本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置。
背景技术
随着油气勘探条件不断复杂，钻井复杂也越来越多。精细化控压钻井技术虽解决了部分问题，但仍无法满足同一裸眼段多压力系统问题。同心管钻井是一种可以对井底压力进行精确控制的双梯度钻井技术,可以实现钻井液闭环循环，能够解决现有常规钻井技术诸多限制。另外，在同心管钻井中的rts系统利用双壁钻杆可为井下提供电力和数据传输通道，实现了数据的有线传输，故rts系统在随钻测量/随钻测井方面较普通mwd/lwd更具优势。
同心管钻井技术固然有诸多优势，但在水平井钻井过程中，携带岩屑的钻井液需要从环空经过特殊通道进入内钻杆，在这一过程，岩屑容易滞留环空，并逐渐堆积形成岩屑床。而井眼清洁程度的好坏直接关系到一口井的成败，由于清洁不好而导致钻井事故的案例时有发生，该问题严重影响同心管钻井技术的进一步发展和推广。
岩屑床的存在给钻井施工带来诸多安全隐患，严重威胁钻进的安全性，主要体现在以下几个方面：
(1)岩屑床易导致钻具产生高摩阻高扭矩，甚至发生钻具扭断现象；(2)岩屑床导致机械钻速降低。由于岩屑床岩屑颗粒间排列结构疏松，易形成键槽造成托压，导致钻压不能全部作用于钻头上，同时使钻具上提下放阻力增大，降低了钻进效率；(3)岩屑床易导致发生卡钻等事故，造成工程进度缓慢，钻井周期延长；(4)岩屑床会导致测井工具入井难、下套管固井难、固井质量差等问题；(5)由于在水平井段钻具不居中，岩屑被钻具反复碾压成更细的颗粒，增加了环空钻井液的固相含量，同时环空间隙减小，形成椭圆形井眼，易导致憋泵憋压。
现有技术中提出一些岩屑及岩屑床的清理方法，虽然在使用上取得一些效果，但是同时也存在一些不足，例如：(1)加大钻井液的排量提高环空的上返速度：该方法可能对储层带来一定的伤害，同时由于上返速度太高，上部松软地层易出现垮塌掉块；(2)改善钻井液的性能，提高钻井液的携屑能力：目前条件下钻井液还难以调整到不使岩屑下沉的程度，同时还必须配合其他清理岩屑的方法，另外，设计及应用特种钻井液需要投入大量的费用，造成钻井费用过高的问题；(3)短起下倒划眼清理岩屑床：实施该方法时，需要停钻并上提钻柱，要耗费钻时，增加成本，不能钻成优质的井；(4)采用螺旋型井眼清洗工具，利用钻柱自转带动工具旋转，从而搅动岩屑床，增加钻井液携屑效率：虽然能提高钻井液携岩效率，但是工具作用的长度有限，不能提高整个水平段的携岩效率；(5)采用随钻分段洗井装置，当在水平段形成岩屑床时，停止钻井，将水平段分为几段，然后对每一段单独清洗，提高清洗效率：该方法可以将整个水平段的岩屑床清洗完全，但是需要停止钻井，降低钻井速度，同时停泵会带来其他问题。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置，以克服现有技术的缺陷。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置，克服现有技术中存在的操作复杂、停钻耗时、成本高、安全性差等问题，该适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置便于水平井岩屑携带，减少岩屑床的产生，降低钻井成本，为安全高效钻井提供保证。
本发明的目的是这样实现的，本发明的实施例提供一种适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置，所述适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置内设置有轴向两端开口的钻井液流入通道，所述钻井液流入通道分流连通有钻井液返排通道，所述钻井液返排通道的入口端位于所述适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置内，所述钻井液返排通道的出口端设置破碎部，所述钻井液返排通道上沿轴向间隔设置第一射流喉部和第二射流喉部，所述钻井液返排通道位于所述第一射流喉部和所述第二射流喉部之间的位置构成混合腔，所述适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置内还设置有能连通装置外部和所述混合腔的环空钻井液上返通道，所述环空钻井液上返通道与所述钻井液流入通道呈周向间隔设置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置由流动通道转换接头和第一接头密封连接构成，所述流动通道转换接头内设置所述钻井液流入通道和所述环空钻井液上返通道，所述钻井液返排通道与所述钻井液流入通道连通的一端位于所述流动通道转换接头内，所述钻井液返排通道的出口端位于所述第一接头内，所述第一接头内设有与所述钻井液返排通道的出口端连通的第一接头返排腔，所述第一接头返排腔的出口端呈开放设置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置内设置能连通所述钻井液返排通道与所述钻井液流入通道的连通弯道；所述连通弯道与所述环空钻井液上返通道呈周向间隔设置，所述环空钻井液上返通道与装置外部连通的一端远离所述第一接头设置，所述环空钻井液上返通道与所述混合腔连通的另一端靠近所述第一接头设置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述破碎部由破碎管构成，所述破碎管的入口端与所述钻井液返排通道的出口端连通设置，所述破碎管与所述钻井液返排通道的轴向之间构成第一夹角，所述破碎管的出口端与所述第一接头返排腔连通设置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一接头返排腔的入口端设置有锥面，所述锥面的直径自所述第一接头返排腔的入口端向第一接头返排腔的出口端呈渐扩设置，所述破碎管的一侧顶抵支撑于所述锥面上；所述钻井液返排通道由密封插设于所述流动通道转换接头和所述第一接头内的第一直管构成，所述第一射流喉部和所述第二射流喉部设置于所述第一直管内，所述第一直管的出口端与所述破碎管的入口端密封连通。
由上所述，本发明提供的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置具有如下有益效果：
(1)本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置能够实现高速流体的反向射流，在第一射流喉部的作用下，混合腔形成低压区，能迅速吸入外部环空内含有岩屑的钻井液，降低岩屑床形成的概率；
(2)本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置中，在第二射流喉部的作用下，混合腔内含有岩屑的钻井液高速射向破碎部，利用钻井液高速射流和破碎部对岩屑进行二次破碎，大颗粒岩屑破碎成小颗粒岩屑，岩屑颗粒的粒径更均匀，岩屑携带返排更加容易；
(3)使用包括本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置的同心管钻井装置抽吸岩屑时，无需停钻、无需增大排量、无需使用特殊钻井液，有效提高水平井的钻井效率，降低了钻井事故发生的概率，为安全高效钻井提供保证，减少了钻井时间，降低钻井成本，具有广阔的发展前景。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1：为本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置的俯视图。
图2：为图1中a-a剖视图。
图3：为图1中b-b剖视图。
图4：为使用本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置的同心管钻井装置于钻井液流入通道处的剖视图。
图5：为使用本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置的同心管钻井装置于环空钻井液上返通道处的剖视图。
图中：
100、适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置；
200、同心管钻井装置；
1、流动通道转换接头；11、内凹槽；
2、第一接头；
21、第一接头返排腔；
22、锥面；
30、钻井液过流腔；
31、钻井液流入通道；
32、钻井液返排通道；
33、破碎部；
34、环空钻井液上返通道；
35、连通弯道；
41、第一射流喉部；
42、第二射流喉部；
5、混合腔；
91、同心钻杆结构；
911、内钻杆；
9111、内钻杆接头；9112、上部内钻杆；
912、外钻杆；
9121、上部外钻杆；
913、钻井液注入空间；
914、返流空间；
92、端部钻具；
921、端部钻具流动通道。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1至图5所示，设定图2中所示上游端为第一端，设定图2中所示下游端为第二端，本发明提供一种适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100，适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100内设置有轴向两端开口的钻井液流入通道31，适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100的第一端设置钻井液流入通道31的入口端，适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100的第二端设置钻井液流入通道31的出口端；钻井液流入通道31分流连通有钻井液返排通道32，钻井液返排通道32的入口端位于适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100内，钻井液返排通道32的出口端开放设置于适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100的第一端，钻井液返排通道32内的钻井液流动方向与钻井液流入通道31内的钻井液流动方向相反，实现钻井液的返流；钻井液返排通道32的出口端设置破碎部33，钻井液返排通道32上沿轴向间隔设置第一射流喉部41和第二射流喉部42，钻井液返排通道32位于第一射流喉部41和第二射流喉部42之间的位置构成混合腔5，适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100内还设置有能连通装置外部和混合腔5的环空钻井液上返通道34，环空钻井液上返通道34与钻井液流入通道31呈周向间隔设置。
本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100能够实现高速流体的反向射流，在第一射流喉部的作用下，混合腔形成低压区，能迅速吸入外部环空内含有岩屑的钻井液，降低岩屑床形成的概率；在第二射流喉部的作用下，混合腔内含有岩屑的钻井液高速射向破碎部，利用钻井液高速射流和破碎部对岩屑进行二次破碎，大颗粒岩屑破碎成小颗粒岩屑，岩屑颗粒的粒径更均匀，岩屑携带返排更加容易；使用本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100抽吸岩屑时，无需停钻、无需增大排量、无需使用特殊钻井液，有效提高水平井的钻井效率，降低了钻井事故发生的概率，为安全高效钻井提供保证，减少了钻井时间，降低钻井成本，具有广阔的发展前景。
进一步，如图1、图2和图3所示，适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100由流动通道转换接头1和第一接头2密封连接构成，在本发明的一具体实施例中，流动通道转换接头1的一端设置有内凹槽11，第一接头2的另一端的端面密封顶抵于内凹槽11的槽底面上，第一接头2的另一端的侧壁密封连接于内凹槽11的侧壁上。流动通道转换接头1内设置前述的钻井液流入通道31和环空钻井液上返通道34，钻井液返排通道32与钻井液流入通道31连通的一端位于流动通道转换接头1内，钻井液返排通道32的出口端位于第一接头2内，第一接头2内设有与钻井液返排通道32的出口端连通的第一接头返排腔21，第一接头返排腔21的出口端呈开放设置。适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100也可以是一体式结构。
进一步，如图2和图3所示，为了实现钻井液流入通道31与钻井液返排通道32的分流连通，适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100内设置能连通钻井液返排通道32与钻井液流入通道31的连通弯道35；连通弯道35与环空钻井液上返通道34呈周向间隔设置，为了保证分流顺畅，连通弯道35的第一端斜向内且向下(图2中的方向)倾斜设置，连通弯道35的第二端斜向外且向下(图2中的方向)倾斜设置，连通弯道35的两端通过圆弧形弯道连通。环空钻井液上返通道34与装置外部连通的一端远离第一接头2设置，环空钻井液上返通道34与混合腔5连通的另一端靠近第一接头2设置，即环空钻井液上返通道34斜向内且向上(如图1中显示的斜向内且斜向上方向)倾斜设置，该设置方向使得外部环空的含有岩屑的钻井液更容易返排。
进一步，破碎部33由破碎管构成，破碎管的入口端与钻井液返排通道32的出口端连通设置，破碎管与钻井液返排通道32的轴向之间构成第一夹角，为保证岩屑破碎效果，第一夹角大于等于30°设置。破碎管的出口端与第一接头返排腔21连通设置。
在本发明的一具体实施例中，如图2和图3所示，第一接头返排腔21的入口端(位于钻井液返排通道的出口端的位置)设置有锥面22，锥面22的直径自第一接头返排腔21的入口端(钻井液返排通道的出口端)向第一接头返排腔21的出口端呈渐扩设置，破碎管的一侧顶抵支撑于锥面22上；钻井液返排通道32由密封插设于流动通道转换接头1和第一接头2内的第一直管构成，流动通道转换接头1和第一接头2内设有用于穿设第一直管的孔道，第一直管的外壁和孔道内壁之间通过密封圈密封；第一射流喉部41和第二射流喉部42设置于第一直管内，第一直管的出口端与破碎管的入口端密封连通。钻井液返排通道32也可以由流动通道转换接头1和第一接头2内密封连通的过流孔道构成。在本发明的一具体实施例中，钻井液流入通道31、连通弯道35、钻井液返排通道32和环空钻井液上返通道34通过铸造成型，第一接头返排腔21可以直接铸造成型也可以通过机械加工构成。
进一步，破碎部33还可以由锥顶向钻井液返排通道32的出口端凸设的锥板构成，锥板的直径自第一接头返排腔21的入口端(钻井液返排通道的出口端)向第一接头返排腔21的出口端呈渐扩设置，钻井液携带的岩屑高速碰撞在锥板上，大颗粒岩屑破碎成小颗粒岩屑，岩屑颗粒的粒径更均匀，更容易排出。
如图4和图5所示，本发明还提供一种同心管钻井装置200，包括前述的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100，同心管钻井装置200还包括同心钻杆结构91(现有技术)和端部钻具92(现有技术)，适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100密封连接于同心钻杆结构91(现有技术)和端部钻具92(现有技术)之间；同心钻杆结构91包括同轴设置的内钻杆911和外钻杆912，内钻杆911的外壁和外钻杆912的内壁之间呈间隔设置构成钻井液注入空间913，内钻杆的内腔构成返流空间914；钻井液流入通道31的入口端与钻井液注入空间913连通设置，钻井液返排通道32的出口端与返流空间914连通设置。端部钻具92内部设置轴向贯通孔构成端部钻具流动通道921(现有技术)，钻井液能通过端部钻具流动通道流至井内完成钻井作业并携带岩屑返排。
在本发明的一具体实施例中，内钻杆911远离适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100的一端通过内钻杆接头9111连接上部内钻杆9112，外钻杆912远离适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100的一端通过螺纹连接上部外钻杆9121。同心管钻井装置200通过上部内钻杆9112和上部外钻杆9121与地面设备连接。
在本发明的一具体实施例中，适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100包括流动通道转换接头1和第一接头2，第一接头2的一端通过螺纹密封连接于内钻杆911上，第一接头2的外壁与外钻杆912的内壁之间呈间隔设置，第一接头2的另一端密封连接流动通道转换接头1；流动通道转换接头1的一端的外壁密封连接于外钻杆912的内壁上，流动通道转换接头1的另一端通过螺纹密封连通端部钻具92，第一接头2的外壁、外钻杆912的内壁和流动通道转换接头1的一端的端面之间构成钻井液过流腔30，钻井液过流腔30与钻井液注入空间913连通；流动通道转换接头1内设置钻井液流入通道31，钻井液流入通道31连通端部钻具92的轴向贯通孔和钻井液过流腔30，流动通道转换接头1和第一接头2内沿设置钻井液返排通道32，钻井液返排通道32的出口端位于第一接头2内并连通设置破碎部33，钻井液返排通道32位于流动通道转换接头1内的第二端能与钻井液流入通道31密封连通，实现钻井液流入通道31内钻井液的分流；钻井液返排通道32内沿轴向间隔设置内凸的第一射流喉部41和第二射流喉部42，钻井液返排通道32位于第一射流喉部41和第二射流喉部42之间的位置构成混合腔5；流动通道转换接头1内还设置有与钻井液流入通道31间隔设置的环空钻井液上返通道34，环空钻井液上返通道34的第二端与外部环空连通，环空钻井液上返通道34的第一端与混合腔5密封连通。
如图4和图5所示，使用包括本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100的同心管钻井装置200的岩屑抽吸破碎方法如下：自地面注入的钻井液经钻井液流入通道31分流，一部分钻井液分流至钻井液返排通道32，通过第一射流喉部41形成高速射流使混合腔5形成低压区，一部分钻井液钻进作业后流至井内，携带钻井岩屑返流，低压区将混有岩屑的钻井液迅速吸入，混有岩屑的钻井液通过第二射流喉部42高速射流向破碎部，钻井液内大颗粒岩屑破碎成小颗粒岩屑，破碎完成的岩屑在钻井液的作用下继续返流向地面排出。
具体的，使用同心管钻井装置200的岩屑抽吸破碎方法的具体步骤如下：
步骤a、完成同心管钻井装置的组装，将同心管钻井装置下放入井内：首先将第一接头2密封连接于内钻杆911的底部，将流动通道转换接头1连接于第一接头2的底部，再套设外钻杆912，外钻杆912与流动通道转换接头1密封连接，将端部钻具92密封连接于流动通道转换接头1的底部，将组装后的同心管钻井装置200(端部钻具92、适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100和同心钻杆结构91)下入井内；
步骤b、启动钻井设备，自地面向同心钻杆结构91的钻井液注入空间913内注入高速流动的钻井液，钻井液通过钻井液过流腔30进入钻井液流入通道31；一部分钻井液分流至钻井液返排通道32，一部分钻井液通过端部钻具92的端部钻具流动通道921流至井内；
步骤c、分流至钻井液返排通道32内的钻井液在第一射流喉部41的作用下，高速射向混合腔5，由于流体速度较快，混合腔5形成低压区；流至井内的钻井液完成钻进作业后，携带钻井岩屑进入适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置100的外部环空，外部环空中混有岩屑的钻井液返流进入环空钻井液上返通道34，低压区将其迅速吸入；
步骤d、在第二射流喉部42的作用下，混有岩屑的钻井液加速射向破碎部33，在高压水楔作用和冲击作用下大颗粒岩屑破碎成小颗粒岩屑，岩屑颗粒的粒径更均匀；
步骤e、破碎完成的岩屑在钻井液的作用下，通过第一接头返排腔21返流向内钻杆911内部的返流空间914，最终返流到地面。
由上所述，本发明提供的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置具有如下有益效果：
(1)本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置能够实现高速流体的反向射流，在第一射流喉部的作用下，混合腔形成低压区，能迅速吸入外部环空内含有岩屑的钻井液，降低岩屑床形成的概率；
(2)本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置中，在第二射流喉部的作用下，混合腔内含有岩屑的钻井液高速射向破碎部，利用钻井液高速射流和破碎部对岩屑进行二次破碎，大颗粒岩屑破碎成小颗粒岩屑，岩屑颗粒的粒径更均匀，岩屑携带返排更加容易；
(3)使用包括本发明的适用于双梯度钻井的同心管岩屑抽吸破碎装置的同心管钻井装置抽吸岩屑时，无需停钻、无需增大排量、无需使用特殊钻井液，有效提高水平井的钻井效率，降低了钻井事故发生的概率，为安全高效钻井提供保证，减少了钻井时间，降低钻井成本，具有广阔的发展前景。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。