[发明专利]环空分流短节(FDJ)及其相关计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于气体钻井的环空分流短节(Flow-Diverting Joint，简称“FDJ”)及其喷嘴的选用和井内压力计算方法。这种环空分流短节安装在钻柱的钻铤段之上，利用喷嘴分流部分钻井流体(气体)直接进入环空。

背景技术

在气体钻井过程中，常常出现以下问题：1)在软地层，从钻头喷嘴喷出的高速气体造成井径扩大；2)钻头喷嘴喷出的气体，使钻头温度降低，可能导致钻头冰包，引起钻头失效；3)各向异性井径扩大造成井斜。一般来讲，可以通过减小注入流量来减少这些问题。

当使用平底空气锤钻头，由于其钻压较低，其本身并不造成井斜，但是实际钻井过程当中仍然发生井斜。这主要是由于钻头喷嘴处的高速气体引起井径扩大造成的，而减小过钻头流量可以减轻这种现象。

当气体通过钻头喷嘴时，如果气体的速度接近甚至超过音速，气体将不能迅速扩张，钻头的喷射压力将与上游压力无关(钻柱内压力与环空压力无关)。在这种情况下，由于钻屑积累而导致环空的压力升高时，而立管压力仍然正常。因此，司钻不能及时发现钻屑在井内堆积。

当高速的气流通过钻头，由于气体的热力学效应，钻头的温度会下降许多，当温度下降到0度以下过后，钻头可能就会被冰包，从而导致钻头失效。钻头冰包后可能导致流入环空的气体量减少，造成井眼不清洁问题。甚至当温度还在0度以上，在使用天然气钻井的时候，也很有可能出现天然气水合物，也会造成井眼不清洁问题。

解决上述问题最好的方法就是在气体到达钻头之前提前释放一部分气体流量到环空中去，气体钻井中携岩的关键点在钻柱的钻杆段和钻铤段连接处，所以应该在钻铤段上端分流钻井流体。

为此，我们设计了一种新的旁通工具，即：环空分流短节(FDJ)。更重要的是发明了确定在给定操作环境下环空分流短节(FDJ)的喷嘴尺寸，以及安装环空分流短节后评价井内气体携岩能力指标的计算方法。

发明内容

本发明的目的在于通过环空分流短节的喷嘴在钻铤段上端分流适量的钻井流体(气体)进入环空，使得在保证井眼清洁的前提下，以解决上述气体钻井井眼扩大、钻头冰包及井斜等问题。其计算内容主要包括：气体钻井最小注入量及注入压力、分流短节喷嘴直径的确定、给定注入量的全井压力、气体速度、气体密度、气体动能及动能指数随井深的变化等。

为此本发明提出了一种环空分流短节，其中所述环空分流短节包括具有旁通孔道的中空分流短节喷头体和与之相配套的钻杆接头。所述环空分流短节喷头体具有3个或多个用于安装喷嘴的孔道，每个孔道均能安装合适的喷嘴，喷嘴的喷射方向沿钻柱轴线向上，喷嘴的大小可以根据需要调整，甚至可以安装堵头。分流短节喷头体下部与钻铤相连，上部与分流短节钻杆接头相连。分流短节钻杆接头下部与分流短节喷头体相连，上部与钻杆相连。

如上述环空分流短节，其喷嘴可采用普通三牙轮钻头喷嘴，通过卡簧固定在喷头体的喷嘴孔道中，通过密封圈实现密封。

本发明还提出了一种分流短节分流计算的设计方案，包括分流量的确定，分流喷嘴组合，以及安装分流短节后环空携岩能力指标的计算。

本发明的环空分流短节，安装于钻铤段与钻杆段连接处，通过喷头体上的喷嘴使得钻杆中的钻井流体在到达井底之前通过环空分流短节流出一部分流体进入环空，减小了常规气体钻井过程中因钻头处气流过大而引起井径扩大，气体热力学效应引起钻头处温度降低甚至冰包，各向异性井径扩大造成的井斜。增加了气体钻井安全性。

本发明的环空分流短节最小注入流量计算方法是从井眼环空流出口开始，通过对井眼的自动划分计算单元段，运用气体环空流压力计算公式计算到钻铤段上端的气体压力和温度，从而根据最小动能法原理计算最小需求注入流量。

本发明的环空分流短节分流量的确定方法是在给定流量Q0的情况下，从环空井口开始，计算到钻铤段上端，计算钻铤段上端的动能指数(气体携岩的一种指标)，再根据钻铤环空需要的动能指数计算钻头喷嘴处流过的流量Q1，那么环空分流短节所分流的流量即为Q＝Q0-Q1。

本发明的环空分流短节分流喷嘴直径的确定方法，是在计算出了分流短节分流流量Q后，再根据上诉所说的方法计算钻头的压力降和钻铤内的压力降，从而确定环空分流短节的内压力和温度分布，根据环空分流短节的内外压力、流量、温度计算环空分流短节的喷嘴过流截面积，从而确定喷嘴直径组合。