一种超高压水射流与机械冲击耦合破岩钻井提速装置

1.本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及一种超高压水射流与机械冲击耦合破岩钻井提速装置。


背景技术：

2.随着井深增加，岩石所受围压呈线性增加，导致岩石塑性增加，这是深井超深井机械钻速低、钻头磨损严重的主要原因之一，目前，在钻井提速方面主要通过研发新型钻头，开发辅助破岩工具等方式来实现钻井提速，其中水射流辅助破岩方式因其可操作性强、破岩效率高，在石油钻探领域得到广泛应用。目前高压水射流主要通过清洗道具冲走岩石碎屑、扩展裂隙造成岩石破碎等以达到辅助破岩。在钻头优选方面，存在钻头先期磨损，寿命短、机械钻速小于1m/h，不能满足高含砾岩、白云岩等难钻层段提速目标，需要创新破岩方式。在工具配套方面，垂钻工具国外技术垄断(占80％以上工作量)，国产工具性能欠稳定；工具使用效果井间差异大，需要增加垂钻系统的可靠性。
3.因此，本发明提出一种超高压水射流与机械冲击耦合破岩钻井提速装置，将高压喷嘴以一定的偏心距(0＜e＜钻头尺寸)布置在钻头上，在旋转钻进过程中高压喷嘴会绕钻头轴线做旋转运动，从而实现岩石的连续破坏，进而在井底切出圆形的凹槽，切断地应力对井底岩石的作用，减小岩石的强度，岩石将呈现出脆性特征，大幅提高钻井速度。


技术实现要素：

4.为了解决当前深层岩石所受围压较高导致岩石可钻性低的问题，本发明提出了一种超高压水射流与机械冲击耦合破岩钻井提速装置，该装置除了具备一般高压水射流辅助破岩的功能外，还可以卸载井底岩石的有效应力，提高机械破岩速度，从而提高钻井速度。
5.一种超高压水射流与机械冲击耦合破岩钻井提速装置，所述提速装置包括同轴且依次连接的超高压射流增压器、水力冲击器和超高压钻头，所述超高压射流增压器设置有普通钻井液流道和超高压流道，普通钻井液流道顶端连通钻柱、底端设置进水阀并与增压缸总成一端连接，增压缸总成另一端与超高压流道顶部连接，超高压流道顶端设置出水阀，所述进水阀与出水阀异步开闭，超高压流道底部与超高压流道连接装置连接，所述超高压流道穿过水力冲击器的轴心，所述普通钻井液流道上设置有钻井液侧向出口，钻井液通过侧向出口流入水力冲击器、驱动水力冲击器内的涡轮、阀盘转动产生冲击力作用到超高压钻头上，所述超高压钻头包括钻头常规流道、钻头超高压流道、常规喷嘴和超高压喷嘴，钻头超高压流道顶端连接超高压流道连接装置、底端连接超高压喷嘴，超高压喷嘴布置在偏心距小于钻头尺寸的刀翼上，经水力冲击器内部流道流出的钻井液经钻头常规流道由常规喷嘴喷出。
6.进一步地，所述超高压射流增压器包括上部转换接头、花键外筒、柱塞轴、上弹簧外筒、刚性挡圈、上弹簧、上弹簧固定装置、柱塞、密封总成、进水阀、增压缸固定钢套、增压缸总成、出水阀、超高压流道和超高压流道连接装置，上部转换接头上端与钻柱连接、下端
与柱塞轴螺纹连接，柱塞轴上端设有花键与花键外筒相配合、下端通过螺纹与柱塞连接，上部转换接头带动柱塞轴与柱塞能够上下活动，上弹簧外筒上端与花键外筒下端螺纹连接、下端与增压缸外筒上端螺纹连接，刚性挡圈安装在柱塞轴上，上弹簧固定装置固定在上弹簧外筒内，上弹簧通过上弹簧固定装置安装在上弹簧外筒内部并套设在柱塞轴上，密封总成安装在柱塞的底端周围，柱塞底部与增压缸总成连接，进水阀设置在柱塞的普通钻井液流道底端中心，增压缸总成安装在增压缸外筒内部，增压缸固定钢套顶端与上弹簧外筒底端台阶相抵、底端与增压缸总成外围顶端相抵，增压缸总成外围底端与涡轮轴固定钢套顶端相抵，增压缸总成的底端设有出水阀，出水阀与通超高压流道连接，超高压流道底端与超高压流道连接装置相连。
7.进一步地，钻柱能够带动上部转换接头、柱塞轴、刚性挡圈、上弹簧固定装置和柱塞一起运动，当钻柱向上运动过程中会带动上部转换接头、柱塞轴、刚性挡圈、上弹簧固定装置和柱塞一起向上运动，增压缸内产生负压，钻井液吸入增压缸总成，当钻柱向下运动过程中，带动活塞向下运动，被压缩的钻井液通过超高压流道进入到超高压喷嘴，形成超高压射流。
8.进一步地，所述水力冲击器包括涡轮轴固定钢套、扶正器、涡轮、涡轮轴，阀盘、阀座、冲击器套筒、下弹簧固定装置、下弹簧、下弹簧外筒和下部转换接头，涡轮轴固定钢套、扶正器、涡轮和阀盘依次同涡轮轴相连，在扶正器底端与阀座顶端之间设置冲击器套筒，阀座底端与增压缸外筒底部内台阶面相抵，增压缸外筒底部与下弹簧外筒顶部螺纹连接，下弹簧通过下弹簧固定装置安装在下弹簧外筒内，活塞座、下弹簧固定装置和下部转换结构依次连接成一体。
9.进一步地，涡轮轴固定钢套通过螺纹与涡轮轴顶部相连，涡轮轴固定钢套、扶正器、冲击器套筒和阀座依次抵接在增压缸外筒内，涡轮与阀盘设置在冲击套筒内；柱塞上设置有钻井液侧向出口，钻井液经侧向出口流出依次经过增压缸总成、涡轮轴固定钢套、扶正器、涡轮、阀盘、阀座、活塞座和下部转换接头的内部流道产生冲击力作用到超高压钻头上。
10.进一步地，超高压流道穿过涡轮轴固定钢套、涡轮轴、阀盘、阀座、下弹簧固定装置和下部转换接头的轴心与超高压流道连接装置相连。
11.有益效果：本发明将超高压流道与常规流道布置在钻头内部，高压喷嘴布置在偏心距小于钻头尺寸的刀翼上，在旋转钻进过程中高压喷嘴会绕钻头轴线做旋转运动，从而实现岩石的连续破坏，进而在井底切出圆形的凹槽，切断地应力对井底岩石的作用，减小岩石的强度，岩石将呈现出脆性特征，辅助常规喷嘴用于清洗井底，防止压持效应；冲击装置产生的冲击力通过下部转接头作用到钻头上，从而提高钻头的破岩效率，大幅提高钻井速度。
附图说明
12.图1为本发明的结构示意图；
13.图2为涡轮示意图；
14.图3为阀盘示意图；
15.图4为阀座示意图；
16.图5为a-a截面图；
17.图6为b-b截面图。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
19.本发明提供的一种超高压水射流与机械冲击耦合破岩钻井提速设备，其结构如图1所示，包括同轴设计并依次连接的超高压射流增压器、水力冲击器和超高压钻头。
20.如图1所示，超高压射流增压器包括，上部转换接头1的上端连接钻柱，下端与柱塞轴 3通过螺纹连接，柱塞轴3设有花键与花键外筒2相配合，可用于传递扭矩并允许柱塞轴上下活动，刚性挡圈5安装在柱塞轴3上防止下部钻具的脱落。上弹簧外筒4上端与花键外筒 2下端通过螺纹连接。上弹簧6通过上弹簧固定装置7安装在上弹簧外筒4内部，用于传递钻压，并且将钻柱轴向无规律的运动调制为有规律的运动。增压缸外筒9上端与上弹簧外筒 4通过螺纹连接。柱塞8上端与柱塞轴3底端通过螺纹连接，密封总成10安装在柱塞8的底端周围，防止超高压流体的溢出，进水阀11设在柱塞8的底端中心。增压缸总成13安装在增压缸外筒9内部，固定钢套12顶端与上弹簧外筒4底端台阶相抵，增压缸总成13外围顶端与增压缸固定钢套12底端相抵，增压缸总成13外围底端与涡轮轴固定钢套16顶端相抵。超高压流道15顶端设有出水阀14，超高压流道15底端与超高压流道连接装置27相连。超高压流道连接装置用于连接超高压钻头内部的超高压流道和钻柱内部的超高压流道。
21.由于钻柱的纵向振动，钻柱带动上部转换接头，柱塞轴，刚性挡圈、上弹簧固定装置、柱塞一起运动，当钻柱向上运动过程中会带动上部转换接头，柱塞轴，刚性挡圈、上弹簧固定装置、柱塞一起向上运动，增压缸内产生负压，钻井液吸入增压缸，当钻柱向下运动过程中，带动活塞向下运动，被压缩的钻井液通过超高压流道进入到钻头的喷嘴，形成超高压射流，用于井底岩石的切槽。
22.如图1所示，水力冲击器包括涡轮轴固定钢套16通过螺纹与涡轮轴20相连，涡轮轴固定钢套16底端与扶正器17顶端相抵。扶正器17底端与冲击器套筒18顶端上部相抵。涡轮 19顶端与扶正器17下部相抵。涡轮轴20底端与阀盘21顶端通过螺纹连接。阀座22顶端与击器套筒18底端相抵。阀座22底端与增压缸外筒9底端台阶相抵。增压缸外筒9底端与下弹簧外筒25顶端通过螺纹连接。下弹簧24通过下弹簧固定装置23安装在下弹簧外筒25内部。下弹簧外筒25底端与下部转换接头26顶端通过螺纹连接。超高压流道15底端穿过涡轮轴固定钢套16、涡轮轴20、阀盘21、阀座22、下弹簧固定装置23和下部转接头26的轴心与超高压流道连接装置27相连。
23.如图1所示超高压钻头包括常规流道28顶端连接下部转接头26的底端，常规流道28底端连接常规喷嘴30。钻头超高压流道29顶端连接超高压流道连接装置27，钻头超高压流道 29底端连接超高压喷嘴31。超高压喷嘴31布置在偏心距小于钻头尺寸的刀翼上。
24.本发明的一种超高压水射流与机械冲击耦合破岩钻井提速装置在使用时，上部转换接头 1的上端连接钻杆。工作时由于钻柱的纵向振动，钻柱带动上部转换接头1、柱塞轴3、刚性挡圈5、柱塞8一起向下运动，此时进水阀11关闭，出水阀14开启，增压缸总成13内部的钻井液被增压，增压后的超高压流体通过超高压流道15经超高压流道连接装置28，流入
钻头超高压流道29，最终通过超高压喷嘴31喷出，形成超高压水射流，用来破碎岩石。由于超高压喷嘴31以小于钻头尺寸的偏心距布置在刀翼上，并且超高压钻头在井底旋转，因此会造成井底岩石的连续破坏从而形成圆形凹槽，进而切断水平地应力对井底岩石的作用，从而降低岩石的强度。当钻柱带动上部转换接头1、柱塞轴3、刚性挡圈5、柱塞8一起向上运动时，此时进水阀11开启，出水阀14关闭，增压缸总成13内部的腔体形成负压，钻井液经上部转换接头1、柱塞轴3和柱塞8的中心流道吸入增压缸内，从而完成一个增压周期。
25.在流体的增压过程中，由于柱塞8的中心流道开有侧向出口，钻井液会连续不断的通过侧向出口流出并依次通过增压缸总成13内部流道，涡轮轴固定钢套16内部流道，扶正器17 内部流道从而驱动涡轮19的旋转，由于涡轮19与阀盘21安装在涡轮轴20上，因此带动阀盘21一同转动。阀盘21与阀座22的内部均设有钻井液流道，钻井液可通过阀盘21与阀座 22的流道流入下部钻具，由于阀盘21的转动，从而使得阀盘21与阀座22的流道面积的变化，当面积变大时，作用在下弹簧固定装置23上的力变大，从而驱动下弹簧固定装置23，下部转换接头27一同向下运动，进而使得冲击力作用到超高压钻头上；当面积变小时，，作用在活塞座23上的力变小，使得下弹簧驱动下弹簧固定装置23，下部转换接头27一同向上运动。从而使得超高压钻头上的冲击力周期性变化，进而破碎井底岩石。
26.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。