一种可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具

本发明涉及一种可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具，属石油、天然气开采钻井工具技术领域。

背景技术：

随着石油的不断开采，较大数量的长水平、大斜度及多分支水平井需要挖掘。国内在开采长水平、大斜度及多分支水平井中出现许多类似托压、卡钻、钻具断裂类似的问题，导致钻井效率较低，开发周期较长，开发成本比较高，达不到井身轨迹的设计要求，目的层中靶率低，钻井液的携岩能力低和振动效果不理想。这是制约长水平、大斜度及多分支水平井发展的主要瓶颈。这些问题出现的原因主要是钻柱与井壁之间的摩擦比竖直井更大。在滑动钻进过程中，钻柱与井壁之间保持相对静止的状态，静摩擦力比动摩擦力大，所以可以考虑将较大的静摩擦力转换为较小的动摩擦力。

因此，降低长水平、大斜度及多分支水平井段中钻具与井壁的摩擦力，是提高长水平、大斜度及多分支水平井延伸钻进进尺的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了克服现有长水平、大斜度及多分支水平井等非常规井钻井摩擦大，导致的钻井效率较低，开发周期较长，开发成本比较高和钻井液的携岩能力低和振动效果不理想的问题，设计一种可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具。

为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具，由拉杆、上壳体a、o形密封圈a、限位环、上壳体b、碟簧、o形密封圈b、外壳a、外壳b、脉冲发生器、下壳体、心轴、涡轮、阀a、套筒、阀b、下接头组成，其技术特征在于，拉杆通过花键与上壳体b相连；上壳体a、上壳体b、外壳a、外壳b、下壳体、下接头依次通过螺纹彼此连接；流体入口锥位于拉杆进口流道处，相当于一个渐缩管，用于提升流体压差，提升压差效果的好坏与流体入口锥的锥角和小端直径与大端直径之比有关，在本发明中锥角大小为30°，这样流体损失系数小，压差提升大；o形密封圈a安装于上壳体a内，用于密封上壳体a与拉杆间的间隙；限位环位于上壳体b内，轴向定位于上壳体a下端面，防止拉杆脱离壳体；碟簧安装于上壳体b与外壳a之间，本发明采用普通矩形截面的双片碟簧来使拉杆回位；o形密封圈b设置于拉杆下端环槽内，用于将钻井液压力都作用于拉杆上；脉冲发生器安装于外壳b内，轴向上端定位于外壳a，轴向下端和周向定位于外壳b，脉冲发生器流道的设计使钻井液产生正反向涡流，由此产生压力脉冲，流道的结构设是脉冲产生的关键，本发明中脉冲发生器产生的脉冲频率可以达到10hz到15hz；心轴安装于下壳体和下接头内，位于中心和轴向位置；涡轮设置于心轴上，利用下壳体内部一台阶和下接头进行轴向定位，涡轮将线性流体流动转换为旋转流体流动，其中旋转流体流动运动通过心轴从涡轮传递到阀a和阀b，涡轮的组数直接影响将线性流体流动转换为旋转流体流动的效率，本发明采用8组涡轮；阀a与阀b位于心轴上，通过套筒与下接头进行定位，此阀组产生的过流面积变化引起的水力脉冲频率可以达到10hz到20hz，；所述拉杆位于正常位置时，碟簧处于松弛状态；当钻井液从拉杆上端进入，随后从主流道进入脉冲发生器的进口孔，通过加速流道加速后，钻井液可以从下分流道和上分流道流过，但由于附壁效应，钻井液只会沿着其中一条分流道流动，这里假设从下分流道进入，随后钻井液会进入油液室形成涡流，此时进口孔的会因压力增高产生吸力，钻井液会从上回流道进入上环流道，然后从下环流道流入下扰流道，此时的钻井液会对从加速流道出来的液体产生干扰，加速流体会从下分流道转向上分流道，这时油液室内的钻井液会从出口孔流出，钻井液在油液室内会从顺时针方向变换为逆时针方向，以此循环往复，在脉冲发生内会发生第一次水力脉冲；钻井液从出口孔进入主流道，流过涡轮使动心轴旋转，以此带动阀a旋转；阀b固定，不随心轴转动，由此产生过流面积的变化，在阀处产生第二次水力脉冲；钻井液的水力脉冲会作用于拉杆上，使其产生轴向振动，此时碟簧处于拉长或者压缩状态使处于极限位置的拉杆复原；先后两次产生的压力脉冲叠加，其脉冲频率可以在20hz到30hz之间稳定变化，改变了钻井液的流动状态，使钻进时的静摩擦变为动摩擦，减少了摩阻，提升了钻进速度。

本发明与现有技术比较，其有益效果是：(1)本发明采用涡轮驱动，具有工作可靠、耐高温和压降小等优点，没有偏心引起的径向振动，对较为敏感的元件不会产生太大的影响；(2)本发明利用脉冲发生器和阀组产生两次压力脉冲，两次脉冲叠加，可以产生较高的脉冲频率和较大的脉冲幅值；(3)本发明主体结构由纯金属零件组成，没有对高温的敏感的原件，有耐高温耐磨损的性能，脉冲发生器没有运动部件，结构可靠，寿命长；(4)本发明具有机构简单、操作方便、安全可靠、适应性强、不影响钻具结构等特点，对降低摩阻，提高钻速和钻具寿命有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1-拉杆、2-上壳体a、3-o形密封圈a、4-限位环、5-上壳体b、6-碟簧、7-o形密封圈b、8-外壳a、9-外壳b、10-脉冲发生器、11-下壳体、12-心轴、13-涡轮、14-阀a、15-套筒、16-阀b、17-下接头。

图2为本发明的脉冲发生器的结构示意图；

图中：201-进口孔、202-下环流道、203-下扰流道、204-下回流道、205-下分流道、206-出口孔、207-油液室、208-上分流道、209-上回流道、210-上扰流道、211-加速流道、212-上环流道。

图3为本发明的脉冲发生器的三维示意图；

图4为本发明阀a的结构示意图；

图5为本发明阀b的结构示意图。

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-图5所示，所述可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具，主要由拉杆1、上壳体a2、o形密封圈a3、限位环4、上壳体b5、碟簧6、o形密封圈b7、外壳a8、外壳b9、脉冲发生器10、下壳体11、心轴12、涡轮13、阀a14、套筒15、阀b16、下接头17组成，其技术特征在于，拉杆1通过花键与上壳体b5相连；上壳体a2、上壳体b5、外壳a8、外壳b9、下壳体11、下接头17依次通过螺纹彼此连接；流体入口锥位于拉杆1进口流道处，相当于一个渐缩管，用于提升流体压差，提升压差效果的好坏与流体入口锥的锥角和小端直径与大端直径之比有关，在本发明中锥角大小为30°，这样流体损失系数小，压差提升大；o形密封圈a3安装于上壳体a2内，用于密封上壳体a2与拉杆1间的间隙；限位环位于上壳体b5内，轴向定位于上壳体a2下端面，防止拉杆1脱离壳体；碟簧6安装于上壳体b5与外壳a8之间，本发明采用普通矩形截面的双片碟簧来使拉杆回位；o形密封圈b7设置于拉杆1下端环槽内，用于将钻井液压力都作用于拉杆1上；脉冲发生器10安装于外壳b9内，轴向上端定位于外壳a8，轴向下端和周向定位于外壳b9，脉冲发生器10流道的设计使钻井液产生正反向涡流，由此产生压力脉冲，流道的结构设是脉冲产生的关键，本发明中脉冲发生器产生的脉冲频率可以达到10hz到15hz；心轴12安装于下壳体11和下接头17内，位于中心和轴向位置；涡轮13设置于心轴12上，利用下壳体11内部一台阶和下接头17进行轴向定位，涡轮13将线性流体流动转换为旋转流体流动，其中旋转流体流动运动通过心轴12从涡轮13传递到阀a14和阀b16，涡轮13的组数直接影响将线性流体流动转换为旋转流体流动的效率，本发明采用8组涡轮；阀a14与阀b16位于心轴12上，通过套筒15与下接头17进行定位，此阀组产生的过流面积变化引起的水力脉冲频率可以达到10hz到20hz；所述拉杆1位于正常位置时，碟簧6处于松弛状态；当钻井液从拉杆1上端进入，随后从主流道进入脉冲发生器10的进口孔201，通过加速流道211加速后，钻井液可以从下分流道205和上分流道208流过，但由于附壁效应，钻井液只会沿着其中一条分流道流动，这里假设从下分流道205进入，随后钻井液会进入油液室207形成涡流，此时进口孔201的会因压力增高产生吸力，钻井液会从上回流道209进入上环流道212，然后从下环流道202流入下扰流道203，此时的钻井液会对从加速流道211出来的液体产生干扰，加速流体会从下分流道205转向上分流道208，这时油液室207内的钻井液会从出口孔206流出，钻井液在油液室207内会从顺时针方向变换为逆时针方向，以此循环往复，在脉冲发生器10内会发生第一次水力脉冲；钻井液从出口孔206进入主流道，流过涡轮13使动心轴12旋转，以此带动阀a14旋转；阀b16固定，不随心轴转动，由此产生过流面积的变化，在阀处产生第二次水力脉冲；钻井液的水力脉冲会作用于拉杆1上，使其产生轴向振动，此时碟簧6处于拉长或者压缩状态使处于极限位置的拉杆1复原；先后两次产生的压力脉冲叠加，其脉冲频率可以在20hz到30hz之间稳定变化，改变了钻井液的流动状态，使钻进时的静摩擦变为动摩擦，减少了摩阻，提升了钻进速度。

所述涡轮13将线性流体流动转换为旋转流体流动，其中旋转流体流动运动通过心轴14从涡轮13传递到阀a14和阀b16。

所述脉冲发生器10产生的第一次脉冲频率可以达到10hz到15hz，由阀a和阀b产生的压力脉冲频率可以达到10hz到20hz，两次脉冲叠加后脉冲频率可以达到20hz到30hz。

本发明的可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具具体工作过程如下：

当钻井液从拉杆1上端进入，通过流体入口锥时压差提升，速度加快，随后从主流道进入脉冲发生器10的进口孔201，通过加速流道211加速后，钻井液可以从下分流道205和上分流道208流过，但由于附壁效应，钻井液只会沿着其中一条分流道流动，这里假设从下分流道205进入，随后钻井液会进入油液室207形成涡流，此时进口孔201的会因压力增高产生吸力，钻井液会从上回流道209进入上环流道212，然后从下环流道202流入下扰流道203，此时的钻井液会对从加速流道211出来的液体产生干扰，加速流体会从下分流道205转向上分流道208，这时油液室207内的钻井液会从出口孔206流出，流体循环往复，在脉冲发生器10内会发生第一次水力脉冲；钻井液从出口孔206进入主流道，流过涡轮13使动心轴12旋转，以此带动阀a14旋转；阀b16固定，不随心轴转动，由此产生过流面积的变化，在阀处产生第二次水力脉冲；钻井液的水力脉冲会作用于拉杆1上，使其产生轴向振动，此时碟簧6处于拉长或者压缩状态使处于极限位置的拉杆1复原；先后两次产生的压力脉冲叠加，其脉冲频率可以在20hz到30hz之间稳定变化，改变了钻井液的流动状态，使钻进时的静摩擦变为动摩擦，减少了摩阻，提升了钻进速度

该工具的轴向振动能力较强，可以有效地解决了钻井液的携岩能力低和，振动效果不理想，开发周期较长，开发成本比较高，达不到井身轨迹的设计要求的问题。如果将该工具安放在近钻头附近，该工具较强的轴向脉动可以降低钻头的轴向振动强度，提高钻头与岩石的均匀接触时间，从而提高机械钻速；轴向振动可以有效破坏水平段已经形成的岩屑床，并且可以预防卡钻；可以提高井深轨迹控制精度，同时提高轨迹的平滑性，有效的减少钻井工具面不稳定造成的钻井台阶。

上述的实施例仅为本发明的一种优选技术方案，而不应视为对本发明的限制。方案为保护范围。本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。