专利名称：井下射流降压设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及油气田钻井工程技术领域，特别涉及一种钻井井下 工具，是一种降低钻井液循环状态下井底压力的设备。
背景技术：
井下压力控制是钻井过程中的关键环节。常规钻井过程中，钻井 液压力是用来抑制地层压力并保持井眼稳定。静止状态下，井底压力
pbh仅与钻井液静液柱压力p一有关；循环状态下，井底压力Pbh是站井
液静液压力和环空压耗pa,:两者之和。然而环空压耗paf过高使得井底压 力pbh大于地层破裂压力，造成钻井液的漏失。由于钻井液密度的选择 是由地层压力决定的，因此必须通过降低环空压耗(当量泥浆循环密
度ECD)来解决钻井液循环状态下井底压力高所产生的问题。传统钻井
工艺中用来降低当量循环密度的方法有用流变性低的钻井液达到减
少环空压力损失；采用扩眼方法扩大井眼尺寸；用钻井尾管代替套管； 降低环空排量达到减小摩阻；降低钻速来减少环空中岩屑的总量。然 而采用上述措施将降低钻井效率，增加钻井成本。
目前国外文献介绍了一种可用来降低井底压力的射流降压设备，该 设备上、下两端通过螺纹与钻杆直接连接，设备为双层壁、双流道结 构圆柱形，内流道与钻杆相同，为钻井液向下流动通道；双壁间通道 为外流道，外流道与环空相连，为返回流体和岩屑提供通道。喷嘴位 于双壁之间。设备外径等于要下入套管的内径，钻井液随钻杆进入该 设备内流道后， 一部分钻井液通过设备相连的钻杆继续向钻头方向流 动，经钻头后携带岩屑从环空中返回；另一部分钻井液通过旁路的喷
嘴向上喷射外流道。由于设备外径与套管间间隙很小或没有，因此所 有的返回物必须通过的外流道向上返回。设备喷嘴喷射流体的速度远 大于外流道返回物的速度，因此在喷嘴附件形成引射作用，由于喷嘴 的引射和冲击作用，对返回施加向上的作用力，降低了井底的压力， 同时由于一部分钻井液不经过钻头而通过喷嘴喷射至外流道，因此循 环至钻头的钻井液流量将减小，这也在一定程度上降低了环空摩阻。 实验结果表明该射流降压设备可有效降低井底的压力，避免地层漏 失。目前该设备存在的主要问题有两方面由于设备外径近似等于套 管内径，两者配合形成密封作用，使得射流降压设备与钻杆在起下钻 过程中造成很大的波动压力；设备外径磨损严重，不能达到密封效果， 使返回流体不经过设备下部开口而直接返回地表，不能充分发挥射流 引射和冲击作用，不能有效降低井底压力。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种井下射流降压设备，能在钻井液循 环时降低井下压力，解决窄泥浆密度窗口地层钻井产生的问题，减少 钻井中的非生产时效，提高钻井效率。
本实用新型采用的技术方案是井下射流降压设备包括壳体，定密 封环，滑动密封环，支撑杆，活塞，喷嘴和液压缸。其特征在于
壳体为圆管状，壳体两端内径大，中间内径小，两端内径在40 300mm之间，中间内径为40 90mm之间，中间内径长度在50 1000mm 之间，两端内径与中间内径之间变径处为圆锥面，圆锥面的斜度在10 90。范围之间。
在上部圆锥面上有钻井液副通道，通过螺纹或焊接与壳体的副通道 分别连接有一个喷嘴。喷嘴为直角弯管形，每个喷嘴的总长度为10 500mm，喷嘴通径为0. 5 15mm，喷嘴数量与副流道的数量为2 20个。 喷嘴的开口在定密封环的中部。
定密封环为圆环状，高度为50 200mm,定密封环的纵截面的外壁 形状为圆弧形。定密封的内径与壳体外径相同，定密封环通过螺纹或 焊接的方式固定在壳体外部，定密封环的位置在副流道的上部，定密 封环的底部到副流道的距离为30 300mm。滑动密封环为圆环形，外径 与套管内径尺寸相同，滑动密封环纵截面内壁形状为圆弧形，滑动密 封环纵截面内壁形状定密封环的形状对应，使定密封环与滑动密封环 配合后在喷嘴位置形成对称的喇叭形流道。滑动密封环下部与支撑杆 连接，支撑杆的作用是用来支撑滑动密封环，并带动滑动密封环做上、 下往复运动。
在壳体的下端外壁固定有液压缸，液压缸与壳的外壁之间形成环形 空间。在液压缸内有环形活塞，活塞上部连接所述的支撑杆。在壳体 的外壁上有液压缸钻井液入口，壳体内的高压钻井液能通过液压缸钻 井液入口进入液压缸环形空间，推动活塞向上运动。
所述的液压缸钻井液入口在壳体下部的内圆锥面上。液压缸钻井液 入口的数量为2 8个。
所述的支撑杆的数量为2 8个。
钻进液经液压缸钻井液入口进入液压缸内部，钻井液从活塞下部推 动活塞向上运动。钻井液压力很小时，活塞位于液压缸的下死点位置， 随着钻井液压力的增加，钻井液通过与液压缸钻井液入口进入到液压 缸内部，在钻井液的推动下，活塞向上运动，并带动与其相连的支撑 杆和滑动密封环，滑动密封环与定密封环配合形成密封，并在喷嘴周 围形成对称喇叭状的流道，该喇叭状流道使返回液体在射流的作用下 返回地面。
本实用新型提出的井下射流降压设备，起、下钻过程中，活塞位于 液压缸下死点，滑动密封环与定密封环不在配合位置，不能形成密封， 有效降低了因安装设备而产生的过大波动压力。钻井液波动压力无明
显变化；正常钻进过程中，钻井液进入液压缸推动活塞向上运动，活
塞通过支撑杆带动滑动密封环向上运动与定密封环配合，在壳体1与 套管13之间形成密封并在喷嘴处形成对称喇叭结构的流道，从井底返
回的钻井液和岩屑的混合物由于密封作用和引射的作用，不能直接通 过环空返回井口，而必须通过定密封环和动密封块形成的喇叭形通道， 引射作用和射流的推力将返回的流体与岩屑输送井口，井下射流降压 设备安装位置上方的流体的静液压力和这段环空压耗将不计入井底压 力，因此这也就降低了降低的压力。井下降压设备可在正常钻进过程 中降低井底压力，避免引循环压耗过高使井底压力超过地层压力，造 成钻井液的漏失，又在起、下钻过程中减小波动压力，非常适合于大 位移井、复杂深井、海洋深水和滩海钻井；液压缸、活塞控制的密封 可降低密封的磨损、提高可靠性和寿命。该设备成本低、安装便捷、 操作简便、安全可靠，可用于9-5/8英寸至13_3/8英寸的套管中。
本实用新型的有益效果本发明井下射流降压设备，能有效降低井 底压力l一3MPa，可解决窄泥浆密度窗口地层钻井和大位移钻井过程中 由于钻井液循环而造成的泥浆漏失问题；同时本专利的密封系统由液 压自动控制，可避免起、下钻过程中造成过大的波动压力，提高密封 元件的寿命和可靠性。
能解决窄泥浆密度窗口地层钻井和大位井钻井过程中因钻井循环 而造成的钻井液漏失等问题。本发明中提出的井下射流降压设备，能 通过射流的引射作用和冲击作用来实现降低井底的压力。该设备的密 封系统由液压缸和活塞控制，能在钻井过程中通过钻井液压力使密封 系统处于密封状态，在起下钻过程中，密封可自动打开，这样有效降 低在起下钻过程中所造成过大的波动压力，有效提高密封件的寿命和 可靠性。
图1是本实用新型井下射流降压设备结构剖面示意图。
图2是本实用新型井下射流降压设备工作示意图。
图中，l是壳体，2是定密封环，3是滑动密封环，4是支撑杆，5 是活塞，6是喷嘴，7是副流道，8是液压缸，9是液压缸钻井液入口， IO是钻杆，ll是井口装置，12是钻井液出口， 13是套管，14是环空， 15是钻头，16是岩屑。
具体实施方式
实施例1:以一个适用于套管20内径为320. 4毫米的井下射流降压设 备为例，对本实用新型作进一步详细说明。
参阅图1。本实用新型提出的井下射流降压设备，井下射流降压设备 包括壳体l，定密封环2，滑动密封环3，支撑杆4，活塞5，喷嘴6和液压缸。
壳体1为圆管状，壳体1两端内径大中间内径小，两端内径为260 mm, 中间内径为50mm，中间内径长度为400mm，两端内径与中间内径之间变径 处为两个圆锥面，圆锥面的斜度为30°。
在上部圆锥面上有钻井液副通道7,副通道7内径为lOmm.通过螺纹 与壳体1的副通道7分别连接有一个喷嘴6。喷嘴6为直角弯管形，每个 喷嘴6的总长度为50mm，喷嘴6通径为10mm，喷嘴6的端部出口直径为 2.5mm。喷嘴6数量与副流道7的数量为8个。喷嘴6的开口在定密封环2 的中部。
定密封环2为圆环状，高度为130mm，定密封环2的纵截面的外壁形 状为圆弧形。定密封环2的内径与壳体1外径相同，定密封环2通过焊接 的方式固定在壳体l外部，定密封环2的位置在副流道7的上部，定密封 环2的底部到副流道7的距离为150mm。滑动密封环3为圆环形，外径与 套管13内径尺寸相同320. 4mm。滑动密封环3纵截面内壁形状为圆弧形，
滑动密封环3纵截面内壁形状定密封环2的形状对应，使定密封环2与滑 动密封环3配合后在喷嘴6位置形成对称的喇n八形流道。滑动密封环3下 部与支撑杆4连接，支撑杆(4)的数量为4个。支撑杆4的作用是用来支 撑滑动密封环3，并带动滑动密封环3做上、下往复运动。
在壳体1的下端外壁固定有液压缸8,液压缸8与壳体1的外壁之间 形成环形空间。液压缸8的有效长度为160ram。在液压缸8内有环形活塞 5，活塞5的环形宽度为40 mm。活塞5上部连接所述的支撑杆4。在壳体 1的外壁上有液压缸钻井液入口 9，液压缸钻井液入口 9在壳体1下部的 内圆锥面上。壳体1内的高压钻井液能通过液压缸钻井液入口 9进入液压 缸环形空间，推动活塞5向上运动。
本实用新型井下射流降压设备的工作过程如图2所示，井下射流降 压设备通过上下两端的螺纹与钻杆相连，形成钻井液流动通道。将井下射 流降压设备下入井中，井下射流降压设备壳体1上、下通过螺纹与钻杆l 相连，钻杆1下端与钻头15相连。钻井液循环如图2中的箭头所示，钻 井液通过钻杆10进入至壳体1内部， 一部分钻井液通过副流道7流入喷 嘴6直接喷射至环空14中，另一部分钻井液继续沿壳体1内部主流道向 下流动，钻井液运动至壳体l的下部后，又有一部分流体经液压缸钻井液 入口 9进入液压缸8中，剩余的钻井液则全部通过钻杆10向下流动，通 过钻头15后，携带井底岩屑16，经环空14向上返回，返回至井下射流降 压设备安置位置时，由于在套管13与壳体1间的定密封环2和滑动密封 环3密封作用，返回的钻井液和携带的岩屑16必须通过定密封环2和滑 动密封环3所形成的对称喇叭形的流道，喷嘴6喷射出钻井液的速度远大 于环空14中返回流体的速度，钻井液射流在对称喇叭形的流道处形成引 射作用，返回流体和岩屑16在射流的引射和向上的冲击力作用下向上流 动至地表，从井口装置11钻井液出口 12处流向地表钻井液池。井下射流降压设备壳体1与钻杆10相连，下钻至将被钻地层。下钻 过程中，不循环钻井液，活塞5位于液压缸8的下死点此时滑动密封环3 与定密封环2不能在套管13与设备壳体1间形成密封作用。因此在下钻 过程中，有效的降低了井底激动压力。
钻杆10连同井下射流降压设备和钻头15下至被钻地层后，钻井液开 始循环，待钻进液经过钻杆10进入壳体1内部， 一部分钻井液经副流道7 和喷嘴6后直接喷向环空14，另一部分通过主流道向下流道，当流动至壳 体1下部时，极小部分钻井液通过壳体1上的液压缸钻井液入口 9进入液 压缸8中，在钻井液压力的推动下活塞向上运动，活塞5连同其上面连接 的支持杆4和滑动密封环3 —起运动到上死点，这时滑动密封环3与定密 封环2将在套管13和设备壳体1之间形成密封和喇叭状流道；绝大部分 钻井液继续向下流动，通过钻杆10流经钻头15后，携带岩屑16向地表 返回。返回至设备安置位置时，由于定密封环2与滑动密封环3在喷嘴6 周围形成的喇叭形流道，在其它空间形成密封，所有返回的流体和岩屑16 都必须通过喇叭形流道。从喷嘴6中喷出的钻井液在喇叭状流道处形成引 射作用以及向上的推力作用，使返回流体和岩屑16返回至地表。由于一 部分钻井液不经过钻头15而直接通过喷嘴6直接喷向环空，这就降低了 设备安置位置以下的钻井液流量，降低了设备安装位置以下的环空摩阻； 同时由于射流的引射作用和向上的冲击作用，这也有效克服了设备安置位 置以上流体的摩阻，在二者的作用下，有效降低了井底压力。
起钻过程中，钻井液停止循环，液压缸8内部钻井液的压力降低，对 活塞5及其与之相联的支持杆4和滑动密封环3向上的推力随之减小至为 零，滑动密封环3与套管13的内壁产生向下的摩擦下，滑动密封环3连 同支持杆4、活塞5向下运动至活塞5在液压缸8的下死点，套管13与设 备壳体l间的密封消失，消除了起钻过程中的抽汲压力。
权利要求1.一种井下射流降压设备，包括壳体(1)，定密封环(2)，滑动密封环(3)，支撑杆(4)，活塞(5)，喷嘴(6)和液压缸，其特征在于壳体(1)为圆管状，壳体(1)两端内径大，中间内径小，两端内径在40～300mm之间，中间内径为40～90mm之间，中间内径长度在50～1000mm之间，两端内径与中间内径之间变径处为圆锥面，圆锥面的斜度在10～90°范围之间；在上部圆锥面上有钻井液副通道(7)，通过螺纹或焊接与壳体(1)的副通道(7)分别连接有一个喷嘴(6)，喷嘴(6)为直角弯管形，每个喷嘴(6)的总长度为10～500mm，喷嘴(6)通径为0.5～15mm，喷嘴(6)数量与副流道(7)的数量为2～20个，喷嘴(6)的开口在定密封环(2)的中部；定密封环(2)为圆环状，高度为50～200mm，定密封环(2)的纵截面的外壁形状为圆弧形，定密封环(2)的内径与壳体(1)外径相同，定密封环(2)通过螺纹或焊接的方式固定在壳体(1)外部，定密封环(2)的位置在副流道(7)的上部，定密封环(2)的底部到副流道(7)的距离为30～300mm，滑动密封环(3)为圆环形，外径与套管(13)内径尺寸相同，滑动密封环(3)纵截面内壁形状为圆弧形，滑动密封环(3)纵截面内壁形状定密封环(2)的形状对应，使定密封环(2)与滑动密封环(3)配合后在喷嘴(6)位置形成对称的喇叭形流道，滑动密封环(3)下部与支撑杆(4)连接；在壳体(1)的下端外壁固定有液压缸(8)，液压缸(8)与壳体(1)的外壁之间形成环形空间，在液压缸(8)内有环形活塞(5)，活塞(5)上部连接所述的支撑杆(4)，在壳体(1)的外壁上有液压缸钻井液入口(9)，壳体(1)内的高压钻井液能通过液压缸钻井液入口(9)进入液压缸(8)环形空间，推动活塞(5)向上运动。
2、 根据权利要求l所述的井下射流降压设备，其特征是所述的液 压缸钻井液入口 (9)在壳体(1)下部的内圆锥面上，液压缸钻井液入口 (9)的数量为2 8个。
3、 根据权利要求1或2所述的井下射流降压设备，其特征是所述 的支撑杆(4)的数量为2 8个。
专利摘要井下射流降压设备，应用于油气田钻井工程技术领域。特征是在壳体上部圆锥面上有钻井液副通道和喷嘴。喷嘴的开口在定密封环的中部。定密封环位置在副流道的上部，定密封环与滑动密封环配合后在喷嘴位置形成对称的喇叭形流道。滑动密封环下部与支撑杆连接。在壳体的下端外壁固定有液压缸，在液压缸内有环形活塞，活塞上部连接支撑杆。在壳体的外壁上有液压缸钻井液入口，钻井液进入液压缸推动活塞向上运动。效果是能有效降低井底压力1-3MPa，可解决窄泥浆密度窗口地层钻井和大位移钻井过程中的泥浆漏失问题；密封系统由液压自动控制，可避免起、下钻过程中造成过大的波动压力。
文档编号E21B21/08GK201196045SQ200820079679
公开日2009年2月18日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者崔龙连, 汪海阁 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油集团钻井工程技术研究院