一种清洁井眼的钻井工具的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种清洁井眼的钻井工具,包括本体，本体内部设有中心流道，本体上端设有上接头，下端设有下接头；本体外周上间隔均布有环空流道及凸起部，凸起部上凹陷设置有自激振荡结构单元，自激振荡结构单元设有自激振荡腔，自激振荡腔与井壁之间的流体压力区分为入口辐射低压区、涡环负压区、边界负压区和出口碰撞高压区；凸起部上还设有喷射单元。本实用新型的清洁井眼的钻井工具安装于钻柱上，增强了环空流体的紊流度和脉动效应，冲刷、扰动和卷吸井壁上的岩屑床和不规则井壁，提高了岩屑床的清除和修整井壁效率，可有效消除由于岩屑床的存在导致过大的摩阻扭矩以及沙卡钻具事故和由于井眼不规则和缩颈的存在导致的钻柱遇阻和阻卡现象。
【专利说明】一种清洁井眼的钻井工具
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及石油、天然气钻井的配套设备【技术领域】，尤其涉及一种复杂结构井钻进过程中用于清洁井眼的钻井工具。
【背景技术】
[0002]随着油气开采难度的增大，我国加大了对深层、薄油层、断块油层等复杂油层和海洋油气资源的开发，定向井、水平井及大位移井等复杂结构井技术已经成为开发此类油气资源的有效手段。在复杂结构井的钻进过程中，受井斜角、岩屑粒度和环空水力参数等因素的影响易形成岩屑床，岩屑床的存在导致钻进过程中产生过大的摩阻扭矩，甚至导致沙卡钻具事故，严重影响钻进的安全性。同时，在井壁稳定性差和易缩颈地层钻进过程中，钻柱容易受到井壁掉块、井壁不规则形状和缩颈的影响产生上提下放摩阻较大的现象，严重时会产生卡钻。
[0003]针对以上两种工程问题，研究表明:井眼环空水力参数是实现清除岩屑床和消除钻柱受到较大摩阻和卡钻现象的关键因素。
[0004]目前，对本领域技术人员来说，迫切需要样研制一种用于清洁井眼的钻井工具，以改善环空钻井液的压力分布和速度分布，破坏岩屑床并在一定程度上消除卡钻现象。
【发明内容】
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种清洁井眼的钻井工具，该工具能够使环空钻井液产生自激振荡和高速射流，用于清除复杂结构井钻进过程中产生的岩屑床，改善井眼清洁状态，提高钻进的安全性。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是:一种清洁井眼的钻井工具，包括本体，所述本体内部设有沿其轴线方向延伸的贯通的中心流道，所述本体的上端设有用于连接上部钻柱的上接头，所述本体的下端设有用于连接下部钻柱的下接头；所述本体的外周上间隔均布有环空流道，所述环空流道的延伸方向与所述本体的轴线方向一致，相邻的所述环空流道之间为凸起部，所述凸起部与所述环空流道间隔设置，所述凸起部上凹陷设置有自激振荡结构单元，所述自激振荡结构单元设有自激振荡腔，沿所述本体的轴线方向，所述自激振荡腔与井壁之间的流体压力区分为入口辐射低压区、涡环负压区、边界负压区和出口碰撞闻压区。
[0007]优选，所述自激振荡结构单元包括自下而上依次连接的第一斜面、与所述本体轴线平行的底面、第二斜面，以及两个侧面；所述第一斜面与所述底面之间的夹角为钝角，所述第二斜面与所述底面之间的夹角为锐角。
[0008]进一步优选，所述第一斜面的底边还连接有第一平面，所述第二斜面的底边还连接有第二平面。自激振荡结构单元中的第一斜面、底面、第二斜面、两个侧面、第一平面、第二平面等多个面的设置，提高了阻挡流体使流体发生碰撞并改变流向的机会，有助于涡环负压区形成涡旋，提高了对岩屑床的破坏、卷吸能力，提高了对岩屑的清洗效率。
[0009]另一种优选，每个所述凸起部上还设置有至少一个喷射单元，所述喷射单元设有喷射流道，用于将所述本体中心流道内的高压钻井液喷射至井壁。
[0010]进一步优选，所述喷射单元包括设置于所述凸起部上的阶梯通孔，所述阶梯通孔的轴线方向沿所述本体的径向设置，所述阶梯通孔的大孔端靠近所述本体的外部，所述阶梯通孔的大孔端安装有喷嘴，所述喷嘴具有中空的喷嘴流道，所述喷嘴流道沿所述本体的径向设置。
[0011]优选，所述本体的外周上间隔均布有至少两个所述环空流道，所述凸起部至少均布有两个。最好，所述环空流道均布有三个，所述凸起部均布有三个。
[0012]优选，每个所述凸起部上设有一个所述自激振荡结构单元。
[0013]优选，每个所述凸起部上设有若干所述自激振荡结构单元。若干所述自激振荡结构单元分为多列，每列设有至少一个所述自激振荡结构单元；同一列的所述自激振荡结构单元同轴线设置，相邻两列的所述自激振荡结构单元位置相对应或交错设置。
[0014]优选，所述本体、所述上接头、所述下接头为一体式结构。采用该结构，本实用新型的整个工具没有活动部件，结构简单、使用方便、安全可靠。
[0015]由于采用了上述技术方案，本实用新型的用于清洁井眼的钻井工具，在本体内部设有贯通的中心流道，本体的上端设有上接头，本体的下端设有下接头，本体的外周上间隔均布有环空流道及与环空流道间隔设置的凸起部，在凸起部上凹陷设置有自激振荡结构单元，自激振荡结构单元设有自激振荡腔，沿工具本体的轴线方向，自激振荡腔与井壁之间的流体压力区分为入口辐射低压区、涡环负压区、边界负压区和出口碰撞高压区；将本实用新型的工具安装在易形成岩屑床、井壁不稳定易形成掉块和不规则形状以及易缩颈的水平段或大位移段所对应的钻柱中，钻进过程中，环空内的钻井液流体连续进入自激振荡腔，流经入口辐射低压区后，涡环负压区对紧邻井壁的流体产生周期性阻尼，形成水力脉动，增大了自激振荡腔所在区域的紊流度，有助于扰动岩屑床；同时，在井壁高压区和涡环负压区的压差作用及入口辐射低压区高速连续钻井液的冲刷作用的双重作用下，将井壁上的岩屑床破坏并将岩屑卷吸到涡环负压区，继而在环空扰动和钻柱旋转的作用下将这部分岩屑带入到环空流道内并随环空钻井液上返循环至地面固控设备进行固液分离，从而实现了岩屑床的清除和岩屑的清洗，改善了井眼清洁状态。
[0016]由于还进一步在工具本体的凸起部上设置有喷射单元，喷射单元设有用于将本体中心流道内的高压钻井液喷射至井壁的喷射流道；钻进过程中，钻柱内的高压流体从喷射流道喷出高速冲刷井壁，改善了井眼的形状，使井眼更加规则，进一步提高了钻进的效率和安全性。
[0017]使用本实用新型的工具后，由于环空钻井液流过该工具的自激振荡腔与井壁之间时，经过谐振、反馈、选频及放大等自激振荡过程，在腔内形成“低压-高压”交替区，在出口形成脉冲射流；同时，在喷射单元所对应的环空区域形成高压喷射区，改善了工具所在环空的流场分布和紊流度，破坏了岩屑床并实现了对井壁的修整。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型实施例一的结构剖视示意图；
[0019]图2是图1中的B-B剖视示意图；
[0020]图3是图1中的C-C剖视示意图；
[0021]图4是图1中自激振荡结构单元的结构示意及其与井壁之间的位置示意图；
[0022]图5是图1中的自激振荡腔与井壁之间的流体压力分区示意图；
[0023]图6是图1中的喷射单元结构示意图；
[0024]图7是本实用新型实施例二中的自激振荡结构单元分布示意图；
[0025]图8是本实用新型实施例三中的自激振荡结构单元分布示意图；
[0026]图中:1-上接头；2-中心流道；3-本体；4_环空流道；5-自激振荡结构单元；51-第一斜面；52_底面；53_第二斜面；54_第二平面；55_第一平面；56_侧面；6-下接头-J-自激振荡腔；71-入口 ；72_出口 ；8_井壁；9-喷射单元；91-阶梯通孔；92-卡簧槽；93-喷嘴；94_卡簧；95_喷嘴流道；A-入口辐射低压区；B_涡环负压区；C_边界负压区；D-出口碰撞闻压区。
【具体实施方式】
[0027]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0028]实施例一
[0029]如图1所示，为本实用新型实施例一的清洁井眼的钻井工具结构剖视示意图，为了便于说明，本图仅提供与本实用新型有关的结构部分。本实施例的清洁井眼的钻井工具包括本体3，在本体3内部设有沿其轴线方向延伸的贯通的中心流道2，中心流道2是钻进时钻柱内高压钻井液的流道；本体3的上端为用于连接上部钻柱的上接头1，本体3的下端为用于连接下部钻柱的下接头6，本实施例中的本体3、上接头I与下接头6为一体式结构，采用该结构，本实用新型的整个工具没有活动部件，结构简单、使用方便、安全可靠；在本体3的外周上间隔均布有环空流道4，环空流道4的延伸方向与本体3的轴线方向一致，环空流道4是环空低压钻井液的主要过流通道，有助于减小环空钻井液流过工具外表面和井壁间隙时的压耗，同时也有助于岩屑的携带；相邻的环空流道4之间为凸起部，凸起部与环空流道4间隔设置，在凸起部上凹陷设置有自激振荡结构单元5，如图4和图5所示，自激振荡结构单元5设有自激振荡腔7，沿本体3的轴线方向，自激振荡腔7与井壁8之间的流体压力区分为入口辐射低压区A、涡环负压区B、边界负压区C和出口碰撞高压区D。
[0030]如图3和图4所示，本实施例中，自激振荡结构单元5包括自下而上依次连接的第一斜面51、与本体3轴线平行的底面52、第二斜面53，以及两个侧面56 ;其中，第一斜面51与底面52之间的夹角α为钝角，第二斜面53与底面52之间的夹角β为锐角。进一步优化设计，在第一斜面51的底边还连接有第一平面55，第二斜面53的底边还连接有第二平面54。自激振荡结构单元5中的第一斜面51、底面52、第二斜面53、两个侧面56、第一平面55、第二平面54等多个面共同围成了自激振荡腔7，多个面的设置提高了阻挡流体使流体发生碰撞并改变流向的机会，有助于涡环负压区B形成涡旋，提高对岩屑床的破坏卷吸能力和对岩屑的清洗效率。
[0031]如图1和图6所示，本实用新型的清洁井眼的钻井工具，在工具本体3的每个凸起部上还设置有至少一个喷射单元9，该喷射单元9设有喷射流道，该喷射流道用于将本体中心流道2内的高压钻井液喷射至井壁8。
[0032]其中，喷射单元9的结构为:包括设置于凸起部上的阶梯通孔91，阶梯通孔91的轴线方向沿本体3的径向设置，阶梯通孔91的小孔端靠近本体3的中心流道2，阶梯通孔91的大孔端靠近本体3的外部，在阶梯通孔91的大孔端安装有喷嘴93，喷嘴93具有中空的喷嘴流道95，喷嘴流道95沿本体3的径向设置，在阶梯通孔91大孔端的外端设有卡簧槽92，卡簧槽92内设有卡簧94，用于对喷嘴93限位。
[0033]其中，喷射单元9的结构还可以采用在本体3的凸起部上直接钻出内大外小的阶梯通孔的结构(即大孔端靠近本体3的中心流道2，小孔端靠近本体3的外部)。该种喷射单元的结构相对简单。
[0034]以上两种喷射单元9的结构中，优选设有喷嘴93的结构，现有技术中，喷嘴93的材质优于本体3，且更换、使用更方便。
[0035]本实用新型的清洁井眼的钻井工具，在本体3的外周上间隔均布有至少两个环空流道，凸起部相应地至少均布有两个。实施例一中，如图2和图3所示，环空流道4均布有三个，凸起部均布有三个，呈120°均匀分布。如图1和图3所示，实施例一中，在每个凸起部上设有一个自激振荡结构单元5。
[0036]实施例二
[0037]如图7所示，实施例二与实施例一基本相同，不同之处在于，实施例二的清洁井眼的钻井工具，在本体3外周的每个凸起部上设有若干自激振荡结构单元5，若干自激振荡结构单元5分为多列(图中示出了三列)，每列设有至少一个自激振荡结构单元5 (图中示出了两个)；同一列的自激振荡结构单元5同轴线设置，相邻两列的自激振荡结构单元5位置相对应。
[0038]实施例三
[0039]如图8所示，实施例三与实施例二基本相同，实施例三的清洁井眼的钻井工具，在本体3外周的每个凸起部上设有若干自激振荡结构单元5，若干自激振荡结构单元5分为多列(图中示出了三列)，每列设有至少一个自激振荡结构单元5(图中示出了一个)；不同之处在于，相邻两列的自激振荡结构单元5位置交错设置。
[0040]实施例二与实施例三中，通过对工具本体凸起部上散布的若干自激振荡结构单元5进行串联、交错等多种形式的布置，相比于实施例一，增强了工具自激振荡水力脉动对岩屑床的扰动、破坏、卷吸和清除效果，可实现对环空流场最大限度的扰动，从而更有效的破坏和清除岩屑床。
[0041]上述实施例中，本实用新型的清洁井眼的钻井工具，设于本体3外周的环空流道
4、凸起部、设于凸起部上的自激振荡结构单元5及喷射单元9的数量均可根据实际需要有所增减。
[0042]工作原理:自激振荡结构单元5是本实用新型的清洁井眼的钻井工具的核心单元，如图5所示(图5中箭头所示为钻井流体的流向)，钻井流体自入口 71流过自激振荡腔7与井壁8之间时，产生谐振、反馈、选频及放大等自激振荡过程，在腔室内形成四个压力分区:入口辐射低压区A、压力和大小呈周期性变化的涡环负压区B、边界负压区C和出口碰撞高压区D。入口辐射低压区A的出现是因为腔室中心原生涡环在射流上游形成低压区，导致流体流过入口 71后流速急剧上升所致，同时射流的加速也促进了低压涡环的形成；出口碰撞高压区D的出现是因为流体通过出口 72后，造成压力突然上升，并辐射到腔室内部一定区域；流体进入上部出口碰撞高压区D后，流速增大，形成脉冲射流，压力逐渐下降，并逐渐趋近于环空压力。
[0043]另外，喷射单元9也是本实用新型的清洁井眼的钻井工具优选的一个重要结构，如图6所示，钻井液自喷嘴流道95高速喷出作用于井壁8，消除了由于泥饼过厚、井壁掉块、缩颈等原因导致的井眼过细和不规则所引起的钻柱上提下放遇阻甚至卡钻现象。可以通过调节喷嘴结构和类型控制喷嘴能量的分布，在充分冲刷、修正井壁的同时不破坏井壁稳定性。
[0044]工作过程:将本实用新型的清洁井眼的钻井工具安装在易形成岩屑床、井壁泥饼过厚、井壁不稳定易形成掉块和不规则形状以及易缩颈的水平段或大位移段所对应的钻柱中。钻进过程中，环空中连续流动的钻井流体流过工具自激振荡结构单元5的自激振荡腔7与井壁8之间，经过谐振、反馈、选频及放大等自激振荡过程，在腔内形成高低压扰动区，同时将连续射流调制成出口 72处的脉冲射流，在井壁高压区和涡环负压区B压差的作用及入口辐射低压区A高速钻井流体的冲刷作用的双重作用下，井壁8上的岩屑床被破坏并被卷吸到涡环负压区B，继而在环空扰动和钻柱旋转的作用下将这部分岩屑带入到环空流道4内并随环空钻井液上返循环至地面的固控设备进行固液分离；同时，沿喷射单元9喷出的高速射流冲刷、修整井壁，使泥饼变薄、井眼变得更规则，尤其是在易缩颈的盐膏岩层使井径扩大，从而消除钻柱上提下放遇阻和卡钻的现象。
[0045]本实用新型针对复杂结构井由于井眼不够清洁和井壁不规则导致的沙卡和阻卡问题，创新性地提出利用加工于工具本体上的自激振荡结构单元的自激振荡腔和高速喷射的喷射单元与井壁结合，增强了环空流体的紊流度和脉动效应，冲刷、扰动和卷吸井壁上的岩屑床和突出的井壁，从而提高岩屑床的清除和修整井壁的思路，可有效消除由于岩屑床的存在导致过大的摩阻扭矩以及沙卡钻具事故和由于井眼不规则和缩颈的存在导致的钻柱遇阻和阻卡现象，提高钻进的安全性，具有广泛的应用前景。
[0046]本实用新型的清洁井眼的钻井工具具有结构简单、无活动部件、使用方便、安全可靠、压耗低、不影响钻具结构、适用于多种钻井平台、加工制造和使用维护的成本较低等特点，对于复杂结构井的水平井段和大位移井段的安全快速钻进具有重要的实际意义。
【权利要求】
1.一种清洁井眼的钻井工具，包括本体，所述本体内部设有沿其轴线方向延伸的贯通的中心流道，所述本体的上端设有用于连接上部钻柱的上接头，所述本体的下端设有用于连接下部钻柱的下接头；其特征在于:所述本体的外周上间隔均布有环空流道，所述环空流道的延伸方向与所述本体的轴线方向一致，相邻的所述环空流道之间为凸起部，所述凸起部与所述环空流道间隔设置，所述凸起部上凹陷设置有自激振荡结构单元，所述自激振荡结构单元设有自激振荡腔，沿所述本体的轴线方向，所述自激振荡腔与井壁之间的流体压力区分为入口辐射低压区、涡环负压区、边界负压区和出口碰撞高压区。
2.如权利要求1所述的一种清洁井眼的钻井工具，其特征在于:所述自激振荡结构单元包括自下而上依次连接的第一斜面、与所述本体轴线平行的底面、第二斜面，以及两个侧面；所述第一斜面与所述底面之间的夹角为钝角，所述第二斜面与所述底面之间的夹角为锐角。
3.如权利要求2所述的一种清洁井眼的钻井工具，其特征在于:所述第一斜面的底边还连接有第一平面，所述第二斜面的底边还连接有第二平面。
4.如权利要求1所述的一种清洁井眼的钻井工具，其特征在于:每个所述凸起部上还设置有至少一个喷射单元，所述喷射单元设有喷射流道，用于将所述本体中心流道内的高压钻井液喷射至井壁。
5.如权利要求4所述的一种清洁井眼的钻井工具，其特征在于:所述喷射单元包括设置于所述凸起部上的阶梯通孔，所述阶梯通孔的轴线方向沿所述本体的径向设置，所述阶梯通孔的大孔端靠近所述本体的外部，所述阶梯通孔的大孔端安装有喷嘴，所述喷嘴具有中空的喷嘴流道，所述喷嘴流道沿所述本体的径向设置。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种清洁井眼的钻井工具，其特征在于:所述本体的外周上间隔均布有至少两个所述环空流道，所述凸起部至少均布有两个。
7.如权利要求6所述的一种清洁井眼的钻井工具，其特征在于:所述环空流道均布有三个，所述凸起部均布有三个。
8.如权利要求6所述的一种清洁井眼的钻井工具，其特征在于:每个所述凸起部上设有一个所述自激振荡结构单元。
9.如权利要求6所述的一种清洁井眼的钻井工具，其特征在于:每个所述凸起部上设有若干所述自激振荡结构单元。
10.如权利要求9所述的一种清洁井眼的钻井工具，其特征在于:若干所述自激振荡结构单元成列布置，每列设有至少一个所述自激振荡结构单元；同一列的所述自激振荡结构单元同轴线设置，相邻两列的所述自激振荡结构单元位置相对应或交错设置。
【文档编号】E21B21/00GK203961848SQ201420410077
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】王鹏, 倪红坚, 王瑞和 申请人:中国石油大学(华东)