CN111219147B - 一种石油钻井提速设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油钻井提速设备，属于石油钻井技术领域。包括上接头、外壳、下接头、中心管柱、中心流道以及引射流道，所述上接头上端与钻柱螺纹连接，下接头下端与钻头螺纹连接，所述外壳包括螺纹连接的上外壳与下外壳，所述中心管柱位于外壳内部，包括上中心管、引射管以及下中心管，所述上中心管上端与上接头下端螺纹连接，下端与引射管上端螺纹连接，所述引射管下端固定连接有下中心管。本发明的中心管柱相对外壳上下往复运动不但能有效防止钻压过高或过低保护钻头，还能持续改变脉冲射流频率，提高破岩效率。本发明在钻压足够时，通过脉冲射流冲击进行破岩，在钻压不足时通过粒子射流冲击与过脉冲射流冲击协同破岩，保证破岩持续高效进行。

Description

一种石油钻井提速设备

技术领域

本发明涉及一种石油钻井提速设备，属于石油钻井技术领域。

背景技术

近年来，随着我国浅层油气资源的不断枯竭，在深部坚硬地层以及复杂地质条件下发现油气是目前勘探开发的重要工作。在钻井过程中，地层硬度和钻井难度随着井深的增加而不断增大，尤其是会导致钻井的速度急剧降低，提高硬地层钻速已成为世界公认的难题之一。国内外各油田在深井、硬岩地层钻进中普遍存在钻井速度慢、钻具寿命短、钻井周期长、钻井成本高等难题，制约着勘探开发的整体效益。

为了提高机械钻速，现有技术中提出了通过脉冲射流和冲击破岩来提高机械钻速。脉冲射流是将井底连续喷射的钻井液调制为脉冲喷射，可以改善井底流场，减少液柱对岩石的压持效应，减少岩屑的重复破碎，从而提高破岩效率。

此外，粒子冲击钻井技术是近几年发展起来的针对深部硬地层的高效钻井技术，它是在位于泥浆泵和钻柱之间的高压管处将球形钢粒子混入钻井液中，钻井液携带粒子进入管道并传递到钻头，最后粒子从钻头水眼高速喷出，通过高频撞击和磨削作用破碎破岩，是高速水力破岩为主、机械牙齿破岩为辅的一种崭新的高效钻井破岩方法。它将破岩方式由传统的高压水射流对井底岩石的静压作用改变为高速粒子流对井底岩石的冲蚀和磨削作用，大大提高了能量的利用率，提高了钻井速度。

然而，粒子冲击钻井技术在我国尚处于起步阶段，尚没有成熟的粒子冲击提速工具，更没有将粒子冲击与脉冲射流冲击相结合的钻井提速设备。因此，如何提供一种使得以上两种冲击方式相互配合，并能发挥出各自优势，有效提高机械钻速的钻井提速设备是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种石油钻井提速设备，使得粒子冲击与脉冲射流冲击两种冲击方式相互配合，并能发挥出各自优势，有效提高机械钻速，提高石油勘探开发的整体效益。

为达到上述目的，本发明提供了一种石油钻井提速设备，包括上接头、外壳、下接头、中心管柱、中心流道以及引射流道，所述中心流道包括自上而下依次设置的第一中心流道、第二中心流道、第三中心流道、第四中心流道，所述引射流道包括自外而内依次设置的第一引射孔、第二腔体第二引射孔，所述上接头上端与钻柱螺纹连接，下接头下端与钻头螺纹连接，所述外壳包括螺纹连接的上外壳与下外壳，所述中心管柱位于外壳内部，包括上中心管、引射管以及下中心管，所述上中心管上端与上接头下端螺纹连接，下端与引射管上端螺纹连接，所述引射管下端固定连接有下中心管，所述上外壳内壁设置有花键槽，所述上中心管外壁设置有与花键槽配合的花键齿，所述花键槽与花键齿构成花键连接，所述上中心管通过花键连接滑动安装在上外壳内，所述上中心管、引射管以及下外壳之间形成第一腔体，所述下外壳外壁绕其回转轴线设置有多个第一引射孔，所述引射管大端外壁设置有多个绕其回转轴线均匀分布的第二腔体，所述引射管大端内壁设置有多个绕其回转轴线均匀分布的第二引射孔，所述下接头上端固定连接有第一内套与第二内套，所述第一内套位于第二内套内部且高度相等，所述第一内套内壁为圆形截面，外壁为正八边形截面，所述第二内套内、外壁均为圆形截面，所述下中心管内壁为正八边形截面，外壁为圆形截面，所述下中心管、第一内套、第二内套之间形成第四腔体，并且下中心管下端延伸进第四腔体并在其内上下滑动，所述下外壳、下接头、引射管、下中心管、第二内套之间形成第三腔体，所述第三腔体内设置有弹簧，所述第一内套内设置有生成脉冲射流的脉冲射流组件。

作为该技术方案的进一步改进，所述第一中心流道由上接头中心过流孔、上中心管中心过流孔、引射管上部中心过流孔依次连接构成，所述第二中心流道F2由引射管下部中心过流孔构成，所述第三中心流道由下中心管中心过流孔高于第一内套上端面的部分构成，所述第四中心流道由第一内套中心过流孔、下接头中心过流孔依次连接构成，所述第一中心流道过流面积大于第二中心流道，所述第二中心流道过流面积小于第三中心流道，所述第三中心流道过流面积大于第四中心流道。

作为该技术方案的进一步改进，所述第一引射孔自外向内看为倾斜向下的通孔，倾斜角度为30°-60°，所述第二引射孔自外向内看为倾斜向下的通孔，倾斜角度为30°-60°，所述第二腔体在弹簧处于原长位置时，其上表面与第一引射孔上顶点平齐，下表面与第二引射孔下顶点平齐，并且此时第一引射孔与第二引射孔的轴线重合，所述第二引射孔直径小于或等于第一引射孔。

作为该技术方案的进一步改进，所述脉冲射流组件位于第一内套内部上方，其包括第一连接杆和叶轮，所述第一内套设置有第一安装孔，所述第一连接杆转动安装在第一安装孔内，所述叶轮固定安装在第一连接杆上，并且叶轮垂直于第一内套的截面形状为圆形，且其直径略小于第一内套内径，叶轮表面设有耐磨涂层，并且其最上端略低于第一内套上端面，通过钻井液驱动叶轮转动改变第四中心流道的过流面积进而产生脉冲射流冲击。

作为该技术方案的进一步改进，所述脉冲射流组件位于第一内套内部上方，其包括翻板、第二连接杆和齿轮，所述第一内套设置有第二安装孔，所述第二连接杆转动安装在第二安装孔内，所述第二连接杆穿过第一内套的一端安装有齿轮，并且齿轮通过平键与第二连接杆固定连接，所述翻板固定连接在第二连接杆上，所述第一内套与第二连接杆垂直的左侧面下部设置有矩形槽，所述矩形槽内固定设置有与齿轮相互啮合齿条，通过齿条上下运动带动齿轮驱动翻板转动改变第四中心流道的过流面积进而产生脉冲射流冲击，并且在弹簧处于原长位置时，矩形槽的顶面低于第一内套上端面，所述第一内套的矩形槽与第一内套上端面之间设置有密封，所述翻板表面设有耐磨涂层，并且其直径略小于第一内套内径。

作为该技术方案的进一步改进，所述弹簧上下两端分别设置有一个弹簧压盘，所述弹簧压盘断面为U型并且其U型开口均朝向弹簧，所述下外壳下端设置有多个绕其轴线均匀分布的第一透气孔，所述第二内套下端设置有多个绕其轴线均匀分布的第二透气孔。

作为该技术方案的进一步改进，所述第一透气孔连通第三腔体与外部环空，其高度高于第二透气孔的高度，所述第二透气孔连通第三腔体与第四腔体，其高度高于下部弹簧压盘的高度，所述第一透气孔内安装有过滤丝堵。

作为该技术方案的进一步改进，所述过滤丝堵包括防止外部环空杂质进入的外盖板、开设有外透气孔的内盖板、连接外盖板与内盖板的连接杆、连接内盖板与底板的侧壁以及开设有内透气孔的底板，所述第一透气孔外端设有柱形盲孔，所述内盖板通过柱形盲孔轴向定位，并且所述外盖板位于柱形盲孔内。

作为该技术方案的进一步改进，所述下外壳外壁设置有等间距均匀分布的球座，所述球座的对称截面形状为圆弧，并且该圆弧为优弧，所述钢球设置在球座内部，并且钢球的直径略小于球座内径，能在球座内自由转动，通过在下外壳外壁设置装有自由转动钢球的球座，将外壳与套管间的滑动摩擦转化为滚动摩擦进而提高机械钻速。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明的粒子射流对井底岩石进行高频冲击和磨削，使岩石破碎所需压力降低，进而高效破碎岩石，大幅提高钻井速度。

(2)本发明的脉冲射流冲击的频率持续变化更有利于改善井底流场，减少钻井液对岩石的压持效应，减少岩屑的重复破碎，从而提高破岩效率。

(3)本发明的中心管柱相对外壳的上下往复运动不但能有效防止钻压过高或过低保护钻头，还能持续改变脉冲射流频率，提高破岩效率。

(4)本发明在钻压足够时，通过脉冲射流冲击进行破岩，在钻压不足时通过粒子射流冲击与过脉冲射流冲击协同破岩，保证破岩持续高效进行。

(5)本发明在钻压过大时，不引射钢制粒子破岩，能够保证破岩效率的前提下避免卡钻以及损坏切削齿；在钻压过小时，引射钢制粒子协同破岩，能够保证不发生卡钻以及损坏切削齿的前提下提高破岩效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例的整体结构示意图；

图2为本发明第一实施例图1中A-A的截面图；

图3为本发明第一实施例图1中B-B的截面图；

图4为本发明第一实施例图1中K处放大图；

图5为本发明第一实施例下接头处的结构示意图；

图6为本发明第二实施例的整体结构示意图；

图7为本发明第二实施例图6中C-C的截面图；

图8为本发明第二实施例图6中L处放大图；

图9为本发明第二实施例图6中M处放大图；

图10为本发明第二实施例图6中N处放大图。

1、上接头，2、上外壳，3、下外壳，4、下接头，5、上中心管，6、引射管， 7、下中心管，8、弹簧，9、弹簧压盘，10、过滤丝堵，11、钢球，12、第一透气孔，13、球座，14、第一连接杆，15、叶轮，16、翻板，17、第二连接杆， 18、齿轮，19、齿条，20、密封，21、花键齿，22、花键槽，23、第一内套， 24、第二内套，25、第一腔体，26、第二腔体，27、第三腔体，28、第四腔体， 29、第二透气孔，30、第一引射孔，31、第二引射孔，F1、第一中心流道，F2、第二中心流道，F3、第三中心流道，F4、第四中心流道，10.1、外盖板，10.2、内盖板，10.3、连接杆，10.4、侧壁，10.5、底板、10.6、外透气孔，10.7、内透气孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”和“第八”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合图1-图10以及具体的实施例对本发明所要求保护的技术方案进行详细说明。

如图1、图6所示，本发明一种石油钻井提速设备，包括上接头1、外壳、下接头4、中心管柱、中心流道以及引射流道。上接头1上端与钻柱螺纹连接，上接头1下端与中心管柱螺纹连接，用于传递来自上部钻柱的钻压与扭矩。下接头4上端与外壳螺纹连接，下接头4下端与钻头螺纹连接。外壳包括螺纹连接的上外壳2与下外壳3，以便于安装上中心管5与引射管6。中心管柱位于外壳内部，包括上中心管5、引射管6以及下中心管7。具体的，上中心管5上端与上接头1下端螺纹连接，上中心管5下端与引射管6上端螺纹连接。引射管6 下端固定连接有下中心管7，需要说明的是，引射管6下中心管7之间的连接方式可以为焊接、卡接或者螺纹连接，优选为焊接方式，焊接方式不但强度高而且不会发生松动。

如图2所示，上外壳2内壁设置有花键槽22，上中心管5外壁设置有与花键槽22配合的花键齿21，花键槽22与花键齿21构成花键连接，上中心管5通过花键连接滑动安装在上外壳2内，并且通过花键连接传递扭矩。

如图1、图6所示，上中心管5为阶梯轴分为上下两部分，下方轴段直径小于上方轴段，上方轴段设置有花键齿21。引射管6为阶梯轴分为上下两部分，上方轴段直径小于下方轴段，并且上中心管5下方轴段与引射管6上方轴段的内径、外径均相等。在上中心管5、引射管6以及下外壳3之间形成第一腔体 25，第一腔体25的设置可以减轻设备重量、防止与外壳之间发生摩擦，还可以在引射管6向下滑动时与第二引射孔31连通泄压。下外壳3外壁绕其回转轴线设置有多个第一引射孔30，优选为四个或六个，引射管6大端外壁设置有多个绕其回转轴线均匀分布的第二腔体26，优选为四个或六个，引射管6大端内壁设置有多个绕其回转轴线均匀分布的第二引射孔31，优选为四个或六个，并且第一引射孔30、第二腔体26、第二引射孔31的数量相等且相互连通。数量设置为四个或六个且均匀分布有利于外部充分吸入并在第二中心流道F2内充分均匀混合。

如图1、图3、图5所示，下接头4上端固定连接有第一内套23与第二内套24，需要说明的是，第一内套23与第二内套24的固定连接方式可以为焊接、卡接或者螺纹连接，优选为焊接方式，焊接方式不但强度高而且不会发生松动。具体的，第一内套23位于第二内套24内部且二者高度相等，第一内套23内壁为圆形截面，外壁为正八边形截面，第二内套24内、外壁均为圆形截面，下中心管7内壁为正八边形截面，外壁为圆形截面。下中心管7与第一内套23之间通过八角结构连接可以用于传递扭矩，需要说明的是，中心管柱上端通过花键连接传递扭矩，中心管柱下端通过八角结构传递扭矩，使得扭矩的传递更加均衡可靠。

如图6、图10所示，下中心管7、第一内套23、第二内套24之间形成第四腔体28，并且下中心管7下端延伸进第四腔体28并在其内上下滑动，其中，第四腔体28提供给下中心管7上下往复滑动的导向滑道，避免在运动过程中发生径向跳动，保持较高的同轴度，避免产生倾斜力矩，有利于集中钻压与扭矩进行破岩，进而提高机械钻速。下外壳3、下接头4、引射管6、下中心管7、第二内套24之间形成第三腔体27，第三腔体27内设置有用于缓冲吸振的弹簧8，此外，第一内套23内设置有生成脉冲射流的脉冲射流组件。

如图1、图6所示，中心流道包括自上而下依次设置的第一中心流道F1、第二中心流道F2、第三中心流道F3、第四中心流道F4。其中，第一中心流道 F1由上接头1中心过流孔、上中心管5中心过流孔、引射管6上部中心过流孔依次连接构成，第二中心流道F2由引射管6下部中心过流孔构成，第三中心流道F3由下中心管7中心过流孔高于第一内套23上端面的部分构成，第四中心流道F4由第一内套23中心过流孔、下接头4中心过流孔依次连接构成。具体的，第一中心流道F1过流面积大于第二中心流道F2，用于产生高速射流，第二中心流道F2过流面积小于第三中心流道F3，第三中心流道F3过流面积大于第四中心流道F4，保证在第四中心流道F4内产生不小于第二中心流道F2内的高速射流。

如图1、图6所示，引射流道包括自外而内依次设置的第一引射孔30、第二腔体26、第二引射孔31。其中，第一引射孔30自外向内看为倾斜向下的通孔，倾斜角度为30°-60°，优选为45°，第二引射孔31自外向内看为倾斜向下的通孔，倾斜角度为30°-60°，优选为45°。具体的，第二腔体26在弹簧8处于原长位置时，其上表面与第一引射孔30上顶点平齐，下表面与第二引射孔31 下顶点平齐，并且此时第一引射孔30与第二引射孔31的轴线重合，如此设置有利于环空中的钢制粒子吸入第二腔体26并快速穿过第二引射孔31进入第二中心流道F2的钻井液中。具体的，第二引射孔31直径小于或等于第一引射孔 30，确保第二引射孔31内产生大于或等于第一引射孔30内的吸力，以便吸入第二腔体26的钢制粒子均能进入第二中心流道F2的钻井液中。

如图1、图3所示，作为本发明的第一实施例，脉冲射流组件位于第一内套 23内部上方，其包括第一连接杆14和叶轮15。第一内套23设置有第一安装孔，第一连接杆14转动安装在第一安装孔内，叶轮15固定安装在第一连接杆14上，并且叶轮15垂直于第一内套23的截面形状为圆形，且其直径略小于第一内套 23内径，避免叶轮15与第一内套23之间产生摩擦，提高其使用寿命，叶轮15 表面设有耐磨涂层，并且其最上端略低于第一内套23上端面，确保叶轮15转动过程中能够具有足够的耐磨性能，通过钻井液驱动叶轮15转动改变第四中心流道F4的过流面积进而产生脉冲射流冲击。

如图6、图7、图9所示，作为本发明的第二实施例，脉冲射流组件位于第一内套23内部上方，其包括翻板16、第二连接杆17和齿轮18。第一内套23 设置有第二安装孔，第二连接杆17转动安装在第二安装孔内，第二连接杆17 穿过第一内套23的一端安装有齿轮18，并且齿轮18通过平键与第二连接杆17 固定连接，翻板16固定连接在第二连接杆17上。第一内套23与第二连接杆17 垂直的左侧面下部设置有矩形槽，矩形槽内固定设置有与齿轮18相互啮合齿条19，通过齿条19上下运动带动齿轮18驱动翻板16转动改变第四中心流道F4 的过流面积进而产生脉冲射流冲击。弹簧8处于原长位置时，矩形槽的顶面低于第一内套23上端面，避免第三中心流道F3中的钻井液进入第四腔体28，并且在第一内套23的矩形槽与第一内套23上端面之间设置有密封20，进一步防止第三中心流道F3中的钻井液进入第四腔体28。翻板16表面设有耐磨涂层，确保翻板16转动过程中能够具有足够的耐磨性能，并且其直径略小于第一内套 23内径，避免翻板16与第一内套23之间产生摩擦，提高其使用寿命。

如图1、图6所示，弹簧8上下两端分别设置有一个弹簧压盘9，用于避免弹簧8与下接头4、引射管6直接接触产生疲劳磨损，由于弹簧8在工作过程中仅与弹簧压盘9接触，因此产生疲劳磨损的部件仅限于弹簧8与弹簧压盘9，相对于下接头4以及引射管6更换成本更加低廉。弹簧压盘9断面为U型并且其 U型开口均朝向弹簧8，能够避免弹簧8与第二内套24、下外壳3直接接触产生疲劳磨损，由于弹簧8在工作过程中仅与弹簧压盘9接触，因此产生疲劳磨损的部件仅限于弹簧8与弹簧压盘9，相对于第二内套24、下外壳3更换成本更加低廉。

如图1、图5、图6、图10所示，下外壳3下端设置有多个绕其轴线均匀分布的第一透气孔12，用于对第三腔体27进行稳压；第二内套24下端设置有多个绕其轴线均匀分布的第二透气孔29，用于对第四腔体28进行稳压；第一透气孔12连通第三腔体27与外部环空，使得内外气压一致，降低中心管柱上下运动的阻力。第一透气孔12的高度高于第二透气孔29的高度，第二透气孔29连通第三腔体27与第四腔体28，其高度高于下部弹簧压盘9的高度，便于第四腔体28内的气压与第三腔体27以及外部环空中的气压一致，进一步降低中心管柱上下运动的阻力。此外，第一透气孔12内安装有过滤丝堵10，用于放止环空内的杂质进入第一透气孔12，影响对第三腔体27以及第四腔体28稳压。

如图4、图6、图10所示，过滤丝堵10包括防止外部环空杂质进入的外盖板10.1、开设有外透气孔10.6的内盖板10.2、连接外盖板10.1与内盖板10.2的连接杆10.3、连接内盖板10.2与底板10.5的侧壁10.4以及开设有内透气孔10.7 的底板10.5，第一透气孔12外端设有柱形盲孔，内盖板10.2通过柱形盲孔轴向定位，并且外盖板10.1位于柱形盲孔内，过滤丝堵10不但能防止外界杂质进入第一透气孔12，还设置有外透气孔10.6以及内透气孔10.7保证良好的透气性能。

如图1、图6、图8所示，下外壳3外壁设置有等间距均匀分布的球座13，球座13的对称截面形状为圆弧，并且该圆弧为优弧，也即球座体积大于半球。钢球11设置在球座13内部，并且钢球的直径略小于球座13内径，能在球座13 内自由转动，通过在下外壳3外壁设置装有自由转动钢球13的球座13，将外壳与套管间的滑动摩擦转化为滚动摩擦进而提高机械钻速。

当使用本发明的石油钻井提速设备在井底进行钻井作业时，上接头1与钻柱相连，下接头4与钻头相连，往钻井液内部加入适量钢制粒子，钢制粒子随钻井液经钻柱到达钻头，经钻头水眼或喷嘴加速后冲击井底岩石，钢制粒子反弹后进入套管与外壳之间的环空内。本发明的钻井液携带钢制粒子通过钻柱后依次流入第一中心流道F1、第二中心流道F2、第三中心流道F3和第四中心流道F4，最终经钻头水眼或喷嘴加速后喷出冲击井底岩石。钻井液在流经第二中心流道F2时携带钢制粒子的钻井液加速形成高速射流，由于射流的引射作用，在第二引射孔31处会形成低压区，在多个低压区的卷吸作用下，环空内被反弹的钢制粒子依次经过第一引射孔30、第二腔体26、第二引射孔31进入第二中心流道F2与钻井液充分混合，混合后的钻井液和钢制粒子依次通过第三中心流道F3、第四中心流道F4后，由钻头的水眼或喷嘴高速喷出，形成钢制粒子射流并作用于井底岩石，这样，粒子射流对井底岩石进行高频冲击和磨削，使岩石破碎所需压力降低，进而高效破碎岩石，大幅提高钻井速度。破碎岩石后的钢制粒子经反弹后再次进入套管与外壳之间的环空内，并再次被吸入到第二中心流道F2内形成粒子射流；之后，粒子射流再从钻头的水眼或喷嘴高速喷出破碎岩石，如此往复。

在此过程中，上接头1会随着上部钻柱往复振动，当上接头1向下振动时，中心管柱相对外壳向下滑动，弹簧8被压缩钻压增大，钻压通过弹簧8、下接头 4传递给钻头，扭矩通过外壳、下接头4传递给钻头；同时第三中心流道F3体积减小，其内钻井液的压力增大驱动脉冲射流组件的转动速度加快，脉冲射流频率增大。当上接头1向上振动时，中心管柱相对外壳向上滑动，弹簧8被压缩钻压减小，钻压通过弹簧8、下接头4传递给钻头，扭矩通过外壳、下接头4 传递给钻头；同时第三中心流道F3体积增大，其内钻井液的压力较小驱动脉冲射流组件的转动速度减慢，脉冲射流频率减小。由于来自钻柱的钻压通过弹簧8 传递给钻头，一方面起到缓冲吸振的作用，避免钻压过高或过低对钻头造成损害；另一方面通过弹簧8的简谐振动规律，使得钻井液流经脉冲射流组件后产生持续变化的脉冲射流频率。脉冲射流频率持续变化的脉冲射流冲击更有利于改善井底流场，减少钻井液对岩石的压持效应，减少岩屑的重复破碎，从而提高破岩效率。综上可知，中心管柱相对外壳的上下往复运动不但能有效防止钻压过高或过低保护钻头，还能持续改变脉冲射流频率，提高破岩效率。

此外，当钻压由小增大过程中，中心管柱相对外壳向下运动，引射管6向下运动使得第一引射孔30开度减小，从环空进入第二腔体26内部的钢制粒子较少，当钻压继续增大超过设定值时，中心管柱相对外壳继续向下运动，引射管6继续向下运动使得第一引射孔30开度较小至完全封闭，此时不再从环空进入钢制粒子；当钻压由大减小过程中，中心管柱相对外壳向上运动，引射管6 向上运动使得第一引射孔30开度增大，从环空进入第二腔体26内部的钢制粒子增多，当钻压继续较小时，中心管柱相对外壳继续向上运动，引射管6继续向上运动使得第一引射孔30开度最大至完全打开，此时从环空进入的钢制粒子最多。综上可知，当钻压增大时，引射的钢制粒子减少，脉冲射流频率增大；当钻压减小时，引射的钢制粒子增多，脉冲射流频率减小。也即，当钻压足够时，通过脉冲射流冲击进行破岩，当钻压不足时通过粒子射流冲击与过脉冲射流冲击协同破岩。另外，当钻压过大时，不引射钢制粒子破岩，能够保证破岩效率的前提下避免卡钻以及损坏切削齿；当钻压过小时，引射钢制粒子协同破岩，能够保证不发生卡钻以及损坏切削齿的前提下提高破岩效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种石油钻井提速设备，其特征在于，包括上接头、外壳、下接头、中心管柱、中心流道以及引射流道，所述中心流道包括自上而下依次设置的第一中心流道、第二中心流道、第三中心流道、第四中心流道，所述引射流道包括自外而内依次设置的第一引射孔、第二腔体、第二引射孔，所述上接头上端与钻具螺纹连接，下接头下端与钻头螺纹连接，所述外壳包括螺纹连接的上外壳与下外壳，所述中心管柱位于外壳内部，包括上中心管、引射管以及下中心管，所述上中心管上端与上接头下端螺纹连接，下端与引射管上端螺纹连接，所述引射管下端固定连接有下中心管，所述上外壳内壁设置有花键槽，所述上中心管外壁设置有与花键槽配合的花键齿，所述花键槽与花键齿构成花键连接，所述上中心管通过花键连接滑动安装在上外壳内，所述上中心管、引射管以及下外壳之间形成第一腔体，所述下外壳外壁绕其回转轴线设置有多个第一引射孔，所述引射管大端外壁设置有多个绕其回转轴线均匀分布的第二腔体，所述引射管大端内壁设置有多个绕其回转轴线均匀分布的第二引射孔，所述下接头上端固定连接有第一内套与第二内套，所述第一内套位于第二内套内部且高度相等，所述第一内套内壁为圆形截面，外壁为正八边形截面，所述第二内套内、外壁均为圆形截面，所述下中心管内壁为正八边形截面，外壁为圆形截面，所述下中心管、第一内套、第二内套之间形成第四腔体，并且下中心管下端延伸进第四腔体并在其内上下滑动，所述下外壳、下接头、引射管、下中心管、第二内套之间形成第三腔体，所述第三腔体内设置有弹簧，所述第一内套内设置有生成脉冲射流的脉冲射流组件。

2.根据权利要求1所述的石油钻井提速设备，其特征在于，所述第一中心流道由上接头中心过流孔、上中心管中心过流孔、引射管上部中心过流孔依次连接构成，所述第二中心流道F2由引射管下部中心过流孔构成，所述第三中心流道由下中心管中心过流孔高于第一内套上端面的部分构成，所述第四中心流道由第一内套中心过流孔、下接头中心过流孔依次连接构成，所述第一中心流道过流面积大于第二中心流道，所述第二中心流道过流面积小于第三中心流道，所述第三中心流道过流面积大于第四中心流道。

3.根据权利要求2所述的石油钻井提速设备，其特征在于，所述第一引射孔自外向内看为倾斜向下的通孔，倾斜角度为30°-60°，所述第二引射孔自外向内看为倾斜向下的通孔，倾斜角度为30°-60°，所述第二腔体在弹簧处于原长位置时，其上表面与第一引射孔上顶点平齐，下表面与第二引射孔下顶点平齐，并且此时第一引射孔与第二引射孔的轴线重合，所述第二引射孔直径小于或等于第一引射孔。

4.根据权利要求3所述的石油钻井提速设备，其特征在于，所述脉冲射流组件位于第一内套内部上方，其包括第一连接杆和叶轮，所述第一内套设置有第一安装孔，所述第一连接杆转动安装在第一安装孔内，所述叶轮固定安装在第一连接杆上，并且叶轮垂直于第一内套的截面形状为圆形，且其直径略小于第一内套内径，叶轮表面设有耐磨涂层，并且其最上端略低于第一内套上端面，通过钻井液驱动叶轮转动改变第四中心流道的过流面积进而产生脉冲射流冲击。

5.根据权利要求3所述的石油钻井提速设备，其特征在于，所述脉冲射流组件位于第一内套内部上方，其包括翻板、第二连接杆和齿轮，所述第一内套设置有第二安装孔，所述第二连接杆转动安装在第二安装孔内，所述第二连接杆穿过第一内套的一端安装有齿轮，并且齿轮通过平键与第二连接杆固定连接，所述翻板固定连接在第二连接杆上，所述第一内套与第二连接杆垂直的左侧面下部设置有矩形槽，所述矩形槽内固定设置有与齿轮相互啮合齿条，通过齿条上下运动带动齿轮驱动翻板转动改变第四中心流道的过流面积进而产生脉冲射流冲击，并且在弹簧处于原长位置时，矩形槽的顶面低于第一内套上端面，所述第一内套的矩形槽与第一内套上端面之间设置有密封，所述翻板表面设有耐磨涂层，并且所述翻板直径略小于第一内套内径。

6.根据权利要求4或5所述的石油钻井提速设备，其特征在于，所述弹簧上下两端分别设置有一个弹簧压盘，所述弹簧压盘断面为U型并且其U型开口均朝向弹簧，所述下外壳下端设置有多个绕其轴线均匀分布的第一透气孔，所述第二内套下端设置有多个绕其轴线均匀分布的第二透气孔。

7.根据权利要求6所述的石油钻井提速设备，其特征在于，所述第一透气孔连通第三腔体与外部环空，其高度高于第二透气孔的高度，所述第二透气孔连通第三腔体与第四腔体，其高度高于下部弹簧压盘的高度，所述第一透气孔内安装有过滤丝堵。

8.根据权利要求7所述的石油钻井提速设备，其特征在于，所述过滤丝堵包括防止外部环空杂质进入的外盖板、开设有外透气孔的内盖板、连接外盖板与内盖板的连接杆、连接内盖板与底板的侧壁以及开设有内透气孔的底板，所述第一透气孔外端设有柱形盲孔，所述内盖板通过柱形盲孔轴向定位，并且所述外盖板位于柱形盲孔内。

9.根据权利要求8所述的石油钻井提速设备，其特征在于，所述下外壳外壁设置有等间距均匀分布的球座，所述球座的对称截面形状为圆弧，并且该圆弧为优弧，钢球设置在球座内部，并且钢球的直径略小于球座内径，能在球座内自由转动，通过在下外壳外壁设置装有自由转动钢球的球座，将外壳与套管间的滑动摩擦转化为滚动摩擦进而提高机械钻速。

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