一種氣體鑽水平井用的鑽具扶正器的製作方法

2023-10-09 06:36:14 1

專利名稱：一種氣體鑽水平井用的鑽具扶正器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用氣體為循環介質鑽水平井時的專用鑽具扶正器。該扶正器也同樣適應利用流體為循環介質鑽水平井的情況。
背景技術：
在大斜度井，水平井、大位移井、分支井等複雜結構井的鑽進中，由於井段大角度傾斜、甚至水平，從而導致巖屑運移困難，出現巖屑在下井壁滯留、聚集、成床的現象，最終導致鑽柱卡鑽，甚至鑽進無法繼續。
造成巖屑運移困難的主要原因有1、由於重力作用使鑽柱躺在下井壁上造成偏心環空，偏心環空造成下井壁處的低流速區。2、鑽頭破碎後產生的較大顆粒巖屑，既不易被運移，又無法再次破碎，首先滯留在下井壁上，進而成為阻礙其它巖屑運移的障礙。3、巖屑沿下井壁運移時受到鑽具上直徑增大段凸出臺肩的幾何阻礙，停止運移，成為滯留巖屑。4、巖屑在運移過程中缺乏再次加速、加速後衝擊其它巖屑顆粒運動的動力。

發明內容
本發明的目的在於提供一種氣體鑽水平井用的鑽具扶正器，該扶正器是基於流體數值模擬技術、鑽柱運動學、動力學分析技術、稀疏相氣固(液固)兩相流顆粒運動分析，優化出一種特殊形狀的扶正器，它有利於強化水平井的攜巖能力，同時具有鑽柱運動穩定、起下摩阻小、旋轉扭矩小的特點。
一種氣體鑽水平井用的鑽具扶正器，主要由扶正器本體、導流槽、扶正條等組成，其特徵在於，所述導流槽為螺旋狀，具有寬入口流道和窄出口流道，導流槽之間所夾的凸起的螺旋狀扶正條，其螺旋角為18°～25°，所述扶正條上有巖屑導入槽，巖屑導入槽對應著導流槽的寬入口流道和窄出口流道方向寬度逐漸變小，所述巖屑導入槽表面和扶正條表面鑲有硬質合金齒。
本發明扶正器上導流槽為螺旋狀，具有寬入口流道和窄出口流道，它促使氣體、巖屑顆粒再次加速並產生螺旋狀流動，高速巖屑具有了碰撞其它靜止巖屑使其運動的動力，同時高速螺旋氣流使下井壁沉澱的巖屑運動，進入上井壁帶高速氣流區。螺旋狀的入口形狀，是經過流體數值模擬技術優化的，可以保證任何方向、角度到達的巖屑顆粒均無阻擋地進入導流槽，不會在此處停頓、滯留。
導流槽之間所夾的凸起的螺旋狀扶正條，具有特殊的形狀和螺旋角度，螺旋角為18°～25°，它具有穩定鑽柱振動、降低扭矩、減小起下鑽摩阻的作用，同時還具有重複破碎的能力，可以將大顆粒巖屑嵌入、破碎成更小的尺寸巖屑，便於在後續井段順利排出。所述扶正條上設計有巖屑導入槽，巖屑導入槽的寬度逐漸變小，巖屑導入槽表面和扶正條表面鑲有硬質合金齒，具有耐磨和破碎巖屑的功能，大顆粒巖屑進入導流槽，被嵌入，進而被旋轉的扶正條破碎。
與現有技術相比，本發明扶正器上導流槽、導流槽之間所夾的凸起扶正條，均具有特殊的形狀和螺旋角度，扶正條上的巖屑導入槽從流道進口到流道出口，寬度逐漸變小，巖屑導入槽表面和扶正條表面鑲有硬質合金齒，這些設計使扶正器具有將鑽柱抬升、扶正的作用，減少甚至消除偏心環空的低速區流場，使鑽柱與井眼同心，同心環空流速均勻，消除了低速區。它還有利於強化水平井的攜巖能力，同時鑽柱運動穩定、起下摩阻小、旋轉扭矩小。


圖1是本發明的結構示意2是沒有使用本發明的偏心環空速度等值線分布圖3是使用本發明後消除偏心環空的低速區流場圖4是傳統扶正器的導流槽入口圖5是本發明扶正器的導流槽入口圖6是本發明導流槽變截面螺旋流道的加速和旋轉作用具體實施方式
參看圖1，一種氣體鑽水平井用的鑽具扶正器，主要由扶正器本體1、導流槽7、扶正條2等組成，其特徵在於，所述導流槽7為螺旋狀，具有寬入口流道5和窄出口流道6，導流槽之間所夾的凸起的螺旋狀扶正條2，其螺旋角為18°～25°，所述扶正條上有巖屑導入槽3，巖屑導入槽對應著導流槽的寬入口流道和窄出口流道方向寬度逐漸變小，所述巖屑導入槽3表面和扶正條2表面鑲有硬質合金齒4。
參看圖2、圖3，扶正器具有將鑽柱抬升、扶正的作用，減少甚至消除偏心環空的低速區流場，圖2沒有使用本發明扶正器，使環空下部出現低速區，使巖屑堆積，使用此扶正器後，見圖3所示，鑽柱與井眼同心，同心環空流速均勻，消除了低速區。
參看圖4、圖5，圖4是傳統扶正器的導流槽入口，巖屑未得到充分破碎，圖5是本發明扶正器導流槽入口，其形狀是經過流體數值模擬技術優化的，可以保證任何方向、角度到達的巖屑顆粒均無阻擋地進入導流槽，不會在此處停頓、滯留。
參見圖6，是本發明鑽具扶正器計算流體動力學數值模擬結果，流體低速直線流入扶正器導流槽入口，通過扶正器上變截面螺旋流道的加速，並以高速螺旋流出，衝刷水平井底壁滯留的巖屑，有足夠的能量將巖屑運移，並在下一個扶正器上進行重複破碎為細小顆粒的巖屑，使巖屑順利被帶出地面。
在鑽水平井時，本發明之扶正器的安放位置和個數由鑽柱力學分析和軌跡控制聯合確定。配合本發明使用，鑽水平井時要保持鑽柱低速轉動，同時控制鑽速。使用時要注意扶正器方向，進出口方向的正確配合。
權利要求
1 一種氣體鑽水平井用的鑽具扶正器，主要由扶正器本體(1)、導流槽(7)、扶正條(2)等組成，其特徵在於，所述導流槽(7)為螺旋狀，具有寬入口流道(5)和窄出口流道(6)，導流槽之間所夾的凸起的螺旋狀扶正條(2)，其螺旋角為18°～25°，所述扶正條上有巖屑導入槽(3)，巖屑導入槽對應著導流槽的寬入口流道和窄出口流道方向寬度逐漸變小，所述巖屑導入槽(3)表面和扶正條(2)表面鑲有硬質合金齒(4)。
全文摘要
本發明涉及一種氣體鑽水平井用的鑽具扶正器，主要由扶正器本體、導流槽、扶正條等組成，其特徵在於，所述導流槽為螺旋狀，具有寬入口流道和窄出口流道，導流槽之間所夾的凸起的螺旋狀扶正條，其螺旋角為18°～25°，所述扶正條上有巖屑導入槽，巖屑導入槽對應著導流槽的寬入口流道和窄出口流道方向寬度逐漸變小，所述巖屑導入槽表面和扶正條表面鑲有硬質合金齒。該扶正器具有將鑽柱抬升、扶正的作用，減少甚至消除偏心環空的低速區流場，使鑽柱與井眼同心，同心環空流速均勻，消除了低速區，它還有利於強化水平井的攜巖能力，同時鑽柱運動穩定、起下摩阻小、旋轉扭矩小。
文檔編號E21B17/10GK1644870SQ20051002030
公開日2005年7月27日 申請日期2005年2月1日 優先權日2005年2月1日
發明者孟英峰, 練章華, 粱紅, 吳仕榮, 李永傑, 陳剛, 劉碩瓊, 雷桐 申請人:西南石油學院