专利名称：石油天然气钻井用井下水力活塞自增流量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油天然气钻井用井下水力活塞自增流量装置，属于钻进机械技术领域。
背景技术：
石油天然气钻井工程作业中高压水射流技术的问世标志着人们更加重视向井下输送水力能量和充分利用井下水力能量的新方法。有效利用井下水力能量，实现钻井速度的提高，并降低钻井工程成本，是这ー研究方向的新思維。因而有学者提出利用井下工具抽吸环空流体至钻杆内，实现增加井底水力能量的目的。目前，国内在研究的ー些井下流量自增装置，主要是利用自激振荡产生负压抽吸 或通过钻进时钻头振动形成的抽吸作用，达到引入环空流体的目的，以增大井下水力能量和提高机械钻速。然而，自激振荡腔室卷吸流场紊乱，抽吸效果不明显；井底钻头振动杂乱无章，抽吸不稳定，均未有效实现流量自增。
发明内容本实用新型需要解决技术问题是，克服背景技术的不足，改善装置充分利用上部水力能量提供ー种抽吸效果更明显的自增流量装置。本实用新型的技术方案是井下水力活塞自增流量装置包括，外壳、扶正台阶、上花键槽、外筒单向阀、中心活塞杆、中心杆流入孔、上腔、限位台阶、吸入腔、射流喷嘴、活塞圆盘、活塞单向阀、中心杆流出孔、承喷腔、承喷ロ、汲流腔、下花键槽、支撑托、底孔、下接头、下接头中心孔。外売上下端有连接螺纹，装置通过螺纹连接上部钻具和下接头。外壳内部相应位置设有扶正台阶，扶正台阶与中心活塞杆接触位置设有上花键槽，通过花键配合固定中心活塞杆并传递扭矩。扶正台阶上方腔室为上腔，可以汇集上部流入流体，其下方腔体被活塞圆盘分成了吸入腔和汲流腔，圆盘上方为吸入腔，下方为汲流腔。活塞圆盘为中心活塞杆的一部分，与外壳接触地方通过盘根密封，圆盘上对称安装有两个活塞单向阀，连通吸入腔和汲流腔。吸入腔外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外壳外部流入吸入腔，外筒单向阀装有过滤网，防止环空内钻井液中岩屑等固态颗粒进入装置内部，堵塞流道。汲流腔通过底孔将所汇集流体流入下接头中心孔，进而流入下部钻具。下接头与外壳底部通过螺纹连接，而且部分伸入汲流腔形成支撑托，对中心活塞杆起支撑作用，并在相应位置设有下花键槽，通过花键配合固定中心活塞杆。中心活塞杆上部伸入上腔内部，其顶部正对上腔流道中心，杆上部相应位置对称开有两个中心杆流入孔，允许上腔中流体进入，中心活塞杆内腔。中心活塞杆内腔中部设有射流喷嘴，从喷嘴喷出的流体直接流入承喷腔，进而冲击支撑托。承喷腔上部设有承喷ロ，并在射流喷嘴与承喷ロ之间的中心活塞杆上对称开有两个中心杆流出孔，允许活塞内腔内流体流入汲流腔中。中心活塞杆上部对称开有两个中心杆流入孔，上腔内流体可以通过中心杆流入孔流入中心活塞杆内腔，中心活塞杆下部有支撑托，活塞圆盘与中心活塞杆为一体，随中心活塞杆运动。吸入腔中的中心活塞杆外壁上有限位台阶，防止中心活塞杆向上运动行程过大。本装置解决了目前钻井エ况下井下自增流量和脉冲射流难题，其优点如下(I)充分利用上部钻井液动能产生抽吸作用，吸入环空流体，増加钻头处射流流量，达到水力增压的目的；(2)活塞上下反复运动，形成脉冲循环，产生脉冲射流，改善井底流场，提高了射流的冲刷和携岩能力，从而提闻井底剥岩和净化效率；(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。
附图是本装置结构示意图。 其中1.外壳、2.扶正台阶、3.上花键槽、4.外筒单向阀、5.中心活塞杆、6.中心杆流入孔、7.上腔、8.限位台阶、9.吸入腔、10.射流喷嘴、11.活塞圆盘、12.活塞单向阀、13.中心杆流出孔、14.承喷腔、15.承喷ロ、16.汲流腔、17.下花键槽、18.支撑托、19.底孔、20.下接头、21.下接头中心孔。
具体实施方式
井下水力活塞自增流量装置包括外壳I、扶正台阶2、上花键槽3、外筒单向阀4、中心活塞杆5、中心杆流入孔6、上腔7、限位台阶8、吸入腔9、射流喷嘴10、活塞圆盘11、活塞单向阀12、中心杆流出孔13、承喷腔14、承喷ロ 15、汲流腔16、下花键槽17、支撑托18、底孔19、下接头20、下接头中心孔21。外壳I上部通过螺纹连接上部钻具，接受上部流体。外壳I内部相应位置设有扶正台阶2，扶正台阶2与中心活塞杆5接触位置预留上花键槽3通过花键配合固定中心活塞杆并传递扭矩。扶正台阶2上方腔室为上腔7，可以汇集上部流入流体，上腔7下方腔体被活塞圆盘11分成了吸入腔9和汲流腔16，活塞圆盘11上方为吸入腔9，下方为汲流腔16。活塞圆盘11为中心活塞杆5的一部分，与外壳I接触地方通过盘根密封，活塞圆盘11上对称安装有两个活塞单向阀12，连通吸入腔9和汲流腔16。吸入腔9外壁上对称安装有两个外筒单向阀4，外筒单向阀4使流体只能从外壳I外部流入吸入腔9，外筒单向阀4装有过滤网，防止环空内钻井液中岩屑等固态颗粒进入装置内部，堵塞流道。汲流腔16通过底孔19将所汇集流体流入下接头中心孔21，进而流入下部钻具。下接头20下部通过螺纹连接下部钻具，上部与外壳I底部通过螺纹连接，而且部分伸入汲流腔16形成支撑托18，对中心活塞杆5起支撑作用，并在下花键槽17处通过花键配合固定中心活塞杆5。中心活塞杆5上部伸入上腔7内部，其顶部正对上腔7流道中心，杆上部相应位置对称开有两个中心杆流入孔6，允许上腔7中流体进入中心活塞杆5内腔。中心活塞杆5内腔中部设有射流喷嘴10，从射流喷嘴10喷出的流体直接流入承喷腔14，进而冲击支撑托18。承喷腔14上部设有承喷ロ 15，并在射流喷嘴10与承喷ロ 15之间的中心活塞杆5上对称开有两个中心杆流出孔13，允许中心活塞杆5内腔的流体流入汲流腔16中。吸入腔9中的活塞中心杆5外壁上有限位台阶8，防止中心活塞杆5向上运动行程过大。该装置工作过程如下外壳I上下端有连接螺纹，装置通过螺纹连接上部钻具和下接头20。当中心活塞杆5处于下限位置时，上部流体流入装置，在上腔7内汇集，然后通过中心杆流入孔6流入中心活塞杆(5)内腔，在经过射流喷嘴10时，流体速度显著增加，以高流速射入承喷腔14，对支撑托18产生高速冲击。此时流体由于支撑托18的阻挡，会对中心活塞杆5形成反冲力，使得中心活塞杆5向上运动。承喷腔14内汇集的流体，通过位于射流喷嘴10和承喷口15之间的中心杆流出孔13流入汲流腔16。此时，吸入腔9体积减小，压力增加，外筒单向阀4关闭，环空的流体不能通过外筒单向阀4进入吸入腔9。与此同时，汲流腔16体积增力口，压力减小，吸入腔9和汲流腔16之间的压差使得活塞圆盘11上的活塞单向阀12开启，吸入腔9内的流体流入汲流腔16。吸入腔9内的流体在与中心杆流入孔13流入的流体汇集后，一部分通过底孔19和下接头中心孔21，流入下接头20所连接的下部钻具，另一部分则存留在汲流腔16中。装置出口射流流量减少，射流冲击力减小。当中心活塞杆5向上运动到上限位置时，限位台阶8会卡在扶正台阶2上，阻止中心活塞杆5继续向上运动。由于中心活塞杆5向上运动，上部流体流入上腔7的流道会不断减小，上部流体对中心活塞杆5顶部产生的冲击力不断加大。上部流体对中心活塞杆5顶 部的冲击力会使中心活塞杆5向下运动。当中心活塞杆5向下运动时，吸入腔9体积增加，内部压力减小，外筒单向阀4开启，环空的流体通过外筒单向阀4进入吸入腔9。同时汲流腔16体积减小，压力增大，活塞单向阀12关闭，吸入腔9内的流体无法通过活塞单向阀12进入汲流腔16。之前存留在汲流腔16中的流体被活塞圆盘11压入下部钻具，装置出口射流流量增大，射流冲击力增加。在实际作业中，利用中心活塞杆5上下反复运动产生的抽吸力，把环空中的流体通过本装置补给钻头处流量。这种反复运动导致钻柱内部压力不断变化，使内部流场产生脉动变化，提高了射流的冲刷和携岩能力，从而提高井底剥岩和净化效率。
权利要求1.一种石油天然气钻井用井下水力活塞自增流量装置，其特征在于包括中心活塞杆(5)、中心杆流入孔(6)、上腔(7)、吸入腔(9)、活塞圆盘(11)、汲流腔(16)、支撑托(18)，中心活塞杆(5)上部对称开有两个中心杆流入孔(6)，上腔(7)内流体可以通过中心杆流入孔(6 )流入中心活塞杆(5 )内腔，中心活塞杆(5 )下部有支撑托(18 )，活塞圆盘(11)与中心活塞杆(5 )为一体，随中心活塞杆(5 )运动。
2.根据权利要求I所述的石油天然气钻井用井下水力活塞自增流量装置，其特征在于活塞圆盘(11)把上腔(7)下方腔体分为吸入腔(9)和汲流腔(16)。
专利摘要一种石油天然气钻井用井下水力活塞自增流量装置，其特征是它包括中心活塞杆、中心杆流入孔、上腔、吸入腔、活塞圆盘、汲流腔，中心活塞杆上部相应位置对称开有两个中心杆流入孔，允许上腔中流体进入中心活塞杆内腔，活塞圆盘为中心活塞杆的一部分。该装置可利用上部水力能量冲击带动中心活塞杆上下往复运动产生抽吸作用，把环空中的钻井液吸入到钻柱内，增加钻头处流量，增大井下水力能量，提高机械钻速，同时钻头周围钻井液的脉动也增加了钻井液剥岩和携岩的能力。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E21B7/18GK202645429SQ20122007164
公开日2013年1月2日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者朱红钧, 林元华, 张继川, 冯光, 曾德智, 王其军, 张双蕾 申请人:西南石油大学