述外筒结构的内壁的横截面与所述活塞杆的横截面匹配设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述旋转部包括一端能周向旋转地套设于所述驱动部的另一端的、且轴向固定的旋转轴套，所述旋转轴套的另一端自外向内地密封套设有能轴向固定、且能随所述旋转轴套正向同步旋转的旋转轴，所述旋转轴套能相对所述旋转轴反向旋转；所述旋转轴上设置有沿轴向贯通的旋转轴中心孔，所述旋转轴中心孔与所述旋转轴套的内腔连通构成所述旋转部中心孔；所述旋转轴的侧壁上设置所述内流体通道，且所述旋转轴设置了所述内流体通道的位置处的外侧壁与所述外筒结构的内侧壁密封地抵靠。

在本发明的一较佳实施方式中，所述旋转轴套的内壁上设置有与所述外齿轮匹配的、且能将所述外齿轮的移动转化为转动的内齿轮。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外筒结构的内壁上设置有第三内凸台，所述旋转轴套的一端的端面能转动地抵靠于所述第三内凸台的端面上；所述旋转轴套的内壁上设置有第四内凸台，所述旋转轴的一端能转动地沿轴向抵靠于所述第四内凸台的端面上；所述外筒结构的内壁上还设置有第五内凸台，所述旋转轴的另一端的端面能转动地抵靠于所述第五内凸台的端面上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外筒结构包括依次密封地连接的第一外筒、第二外筒、第三外筒、第四外筒和第五外筒，所述第一外筒的一端套设在所述第二外筒内，所述第一外筒内设置所述第五内凸台，所述第一外筒的侧壁上设置所述外流体通道；所述第三外筒的一端密封套设在所述第二外筒内，所述第三外筒的另一端密封套设在所述第四外筒内，所述第三外筒的一端构成所述第三内凸台，所述第三外筒的另一端构成所述第二内凸台；所述第五外筒的一端密封套设在所述第四外筒内，所述第五外筒内设置所述第一内凸台。

在本发明的一较佳实施方式中，所述旋转轴的一端的外壁与所述旋转轴套的内壁之间设置有允许所述旋转轴随所述旋转轴套正向同步旋转、且允许所述旋转轴套相对所述旋转轴反向旋转的第一单向离合器组，所述旋转轴的另一端的外壁与所述外筒结构的内壁之间设置有允许所述旋转轴随所述旋转轴套正向同步旋转的第二单向离合器组。

在本发明的一较佳实施方式中，所述内流体通道的过流截面积大于所述外流体通道的过流截面积，所述内流体通道包括沿所述中心管结构周向均匀间隔设置的多个圆透孔或者环形透槽，所述外流体通道包括与所述内流体通道匹配设置的多个圆透孔或者环形透槽。

由上所述，本发明提供的钻井旁通循环工具具有如下有益效果：

(1)本发明的钻井旁通循环工具中，中心通孔的出口端设置的节流喷嘴具有节流作用，能使中心通孔出口端的内外侧产生压差，中心通孔内部钻井液压力升高，部分钻井液通过内流体通道、外流体通道流向井眼环空，该部分钻井液对外流体通道附近的岩屑床形成直接冲刷，有效地进行岩屑清除，避免岩屑床对钻井的影响，提高钻井过程的安全性和效率；

(2)本发明的钻井旁通循环工具中内流体通道的过流截面积大于外流体通道的过流截面积，外流体通道的过流面积减小使得钻井液的喷射压力有所提高，进一步提升钻井液的冲刷清洁效果；

(3)本发明的钻井旁通循环工具中充分利用单向离合器的特性，实现旋转轴的单向转动，进而实现内流体通道、外流体通道通断的控制；

(4)本发明的钻井旁通循环工具通过地面钻井泵的排量的调整实现内流体通道、外流体通道通断的控制，无需投球或投镖操作即可实现钻井旁通循环工具的无限次开关，操作简单，利于推广使用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的钻井旁通循环工具的示意图。

图2：为图1中ab处放大图。

图3：为图1中bc处放大图。

图4：为图1中cd处放大图

图5：为内流体通道、外流体通道连通时图2中e-e处剖视图。

图6：为内流体通道、外流体通道错开时图2中e-e处剖视图。

图7：为本发明的活塞杆的示意图。

图8：为图7中f-f处剖视图。

图9：为本发明的旋转轴套的示意图。

图10：为本发明的第三外筒的示意图。

图11：为图10中g向视图。

图中：

100、钻井旁通循环工具；

1、外筒结构；

101、第一内凸台；102、第二内凸台；103、第三内凸台；105、第五内凸台；

11、第一外筒；12、第二外筒；13、第三外筒；14、第四外筒；15、第五外筒；16、第二圆透孔；

2、中心管结构；

20、中心通孔；

21、节流喷嘴；

221、活塞杆；222、活塞；223、弹簧；224、外齿轮；

231、旋转轴套；2311、第四内凸台；232、旋转轴；233、内齿轮；

241、第一单向离合器组；242、第二单向离合器组；

25、第一圆透孔；

26、推力球轴承。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图11所示，本发明提供一种钻井旁通循环工具100，包括外筒结构1，外筒结构1内同轴套设有中心管结构2，中心管结构2上设置有沿轴向贯通的、且允许钻井液通过的中心通孔20，中心通孔20的出口端设置有能轴向固定的节流喷嘴21，外筒结构1靠近中心通孔20的入口端的侧壁上贯通设置有允许钻井液自内向外流出的外流体通道，中心管结构2的侧壁上贯通设置有能与外流体通道抵靠连通、且能周向旋转错开外流体通道的内流体通道。本发明的钻井旁通循环工具100中，中心通孔20的出口端设置的节流喷嘴21具有节流作用，能使中心通孔20出口端的内外侧产生压差，中心通孔20内部钻井液压力升高，部分钻井液通过内流体通道、外流体通道流向井眼环空(现有技术)，该部分钻井液对外流体通道附近的岩屑床形成直接冲刷，有效地进行岩屑清除，避免岩屑床对钻井的影响，提高钻井过程的安全性和效率。

进一步，如图1至图4所示，中心管结构2包括周向固定、且能沿轴向移动的驱动部，驱动部上设置有沿轴向贯通的驱动部中心孔，驱动部的一端设置前述的节流喷嘴21，外筒结构的内壁上设置有能轴向顶抵限位节流喷嘴的第一内凸台101，驱动部的另一端密封连接有轴向固定、且能周向转动的旋转部，旋转部上设置有沿轴向贯通的旋转部中心孔，旋转部中心孔和驱动部中心孔连通构成前述的中心通孔20，旋转部远离驱动部的一端的侧壁上设置内流体通道。节流喷嘴21对流经中心通孔20的钻井液具有节流作用，并使中心通孔20出口端的内外侧产生压差，在该压差的作用下驱动部能够实现移动；驱动部的移动能够转化为旋转部的旋转，旋转部旋转实现内流体通道与外流体通道的连通与错开。

进一步，如图1、图3、图4、图7、图8所示，驱动部包括周向固定、且能沿轴向移动的活塞杆221，在本实施方式中，如图8、图10、图11所示，活塞杆221的横截面为多边形，外筒结构1的内壁的横截面与活塞杆221的横截面匹配设置。在匹配的多边形的卡设下，活塞杆221相对外筒结构1周向固定。活塞杆221上设置驱动部中心孔，活塞杆221的一端连通设置前述的节流喷嘴21，活塞杆221的一端的外壁上固定套设有活塞222，在本发明的一具体实施例中，活塞222通过螺纹连接于活塞杆221的侧壁上；活塞222的外壁能沿外筒结构1的内壁密封滑动，在本发明的一具体实施例中，活塞222的外壁上设置有密封圈；外筒结构1的内壁上设置有第二内凸台102，活塞杆221的外壁上套设有顶抵连接于活塞222和第二内凸台102之间的弹簧223，活塞杆221的另一端的外壁上设置有外齿轮224，旋转部的一端能周向旋转地套设于外齿轮224上。节流喷嘴21对流经中心通孔20的钻井液具有节流作用，并使中心通孔20出口端的内外侧产生压差，在该压差的作用下驱动部朝向远离旋转部的方向移动，外齿轮224上的轮齿呈螺旋设置，外齿轮224的移动能够转化为旋转部的正向旋转，在本发明的一具体实施例中，正向旋转为顺时针旋转；需要驱动部朝向靠近旋转部的方向移动时，减小钻井泵的排量(现有技术，钻井泵控制钻井液的流量)使节流喷嘴21处的压差降至零，在弹簧223恢复力的拉动下，活塞222带动活塞杆朝向靠近旋转部的方向移动，在外齿轮224的作用下，该移动可以转化为旋转部的反向旋转，在本发明的一具体实施例中，正向旋转为顺时针旋转。

进一步，如图1、图2、图3、图7、图8、图9所示，旋转部包括一端能周向旋转地套设于驱动部的另一端的、且轴向固定的旋转轴套231，在本实施方式中，旋转轴套231的内壁上设置有与外齿轮224匹配的、且能将外齿轮224的移动转化为转动的内齿轮233。旋转轴套231的另一端自外向内地密封套设有能轴向固定、且能随旋转轴套231正向同步旋转的旋转轴232，旋转轴套231能相对旋转轴232反向旋转，旋转轴232位于旋转轴套231内的侧壁上设置密封圈，避免钻井液渗漏；旋转轴232上设置有沿轴向贯通的旋转轴中心孔，旋转轴中心孔与旋转轴套的内腔连通构成旋转部中心孔；旋转轴232的侧壁上设置前述的内流体通道，且旋转轴232设置了内流体通道处的外侧壁与外筒结构1的内侧壁密封地抵靠，避免钻井液流入旋转轴232与外筒结构1之间，以保证钻井液能顺序通过内流体通道、外流体通道喷射到井眼环空进行岩屑床的冲刷清洁。

进一步，如图1至图4所示，外筒结构1的内壁上设置有第三内凸台103，旋转轴套231的一端的端面能转动地抵靠于第三内凸台103的端面上，在本发明的一具体实施例中，旋转轴套231的一端与第三内凸台103之间设置有推力球轴承26，推力球轴承26的静环与第三内凸台103的端面轴向抵靠，推力球轴承26的动环与旋转轴套231的一端的端面轴向抵靠；旋转轴套231的内壁上设置有第四内凸台2311，旋转轴232的一端能转动地沿轴向抵靠于第四内凸台2311的端面上，实现旋转轴232的一端与旋转轴套231另一端的轴向定位；外筒结构1的内壁上还设置有第五内凸台105，旋转轴232的另一端的端面能转动地沿轴向抵靠于第五内凸台105的端面上。第三内凸台103和第五内凸台105共同实现旋转部(即旋转轴套231和旋转轴232)的轴向固定。

在本实施方式中，如图1至图4所示，外筒结构1包括依次密封地连接的第一外筒11、第二外筒12、第三外筒13、第四外筒14和第五外筒15，第一外筒11的一端套设在第二外筒12内，第一外筒11的内壁上设置第五内凸台105，第一外筒11的侧壁上设置外流体通道，第一外筒11的另一端用于与上部钻杆(现有技术)密封地连接；第三外筒13的一端密封套设在第二外筒12内，第三外筒13的另一端密封套设在第四外筒14内，第三外筒13的一端构成第三内凸台103，第三外筒13的另一端构成第二内凸台102；第五外筒15的一端密封套设在第四外筒14内，第五外筒15内设置第一内凸台101，第五外筒15的另一端用于与下部钻具(现有技术，图中未示出)密封地连接。

进一步，如图1、图2所示，旋转轴232的一端的外壁与旋转轴套231的内壁之间设置有允许旋转轴232随旋转轴套231正向同步旋转、且允许旋转轴套231相对旋转轴反向旋转的第一单向离合器组241，第一单向离合器组241由多个第一单向离合器和第一垫圈构成，在本发明的一具体实施例中，第一单向离合器组241由4个第一单向离合器和5个第一垫圈构成，各第一离合器夹设于两个第一垫圈之间，第一单向离合器和第一垫圈的具体数量可以根据实际使用情况确定，第一单向离合器为现有技术，由外座圈、内座圈、保持架、楔块等组成，第一单向离合器的外座圈与旋转轴套231的内壁连接，第一单向离合器的内座圈与旋转轴232的外壁连接，第一单向离合器的内座圈固定，旋转轴套231受到正向旋转的扭矩时，楔块锁止，第一单向离合器的外座圈相对第一单向离合器的内座圈周向固定，旋转轴套231能带动旋转轴232正向旋转；旋转轴套231受到反向旋转的扭矩时，楔块不锁止，第一单向离合器的外座圈能相对第一单向离合器的内座圈转动，从而使得旋转轴套231能相对旋转轴反向旋转。

旋转轴232的另一端的外壁与外筒结构1的内壁之间设置有允许旋转轴232随旋转轴套231正向同步旋转的第二单向离合器组242，第二单向离合器组242由多个第二单向离合器和第二垫圈构成，在本发明的一具体实施例中，第二单向离合器组242由3个第二单向离合器和4个第二垫圈构成，各第二离合器夹设于两个第二垫圈之间，第二单向离合器和第二垫圈的具体数量可以根据实际使用情况确定。第二单向离合器为现有技术，由外座圈、内座圈、保持架、楔块等组成，第二单向离合器的外座圈与外筒结构1的内壁连接，第二单向离合器的内座圈与旋转轴232的外壁连接，第二单向离合器的外座圈固定，旋转轴232受到正向旋转的扭矩时，楔块不锁止，旋转轴232随旋转轴套231正向旋转；旋转轴232上受到反向旋转的扭矩时，楔块锁止，第二单向离合器的内座圈相对第二单向离合器的外座圈周向固定，旋转轴232不能进行反向旋转。

进一步，如图1、图2、图5、图6所示，内流体通道的过流截面积大于外流体通道的过流截面积，外流体通道的过流面积减小使得钻井液的喷射压力有所提高，进一步提升钻井液的冲刷清洁效果。内流体通道包括沿中心管结构2周向均匀间隔设置的多个圆透孔或者环形透槽，外流体通道包括与内流体通道匹配设置的多个圆透孔或者环形透槽。在本发明的一具体实施例中，内流体通道包括沿中心管结构2周向均匀间隔设置的4个第一圆透孔25，各第一圆透孔25之间的夹角为90°，相应地，外流体通道包括与内流体通道匹配设置的4个第二圆透孔16。与内流体通道、外流体通道相应地，活塞杆221每向远离旋转部的方向移动一次，则带动旋转轴套231正向(顺时针)旋转45°，旋转轴套231正向(顺时针)旋转的同时带动旋转轴232正向(顺时针)旋转相同的角度，通过合理设计活塞杆221的形成和齿轮的螺旋角度使得旋转轴232每次转动的角度达到预期的目标角度(在本发明的该具体实施例中，目标角度为45°)；每个奇数次正向(顺时针)旋转时旋转轴232上的第一圆透孔25与外筒结构上的第二圆透孔16连通，每个偶数次正向(顺时针)旋转时旋转轴232上的第一圆透孔25与外筒结构上的第二圆透孔16周向错开。

本发明的一具体实施例的组装过程如下：首先将活塞杆221穿设通过第三外筒13，将弹簧223套设于活塞杆221上，再将活塞222、节流喷嘴21安装于活塞杆221的一端，将弹簧223的两端分别与第三外筒13的另一端(即第二内凸台102)、活塞222的端面抵靠连接，之后依次将第四外筒14、第五外筒15密封连接组装。在活塞杆221的另一端套装旋转轴套231，使得旋转轴套231的内齿轮233与活塞杆221上的外齿轮224相啮合，之后将第二外筒12与第三外筒13密封连接；然后在旋转轴232的两端分别套装第一单向离合器组241和第二单向离合器组242，将装有第一单向离合器组241的一端穿设进旋转轴套231内并轴向推靠到位(即旋转轴232的一端的端面能转动地沿轴向抵靠于第四内凸台2311的端面上)，最后将第一外筒11与第二外筒12密封连接，使得旋转轴232的另一端的端面能转动地沿轴向抵靠于第五内凸台105的端面上，完成旋转部的轴向定位，此时，内流体通道与外流体通道呈周向错开状态(如图6所示)。

本发明钻井旁通循环工具100的该具体实施例的具体使用过程如下：

将钻井旁通循环工具100的第一外筒11与上部钻杆密封地连接，第五外筒15与下部钻具密封地连接，钻井旁通循环工具100与下部钻具中钻头的距离根据实际需求确定，一般使钻井旁通循环工具100位于井斜角较大的井段。将安装钻井旁通循环工具100的下部钻具和上部钻杆下入大斜度井或水平井钻井中。

在正常钻井过程中，钻井液从地面的钻井泵经过钻杆、钻井旁通循环工具100的中心通孔20、节流喷嘴21流向钻头，最后经井眼环空返回地面，此时钻井旁通循环工具100处于非工作状态，内流体通道与外流体通道呈周向错开状态。

当根据钻井工程具体情况(钻压等)判断井眼中出现岩屑床时，停止钻进并上下活动钻具，同时提高钻井泵的排量，该排量一般为高于正常钻井排量的20％～30％，此时，节流喷嘴21的内外侧产生压差，节流喷嘴21内部压强增高，在钻井液的压力作用下，活塞杆221向远离旋转部的方向移动，在外齿轮224和内齿轮233的啮合作用下，活塞杆221带动旋转轴套231正向(顺时针)旋转45°，旋转轴套231正向(顺时针)旋转的同时带动旋转轴232正向(顺时针)旋转相同的角度，内流体通道与外流体通道连通(如图5所示)，即旋转轴232上的第一圆透孔25与外筒结构上的第二圆透孔16连通(可以根据地面的钻井泵压来判定)，此时，流入中心通孔20的钻井液，一部分通过中心通孔20、节流喷嘴21流向钻头，最后经井眼环空返回地面；还有一部分钻井液经第一圆透孔25、第二圆透孔16流向井眼环空，对第二圆透孔16附近的岩屑床形成直接冲刷清洁，冲刷下来的岩屑随钻进液返回地面。

当完成一次岩屑床冲刷洗井后，降低钻井泵排量至正常排量，此时，节流喷嘴21内外侧的压差降低接近为零。活塞杆221在弹簧223恢复力的作用下，复位至安装之初的状态，此时旋转轴套231反向旋转(逆时针旋转)，在第一单向离合器组241、第二单向离合器组242作用下旋转轴232不旋转。再次提高钻井泵排量，活塞杆221第二次向远离旋转部的方向移动，活塞杆221带动旋转轴套231再次正向(顺时针)旋转45°，旋转轴套231正向(顺时针)旋转的同时带动旋转轴232正向(顺时针)旋转相同的角度，旋转轴232上的第一圆透孔25与外筒结构上的第二圆透孔16周向错开。调整钻井泵排量，继续进行正常钻井即可。

由上所述，本发明提供的钻井旁通循环工具具有如下有益效果：

(1)本发明的钻井旁通循环工具中，中心通孔的出口端设置的节流喷嘴具有节流作用，能使中心通孔出口端的内外侧产生压差，中心通孔内部钻井液压力升高，部分钻井液通过内流体通道、外流体通道流向井眼环空，该部分钻井液对外流体通道附近的岩屑床形成直接冲刷，有效地进行岩屑清除，避免岩屑床对钻井的影响，提高钻井过程的安全性和效率；

(2)本发明的钻井旁通循环工具中内流体通道的过流截面积大于外流体通道的过流截面积，外流体通道的过流面积减小使得钻井液的喷射压力有所提高，进一步提升钻井液的冲刷清洁效果；

(3)本发明的钻井旁通循环工具中充分利用单向离合器的特性，实现旋转轴的单向转动，进而实现内流体通道、外流体通道通断的控制；

(4)本发明的钻井旁通循环工具通过地面钻井泵的排量的调整实现内流体通道、外流体通道通断的控制，无需投球或投镖操作即可实现钻井旁通循环工具的无限次开关，操作简单，利于推广使用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。