本发明涉及石油天然气勘探设备技术领域中使用的钻杆，具体涉及一种辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆。
背景技术
石油天然气井钻井是应用钻头破碎地层岩石形成井眼，井眼是地表与油气储层联通的通道，也是油气开采的通道。钻头破碎地层岩石过程中产生大量岩屑，这些岩屑通过钻井液循环，携带返出地面。若不能及时将岩屑携带出井眼，将会导致一系列井下问题，如钻头重复破碎、钻具摩擦阻力、扭矩增大，固井质量差等，甚至发生严重的井下事故如卡钻、扭断钻具、岩屑沉降掩埋井眼等，处理这些井下事故将大幅度增加非生产时间和作业成本。这就要求在钻井过程中，保持较高的井眼岩屑清洁效率，井眼清洁是优快钻井的重要技术之一。
在钻井液携带岩屑返出地面过程中，对于颗粒小、分选程度好的岩屑更易被钻井液携带。但是钻头在破碎砂岩地层时，由于岩石可钻性好，机械进尺快，故对岩石的破碎不够充分，产生的岩屑颗粒分选程度差，大小混杂，不利于岩屑上返，需将这一部分的砂岩颗粒进一步破碎，分散为小颗粒，提高其分选程度，才能进一步提高井眼清洁效率。
解决环空中岩屑颗粒破碎问题一般有三种方法，一是研磨，即利用研具与岩屑颗粒摩擦作用，分散其为小颗粒的方法；二是剪切，利用刀具与岩屑颗粒剪切破碎，分散其为小颗粒的方法。三是碰撞，利用工具叶片与岩屑颗粒的接触碰撞，分散其为小颗粒的方法。这三种方法都可以实现岩屑破碎、分选程度的提高。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆，这种辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆用于解决现有技术中钻杆存在井眼清洁效率不高，分选能力不高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆由螺旋清洁分选管上端连接无缝钢管管体，无缝钢管管体上端连接母接头构成，螺旋清洁分选管管壁上设置正向螺旋叶片组、反向螺旋叶片组、岩屑破碎叶片组，螺旋清洁分选管上端为加厚耐磨带，螺旋清洁分选管下端为公螺纹接头，定义钻井液上返方向为正方向，螺旋叶片方向符合右手定则，用右手握住螺旋清洁分选管并保持四指弯曲方向与螺旋叶片缠绕延伸方向一致，大拇指向上与钻井液上返方向一致，则螺旋叶片为正向螺旋叶片，否则螺旋叶片为反向螺旋叶片；靠近公接头一侧为正向螺旋叶片组，正向螺旋叶片组与公螺纹接头间距离为叶片前距；正向螺旋叶片组上方为反向螺旋叶片组，反向螺旋叶片组上方为岩屑破碎叶片组，岩屑破碎叶片组上方为加厚耐磨带，正向螺旋叶片与反向螺旋叶片间距离为叶片组间距；岩屑破碎叶片组为三层结构，三层岩屑破碎叶片梯次配置，岩屑破碎叶片中部为剪切破碎带，上下端面为研磨破碎面；钻杆旋转过程中，钻井液经反向螺旋叶片组作用后，沿钻井液上返方向形成强烈螺旋流，环空中岩屑的流动速度与动能增加，再经过岩屑破碎叶片时，岩屑颗粒在两岩屑破碎叶片的破碎面之间进行碰撞运动，被进一步破碎。
上述方案中每层岩屑破碎叶片叶片数量为三个，延轴向均匀分布，每层叶片间相位角为20°；岩屑破碎叶片为楔形，岩屑破碎叶片上下端面加工倒角45°，以便在强行起下钻过程中可以通过防喷器胶芯；研磨破碎面表面镶嵌硬质合金(磨料)，以增加破碎面研磨能力。
上述方案中任意一个正向螺旋叶片、反向螺旋叶片、岩屑破碎叶片的表面均涂覆特氟龙涂层，防止泥包钻杆影响清洁效率。
上述方案中任意一个正向螺旋叶片、反向螺旋叶片横截面均为类梯形，两端为圆弧形，底边与螺旋清洁分选管管壁重合；与螺旋清洁分选管管壁相交的两条边线为直线形，其中一边线与交线切面相垂直，此边线所在面为扰流面，起搅动钻井液作用；另一条边线与交线切面倾斜相交，此边线所在面为支撑面，起加固叶片作用，两边线夹角满足：
其中n为钻井最大转速，单位r/min。
上述方案中任意一个正向螺旋叶片、反向螺旋叶片两端均加工倒角，倒角度数为45°，任意一个螺旋叶片钻井液进口端加工为楔形。
上述方案中任意一个正向螺旋叶片、反向螺旋叶片延伸形状均为螺距减小型螺旋线，螺旋线方程为：
式中r为螺旋清洁分选管外径，t为参数变量，取值范围为[0,+∞]，当t趋于零时，得到初始螺旋角为a/2。单位°。
上述方案中叶片前距运动时间t1为：
叶片前距l1为：
式中q为排量，单位m3/s；d为井眼直径，单位m；d为螺旋清洁分选管直径，单位m；g为重力加速度，单位9.81m/s2。
上述方案中叶片组间距运动时间t2为：
叶片组间距l2为：
式中β为反向螺旋叶片入口螺旋角，
上述方案中正向螺旋叶片组的正向螺旋叶片与反向螺旋叶片组的反向螺旋叶片起始位置存在相位差，称为相位角α，相位角α为：
式中q为排量，单位m3/s；d为井眼直径，单位m；d为螺旋清洁分选管直径，单位m；n为叶片数量、l2为叶片组间距，单位m；、t2为叶片组间距运动时间；便于钻井液和岩屑通过叶片组间距段进入反向螺旋叶片组流域，减少进口阻碍。其大小与钻井液流速、钻杆转速有关，相位角α取值范围为0～2π/m(m为叶片数量)。
上述方案中正向螺旋叶片组的正向螺旋叶片数量为3-9个，沿螺旋清洁分选管横截面周向等角度或变角度分布在螺旋清洁分选管上；反向螺旋叶片组反向螺旋叶片数量为3-9个，沿螺旋清洁分选管横截面周向等角度或变角度分布在螺旋清洁分选管上。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的关键技术是应用了非常规的反向螺旋叶片组，该叶片组旋转时会对其上下游的环空钻井液均产生螺旋涡流诱导作用，反向螺旋叶片组旋转后对其后方的岩屑和钻井液有强烈的螺旋造涡能力，作用后使环空岩屑均匀分散在钻井液中，抑制岩屑床和砂丘的形成，提高岩屑清洁效率。反向螺旋叶片组旋转在其前方(叶片组间距位置)所造成的涡流对环空岩屑有明显的阻碍上返作用。为了消除叶片间距区域的涡流使岩屑平稳进入反螺旋叶片组工作区域并顺利上返，螺旋清洁分选管在反向螺旋叶片组下方设计了正向螺旋叶片组，正向螺旋叶片组的作用是通过旋转运动对其附近局部环空造成高速低压区，岩屑和钻井液通过该叶片组后同时增加周向和轴向流速，使岩屑和钻井液越过叶片间距区域，进入反向螺旋叶片组工作区域。
2、本发明辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆，叶片前距段设计可以使岩屑颗粒得到最大的加速效果，获得最优的上返动能。
3、本发明辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆，正反向螺旋叶片组相位角设计可以使岩屑通过叶片组间距后顺利进入反向螺旋叶片组流道而不与反向螺旋叶片前缘发生碰撞，提高携屑效率。
4、本发明辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆，岩屑破碎叶片组具有将大颗粒岩石破碎为小颗粒的作用，提高岩屑颗粒的分选程度，提高携屑效率。
5、本发明辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆，正反向螺旋叶片组设计可以提高通过后岩屑颗粒的周向速度与动能，使研磨、剪切效果更加显著，进一步提高岩屑的分选程度。
6、本发明辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆，叶片两端具有45°倒角设计，可以在强行起下钻过程中通过井口环形防喷器胶芯。
7、本发明在使用过程中，不需要增加额外的钻具，减少接单根操作，节约钻时。
附图说明
图1是本发明中螺旋清洁分选管的轴测图；
图2是本发明中钻杆工作过程中叶片区钻井液流动示意图；
图3是本发明实施例的螺旋叶片区横截面示意图；
图4是本发明实施例的螺旋叶片区局部加工示意图；
图5是本发明实施例的螺旋叶片螺旋形状螺旋线示意图；
图6是本发明实施例的叶片前距计算示意图；
图7是本发明实施例的叶片组间距计算示意图；
图8是本发明实施例的正反向螺旋叶片初始位置相位角设计示意图；
图9是本发明的结构示意图。
图中：1公螺纹接头，2加厚耐磨带，3正向螺旋叶片，4反向螺旋叶片，5叶片组间距段，6岩屑破碎叶片组，7倒角，8楔形，9螺旋线，10岩屑颗粒，11钻井液流动方向，12后方螺旋流流动方向，13钻具旋转方向，14叶片横截面，15交线切面，16螺旋清洁分选管，17无缝钢管，18母接头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
结合图1、图9所示，这种辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆由螺旋清洁分选管16上端连接无缝钢管17管体，无缝钢管17管体上端连接母接头18构成，螺旋清洁分选管16管壁上设置正向螺旋叶片组、反向螺旋叶片组、岩屑破碎叶片组6，螺旋清洁分选管16上端为加厚耐磨带2，螺旋清洁分选管16下端为公螺纹接头1，钻杆旋转过程中，钻井液经反向螺旋叶片组作用后，沿钻井液上返方向形成强烈螺旋流。首先，可以增加环空岩屑的流动速度与动能，使其与破碎叶片组6的研磨、剪切作用更加充分，进一步破碎岩屑颗粒10，提升岩屑的分选程度；其次，强烈螺旋流可以提高钻井液的携岩效率，提高环空岩屑清洁效率。
公螺纹接头1、螺旋清洁分选管16由坯料机械加工一体而成。正向螺旋叶片3、反向螺旋叶片4均与螺旋清洁分选管16配合成型，可由整块坯料机械加工而成。
定义钻井液上返方向为正方向，螺旋叶片方向符合右手定则，用右手握住螺旋清洁分选管16并保持四指弯曲方向与螺旋叶片缠绕延伸方向一致，大拇指向上与钻井液上返方向一致，则螺旋叶片为正向螺旋叶片3，否则凡符合左手螺旋定则螺旋发展方向式叶片为反向螺旋叶片4。靠近公接头一侧为正向螺旋叶片组，正向螺旋叶片组与公螺纹接头1间距离为叶片前距，正向螺旋叶片组与公螺纹接头1间为叶片前距段；正向螺旋叶片组上方为反向螺旋叶片组，正向螺旋叶片3与反向螺旋叶片4间距离为叶片组间距，正向螺旋叶片3与反向螺旋叶片4间为叶片组间距段5；反向螺旋叶片组上方为母螺纹接头，反向螺旋叶片组与母接头18间距离为叶片后距，反向螺旋叶片组与母接头18间为叶片后距段；相邻两个正向螺旋叶片3或相邻两个反向螺旋叶片4间均形成钻井液过流通道。
螺旋叶片工作原理，流体在螺旋叶片的作用下产生逆向阻力与垂向升力。逆向阻力引起环隙区域流体被挤压至螺旋清洁分选管16与叶片之间的空腔，使得螺旋叶片内侧区域的压强急剧升高。垂向升力引起叶片外侧近壁面处流体的流线扭曲程度增大，从而形成稳定的螺旋流，提高钻井液携带岩屑能力，辅助提高环空岩屑的破碎效率，提高井眼清洁效率。
无缝钢管17管体与螺旋清洁分选管16、母接头18均通过摩擦焊接连接，保证焊接质量与连接强度。无缝钢管17管体两端敦粗加厚，满足摩擦焊接后的钻杆强度要求，加厚方式可以为内加厚、外加厚或内外加厚。
参阅图1与图2所示，本实施例的正反螺旋叶片组合式岩屑清洁工具，接头螺纹倾斜角度20度，与之相配合的母螺纹接头螺纹倾角也为20度，这种角度的螺纹可以最大限度的增加接头扣合能力。
如图1所示，本实施中叶片与螺旋清洁分选管16一体成型，由整块坯料机械加工而成。岩屑清洁叶片每组叶片数量为3～9个，周向等间距(等相位角)或非对称间距分布在螺旋清洁分选管16上。叶片之间形成钻井液过流通道。
参阅图1与图2所示，钻杆在井下正常工作时，钻具旋转方向13为逆时针方向。钻井液在叶片区的流动形态见图中钻井液流动方向11，在后方形成螺旋流形态见图中12后方螺旋流流动方向12。
参阅图1与图2所示，螺旋清洁分选管16旋转过程中，上方反向螺旋叶片4左侧部分为压力面，右侧为吸力面，反向螺旋叶片4的优势在于可以在叶片后方形成更为强烈的螺旋流，提高钻井液的携带岩屑能力。实验证明，同等条件下，反向螺旋叶片4钻井液螺旋强度约为正向螺旋叶片3的2～3倍，增幅效果明显。但是反向螺旋叶片4的使用弊端在于旋转过程中钻井液入口前缘形成螺旋扰流，阻碍岩屑颗粒的进入。故在下方设计正向螺旋叶片3克服此弊端。
参阅图1与图2所示，钻杆旋转过程中，下方正向螺旋叶片3左侧部分为压力面，右侧为吸力面，吸力面在旋转过程中形成低压区对下方岩屑具有吸引作用，便于岩屑颗粒10启动进入叶片区；压力面在旋转过程中形成局部高压，对进入的岩屑起到增速增旋作用，使岩屑颗粒10加速运移进入反向螺旋叶片区。克服反向螺旋叶片4前缘扰流作用。
参阅图1与图3所示，正向螺旋叶片、反向螺旋叶片横截面14均为类梯形，上下两边为圆弧形，底边与螺旋清洁分选管16相重合，上缘直径与提升短节相平齐或略低于钻杆接头；左右边线为直线形，其中一边与交线切面15相垂直，此边线所在面为扰流面，起搅动钻井液作用，另一条边线与交线切面15倾斜一定角度，此边线所在面为支撑面，起加固叶片作用。两边线夹角满足
其中n为钻井最大转速，单位r/min。
参阅图1与图4所示，正向螺旋叶片3、反向螺旋叶片4两端均加工倒角7，倒角度数为45°，倒角7设计可以使钻杆在强行起下钻过程中通过井口防喷器胶芯，有利于钻井事故的处理。
参阅图1与图4所示，正向螺旋叶片3、反向螺旋叶片4钻井液进口端均加工为楔形8，减小叶片进口端截面面积，进而减小入口流动阻力，降低环空压耗。
参阅图1与图5所示，清洁叶片延伸形状为螺距减小型螺旋线9，螺旋线方程为
式中r为螺旋清洁分选管16外径，t为参数变量，取值范围为[0,+∞]，当t趋于零时，得到初始螺旋角为a/2。
参阅图1与图5所示，本发明实施例的的辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆，以三叶片型为例，单叶片覆盖面积应小于120°，保证相邻两叶片互不干扰。将t＝2π/3代入螺旋线方程即可求出叶片长度z。
参阅图1与图6所示，本发明实施例的辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆叶片前距计算示意图。叶片前距设计依据为：岩屑颗粒10在重力作用下，运动轨迹为一抛物线，叶片前距设计要保证所有岩屑颗粒10都能从叶片前缘进入，使得岩屑颗粒10可以得到充分加速，设计公式如下。
叶片前距运动时间t1为：
叶片前距l1为：
式中q为排量，单位m3/s；d为井眼直径，单位m；d为螺旋清洁分选管16直径，单位m；g为重力加速度，单位9.81m/s2。
参阅图1与图7所示，本发明实施例的辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆叶片组间距计算示意图。其中β为反向叶片入口螺旋角，
叶片组间距运动时间t2为：
叶片组间距l2为：
式中β为反向螺旋叶片入口螺旋角，
参阅图1与图8所示，两组叶片起始位置存在相位差，目的是使岩屑颗粒更容易进入反螺旋叶片区，图中α为叶片中点相位角，相位角度α计算如下：
相位角度α为：
式中叶片组间距运动时间t2已计算得到，q为排量，单位m3/s；d为井眼直径，单位m；d为螺旋清洁分选管16直径，单位m；n为叶片数量。
本发明实施例的辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆表面进行镀铬处理，增强接头装置抗冲击能力；再涂覆特氟龙涂层，防止泥包工具。
本发明实施例的辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆中岩屑破碎叶片组的作用为将大颗粒岩石破碎为小颗粒岩石，提高岩屑的分选程度，提高钻井液的携岩效率。在钻井液携岩的过程中，大颗粒岩石由于质量与体积大，不容易被螺旋流携带，即使被携带，其运动速度也远将小于螺旋流转动速度，影响井眼清洁效率。当大颗粒岩屑进入岩屑破碎叶片组6中，由于其轴向运动速度小，颗粒会被叶片弧顶(即叶片中部)多次剪切破碎，分散为小颗粒，同时颗粒与岩屑破碎叶片上下表面接触时会发生研磨、碰撞，多组叶片梯次配置，保证颗粒研磨、碰撞充分，破碎完全。同时叶片在轴向截面上所占面积较小，最大程度减轻对钻井液的流动的影响。
本发明实施例的辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆中螺旋叶片组可以辅助提高岩屑破碎效率。岩屑通过螺旋叶片组后提高自身的周向速度与动能，高周向速度有利于岩屑与破碎叶片间研磨、剪切强度的增强，提升岩屑破碎质量，提高岩屑分选程度。
本发明实施例的辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆中岩屑破碎叶片组6为三层结构，梯次配置，每层叶片数量为3个，延轴向均匀分布，每层叶片间相位角为20°。
本发明实施例的辅助提高环空岩屑分选程度的钻杆中岩屑破碎叶片为楔形8，上下端面加工倒角45°，以便在强行起下钻过程中可以通过防喷器胶芯。中部为剪切破碎带，上下端面为研磨破碎面。为增加破碎面研磨能力，表面镶嵌硬质合金(磨料)。
以上所仅是本发明较佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识，本发明的保护范围以权利要求内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换均为本发明的保护范围。