水力加深钻进工具的制作方法

本发明涉及油气井钻井领域，尤其涉及一种水力加深钻进工具。

背景技术：

随着我国经济高速发展，我国油气资源形势日益严峻，2017年石油表观消费量估计为5.88亿吨，对外依存度达到67.4％，能源战略安全问题突出。我国老油田经过几十年的开发，总体已进入“双高”(高采出程度、高含水)开发阶段，且大量的剩余油因油藏非均质性和品质低而滞留于地下难以开采。但从目前产量来看，中国石油产量的70％仍来自老油田，其剩余可采储量依然相当可观。若按中国现有探明储量估算，每提高1％采收率，相当于寻找到一个数亿吨级探明储量的新油田。

为了充分利用已钻井的套管资源、土地资源及已有井段,降低钻井成本,老井加深钻井是一种重要开发手段。例如对于新疆6000米以深漏失严重的碳酸盐岩储层，其储集体为溶洞型，在钻井的过程中漏失严重，从而导致沟通的储集体有限。在深井中，假如利用常规机械加深钻进工艺，往往需要配合使用钻机或动力钻具等机械设备，工艺复杂，成本较高，且存在一定的风险。

因此，需要提供一种水力加深钻进工具，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供了一种水力加深钻进工具，其能够在通过旋转磨料射流破碎井下岩石，进而完成井筒冲洗或加深钻进作业，具有安装简单、施工效果优良的优势。

本申请实施方式公开了一种水力加深钻进工具，包括

工具本体，所述工具本体整体呈中空的管状，具有相对的前端和后端，所述工具本体在靠近所述前端的位置设置有多个安装孔，所述工具本体的安装孔在靠近所述前端的一侧设置有连接部，背离所述前端的一侧设置有限位部；设置在所述安装孔中的旋转磨料射流喷嘴，所述旋转磨料射流喷嘴包括依次连通的：加旋叶轮、混合段、出口段；所述出口段的下游设置有安装保护套；所述加旋叶轮外套设有外筒，所述安装保护套通过所述连接部固定在所述安装孔中，所述外筒和所述加旋叶轮远离所述前端的一侧抵靠在所述限位部上。

在一个优选的实施方式中，所述安装孔包括：中心安装孔和多个围绕所述中心安装孔均匀间隔分布的周向安装孔。

在一个优选的实施方式中，各个所述旋转磨料射流喷嘴的破岩面积存在重合，且位于所述工具本体外延的喷嘴的破岩外延大于所述工具本体。

在一个优选的实施方式中，所述中心安装孔的中心轴与所述工具本体的中心轴重合，所述周向安装孔的延伸方向与所述中心轴之间形成有夹角。

在一个优选的实施方式中，所述出口段为中空的回转体，其内部形成有收缩加速段与稳定射流段，所述收缩加速段设置有截面积逐渐减小的锥形孔，用于承接所述混合段中流出的旋转磨料并将其进行加速导向所述稳定射流段。

在一个优选的实施方式中，所述出口段的外形为锥形；所述安装保护套内设置用与所述出口段相配合的锥形孔；所述出口段与所述安装保护套相胶结。

在一个优选的实施方式中，所述混合段具有锥形的混合腔，所述混合腔下部尺寸与相衔接的所述出口段上部尺寸相等，所述混合腔上部尺寸小于所述加旋叶轮外形直径。

在一个优选的实施方式中，所述加旋叶轮具有多个具有旋转角度的加旋叶片，所述加旋叶轮片的片数为3片～5片，所述加旋角度在120°～180°之间。

在一个优选的实施方式中，所述安装保护套为中空的回转体，所述安装保护套的外侧设置有外螺纹，所述工具本体的连接部为与所述外螺纹相匹配的内螺纹。

在一个优选的实施方式中，所述限位部为在所述工具本体设置的具有多个开孔的挡板，所述开孔的个数与所述安装孔的个数相等，所述开孔的孔径小于所述加旋叶轮的外径。

本发明的特点和优点是：本申请实施方式中所提供的水力加深钻进工具采用旋转磨料射流进行加深钻进，使用时，可以通过普通油管柱或连续油管将水力加深钻具送入井下，启动地面高压泵组，将高压流体输送到高压流体经加旋叶轮及出口段的作用，可形成具备较高径向、切向速度的高速磨料射流，既可大幅度提高破岩效率，同时可形成较大面积的破岩，从而完成加深钻进作业。

具体的，由于磨料射流本身具备较高的破岩效率，而在加旋叶轮的作用下，具备较高的径向、切向速度，旋转磨料射流主要以拉伸、剪切作用破碎岩石，考虑到岩石抗剪、抗拉强度约为抗压强度的十分之一，因此可以大幅度提高破岩效率；同时在加旋叶轮的作用下，高速射流可形成一定的扩散，增大冲击范围；在本申请实施方式中所提供的水力加深钻进工具前端面分布着多个旋转磨料射流喷嘴，各个喷嘴破岩面积存在重合，因此可形成完整的井眼；同时外侧分布喷嘴破岩外延比工具本体大，可实现工具本体顺利进入地层，实现连续钻进。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1-1为本发明实施例中水力加深钻进工具的示意图；

图1-2为本发明实施例中水力加深钻进工具的a-a剖视图；

图2-1为本发明实施例中水力加深钻进工具中的出口段的示意图；

图2-2为本发明实施例中水力加深钻进工具中的出口段b-b剖视图；

图3-1为本发明实施例中水力加深钻进工具中的混合段的示意图；

图3-2为本发明实施例中水力加深钻进工具中的混合段c-c剖视图；

图4-1为本发明实施例中水力加深钻进工具中的加旋叶轮的主视图；

图4-2为本发明实施例中水力加深钻进工具中的加旋叶轮的左视图；

图4-3为本发明实施例中水力加深钻进工具中的加旋叶轮的三维立体示意图；

图5-1为本发明实施例中水力加深钻进工具中的喷嘴外筒的示意图；

图5-2为本发明实施例中水力加深钻进工具中的喷嘴外筒的d-d剖示图；

图6-1为本发明实施例中水力加深钻进工具中的喷嘴安装保护套示意图；

图6-2为本发明实施例中水力加深钻进工具中的喷嘴安装保护套e-e剖视图；

图7-1为本发明实施例中水力加深钻进工具本体示意图；

图7-2为本发明实施例中水力加深钻进工具本体f-f剖视图。

附图标记说明：

1、出口段；11、收缩加速段；12、稳定射流段；2、混合段；21、混合腔；3、加旋叶轮；30、加旋叶片；4、外筒；5、安装保护套；51、紧固孔；6、工具本体；61、周向安装孔；62、中心安装孔；63、限位部；64、内螺纹。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够在井筒破碎岩石完成洗井作业或者形成新的井筒完成加深钻进作业，以克服现有技术中存在的工艺作业难度大、施工成本高、安全性无法保证的问题，在本申请中提出了一种水力加深钻进工具。

如图1-1至图1-2所示，本说明书实施方式中所提供的水力加深钻进工具主要包括：工具本体6和设置在该工具本体6中的旋转磨料射流喷嘴。其中，该旋转磨料射流喷嘴包括：出口段1、混合段2、加旋叶轮3、外筒4、安装保护套5。

以下结合各个零部件的附图进行详细说明。

如图7-1和图7-2所示，工具本体6整体可以为中空的管体，其具有相对的前端和后端。具体的，该工具本体6可以选用常规油气行业用管材，其后端设置有常规油管扣用于连接上部的下入管柱，其前端设置有用于安装旋转磨料射流喷嘴的多个安装孔。该工具本体6在靠近前端的安装孔内部设置有连接部。该连接部用于连接喷嘴安装保护套5。具体的，该连接可以为内螺纹64。当然，该连接部还可以为其他形式，本申请在此并不作具体的限定。

该工具本体6在该安装孔背离所述前端一侧设置有限位部63，该限位部63用于对喷嘴外筒4和旋叶轮进行轴向限位。其中，该限位部63可以为在所述工具本体6设置的具有多个开孔的挡板，所述开孔的个数与所述安装孔的个数相等，所述开孔的孔径略小于所述加旋叶轮3的外径，从而与安装保护套5配合共同完成旋转磨料射流喷嘴的限位及安装。

具体的，该安装孔可以包括：一个中心安装孔62和多个围绕该中心安装孔62周向分布的周向安装孔61。其中，该中心安装孔62位于该工具本体6的中心位置，其沿着轴向纵长延伸，具有预定深度。具体的，该中心安装孔62的中心轴可以与工具本体6的中心轴重合或接近重合。该周向安装孔61的个数可以为多个，围绕中心安装孔62周向均匀分布。该周向安装孔61可以沿着平行与该中心安装孔62的轴向延伸。

由于常规射流很难保证打击面积超过工具本体6尺寸。而采用射流破岩连续钻进的过程，破岩面积是核心问题，如果破岩面积较小，则工具可能无法穿过进而实现连续钻进。

在一个实施方式中，该周向安装孔61的延伸方向可以与中心安装孔62的轴向具有一定的倾斜安装夹角。也就是说，该轴向安装孔的安装角度可根据实际需求适当向外倾斜，以保证破岩面积超过工具本体6尺寸，从而有利于保证该水力加深钻进工具实现连续钻进。

此处是指其他喷嘴的安装角度，可根据实际需求适当向外倾斜，以保证破岩面积超过工具本体6尺寸，常规射流很难保证，打击面积超过工具本体6尺寸；破岩效率与破岩面积关系不大，采用射流破岩连续钻进的过程，破岩面积是核心问题，如果破岩面积较小，则工具可能无法穿过进而实现连续钻进。

在本实施方式中，所述旋转磨料射流喷嘴包括依次连通的：加旋叶轮3、混合段2、出口段1；所述出口段1的下游设置有安装保护套5；所述加旋叶轮3外套设有外筒4，所述安装保护套5固定在所述安装孔靠近所述前端的位置，所述外筒4和所述加旋叶轮3远离所述前端的一侧抵靠在所述限位部63上。

请结合参阅图2-1和图2-2，其中，出口段1可以为中空的回转体，其内部形成有内部流道。具体的，该第一内部流动包括：收缩加速段11与稳定射流段12。其中，收缩加速段11设置有截面积逐渐减小的锥形孔，用于承接混合段2中流出的旋转磨料并将其进行加速导向稳定射流段12。该稳定射流段12用于承接被收缩加速段11加速后的旋转磨料并将其稳定在较高的速度射出。

具体的，出口段1可以由耐磨材质制成。一般的，出口段1材料的硬度较大，因此无法加工螺纹。该出口段1与安装保护套5之间可以采用胶固的方式相连接。具体的，为了保证胶固时的密封性和牢固性，该出口段1的外形可以为锥形；相应的，该安装保护套5内设置用与该锥形出口段1相配合的锥形孔。所述出口段1可以与所述安装保护套5相胶结，一方面保证两者连接的牢固性，另一方面胶结方式与锥形结构相配合保证连接位置的密封性。

在地面组装时，首先将出口段1通过强力胶装入安装保护套5中，待两者配合位置静置凝固后，依次将外筒4、加旋叶轮3、混合段2装入工具本体6中，最后通过安装保护套5外侧的螺纹将出口段1安装到工具本体6中，同时通过安装保护套5和限位部63前后限位，完成单个旋转磨料射流喷嘴的安装。

根据实际需求，为达到满眼钻进的目的，可以综合考虑流压关系与单喷嘴破岩面积，优化设计水力加深钻进工具前端面旋转磨料射流喷嘴布置，根据设计完成全部喷嘴的安装。

喷嘴的孔径及数量决定了水力加深钻进工具出口的当量直径。工具出口当量直径越大，需要越大的排量才能达到破岩门限压力。考虑到作业管柱沿程压耗及地面设备的承压能力，该工具出口当量直径，即喷嘴的直径和数量需要根据不同的井况进行优化设计。

工具组装完成后，可通过普通油管柱或连续油管将水力加深钻具送入井下，启动地面高压泵组，将高压流体输送到高压流体经加旋叶轮3及出口段1的作用，可形成具备较高径向、切向速度的高速磨料射流，既可大幅度提高破岩效率，同时可形成较大面积的破岩，从而完成加深钻进作业。

本申请实施方式中所提供的水力加深钻进工具采用旋转磨料射流进行加深钻进，磨料射流本身具备较高的破岩效率，而在加旋叶轮3的作用下，具备较高的径向、切向速度，旋转磨料射流主要以拉伸、剪切作用破碎岩石，考虑到岩石抗剪、抗拉强度约为抗压强度的十分之一，因此可以大幅度提高破岩效率；同时，在加旋叶轮3的作用下，高速射流可形成一定的扩散，增大冲击范围；在本申请实施方式中所提供的水力加深钻进工具前端面分布着多个旋转磨料射流喷嘴，各个喷嘴破岩面积存在重合，因此可形成完整的井眼；同时，外侧分布喷嘴破岩外延比工具本体6大，可实现工具本体6顺利进入地层，实现连续钻进。

如图3-1和图3-2所示，混合段2可以由耐磨材料制成。该混合段2的内部也形成有混合腔21，该混合腔21用于承接加旋叶轮3加旋后的旋转磨料，完成多股来流的混合及收缩加速。具体的，该混合段2的混合腔21可以为锥形结构，该混合腔21下部尺寸与出口段1内部流道上部尺寸相等，混合腔21上部尺寸比加旋叶轮3外形直径略小，从而对加旋叶轮3进行限位。

如图4-1至图4-3所示，加旋叶轮3可以由耐磨材料制成，该加旋叶轮3具有多个具有旋转角度的加旋叶片30。该加旋叶轮3的加旋叶轮3片数量、加旋角度、导程等参数根据实际情况设定。该加旋叶轮3可以安装在喷嘴外筒4中，其主要作用是引导高压流体做旋转运动，使高压流体具有较高的径向、切向速度，主要以剪切、拉伸等形式破碎岩石，可提高破岩效率。

其中，单个喷嘴的破岩面积受到加旋叶轮3的影响，加旋叶轮3使高速流体具有较大的切向、径向速度，从而射流发散冲击范围加大，但如果过于分散则打击力变差，因此需要根据实际需求开展优化设计。

加旋叶轮3片数量、加旋角度、导程参数为加旋叶轮3的主要技术参数，其优化目标函数为设计冲击面积，主要通过数值模拟的方式确定。优选的，加旋叶轮3片可以为3～5片，加旋角度可以为120°～180°，导程可根据实际情况确定。

如图5-1和图5-2所示，外筒4可以由耐磨材料制成，该外筒4可以呈中空的筒状，其外径可以与混合段2外径相等，内径可以与加旋叶轮3外径相当，主要用于防止工具本体6磨损。

如图6-1和图6-2所示，安装保护套5可以由普通钢材制成，该安装保护套5整体呈中空的回转体，其一方面用于保护出口段1，另一方面用于和工具本体6连接，实现喷嘴的一侧限位。具体的，该安装保护套5上端内部结构与出口段1外形一致，下端内部结构为流动通道，其外侧设置有外螺纹，可与工具本体6相连同时起到限位作用。该安装保护套5在其前端面向内可以设置有两个紧固孔51，该紧固孔51主要用于完成安装保护套5的安装。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。