專利名稱：一種降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于油氣田鉆井中降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工 具，屬于石油、天然氣鉆井的配套裝置，是一種可應(yīng)用于易發(fā)生噴、 塌、卡事故的窄密度窗口鉆井工況的特殊工具。
背景技術(shù)：
在油氣田鉆井中，地層巖石存在臨界±丹塌壓力和破裂壓力。通常 情況下，要求已鉆井中鉆井泥漿形成的壓力介于坍塌壓力和破裂壓力 之間，否則井眼巖石容易出現(xiàn)坍塌和破裂，從而引發(fā)噴、塌、卡事故。
鉆井工作者習(xí)慣使用等效密度液體產(chǎn)生的液柱壓力來描述對(duì)塌壓 力和破裂壓力；坍塌壓力和破裂壓力數(shù)值的差值通常稱之為壓力窗口 ， 并常用等效密度來表示，常簡(jiǎn)稱為密度窗口。施工時(shí)要求鉆井泥漿的 當(dāng)量循環(huán)密度(表征鉆井泥漿的流體靜壓力和鉆井泥漿流動(dòng)時(shí)造成的 環(huán)空摩擦壓降之和)介于該密度窗口之間，以確保鉆井安全。
在部分深井中，密度窗口很窄且鉆井泥槳的當(dāng)量循環(huán)密度靠近破 裂壓力曲線。這種情況下鉆井泥槳容易壓裂地層引起泥漿漏失造成鉆 井停工，因此必須減小鉆井泥漿的當(dāng)量循環(huán)密度，使當(dāng)量循環(huán)密度介 于密度窗口的中值附近，以提高窄密度窗口工況下鉆井的可操作性。
減少鉆井泥漿粘度可以降低其當(dāng)量循環(huán)密度，但鉆井泥漿必須要 完成攜巖任務(wù)，因此該方法在實(shí)踐中很少用到。
根據(jù)地層要求不同，現(xiàn)場(chǎng)有四種降低循環(huán)液壓耗的方式(1)減 少加重劑，直接降低鉆井泥漿密度；(2)充入一定量的氣體；(3)摻 入玻璃微珠；(4)使用雙梯度鉆井工藝。在上述方法中，第一種最直 接，但該方法對(duì)某些地層和工藝的適應(yīng)性很差，后三種實(shí)施費(fèi)用昂貴， 需要額外的配套設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，防止鉆井泥漿當(dāng)量f盾 環(huán)密度過大而引起產(chǎn)層破裂、井眼擴(kuò)大等問題，特提供一種降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決此問題所采用的技術(shù)方案是 一種 降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具，由螺桿馬達(dá)、撓軸體、螺桿泵、密封 短節(jié)、研磨短節(jié)、噴嘴短節(jié)構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)特征是螺桿馬達(dá)上部與鉆 柱用螺紋連接，撓軸接頭安裝在螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子上；螺桿馬達(dá)與螺桿泵 之間用撓軸體來連接，撓軸體外為撓軸體殼體上連接螺桿馬達(dá)定子， 撓軸體內(nèi)部有兩根撓軸，兩根撓軸均嵌入撓軸轉(zhuǎn)換接頭中，使用過盈 配合并用銷釘加固，撓軸轉(zhuǎn)換接頭上裝有軸承，軸承放置在撓軸體殼 體上的鋼體臺(tái)階上；撓軸體殼體與螺桿泵定子開有4個(gè)鉆井泥漿下行 過流孔，撓軸體殼體上開有4個(gè)鉆井泥漿下行旁通孔和4個(gè)鉆井泥漿 上行旁通孔，鉆井泥漿下行旁通孔與鉆井泥漿下行過流孔相通，鉆井 泥漿上行旁通孔不與鉆井泥漿下行過流孔相交；螺桿泵定子下部與密 封短節(jié)螺紋連接，密封短節(jié)中間開有鉆井泥漿下行過流孔，周圍開有 4個(gè)鉆井泥漿上行過流孔；密封短節(jié)以下的鉆柱上安裝研磨短節(jié)，研 磨短節(jié)由葉輪、上接頭和下接頭組成，上接頭和下接頭均與鉆柱螺紋 連接，葉輪與下接頭外表面螺紋連接；在螺桿馬達(dá)的上方，安裝一個(gè) 噴嘴短節(jié)與鉆柱螺紋連接。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是1)該工具系統(tǒng)在不改變 鉆井泥漿性質(zhì)(密度和粘度)的前提下，可有效降低鉆井泥漿當(dāng)量循 環(huán)密度，提高窄密度窗口鉆井工況下的鉆井可操作性，減少地層破裂、 鉆井泥漿漏失和避免鉆井停工；2)該工具系統(tǒng)相比現(xiàn)有技術(shù)方法，投 入要低的多；3)該工具雖然提高了對(duì)地面泵設(shè)備的要求，但仍然可行， 現(xiàn)有泵設(shè)備可以滿足該系統(tǒng)的正常工作需要。


圖1是本發(fā)明一種降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明一種降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具的上部分螺桿馬
達(dá)與撓軸體結(jié)構(gòu)圖3是本發(fā)明一種降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具的下部分螺桿泵
與密封短節(jié)結(jié)構(gòu)4圖4是圖2的A向視圖； 圖5是圖3的B—B視圖6是本發(fā)明一種降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具研磨短節(jié)示意圖； 圖7是本發(fā)明一種降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具噴嘴短節(jié)剖面圖8是鉆井壓力剖面及其形成的密度窗口圖。
圖中，l泥漿池，2地面泵，3防噴裝置，4鉆柱，5螺桿馬達(dá)，6 撓軸體，7螺桿泵，8密封短節(jié)，9研磨短節(jié)，10下部鉆具組合，11 鉆頭，12套管，13外環(huán)空，14內(nèi)環(huán)空，15井眼，16螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子， 17螺桿馬達(dá)定子，18撓軸接頭，19撓軸，20撓軸體殼體，21軸承， 22鋼體臺(tái)階，23撓軸，24撓軸接頭25螺桿泵轉(zhuǎn)子，26螺桿泵定子， 27撓軸轉(zhuǎn)換接頭，28破裂壓力剖面，29坍塌壓力剖面，30當(dāng)量循環(huán) 密度曲線，31使用工具后的當(dāng)量循環(huán)密度曲線，32上接頭，33下接 頭，34葉輪，35噴嘴短節(jié)，36鉆井泥漿下行旁通孔，37撓軸殼體上 行旁通孔，38、 39鉆井泥漿下行過流孔，40鉆井泥漿下行管道，41 鉆井泥漿上行過流孔。
具體實(shí)施例方式
如圖l所示，螺桿馬達(dá)5、撓軸體6、螺桿泵7、密封短節(jié)8、研 磨短節(jié)9組成了整個(gè)工具，整個(gè)工具安裝在鉆柱4上，且安裝在垂直 井段，鉆柱4與螺桿馬達(dá)定子17和密封短節(jié)8連接。
如圖2、圖3所示，撓軸接頭18安裝在螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子16上，撓 軸19安裝在撓軸接頭18上，撓軸19與撓軸23均嵌入撓軸轉(zhuǎn)換接頭 27中，使用過盈配合并用銷釘加固，銷釘在圖中沒有具體繪制，撓軸 轉(zhuǎn)換接頭27安裝有軸承21,撓軸體殼體20上設(shè)有剛體臺(tái)階22來放 置軸承21，撓軸23安裝在撓軸接頭24上，撓軸接頭24安裝在螺桿 泵轉(zhuǎn)子25上，密封短節(jié)8連接在螺桿泵定子26上。撓軸體殼體20內(nèi) 開有4個(gè)鉆井泥漿下行過流孔38，通過鉆井泥漿下行旁通孔36與撓 軸19與撓軸殼體20之間的環(huán)空聯(lián)通，鉆井泥漿下行過流孔38 —直通 向螺桿泵定子26末端，通過鉆井泥槳下行管道40與密封短節(jié)8中間 的鉆井泥漿下行過流孔39連通。如圖4所示，撓軸體殼體20上還設(shè)計(jì)了 4個(gè)鉆井泥漿上行流體旁 通孔37，鉆井泥漿上行流體旁通孔37不與鉆井泥漿下行過流孔38相 交。
如圖5所示，密封短節(jié)8除開有鉆井泥漿下行過流孔39外，還在 周圍開了 4個(gè)鉆井泥漿上行過流孔41。
如圖6所示，研磨短節(jié)9由上接頭32、下接頭33、葉輪34組成， 上接頭32、下接頭33與鉆柱4用螺紋連接，葉輪34使用螺紋安裝在 下接頭33的外表面。密封短節(jié)8下面的鉆柱上可根據(jù)需要安裝一個(gè)或 多個(gè)研磨短節(jié)9，用以研磨鉆頭11破碎巖石時(shí)產(chǎn)生的巖石顆粒。
如圖7所示，在螺桿馬達(dá)5的上方，連接一個(gè)噴嘴短節(jié)35,噴嘴 短節(jié)35消耗下行鉆井泥漿的液力能量，對(duì)外環(huán)空上行流體產(chǎn)生向上的 抽吸作用，噴嘴短節(jié)35作為工具的輔助工具，可增強(qiáng)工具系統(tǒng)的抽吸 能力，更大幅度的降低當(dāng)量循環(huán)密度。
如圖8所示，在本工具系統(tǒng)所處的初始位置d以下，絕大部分未 使用本工具系統(tǒng)的鉆井泥漿當(dāng)量循環(huán)密度曲線30在壓力密度窗口之 內(nèi)，但基本上都靠近破裂壓力曲線28，由于鉆井過程中泵壓等參數(shù)是 波動(dòng)的，就可能會(huì)出現(xiàn)超過破裂壓力剖面的情況，使用本工具可使曲 線30適當(dāng)左移，通過合理選擇本工具系統(tǒng)的參數(shù)可使曲線30左移至 破裂壓力曲線28與坍塌壓力曲線29之間較理想的曲線31位置。
本工具的工作原理是鉆井泥漿進(jìn)入井眼15后，通過鉆柱4流到 螺桿馬達(dá)5，驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子16旋轉(zhuǎn)，沿著撓軸19的軸向方向可 以逐漸消除轉(zhuǎn)子16的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)子16的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在撓軸轉(zhuǎn)換接頭 27處已完全消除，撓軸轉(zhuǎn)換接頭27將兩根撓軸連接在一起形成一個(gè) 宏觀上的整體，以帶動(dòng)撓軸23運(yùn)動(dòng)；軸承21用來限制轉(zhuǎn)撓軸換接頭 27的徑向運(yùn)動(dòng)，軸承21固定在轉(zhuǎn)換接頭27上，上下均放置了一個(gè)密 封圈，將撓軸與殼體之間的環(huán)空分為上下兩部分，軸承21放置于鋼體 臺(tái)階22上，起防掉作用；通過轉(zhuǎn)換接頭27,撓軸19將螺桿馬達(dá)5輸 出的扭矩傳遞給下一根撓軸23，撓軸23再將輸入的扭矩沿著軸向方 向往下傳遞；撓軸23通過撓軸接頭24把扭矩傳遞給螺桿泵轉(zhuǎn)子25，螺桿泵轉(zhuǎn)子25接收能量后開始旋轉(zhuǎn)；螺桿泵7隨著螺桿泵轉(zhuǎn)子25的 旋轉(zhuǎn)開始工作，將下部的液體往上抽吸，在密封短節(jié)8封堵了外環(huán)空 13的上返途徑后，流體進(jìn)入內(nèi)環(huán)空14，螺桿泵7抽吸上返流體上行， 加速流體回流，從而可降低密封短節(jié)8下部外環(huán)空的流體壓力，從而 降低下部液體的壓力。通常螺桿馬達(dá)5消耗的水力能量在5 7Mpa間， 經(jīng)過螺桿馬達(dá)5和螺桿泵7的逐級(jí)損失后，螺桿泵7產(chǎn)生的壓差能達(dá) 到1 2MPa。
鉆井泥漿在整個(gè)過程的流動(dòng)路線為從泥漿池1由地面泵2抽吸 到鉆柱4，流到螺桿馬達(dá)5，驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)5轉(zhuǎn)動(dòng)后流到撓軸體6，從 鉆井泥漿下行旁通孔36流入撓軸殼體20內(nèi)的4個(gè)鉆井泥漿下行過流 孔38中，最后從鉆井泥漿下行管道40流入密封短節(jié)8的鉆井泥漿下 行過流孔39中，經(jīng)過鉆柱4從鉆頭11向外噴出，經(jīng)外環(huán)空13往上返 回，返回至密封短節(jié)8處經(jīng)過密封短節(jié)8的四個(gè)鉆井泥漿上行過流孔 41流向螺桿泵7定子26與轉(zhuǎn)子25之間的內(nèi)環(huán)空14，鉆井泥漿經(jīng)螺桿 泵7后從撓軸殼體20的四個(gè)上行旁通孔37返回到鉆柱4與套管12之 間的環(huán)空返回地面。
當(dāng)需要形成更大的壓差時(shí)，可以通過下面兩種方式實(shí)現(xiàn)。 一種方 法是加長(zhǎng)螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子16，使螺桿馬達(dá)5轉(zhuǎn)化更多的機(jī)械能，以提高 螺桿泵7的抽吸能力，螺桿泵7便可以產(chǎn)生更大的壓差，這種方法雖 然簡(jiǎn)單，但螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子16越長(zhǎng)，消耗的能量越多，由于受到地面泵 2能力的限制，將會(huì)導(dǎo)致用于下部鉆具組合10的能量不足，所以，加 長(zhǎng)螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子16必須保證在不影響正常鉆井操作的條件下進(jìn)行；另 一種方法是在螺桿馬達(dá)5上面的鉆柱4上安裝一個(gè)圖4中的噴嘴短節(jié) 35，鉆井泥漿流過噴嘴短節(jié)35時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓降，在鉆柱4和外環(huán)空 13之間形成ii差，鉆井泥漿在該壓差的作用下，會(huì)經(jīng)噴嘴短節(jié)35加 速而形成指向環(huán)空上返方向的射流，在噴嘴出口附近的區(qū)域就會(huì)形成 一個(gè)低壓區(qū)，下方的液壓就高于低壓區(qū)的液壓，下部分的液體會(huì)加速 上返，使螺桿泵7上面的壓力降低，增加了螺桿泵7的抽吸能力，提 高了螺桿泵的效率。
權(quán)利要求
1、一種降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具，由螺桿馬達(dá)(5)、撓軸體(6)、螺桿泵(7)、密封短節(jié)(8)、研磨短節(jié)(9)、噴嘴短節(jié)(35)構(gòu)成，其特征是螺桿馬達(dá)(5)上部與鉆柱(4)用螺紋連接，撓軸接頭(18)安裝在螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子(16)上；螺桿馬達(dá)(5)與螺桿泵(7)之間用撓軸體(6)來連接；撓軸體(6)外為撓軸體殼體(20)上連接螺桿馬達(dá)定子(17)；螺桿泵定子(26)下部與密封短節(jié)(8)螺紋連接；密封短節(jié)(8)以下的鉆柱(4)上安裝研磨短節(jié)(9)，研磨短節(jié)(9)由葉輪(34)、上接頭(32)和下接頭(33)組成，上接頭(32)、下接頭(33)均與鉆柱(4)螺紋連接，葉輪(34)用螺紋連接在下接頭(33)的外表面；在螺桿馬達(dá)(5)的上方，安裝一個(gè)噴嘴短節(jié)(35)在鉆柱(4)螺紋連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具，其特征 是；撓軸體(6)與蟪桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子(16)通過撓軸接頭(18)連接，撓 軸體(6)與螺桿泵轉(zhuǎn)子(25)通過撓軸接頭(24)連接；撓軸體(6) 內(nèi)部有撓軸(19)和撓軸(23)，兩根撓軸均嵌入撓軸轉(zhuǎn)換接頭(27) 中，使用過盈配合并用銷釘加固，撓軸轉(zhuǎn)換接頭(27)上裝有軸承(21)， 軸承(21)放置在撓軸體殼體(20)上的鋼體臺(tái)階(22)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具，其特征 是密封短節(jié)(8)中間開有鉆井泥漿下行過流孔(39)，周圍開有4 個(gè)鉆井泥漿上行過流孔(41)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具，其特征 是撓軸體殼體(20)與螺桿泵定子(26)開有4個(gè)鉆井泥漿下行過 流孔(38);撓軸體殼體(20)上開有4個(gè)鉆井泥漿下行旁通孔(36) 和4個(gè)鉆井泥漿上行旁通孔(37)，鉆井泥漿下行旁通孔(36)與鉆井 泥漿下行過流孔(38)相通，鉆井泥漿上行旁通孔(37)不與鉆井泥 漿下行過流孔(38)相交；螺桿泵定子(26)底部有鉆井泥漿下行管 道(40)與密封短節(jié)(8)的鉆井泥漿下行過流孔(39)相通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于油氣田鉆井中降低當(dāng)量循環(huán)密度的井下工具，屬于油氣田鉆井的配套裝置。它能提高窄密度窗口鉆井可操作性，降低鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度，防止產(chǎn)層破裂井眼擴(kuò)大。其技術(shù)方案是該工具從上至下由螺桿馬達(dá)、撓軸體、螺桿泵、密封短節(jié)、研磨短節(jié)構(gòu)成，該工具連接在鉆柱上隨鉆柱向下移動(dòng)；螺桿馬達(dá)上部與鉆柱用螺紋連接，下部與螺桿泵轉(zhuǎn)子通過撓軸體連接；螺桿泵定子下部與密封短接用螺紋連接；研磨短節(jié)安裝在密封短節(jié)以下的鉆柱上；在螺桿馬達(dá)的上部的鉆柱上選擇性地安裝一個(gè)噴嘴短節(jié)。該井下工具可有效防止地層破裂，避免鉆井泥漿漏失造成的鉆井停工，拓寬鉆井泥漿密度的選擇范圍，減少噴、塌、卡事故的發(fā)生。
文檔編號(hào)E21B41/00GK101487385SQ20091005839
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2009年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月21日
發(fā)明者宇 王, 祝效華, 華 童 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)