专利名称：吸振式井下液压脉冲发生装置及其钻井方法
技术领域：
本发明属于石油、天然气钻井领域，具体的说，涉及一种吸收钻井过程中钻柱的纵向振动能量从而产生井下钻井液液压脉冲来提高井底破岩效率、增大井底排除岩屑效果的装置及其钻井方法。
背景技术：
油气钻井过程可以简单的描述为钻柱长度不断增加、钻头不断破岩、井底射流不断清除岩屑、环空钻井液不断携岩从而使得井深不断增加的过程。钻柱的最大长度受限于本身强度、井架承载能力等，目如对机械钻速的提闻影响相对较小；而钻头的破岩能力、井底岩屑清洁速率、环空钻井液携岩效果成为影响钻井速度的主要因素。实践表明:将井底连续喷射的钻井液调制为脉冲喷射，即脉冲射流，可以降低岩石的破碎难度，提高井底岩屑的清洁能力，从而起到提高钻速的效果。为此，石油科研专家研制了井下脉冲射流发生装置，从而在不改变地面设备的基础上，利用特殊的机构在井底实现流体的通阻变换或者周期性震荡，达到在井底产生脉冲射流的目的。测试及现场表明，这些思路能够产生脉冲射流并且提高钻井的速度。然而，这类设计思路并非完美，主要表现在以下几个方面:(1)这类装置仅是对原有钻井液能量的重新分配，不但无外界能量的引进，还要损失掉一部分能量；(2)提速的原因为改变井底岩石受力状态，提高钻井液的清岩效果，还存在更加理想的设计；钻井液的能量随着井深的增加而降低，装置的提速效果也会受到影响；(4)脉冲的振幅较小。众所周知，钻柱的振动现象是在直井钻井中经常遇到的复杂情况。它不仅影响到钻井的施工效率，且频繁剧烈地发生时还会造成钻柱的断裂破坏等事故，从而加大了施工成本，造成了比较大的经济损失，减轻钻柱的振动尤其是直井中的纵向振动其意义就变得不容忽视。现有减轻钻柱震动的方法是利用减震器将振动能量装化为液压油的弹性势能和内能，或者减震器内弹簧间的摩擦能释放掉，这不仅是能量的浪费，而且产生的热也会影响井下工具性能。
发明内容
本发明针对现有油气钻井过程中存在的上述不足，利用在钻井过程中钻柱纵向振动及钻压的波动，提供了一种吸振式井下液压脉冲发生装置及其钻井方法，使其能够有效地对井底全部钻井液进行周期性压缩增压，实现钻柱振动能量的转移及脉冲射流的发生，从而降低岩石的破碎难度，提高井底岩屑的清洁能力和钻井过程的机械钻速。本发明的技术方案是:一种吸振式井下液压脉冲发生装置，该装置包括钻柱联动体和钻柱分动体，其中，钻柱联动体包括工具上接头、芯轴和套装在芯轴中部外侧的限位体，钻柱分动体包括柱塞缸外筒、钻头、套装在芯轴上部的花键外筒和与花键外筒连接的工具中心接头，柱塞缸外筒的底部与钻头连接，顶部与工具中接头连接；柱塞缸外筒的内部安装有柱塞头，柱塞头通过芯轴与工具上接头连接，柱塞头的上部开有分流孔，下部安装有控制单向阀；限位体与工具中接头之间连接有弹性复位元件。优选的是，花键外筒和工具中接头通过套装在限位体和弹性复位元件外部的保护筒连接；工具中心接头的下部内侧设置有下部密封总成，芯轴、下部密封总成、柱塞头和安装在柱塞外套内的柱塞缸套组成一个调速腔体。优选的是，柱塞缸套的内部形状设置为喇叭口状，柱塞缸套的一端与设置在柱塞缸外筒内的台阶连接，另一端与工具中心接头连接；柱塞缸套和柱塞头之间设置有滑动密封总成。优选的是，花键外筒的顶部连接有上部密封装置，芯轴、上部密封装置、花键外筒、保护筒、弹性复位元件、工具中心接头和下部密封总成组成一个密封的腔体，该腔体内充注有润滑油。优选的是，上部密封装置包括上部密封总成压盖和上部密封总成，上部密封总成压盖安装在花键外筒的顶部，上部密封总成安装在芯轴和花键外筒的顶部之间。优选的是，芯轴的上端设置有外花键，花键外筒设置有与外花键相配合的内花键，内花键长于外花键，且内花键和外花键可以相对滑动。优选的是，限位体的外径大于外花键和内花键的外径。优选的是，弹性复位元件为机械弹簧、或液压弹簧、或橡胶弹簧。本发明还提供了一种利用脉冲射流钻井的方法，其钻井步骤为:利用钻柱的纵向振动及钻压波动，通过脉冲发生装置的钻动联动体与钻柱分动体产生相对运动，使得其内部的柱塞泵产生的相对运动，周期性压缩柱塞缸里面的钻井液从而产生脉冲射流，并利用产生的脉冲射流改善井底受力状态及清岩效果从而提高钻井速度，实现快速钻井。优选的是，脉冲发生装置产生脉冲射流的过程为:当钻柱向下振动时，即钻压增大时，钻柱联动体相对于钻柱分动体向下运动，柱塞缸内体积减小，弹性复位元件压缩蓄能，柱塞头的运动速度先增加后减小，当该速度大于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀关闭，此时柱塞缸内的钻井液与弹性复位元件共同来分担钻压的增大，柱塞缸内的钻井液压力增加；当该速度小于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀开启，钻井液常压流入钻头喷射；当钻柱向上振动时，即钻压减小时，柱塞头相对于柱塞缸向上运动，弹性复位元件释放能量并加速工具的复位，控制单向阀开启，钻井液进入柱塞缸内，由于流道的截面效应，柱塞缸内压力低于正常压力，压力周期性增大与降低的射流即为脉冲射流。本发明的有益效果是:(I)本发明发生装置能够有效地对井底全部钻井液进行周期性压缩增压，实现钻柱振动能量的转移及脉冲射流的发生，实现了井底射流的脉冲射流调制，且脉冲的幅值较高。(2)本发明产生的脉冲射流平均压力高于不加该装置的平均压力，破岩及携岩能力增强，降低了岩石的破碎难度。(3)本发明发生装置实现了钻柱振动能量的转移，并对其进行有效利用，减小了钻柱振动产生的危害，可有效延长钻具的使用寿命，降低钻具的使用成本，降低钻进过程的风险。(4)本发明工具的能量源随着井深的增加而增加，工具的使用效果更显著。(5)本发明发生装置的原理及结构简单，易于生产、维修及使用。(6)本发明发生装置产生的脉冲射流可以应用于任何钻头，由于在井底产生流场的大幅度脉动，能够实现对钻头的泥包产生缓解。(7)本发明钻井方法利用脉冲发生装置将钻柱振动产生的能量进行转移，有效地利用钻柱振动产生的能量，实现脉冲射流的发生，钻井速度高。(8)本发明对排量难于增大导致的钻速低的情况提速尤为明显。
附图1为本发明具体实施例的结构图；附图2为本发明具体实施例A-A剖面图；附图3为本发明图1的局部放大图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步说明。具体实施例一:如图1至3所示，一种吸振式井下液压脉冲发生装置，该装置包括钻柱联动体和钻柱分动体，其中，钻柱联动体包括工具上接头1、芯轴2和套装在芯轴2中部外侧的限位体6，钻柱分动体包括柱塞缸、钻头16、套装在芯轴2上部的花键外筒5和与花键外筒5连接的工具中心接头9，柱塞缸外筒14的底部与钻头16连接，顶部与工具中接头9连接；柱塞缸外筒14的内部安装有柱塞头11，柱塞头11通过芯轴2与工具上接头I连接，柱塞头11的上部开有分流孔，用于保证柱塞头11上部空间液体补充从而不会长生过大的压力，下部安装有控制单向阀13，用于控制钻井液流向。限位体6与工具中接头9之间连接有弹性复位元件，弹性复位元件为机械弹簧8，用于转化钻柱振动或钻压波动产生的能量，此外，弹性复位元件还可以采用液压弹簧或者橡胶弹簧。限位体6和弹性复位元件的外部套装有保护筒7，该保护筒7连接在花键外筒5和工具中接头9之间。工具中心接头9的底部连接有下部密封总成10，芯轴2、下部密封总成10、柱塞头11和安装在柱塞外套14内的柱塞缸套15组成一个调速腔体。为了实现柱塞缸套15的限位，柱塞缸套15的一端与设置在柱塞缸外筒14内的台阶连接，另一端与工具中心接头9连接；为了便于柱塞缸套15的的安装，柱塞缸套15的内部形状设置为喇叭口状。为了头现缸套和柱塞头之间的无漏相对运动，柱塞缸套15和柱塞头11之间设直有滑动密封总成12。将上述连接在一起的工具上接头1、芯轴2、限位体6、柱塞头11、滑动密封总成12、控制单向阀13简称为钻柱联动体；并将上述连接在一起的上部密封装置、花键外筒5、保护筒7、工具中心接头9、下部密封总成10、柱塞缸外筒14、柱塞缸套15及钻头16简称为钻柱分动体。芯轴2的上端设置有外花键，花键外筒5设置有与外花键相配合的内花键，内花键长于外花键，且内花键和外花键可以相对滑动，从而实现在不影响钻柱联动体与钻柱分动体相互运动的前提下传递钻柱的扭矩。为了限制内、外花键的行程，保证钻柱联动体与钻柱分动体不会分离，上述限位体6的外径大于外花键和内花键的外径。花键外筒5的顶部连接有上部密封装置，芯轴2、上部密封装置、花键外筒5、保护筒7、弹性复位元件、工具中心接头9和下部密封总成10组成一个密封的腔体，该腔体内充注有润滑油
上述上部密封装置包括上部密封总成压盖3和上部密封总成4，上部密封总成压盖3安装在花键外筒5的顶部，上部密封总成4安装在芯轴2和花键外筒5的顶部之间。工作原理:当钻柱在钻井过程中振动时，随着钻柱的振动及钻压的波动，钻柱联动体与钻柱分动体产生相对运动，周期性的压缩柱塞缸里面的钻井液从而产生脉冲射流。当钻柱向下振动时，即钻压增大时，钻柱联动体相对于钻柱分动体向下运动，弹簧8压缩蓄能，钻柱联动体的运动速度先增加再减小，当该速度大于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀13关闭，此时柱塞缸内的钻井液与弹簧8共同来分担钻压的增大，柱塞缸内的钻井液压力增加；当该速度小于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀13开启，钻井液常压流入钻头喷射。当钻柱向上振动时，即钻压减小时，钻柱联动体相对于钻柱分动体向上运动，弹簧8释放能量并加速工具的复位，控制单向阀13开启，钻井液进入柱塞缸内，由于流道的截面效应，柱塞缸内压力低于正常压力，压力周期性增大与降低的射流即为脉冲射流。上述过程中钻井液的流程为:钻井液流经工具上接头I中心孔、芯轴2中心孔、到达柱塞头11、当钻柱向下振动时，随着钻压的增大，钻柱联动体的运动速度先增加再减小，当该速度大于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀13关闭，钻井液流入芯轴2、下部密封总成10、柱塞缸套15及柱塞头11组成的腔体内，不再进入柱塞缸，柱塞缸内钻井液压缩增压并通过钻头16的喷嘴喷出；当该速度小于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀13开启，芯轴2中心孔流过来的钻井液一同进入柱塞缸，此流体流入钻头喷出。当钻柱向上振动时，即钻压减小时，控制单向阀13 —直处于开启状态,芯轴2、下部密封总成10、柱塞缸套15及柱塞头11组成的腔体内钻井液流回芯轴2中心孔，与芯轴2中心孔流过来的钻井液一同进入柱塞缸，由于流道的截面效应，柱塞缸内压力略低于正常压力，此流体流入钻头喷出。具体实施例二:一种利用脉冲射流钻井的方法，其钻井步骤为:利用钻柱的纵向振动及钻压波动，通过脉冲发生装置的钻动联动体与钻柱分动体产生相对运动，使得其内部的柱塞泵产生的相对运动，周期性压缩柱塞缸里面的钻井液从而产生脉冲射流，并利用产生的脉冲射流改善井底受力状态及清岩效果从而提高钻井速度，实现快速钻井。脉冲发生装置产生脉冲射流的过程为:当钻柱向下振动时，即钻压增大时，钻柱联动体相对于钻柱分动体向下运动，柱塞缸内体积减小，弹性复位元件压缩蓄能，柱塞头的运动速度先增加后减小，当该速度大于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀关闭，此时柱塞缸内的钻井液与弹性复位元件共同来分担钻压的增大，柱塞缸内的钻井液压力增加；当该速度小于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀开启，钻井液常压流入钻头喷射；当钻柱向上振动时，即钻压减小时，柱塞头相对于柱塞缸向上运动，弹性复位元件释放能量并加速工具的复位，控制单向阀开启，钻井液进入柱塞缸内，由于流道的截面效应，柱塞缸内压力低于正常压力，压力周期性增大与降低的射流即为脉冲射流。上述装置仅为实现该方法的一种，不作为该钻井方法的限制，且采用该方法实现的钻井液液压脉冲钻井均属于保护范围之中。
权利要求
1.一种吸振式井下液压脉冲发生装置，其特征在于:该装置包括钻柱联动体和钻柱分动体，其中，钻柱联动体包括工具上接头(I)、芯轴(2)和套装在芯轴中部外侧的限位体(6)，钻柱分动体包括柱塞缸外筒(14)、钻头(16)、套装在芯轴(2)上部的花键外筒(5)和与花键外筒(5)连接的工具中心接头(9)，柱塞缸外筒(14)的底部与钻头(16)连接，顶部与工具中接头(9)连接；柱塞缸外筒(14)的内部安装有柱塞头(11)，柱塞头(11)通过芯轴(2)与工具上接头(I)连接，柱塞头(11)的上部开有分流孔，下部安装有控制单向阀(13);限位体(6)与工具中接头(9)之间连接有弹性复位元件。
2.根据权利要求1所述的吸振式井下液压脉冲发生装置，其特征在于:花键外筒(5)和工具中接头(9)通过套装在限位体(6)和弹性复位元件外部的保护筒(7)连接；工具中心接头(9)的下部内侧设置有下部密封总成(10)，芯轴(2)、下部密封总成(10)、柱塞头(11)和安装在柱塞外套(14)内的柱塞缸套(15)组成一个调速腔体。
3.根据权利要求2所述的吸振式井下液压脉冲发生装置，其特征在于:柱塞缸套(15)的内部形状设置为喇叭口状，柱塞缸套(15)的一端与设置在柱塞缸外筒(14)内的台阶连接，另一端与工具中心接头(9)连接；柱塞缸套(15)和柱塞头(11)之间设置有滑动密封总成(12)。
4.根据权利要求2所述的吸振式井下液压脉冲发生装置，其特征在于:花键外筒(5)的顶部连接有上部密封装置，芯轴(2)、上部密封装置、花键外筒(5)、保护筒(7)、弹性复位元件、工具中心接头(9 )和下部密封总成(10 )组成一个密封的腔体，该腔体内充注有润滑油。
5.根据权利要求4所述的吸振式井下液压脉冲发生装置，其特征在于:上部密封装置包括上部密封总成压盖(3)和上部密封总成(4)，上部密封总成压盖(3)安装在花键外筒(5)的顶部，上部密封总成(4)安装在芯轴(2)和花键外筒(5)的顶部之间。
6.根据权利要求1或2任意一项所述的吸振式井下液压脉冲发生装置，其特征在于:芯轴(2)的上端设置有外花键，花键外筒(5)设置有与外花键相配合的内花键，内花键长于外花键，且内花键和外花键可以相对滑动。
7.根据权利要求6所述的吸振式井下液压脉冲发生装置，其特征在于:限位体(6)的外径大于外花键和内花键的外径。
8.根据权利要求1所述的吸振式井下液压脉冲发生装置，其特征在于:弹性复位元件为弹簧(8 )、或液压弹簧、或橡胶弹簧。
9.一种利用脉冲射流钻井的方法，其特征在于:其钻井步骤为:利用钻柱的纵向振动及钻压波动，通过脉冲发生装置的钻动联动体与钻柱分动体产生相对运动，使得其内部的柱塞泵产生的相对运动，周期性压缩柱塞缸里面的钻井液从而产生脉冲射流，并利用产生的脉冲射流改善井底受力状态及清岩效果从而提高钻井速度，实现快速钻井。
10.根据权利要求9所述的利用脉冲射流钻井的方法，其特征在于:脉冲发生装置产生脉冲射流的过程为:当钻柱向下振动时，即钻压增大时，钻柱联动体相对于钻柱分动体向下运动，柱塞缸内体积减小，弹性复位元件压缩蓄能，柱塞头的运动速度先增加后减小，当该速度大于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀关闭，此时柱塞缸内的钻井液与弹性复位元件共同来分担钻压的增大，柱塞缸内的钻井液压力增加；当该速度小于柱塞缸内钻井液的流速时，控制单向阀开启，钻井液常压流入钻头喷射；当钻柱向上振动时，即钻压减小时，柱塞头相对于柱塞缸向上运动，弹性复位元件释放能量并加速工具的复位，控制单向阀开启，钻井液进入柱塞缸内，由于流道的截面效应，柱塞缸内压力低于正常压力，压力周期性增大与降低的射流即为脉冲 射流。
全文摘要
本发明属于石油、天然气钻井领域，涉及一种吸振式井下液压脉冲发生装置及其钻井方法，所述装置包括钻柱联动体和钻柱分动体，能够有效地对井底全部钻井液进行周期性压缩增压，实现钻柱振动能量的转移及脉冲射流的发生，实现了井底射流的脉冲射流调制，且脉冲的幅值较高，原理及结构简单，易于生产、维修及使用。本发明钻井方法利用脉冲发生装置将钻柱振动产生的能量进行转移，有效地利用钻柱振动产生的能量，实现脉冲射流的发生，钻井速度高。
文档编号E21B7/18GK103114809SQ201310047969
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者管志川, 刘永旺, 张洪宁, 史玉才, 廖华林 申请人:中国石油大学(华东)