[发明专利]水平井安全高效气体钻井射流磨钻头

说明书

技术领域

本发明属于油气钻井领域，具体涉及一种用于水平井安全高效气体钻井射流磨钻头。 

背景技术

众所周知，携岩是气体钻水平井的一个重要难题，岩屑一旦产生，脱离井底，则无论大小均难以再回到井底被重复破碎。小颗粒可以被气流携带、进人垂直段，再带出井口，而大颗粒就滞留下井壁，堆积成床。岩屑床的堆积，进一步从几何阻碍和流体动力学两个方面影响其后方的井筒的正常携岩，使井眼净化进一步恶化。如果岩屑携带效果达不到要求，会导致各种各样问题的发生，如高扭矩和高阻力，沉砂卡钻，下套管和固井困难，钻具磨损大，测井仪器下井难等，那么钻井可能被迫中止。现场为了控制岩屑床，经常进行很短距离地上提下放钻具，使钻头提离井底后再回到井底，将钻头附近大颗粒岩屑推回井底重复破碎；限制钻速，低钻压、高转速，使钻头第一次破碎产生的岩屑不致于过大，但这都大大降低了机械钻速。加大气量对于提高偏心环空下部流道的携岩能力有一定帮助，但效果非常差，并且近钻头处高速气流对井壁冲涮严重，引起井壁垮塌。不仅如此，钻头喷嘴处的高速气流很容易产生音速流，使得钻头温度下降，钻头冰包，高速气流冲蚀井底，使得钻进轨迹偏离设计轨道。 

发明内容

本发明的第一目的在于粉碎岩屑，解决气体钻水平井的携岩难题，消除岩屑床。 

本发明的第二目的在于解决气体钻井中，由于钻头喷嘴喷出的高速气流使得近钻头处的井壁冲蚀垮塌、井眼偏离设计轨道、钻头冰包等问题。 

本发明的第三目的在于利用反向射流抽吸井底流体及岩屑，减小井底压差，消除压持效应，进一步提高机械钻速。 

为实现第一目的，本发明的射流磨钻头的射流磨包括： 

反向高速射流喷嘴，用于产生高聚能射流；通过合理设计喷嘴内腔形状，使流体通过喷嘴加速为高聚能射流，充分粉碎岩屑。 

混合室，与高速射流喷嘴相连，用于将岩屑混入高速射流；高压流体经喷嘴高速喷出，压力迅速释放，在混合室内产生负压，岩屑被高速吸入，并被高速射流束卷吸归流，射流束外围岩屑受混合室末端收缩体型设计的影响，在收缩段产生回流并汇入高速射流主流，形成两相混合射流，在混合射流外部空间的岩屑则在剪切作用下，高速流入加速管。 

岩屑解离加速管，与混合室相连，用于解离带微裂缝的岩屑，实现解离破碎，相间及颗粒之间的碰撞、互磨产生的冲击压力和剪切力造成颗粒的破碎，并实现对岩屑的加速；为了避免附壁流和提高射流能量利用率，对喷嘴直径与加速管管径配置进行优化。 

粉碎靶体，与岩屑解离加速管相连，利用瞬间冲击力、气楔粉碎岩屑；为了减小气垫增阻对粉碎的不利影响，靶面与加速管轴线设计呈一定角度。 

粉碎仓，与粉碎靶面呈一定角度相连，用于对岩屑的再次粉碎。 

旁通，与粉碎仓呈一定角度相连并接环空，用于降低混合流的流速，并将粉碎后的岩屑排入环空。 

为实现第二目的，本发明的射流磨钻头的抽沙泵包括： 

井底岩屑搅动与清洗流道，与井底连通，用于搅动岩屑与冷却钻头，该流道射出的不对称高速流体将井底岩屑冲击成高浓度的湍流，使射流磨在无须附属装置的情况下实现高浓度吸入岩屑；流道的不对称设计提高了岩屑搅动效率， 为增加流体的冲击面积，流道没装喷嘴，且为扩张管，在气体钻井中，解决了钻头冰包的问题。 

岩屑吸入管，连通井底与混合室，用于吸走井底岩屑，让井底岩屑和气流从吸入管上返。 

反向高速射流喷嘴，其与岩屑吸入管通过混合室相连，用于产生负压。反向喷嘴避免了气体钻井中高速气流使得近钻头处的井壁冲蚀垮塌，气流冲蚀井眼使其偏离设计轨道。 

旁通，与粉碎仓呈一定角度相连并接环空，用于降低混合流的流速，减小混合流对井壁的冲蚀，并将粉碎后的岩屑排入环空。 

为实现第三目的，本发明的射流磨钻头的设计了反向高速射流喷嘴： 

反向高速射流喷嘴，其利用了射流泵的原理，即抽吸井底流体使井底局部压力降低，减小井底压差，从而促使岩屑脱离井底并加速上返，避免重复破碎，进一步实现机械钻速的提高。 

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

(1)、所述的射流磨利用高聚能射流的超细粉碎技术能粉碎岩屑、大大降低水平井中岩屑的沉降末速，提高携岩效率，消除水平井中的岩屑床。相比采用低钻压高转速、短程起下钻来控制岩屑床来说，本发明从根本上解决了岩屑床问题，并解放了钻压，提高了钻速。