泵压反循环钻井系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及钻井机械领域，具体而言，涉及一种泵压反循环钻井系统。泵压反循环钻井系统，包括钻头、钻柱、井筒和动力装置；所述井筒上设置有进液口，所述进液口用于向所述井筒内输送钻井液；所述钻柱为中空圆柱体，其一端连接所述钻头，另一端连接所述动力装置，所述动力装置用于驱动所述钻柱转动，所述钻柱用于驱动所述钻头转动和钻井液回流；所述钻柱穿过所述井筒，所述井筒远离所述钻头一端与所述钻柱之间密封；所述钻头上设有水眼，用于钻井液回流。本实用新型泵压反循环钻井系统，当井口旋转密封装置的耐压能力和地层的破裂压力值足够时，理论钻井深度可以无限大。
【专利说明】泵压反循环钻井系统【技术领域】
[0001]本实用新型涉及钻井机械领域，具体而言，涉及一种泵压反循环钻井系统。
【背景技术】
[0002]随着油气资源的勘探开发难度的增加，钻井工程技术人员面临着种种技术难题。钻井机械钻速低是制约勘探开发成本的关键因素之一，页岩气水平井钻进过程中钻速低导致裸眼段长时间浸泡在钻井液中，井壁坍塌严重；致密砂岩气钻进速度低导致钻井成本急剧增加，传统的钻头选型、钻具组合优化、井身结构优化等提速方法也难以取得令人满意的效果。在大斜度井、水平井、大位移井的钻井过程中，因岩屑床的存在，导致井筒净化不好、岩屑重复破碎、钻柱摩阻扭矩增大、套管磨损严重、卡钻事故频繁等一系列问题，造成钻井成本急剧增加。
[0003]目前反循环钻井技术从原理上讲主要有泵吸反循环和气举反循环两种，泵吸反循环通过离心泵的抽吸作用，在大气压与循环管路之间压差的作用下建立反循环，压差有限，其反循环深度不足200米。气举反循环依靠双壁钻杆，向管柱内注入气体，使循环管路内外形成一定的泥浆密度差，在此压差下形成反循环，因受双壁钻杆强度的限制，反循环深度不足3500米，在大斜度井、水平井和大位移井中钻进深度更小。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供一种泵压反循环钻井系统，以解决上述的问题。
[0005]在本实用新型的实施 例中提供了一种泵压反循环钻井系统，其包括钻头、钻柱、井筒和动力装置；
[0006]井筒上设置有进液口，进液口用于向井筒内泵送钻井液；
[0007]钻柱为中空圆柱体，其一端连接钻头，另一端连接动力装置，动力装置用于驱动钻柱转动，钻柱用于驱动钻头转动和钻井液回流；
[0008]钻柱穿过井筒，井筒远离钻头一端与钻柱之间密封；
[0009]钻头上设有水眼，用于钻井液回流。
[0010]进一步的，水眼为八个；
[0011]四个水眼沿钻头径向均匀分布在钻头侧部；
[0012]四个水眼沿钻头径向均匀分布在钻头底部。
[0013]进一步的，四个侧部水眼与四个底部水眼沿钻头轴向错开45° ;
[0014]水眼由外向内逐渐缩小。
[0015]进一步的，泵压反循环钻井系统还包括旋转送钻系统，旋转送钻系统用于密封井筒远离钻头的一端，其包括方钻杆、旋转体和外套；
[0016]方钻杆为中空柱体，方钻杆穿过旋转体，方钻杆与钻柱连接，方钻杆用于驱动钻柱转动和钻井液回流，方钻杆另一端连接动力装置，由动力装置驱动方钻杆转动；
[0017]旋转体设置在外套内，能由方钻杆带动旋转体在外套内转动。[0018]进一步的，旋转送钻系统还包括卡瓦，设置在方钻杆与旋转体之间。
[0019]进一步的，旋转送钻系统还包括主轴承，设置在旋转体与外套之间。
[0020]进一步的，旋转送钻系统还包括限位轴承，设置在旋转体与外套之间，用于防止旋转体上下震动。
[0021]进一步的，旋转送钻系统还包括支撑座，外套固定安装在支撑座的一端，支撑座的另一端与井筒固定连接。
[0022]进一步的，泵压反循环钻井系统还包括泥浆泵和单向阀，单向阀一端连接井筒，另一端连接泥浆泵，用于限制井筒流体流出。
[0023]进一步的，泵压反循环钻井系统还包括钻井液池，用于为井筒提供钻井液和回收钻柱中回流的钻井液。
[0024]本实用新型泵压反循环钻井系统，通过向井筒内输入钻井液，钻井液经井筒进入钻头，再进入钻柱将钻井液排出，钻井液压力用于克服循环过程中的压力损耗，完成泵压反循环，当井口旋转密封装置的耐压能力和地层的破裂压力值足够时，理论钻井深度可以无限大。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本实用新型【具体实施方式】或现有技术中的技术方案，下面将对【具体实施方式】或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本实用新型实施例泵压反循环钻井系统结构示意图；
[0027]图2为本实用新型实施例旋转送钻系统结构示意图；
[0028]图3为本实用新型实施例泵入短节系统；
[0029]图4为本实用新型实施例钻头水眼布置图。
[0030]图中，1:泥衆栗；2:栗入地面管汇；3:栗入短节系统；4:井筒；5:环空；6:钻头；7:钻柱；8:方钻杆；9:防喷器法兰；10:支撑座；11:旋转送钻系统；12:水龙头；13:鹅颈管；14:水龙带；15:立管；16:流出地面管汇；17:沉淀池；18:泥浆池；19:动力装置；301:法兰；302:单向阀；601:钻头体；602:连接螺纹；603:上层侧水眼；604:下层侧水眼；605:下层水眼；1101:外套；1102:快速接头；1103:旋转体；1104:主轴承；1105:限位轴承；1106:防震轴承；1107:旋转密封组件；1108:滑动密封组件；1109:卡瓦。
【具体实施方式】
[0031]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型所保护的范围。
[0032]在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0033]本实用新型是基于下述方法来实现泵压反循环钻井的，其包括以下步骤:
[0034]向井筒4的环空5内泵入钻井液；
[0035]钻井液从钻头6的水眼进入钻头6 ；
[0036]钻井液从钻头6进入钻柱7，并从钻柱7返出。
[0037]本实用新型的工作原理是通过地面泥浆泵I向环空5泵入有一定压力的钻井液，迫使钻井液进入钻头6的水眼并经钻柱7内部上返出地表，从而完成循环。
[0038]钻柱7内排出的钻井液再次被重复利用之前进行沉淀或过滤。
[0039]钻井液经过钻柱7排出时，会带有大量的岩屑，如果没有经过沉淀或过滤就继续使用的话，可能会损坏井口密封装置，在井筒4的环空5内或钻头6的水眼处造成堵塞，增加循环压耗，甚至对机器造成很大的破坏，从而影响正常钻井工作。
[0040]进一步的，环空5内输入的钻井液经过钻井液泵入短节系统3进入环空5。
[0041]向环空5内输入的钻井液经过钻井液泵入短节系统3进入井筒4，从而保证钻井液可以栗入井筒4,而井筒4内的钻井液不能从井筒4流出。
[0042]进一步的，使用旋转送钻系统11对井筒4远离钻头6的一端进行密封，能保证钻柱7旋转时泵入的钻井液不泄漏。
[0043]进一步的，水眼沿钻井液流动方向渐缩。
[0044]钻头6上水眼这样的设置，可以保证钻井液上返阻力较小，岩屑能够及时上返，从而不会影响钻井的进程。
[0045]如图1所示，根据上述方法，本实用新型提供了一种泵压反循环钻井系统，其包括钻头6、钻柱7、井筒4和动力装置19 ；
[0046]井筒4上设置有进液口，进液口用于向井筒4内输送钻井液；
[0047]钻柱7为中空圆柱体，其一端连接钻头6，另一端连接动力装置19，动力装置19用于驱动钻柱7转动，钻柱7用于驱动钻头6转动和钻井液回流；
[0048]钻柱7穿过井筒4，井筒4远离钻头6 —端与钻柱7之间密封；
[0049]钻头6上设有水眼,用于钻井液回流。
[0050]钻头6包括钻头体601和连接部，连接部用于固定连接钻柱7，水眼设置在钻头体601 上。
[0051]泵压反循环钻井系统通过向井筒4内输入钻井液，钻井液经井筒4与钻柱7之间的环空5，通过钻头6上的水眼进入钻头6，再进入钻柱7，之后将钻井液排出，完成泵压反循环；井筒4远离钻头6的一端密封设置，保证反循环过程中的钻井液不泄漏。
[0052]通过这样的方式，将钻井液与现有的方式相反的方向进行循环，由泵吸或气举变为栗压，随着钻井的深度的加深，通过不断将钻井液输入井筒4内来提闻钻井液在环空5内的压力，可以克服循环过程中的压力损耗，完成泵压反循环，理论钻井深度由井口密封装置的耐压能力和地层的破裂压力值决定，即只要环空5远离钻头6的一端能密封好和裸眼段地层有足够的耐压能力，那么理论钻井深度就由地面机泵的能力决定。
[0053]如图4所示，优选的实施方式为，水眼为八个；
[0054]四个水眼沿钻头6径向均匀分布在钻头6侧部；[0055]四个水眼沿钻头6径向均匀分布在钻头6底部。
[0056]水眼数量最多可设置8个水眼，根据需要对各个水眼进行封堵或者开启。当安装八个水眼的时候，钻头6的侧部可以设置四个水眼，因钻头6工作中一直在旋转下行，所以四个水眼可以不在同一平面上，如图4所示，上层侧水眼603与下层侧水眼604不在同一平面上，但在钻头6径向进行均匀分布，以保证能够均匀吸取钻头6破碎的岩屑，不会有的水眼吸取的多有的水眼吸取的少，从而使吸取的多的使用寿命降低；在钻头6底部设置四个水眼，如图4所示的下层水眼605，其也需要沿钻头6径向均匀分布，以保证各水眼的使用寿命O
[0057]更优选的实施方式为，水眼由外向内渐缩；
[0058]和/或，四个侧部水眼与四个钻头6底部水眼沿钻头6轴向错开45°。
[0059]因钻井液在水眼中的行进方向为由外向内，所以为了方便钻井液的流动，及岩屑的吸取，将水眼设置为外大内小的方式，其由外向内渐缩，从而可以保证岩屑及钻井液能够快速进入水眼。
[0060]四个侧部水眼与四个底部水眼沿钻头6轴向错开45°，即八个水眼在钻头6径向方向均匀分布，进一步保证了各水眼的使用寿命相差不多，从而能保证钻头6的最大使用寿命。
[0061]如图2所示，泵压反循环钻井系统还包括旋转送钻系统11，旋转送钻系统11用于密封井筒4远离钻头6的一端，其包括方钻杆8、旋转体1103和外套1101。
[0062]方钻杆8为中空柱体，方钻杆8穿过旋转体1103，方钻杆8 一端固定连接钻柱7远离钻头6的一端,方钻杆8用于驱动钻柱7转动和钻井液回流以及提供破岩动力，方钻杆8另一端连接动力装置19,由动力装置19驱动方钻杆8转动。
[0063]旋转体1103设置在外套1101内，能由方钻杆8带动旋转体1103在外套1101内转动。
[0064]外套1101上部为圆柱体，下部为四方体或六方体。
[0065]旋转体1103与外套1101相对转动，旋转体1103中心有一个四方孔或六方孔，方钻杆8可穿过其中。
[0066]旋转送钻系统11还包括卡瓦1109，设置在方钻杆8与旋转体1103之间。
[0067]由于方钻杆8与旋转体1103之间由于制造工艺问题不可避免的会出现间隙，而在方钻杆8与旋转体1103之间设置卡瓦1109，卡瓦1109不仅可以密封方钻杆8与旋转体1103，还由于消除了间隙而保证了方钻杆8与旋转体1103之间没有晃动，从而延长了两者的使用寿命。
[0068]旋转送钻系统11还包括主轴承1104，设置在旋转体1103与外套1101之间；
[0069]和/或，旋转送钻系统11还包括限位轴承1105，设置在旋转体1103与外套1101之间，用于防止旋转体1103上下震动。
[0070]旋转体1103与外套1101之间如果之间接触的话，由于旋转体1103与外套1101之间存在相对转动，从而会有很大的摩擦。在旋转体1103和外套1101之间设置主轴承1104后，两者之间通过主轴承1104完成相对转动，从而大大减小了两者之间的摩擦，延长了旋转体1103和外套1101的使用寿命。
[0071]旋转体1103与外套1101之间还可以设置有限位轴承1105，用于放置旋转体1103在外套1101内上下震动,从而造成旋转体1103或外套1101的损坏。在震动较大的时候还可以加入多个限位轴承1105，或者还可以加入防震轴承1106，只要其能防止旋转体1103在外套1101内震动即可。
[0072]旋转送钻系统11还包括支撑座10，外套1101固定安装在支撑座10的一端，支撑座10的另一端与井筒4固定连接。
[0073]旋转送钻系统11与井筒4之间不易直接固定，因此在旋转送钻系统11上设置有支撑座10，将外套1101通过快速接头1102固定在支撑座10的上方，支撑座10的下方通过防喷器法兰9固定在井筒4上，可以很稳定的将旋转送钻系统11固定，从而保证了井筒4的密封性。
[0074]旋转体1103与外套1101密封连接；
[0075]和/或，钻头6与钻柱7之间为螺纹连接。
[0076]旋转体1103与外套1101下部设置有旋转密封组件1107，方钻杆8与旋转体1103中心设置有滑动密封组件1108，将井筒4内高压钻井液密封。
[0077]由于卡瓦1109的存在，其可以传递方钻杆8的扭力，使方钻杆8的扭力不直接作用在方钻杆8与旋转体1103之间的滑动密封组件1108上，从而不会影响滑动密封组件1108的使用寿命。
[0078]钻头6与钻柱7之间采用螺纹连接，即通过连接螺纹602进行连接，这样能有利于当钻头6损坏时的更换。
[0079]需要指出的是，钻头6与钻柱7之间不局限于螺纹连接，还可以是其他连接，如焊接、绑定等，只要能将两者固定在一起的连接都可以。
[0080]泵压反循环钻井系统还包括泥浆泵I和单向阀302，如图3所示，单向阀302与法兰301共同组成泵入短节系统3，单向阀302固定连接在井筒4上，另一端通过法兰301连接在泵入地面管汇2上。
[0081]单向阀302可以让钻井液只能流入井筒4不能从井筒4内流出，保证了井涌或井喷时井筒4内高压流体不会喷出，避免伤害人员和损毁设备。
[0082]向井筒4内输送钻井液时，可以通过泥浆泵I进行输送。泥浆泵I通过泵入地面管汇2将钻井液输送进井筒4内。
[0083]泵压反循环钻井系统还包括钻井液池，用于为井筒4提供钻井液和回收钻柱7中回流的钻井液。
[0084]当钻井液池很大的时候，可以为一个池就行，泵压反循环钻井系统回流的钻井液中的岩屑在钻井液池的一侧沉淀，在另一侧流出进入泵压反循环钻井系统。
[0085]当钻井液池不大的时候，可以将钻井液池分为沉淀池17和泥浆池18，沉淀池17和泥浆池18之间加滤网进行过滤，方钻杆8中回流的钻井液进入沉淀池17进行沉淀，经滤网过滤后进入泥浆池18，泥浆池18通过泥浆泵I将钻井液输送入井筒4，完成反循环过程。
[0086]整个泵压反循环钻井系统的工作过程为:
[0087]泥浆泵I将钻井液从泥浆池18中抽出，通过泵入地面管汇2和泵入短节系统3输送进井筒4内，在井筒4内通过环空5，利用地面泥浆泵I的压力，克服循环压耗，迫使钻井液从环空5经钻头6的水眼、钻柱7内孔上返，进入方钻杆8，再经过水龙头12、鹅颈管13、水龙带14、立管15、流出地面管汇16，最后进入沉淀池17，从而完成泵压反循环过程。[0088]当方钻杆8走完行程后，因钻柱7及接头比方钻杆8尺寸小，将方钻杆8及下部钻柱7和钻头6从旋转体1103中心孔上提，卸下方钻杆8，接上一根钻柱7，然后再将方钻杆8接上，下方到旋转体1103中心孔，从而可以继续进行钻井工作。
[0089]当旋转送钻系统11的密封件出现故障需要更换时，打开快速接头1102，将旋转送钻系统11 一同提离井口，可以很方便地在钻机平台上进行拆卸和维修。维修好后，再将旋转送钻系统11下放，通过快速接头1102固定支撑座10上，从而可以继续进行钻井工作。
[0090]在地面泥浆泵I能力和旋转送钻系统11的动密封能力足够大时，泵压反循环钻井的理论钻井深度可以是无限深。
[0091]本实用新型泵压反循环钻井系统，通过向井筒4的环空5内输入钻井液，钻井液经环空5进入钻头6，再进入钻柱7将钻井液排出，钻井液压力用于克服循环过程中的压力损耗，完成泵压反循环，井口密封装置的耐压能力和地层的破裂压力值足够时，理论钻井深度可以无限大。
[0092]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种泵压反循环钻井系统，其特征在于，包括钻头、钻柱、井筒和动力装置； 所述井筒上设置有进液口，所述进液口用于向所述井筒内输送钻井液； 所述钻柱为中空圆柱体，其一端连接所述钻头，另一端连接所述动力装置，所述动力装置用于驱动所述钻柱转动，所述钻柱用于驱动所述钻头转动和钻井液回流； 所述钻柱穿过所述井筒，所述井筒远离所述钻头一端与所述钻柱之间密封； 所述钻头上设有水眼，用于钻井液回流。
2.根据权利要求1所述的泵压反循环钻井系统，其特征在于，所述水眼为八个； 四个所述水眼沿所述钻头径向均匀分布在所述钻头侧部； 四个所述水眼沿所述钻头径向均匀分布在所述钻头底部。
3.根据权利要求2所述的泵压反循环钻井系统，其特征在于，四个钻头侧部所述水眼与四个钻头底部所述水眼沿所述钻头轴向错开45° ; 所述水眼由外向内逐渐缩小。
4.根据权利要求1所述的泵压反循环钻井系统，其特征在于，还包括旋转送钻系统，所述旋转送钻系统用于密封所述井筒远离所述钻头的一端，其包括方钻杆、旋转体和外套； 所述方钻杆为中空柱体，所述方钻杆穿过所述旋转体，所述方钻杆与所述钻柱连接，所述方钻杆用于驱动所述钻柱转动和钻井液回流，所述方钻杆另一端连接所述动力装置，由所述动力装置驱动所述方钻杆转动； 所述旋转体设置在所述外套内，能由所述方钻杆带动所述旋转体在所述外套内转动。
5.根据权利要求4所述的泵压反循环钻井系统，其特征在于，所述旋转送钻系统还包括卡瓦，设置在所述方钻杆与所述旋转体之间。
6.根据权利要求4所述的泵压反循环钻井系统，其特征在于，所述旋转送钻系统还包括主轴承，设置在所述旋转体与所述外套之间。
7.根据权利要求4所述的泵压反循环钻井系统，其特征在于，所述旋转送钻系统还包括限位轴承，设置在所述旋转体与所述外套之间，用于防止所述旋转体上下震动。
8.根据权利要求4所述的泵压反循环钻井系统，其特征在于，所述旋转送钻系统还包括支撑座，所述外套固定安装在所述支撑座的一端，所述支撑座的另一端与所述井筒固定连接。
9.根据权利要求1所述的泵压反循环钻井系统，其特征在于，还包括泥浆泵和单向阀，所述单向阀一端连接所述井筒，另一端连接所述泥浆泵，用于限制井筒流体流出。
10.根据权利要求1-9任一项所述的泵压反循环钻井系统，其特征在于，还包括钻井液池，用于为所述井筒提供钻井液和回收所述钻柱中回流的钻井液。
【文档编号】E21B21/00GK203594354SQ201320800934
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】周劲辉, 高德利, 房军, 张勇 申请人:中国石油大学