CN108425626A - 一种投球控制式水力脉冲工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气开采钻井提速领域，具体涉及一种投球控制式水力脉冲工具及方法，该投球控制式水力脉冲工具，至少包括管状的壳体，壳体内通过压帽连接有水力脉冲发生装置，水力脉冲发生装置包括水力脉冲发生器和盖板，水力脉冲发生器外壁通过连接有具有圆弧外表面的盖板形成完整的圆柱体结构，所述水力脉冲发生器为管状体，管状体的圆周上均匀设置有脉冲腔，脉冲腔与盖板形成径向密封的腔体，使用该结构增强了钻头冲击力、优化井底流场、改善钻柱托压、减少不需要脉冲时的能耗、提高机械钻速。

Description

一种投球控制式水力脉冲工具及方法

技术领域

本发明涉及石油、天然气开采钻井提速领域，具体涉及一种投球控制式水力脉冲工具及方法。

背景技术

在水平井、大位移井、深井的开发过程中，钻柱托压、地层坚硬且研磨性强等因素是影响钻井提速的重要因素，使用常规动力钻具普遍存在机械钻速低的问题。为了提高钻探效率，脉冲空化射流钻井、旋转冲击钻井、粒子射流钻井、超高压喷射钻井、控压钻井、机械振动减阻等技术不断出现。但这些技术在现场应用中均存在一定的不足，如粒子射流钻井技术和控压钻井技术设备复杂、投资大；超高压喷射钻井技术能耗高，对泥浆泵、钻柱等要求高；旋转冲击钻井技术和脉冲射流钻井应用范围和工作稳定性均有一定局限性；目前应用较多且比较成熟的冲击振动工具，使用冲锤高频反复运动，零部件易损坏，工具的使用寿命较短；水力脉冲钻井工具多通过涡轮或者螺杆驱动动定阀来产生水力脉冲，较多的运动部件也限制了工具的使用；水力脉冲旋冲钻井技术，存在自激振荡腔产生水力脉冲幅值较小，且自激振荡喷嘴易损等问题。以上技术在应用中均存在一定的压力损耗，在无托压或托压很弱、地层对振动钻进要求不高的情况下，能耗的增加也成为一个不容忽视的问题，基于以上提出的问题。

发明内容

本发明客服了现有技术的不足，提供了一种增强钻头冲击力、优化井底流场、改善钻柱托压、减少不需要脉冲时的能耗、提高机械钻速的投球控制式水力脉冲工具，尤其是一种投球控制式水力脉冲工具及方法。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种投球控制式水力脉冲工具，至少包括管状的壳体，壳体内通过压帽连接有水力脉冲发生装置，水力脉冲发生装置包括水力脉冲发生器和盖板，水力脉冲发生器外壁通过连接有具有圆弧外表面的盖板形成完整的圆柱体结构，所述水力脉冲发生器为管状体，管状体的圆周上均匀设置有脉冲腔，脉冲腔与盖板形成径向密封的腔体。

所述的水力脉冲发生器为矩形结构，矩形水力脉冲发生器的四个侧边各设置有一个脉冲腔，脉冲腔由末端到前端依次连通的流入通道、混合腔以及涡流腔组成，涡流腔内具有流出口。

所述的流入通道具体包括流入通道收缩段和流入通道整流稳流段，流入通道整流稳流段的末端为主喷口，流入通道与混合腔之间通过主喷口连通，混合腔与涡流腔之间通过输出通道和导流通道连通，输出通道位于混合腔的一侧，导流通道位于涡流腔的一侧，所述涡流腔还通过反馈通道与主喷口连通。

所述的正对主喷口的混合腔内还设置有凹形分流劈，凹形分流劈将混合腔和涡流腔之间分成上下两个输出通道和导流通道，两个输出通道分别为第一输出通道和第二输出通道，两个导流通道分别为第一导流通道和第二导流通道，第一输出通道与第一导流通道连通，第二输出通道与第二导流通道连通，第一导流通道和第二导流通道的末端交叉汇合后与涡流腔连通。

所述的反馈通道设置在主喷口、输出通道的外围，且反馈通道沿涡流腔水平切线方向两侧设置有两个，分别为第一反馈通道和第二反馈通道，第一反馈通道和第二反馈通道的一端与涡流腔连通，另一端与主喷口连通。

所述的流出口为圆柱孔状结构。

所述的流入通道整流稳流段、混合腔、输出通道、导流通道、涡流腔和反馈通道的横截面均为矩形。

所述的水力脉冲发生器中心为台肩状管孔，台肩位于流入通道和流出口之间。

所述的盖板与水力脉冲发生器之间可通过螺栓、胶粘、焊接等方式连接。

所述的压帽为一个中空外螺纹螺母，一端设有上卸套筒用的沟槽，压帽外螺纹与壳体连接。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明通过压帽将水力脉冲发生装置设置在壳体内，在未投球时，流体大部分从水力脉冲发生装置的中心孔中通过，此时水力脉冲工具不工作，工具压耗低，当需要水力脉冲工具工作时，从井口投入一定直径的钢球，钢球下行到水力脉冲工具后，卡在水力脉冲发生装置的中心孔中，阻断管柱中心泥浆流动，使绝大部分泥浆从水力脉冲发生器的脉冲腔内通过，因脉冲腔与盖板形成径向密封的腔体，因此水力脉冲发生工具开始工作，产生周期性的压力脉冲，该压力脉冲存在波峰和波谷的幅值差，该幅值差引起钻柱内泥浆的压力波动，从而使钻柱在压力波动所及的范围内产生周期性地轴向伸缩，即轴向振动，该投球控制式水力脉冲工具根据安装位置的不同，可产生二种不同需求的作用，当侧重点在提高钻头的破岩效率时，将其安装在近钻头处，其产生的轴向冲击可提高破岩效率，泥浆的脉冲射流可改善井底流场，强化了井底清洗作用，当侧重点在解决钻柱托压时，将其安装在造斜点以下，其产生的轴向振动可减缓钻柱托压，提高滑动效率，同时在钻头喷嘴形成的泥浆脉冲，可以优化井底流场，减轻井底岩屑堆积。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:

图1为本发明的主视结构剖视示意图；

图2为本发明的主视结构A-A截面图；

图3为本发明的水力脉冲发生装置三维示意图；

图4为本发明的盖板三维示意图；

图5为本发明的压帽示意图；

图6为本发明的脉冲腔示意图；

图7-1本发明的流场形成示意图；

图7-2本发明的流场形成示意图；

图7-3本发明的流场形成示意图；

图7-4本发明的流场形成示意图；

图7-5本发明的流场形成示意图；

图7-6本发明的流场形成示意图；

图7-7本发明的流场形成示意图；

图7-8本发明的流场形成示意图。

图中：1、壳体；2、水力脉冲发生器；3、盖板；4、压帽；流入通道收缩段；202、流入通道整流稳流段；203、混合腔；204、输出通道；205、导流通道；206、涡流腔；207、流出口；208、反馈通道；209、主喷口；210、凹形分流劈；204-1、第一输出通道；204-2、第二输出通道；205-1、第一导流通道、205-2、第二导流通道；208-1、第一反馈通道；208-2、第二反馈通道。

具体实施方式

实施例1:

参照图 1～5，一种投球控制式水力脉冲工具，至少包括管状的壳体1，壳体1内通过压帽4连接有水力脉冲发生装置，水力脉冲发生装置包括水力脉冲发生器2和盖板3，水力脉冲发生器2外壁通过连接有具有圆弧外表面的盖板3形成完整的圆柱体结构，所述水力脉冲发生器2为管状体，管状体的圆周上均匀设置有脉冲腔，脉冲腔与盖板3形成径向密封的腔体。

实际使用时：水力脉冲发生装置通过压帽4将设置在壳体1内，在未投球时，流体大部分从水力脉冲发生装置的中心孔中通过，此时水力脉冲工具不工作，工具压耗低，当需要水力脉冲工具工作时，从井口投入一定直径的钢球，钢球下行到水力脉冲工具后，卡在水力脉冲发生装置的中心孔中，阻断管柱中心泥浆流动，使绝大部分泥浆从水力脉冲发生器2的脉冲腔内通过，因脉冲腔与盖板3形成径向密封的腔体，因此水力脉冲发生工具开始工作，产生周期性的压力脉冲，该压力脉冲存在波峰和波谷的幅值差，该幅值差引起钻柱内泥浆的压力波动，从而使钻柱在压力波动所及的范围内产生周期性地轴向伸缩，即轴向振动，该投球控制式水力脉冲工具根据安装位置的不同，可产生二种不同需求的作用，当侧重点在提高钻头的破岩效率时，将其安装在近钻头处，其产生的轴向冲击可提高破岩效率，泥浆的脉冲射流可改善井底流场，强化了井底清洗作用，当侧重点在解决钻柱托压时，将其安装在造斜点以下，其产生的轴向振动可减缓钻柱托压，提高滑动效率，同时在钻头喷嘴形成的泥浆脉冲，可以优化井底流场，减轻井底岩屑堆积。

实施例2:

参照图3，与实施例1相比，本实施例的不同之处在于：所述水力脉冲发生器2为矩形结构，矩形水力脉冲发生器2的四个侧边各设置有一个脉冲腔，脉冲腔由末端到前端依次连通的流入通道、混合腔203以及涡流腔206组成，涡流腔206内具有流出口207。

实际使用时：泥浆从水力脉冲发生器上的四个脉冲腔内的流入通道、混合腔203以及涡流腔206通过，再从涡流腔206内的流出口207流出，从而引起钻柱的轴向振动，可增强钻头冲击力，改善了岩石受力状况，提高机械钻速，提高了破岩效率。

实施例3:

参照图6，与实施例2相比，本实施例的不同之处在于 ：所述流入通道具体包括流入通道收缩段201和流入通道整流稳流段202，流入通道整流稳流段202的末端为主喷口209，流入通道与混合腔203之间通过主喷口209连通，混合腔203与涡流腔206之间通过输出通道204和导流通道205连通，输出通道204位于混合腔203的一侧，导流通道205位于涡流腔206的一侧，所述涡流腔206还通过反馈通道208与主喷口209连通；正对主喷口209的混合腔203内还设置有凹形分流劈210，凹形分流劈210将混合腔203和涡流腔206之间分成上下两个输出通道204和导流通道205，两个输出通道204分别为第一输出通道204-1和第二输出通道204-2，两个导流通道205分别为第一导流通道205-1和第二导流通道205-2，第一输出通道204-1与第一导流通道205-1连通，第二输出通道204-2与第二导流通道205-2连通，第一导流通道205-1和第二导流通道205-2的末端交叉汇合后与涡流腔206连通；反馈通道208设置在主喷口209、输出通道的外围，且反馈通道208沿涡流腔206水平切线方向两侧设置有两个，分别为第一反馈通道208-1和第二反馈通道208-2，第一反馈通道208-1和第二反馈通道208-2的一端与涡流腔206连通，另一端与主喷口209连通。

实际使用时：流体通过流入通道收缩段201，经流入通道整流稳流段202整流稳流后，增速的流体从主喷口209流入混合腔203，流体经过输出通道204和205流入涡流腔206，从流出口207流出，由于附壁效应的存在，流体在凹形分流劈210产生的涡流的扰动下，将随机沿第一输出通道204-1或第二输出通道204-2中的一条通道流动，在相应的经过第一导流通道205-1或第二导流通道205-2流入涡流腔206内，流体在涡流腔206内形成涡流，由于涡流的离心作用，此时流入通道收缩段201、涡流腔206压力开始增加，涡流进一步增强，流入通道收缩段201、涡流腔206压力继续增高，当压力达到一定的峰值后，第一反馈通道208-1或第二反馈通道208-2所产生的反馈压力将迫使从主喷口209流出的流体转换方向，使用该结构可产生较大水力脉冲幅值，无任何运动部件，结构实用可靠，寿命长，还可减少不需要脉冲时的能耗，提高了工作效率。

实施例4:

与实施例2相比，本实施例的不同之处在于：所述流出口207为圆柱孔状结构。

实际使用时：流体通过流出口207流出，流出口207设置为圆柱孔状结构，便于流体流出，使流体最大化流出。

实施例5:

与实施例3相比，本实施例的不同之处在于：所述流入通道整流稳流段202、混合腔203、输出通道204、导流通道205、涡流腔206和反馈通道208的横截面均为矩形。

实际使用时：将流入通道整流稳流段202、混合腔203、输出通道204、导流通道205、涡流腔206和反馈通道208的横截面均设置为矩形有助于流体生成涡流，改善钻柱托压、减少不需要脉冲时的能耗、提高机械钻速。

实施例6:

与实施例1或2相比，本实施例的不同之处在于：所述水力脉冲发生器2中心为台肩状管孔，台肩位于流入通道和流出口207之间。

实际使用时：将水力脉冲发生器2中心设置为台肩状管孔，且位于流入通道和流出口207之间，增强钻头冲击力，减少不需要脉冲时的能耗、提高机械钻速，从而提高了工作效率。

实施例7:

与实施例1相比，本实施例的不同之处在于：所述盖板3与水力脉冲发生器2之间可通过螺栓、胶粘、焊接等方式连接。

实际使用时：盖板3与水力脉冲发生器2之间通过螺栓、胶粘、焊接等方式连接，增加了盖板3与水力脉冲发生器2之间的密封性，同时可以使用多种方式连接，提升了制造时的便捷性。

实施例8:

与实施例1相比，本实施例的不同之处在于：所述的压帽4为一个中空外螺纹螺母，一端设有上卸套筒用的沟槽，压帽4外螺纹与壳体1连接。

实际使用时：压帽4通过外螺纹与壳体1连接，使用简单,联接可靠、使用方便、通用性好、可装拆而重复使用，增加了投球控制式水力脉冲工具的实用性，增长了使用寿命。

实施例9:

水力脉冲发生装置的水力脉冲产生机理为：如图7-1，流体通过流入通道收缩段201，经流入通道整流稳流段202整流稳流后，增速的流体从主喷口209流入混合腔203，流体经过第一输出通道204-1或第二输出通道204-2，在相应的流过第一导流通道205-1或第二导流通道205-2流入涡流腔206，从流出口207流出，由于附壁效应的存在，流体在凹形分流劈210产生的涡流的扰动下，将随机沿第一输出通道204-1或第二输出通道204-2中的一条通道流动；如图7-2，假设流体先沿第二输出通道204-2流动，经第二导流通道205-2，沿切线方向流入涡流腔206；如图7-3，流体在涡流腔206内形成涡流，由于涡流的离心作用，此时流入通道收缩段201、涡流腔206压力开始增加；如图7-4，涡流进一步增强，流入通道收缩段201、涡流腔206压力继续增高；如图7-5，当压力达到一定的峰值后，第二反馈通道208-2所产生的反馈压力将迫使从主喷口209流出的流体转换方向；如图7-6，在附壁效应的作用下，流体沿第一输出通道204-1流动，此时原涡流被破坏，流入通道收缩段201、涡流腔206压力开始降低；如图7-7，涡流腔206内形成新的涡流，流入通道收缩段201、涡流腔206压力开始升高；如图7-8，随着流入通道收缩段201、涡流腔206压力的升高，第一反馈通道208-1产生的反馈压力信号增强，迫使从主喷口209流出的流体转换方向，开始新一轮的循环，如此反复形成周期性的水力脉冲，增强钻头冲击力、优化井底流场、改善钻柱托压、减少不需要脉冲时的能耗、提高机械钻速。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，其都在该技术的保护范围内。

Claims (10)

1.一种投球控制式水力脉冲工具，至少包括管状的壳体（1），其特征是：壳体（1）内通过压帽（4）连接有水力脉冲发生装置，水力脉冲发生装置包括水力脉冲发生器（2）和盖板（3），水力脉冲发生器（2）外壁通过连接有具有圆弧外表面的盖板（3）形成完整的圆柱体结构，所述水力脉冲发生器（2）为管状体，管状体的圆周上均匀设置有脉冲腔，脉冲腔与盖板（3）形成径向密封的腔体。

2.根据权利要求1所述的一种投球控制式水力脉冲工具，其特征是：所述的水力脉冲发生器（2）为矩形结构，矩形水力脉冲发生器（2）的四个侧边各设置有一个脉冲腔，脉冲腔由末端到前端依次连通的流入通道、混合腔（203）以及涡流腔（206）组成，涡流腔（206）内具有流出口（207）。

3.根据权利要求2所述的一种投球控制式水力脉冲工具，其特征是：所述的流入通道具体包括流入通道收缩段（201）和流入通道整流稳流段（202），流入通道整流稳流段（202）的末端为主喷口（209），流入通道与混合腔（203）之间通过主喷口（209）连通，混合腔（203）与涡流腔（206）之间通过输出通道（204）和导流通道（205）连通，输出通道（204）位于混合腔（203）的一侧，导流通道（205）位于涡流腔（206）的一侧，所述涡流腔（206）还通过反馈通道（208）与主喷口（209）连通。

4.根据权利要求3所述的一种投球控制式水力脉冲工具，其特征是：所述的正对主喷口（209）的混合腔（203）内还设置有凹形分流劈（210），凹形分流劈（210）将混合腔（203）和涡流腔（206）之间分成上下两个输出通道（204）和导流通道（205），两个输出通道（204）分别为第一输出通道（204-1）和第二输出通道（204-2），两个导流通道（205）分别为第一导流通道（205-1）和第二导流通道（205-2），第一输出通道（204-1）与第一导流通道（205-1）连通，第二输出通道（204-2）与第二导流通道（205-2）连通，第一导流通道（205-1）和第二导流通道（205-2）的末端交叉汇合后与涡流腔（206）连通。

5.根据权利要求3所述的一种投球控制式水力脉冲工具，其特征是：所述的反馈通道（208）设置在主喷口（209）、输出通道的外围，且反馈通道（208）沿涡流腔（206）水平切线方向两侧设置有两个，分别为第一反馈通道（208-1）和第二反馈通道（208-2），第一反馈通道（208-1）和第二反馈通道（208-2）的一端与涡流腔（206）连通，另一端与主喷口（209）连通。

6.根据权利要求2所述的一种投球控制式水力脉冲工具，其特征是：所述的流出口（207）为圆柱孔状结构。

7.根据权利要求3所述的一种投球控制式水力脉冲工具，其特征是：所述的流入通道整流稳流段（202）、混合腔（203）、输出通道（204）、导流通道（205）、涡流腔（206）和反馈通道（208）的横截面均为矩形。

8.根据权利要求1或2所述的一种投球控制式水力脉冲工具，其特征是：所述的水力脉冲发生器（2）中心为台肩状管孔，台肩位于流入通道和流出口（207）之间。

9.根据权利要求1所述的一种投球控制式水力脉冲工具，其特征是：所述的压帽（4）为一个中空外螺纹螺母，一端设有上卸套筒用的沟槽，压帽（4）外螺纹与壳体（1）连接。

10.一种投球控制式水力脉冲的方法，其特征是：通过压帽将水力脉冲发生装置设置在壳体内，在未投球时，流体大部分从水力脉冲发生装置的中心孔中通过，此时水力脉冲工具不工作，工具压耗低，当需要水力脉冲工具工作时，从井口投入一定直径的钢球，钢球下行到水力脉冲工具后，卡在水力脉冲发生装置的中心孔中，阻断管柱中心泥浆流动，使大部分泥浆从水力脉冲发生器的脉冲腔内通过，脉冲腔与盖板形成径向密封的腔体，水力脉冲发生工具开始工作，产生周期性的压力脉冲，该压力脉冲存在波峰和波谷的幅值差，该幅值差引起钻柱内泥浆的压力波动，从而使钻柱在压力波动所及的范围内产生周期性地轴向伸缩，即轴向振动，该投球控制式水力脉冲工具根据安装位置的不同，可产生二种不同需求的作用，当侧重点在提高钻头的破岩效率时，将其安装在近钻头处；当侧重点在解决钻柱托压时，将其安装在造斜点以下，其产生的轴向振动可减缓钻柱托压；同时在钻头喷嘴形成的泥浆脉冲，使井底流场，减轻井底岩屑堆积。