CN1091176A - 用于钻探钻头的流控式振荡喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体自控振荡产生水击以提高 射流冲击破岩能力的石油钻井喷射机具，它利用射流 附壁与负反馈切换原理形成双稳态振荡交替地由低 阻流道喷嘴与高阻流道喷嘴射出，低阻向高阻切换时 产生的水击瞬态高压可增强射流对岩石的冲击力。 本发明在现有泵压条件下可成倍地增大钻头喷嘴的 有效作用压力。由于无需活动机件去产生水击，所以 可减少机件损坏误工的损失，提高钻井速度。

本发明可应用于石油矿山与地质钻井。

Description

本发明是使钻头喷射出在空间上交错，在时间上间歇的流股之流体自控振荡装置，用以增强射流冲击破岩作用，属于石油钻井机具类。

本世纪七十年代以来，世界各国科技界已公认钻井进尺不仅取决于钻头牙轮对岩石的机械破碎作用，而且还要靠喷嘴喷出的高速泥浆去冲净挟走井底岩屑与冲蚀劈裂岩石去发挥水力破岩作用。然而，油田钻探目前采用的多为连续喷射方式，其缺点为：

（1）把泥浆泵提供的有限能量平均分摊于全部钻探过程，单位时间内作用于井底岩层上的水马力（功率）太低，不足以劈裂和剥离岩石。

（2）连续流束正面顶冲下部岩石时其恒定的滞止压强的压持作用不利于岩石起动与脱离基层岩体。

近年，国内外众多学者致力于创制新型喷射装置以取代连续射流。王用顺的“用于钻头上的空穴射流喷嘴（中国专利号90212418）。王世烈的“高压喷射喷嘴脉冲射流调节装置”（中国专利号85100562），安娜钻机国际公司的“液力钻井震击器”（中国专利号91102908），西南石油学院的“牙轮钻头用振荡脉冲射流喷嘴”（中国专利号89201391），以及里斯特的锤击钻头（ACC专利号91007274/09101，优先权日期89069AU004631），（Lister的“Improved  Rock  DrillingBit  for  Percussion  Hammer”ACC-NO：91007274/09101.Priority：890609AU  004631）和华特的“钻井泥浆脉冲装置”（ACC专利号91021303/09103，优先权日期：890314US323624）（Walter的Downhole  Drilling  Flow  Pulsing  Appts.-Incorporates  a  movable  valve  member  for  poducing  an  enhanced  water  hammer  effect.”ACC-No：9102303/09103，priority：890314  US  323624）即其代表。但深井围压高，不易形成发生气化的负压，从而限制了专利号为90212418的那类靠气化空穴来破碎岩石的钻头喷嘴的应用范围。而像专利号为89201391的那样靠流动边壁凸凹以制造脱体涡环的所谓振荡脉冲射流喷嘴，其脉动压力的幅度只占射流滞止压力幅度的很小一部分，所以其破岩效果仍有等进一步提高。王世烈的“高压喷射喷嘴脉冲射流调节装置”（专利号85100562）与华特的“钻井泥浆脉冲装置”（ACC专利号91021303），皆企图产生水锤从而会极大地提高破岩能力，但要依赖于机械部件周期性地阻断泥浆喷射，而这些机械部件（如华特的装置中之弹簧）很易磨损断裂，减低了这类装置的效率，仍不能适应石油钻井的生产需要。

本发明的目的是提供一种不依赖弹簧等易损机械元件，却又能周期性地在钻头处产生水锤，形成远高于连续射流的滞止压力的瞬时压力以便高效破岩的流体自控振荡喷射装置。

本发明利用流体力学和控制论杂交产生的流体自动控制技术（或称射流技术），用多级进浆口和控制口以及反馈回路形成多级双稳态射流振荡发生器，使射流交替地由左右输出口喷出，去推动钻头主射流交替地由钻头中心喷嘴或钻头边缘的副喷嘴喷出。本发明又利用旋流增阻器使射流流经副喷嘴时流道的阻抗远高于中心喷嘴者，从而发生水击现象，在钻铤空腔内出现很高的瞬时压力，驱使泥浆以很高速度由喷管下端细喷嘴射出，其对岩石的瞬时冲击力远高于连续射流，例如，相应于井深1500m，泥浆密度每立方米1200公斤，钻头直径216mm的情况，水击瞬时冲击力会比连续射流的冲击力大两倍左右。

喷管间歇性地喷出调幅度达100%的高低压交变的脉冲液流，将会在井底岩层中引发水平方向的伸张应变脉冲波，加速岩层的张裂与破碎。副喷嘴中流出的低速射流与喷管射出的高速射流形成同轴环套复合射流，内核高速射流与外环低速射流平行前进，两者的界面是速度间断面，由现代流体力学研究最新成果可知，该间断面处将通过剪切失稳和自激振荡而产生涡列，从而在射流冲击岩石面时产生高频脉动压力，进一步加剧岩石的张裂与破碎。

在本发明的振荡射流一个周期中，前半周时段为低阻态，其射流由位于钻头中心的主喷嘴射向钻井井底中心在井底中心岩面造成压强峰值区;后半周时段为高阻态，射流由钻头边缘射向井底角隅，在边缘形成压强峰值区，而且射流由中心流向边缘，这将造成由中心向外缘的压力梯度，有利于碎石横向推移和岩屑起动，从而加速清除井底岩屑，提高钻井速度。

本发明的具体实施可通过附图加以说明，本发明中的流体自控振荡器进水口可为一个或多个，根据实际需要确定和调整。图中取为4个，供示例，附图1.2和3中有：一级进浆口1，一级喉管5，二级进浆口2，二级喉管6，三级进浆口3，三级喉管7，主射流进浆口即四级进浆口4，主射流喉管8，左振荡输出口9，右振荡输出口10，高阻输出流道11，低阻输出流道或即中心主射流喷嘴12，左采压孔13，左控制口14，右采压孔15，右控制口16，金属波纹管反馈通道17，旋流管18，高阻出流道11与旋流管18的连接段19，旋流管的排水孔20，副喷嘴21，喷管进口22，喷管细喷嘴23，其中副喷嘴21，环绕于喷管***，且与喷管同轴。喷管长度根据泵压与岩性优化确定，附图中为一种示例。中心主射流喷嘴12，副喷嘴21，喷管进口22和出口23，以及全部流道的内壁皆用钨钼渗镀以提高抗磨强度。

附图中还绘出钻铤24和钻头25，如所周知，目前，生产中采用的钻头下部皆装有切削破碎岩石的牙轮，限于图幅，附图中没有予以显示。

在深井钻探生产过程中，本装置的工作情况可描述如下：高压泥浆将由钻铤内腔进入安装在腔内的流控振荡器的进浆口1，由1下边的喉管5射出之高速紊动的液流将因卷吸作用而向较右侧更接近中心轴线的左侧壁面贴附，从而推动由进浆口2流进来的液流一起向右侧射去，1和2的液流又将以其动量通量所形成的冲力推动进浆口3流进来的液流和1与2的液流一起由左振荡输出口9射出，进一步以1.2和3合并在一起的动量通量推动由进浆口4流进来的泥浆从中心主射流喷嘴12喷出，去清洗井底岩屑和冷却牙轮。与此同时采压口13的迎流钩则会把1.2和3.三个进浆口全部液流的一小部分之动能转化为压能，由反溃通道17传向左控制口14，进而从左侧压迫进浆口1下边喉管5喷出之射流，使之靠流道右侧壁面流动，并进一步推动进浆口2的喷嘴6射出的液流向左侧流动，1和2进浆口的液流又会推动进浆口3下边之喉管6的射流向右流并由右振荡输出口10流出，最后迫使进浆口4下边喉管8射出的射流射向高阻流道出口，实现了主射流由中心喷嘴向副喷嘴的切换。由于旋流流道18中离心力的作用，由11经18到副喷嘴21的的流动阻力比由中心喷嘴12流出时增大许多，所以喷出量剧减，导致钻铤与钻杆内腔中泥浆的流动速度皆锐减，若流速的增量为-△U，按照动量定律，钻铤底部将获得水击增压△P

△P＝ρC△U+△P_f

此处ρ为泥浆密度，C为钢管中不可压缩流体中声波传播速度，△U为钻杆内腔中泥浆流动速度变化幅度之绝对值。

△P_f是因沿途流速锐减，摩耗减少而在钻铤底部获得的摩阻增压。

在此水击瞬态高压作用下，细喷嘴23将喷出瞬态高速脉冲射流去冲击岩石。

然而，当1.2和3进浆口的泥浆流由10流过时采压口15将会把液流动能的一部分转换为压能。通过控制口16去改变喉管5之射流的方向，使之再度贴附到左侧壁面，即复原。

然后，周而复始，主射流将轮流交替地由中心喷嘴12或副喷嘴21喷出，喷管细喷嘴23则将间歇性地喷出瞬态高速射流脉冲。

本发明具有以下优点：1.在现有泵压条件下，可成倍地提高作用于井底的破岩水马力（功率），2.所发射之高压瞬态射流脉冲会在岩体内诱发交变的张拉应变脉冲波，导致岩石中出现裂纹与裂隙，此高压脉冲对已出现的微裂隙则会使其加速张裂与破碎。

3.主副喷嘴不是同时喷射，而是轮流交替喷射泥浆流，所形成的具有较大压力梯度的井底流场，有利于已破碎的岩块从横向剥离并被泥浆冲起挟运走。

4.副喷嘴与高压喷管射出的同轴差速环套射流会在内层高速射流与外环的低速射流的剪切层面上形成涡环，加剧射流对岩石的锤击与破碎作用。

5.射流方向之切换，流动之阻断，皆由流体自己完成，不依赖机械部件的转动和滑动，撞击，故没有摩耗损坏问题，减少了停钻机修理的空档，提高了生产效率。

本发明立足于坚实的物理理论基础（参见清华大学流体传动与控制教研组译，怀利与斯特里特著，瞬变流，水利电力出版社1983年）和定性的实验验证（参见附件，英国设菲德大学的J.R.Tippets博士发表在“射流季刊”Fluidics  Quaterly第6卷第2期第45页上的论文，1974年，The  Fluidic  Hydraulic  Ram  and  Conjectured  Pressure  Amplifier，有关实验结果及论述）。

并且中国国内有相近的生产实践参照数据（参见江苏省煤矿研究所出版的“高压水射流”期刊1992年第一期发表的中国石油大学，沈忠厚的论文，水射流技术在石油工程中应用及其展望）。所以，本发明有现实可行性，可应用于石油钻井生产以提高钻进速度。

附图说明：

图1：为多级双稳态射流振荡器流道构造图。

图2：为多级双稳态射流振荡器、反馈通道与旋流管在钻铤内腔布置的顶视图。

图3：为旋流管、连接段和排水孔的构造图。

图4：为多级双稳态射流振荡器、旋流器侧向剖视和副喷嘴与高压喷管同轴层套构造图。

1-级进浆口

2.-二级进浆口

3.-三级进浆口

4.-主射流进浆口（四级进浆口）

5.-级喉管

6.-二级喉管

7.-三级喉管

8.-主射流喉管（四级喉管）

9.-左振荡输出口

10.-右振荡输出口

11.-高阻输出流道

12.-低阻输出流道（主喷嘴）

13.-左采压孔

14.-左控制口

15.-右采压孔

16.-右控制口

17.-金属波纹管反馈通道（左右各一，尺寸相同）

18.-旋流管

19.-连接段（连接高阻流道11与旋流管18

20.-旋流管的排水孔

21.-副喷嘴

22.-喷管进口

23.-喷管出口细喷嘴

24.-钻铤

25.-钻头

Claims (3)

1、一种流控振荡喷射装置，有多级双稳态射流振荡器、旋流增阻器、主射流喷嘴、副射流喷嘴与高压喷管，其特征在于射流振荡器有多个进浆口，如图1中的(1)，(2)，(3)和(4)等进浆口，和多个喉管，如图1中(5)，(6)，(7)和(8)等喉管，又有两个反馈通道(17)将采压孔(13)或(15)的压力分别反馈给左控制口(14)或右控制口(16)，实现深度负反馈保证稳定的振荡，使射流轮流交替地由左振荡输出口(9)经低阻输出流道主喷嘴(12)射出，或由右振荡输出口(10)经高阻输出流道(11)，连接段(19)、旋流管(18)旋流管排水孔(20)和副喷嘴(21)射出。

2、如权利要求1所述的流控振荡喷射装置，其特征在于流道（11）的高速水流由连接段（19）导向旋流管（18）做逆钟向旋流，弯道外侧因离心力而增压，造成螺旋流，排水孔（20）则位于内侧减压区，旋流管（18）在中段固定以保证顶部弯管和底部弯管自由变形。

3、如权利要求1和2所述的流控振荡喷射装置，其特征在于高压喷管与副喷嘴（21）同轴，后者的流道从***环绕着前者，而喷管的细喷嘴（23）是直径为d的园柱喷嘴，副喷嘴（21）出口段则为与（23）同轴的直径为5d之园柱喷嘴。

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