一种改变井底钻井液流变性能的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于油气田钻井中调节钻井泥浆性能的装置和方法，属于石油、天然气钻井的配套装置，是一种可应用于易发生喷、塌、卡事故的改变井底钻井液流变性能的装置及其方法。
【背景技术】
[0002]钻井液通常用于石油天然气钻井、完井中，起到的作用主要包括:(I)冷却和润滑钻头或其它井下钻井设备；(2)循环运送岩石岩肩和其它碎片至井口 ；(3)提供液压平衡地层压力。钻井液中常含有各种添加剂或其它成分，如胶凝剂(如胶体颗粒和/或乳化液)，其流变特性，对钻井作业的整体质量和性能有重大影响，可以大大影响钻井质量和效率。
[0003]在石油天然气钻井中，地层岩石存在临界坍塌压力和破裂压力。通常情况下，要求已钻井中钻井泥浆形成的压力介于坍塌压力和破裂压力之间，否则井眼岩石容易出现坍塌和破裂，从而引发喷、塌、卡事故。
[0004]钻井工作者习惯使用等效密度液体产生的液柱压力来描述坍塌压力和破裂压力；坍塌压力和破裂压力数值的差值通常称之为压力窗口，并常用等效密度来表示，常简称为密度窗口。施工时要求钻井泥浆的当量循环密度(表征钻井泥浆的流体静压力和钻井泥浆流动时造成的环空摩擦压降之和)介于该密度窗口之间，以确保钻井安全。
[0005]在部分深井中，钻井泥浆靠近破裂压力曲线，容易压裂地层引起泥浆漏失造成钻井停工，因此必须减小钻井泥浆的当量循环密度，使当量循环密度介于密度窗口的中值附近，以提尚钻井的可操作性。
[0006]减少钻井泥浆粘度可以降低其当量循环密度，但钻井泥浆必须要完成携岩任务，因此该方法在实践中很少用到。根据地层要求不同，现场有四种降低循环液压耗的方式:
(I)减少加重剂，直接降低钻井泥浆密度；(2)充入一定量的气体；(3)掺入玻璃微珠；
(4)使用双梯度钻井工艺。在上述方法中，第一种最直接，但该方法对某些地层和工艺的适应性很差，后三种实施费用昂贵，需要额外的配套设备。
[0007]因此，需要提供一种在不影响钻井循环质量和钻井效率的前提下，改变井底钻井液流变性能的装置及其方法。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是:为解决现有技术的不足，提尚钻井效率和钻井质量，特提供一种改变井底钻井液流变性能的装置及其方法。
[0009]为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是:一种改变井底钻井液流变性能的装置及其方法，其结构主要包括:上接头、第一流道、中间壳体、定子短节、锥形套筒、定子短节内锥面、套筒外锥面、套筒内锥面、涡轮短节、防冲蚀套筒、下短节、喷嘴、斜孔流道、上销钉孔、销钉、下销钉孔、定子螺旋流道和涡轮短节流道；其技术特征在于:上接头、中间壳体和下短节从上至下依次靠螺纹连接；上接头内部有两个第一流道、两个斜孔流道，下端面有上销钉孔，斜孔流道出口处安装喷嘴；定子短节放置在中间壳体内孔中，外表面有定子螺旋流道，上端面有下销钉孔；销钉安装在上销钉孔和下销钉孔形成的内孔中，用于定位定子短节；锥形套筒安置在定子短节内孔中，靠套筒外锥面与定子短节的定子短节内锥面配合，锥形套筒上端与上接头下端面配合；防冲蚀套筒安装在下短节上端内孔中；涡轮短节安置在防冲蚀套筒上端，上端靠锥形套筒定位，涡轮短节下端外表面有涡轮短节流道；所述装置工作方法为:钻井泥浆从第一流道流入定子螺旋流道，继而通过涡轮短节流道流入锥形套筒内孔，涡轮短节流道增加了钻井泥浆的定向旋转力，形成涡流，钻井泥浆通过涡轮短节流道后成射流状流向套筒内锥面，分离成密度较高的固液混合体和密度较低的钻井液，密度较高的固液混合体向上流入斜孔流道内，最终通过喷嘴流向环空，进行向上循环；密度较低的钻井液向下依次流入涡轮短节和防冲蚀套筒内孔，最终通过钻头流入环空，形成循环。
[0010]所述第一流道截面形状为半环形；所述定子螺旋流道旋向向右，涡轮短节流道旋向向左；所述防冲蚀套筒采用硬质合金材料加工而成，或者内孔和上端面进行了硬质合金层涂层。
[0011]本发明与现有技术相比，其有益效果是:1)该工具在不改变钻井循环质量和钻井效率的前提下，可有效降低钻井泥浆当量循环密度，提高钻井可操作性，减少地层破裂、钻井泥浆漏失和避免钻井停工；2)该工具通过分离钻井泥浆，降低了钻头处的静钻井液压力，可提高钻井速度，还可改善泥浆马达和钻头寿命；3)该工具结构简单、可靠性高，降低了设备的要求和相关投入成本。
【附图说明】
[0012]图1是本发明一种改变井底钻井液流变性能的装置截面结构示意图；
图2是本发明一种改变井底钻井液流变性能的装置另一方向截面结构示意图；
图3是本发明一种改变井底钻井液流变性能的装置的定子短节结构示意图；
图4是本发明一种改变井底钻井液流变性能的装置的涡轮短节；
图5是本发明一种改变井底钻井液流变性能的装置A-A向截面示意图。
[0013]图中，1.上接头，2.第一流道，3.中间壳体，4.定子短节，5.锥形套筒，6.定子短节内锥面，7.套筒外锥面，8.套筒内锥面，9.涡轮短节，10.防冲蚀套筒，11.下短节，12.喷嘴，13.斜孔流道，14.上销钉孔，15.销钉，16.下销钉孔，17.定子螺旋流道，18.涡轮短节流道。
【具体实施方式】
[0014]如图1-图5所示，一种改变井底钻井液流变性能的装置及其方法，其结构主要包括:上接头1、第一流道2、中间壳体3、定子短节4、锥形套筒5、定子短节内锥面6、套筒外锥面7、套筒内锥面8、涡轮短节9、防冲蚀套筒10、下短节11、喷嘴12、斜孔流道13、上销钉孔14、销钉15、下销钉孔16、定子螺旋流道17和涡轮短节流道18 ;其技术特征在于:上接头1、中间壳体3和下短节11从上至下依次靠螺纹连接；上接头I内部有两个第一流道2、两个斜孔流道13，下端面有上销钉孔14，斜孔流道13出口处安装喷嘴12 ;定子短节4放置在中间壳体3内孔中，外表面有定子螺旋流道17，上端面有下销钉孔16 ;销钉15安装在上销钉孔14和下销钉孔16形成的内孔中，用于定位定子短节4 ;锥形套筒5安置在定子短节4内孔中，靠套筒外锥面7与定子短节4的定子短节内锥面6配合，锥形套筒5上端与上接头I下端面配合；防冲蚀套筒10安装在下短节11上端内孔中；涡轮短节9安置在防冲蚀套筒10上端，上端靠锥形套筒5定位，涡轮短节9下端外表面有涡轮短节流道18 ;所述装置工作方法为:钻井泥浆从第一流道2流入定子螺旋流道17，继而通过涡轮短节流道18流入锥形套筒5内孔，涡轮短节流道18增加了钻井泥浆的定向旋转力，形成涡流，钻井泥浆通过涡轮短节流道18后成射流状流向套筒内锥面8，分离成密度较高的固液混合体和密度较低的钻井液，密度较高的固液混合体向上流入斜孔流道13内，最终通过喷嘴12流向环空，进行向上循环；密度较低的钻井液向下依次流入涡轮短节9和防冲蚀套筒10内孔，最终通过钻头流入环空，形成循环。
[0015]所述第一流道2截面形状为半环形；所述定子螺旋流道17旋向向右，涡轮短节流道18旋向向左；所述防冲蚀套筒10采用硬质合金材料加工而成，或者内孔和上端面进行了硬质合金层涂层。
[0016]该工具结构简单、可靠性高，降低了设备的要求和相关投入成本，其可以在不改变钻井循环质量和钻井效率的前提下，有效降低钻井泥浆当量循环密度，提高钻井可操作性，减少地层破裂、钻井泥浆漏失和避免钻井停工；同时，降低钻头处的静钻井液压力，可提高钻井速度，还可改善泥浆马达和钻头寿命。
【主权项】
1.一种改变井底钻井液流变性能的装置及其方法，其结构主要包括:上接头(I)、第一流道(2)、中间壳体(3)、定子短节(4)、锥形套筒(5)、定子短节内锥面(6)、套筒外锥面(7)、套筒内锥面(8)、涡轮短节(9)、防冲蚀套筒(10)、下短节(11)、喷嘴(12)、斜孔流道(13)、上销钉孔(14)、销钉(15)、下销钉孔(16)、定子螺旋流道(17)和涡轮短节流道(18);其技术特征在于:上接头(I)、中间壳体(3)和下短节(11)从上至下依次靠螺纹连接；上接头(I)内部有两个第一流道(2)、两个斜孔流道(13)，下端面有上销钉孔(14)，斜孔流道(13)出口处安装喷嘴(12);定子短节(4)放置在中间壳体(3)内孔中，外表面有定子螺旋流道(17 )，上端面有下销钉孔(16 );销钉(15 )安装在上销钉孔(14)和下销钉孔(16 )形成的内孔中，用于定位定子短节(4);锥形套筒(5)安置在定子短节(4)内孔中，靠套筒外锥面(7)与定子短节(4)的定子短节内锥面(6)配合，锥形套筒(5)上端与上接头(I)下端面配合；防冲蚀套筒(10)安装在下短节(11)上端内孔中；涡轮短节(9)安置在防冲蚀套筒(10)上端，上端靠锥形套筒(5)定位，涡轮短节(9)下端外表面有涡轮短节流道(18);所述装置工作方法为:钻井泥浆从第一流道(2)流入定子螺旋流道(17)，继而通过涡轮短节流道(18)流入锥形套筒(5)内孔，涡轮短节流道(18)增加了钻井泥浆的定向旋转力，形成涡流，钻井泥浆通过涡轮短节流道(18)后成射流状流向套筒内锥面(8)，分离成密度较高的固液混合体和密度较低的钻井液，密度较高的固液混合体向上流入斜孔流道(13)内，最终通过喷嘴(12)流向环空，进行向上循环；密度较低的钻井液向下依次流入涡轮短节(9)和防冲蚀套筒(10)内孔，最终通过钻头流入环空，形成循环。2.根据权利要求1所述的一种改变井底钻井液流变性能的装置，其技术特征在于:所述第一流道(2 )截面形状为半环形。3.根据权利要求1所述的一种改变井底钻井液流变性能的装置，其技术特征在于:所述定子螺旋流道(17 )旋向向右，涡轮短节流道(18 )旋向向左。4.根据权利要求1所述的一种改变井底钻井液流变性能的装置，其技术特征在于:所述防冲蚀套筒(10)采用硬质合金材料加工而成，或者内孔和上端面进行了硬质合金层涂层。
【专利摘要】本发明涉及一种用于油气田钻井中调节钻井泥浆性能的装置和方法，可应用于易发生喷、塌、卡事故的改变井底钻井液流变性能的装置及其方法。其技术方案是：所述一种改变井底钻井液流变性能的装置主要包括：上接头、第一流道、中间壳体、定子短节、锥形套筒、定子短节内锥面、套筒外锥面、涡轮短节、防冲蚀套筒、下短节和喷嘴；上接头、中间壳体和下短节从上至下依次靠螺纹连接；上接头内部有两个斜孔流道，斜孔流道出口处安装喷嘴；定子短节放置在中间壳体内孔中；锥形套筒安置在定子短节内孔中，靠套筒外锥面与定子短节内锥面配合；防冲蚀套筒安装在下短节上端内孔中；涡轮短节安置在防冲蚀套筒上端。本发明结构简单、可靠性高，投入成本低。
【IPC分类】E21B21/00
【公开号】CN105221089
【申请号】CN201510594700
【发明人】石昌帅, 祝效华, 汤历平
【申请人】西南石油大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月18日