井下套管旋流导向器.pdf

本发明公开了一种井下套管旋流导向器，解决了下套管作业过程中，因钻井液携带岩屑的能力不够，导致套管无法下到预计位置的问题；该导向器的外筒内设置导向定子，其上设置导流倾斜圆孔，导向定子的下面通过心轴固定叶栅，心轴的末端固定叶轮，流体轴向流入，通过导向定子倾斜孔改变流动方向后冲击叶栅转动，为心轴下部的叶轮提供动力，带动叶轮旋转。该导向器可在井下自行驱动，推开沉积在井底的岩屑，使岩屑易于上返，从而提高钻井液携带岩屑的能力；还可对井底岩屑进行研磨、粉碎，使之容易被水力冲击、携带，避免因大颗粒携带困难卡钻的危险。

权利要求书

井下套管旋流导向器
技术领域
本发明涉及石油工程下套管作业中的冲砂、洗井技术及水力学中的旋流固井技术。
背景技术
石油工程下套管作业过程中，浮鞋的作用主要是用于引导套管柱沿井筒顺利下入井内，防止套管底部插入井壁岩层，减少下井阻力，同时还具有一定的携带岩屑的能力。但部分井由于井壁失稳，造成井壁坍塌或缩径，因钻井液携带岩屑的能力不够，造成砂桥或井底沉砂，由于井筒存在砂桥或井底沉砂，一旦发生遇阻，浮鞋本身冲洗和携带岩屑的能力不够，导致套管无法下到预计位置。针对这一问题，辽河石油勘探局工程技术研究院，设计了钻井岩屑床搅拌器，其专利号为01271736.3，这个装置的优点是结构简单、使用方便，只需接于钻杆之间便可将钻井液中岩屑顺利排出地面；但还存在下述缺点：（1）清除岩屑床的动力主要是利用螺旋叶片的搅拌、携带作用，作用力不是很大，岩屑清除效率不高。（2）螺旋叶片与井壁的距离影响了携屑能力，使本来就很狭窄的环空更小，减少了岩屑向上运移的空间，岩屑携带能力不高。（3）多用于斜井，对于直井的井眼净化、清洗作用不大。（4）对于坍塌或易塌井段的井眼清洗更是无能为力。还有的是，中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院，研究了一种在井底产生水力增压脉动的钻头短节，其专利号为03269456.3；这个装置的优点是可在井底形成周期性的增压脉动和负压脉动，从而减少岩屑的“压持效应”，强化井底净化效果，提高射流破岩、辅助破岩钻进的效率；但其存在下述缺点：（1）结构复杂，在产生脉冲的过程中会损失很多能量，降低了水射流的冲击力。（2）必须依靠增压及负压脉动交替进行来降低“压持效应”，同时具有间歇性，不能连续工作或者直接作用岩屑表面，净化效率不高。
 所以常规技术处理这一问题很困难，严重时必须拔套管，下钻通井处理，浪费了大量人力和物力，并造成巨大经济损失。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中存在的问题，提供一种代替浮鞋的井下套管旋流导向器，该导向器可明显提高钻井液携带岩屑的能力，保证套管顺利下入设计井深。
为实现上述发明目的，本申请采用的技术方案是：井下套管旋流导向器，包括接箍、外筒、导向定子、心轴、叶栅、叶轮及导向座，所述接箍及外筒均为圆筒状，二者螺纹连接，外筒的下端螺纹连接导向座，导向座为空心半球状；上述外筒内从上至下依次通过顶丝固定三个导向定子；所述导向定子的主体为圆盘状，设置中心轴孔，并以中心轴孔为中心，环向均布六个导流倾斜圆孔，其中的导流倾斜圆孔的倾斜角度采用如下公式计算：                                                ；
式中：v₀为导流倾斜圆孔入口处绝对流速，m/s；v₁为导流倾斜圆孔出口处绝对流速，m/s，在大小上可认为与v₀相等；ρ_d为流体密度，kg/m³；Q_e为通过单个导流倾斜圆孔的有效排量，L/s；
所述心轴上装配三个轴承，这三个轴承分别装配固定在导向定子的中心轴孔内，相邻两导向定子之间的心轴上装配叶栅；心轴的下端螺纹连接叶轮，叶轮的前端探出导向座的圆曲面。
优选所述叶栅的进口角度为63°~ 66°、出口角度为36°~40°。
优选所述叶栅的进口角度为64.5°、出口角度为38.3°。
本发明的井下套管旋流导向器工作原理
流体轴向流入井下套管旋流导向器时，通过导向定子倾斜孔改变流动方向后冲击叶栅，使流体的势能和动能转化为机械能，推动叶栅转动，为心轴下部的叶轮提供动力，带动叶轮旋转；叶轮转动形成了旋流场，可推开沉积在井底的岩屑，克服液柱压力对井底岩屑的“压持效应”，防止岩屑在井底堆积和压实，使岩屑易于上返，从而提高钻井液携带岩屑的能力；叶轮转动，在接触到粒径较大的岩屑时，钻头在旋转扭矩作用下对岩屑产生切削作用，在扭力作用下，岩屑沿剪切面产生裂缝，逐渐破碎、瓦解，岩屑粒径变小，使之容易被水力冲击、携带，避免因大颗粒携带困难出现卡钻的危险，且被水射流冲出井底后，能够顺利通过环空，返至地面。 
本发明的有益效果：本发明的井下套管旋流导向器，可产生旋流，从而在前进过程中推开沉积在井底的岩屑，克服液柱压力对井底岩屑的“压持效应”，防止岩屑在井底堆积和压实，使岩屑易于上返，从而提高钻井液携带岩屑的能力；另外，还可对井底岩屑进行研磨、粉碎，破坏大块岩屑，使之容易被水力冲击、携带，避免因大颗粒携带困难卡钻的危险；该导向器可在井下自行驱动，实现井下作业，实践证明，相比传统工具浮鞋，在处理等量岩屑的冲洗工作时，本发明所用时间更短，效率更高。
附图说明
图1是本发明旋流导向器的结构示意图。
图2是导向定子的结构示意图。
图3是图2中的A‑A视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例、实验对比例对本发明作进一步的说明：
实施例1
井下套管旋流导向器，包括接箍1、外筒2、导向定子6、心轴4、叶栅7、叶轮8及导向座9，所述接箍1及外筒2均为圆筒状，二者螺纹连接，外筒2的下端螺纹连接导向座9，此导向座9与浮鞋的结构类似，为空心的半球状，外筒2内从上至下依次利用顶丝3固定三个导向定子6；由图2所示：所述导向定子6的主体为圆盘状，设置中心轴孔，并以中心轴孔为中心，环向均布六个导流倾斜圆孔，其中导流倾斜圆孔的的倾斜角度采用如下公式计算： ；
式中：v₀为导流倾斜圆孔入口处绝对流速，m/s；v₁为导流倾斜圆孔出口处绝对流速，m/s，在大小上可认为与v₀相等；ρ_d为流体密度，kg/m³；Q_e为通过单个导流倾斜圆孔的有效排量，L/s；本申请人根据上述公式设计的导流倾斜圆孔的直径为Φ30时，导流倾斜圆孔的倾斜角度为45°；所述心轴4上装配三个轴承5，这三个轴承5分别装配固定在导向定子6的中心轴孔内，相邻两导向定子6之间的心轴4上装配叶栅7；所述叶栅进口角度为63°～66°，优选为64.5°、出口角度为36°～40°，优选为38.3°；心轴4的下端螺纹连接叶轮8，叶轮8的前端探出导向座9的圆曲面。
 实验对比例一：携屑能力对比
 实验方法：将一定比例的大、小岩屑水平置于井筒井底部，在井筒内堆放一定高度，并保持每次实验井内岩屑量不变。实验流体为常规的钻井液，保持泵压不变；
（1）在模拟井筒中放入常规浮鞋对井底岩屑进行冲洗，开动装置10分钟，测量井底所剩岩屑重量及粒径分布；
（2）用本发明旋流导向器代替浮鞋，重复上述操作。
上述携屑能力对比结果如下表：

实验例一表明，相同情况下，本发明旋流导向器比常规浮鞋的携砂量大。通过测量和对比剩余岩屑的粒径分布可知，两种工具均能将大部分小粒径岩屑携带出井，但是本发明所携屑总量多，同时本发明工具的剩余大岩屑量百分比减少，说明本发明在对岩屑进行冲洗、携带的过程中，还兼有对大粒径岩屑的研磨、破碎作用。
实验对比例二：携屑效率对比
实验方法：将粒径均匀的岩屑水平置于井筒井底部，在井筒内堆放一定高度，保持每次实验井内岩屑量不变。实验流体为常规的钻井液，保持泵压不变；
（1）分别在常压和15MPa压力情况下在模拟井筒中利用常规浮鞋对井底岩屑进行冲洗，开动装置直至岩屑被彻底清除，记下所需时间；
（2）用本发明旋流导向器代替浮鞋，重复上述操作。
上述携屑效率对比结果见下表：

实验例二表明，普通情况下，在处理相同量的岩屑时，本发明所用时间要明显少于传统工具，携屑效率相对较高。在较大液柱压力下，“压持效应”延长了传统冲砂工具的施工时间，而本发明所受影响较小，携屑时间变化不大，说明本发明能有效克服“压持效应”，保证携屑效率。