專利名稱：井底局部脈沖負壓工具的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種能夠提高機械鉆速的井底局部負壓脈沖工具，屬于石油、地質鉆井工具的改進。
技術背景近年來，隨著油氣勘探開發向深部地層發展，深井超深井逐漸增多。在深井鉆井過程中，隨著鉆井液密度和井深的增加，鉆井速度急劇降低，井筒內鉆井液液柱施加的圍壓增加是降低常規旋轉鉆井的速度的主要原因之一。液柱壓力對井底破碎出來的巖屑產生壓持作用，使破碎出來的巖屑在壓差作用下不易離開井底，結果在井底易形成墊層，鉆頭易重復破碎巖屑，降低了破碎效率，嚴重影響鉆井速度的提高；同時，深部井段的巖石在上覆地層壓力下變得非常致密，液柱壓力的增大也將增大巖石的“各向壓縮效應”，不僅硬度和密度增加，而且機械性能從脆性的破壞轉變為塑性破壞，使得鉆頭破巖載荷明顯增大，破巖效率明顯降低。
發明內容
解決上面問題的關鍵是降低鉆井液液柱壓力，實踐證明，在欠平衡鉆井過程中通過采用低密度鉆井液，使井筒液柱壓力小于地層孔隙壓力，在井下形成負壓條件，是顯著提高機械鉆速的有效方法。目前，為了達到此目的，國內外鉆井作業多采用低密度鉆井液、空氣鉆井等實現欠平衡鉆井，但在欠平衡鉆井過程中，由于整個裸眼井段處于低壓狀態，降低了井眼的穩定性和對地層流體的控制能力，從而增加了氣涌的可能性，并且常規欠平衡鉆井須靠龐大的地面壓力控制系統完成，大大增加了鉆井成本。本實用新型就是在不增加地面裝備的同時實現井底脈動負壓，并且避免了整個裸眼井段處于低壓狀態的可能性，經濟簡單，大大降低了鉆井成本，同時脈動負壓相較于負壓更能破壞井底巖石的結構，能夠大幅度的提高機械鉆速。本實用新型的目的就是提供一種只在井底實現脈動負壓鉆井的井底局部脈沖負壓工具。
本實用新型是這樣實現的由上接頭、本體、噴嘴、中心管、閥腔、彈簧腔、彈簧、限位盒、提升閥、中心桿組成，上接頭1和本體4均是兩段加工有絲扣的中空管，上接頭1和本體4通過絲扣聯接，中心管3下端與閥腔7通過絲扣聯接，兩者組裝后放入上接頭1和本體4組成的內腔中，彈簧腔8內裝有彈簧9，上端開有一泄壓孔，下端加工有內絲扣和限位盒5聯接，限位盒5坐落在閥腔7的內部上臺階上，中心桿10上端加工有外臺階，下端加工有錐度，中心桿10穿過彈簧9，插入提升閥6上端。上接頭1加工有內臺階，裝有噴嘴2，噴嘴2加工成倒漏斗狀，與上接頭2內腔之間有密封。中心管3為一中空管狀體，上下兩部分外緣均加工有對稱的兩個四分之一凸出圓環，并且上端開口呈喇叭口狀，中部內外徑逐漸放大，下端加工有絲扣。提升閥6成倒傘狀，上端加工有盲孔，下端呈圓錐形。閥腔7為中空管狀體，內徑上端加工有絲扣，絲扣下端加工有兩級臺階，其中下臺階為錐形臺階，閥腔7下部加工有泄流孔，閥腔底座外緣加工有密封槽，與本體2內腔密封聯結。限位盒5外緣上端加工有絲扣，絲扣下方加工有兩個對稱的四分之一凸環，限位盒5上端絲扣處內徑小于彈簧腔8的內徑。噴嘴2與中心管3上端有間隙。本實用新型接在鉆頭上方，鉆井時，鉆柱中的鉆井液進入上接頭，在噴嘴中得到加速，從噴嘴中出來的鉆井液流體是高速流體，根據射流泵的特性，從噴嘴出來的流體將全部進入中心管，同時在中心管和本體腔壁形成的環空中形成低壓區，迫使部分流體進入射流管，中心管中的高速流體經過提升閥時，由于提升閥的上下表面的面積不同，流經上下表面的流體速度也不同，上表面的面積小，流體速度小，根據伯努利原理，上表面的壓力要大于下表面的壓力，在提升閥上下表面將產生壓力差，這種壓力差迫使提升閥克服彈簧阻力下落，直至坐在閥座堵塞流道，這時流體突然停止，閥下游將產生降壓波水擊壓力，這種降壓波到達井底，在井底產生瞬時負壓流場，而同時閥上游會在提升閥上表面產生增壓波水擊壓力，這種水擊壓力向上以聲波速度傳播，一旦到達射流管頂部就會進入射流管和本體內腔壁組成的環空中，流體沿環空下行經泄流孔進入主流道，這時提升閥上下表面壓力達到相等，提升閥在彈簧力的作用下上行，流道打開，鉆井液重新進入射流管進行下一個周期。這樣循環往復，就會不斷在井底產生脈動負壓。這種井底脈動負壓能夠大大降低鉆井液柱壓力，提高機械鉆速，降低鉆井成本。
本實用新型基于影響深部地層鉆井速度的機理分析，提出通過降低液柱壓力來減少“壓持效應”、降低巖石的破碎強度，提高機械鉆速。本實用新型具有結構簡單、使用方便、不影響現有鉆具結構等特點，降低生產成本具有重要的實際意義。
圖1井底局部脈沖負壓工具示意圖1-上接頭、2-噴嘴、3-中心管、4-本體、5-限位盒、6-提升閥、7-閥腔、8-彈簧腔、9-彈簧、10-中心桿具體實施方式
現結合說明書附圖對本實用新型作進一步描述。
本實用新型主要由上接頭1、本體4、噴嘴2、中心管3、閥腔7、彈簧腔8、彈簧9、限位盒5、提升閥6、中心桿10組成。上接頭1和本體4均是兩段加工有絲扣的中空管，上接頭1和本體4通過絲扣聯接，硬質合金噴嘴2與上接頭1密封聯結，中心管3為一中空管狀體，上下兩端均加工有對稱的兩個四分之一凸出圓環，保證中心管在本體4內腔中能夠居中，并且上端開口呈喇叭口狀，下端與閥腔7通過絲扣聯接，閥腔7上端絲扣下加工有兩級內臺階，下臺階下部加工有瀉流孔，閥腔7最下端閥腔底座與本體4內腔密封聯結，彈簧腔8內裝有彈簧9，上端開有一泄壓孔，下端加工有絲扣和限位盒5聯接，限位盒5外緣上端加工有絲扣，絲扣下方加工有兩個對稱的四分之一凸環，限位盒5內徑小于彈簧腔8的內徑，從而能夠限制彈簧9的運動，中心桿10上端加工有臺階，下端穿過彈簧9插入提升閥6的上端。
使用時，本實用新型接在鉆頭上方，鉆井液經鉆柱進入上接頭1，在噴嘴2中得到加速，從噴嘴出來的高速流體將全部進入類似射流泵結構的中心管3，由于射流泵的特性，將在中心管3和本體4內腔壁形成的環空中形成低壓區，迫使部分環空中流體進入中心管3，中心管3中的高速流體經中心管內徑放大部分，向下流經限位盒5、提升閥6、閥腔7主流道、本體4內腔到達井底，當流經提升閥時，由于流經提升閥下端的流體速度較大，根據伯努利效應，將在提升閥6上下表面產生壓力差，這種壓力差迫使提升閥克服彈簧8阻力下落，直至坐落在閥腔的下臺階上完全堵塞流道，這時流體突然停止，閥下游將產生降壓波水擊壓力，這種降壓波到達井底，在井底產生瞬時負壓流場，而同時閥上游會在提升閥6上表面產生增壓波水擊壓力，這種水擊壓力向上以聲波速度傳播，一旦到達中心管3頂部就會進入中心管3和本體4內腔壁組成的環空中，流體沿環空下行經閥腔下部泄流孔進入主流道，這時提升閥6上下表面壓力達到相等，提升閥6在彈簧力的作用下上行，流道打開，鉆井液重新進入中心管進行下一個周期。這樣循環往復，就會不斷在井底產生脈動負壓。這種井底脈動負壓能夠大大降低鉆井液柱壓力，提高機械鉆速，降低鉆井成本。
權利要求1.一種井底局部脈沖負壓工具，主要由上接頭、本體、噴嘴、中心管、閥腔、彈簧腔、彈簧、限位盒、提升閥、中心桿組成，其特征在于上接頭1和本體4均是兩段加工有絲扣的中空管，上接頭1和本體4通過絲扣聯接，中心管3下端與閥腔7通過絲扣聯接，兩者組裝后放入上接頭1和本體4組成的內腔中，彈簧腔8內裝有彈簧9，上端開有一泄壓孔，下端加工有內絲扣和限位盒5聯接，限位盒5坐落在閥腔7的內部上臺階上，中心桿10上端加工有外臺階，下端加工有錐度，中心桿10穿過彈簧9，插入提升閥6上端。
2.根據權利要求1所述的井底局部脈沖負壓工具，其特征在于上接頭1加工有內臺階，裝有噴嘴2，噴嘴2加工成倒漏斗狀，與上接頭2內腔之間有密封。
3.根據權利要求1所述的井底局部脈沖負壓工具，其特征在于中心管3為一中空管狀體，上下兩部分外緣均加工有對稱的兩個四分之一凸出圓環，并且上端開口呈喇叭口狀，中部內外徑逐漸放大，下端加工有絲扣。
4.根據權利要求1所述的井底局部脈沖負壓工具，其特征在于提升閥6成倒傘狀，上端加工有盲孔，下端呈圓錐形。
5.根據權利要求1所述的井底局部脈沖負壓工具，其特征在于閥腔7為中空管狀體，內徑上端加工有絲扣，絲扣下端加工有兩級臺階，其中下臺階為錐形臺階，閥腔7下部加工有泄流孔，閥腔底座外緣加工有密封槽，與本體2內腔密封聯結。
6.根據權利要求1所述的井底局部脈沖負壓工具，其特征在于限位盒5外緣上端加工有絲扣，絲扣下方加工有兩個對稱的四分之一凸環，限位盒5上端絲扣處內徑小于彈簧腔8的內徑。
7.根據權利要求1所述的井底局部脈沖負壓工具，其特征在于噴嘴2與中心管3上端有間隙。
專利摘要本實用新型涉及石油工業鉆井作業中井下工具，它由上接頭、本體、噴嘴、中心管、閥腔、彈簧腔、彈簧、限位盒、提升閥、中心桿組成，使用時，本實用新型接在鉆頭的上方，當鉆進時，本實用新型能夠在井底附近形成脈動負壓流場，該脈動負壓流場能夠大幅度降低液柱對巖屑的壓持效應，有利于清除井底凹坑中的巖屑，避免鉆頭的重復切削，并且脈動負壓可以改變巖石的結構，提高破巖效率，從而提高機械鉆速，由于負壓脈沖的抽吸作用，也會在鉆頭上產生脈動附加鉆壓，這種脈動附加鉆壓也有助于提高機械鉆速。
文檔編號E21B7/00GK2758437SQ20042009937
公開日2006年2月15日 申請日期2004年12月21日 優先權日2004年12月21日
發明者王智鋒, 李作會, 王敏生 申請人:中國石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院