水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭，其特征在于在現(xiàn)有的鉆頭上加裝了射流粉碎裝置和高濃度湍流抽砂裝置，射流磨鉆頭包括：射流粉碎部，高濃度湍流抽砂部；所述的射流粉碎部其特征在于有反向高速射流噴嘴、混合室、喉管、巖屑解離加速管、粉碎靶體、粉碎倉(cāng)、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。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，進(jìn)一步減小井底壓差，提高鉆速；井底巖屑從巖屑吸入管抽吸排出，避免了氣體鉆井中近鉆頭處井壁沖蝕垮塌；井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道的特殊設(shè)計(jì)避免了氣體鉆井中鉆頭冰包。基于射流磨原理，巖屑經(jīng)過高速氣流超細(xì)粉碎技術(shù)進(jìn)一步粉碎，達(dá)到氣固懸浮流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，消除氣體鉆水平井中的巖屑床。
【專利說明】 水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于油氣鉆井領(lǐng)域，具體涉及一種用于水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭。

【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，攜巖是氣體鉆水平井的一個(gè)重要難題，巖屑一旦產(chǎn)生，脫離井底，則無(wú)論大小均難以再回到井底被重復(fù)破碎。小顆粒可以被氣流攜帶、進(jìn)人垂直段，再帶出井口，而大顆粒就滯留下井壁，堆積成床。巖屑床的堆積，進(jìn)一步從幾何阻礙和流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面影響其后方的井筒的正常攜巖，使井眼凈化進(jìn)一步惡化。如果巖屑攜帶效果達(dá)不到要求，會(huì)導(dǎo)致各種各樣問題的發(fā)生，如高扭矩和高阻力，沉砂卡鉆，下套管和固井困難，鉆具磨損大，測(cè)井儀器下井難等，那么鉆井可能被迫中止。現(xiàn)場(chǎng)為了控制巖屑床，經(jīng)常進(jìn)行很短距離地上提下放鉆具，使鉆頭提離井底后再回到井底，將鉆頭附近大顆粒巖屑推回井底重復(fù)破碎；限制鉆速，低鉆壓、高轉(zhuǎn)速，使鉆頭第一次破碎產(chǎn)生的巖屑不致于過大，但這都大大降低了機(jī)械鉆速。加大氣量對(duì)于提高偏心環(huán)空下部流道的攜巖能力有一定幫助，但效果非常差，并且近鉆頭處高速氣流對(duì)井壁沖涮嚴(yán)重，引起井壁垮塌。不僅如此，鉆頭噴嘴處的高速氣流很容易產(chǎn)生音速流，使得鉆頭溫度下降，鉆頭冰包，高速氣流沖蝕井底，使得鉆進(jìn)軌跡偏離設(shè)計(jì)軌道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的第一目的在于粉碎巖屑，解決氣體鉆水平井的攜巖難題，消除巖屑床。
[0004]本發(fā)明的第二目的在于解決氣體鉆井中，由于鉆頭噴嘴噴出的高速氣流使得近鉆頭處的井壁沖蝕垮塌、井眼偏離設(shè)計(jì)軌道、鉆頭冰包等問題。
[0005]本發(fā)明的第三目的在于利用反向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)一步提聞機(jī)械鉆速。
[0006]為實(shí)現(xiàn)第一目的，本發(fā)明的射流磨鉆頭的射流磨包括:
[0007]反向高速射流噴嘴，用于產(chǎn)生高聚能射流；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射流，充分粉碎巖屑。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]粉碎靶體，與巖屑解離加速管相連，利用瞬間沖擊力、氣楔粉碎巖屑；為了減小氣墊增阻對(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。
[0011]粉碎倉(cāng)，與粉碎靶面呈一定角度相連，用于對(duì)巖屑的再次粉碎。
[0012]旁通，與粉碎倉(cāng)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。
[0013]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:
[0014]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，該流道射出的不對(duì)稱高速流體將井底巖屑沖擊成高濃度的湍流，使射流磨在無(wú)須附屬裝置的情況下實(shí)現(xiàn)高濃度吸入巖屑；流道的不對(duì)稱設(shè)計(jì)提高了巖屑攪動(dòng)效率，為增加流體的沖擊面積，流道沒裝噴嘴，且為擴(kuò)張管，在氣體鉆井中，解決了鉆頭冰包的問題。
[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]反向高速射流噴嘴，其與巖屑吸入管通過混合室相連，用于產(chǎn)生負(fù)壓。反向噴嘴避免了氣體鉆井中高速氣流使得近鉆頭處的井壁沖蝕垮塌，氣流沖蝕井眼使其偏離設(shè)計(jì)軌道。
[0017]旁通，與粉碎倉(cāng)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。
[0018]為實(shí)現(xiàn)第三目的，本發(fā)明的射流磨鉆頭的設(shè)計(jì)了反向高速射流噴嘴:
[0019]反向高速射流噴嘴，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)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械鉆速的提聞。
[0020]綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021](1)、所述的射流磨利用高聚能射流的超細(xì)粉碎技術(shù)能粉碎巖屑、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。相比采用低鉆壓高轉(zhuǎn)速、短程起下鉆來(lái)控制巖屑床來(lái)說，本發(fā)明從根本上解決了巖屑床問題，并解放了鉆壓，提高了鉆速。
[0022](2)、在氣體鉆水平井中，為了控制巖屑床通常加大注氣量，井底噴嘴噴出的高速氣流，使得近鉆頭處的井壁沖蝕垮塌、井眼偏離設(shè)計(jì)軌道、鉆頭冰包，本發(fā)明所述的射流磨鉆頭水力結(jié)構(gòu)一并解決了上述問題。
[0023](3)、本發(fā)明所述的反向高速射流噴嘴利用射流泵的原理，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，提高了機(jī)械鉆速。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為一種用于水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭的示意圖。
[0025]圖2為圖1中A-A剖面示意圖。
[0026]圖3為圖1中B-B剖面示意圖。
[0027]圖4為圖1中C-C剖面示意圖。
[0028]圖5為圖1中D-D剖面示意圖。
[0029]圖6為圖1中E-E首I]面不意圖。
[0030]圖7為一種用于水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭的水眼和排屑孔布置示意圖；
[0031]圖8為一種用于水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭的高速射流噴嘴示意圖；
[0032]圖中:1、旁通，2、粉碎倉(cāng)，3、喉管，4、反向高速射流噴嘴，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。

【具體實(shí)施方式】
[0033]如圖1所示，一種用于水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭，包括:1、旁通，2、粉碎倉(cāng)，3、喉管，4、反向高速射流噴嘴，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。概括起來(lái)主要為三個(gè)主要部分:鉆頭底部的抽沙泵，射流泵，射流磨。
[0034]在鉆進(jìn)過程中，高壓氣流由主流道進(jìn)入，一部分氣流由反向高速射流噴嘴4噴出，形成高速射流，高速射流在混合室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，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。此部分為射流泵。
[0035]高壓氣流由主流道進(jìn)入，一部分流體由井底巖屑攪拌與清洗流道11噴出，所述流道射出的不對(duì)稱高速流體將井底巖屑沖擊成高濃度的湍流，使射流磨在無(wú)須附屬裝置的情況下實(shí)現(xiàn)高濃度吸入巖屑，流道的不對(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高速射流噴嘴4的抽吸作用下經(jīng)巖屑吸入管10進(jìn)入混合室9。在氣體鉆井中，井底巖屑攪拌與清洗流道11可以不裝噴嘴，由于其噴出氣流流速較低，且?guī)r屑都從巖屑吸入管10上返，避免了高速氣流使得近鉆頭處的井壁沖蝕垮塌、井眼偏離設(shè)計(jì)軌道、鉆頭冰包等問題。此部分為抽沙泵。
[0036]反向高速射流噴嘴4噴出高聚能射流，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、氣楔粉碎巖屑。帶微裂縫的細(xì)小巖屑在粉碎倉(cāng)2經(jīng)過多次反射碰撞進(jìn)一步粉碎，其速度降下來(lái)后由旁通排入環(huán)空。此部分為射流磨。
【權(quán)利要求】
1.一種水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭，包括PDC鉆頭，PDC鉆頭刀翼，其特征在于在去除了 PDC鉆頭保徑部位的排屑槽，并在PDC鉆頭內(nèi)部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，高濃度湍流抽砂部； 所述的射流粉碎部，包括反向高速射流噴嘴、混合室、喉管、巖屑解離加速管、粉碎靶體、粉碎倉(cāng)及旁通；反向高速射流噴嘴入口與鉆頭的主流道連通，反向高速射流噴嘴的噴嘴出口位于混合室內(nèi)，混合室與喉管對(duì)接連通，喉管與巖屑解離加速管對(duì)接連通，巖屑解離加速管出口與粉碎倉(cāng)連通，粉碎倉(cāng)內(nèi)安有粉碎靶體正對(duì)著巖屑解離加速管出口，粉碎倉(cāng)與旁通連通； 所述的高濃度湍流抽砂部，包括井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道、巖屑吸入管及鉆頭噴嘴；井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道入口與鉆頭的主流道連通，井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道出口與鉆頭端部的清洗流道連接；巖屑吸入管入口與鉆頭端部排屑槽的外端連接，巖屑吸入管出口與混合室連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭，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)流道連通PDC鉆頭的主流道，為圓管；后三個(gè)流道為前端直徑小后端直徑大的圓管，直徑大的一端連接鉆頭端部的清洗流道，且為不對(duì)稱布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭，其特征在于巖屑吸入管為圓管，入口連接鉆頭端部排屑槽的外端，并向靠近切削齒一側(cè)布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭，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所述的水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭，其特征在于粉碎倉(cāng)的形狀為四方體，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或5所述的水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭，其特征在于旁通為圓管，其橫截面為所述粉碎倉(cāng)橫截面的外接圓。
【文檔編號(hào)】E21B10/60GK204040915SQ201320799366
【公開日】2014年12月24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】陳緒躍, 高德利, 郭柏云, 韋紅術(shù) 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)