一種雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的製作方法
2023-12-03 16:03:51
一種雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭，其特徵在於包括雙壁鑽頭，及設置在雙壁鑽頭內部的橋式雙管流道、射流泵、切向注入式旋轉射流衝砂裝置。所述的橋式雙管流道代替雙壁鑽杆反循環鑽井中底部鑽具組合上部的流動轉換接頭，實現了鑽井液和巖屑從雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的巖屑吸入管直接進入雙壁鑽杆的內管，從而提高了井底清巖效率；所述的射流泵抽吸井底流體，減小井底壓差，實現欠平衡而提高機械鑽速；所述的切向注入式旋轉射流衝砂裝置，通過切向注入式旋轉射流噴嘴產生高速旋轉射流，形成有利於清巖的井底旋流流場，改善井底巖屑的受力狀況，提升井底清巖效率。
【專利說明】一種雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭
【技術領域】
[0001]本發明屬於鑽井與油氣工程領域，具體涉及一種雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭。
【背景技術】
[0002]雙壁鑽杆反循環鑽井(Reel Well鑽井)是一項新的鑽井技術，它以雙壁鑽杆為基礎,鑽井液從雙壁鑽杆環空泵入井內並清洗井底,從內部鑽杆中攜帶巖屑返回地面,從而實現鑽井液閉環循環。雙壁鑽杆反循環鑽井技術最初是為了解決連續管鑽井中井眼清洗問題而提出來的。雙壁鑽杆反循環鑽井技術自2004年創建以來，主要由挪威國家石油公司、挪威科學研究委員會進行理論研究、配套設備的研發與測試。2005年開始對雙壁鑽杆反循環鑽井技術展開可行性分析與調研；2006年完成了關鍵配套設備的研發與測試，同年Shell公司也加入對該技術的研究；2007年對全尺寸的模型在「Ullrigg」鑽機上進行了考證；2008年實際設備在「Ullrigg」鑽機上進行了試驗；2009年在陸上與海上進行了試驗井的鑽探試驗並取得成功；2013年OTC會議上推出了雙壁鑽杆反循環鑽井無隔水管鑽井方法。雙壁鑽杆反循環鑽井技術在控制壓力鑽井、大位移鑽井、深水鑽井以及有壓力挑戰性的地層鑽進方面具有極大的優勢，主要具有如下特點:(I)鑽井液在管中管內反循環，實現無隔水管鑽井；(2)雙壁鑽杆充當電力和數據傳輸通道；(3)實現全過程控壓鑽井。但是由於鑽井過程中，鑽井液是從底部鑽具組合上部的流動轉換接頭進入雙壁鑽杆的內管，流動方向突然轉變，使得井底巖屑的上返效率降低，井底巖屑得不到及時清理，從而造成部分巖屑的重複破碎，影響破巖效率。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於提供一種雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭，通過雙壁鑽頭內部的橋式雙管流道，實現鑽井液從鑽頭處直接進入雙壁鑽杆的內管，提高井底清巖效率；通過射流泵抽吸井底流體，減小井底壓差，實現欠平衡而提高機械鑽速；通過切向注入式旋轉射流衝砂裝置，產生有利於清巖的井底旋流流場，改善井底巖屑的受力狀況，提升井底清巖效率。
[0004]為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下:
[0005]一種雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭，包括雙壁鑽頭，及設置在雙壁鑽頭內部的橋式雙管流道、射流泵、切向注入式旋轉射流衝砂裝置。
[0006]雙壁鑽頭包括外管接頭、內管接頭、外管、內管、鑽頭；外管接頭與外管連接，外管與鑽頭連接；內管接頭與內管連接，內管與鑽頭連接，內管接頭和內管位於外管接頭和外管內部；外管接頭、內管接頭、外管、內管、鑽頭為一個整體；雙壁鑽頭是雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭切削巖石的工作部分。
[0007]橋式雙管流道包括小環空、流動轉換流道、高壓腔、巖屑吸入管；小環空位於所述的內管與外管之間，小環空通過流動轉換流道與高壓腔連通；巖屑吸入管與流動轉換流道交叉設置，貫穿所述的外管與內管；巖屑吸入管外端與鑽頭的外壁連接；橋式雙管流道代替雙壁鑽杆反循環鑽井中底部鑽具組合上部的流動轉換接頭，實現了鑽井液和巖屑從雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的巖屑吸入管直接進入雙壁鑽杆的內管，從而大大提高了井底清巖效率。
[0008]射流泵包括反向高速射流噴嘴、吸入腔、喉管、擴散管、鑽井液上返流道；反向高速射流噴嘴入口與所述的高壓腔連通，反向高速射流噴嘴的出口位於吸入腔內；吸入腔與喉管對接連通，吸入腔的側面與巖屑吸入管的內端連接；喉管與擴散管對接連通；擴散管與鑽井液上返流道對接連通；吸入腔、喉管、擴散管、鑽井液上返流道均包含於所述的內管內；射流泵是實現欠平衡，提高井底清巖效率和機械鑽速的關鍵機構。
[0009]切向注入式旋轉射流衝砂裝置包括井底巖屑攪動與清洗流道、切向注入式旋轉射流噴嘴；井底巖屑攪動與清洗流道的入口與所述的高壓腔連通，井底巖屑攪動與清洗流道出口與切向注入式旋轉射流噴嘴的入口連接；切向注入式旋轉射流噴嘴的出口與鑽頭端部連接，鑽頭噴嘴數量根據鑽頭結構而定；切向注入式旋轉射流衝砂裝置是產生有利於清巖的井底旋流流場的關鍵機構，切向注入式旋轉射流噴嘴和鑽頭旋轉聯合作用產生井底旋流流場，改善井底巖石和巖屑的受力狀況，大幅度提升井底清巖效率，提高鑽進速度。
[0010]綜上所述，與現有技術相比，本發明具有以下良好效果:
[0011](I)本發明的橋式雙管流道，代替了雙壁鑽杆反循環鑽井中底部鑽具組合上部的流動轉換接頭，實現鑽井液和巖屑從鑽頭處直接進入雙壁鑽杆的內管，使井底巖屑及時被清除，提高井底清巖效率。
[0012](2)本發明的射流泵抽吸井底流體，減小井底壓差，實現欠平衡而提高機械鑽速。
[0013](3)本發明的切向注入式旋轉射流衝砂裝置產生旋轉射流，一方面大大提高了井底射流的衝洗範圍，旋轉射流能夠在井底產生較大的切向速度，從而增大井底漫流速度，促使破碎的巖屑迅速離開井底，大幅度提升井底清巖效率；另一方面產生的旋轉射流與鑽頭旋轉聯合作用可產生有利於清巖的井底旋流流場，在井底形成有序的高壓區和低壓區分布，改善井底巖石和巖屑的受力狀況，提高鑽進速度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的示意圖；
[0015]圖2為雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭沿圖1俯視示意圖；
[0016]圖3為雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭沿圖1中A-A的剖視示意圖；
[0017]圖4為雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭沿圖1中B-B的剖視示意圖；
[0018]圖5為雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的反向高速射流噴嘴示意圖；
[0019]圖6為雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的切向注入式旋轉射流噴嘴示意圖；
[0020]圖7為雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的切向注入式旋轉射流噴嘴沿圖7中A-A的剖視示意圖。
[0021]圖中:1、雙壁鑽頭，2、橋式雙管流道，3、射流泵，4、切向注入式旋轉射流衝砂裝置；101、外管接頭，102、內管接頭，103、外管，104、內管，105、鑽頭;201、小環空，202、流動轉換流道，203、高壓腔，204、巖屑吸入管；301、反向高速射流噴嘴，302、吸入腔，303、喉管，304、擴散管，305、鑽井液上返流道；401、井底巖屑攪動與清洗流道，402、切向注入式旋轉射流噴嘴。
【具體實施方式】
[0022]以下結合附圖，說明本發明提出的【具體實施方式】、結構、特徵及其功效，詳細說明如下:
[0023]一種雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭，包括雙壁鑽頭I及設置在雙壁鑽頭內部的橋式雙管流道2、射流泵3、切向注入式旋轉射流衝砂裝置4。
[0024]雙壁鑽頭I包括外管接頭101、內管接頭102、外管103、內管104、鑽頭105 ;外管接頭101與外管103連接，外管103與鑽頭105連接；內管接頭102與內管104連接，內管104與鑽頭105連接，內管接頭102和內管104位於外管接頭101和外管103內部；外管接頭101、內管接頭102、外管103、內管104、鑽頭105為一個整體；雙壁鑽頭I是雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭切削巖石的工作部分。
[0025]橋式雙管流道2包括小環空201、流動轉換流道202、高壓腔203、巖屑吸入管204 ；小環空201位於所述的內管104與外管103之間，小環空201通過流動轉換流道202與高壓腔203連通；巖屑吸入管204與流動轉換流道202交叉設置，貫穿所述的外管103與內管
104;巖屑吸入管204外端與鑽頭105的外壁連接；橋式雙管流道2代替雙壁鑽杆反循環鑽井中底部鑽具組合上部的流動轉換接頭，實現了鑽井液和巖屑從雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的巖屑吸入管204直接進入雙壁鑽杆的內管，從而大大提高了井底清巖效率。
[0026]射流泵3包括反向高速射流噴嘴301、吸入腔302、喉管303、擴散管304、鑽井液上返流道305 ;反向高速射流噴嘴301入口與所述的高壓腔203連通，反向高速射流噴嘴301的出口位於吸入腔302內；吸入腔302與喉管303對接連通，吸入腔302的側面與巖屑吸入管204的內端連接；喉管303與擴散管304對接連通；擴散管304與鑽井液上返流道305對接連通；吸入腔302、喉管303、擴散管304、鑽井液上返流道305均包含於所述的內管104內；射流泵3是實現欠平衡，提高井底清巖效率和機械鑽速的關鍵機構。
[0027]切向注入式旋轉射流衝砂裝置4包括井底巖屑攪動與清洗流道401、切向注入式旋轉射流噴嘴402 ;井底巖屑攪動與清洗流道401的入口與所述的高壓腔203連通，井底巖屑攪動與清洗流道401出口與切向注入式旋轉射流噴嘴402的入口連接；切向注入式旋轉射流噴嘴402的出口與鑽頭端部連接，鑽頭噴嘴數量根據鑽頭結構而定；切向注入式旋轉射流衝砂裝置4是產生有利於清巖的井底旋流流場的關鍵機構，切向注入式旋轉射流噴嘴402和鑽頭旋轉聯合作用產生井底旋流流場，改善井底巖石和巖屑的受力狀況，大幅度提升井底清巖效率，提高鑽進速度。
[0028]本發明的雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭的工作過程如下:
[0029]在鑽進過程中，雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭旋轉，切削巖石產生巖屑。同時雙壁鑽頭I的外管接頭101和內管接頭102分別接雙壁鑽杆的外管和內管，高壓鑽井液由外管103和內管104之間的小環空201進入，然後通過橋式雙管流道2的流動轉換流道202進入高壓腔203。高壓腔203內的高壓鑽井液一部分由反向高速射流噴嘴301噴出，形成高速射流，高速射流在吸入腔302內產生負壓，負壓通過巖屑吸入管204對井底流體和巖屑進行抽吸，從而降低井底壓差，減小巖屑的壓持效應，創造井底的欠平衡條件，提高機械鑽速。另一部分鑽井液進入切向注入式旋轉射流衝砂裝置4的井底巖屑攪拌與清洗流道401內，進而由切向注入式旋轉射流噴嘴402噴出。切向注入式旋轉射流噴嘴402噴出的不對稱高速旋轉射流將井底巖屑衝擊成高濃度的湍流，使得井底巖屑在井底鑽井液的舉升作用下和巖屑吸入管301的抽吸作用下被高效吸入吸入腔302內。射流泵3的反向高速射流噴嘴噴出高速射流，在吸入腔302產生負壓卷吸巖屑及鑽井液，井底巖屑與鑽井液在吸入腔302和喉管303處被匯入高速射流，然後射流中的巖屑與鑽井液混合物由喉管303進入擴散管304，在擴散管304內射流的動能部分轉換成壓能，其速度降下來後排入鑽井液上返流道305。
【權利要求】
1.一種雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭，其特徵在於包括雙壁鑽頭，及設置在雙壁鑽頭內部的橋式雙管流道、射流泵、切向注入式旋轉射流衝砂裝置。
2.根據權利要求1所述的雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭，其特徵在於:所述的雙壁鑽頭包括外管接頭、內管接頭、外管、內管、鑽頭；外管接頭與外管連接，夕卜管與鑽頭連接；內管接頭與內管連接，內管與鑽頭連接，內管接頭和內管位於外管接頭和外管內部；外管接頭、內管接頭、外管、內管、鑽頭為一個整體。
3.根據權利要求1所述的雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭，其特徵在於:所述的橋式雙管流道包括小環空、流動轉換流道、高壓腔、巖屑吸入管；小環空位於所述的內管與外管之間，小環空通過流動轉換流道與高壓腔連通；巖屑吸入管與流動轉換流道交叉設置，貫穿所述的外管與內管；巖屑吸入管外端與鑽頭的外壁連接。
4.根據權利要求1所述的雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭，其特徵在於:所述的射流泵包括反向高速射流噴嘴、吸入腔、喉管、擴散管、鑽井液上返流道；反向高速射流噴嘴入口與所述的高壓腔連通，反向高速射流噴嘴的出口位於吸入腔內；吸入腔與喉管對接連通，吸入腔的側面與巖屑吸入管的內端連接；喉管與擴散管對接連通；擴散管與鑽井液上返流道對接連通；吸入腔、喉管、擴散管、鑽井液上返流道均包含於所述的內管內。
5.根據權利要求1所述的雙壁鑽杆反循環鑽井切向注入式旋流射流泵鑽頭，其特徵在於:所述的切向注入式旋轉射流衝砂裝置包括井底巖屑攪動與清洗流道、切向注入式旋轉射流噴嘴；井底巖屑攪動與清洗流道的入口與所述的高壓腔連通，井底巖屑攪動與清洗流道出口與切向注入式旋轉射流噴嘴的入口連接；切向注入式旋轉射流噴嘴的出口與鑽頭端部連接，鑽頭噴嘴數量根據鑽頭結構而定。
【文檔編號】E21B10/60GK104373045SQ201410605684
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】高德利, 陳緒躍, 郭柏雲, 李斌, 劉曉坡, 張向華 申請人:中國石油大學(北京)