CN1242155C - 磨料射流钻井钻具组合 - Google Patents

Abstract

提出一种钻井钻具组合，用于在地下结构中钻凿井眼，该钻井钻具组合包括钻柱，它伸入于井眼中；和喷射装置，它布置在钻柱的下部分，喷射装置设置有混合室，混合室具有第一入口，它与钻井液供应管道流体联通；第二入口，它用于磨料颗粒；以及出口，它与喷射喷嘴流体联通，喷射喷嘴布置成至少向井眼底部和井壁之一喷射磨料颗粒和钻井液的液流。喷射装置还设置有磨料颗粒再循环系统，用于将磨料颗粒在选定的位置从钻井液中分离出，在此外，液流至少从所述井眼底部和井壁之一流向井眼的上端；以及用于将被分出的磨料颗粒输送至第二入口。

Description

磨料射流钻井钻具组合

技术领域

本发明涉及一种钻井钻具组合，用于在地层中钻凿井眼，该钻井钻具组合包括伸入井眼中的钻柱以及安装在钻柱下端的喷射装置。喷射装置向着岩层喷射高速的钻井液液流以便冲蚀岩石，从而钻出井眼。为提高钻柱的进尺速度，建议将磨料颗粒混入喷射液流中。

背景技术

在美国专利No.3838742中披露了这样一种系统，其中，钻柱设置有钻头，而钻头具有若干出口喷嘴。钻井液包含磨料颗粒，它被泵送经由钻柱通过喷嘴，用以产生高速射流，冲击井眼底部。磨料颗粒与只是钻井液的射流相比，使冲蚀过程加快。岩石切屑吸入液流中，液流通过钻柱与井壁之间的环空返回至地面。从液流中分离出岩石切屑后，泵送循环重复。已知系统的缺陷在于，磨料颗粒通过泵送设备及钻柱的连续循环导至这些部件的磨损加速。已知系统的另一缺陷是，对钻井液的流变学性能施加了限制，例如，要求流体具有较高的粘度，以便向上输送磨料颗粒通过环空。

发明内容

本发明的目的就是提出一种改进的钻井钻具组合，用于在地层中钻凿井眼，这种改进的钻井钻具组合克服了已知系统的缺陷，能提供高的进尺速度，但不会加速钻井钻具组合部件的磨损。

根据本发明，提出一种钻井钻具组合，用于在地层中钻凿井眼，该钻井钻具组合包括钻柱，它伸入于井眼中；和喷射装置，它布置在钻柱的下部分，喷射装置设置有混合室，混合室具有第一入口，它与钻井液供应管道流体联通；第二入口，它用于磨料颗粒；以及出口，它与喷射喷嘴进行流体联通，喷射喷嘴布置成至少向井眼底部和井壁之一喷射磨料颗粒和钻井液的液流，喷射装置还设置有磨料颗粒再循环系统，用于将磨料颗粒在所选的位置从钻井液中分离出，在此处，液流至少从所述井眼底部和井壁之一流向井眼的上端；以及用于将被分出的磨料颗粒输送至第二入口。

磨料颗粒再循环系统在液流冲击岩层后，将磨料颗粒从液流中分离出，并将磨料颗粒送回至混合室。液流的其余部分除钻屑外，基本不合磨料颗粒，此液流被送回至地面，并在除去钻屑后，通过钻井钻具组合进行再循环。这从而达到，磨料颗粒只通过钻井钻具组合的下部分进行循环，而基本不含磨料颗粒的钻井液则通过泵送设备而循环，还达到，对钻井液不施加与磨料颗粒输送至地面有关的流变学性能的限制。

合适的再循环系统包括在液流中产生磁场的装置，而磨料颗粒包含这样的材料，它承受由磁场感生的磁力作用，且产生的磁场是这样的，它使磨料颗粒被所述磁力从钻井液中分离出。产生磁场的装置包括，例如，至少一块磁铁。

在优选实施例中，钻柱在其下端设置有钻头，而喷射喷嘴布置成在井眼被钻头钻凿时向着井壁喷射磨料颗粒和钻井液的液流，以便将井眼的直径扩大至远大于钻头直径的直径。通过应用钻头钻凿井眼，以及将井眼直径扩大至远大于钻头直径的直径，诸如套管或衬管的管能在钻柱仍存在于井眼中时，安装在井眼中。此后，钻柱和钻头能通过此管回收至地面。

欲安装在井眼中的管可由钻柱构成，这时，钻柱的内径大于钻头的外径，钻头可从钻柱上拆卸，并设置有装置，用于从钻柱上拆卸钻头，以及用于通过钻柱将钻头回收至地面。

附图说明

下文将通过实例、参考附图对发明进行更详尽的说明，其中：

图1示意地表示了根据本发明提出的钻井钻具组合的一个实施例的纵向截面；

图2示意地表示了沿图1的方向II的透视图的细节；

图3示意地表示了图1实施例中应用的一件部件；

图4示意地表示了根据本发明提出的钻井钻具组合的一个替代性

实施例；而

图5示意地表示了根据本发明提出的钻井钻具组合的另一替代性

实施例。

具体实施方式

图中，相同的标号指示相同的部件。

图1中表示了一种钻井钻具组合，它包括钻柱1，钻柱1伸入在地层中形成的井眼2中；以及喷射装置5，喷射装置5布置在钻柱1的下端，位于井眼2的底部7的附近，从而环空8成形于钻柱1与井眼2的壁之间。钻柱1和喷射装置5设置有流体通道9、9a，以便钻井液如下所述地向着井眼底部喷射。喷射装置5具有主体5a，它设置有混合室10。混合室10具有第一入口，它形为入口喷嘴12，与流体通道9、9a进行流体联通；第二入口14，它用于磨料颗粒；以及出口，它形为指向井眼底部7的喷射喷嘴15。喷射装置5还设置有延伸物5c，它位于钻柱1的纵向，用以使喷射喷嘴15与井眼底部7保持选定的距离。

如图2所示，主体5a设置有壁龛18，它具有半圆柱形侧壁19，并与混合室10和第二入口14进行流体联通。壁龛18和第二入口14成形成主体5a中的单个凹陷。旋转圆柱16布置在壁龛18中，圆柱的直径是这样的，以致只有小缝隙存在于圆柱16与壁龛18的侧壁19之间(图2中为清楚起见，已将圆柱16卸去)。圆柱16的旋转轴线20基本垂直于入口喷嘴12而伸展。第二入口14和混合室10中的每一个均具有由圆柱16的外表面形成的侧壁。第二入口14还具有导向构件，形状为相对的侧壁22、24，它们沿着朝混合室10的向内方向而收缩，并基本垂直于壁龛18的侧壁19而伸展。

如图3所示，圆柱16的外表面设置有4块磁铁26、27、28、29，每块磁铁具有两个极N、S，它们以极带形式，沿圆柱16的纵向而伸展。磁铁由含有稀土元素的材料制成，诸如Nd-Fe-B(如Nd₂Fe₁₄B)，或Sm-Co(如SmCo₅或Sm₂Co₁₇)，或Sm-Fe-N(如Sm₂Fe₁₇N₃)。这样的磁铁具有高磁能密度、高抗退磁性和高居里温度(它是这样的温度，高于此温度发生不可逆的磁性减退)。

在钻井钻具组合1的正常运行的起始阶段，钻井液和一定数量磨料颗粒的混合物液流被泵送通过流体通道9、9a和入口喷嘴12，进入混合室10。磨料颗粒含有磁性活泼材料，诸如马氏体钢。典型的磨料颗粒是马氏体钢细粒或细砂。液流流过喷射喷嘴15，形成喷向井眼底部7的喷射液流30。所有磨料颗粒被泵送通过流体通道9、9a后，基本不含磨料颗粒的钻井液被泵送通过通道9、9a和入口喷嘴12，进入混合室10。

由于喷射液流30射向井眼底部7的冲击，岩石颗粒从井眼底部7去除。钻柱1同时旋转，因此，井眼底部7被均匀冲蚀，造成井眼的逐渐加深。从井眼底部7去除的岩石颗粒被吸入液流中，液流沿向上方向通过环空8，并沿着圆柱16而流动。从而圆柱16的极带N、S接触流动通过环空8的液流，并将磁场诱导进入液流。磁场感生作用于磨料颗粒的磁力，它迫使磨料颗粒与液流分离，并将颗粒移动至圆柱16的外表面，颗粒就粘附于其上。圆柱16在方向21上旋转，这首先是流入混合室的钻井液液流作用在圆柱上的摩擦力的结果，其次，是流动通过环空8的液流作用至圆柱上的摩擦力的结果。第三，钻井液通过混合室10的高速流动在混合室10内产生的液压压力远低于环空8中的液压压力。此压差引起壁龛18中的流体向着混合室10的方向被吸入。磨料颗粒粘附至圆柱16在此区域中的表面上的数目越多，驱动圆柱16旋转的压差就越有效。由于圆柱16的旋转，粘附至圆柱16的外表面上的磨料颗粒向着混合室10的方向移动通过第二入口14。第二入口14的收缩形侧壁22、24引导磨料颗粒进入混合室10。当颗粒到达混合室10中时，从入口喷嘴12喷射出的钻井液液流从圆柱16的外表面移去磨料颗粒，此后颗粒被吸入钻井液的液流中。

流动通过环空8的液流的其余部分基本不含磨料颗粒，继续向上流至地面，在此处钻屑能从液流中除去。去除钻屑后，钻井液重新泵送通过流体通道9、9a和入口喷嘴12，进入混合室10，这样，上述循环进行重复。

这样就达到基本不含磨料颗粒的钻井液循环通过泵送设备和钻井钻具组合1，同时，磨料颗粒只循环通过喷射装置5。因此，钻柱1、套管(如存在的话)和泵送设备不暴露于与磨料颗粒的连续接触之中，从而较少受到磨损。假如磨料颗粒在井眼中发生偶然的丢失，这样的丢失可通过经钻柱进给新磨料颗粒而加以补偿。

没有这样的缝隙能替代圆柱16与壁龛18的侧壁19之间的小缝隙。其优越性在于，磨料颗粒被吸入在圆柱16与侧壁19之间的风险下降。但是，为使圆柱16得以旋转，圆柱16和壁龛18的接触表面应十分光滑。

请参看图4，图中表示本发明的钻井钻具组合的一个替代性实施例，其中，在液流中产生磁场的装置由感应线圈40形成，感应线圈40围绕磨料颗粒的入口管道42而缠绕。入口管道42提供环空8与混合室10之间的流体联通，其直径沿着由环空8至混合室10的方向而收缩。感应线圈的直径也相应地收缩。

在图4的替代性实施例的正常使用期间，电流输送至感应线圈40，从而产生磁场，所具的磁场强度在管道42中沿着自环空8至混合室10的方向而增加。磨料颗粒被磁场所吸引，从而由在环空8中流动的液流中分离出。在磁场的作用下，磨料颗粒流入入口管道42。由于场强在管道42中沿向内方向而增加，磨料颗粒运动通过入口管道42至混合室10中。在磨料颗粒到达混合室10中，它们与通过流体入口喷嘴12进入混合室的钻井液相混合，于是，磨料颗粒和钻井液的液流通过出口喷嘴15喷向井眼底部7。从井眼底部7，液流沿向上方向流动通过环空。然后，磨料颗粒借道入口管道42的流动循环重复，同时，基本不含磨料颗粒的流体继续向上，通过环空8流向地面，在此处，钻屑被去除。钻井液重新被泵送通过流体通道9、9a和入口喷嘴12，进入混合室10，在此处，流体重又与磨料颗粒相混合，等等。

图5中表示本发明钻井钻具组合的又一修改方案，其中，用于在液流中产生磁场的装置由再循环表面44构成，它从环空8伸向磨料颗粒入口14，磁场产生装置布置成，用以产生一个运动的磁场，以便使磨料颗粒沿着再循环表面44向着磨料颗粒入口运动。这是通过应用一系列沿再循环表面44布置的极靴46获得的，每一极靴46设置有感应线圈48。

在正常使用期间，极靴46连接至多相电流源，例如三相电流源，其连接方式相似于普通无电刷感应电动机的定子的极靴连接方式。结果，产生了沿着再循环表面44，向着混合室10的方向运动的磁场，从而使磨料颗粒沿着表面44移向混合室10。当到达至混合室10中时，磨料颗粒与通过流体入口喷嘴12进入混合室的钻井液相混合，然后，磨料颗粒和钻井液的液流通过出口喷嘴15射向井眼底部7。从井眼底部7，液流通过环空8沿向上方向流动。于是，磨料颗粒借道再循环表面44的流动循环重复，同时，基本不含磨料颗粒的流体继续通过环空8向上流至地面，在此处，钻屑被去除。钻井液重又被泵送通过流体通道9、9a和入口喷嘴12，进入混合室10，在此处，流体重又与磨料颗粒相混合，等等。

下面将看到，可对上述实例进行许多修改而不偏离本发明的范围。例如，可应用一个以上的入口喷嘴、混合室或出口喷嘴。井眼底部的轮廓、喷射装置的动力学稳定性、以及井壁结构能受出口喷嘴的数目和定向的改变的影响。能应用多于一个的旋转圆柱，例如，第二圆柱，它布置在混合室的另一侧，并与上述圆柱相对。此外，此圆柱的定向可有所不同，例如，平行于钻井钻具组合的纵向轴线而定向。替代钻井液的液流引起圆柱的旋转，圆柱可例如由电动机、射流发动机加以旋转，或通过产生一个变化的磁场，它与圆柱的磁极进行相互作用而对圆柱加以旋转。替代应用圆柱，应用的旋转构件可具有凸形形状，它与井壁的曲率相一致。

除了在正常运行的起始阶段，借道流体通道向混合室输送磨料颗粒外，磨料颗粒可贮存在形成于喷射装置中的贮存室内，然后通过适当管道进给至混合室中。

此外，本发明的钻井钻具组合能用于在井眼套管中开窗口、钻碎井眼内的封隔器、进行修井作业，或从井眼中去结垢或碎片。

钻井钻具组合的性能或磨料颗粒在喷射液流中的浓度可通过为喷射装置设置一件或多件下述传感器而加以监控：

-一种传感器，它检测喷射装置与井眼底部之间的机械接触，如，包括应变仪或位移传感器；

-感应线圈，用于监控圆柱的旋转，该线圈能例如布置在壁龛或形成于喷射装置主体中的其它凹陷中；

-音响传感器，用于监控钻柱与井壁之间环空中、由喷射液流冲击孔底引起的声波；

-音响传感器，用于监控在混合室和出口喷嘴中产生的声音，以及用于提供混合室和出口喷嘴的磨损程度的信息。

代替由磁力将磨料颗粒从流体中分出，或除此之外，再循环系统可设置装置，用于在所选位置向磨料颗粒作用离心力。例如，在这方面可应用一台或多台水力旋流器和/或一台或多台离心器，如若干台水力旋流器成串联布置。

Claims (10)

1.一种钻井钻具组合，用于在地层中钻凿井眼，包括钻柱(1)，它伸入于井眼(2)中；喷射装置(5)，它布置于钻柱的下部分；混合室(10)，它具有与钻井液供应管道(9，9a)进行流体联通的第一入口(12)、磨料颗粒的第二入口(14)、和与喷射喷嘴进行流体联通的出口(15)，喷射喷嘴布置成至少向井眼底部(7)和井壁之一喷射磨料颗粒和钻井液的液流；以及磨料颗粒再循环系统，用于将磨料颗粒从钻井液中分离出，其特征在于，喷射装置(5)设置有所述混合室(10)和所述磨料颗粒再循环系统，还在于，磨料颗粒再循环系统布置成，在所选位置将磨料颗粒从钻井液中分离出，在此外，液流至少从所述井眼底部(7)和井壁之一流向井眼的上端；以及用于将被分出的磨料颗粒输送至第二入口(14)。

2.根据权利要求1的钻井钻具组合，其特征在于，再循环系统包含在液流中产生磁场的装置，而磨料颗粒包含承受由磁场感生的磁力作用的材料，磁场被定向成，磨料颗粒被所述磁力从钻井液中分离出。

3.根据权利要求2的钻井钻具组合，其特征在于，再循环系统包括再循环表面(44)，它从所述所选位置伸展至第二入口，而产生磁场用的装置被布置成产生运动的磁场，该运动磁场诱导磨料颗粒沿再循环表面移向第二入口。

4.根据权利要求2的钻井钻具组合，其特征在于，产生磁场用的装置至少包括一块磁铁(26、27、28、29)。

5.根据权利要求4的钻井钻具组合，其特征在于，每块磁铁(26、27、28、29)均设置在旋转构件(16)上，其外表面伸展在所述所选位置与第二入口(14)之间，构件(16)的旋转轴线(20)被布置成，在构件的旋转期间，每一磁极沿着从所述所选位置至第二入口(14)的方向运动，以及其中，再循环系统还包含旋转旋转构件用的装置。

6.根据权利要求5的钻井钻具组合，其特征在于，旋转旋转构件用的装置包括喷嘴(12)，它由第一入口(12)构成。

7.根据权利要求5或6的钻井钻具组合，其特征在于，喷射装置(5)至少设置有一件导向部件(22、24)，它沿着旋转构件(16)的外表面、在所选的角度下伸向旋转构件(16)的旋转轴线(20)，以便将粘附至所述外表面上的磨料颗粒导向第二入口(14)。

8.根据权利要求5-6中任一权利要求的钻井钻具组合，其特征在于，每一磁铁(26、27、28、29)的极平行于旋转构件(16)的旋转轴线(20)而延伸。

9.根据权利要求5-6中任一权利要求的钻井钻具组合，其特征在于，环空(8)在钻井钻具组合与井壁之间形成，其中，所选择的磨料颗粒被从钻井液中分离出的位置位于环空(8)中。

10.根据权利要求9的钻井钻具组合，其特征在于，旋转构件(16)的形状选自圆柱形形状和凸面形状，该凸面形状与旋转构件(16)附近的井壁的曲率相一致。

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