一种小井眼钻井减摩降阻提速工具.pdf

本发明公开了一种小井眼钻井减摩降阻提速工具，由上部短节、内腔室和壳体组成。上部短节上端设有与钻柱或者其他钻具组合相连的母扣；内腔室内设有特殊流道；壳体下端设有与其他钻具组合或者钻头上方变扣相连的公扣。内腔室坐落在壳体内，并与壳体形成过度配合连接；上部短节与壳体通过螺纹连接，且顶住壳体内的内腔室，防止内腔室轴向移动。本发明用于降低小井眼钻井过程中钻柱与井壁的摩擦力，从而提高小井眼钻井效率。

1.  一种小井眼钻井减摩降阻提速工具，包括上部短节（2）、壳体（6）、内腔室（4）三个部件，其特征在于：所述壳体（6）与上部短节（2）通过螺纹连接，壳体（6）内设有内腔室（4）坐落台阶（5），下部设有与其他钻具组合相连的公扣（7）；所述上部短节（2）上端设有与上部钻具组合或者钻柱相连的母扣（1），上部短节（2）下端设有安装密封圈（3）的密封槽；所述内腔室（4）内开有特殊流道（17），特殊流道（17）由喷嘴（9）、钻井液换向通道Ⅰ（10）、钻井液换向通道Ⅱ（16）、回流室（13）、钻井液压力反馈通道a（11）、钻井液压力反馈通道b（14）、钻井液压力反馈通道c（15）组成，内腔室（4）设有两个对称的钻井液入口（8）和对称的钻井液出口（12）。

2.  根据权利要求1所述的内腔室（4），其特征在于：钻井液入口（8）面积为钻井液出口（12）面积的1.5-2.5倍，钻井液入口（8）和钻井液压力反馈通道b（14）为同心圆组成，钻井液出口（12）和回流室（13）为同心圆组成，钻井液换向通道Ⅰ（10）、钻井液换向通道Ⅱ（16）与内腔室（4）轴线成20o- 30o角对称分布。

3.  根据权利要求1所述的一种小井眼钻井减摩降阻提速工具，其特征在于：内腔室（4）内部流场表面采用渗碳、渗氮、渗硼，喷涂或覆焊碳化钨处理。

一种小井眼钻井减摩降阻提速工具
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探开发中的小井眼钻井提速工具，具体的讲是通过钻井液流经小井眼钻井减摩降阻提速工具，从而产生振荡，将钻柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，最终达到减摩降阻以提高钻井速度的目的。
技术背景
目前，随着油气勘探向更深层的地层发展，小井眼钻井作业所体现出来的优势越来越明显，因此对小井眼钻井作业提出了更高的要求。然而，在深井特别是水平井作业过程中，钻柱和井壁之间的摩擦力一直是小井眼钻井作业所面临的一大难题。这个摩擦力随着井斜角的增大而增大，在小井眼钻井作业过程中，钻柱在井下几乎不能顺利钻达设计井段，严重影响了小井眼钻井作业过程。
在小井眼钻井作业过程中，钻柱和井壁之间通常是静摩擦。较大的静摩擦力一方面阻碍了钻柱顺利入井，另一方面加剧了钻柱以及配套工具的磨损。近年来，我国通过重大专项计划，针对钻柱磨损设计出了各种各样的减摩降阻工具。其中将钻柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦成为了研究者的设计思路。
围绕减摩降阻设计出的工具主要有两种：一种是被动式减摩工具，常见的是滑动轴承式的减摩套，该类工具将钻杆与井壁的摩擦转换为工具外套和工具本体之间的摩擦，该类工具在一口井中通常使用几十甚至上百个，成本偏高。另一类工具是主动式减摩工具，通过产生振动将钻柱与井壁的静摩擦转变为动摩擦，动摩擦摩阻损失小，可以提高轴向载荷传递效率从而提高钻井效率，但目前现有的主动式减摩工具均结构复杂，轴向尺寸较长，可靠性有待提高，成本较高。针对小井眼钻井，迫切需要一种结构简单、作用段长、工作可靠的减摩工具。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种减摩降阻振荡工具，用以产生振荡效果，将钻柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，从而降低摩擦力，避免钻柱卡钻以及托压事故。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种小井眼钻井减摩降阻提速工具，包括上部短节、壳体、内腔室，其特征在于：所述壳体与上部短节通过螺纹连接，壳体内设有内腔室坐落台阶，下部设有与其他钻具组合相连的公扣；所述上部短节上端设有与上部钻具组合或者钻柱相连的母扣，下端设有安装密封圈的密封槽；所述内腔室内开有特殊流道，特殊流道由喷嘴、钻井液换向通道Ⅰ、钻井液换向通道Ⅱ、回流室、钻井液压力反馈通道a、钻井液压力反馈通道b、钻井液压力反馈通道c组成，内腔室设有两个对称的钻井液入口和对称的钻井液出口。
所述小井眼钻井减摩减阻提速工具，其特征在于：所述内腔室钻井液入口面积为钻井液出口面积的1.5-2.5倍，钻井液入口和钻井液压力反馈通道b为同心圆组成，钻井液出口和回流室为同心圆组成，钻井液换向通道Ⅰ、钻井液换向通道Ⅱ与内腔室轴线成20o- 30o角对称分布。
所述小井眼钻井减摩降阻提速工具，其特征在于：内腔室内部流场表面采用渗碳、渗氮、渗硼，喷涂或覆焊有碳化钨处理。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：（1）活动部件少，结构紧凑，振荡效果好，能在各种复杂地层正常工作。（2）本发明有利于减少钻柱与井壁之间的静摩擦，避免钻柱在入井过程中产生托压、卡钻的事故，从而提高小井眼钻井作业效率。
附图说明
图1为本发明装置的示意图；
图2为本发明装置的A-A剖面图；
图3为本发明装置的B-B剖面图；
图4为本发明装置的内腔室内部流场结构示意图。
图中：1.母扣，2.上部短节，3.密封圈，4.内腔室，5.台阶，6.壳体，7.公扣，8.钻井液入口，9.喷嘴，10.钻井液换向通道Ⅰ，11.钻井液压力反馈通道a，12.钻井液出口，13.回流室，14.钻井液压力反馈通道b，15.钻井液压力反馈通道c，16.钻井液换向通道Ⅱ，17.特殊流道。
具体实施方案
如图1所示，本发明一种小井眼钻井减摩降阻提速工具，包括上部短节2、壳体6、内腔室4；其特征在于：所述壳体6与上部短节2通过螺纹连接，壳体6内设有内腔室4坐落台阶5，下部设有与其他钻具组合相连的公扣7；所述上部短节2上端设有与上部钻具组合或者钻柱相连的母扣1，下端设有安装密封圈3的密封槽；所述内腔室
4内开有特殊流道17，特殊流道17由喷嘴9、钻井液换向通道Ⅰ10、钻井液换向通道Ⅱ16、回流室13、钻井液压力反馈通道a11、钻井液压力反馈通道b14、钻井液压力反馈通道c15组成，内腔室4设有两个对称的钻井液入口8和对称的钻井液出口12。如图1所示，所述的小井眼钻井减摩降阻提速工具，其特征在于：所述的内腔室4钻井液入口8面积为钻井液出口12面积的1.5-2.5倍，钻井液入口8和钻井液压力反馈通道b14为同心圆组成，钻井液出口12和回流室13为同心圆组成，钻井液换向通道Ⅰ10、钻井液换向通道Ⅱ16与内腔室4轴线成20o- 30o角对称分布。
如图1所示，所述的小井眼钻井减摩降阻提速工具，其特征在于：所述密封圈3用于密封壳体6与上部短节2的螺纹连接配合处，防止螺纹连接处钻井液泄露。
如图1所示，所述的小井眼钻井减摩降阻提速工具，其特征在于：所述的内腔室4内部流场表面采用渗碳、渗氮、渗硼，喷涂或覆焊有碳化钨处理。
图4为内腔室4内部流场结构示意图，如图所示，其特征在于：钻井液流经此工具以后，从钻井液入口8进入内腔室4，在喷嘴9处，由于截面积改变，故钻井液压力能增加。流过喷嘴9以后，钻井液有钻井液换向通道Ⅰ10，钻井液换向通道Ⅱ16两条可供选择的出口。由附壁效应可知，钻井液有离开原来流动的方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。因此，若钻井液从钻井液换向通道Ⅰ10流出，流过此通道时，钻井液会沿切线方向流进回流室13。若钻井液速度很小，则直接从钻井液出口12流出，若钻井液速度较大，则将会沿回流室13的半圆形壁面顺时针流进钻井液压力反馈控制通道c15，再沿通道流进钻井液压力反馈控制通道b14，最终流到喷嘴9处。但是在钻井液压力反馈控制通道b14流经喷嘴9处的钻井液流动趋势已经改变，此时的钻井液有沿钻井液换向通道Ⅱ16流出的趋势。随着钻井液换向通道Ⅰ10压力的不断增大以及喷嘴9处钻井液流动趋势的改变，钻井液会选择流动阻力小的通道流出，即从钻井液换向通道Ⅱ16流出。因此流经钻井液换向通道Ⅰ10的钻井液将越来越少，钻井液在回流室13内产生顺时针流动的趋势也越来越弱，伴随着钻井液换向通道Ⅱ16流出逆时针的钻井液，原来在回流室13内顺时针流动的钻井液将迅速消失。在回流室13内出现逆时针流动的钻井液，逆时针流动的钻井液在较大速度时会通过钻井液压力反馈通道a11流经钻井液压力反馈通道b14最终在喷嘴9处改变原来流动的趋势，促使喷嘴9处钻井液沿钻井液换向通道Ⅰ10流出。因而回流室13内逆时针流动的钻井液也将慢慢消失，回流室13内钻井液顺时针流动的趋势将逐渐建立起来。
上述过程为小井眼钻井减摩降阻提速工具的一个完整工作周期，工具将重复上述过程不断循环，从而产生振荡效果。