专利名称：石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置。
背景技术：
高压喷射钻井技术自20世纪60年代问世以来，为高效快速钻井开辟了广阔的前景，是钻井技术变革的一项重大成果。随着高压喷射钻井技术在石油工程中的应用研究，人们关注的焦点是如何向井下输送水力能量以及如何高效利用井下水力能量。近二十年来， 国内外研究的方向集中在两方面一是研究如何降低钻井液的沿程水力能量损失；二是研究高压大排量的泥浆泵。由于高压喷射钻井技术能大幅度提高钻井速度，而泥浆泵泵压的提高幅度则是有限的，因而有学者研究用井下工具来抽吸环空流体到钻杆内，以达到增加井底水力能量的目的。但是到目前为止，该课题仍处于理论研究阶段且尚不成熟，没有在生产中得到应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置，利用钻井过程中钻头在井底的振动产生抽吸作用，把环空中的钻井液吸入到钻柱内，增加钻头处流量，同时形成脉冲射流，增强出口射流的动量和冲击作用，从而在钻井中增大井下水力能量，并提高机械钻速。本发明的技术方案是石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置包括上接头、承压台阶、中心管、承压外筒、缸盖、花键、外筒单向阀、共振腔单向阀、共振腔、吸入腔、 下接头。上接头联接钻柱，其下部为承压台阶，上接头与承压台阶为一体。承压台阶通过其内部的母螺纹与中心管顶端的公螺纹相联。承压台阶的作用为承受装置上部钻具施加的轴向载荷，并将载荷传递给下方的承压外筒。承压外筒的外筒壁上对称安装有两个外筒单向阀，外筒单向阀使流体只能从承压外筒外部流向承压外筒内部，外筒单向阀装有过滤网，防止环空内钻井液中的钻屑等固态颗粒进入装置内部，堵塞流道。承压外筒上部内壁与中心管外壁相应位置有花键配合并传递扭矩。承压外筒顶部有可拆卸缸盖，中心管从缸盖中心穿过，缸盖内壁与中心管外壁通过密封件密封，中心管底部外径与承压外筒内径相同并有密封件密封。通过缸盖内壁、中心管外壁、中心管下部外壁与承压外筒下部内壁的密封件将承压外筒内部空间分隔为两个腔室，上部腔室为吸入腔，下部腔室为共振腔。在中心管下端对称安装有两个共振腔单向阀，共振腔单向阀使承压外筒内部流体只能从吸入腔流入共振腔。整个装置通过螺纹竖直联接在钻柱中，装置外部为井筒环空。在钻井的过程中，由于井底岩石的反作用力和钻柱本身的振动，使得钻柱纵向跳动导致吸入腔体积变化。当钻柱向上运动时，吸入腔体积减小，腔内压力大于环空压力，承压外筒单向阀关闭，而共振腔单向阀开启，之前进入吸入腔内的流体流入共振腔；当钻柱向下运动时，吸入腔体积增大，腔内压力小于环空压力，承压外筒单向阀开启，环空内的流体流入吸入腔，共振腔单向阀关闭，与此同时，先前由吸入腔进入共振腔的流体与由中心管流入的流体一起流入下部钻柱。如此可利用钻柱振动周而复始地把环空中的流体通过本装置补给钻头，让钻头得到更多的水力能量，从而提高机械钻速。本装置解决了目前钻井工况下井下自增压装置应用效果有限的难题，并且具有以下优点(1)充分利用钻柱自身振动所产生的能量，有效利用井下环空流体，增加钻头处射流流量，达到水力增压的目的；(2)钻柱向上运动时射流冲击力较小，钻柱向下运动时射流冲击力较大。这种冲击力的交替变化使得井底岩石表面产生松弛效应，改善井底流场，提高井底净化和清岩效率，减少压持和重复破碎，从而提高了射流的冲刷能力；(3)装置制造简单，成本低廉，系统工作稳定，可广泛应用于钻井作业领域。
图1是本装置结构示意图。图2是中心管底部与承压外筒结合处局部放大示意图。
具体实施例方式本发明的核心在于利用钻井过程中钻柱自身和钻头冲击岩石的振动，在钻柱内产生类似活塞作用的抽吸力，在钻柱内外形成压差，让钻柱外环空中的钻井液进入钻柱内部，增加出口射流流量，同时形成脉冲射流，改善井底流场，提高井底净化和清岩效率，减少压持和重复破碎，增强出口射流的动量和冲击作用。下面结合附图，具体说明本发明。如图1所示本装置包括上接头1、承压台阶2、中心管3、承压外筒4、缸盖5、花键 6、外筒单向阀7、共振腔单向阀8、共振腔9、吸入腔10、下接头11、密封件12。上接头1联接上部钻柱，其下部为承压台阶2，上接头1与承压台阶2为一体。承压台阶2通过其内部的母螺纹与中心管3顶端的公螺纹相联。承压台阶2的作用为承受装置上部钻具施加的轴向载荷，并将载荷传递给下方的承压外筒4。承压外筒4的外筒壁上对称安装有两个外筒单向阀7，外筒单向阀7使流体只能从承压外筒4外部流向承压外筒4内部，外筒单向阀7装有过滤网，防止环空内钻井液中的钻屑等固态颗粒进入装置内部，堵塞流道。承压外筒4上部内壁与中心管3外壁相应位置有花键6配合并传递扭矩。承压外筒4的顶部有可拆卸缸盖5，中心管3从缸盖5中心穿过，缸盖5内壁与中心管3外壁通过密封件密封，中心管3底部外径与承压外筒4内径相同并有密封件12密封。通过缸盖5内壁、中心管3外壁、中心管3下部外壁与承压外筒4下部内壁的密封件12将承压外筒4内部空间分隔为两个腔室， 上部腔室为吸入腔10，下部腔室为共振腔9。在中心管3下端对称安装有两个共振腔单向阀8，共振腔单向阀8使承压外筒4内部流体只能从吸入腔10流入共振腔9。共振腔9下部为下接头U，下接头11通过螺纹联接下部钻柱。在钻井过程中，由于井底岩石的反作用力和钻柱本身的振动，使得钻柱纵向跳动导致吸入腔10体积产生变化。当钻柱向上运动时，吸入腔10体积减小，腔内压力增大，承压外筒单向阀7关闭，井筒环空中的钻井液不能进入吸入腔10内；与此同时，共振腔单向阀 8开启，共振腔9体积增大，腔内压力减小，之前已经进入吸入腔10中的环空钻井液通过共振腔单向阀8进入共振腔9。由于井口施加的钻压和钻柱自重，一段时间后整个钻柱会向下运动。当钻柱向下运动时，吸入腔10体积增大，腔内压力减小，承压外筒单向阀7开启，环空的钻井液通过外筒单向阀7进入吸入腔10，共振腔单向阀8关闭，吸入腔10内的流体无法通过共振腔单向阀8进入共振腔9。钻柱向上运动时，上部钻柱流入的钻井液中的一部分会通过共振腔9从下接头11 流入下部钻柱，另一部分则与钻柱外部流入的钻井液一道在共振腔9聚集。此时钻头处射流流量减少，射流冲击力减小；当钻柱向下运动时，聚集在共振腔9中的流体被压入下部钻柱，出口射流流量增大，射流冲击力加大。在实际作业中，利用钻柱振动可周而复始地把环空中的流体通过本装置补给钻头，流体冲击力交替变化，这种冲击力的交替变化使得井底岩石表面产生松弛效应，改善了冲击效果，从而提高射流的冲刷能力。
权利要求
1.石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置，包括上接头(1)、承压台阶(2)、 中心管(3)、承压外筒(4)、缸盖(5)、花键(6)、外筒单向阀(7)、共振腔单向阀(8)、共振腔 (9)、吸入腔(10)、下接头(11)，上接头(1)联接上部钻柱，其下部为承压台阶(2)，上接头 (1)与承压台阶(2)为一体，承压台阶(2)通过其内部的母螺纹与中心管(3)顶端的公螺纹相联，承压外筒(4)的外筒壁上对称安装有两个外筒单向阀(7)，外筒单向阀(7)使流体只能从承压外筒(4)外部流向承压外筒(4)内部，外筒单向阀(7)装有过滤网，防止环空内钻井液中的钻屑等固态颗粒进入装置内部，堵塞流道，承压外筒(4)上部内壁与中心管(3)外壁相应位置有花键(6 )配合并传递扭矩，承压外筒(4 )的顶部有可拆卸缸盖(5 )，中心管(3 ) 从缸盖(5)中心穿过，缸盖(5)内壁与中心管(3)外壁通过密封件密封，中心管(3)底部外径与承压外筒(4)内径相同并有密封件(12)密封，通过缸盖(5)内壁、中心管(3)外壁、中心管(3)下部外壁与承压外筒(4)下部内壁的密封件(12)将承压外筒(4)内部空间分隔为两个腔室，上部腔室为吸入腔(10)，下部腔室为共振腔(9)，在中心管(3)下端对称安装有两个共振腔单向阀(8 )，共振腔单向阀(8 )使承压外筒(4 )内部流体只能从吸入腔(10 )流入共振腔(9 )，共振腔(9 )下部为下接头(11)，下接头(11)通过螺纹联接下部钻柱。
全文摘要
一种石油天然气钻井用脉冲射流井下流量自增装置，利用冲击钻井过程中钻柱自身和钻头冲击岩石的振动，在钻柱内产生类似活塞作用的抽吸力，使钻柱外环空中的钻井液进入钻柱内部，有效利用井下流体，增加出口射流流量。同时形成脉冲射流，改善井底流场，提高井底净化和清岩效率，减少压持和重复破碎，增强出口射流的动量和冲击作用。该装置结构简单，制造成本低，适用于石油天然气钻井工程。
文档编号E21B7/18GK102330539SQ20111030726
公开日2012年1月25日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者严仁田, 周莹, 张继川, 曾德智, 朱红钧, 林元华, 武元鹏, 谢娟 申请人:西南石油大学