[发明专利]一种可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具

说明书

本发明为一种可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具，主要由拉杆、上壳体A、O形密封圈A、限位环、上壳体B、碟簧、O形密封圈B、外壳A、外壳B、脉冲发生器、下壳体、心轴、涡轮、阀A、套筒、阀B、下接头组成，其结构特征是：拉杆通过花键与上壳体B相连；上壳体A、上壳体B、外壳A、外壳B、下壳体、下接头依次通过螺纹彼此连接；钻井液进入脉冲发生器，由此产生第一次压力脉冲；随后钻井液驱动涡轮旋转，以此带动心轴上的阀A转动，阀A与固定不动的阀B产生过流面积变化，产生第二次压力脉冲；两次压力脉冲叠加，使拉杆产生轴向振动，将钻具与井壁的静摩擦转化为动摩擦，减小摩阻,本发明可有效解决非常规钻井摩擦大等问题。

技术领域

本发明涉及一种可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具，属石油、天然气开采钻井工具技术领域。

背景技术

随着石油的不断开采，较大数量的长水平、大斜度及多分支水平井需要挖掘。国内在开采长水平、大斜度及多分支水平井中出现许多类似托压、卡钻、钻具断裂类似的问题，导致钻井效率较低，开发周期较长，开发成本比较高，达不到井身轨迹的设计要求，目的层中靶率低，钻井液的携岩能力低和振动效果不理想。这是制约长水平、大斜度及多分支水平井发展的主要瓶颈。这些问题出现的原因主要是钻柱与井壁之间的摩擦比竖直井更大。在滑动钻进过程中，钻柱与井壁之间保持相对静止的状态，静摩擦力比动摩擦力大，所以可以考虑将较大的静摩擦力转换为较小的动摩擦力。

因此，降低长水平、大斜度及多分支水平井段中钻具与井壁的摩擦力，是提高长水平、大斜度及多分支水平井延伸钻进进尺的关键。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有长水平、大斜度及多分支水平井等非常规井钻井摩擦大，导致的钻井效率较低，开发周期较长，开发成本比较高和钻井液的携岩能力低和振动效果不理想的问题，设计一种可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具。

为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种可改变钻井液流动状态的涡轮式组合减摩阻工具，由拉杆、上壳体A、O形密封圈A、限位环、上壳体B、碟簧、O形密封圈B、外壳A、外壳B、脉冲发生器、下壳体、心轴、涡轮、阀A、套筒、阀B、下接头组成，其技术特征在于，拉杆通过花键与上壳体B相连；上壳体A、上壳体B、外壳A、外壳B、下壳体、下接头依次通过螺纹彼此连接；流体入口锥位于拉杆进口流道处，相当于一个渐缩管，用于提升流体压差，提升压差效果的好坏与流体入口锥的锥角和小端直径与大端直径之比有关，在本发明中锥角大小为30°，这样流体损失系数小，压差提升大；O形密封圈A安装于上壳体A内，用于密封上壳体A与拉杆间的间隙；限位环位于上壳体B内，轴向定位于上壳体A下端面，防止拉杆脱离壳体；碟簧安装于上壳体B与外壳A之间，本发明采用普通矩形截面的双片碟簧来使拉杆回位；O形密封圈B设置于拉杆下端环槽内，用于将钻井液压力都作用于拉杆上；脉冲发生器安装于外壳B内，轴向上端定位于外壳A，轴向下端和周向定位于外壳B，脉冲发生器流道的设计使钻井液产生正反向涡流，由此产生压力脉冲，流道的结构设是脉冲产生的关键，本发明中脉冲发生器产生的脉冲频率可以达到10HZ到15HZ；心轴安装于下壳体和下接头内，位于中心和轴向位置；涡轮设置于心轴上，利用下壳体内部一台阶和下接头进行轴向定位，涡轮将线性流体流动转换为旋转流体流动，其中旋转流体流动运动通过心轴从涡轮传递到阀A和阀B，涡轮的组数直接影响将线性流体流动转换为旋转流体流动的效率，本发明采用8组涡轮；阀A与阀B位于心轴上，通过套筒与下接头进行定位，此阀组产生的过流面积变化引起的水力脉冲频率可以达到10HZ到20HZ，；所述拉杆位于正常位置时，碟簧处于松弛状态；当钻井液从拉杆上端进入，随后从主流道进入脉冲发生器的进口孔，通过加速流道加速后，钻井液可以从下分流道和上分流道流过，但由于附壁效应，钻井液只会沿着其中一条分流道流动，这里假设从下分流道进入，随后钻井液会进入油液室形成涡流，此时进口孔的会因压力增高产生吸力，钻井液会从上回流道进入上环流道，然后从下环流道流入下扰流道，此时的钻井液会对从加速流道出来的液体产生干扰，加速流体会从下分流道转向上分流道，这时油液室内的钻井液会从出口孔流出，钻井液在油液室内会从顺时针方向变换为逆时针方向，以此循环往复，在脉冲发生内会发生第一次水力脉冲；钻井液从出口孔进入主流道，流过涡轮使动心轴旋转，以此带动阀A旋转；阀B固定，不随心轴转动，由此产生过流面积的变化，在阀处产生第二次水力脉冲；钻井液的水力脉冲会作用于拉杆上，使其产生轴向振动，此时碟簧处于拉长或者压缩状态使处于极限位置的拉杆复原；先后两次产生的压力脉冲叠加，其脉冲频率可以在20HZ到30HZ之间稳定变化，改变了钻井液的流动状态，使钻进时的静摩擦变为动摩擦，减少了摩阻，提升了钻进速度。