基于钻柱振动的井底环空钻井液降压装置及方法与流程

本发明属于石油与天然气钻井工程技术领域，涉及一种钻井液降压装置及方法，具体地说，涉及一种基于钻柱振动的井底环空钻井液降压装置及方法，用于降低井底环空钻井液的压力。

背景技术：

钻柱振动给钻井作业带来极大的危害，然而，能够产生巨大危害也正说明了钻柱振动蕴含巨大能量，若能将其转化为有利的能量进行合理利用，则即可为深井井下工具工作提供能力，并且可以降低钻井过程风险。基于此思想，中国石油大学(华东)研制出将钻柱振动能量转化为钻井液液压能的装置，还设计了将钻柱振动能量转化为钻头轴向冲击的装置，以及将钻柱振动能够转化为钻头扭转冲击的装置等。这些装置的研制和设计为深井提速领域提供了新思路，但钻柱振动能量利用并不局限于上述方法，合理利用钻柱振动能量，将会产生更多有利钻井的方法及设备。

钻井现场实践表明，降低井底环空钻井液的压力可以改善钻头处清岩效果、改变待钻岩石受力状态，从而提高钻井速度。为此，国内外学者提出了两种用于降低井底环空钻井液压力的方法。一种方法为：利用将整个井筒钻井液密度降低的方法来降低井底环空钻井液的压力，即欠平衡钻井，该方法大幅度提升了钻井效率，但却存在适用性不广泛的问题，如该钻井方法在异常高压地层等复杂地层内难以应用。另一种方法为：通过利用井下工具实现部分入井钻井液反向喷射来降低井底环空钻井液的压力，该方法在一定程度上可以降低井底环空钻井液压力，然而却是以减小井底钻井液喷射量为代价，根据实践经验，降低井底钻井液排量会降低射流的清岩效果，因此，该方法对于提高钻井效率的贡献作用有待于深入研究。

若能将钻柱振动能量合理用于井底环空钻井液降压，则可望实现既不降低整个井筒钻井液密度，又不牺牲钻头处钻井液排量，既降低钻柱振动危害，又降低井底钻井液压力的理想目标，这对深井硬地层钻井速度的提高具有重要现实意义，对钻柱振动能量利用领域拓展具有重要价值。

技术实现要素：

本发明针对现有技术上述问题，提供了一种基于钻柱振动的井底环空钻井液降压装置及方法，该装置及方法利用钻井振动作为装置能量来源来实现环空钻井液的降压，从而达到提高钻井钻进速度的目的。

为了达到上述目的，本发明提供了一种井底环空钻井液降压装置，包括中轴和套装于中轴外部的筒体，所述中轴包括依次连接的传力轴和分液活塞，所述筒体包括依次连接的花键筒、弹性元件保护筒、接头和降压筒；所述弹性元件保护筒和接头套装于所述传力轴外部，所述弹性元件保护筒与所述传力轴之间设有端部与所述接头接触式连接的弹性元件；所述降压筒套装于所述分液活塞外部，所述降压筒、所述接头与所述分液活塞之间形成第一储液腔，所述降压筒与分液活塞之间形成第二储液腔；所述接头上设有分别连通外部与第一储液腔的向下的第一入口通道和向上的第一排液通道，所述降压筒上设有分别连通外部与第二储液腔的向下的第二入口通道和向上的第二排液通道；所述第一入口通道与外部连通的一端设有第一吸入阀，所述第一排液通道与外部连通的一端设有第一排液阀，所述第二入口通道与外部连通的一端设有第二吸入阀，所述第二排液通道与外部连通的一端设有第二排液阀。

进一步的，所述传力轴与所述弹性元件保护筒之间设有冲程限位体，所述弹性元件的一端与所述冲程限位体接触式连接，另一端与所述接头接触式连接。

进一步的，所述筒体还包括密封端盖，所述密封端盖套装于所述传力轴外部。

优选的，所述传力轴沿着其轴线开有用于钻井液过流的圆孔，所述传力轴的顶端带有用于连接钻具组合的钻铤扣；所述传力轴外部依次设有紧扣圆柱面、与所述密封端盖密封连接的第一密封面、与所述花键筒密封连接的花键体、与所述冲程限位体连接的限位螺纹、弹性元件内支撑圆柱面以及与所述分液活塞连接的活塞螺纹；所述第一密封面的直径小于紧扣圆柱面的直径；所述花键体的齿顶圆直径与所述第一密封面的外径相等，所述花键体的齿根圆直径大于所述限位螺纹的大径，所述限位螺纹的小径大于所述弹性元件内支撑圆柱面的直径，所述弹性元件内支撑圆柱面的直径大于所述活塞螺纹的大径。

优选的，所述花键筒为圆柱壳体，所述花键筒外侧的上部为与所述密封端盖连接的第一外螺纹、中部为圆柱面、下部为与所述弹性元件保护筒连接的第二外螺纹，所述花键筒圆柱面部分的外径与所述传力轴的紧扣圆柱面的外径相等；所述花键筒内侧的上部为扶正圆筒、下部为与所述花键体行配合的内花键，扶正圆筒的内径大于所述传动轴的第一密封面的外径，所述内花键与所述花键体形成花键润滑液腔。所述密封端盖与所述花键筒之间设有密封总成，所述花键筒的中部开有第一注油孔，所述第一注油孔内安装有第一油堵。

优选的，所述弹性元件保护筒为圆柱壳体，所述弹性元件保护筒的外径与所述紧扣圆柱面的外径相等；所述弹性元件保护筒4内侧的上部为用于连接所述花键筒的上螺纹、中部为弹性元件外支撑面、下部为用于连接所述接头的下螺纹；所述弹性元件外支撑面的内径大于弹性元件直径2-6mm；所述弹性元件保护筒的中部开设有注油孔，所述第二注油孔内安装有第二油堵。

所述接头为圆柱壳体，所述接头外侧的上部为弹性元件保护筒连接螺纹、中部为接头圆柱面、下部为降压筒连接螺纹，所述接头圆柱面的直径与所述传力轴的紧扣圆柱面的外径相等；所述接头内侧为接头内圆柱面，所述接头内圆柱面的直径大于所述传力轴的弹性元件内支撑圆柱面的外径；所述接头内圆柱面上设有密封槽，所述密封槽内设有接头密封。

优选的，所述分液活塞内部设有与所述活塞螺纹配合的传力轴螺纹，所述分液活塞外部依次设有安装面、与所述缸套密封连接的滑动密封面以及与所述降压筒密封连接的第二密封面；所述滑动密封面的外径大于所述安装面，小于所述缸套的内表面直径；所述第二密封面外表面直径小于所述滑动密封面外径；所述第二密封面与所述降压筒之间设有刮泥密封；所述分液活塞与所述缸套之间还设有分液活塞密封。

优选的，所述降压筒外部为等直径圆柱面；所述降压筒内部依次设有与所述接头连接的接头连接扣、与所述缸套密封连接的降压筒内表面、缸套承压面、与所述分液活塞的第二密封面底端配合的分液活塞下部滑动面以及与钻头连接的钻头连接扣，所述缸套承压面位于所述降压筒内表面与所述分液活塞下部滑动面之间；所述第二入口通道和所述第二排液通道开设于所述缸套承压面与降压筒外部圆柱面之间，所述第二入口通道靠近降压筒外部圆柱面处设有用于安装第二吸入阀的第二吸入阀安装孔，所述第二排液通道靠近降压筒外部圆柱面处设有用于安装第二排液阀的第二排液阀安装孔；所述缸套承压面与所述缸套之间还设有缸套密封。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于钻柱振动的井底环空钻井液降压方法，采用上述井底环空钻井液降压装置实现降压，在钻井过程中，钻柱向下振动，中轴下压，弹性元件收到压力压缩，第二储液腔的第二吸入阀关闭，第二排液阀打开，第二储液腔内的液体排出；第一储液腔产生负压，第一吸入阀打开，第一排液阀关闭，第一储液腔内的液体增加，此时，井底环空钻井液向上快速流动象，井底环空钻井液压力降低；钻柱向下振动，中轴上升，弹性元件伸开复位，第二储液腔产生负压，第二吸入阀打开，第二排液阀关闭，第二储液腔内进入液体，井底环空钻井液降压；第一储液腔的第一吸入阀关闭，第一排液阀打开，流体向上举升环空钻井液，往复上述过程，实现钻柱上、下振动过程井底环空钻井液脉冲性降压。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用钻柱振动作为能量来源，利用内部弹性元件作为行程及复位控制部件，利用上下两个储液腔内液体的流动方向变化，来实现环空钻井液的降压，既可以提高钻进速度和破岩效率，还可以增强井底携岩效果。

(2)本发明利用钻柱振动作为能量来源，能量随着井深的增加而增加，在工作过程中，既不需要降低整个井筒钻井液密度，又不用牺牲钻头处钻井液排量，对钻井液的循环不构成影响，即时工具失效，钻井作业也能够继续进行，既可以减小了振动的危害作用，还可以降低井底钻井液压力。

(3)本发明原理及结构简单，性能稳定，使用过程中不会为钻井作业带来其他方面的风险，不需要安装其他工具，不影响其他钻井工序的实施。

(4)本发明不需要改变钻柱的结构，与应用钻头类型无关，适用范围广，方便推广及应用。

(5)本发明在钻井过程中，操作施工跟常规钻井完全相同，对地面设施、钻井管柱、钻头类型没有特殊要求，有利于推广和使用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例井底环空钻井液降压装置的上半部分结构示意图。

图3为本发明图2的a-a向剖面图。

图4为本发明实施例井底环空钻井液降压装置的下半部分结构示意图。

图5为本发明图4的b-b向剖面图。

图6为本发明图4的c-c向剖面图。

图7为本发明图4的的d-d向剖面图。

图8为本发明图4的的e-e向剖面图。

图9为本发明实施例井底环空钻井液降压装置中传力轴的结构示意图。

图10为本发明实施例井底环空钻井液降压装置中分液活塞的结构示意图。

图11为本发明实施例井底环空钻井液降压装置中降压筒的结构示意图。

图中，1、传力轴，101、接头面，102、第一密封面，103、内花键，104、限位体安装扣，105、圆面，106、分液活塞连接扣，2、分液活塞，201、传力轴连接扣，202、滑动密封面，203、第二密封面，3、花键筒，301、内花键，302、第一注油孔，303、第一油堵，4、弹性元件保护筒，401、第二注油孔，402、第二油堵，5、接头，6、降压筒，601、接头连接扣，602、降压筒内表面，603、缸套支撑面，604、分液活塞下部滑动面，605、钻头连接扣，606、降压筒外部圆柱面，607、第二吸入阀安装孔，608、第二排液阀安装孔，7、弹性元件，8、缸套，9、第一储液腔，10、第二储液腔，11、第一入口通道，12、第一排液通道，13、第二入口通道，14、第二排液通道，15、第一吸入阀，16、第一排液阀，17、第二吸入阀，18、第二排液阀，19、冲程限位体，20、密封端盖，21、密封总成，22、接头密封，23、刮泥密封，24、分液活塞密封，25、缸套密封。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“中”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1-图8，本发明一实施例，提供了一种井底环空钻井液降压装置，包括中轴和套装于中轴外部的筒体，所述中轴包括依次连接的传力轴1和分液活塞2，所述筒体包括依次连接的花键筒3、弹性元件保护筒4、接头5和降压筒6；所述弹性元件保护筒4和接头5套装于所述传力轴1外部，所述弹性元件保护筒4与所述传力轴1之间设有弹性元件7；所述降压筒6内部套装有缸套8，所述缸套8套装于所述分液活塞2外部，所述降压筒6、所述接头5与所述分液活塞2之间形成第一储液腔9，所述降压筒6与分液活塞之间形成第二储液腔10；所述接头5上设有分别连通外部与第一储液腔9的向下的第一入口通道11和向上的第一排液通道12，所述降压筒6上设有分别连通外部与第二储液腔10的向下的第二入口通道13和向上的第二排液通道14；所述第一入口通道11与外部连通的一端设有第一吸入阀15，所述第一排液通道12与外部连通的一端设有第一排液阀16，所述第二入口通道13与外部连通的一端设有第二吸入阀17，所述第二排液通道14与外部连通的一端设有第二排液阀18。将钻柱振动作为动力来源，利用弹性元件作为行程及复位控制部件，利用第一储液腔和第二储液腔内液体的流动方向变化，实现环空钻井液的降压，从而达到提高钻井钻进速度的目的。

继续参见图1、图2，作为上述降压装置的优选实施方式，所述传力轴1与所述弹性元件保护筒4之间设有冲程限位体19，所述弹性元件7的上端与所述冲程限位体20接触式连接，所述弹性元件7的下端与所述接头5接触式连接。

继续参见图1和图2，作为上述降压装置的优选方案，所述筒体还包括密封端盖20，所述密封端盖20套装于所述传力轴1外部。通过密封端盖对传力轴进行密封，防止钻井液流出。

参见图9，作为上述降压装置的优选实施方式，所述传力轴1沿着其轴线开有用于钻井液过流的圆孔，所述传力轴的顶端带有用于连接钻具组合的钻铤扣；所述传力轴1外部由上至下依次设有紧扣圆柱面101、与所述密封端盖20密封连接的第一密封面102、与所述花键筒3密封连接的花键体103、与所述冲程限位体19连接的限位螺纹104、弹性元件内支撑圆柱面105以及与所述分液活塞2连接的活塞螺纹106；所述第一密封面102的直径小于紧扣圆柱面101的直径；所述花键体103的齿顶圆直径与所述第一密封面102的外径相等，所述花键体103的齿根圆直径大于所述限位螺纹104的大径，所述限位螺纹104的小径大于所述弹性元件内支撑圆柱面105的直径，所述弹性元件内支撑圆柱面105的直径大于所述活塞螺纹104的大径。

继续参见图2，并参见图3，作为上述降压装置的优选实施方式，所述花键筒3为圆柱壳体，所述花键筒3外侧的上部为与所述密封端盖20连接的第一外螺纹、中部为圆柱面、下部为与所述弹性元件保护筒4连接的第二外螺纹，所述花键筒圆柱面部分的外径与所述传力轴1的紧扣圆柱面101的外径相等；所述花键筒内侧的上部为扶正圆筒、下部为与所述花键体103行配合的内花键301，扶正圆筒的内径大于所述传动轴1的第一密封面102的外径，所述内花键301与所述花键体103形成花键润滑液腔，花键筒可相对于传力轴上下滑动。所述密封端盖20与所述花键筒3之间设有密封总成21，所述花键筒3的中部开有第一注油孔302，所述第一注油孔内安装有第一油堵303。其中，密封总成用于防止花键润滑液腔内的润滑油流入环空。第一注油孔用于向花键润滑液腔内注入润滑液，第一油堵用于防止润滑液流出。

参见图4、图5，作为上述降压装置的优选实施方式，所述弹性元件保护筒4为圆柱壳体，所述弹性元件保护筒4的外径与所述紧扣圆柱面101的外径相等；所述弹性元件保护筒4内侧的上部为用于连接所述花键筒3的上螺纹、中部为弹性元件外支撑面、下部为用于连接所述接头5的下螺纹；所述弹性元件外支撑面的内径大于弹性元件直径2-6mm；所述弹性元件保护筒4的中部开设有注油孔401，所述第二注油孔401内安装有第二油堵402。其中，第二注油孔用于向放置弹性元件的弹性元件容置腔(由弹性元件保护筒和传力轴形成)内注入润滑液，第二油堵用于防止润滑液流出。

继续参见图4，作为上述降压装置的优选实施方式，所述接头5为圆柱壳体，所述接头5外侧的上部为弹性元件保护筒连接螺纹、中部为接头圆柱面、下部为降压筒连接螺纹，所述接头圆柱面的直径与所述传力轴1的紧扣圆柱面101的外径相等；所述接头5内侧为接头内圆柱面，所述接头内圆柱面的直径大于所述传力轴1的弹性元件内支撑圆柱面105的外径；所述接头内圆柱面上设有密封槽，所述密封槽内设有接头密封22。通过接头密封密封传力轴与接头，防止钻井液流入环空。

参见图10，作为上述降压装置的优选实施方式，所述分液活塞2内部设有与所述活塞螺纹106配合的传力轴螺纹201，所述分液活塞2外部依次设有安装面202、与所述缸套8密封连接的滑动密封面203以及与所述降压筒6密封连接的第二密封面204；所述滑动密封面203的外径大于所述安装面202，小于所述缸套8的内表面直径；所述第二密封面204外表面直径小于所述滑动密封面203外径，第二密封面底端与分液活塞下部滑动面配合，从而使得第二储液腔与装置内控之间密封；所述第二密封面204与所述降压筒6之间设有刮泥密封23；所述分液活塞2与所述缸套8之间还设有分液活塞密封24。

参见图11，作为上述降压装置的优选实施方式，所述降压筒6外部为等直径圆柱面；所述降压筒4内部依次设有与所述接头5连接的接头连接扣601、与所述缸套8密封连接的降压筒内表面602、缸套承压面603、与所述分液活塞2的第二密封面204底端配合的分液活塞下部滑动面604以及与钻头连接的钻头连接扣605，所述缸套承压面603位于所述降压筒内表面602与所述分液活塞下部滑动面604之间，用于为缸套提供轴向支撑；所述第二入口通道13和所述第二排液通道14开设于所述缸套承压面603与降压筒外部圆柱面606之间，所述第二入口通道13靠近降压筒外部圆柱面606处设有用于安装第二吸入阀17的第二吸入阀安装孔607，所述第二排液通道14靠近降压筒外部圆柱面606处设有用于安装第二排液阀18的第二排液阀安装孔608；所述缸套承压面603与所述缸套8之间还设有缸套密封25。

在钻井过程中，使用上述实施例所述的井底环空钻井液降压装置对井底环空钻井液进行降压，其降压过程为：

钻压增加，中轴下压，弹性元件受到压力压缩，第二储液腔的第二吸入阀关闭，第二排液阀打开，第二储液腔内的液体排出；第一储液腔产生负压，第一吸入阀打开，第一排液阀关闭，第一储液腔内液体增加，此时，环空钻井液存在向上的快速流动，井底钻井液压力降低。

钻压减小，中轴上升，弹性元件伸开复位，第二储液腔产生负压，第二储液腔的第二吸入阀打开，第二排液阀关闭，第二储液腔内进入液体，井底钻井液降压；第一储液腔的第一吸入阀关闭，第一排液阀打开，流体向上举升环空钻井液。

本发明另一实施例，提供了一种基于钻柱振动的井底环空钻井液降压方法，采用上述井底环空钻井液降压装置实现降压，在钻井过程中，钻柱向下振动，中轴下压，弹性元件7收到压力压缩，第二储液腔10的第二吸入阀17关闭，第二排液阀18打开，第二储液腔10内的液体排出；第一储液腔9产生负压，第一吸入阀15打开，第一排液阀16关闭，第一储液腔9内的液体增加，此时，井底环空钻井液向上快速流动象，井底环空钻井液压力降低；钻柱向下振动，中轴上升，弹性元件7伸开复位，第二储液腔10产生负压，第二吸入阀17打开，第二排液阀18关闭，第二储液腔10内进入液体，井底环空钻井液降压；第一储液腔9的第一吸入阀15关闭，第一排液阀16打开，流体向上举升环空钻井液，往复上述过程，实现钻柱上、下振动过程井底环空钻井液脉冲性降压。

本发明上述方法，利用钻柱振动作为能量来源，利用弹性元件作为行程及复位控制部件，利用上下两个储液腔内液体的流动方向变化，来实现环空钻井液的降压，既可以提高钻进速度和破岩效率，还可以增强井底携岩效果。

此外，本发明上述装置及方法中，所述弹性元件为弹簧。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。