水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于水平井安全高效泥漿鉆井的射流磨鉆頭，其特征在于在現(xiàn)有鉆頭上加裝了射流粉碎裝置和高濃度湍流抽砂裝置。因此，射流磨鉆頭主要包括射流粉碎部和高濃度湍流抽砂部；所述的射流粉碎部，其特征在于有反向自振空化射流噴嘴、混合室、喉管、巖屑解離加速管、粉碎靶體、粉碎倉及旁通；高濃度湍流抽砂部，其特征在于有井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道、巖屑吸入管及鉆頭噴嘴。巖屑吸入管、井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道基于抽砂泵的原理抽吸高濃度湍流巖屑，可有效減小井底壓差，從而提高機(jī)械鉆速；基于射流磨原理，巖屑通過水力脈沖空化射流作用進(jìn)一步粉碎，達(dá)到液固懸浮流動(dòng)的狀態(tài)，從而消除水平井中所形成的巖屑床。
【專利說明】水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鉆井與油氣工程領(lǐng)域，具體涉及一種用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，攜巖是水平井和大位移井鉆井的一個(gè)重要難題，如果巖屑攜帶效果達(dá)不到要求，會(huì)導(dǎo)致諸多問題發(fā)生，如高摩阻和高扭矩，沉砂卡鉆，下套管與固井困難，鉆具磨損嚴(yán)重，測(cè)井儀器下入作業(yè)困難等，甚至導(dǎo)致鉆井作業(yè)可能被迫中止。然而，影響攜巖效果的一個(gè)最為重要的因素就是巖屑尺寸，根據(jù)斯托克斯定律，巖屑的沉降末速與巖屑粒徑的平方成正比，因此減小巖屑尺寸可以大大提高攜巖效率。前人研究和現(xiàn)場(chǎng)施工表明，在水平井和大位移井鉆井中，一般使用聚合物和油基鉆井液，小尺寸巖屑的攜巖效率明顯大于大尺寸巖屑。現(xiàn)場(chǎng)為了控制巖屑床，經(jīng)常進(jìn)行短起下鉆劃眼，甚至將鉆頭附近大顆粒巖屑推回井底重復(fù)破碎；采用低鉆壓和高轉(zhuǎn)速，使鉆頭第一次破碎產(chǎn)生的巖屑不致于過大，但這都會(huì)降低機(jī)械鉆速。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的第一目的在于粉碎巖屑，解決水平井和大位移井的攜巖難題，消除巖屑床。
[0004]本發(fā)明的第二目的在于利用反向水力脈沖空化射流抽吸井底流體及巖屑，減小井底壓差，消除壓持效應(yīng)，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。
[0005]為實(shí)現(xiàn)第一目的，本發(fā)明的射流磨鉆頭的射流粉碎裝置包括:
[0006]反向自振空化射流噴嘴，用于產(chǎn)生高聚能自振空化射流；通過合理設(shè)計(jì)噴嘴內(nèi)腔形狀，使流體通過噴嘴加速為高聚能自振空化射流，充分粉碎巖屑。
[0007]混合室，與高速射流噴嘴相連，用于將巖屑混入高速射流；高壓流體經(jīng)噴嘴高速噴出，壓力迅速釋放，在混合室內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，巖屑被高速吸入，并被高速射流束卷吸歸流，射流束外圍巖屑受混合室末端收縮體型設(shè)計(jì)的影響，在收縮段產(chǎn)生回流并匯入高速射流主流，形成兩相混合射流，在混合射流外部空間的巖屑則在剪切作用下高速流入加速管。
[0008]巖屑解離加速管，與混合室相連，用于解離帶微裂縫的巖屑，實(shí)現(xiàn)解離破碎，相間及顆粒之間的碰撞、互磨產(chǎn)生的沖擊壓力和剪切力造成顆粒的破碎，并實(shí)現(xiàn)對(duì)巖屑的加速；為了避免附壁流和提高射流能量利用率，對(duì)噴嘴直徑與加速管管徑配置進(jìn)行優(yōu)化。
[0009]粉碎靶體，與巖屑解離加速管相連，利用瞬間沖擊力、水楔粉碎巖屑；為了減小水墊增阻對(duì)粉碎的不利影響，靶面與加速管軸線設(shè)計(jì)呈一定角度。
[0010]粉碎倉，與粉碎靶面呈一定角度相連，用于對(duì)巖屑的再次粉碎。
[0011]旁通，與粉碎倉呈一定角度相連并接環(huán)空，用于降低混合流的流速，并將粉碎后的巖屑排入環(huán)空。
[0012]為實(shí)現(xiàn)第二目的，本發(fā)明的射流磨鉆頭的抽沙泵包括:[0013]井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道，與井底連通，用于攪動(dòng)巖屑與冷卻鉆頭，為了提高了巖屑攪動(dòng)和清洗效率，流道為不對(duì)稱設(shè)計(jì)。
[0014]鉆頭噴嘴，裝在井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道上，產(chǎn)生射流，該噴嘴射出的不對(duì)稱高速射流將井底巖屑沖擊成高濃度的湍流，使射流磨在無須附屬裝置的情況下實(shí)現(xiàn)高濃度吸入巖屑；噴嘴的不對(duì)稱布置提高了巖屑攪動(dòng)和清洗效率。
[0015]巖屑吸入管，連通井底與混合室，用于吸走井底巖屑，讓井底巖屑和氣流從吸入管上返。
[0016]反向自振空化射流噴嘴，其利用了射流泵的原理，即抽吸井底流體使井底局部壓力降低，減小井底壓差，從而促使巖屑脫離井底并加速上返，避免重復(fù)破碎，進(jìn)一步產(chǎn)生提速效果。旁通，與粉碎倉呈一定角度相連并接環(huán)空，用于降低混合流的流速，減小混合流對(duì)井壁的沖蝕，并將粉碎后的巖屑排入環(huán)空。
[0017]綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下良好效果:
[0018](I)所述的射流磨利用高聚能射流的超細(xì)粉碎技術(shù)能夠粉碎巖屑，大大降低水平井中巖屑的沉降末速，提高攜巖效率，消除水平井中的巖屑床。相比采用低鉆壓和高轉(zhuǎn)速、短起下鉆劃眼來控制巖屑床而言，本發(fā)明從根本上解決了巖屑床問題，并解放了鉆壓及提聞了鉆速。
[0019](2)本發(fā)明所述的反向高速射流噴嘴利用抽沙泵的原理，抽吸井底流體使井底局部壓力降低，減小井底壓差，從而促使巖屑脫離井底并加速上返，避免重復(fù)破碎，從而提高了機(jī)械鉆速。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為一種用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭的示意圖。
[0021]圖2為圖1中A-A剖面示意圖。
[0022]圖3為圖1中B-B剖面示意圖。
[0023]圖4為圖1中C-C剖面示意圖。
[0024]圖5為圖1中D-D首I]面不意圖。
[0025]圖6為圖1中E-E首I]面不意圖。
[0026]圖1為一種用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭的水眼和排屑孔布置示意圖；
[0027]圖8為一種用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭的反向自振空化射流噴嘴示意圖；
[0028]圖9為一種用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭的鉆頭水眼噴嘴示意圖；
[0029]圖中:1、旁通，2、粉碎倉，3、喉管，4、反向自振空化射流噴嘴，5、PDC鉆頭本體，6、鉆頭刀翼，7、粉碎靶體，8、解離加速管，9、混合室，10、巖屑吸入管，11、井底巖屑攪拌與清洗流道，12、鉆頭水眼噴嘴。
【具體實(shí)施方式】
[0030]如圖1所示，一種用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭，包括:1、旁通，2、粉碎倉，3、喉管，4、反向自振空化射流噴嘴，5、PDC鉆頭本體，6、鉆頭刀翼，7、粉碎靶體，8、解離加速管，9、混合室，10、巖屑吸入管，11、井底巖屑攪拌與清洗流道，12、鉆頭水眼噴嘴。概括起來主要為兩個(gè)主要部分:鉆頭底部的抽沙泵，射流磨。
[0031 ] 在鉆進(jìn)過程中，高壓鉆井液由主流道進(jìn)入，一部分鉆井液由反向自振空化射流噴嘴4噴出，形成高速空化脈沖射流，高速空化脈沖射流在混合室9產(chǎn)生負(fù)壓，此負(fù)壓通過巖屑吸入管10對(duì)井底流體和巖屑進(jìn)行抽吸，從而降低井底壓差，減小巖屑的壓持效應(yīng)，創(chuàng)造井底的欠平衡條件，提高機(jī)械鉆速。另一部分鉆井液進(jìn)入井底巖屑攪拌與清洗流道11由鉆頭噴嘴12噴出，所述鉆頭噴嘴12噴出的不對(duì)稱高速射流將井底巖屑沖擊成高濃度的湍流，使射流磨在無須附屬裝置的情況下實(shí)現(xiàn)高濃度吸入巖屑，井底巖屑攪拌與清洗流道11和鉆頭噴嘴12的不對(duì)稱設(shè)計(jì)提高了巖屑攪動(dòng)效率。井底高濃度巖屑湍流在反向自振空化射流噴嘴4的抽吸作用下經(jīng)巖屑吸入管10進(jìn)入混合室9。此部分為抽沙泵。
[0032]反向自振空化射流噴嘴4噴出高聚能空化脈沖射流，在混合室9產(chǎn)生負(fù)壓卷吸巖屑，巖屑在混合室9和喉管3處被匯入高聚能射流，高聚能射流在解離加速管8解離帶微裂縫的巖屑，實(shí)現(xiàn)解離破碎，相間及顆粒之間的碰撞、互磨產(chǎn)生的沖擊壓力和剪切力造成顆粒的破碎，并實(shí)現(xiàn)對(duì)巖屑的加速。高速巖屑高速?zèng)_擊粉碎靶體7，利用瞬間沖擊力、水楔粉碎巖屑。帶微裂縫的細(xì)小巖屑在粉碎倉2經(jīng)過多次反射碰撞進(jìn)一步粉碎，其速度降下來后由旁通排入環(huán)空。此部分為射流磨。
【權(quán)利要求】
1.一種用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭，其特征在于在現(xiàn)有鉆頭上加裝了射流粉碎裝置和高濃度湍流抽砂裝置。因此，射流磨鉆頭主要包括射流粉碎部和高濃度湍流抽砂部；所述的射流粉碎部，其特征在于有反向自振空化射流噴嘴、混合室、喉管、巖屑解離加速管、粉碎靶體、粉碎倉及旁通；高濃度湍流抽砂部，其特征在于有井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道、巖屑吸入管及鉆頭噴嘴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭，其特征在于井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道由前一個(gè)流道分為后三個(gè)流道；前一個(gè)流道連接鉆頭主流道，為圓管；后三個(gè)流道為前端直徑小、后端直徑大的圓管，直徑大的一端連接井底，并加裝了鉆頭噴嘴，且為不對(duì)稱布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭，其特征在于巖屑吸入管為圓管，底端連接鉆頭端部的邊緣，連通井底抽吸巖屑；巖屑吸入管上端連接混合室。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭，其特征在于巖屑解離加速管為圓管，其軸線與粉碎靶體的靶面呈135°夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭，其特征在于粉碎倉的形狀為六方體，其橫截面為所述巖屑解離加速管截面的外接正方形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的用于水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭，其特征在于旁通為圓管，其橫截面為所述粉碎倉橫截面的外接圓。
【文檔編號(hào)】E21B7/18GK103790521SQ201310654747
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】高德利, 陳緒躍, 郭柏云, 韋紅術(shù) 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)