專利名稱：井下鉆井液分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油鉆井裝置，尤其涉及一種井下鉆井液旋流分離裝置。
技術(shù)背景在石油鉆井過程中，鉆井液經(jīng)鉆井泵增壓后，通過鉆桿內(nèi)孔通道直接到達(dá)鉆頭處， 從鉆頭水眼噴出，攜帶鉆井過程中產(chǎn)生的巖屑，沿環(huán)空返回地面。隨著石油資源開發(fā)的逐步深入，淺層油藏逐年減少，取而代之的是大量的深井和 超深井，使得油井鉆探日趨困難，鉆井成本大幅度增高。隨著鉆井深度的增加，地層 壓力增高，為增加井壁的穩(wěn)定性，避免壓差卡鉆，保護(hù)油氣層，必須在鉆井液中加入 固相重組分(如重晶石)，以增大鉆井液密度，從而使鉆井液的液柱壓力大于或等于 地層壓力，保證鉆井作業(yè)順利進(jìn)行。但鉆井液密度的增大，將導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低，鉆 頭磨損明顯加劇，更換鉆頭的周期縮短，從而增加了石油鉆井的作業(yè)成本。這一問題 隨著鉆井目標(biāo)深度的增加而日趨嚴(yán)重。解決上述問題的方法是在鉆鋌和鉆頭之間安裝固一液兩相分離器，鉆井液沿切向 進(jìn)入靜態(tài)旋流分離器并獲得高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使鉆井液在井下通過鉆頭之前進(jìn)行固相分 離，使高密度、高固相含量、高粘度的重鉆井液通過它的上噴嘴提前射入環(huán)形空間， 從而減少井底的液柱壓力；讓分離后的低密度、低固相含量、低粘度的鉆井液通過鉆 頭水眼沖刷井底。這樣就改善了鉆頭的工作環(huán)境，提高井底射流的破巖和清除巖屑的 能力，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命，提高機(jī)械鉆速，縮短建井周期。采用靜態(tài)旋流分離器雖然可以獲得一定的分離效果，但由于鉆井液流量大，在分 離器中停留的時(shí)間短，分離效果不是很明顯，而且由于鉆柱空間有限，分離器傾斜安 裝，重組分的出口會(huì)使轉(zhuǎn)矩獲得一個(gè)不平衡的徑向力，從而影響井眼的質(zhì)量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要提供一種基于動(dòng)態(tài)旋流分離器的井下鉆井液分離裝置，既能夠 有效改善鉆頭的工作環(huán)境，提高鉆進(jìn)的速度，又能夠充分利用分離器側(cè)向?qū)ΨQ噴嘴射 流作用，在井底造成一定的負(fù)壓，增強(qiáng)井底巖屑的清除效果和攜帶能力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、能耗低、效果好、徑向力平衡且自動(dòng)對(duì)中的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的總體構(gòu)思是利用來自上部鉆鋌的高壓鉆井液驅(qū)動(dòng)渦 輪，并通過渦輪軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)，使從渦輪組流出的鉆井液在連續(xù)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下保持高速旋轉(zhuǎn)，借助于離心力將鉆井液中的重組份分離出去，剩下的輕組份經(jīng) 鉆頭水眼噴射到井底攜帶巖屑上返，并在環(huán)形空間再次與重組份鉆井液混合。采用該 裝置不僅可以減少重組份鉆井液對(duì)鉆頭的影響，提高鉆井速度，降低鉆井成本，而且 能夠保證井筒內(nèi)具有適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在鉆鋌和鉆頭之間設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)態(tài)鉆井液分離裝 置。該裝置由外殼總成、渦輪組總成、動(dòng)態(tài)旋流分離器總成和支撐系統(tǒng)總成四部分組 成上接頭、下接頭分別通過聯(lián)接套與殼體相聯(lián)，構(gòu)成裝置的外殼總成；渦輪軸、渦 輪和導(dǎo)輪構(gòu)成了渦輪組總成，其中導(dǎo)輪與殼體固聯(lián)，渦輪與渦輪軸固聯(lián)；旋轉(zhuǎn)筒、旋 轉(zhuǎn)柵和收液管構(gòu)成的動(dòng)態(tài)旋流分離器總成，通過螺紋與渦輪軸固聯(lián)并隨之旋轉(zhuǎn)；軸向 止推軸承、軸向止推軸承座、徑向扶正軸承和徑向扶正軸承座構(gòu)成了支撐系統(tǒng)總成， 將渦輪軸和旋轉(zhuǎn)筒支撐在外殼總成內(nèi)并使其可以自由旋轉(zhuǎn)。在軸向止推軸承座上沿圓周方向均布4個(gè)斜向小孔，作為鉆井液的通道。來自鉆 鋌內(nèi)腔的鉆井液經(jīng)上接頭和軸向止推軸承座進(jìn)入渦輪組的上腔，驅(qū)動(dòng)渦輪和渦輪軸旋 轉(zhuǎn)，并通過渦輪軸把動(dòng)力傳給旋轉(zhuǎn)筒，使旋轉(zhuǎn)筒中的鉆井液隨之高速旋轉(zhuǎn)。在離心力 的作用下高密度、高固相含量、高粘度的重鉆井液被沉降到靠近旋轉(zhuǎn)筒壁的環(huán)形空間 內(nèi)，通過其上的4個(gè)均布小孔、旋轉(zhuǎn)筒外腔和殼體上均布向上傾斜的4個(gè)噴嘴射入鉆 具與井筒的環(huán)形空間。安裝在殼體上的噴嘴與軸線之間具有45° 60°的夾角，且相對(duì) 于軸線呈對(duì)稱分布，噴嘴的直徑為4 6mm。分離后剩下的低密度、低固相含量、低 粘度的輕質(zhì)鉆井液通過收液管進(jìn)入鉆頭水眼沖刷井底后返回到鉆具與井筒的環(huán)形空 間，并與噴嘴噴出的鉆井液匯合共同上返出井眼。外腔通道和下腔通道綜合水力半徑之比為l: 4 1 : 6。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是(1) 系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)筒的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)鉆井液的動(dòng)態(tài)旋流分離，分離效率高，能量損 耗少，對(duì)地面設(shè)備的影響小。在旋轉(zhuǎn)筒的入口處設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)柵，不僅能夠保證流體流 動(dòng)的穩(wěn)定，使得輕重組分易于分離，而且可以進(jìn)一步吸收來自于導(dǎo)輪鉆井液的旋轉(zhuǎn)動(dòng) 能。(2) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，避免了現(xiàn)有鉆井液分離裝置在過程中產(chǎn)生的徑向不平 衡力對(duì)井眼質(zhì)量的影響。(3) 殼體上的噴嘴圓軸對(duì)稱分布，在保證噴射反作用力平衡的基礎(chǔ)上，還具有自動(dòng) 對(duì)中的功能，從而進(jìn)一步提高了鉆井質(zhì)量。另外，由于噴嘴采用向上傾斜的設(shè)計(jì)方案， 將在井底產(chǎn)生一定的負(fù)壓，便于井底巖屑的清除，加快鉆頭的鉆進(jìn)速度。


附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中l(wèi)一上接頭，2—軸向止推軸承座，3 —聯(lián)接套，4—軸向止推軸承，5 —渦 輪軸，6—導(dǎo)輪，7—渦輪，8—旋轉(zhuǎn)柵，9一旋轉(zhuǎn)筒，10—?dú)んw，11 —收液管，12—徑 向扶正軸承座，13 —噴嘴，14一徑向扶正軸承，15—聯(lián)接套，16—下接頭。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如附圖所示，該裝置置于鉆鋌和鉆頭之間，由外殼總成、渦輪組總成、動(dòng)態(tài)旋流 分離器總成和支撐系統(tǒng)總成四部分組成上接頭1、下接頭15分別通過聯(lián)接套3和聯(lián) 接套15與殼體10相聯(lián)，構(gòu)成裝置的外殼總成；渦輪軸5、渦輪7和導(dǎo)輪6構(gòu)成了渦 輪組總成，其中導(dǎo)輪6與殼體10固聯(lián)，渦輪7與渦輪軸5固聯(lián)；旋轉(zhuǎn)筒9、旋轉(zhuǎn)柵8 和收液管11構(gòu)成的動(dòng)態(tài)旋流分離器總成，通過螺紋與渦輪軸5固聯(lián)并隨之旋轉(zhuǎn)；軸 向止推軸承4、軸向止推軸承座2、徑向扶正軸承14和徑向扶正軸承座12構(gòu)成了支 撐系統(tǒng)總成，軸向止推軸承座2和軸向止推軸承4安裝于上接頭1與殼體10連接處， 徑向扶正軸承座12和徑向扶正軸承14安裝于下接頭15和殼體10連接處，將渦輪軸 5和旋轉(zhuǎn)筒9支撐在外殼總成內(nèi)并使其可以自由旋轉(zhuǎn)。在軸向止推軸承座2上沿圓周方向均布4個(gè)斜向小孔，作為鉆井液的通道，使鉆 鋌的內(nèi)腔與渦輪組上腔導(dǎo)通。在旋轉(zhuǎn)筒9的下部設(shè)計(jì)有4個(gè)徑向小孔，在殼體10的 下部設(shè)計(jì)有4個(gè)向上傾斜的噴嘴13，使得旋轉(zhuǎn)筒9內(nèi)腔、外腔以及殼體10的外腔相 互導(dǎo)通。安裝在殼體上的噴嘴與軸線之間具有45。 60。的夾角，且相對(duì)于軸線呈對(duì)稱 分布，噴嘴的直徑為4 6mm。外腔通道和下腔通道綜合水力半徑之比為1 : 4 1 : 6。本發(fā)明的工作流程如下來自鉆鋌內(nèi)腔的鉆井液經(jīng)上接頭1和軸向止推軸承座2 進(jìn)入渦輪組的上腔，驅(qū)動(dòng)渦輪7和渦輪軸5旋轉(zhuǎn)，并通過渦輪軸5把動(dòng)力傳遞給旋轉(zhuǎn) 筒9，使旋轉(zhuǎn)筒9中的鉆井液隨之高速旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下高密度、高固相含量、 高粘度的重鉆井液被沉降到靠近旋轉(zhuǎn)筒9壁面的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，通過其上的小孔通道、 旋轉(zhuǎn)筒9外腔和殼體10上均布的4個(gè)噴嘴13射入鉆具與井筒的環(huán)形空間；分離后剩 下的低密度、低固相含量、低粘度的輕質(zhì)鉆井液通過收液管11進(jìn)入鉆頭水眼沖刷井 底后返回到鉆具與井筒的環(huán)形空間，并與噴嘴13噴出的鉆井液匯合后一同上返出井 眼。本發(fā)明采用鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪組作為分離裝置的動(dòng)力來源，附加設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠，便于加工制造，相關(guān)的技術(shù)相對(duì)成熟，加工生產(chǎn)成本低。
權(quán)利要求
1.一種井下鉆井液分離裝置，安裝于鉆鋌和鉆頭之間，包括外殼總成、渦輪組總成、分離器總成、支撐系統(tǒng)總成，其特征在于外殼總成由上接頭(1)、下接頭(15)分別通過聯(lián)接套(3)和(14)與殼體(10)用螺紋聯(lián)接構(gòu)成，上下接頭處于外殼的兩端，殼體(10)的下部設(shè)有4個(gè)向上傾斜的噴嘴(13)；渦輪組總成由渦輪軸(5)、渦輪(7)和導(dǎo)輪(6)，導(dǎo)輪(6)與外殼(10)固聯(lián)，渦輪(7)固聯(lián)在渦輪軸(5)上；分離器總成由旋轉(zhuǎn)筒(9)、旋轉(zhuǎn)柵(8)和收液管(11)構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)柵(8)用螺紋固聯(lián)在渦輪軸(5)上，旋轉(zhuǎn)筒(9)下部設(shè)有4個(gè)徑向小孔；支撐系統(tǒng)總成由軸向止推軸承座(2)、軸向止推軸承(4)、徑向扶正軸承座(12)、徑向扶正軸承(14)構(gòu)成，軸向止推軸承座(2)和軸向止推軸承(4)安裝于上接頭(1)與殼體(10)連接處，徑向扶正軸承座(12)、徑向扶正軸承(14)安裝于下接頭(15)和殼體(10)連接處，軸向止推軸承座(2)上沿圓周方向均布4個(gè)斜向小孔，渦輪軸(5)、旋轉(zhuǎn)柵(8)、旋轉(zhuǎn)筒(9)和徑向扶正軸承座(12)固聯(lián)形成轉(zhuǎn)子總成，并通過軸向止推軸承(4)和徑向扶正軸承(13)與外殼總成相聯(lián)，收液管(11)與下接頭(15)通過螺紋固聯(lián)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下鉆井液分離裝置，其特征在于所說的殼體(10)上的 噴嘴(13)與軸線之間具有45。 60。的夾角，且相對(duì)于軸線呈對(duì)稱分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下鉆井液分離裝置，其特征在于所說的殼體(10)上的 噴嘴(13)的直徑為4 6mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下鉆井液分離裝置，其特征在于外腔通道和下腔通道 綜合水力半徑之比為1 : 4~1 : 6。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種井下鉆井液分離裝置，安裝在鉆鋌與鉆頭之間。來自地面的高壓鉆井液經(jīng)過鉆桿和鉆鋌驅(qū)動(dòng)鉆井液分離裝置的渦輪組高速旋轉(zhuǎn)，并將動(dòng)力通過渦輪軸傳給了動(dòng)態(tài)旋流器的旋轉(zhuǎn)筒。旋轉(zhuǎn)筒隨著鉆具外殼擁有一定旋轉(zhuǎn)速度，在渦輪軸的帶動(dòng)下產(chǎn)生一個(gè)同向的附加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使其轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高。從渦輪流出的鉆井液在最后一級(jí)導(dǎo)輪的作用下獲得高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并沿切向流入旋轉(zhuǎn)筒，經(jīng)旋轉(zhuǎn)柵調(diào)理后近似與旋轉(zhuǎn)筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)。鉆井液中的重組分在離心力的作用下甩到了靠近旋轉(zhuǎn)筒壁附近，并沿軸向運(yùn)動(dòng)到下部經(jīng)底流孔和外殼上的回流孔進(jìn)入鉆具與井壁的環(huán)形空間上返。鉆井液中的輕組分則在重組分的擠壓下集中旋轉(zhuǎn)筒中心軸線附近并沿軸向向下流動(dòng)井收液管進(jìn)入下部的鉆頭。
文檔編號(hào)E21B21/00GK101245694SQ20081001476
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者張彥廷, 牛繼磊, 董懷榮 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)