一种旋流井眼净化工具

技术领域

本发明涉及一种旋流井眼净化工具。

背景技术

在石油天然气钻井工程技术领域，水平井、大位移井、定向井等特殊井型得到了越来越多的应用，与常规直井相比，这类井倾斜角都比较大，岩屑在此类经段内向井口运移时容易在重力作用下沉降堆积在井筒的下井壁上，由少积多形成岩屑床，同样，处于大斜度井段内的钻具也在重力作用下贴近下井壁，当钻具遇到岩屑床时容易出现起下钻困难的情况，严重时甚至会导致钻具发生粘吸卡钻此类井下复杂情况，严重影响正常作业。

针对以上问题，现有技术都是采用井眼净化工具对井下岩屑床进行清理，关于现有技术中的井眼净化工具的结构，如申请公布号为CN103775010A、申请公布日为2014年05月07日的中国发明专利公开的一种水平段气体钻井井眼净化工具，其包括管体，管体上下两端具有连接结构，使得井眼净化工具能够串接在钻杆上，同时，管体上还具有螺旋形的翼，翼作为扶正条能够起到扶正作用，同时，相邻两翼围出螺旋形流道，工作时，井眼净化工具随钻杆一起转动，研磨岩屑的同时，增大气体流速并增强气体的绕动流动能力，使得经过流道的气流被搅动形成螺旋气流，利用螺旋气流将岩屑带出井。这样的井眼净化工具依靠转动动作和流道结构配合来实现井下岩屑的清除，净化方式单一，清洁与携带岩屑的动力具有一定的局限性，存在着岩屑清除能力弱的技术问题。

对此，现有技术有一些改进，如授权公告号为CN205089245U、授权公告日为2016年03月16日的中国实用新型专利公开的一种侧向射流式岩屑床清除工具，其柱状本体的侧壁外周面上设置有扶正翼的同时，还开设有与钻井流道连通的旁通孔，旁通孔沿柱状本体径向延伸，工作时，扶正翼转动将钻井液扰流成旋流状态的同时，钻井液经旁通孔以高压、高速的射流状态射向井壁，对岩屑进行冲击扰动，使岩屑便于被钻井液携带出来，该方案虽然能够增大净化工具清除岩屑的能力，但是，经旁通孔射出的高压射流冲对井壁产生冲击，加上处于地层深度处的井壁本身稳定性就比较差，极易出现井壁被冲击损伤的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋流井眼净化工具，以解决现有技术中井眼净化工具喷射射流时会对井壁造成损伤的技术问题。

为实现上述目的，本发明所提供的旋流井眼净化工具的技术方案是：

一种旋流井眼净化工具，包括管体和翼，管体的上下两端具有用于与钻杆连接的连接结构，翼位于管体外壁上，翼沿管体周向两侧的空间构成供流体流过的流道，旋流井眼净化工具还具有与管体内腔连通的喷嘴，定义喷嘴喷出的射流与管体的轴线夹角为α，射流朝向井壁倾斜喷射时α为正值，沿管体轴向喷射的角度为0°，朝向管体倾斜喷射时α为负值，所述射流与管体的轴线夹角α≤0°。

有益效果是：旋流井眼净化工具通过连接结构连接在钻杆上，随钻杆在井下转动，并通过翼刮磨井内岩屑，同时使得携带有岩屑的流体在经过流道后以旋流的姿态流向井口，实现旋流清除岩屑，与此同时，从喷嘴喷出的射流对井内岩屑进行冲击和扰动，使得岩屑更易被流体裹挟带出，对射流的喷射方向进行限制，确保射流具有冲击力的一段不会喷射在井壁上，进而确保射流不会对井壁造成损伤，尤其当射流沿管体轴线喷射时，喷射出的射流能够对被翼搅成旋流状态的流体进行有效的助力，提高流体将岩屑带出井的能力。

作为进一步地改进，所述翼有至少两个，各翼沿管体周向间隔布置，至少两个翼上设置有所述喷嘴。

有益效果是：喷嘴设置在翼上，无需在管体上额外设置喷嘴，确保旋流井眼净化工具具有尽可能简单的结构，更重要的，喷嘴与流道具有更近的配合距离，确保喷嘴喷射出的射流能够有效地与旋流状态的流体配合，与此同时，至少两个翼上都设置喷嘴，多个喷嘴共同作用，实现更好的扰动效果，提高旋流井眼净化工具的岩屑清除能力。

作为进一步地改进，所述翼为长度沿管体轴向延伸的平板结构。

有益效果是：翼采用平板型结构，使得翼本身便于生产制造，更重要的，平板型的翼便于加工相应的结构来装配成喷嘴，提高旋流井眼净化工具设计和制造的方便性。

作为进一步地改进，所述喷嘴包括壳体和阀芯组件，壳体上开设有喷射流道，所述阀芯组件设置在喷射流道内以用于控制喷射流道的开闭，并且，所述阀芯组件能够在管体内腔内的压力达到设定值时被打开。

有益效果是：设置能够在设定压力下打开的阀芯组件，使得旋流井眼净化工具的岩屑清除能力能够可控性地提升，具体使用时，当井内岩屑较难清除时，增大管体内腔内的压力，将喷嘴打开喷射流体以辅助翼来实现岩屑更加高效的清除，而当仅依靠翼的刮磨和搅动即可满足井下岩屑的清除时，可不用打开喷嘴，避免能量浪费。

作为进一步地改进，所述喷射流道开设在翼上，开有喷射流道的翼构成所述喷嘴的壳体。

有益效果是：直接采用翼来作为喷嘴的壳体，无需在管体上再额外专门设置喷嘴壳体，简化旋流井眼净化工具的结构的同时，使喷嘴与流道具有更近的配合距离，确保喷嘴喷射出的射流能够有效地与旋流状态的流体配合，提高旋流井眼净化工具的岩屑清除能力。

作为进一步地改进，所述阀芯组件包括阀座、阀芯、推杆和弹簧，所述阀座固定在喷射流道内且具有供流体通过的中心孔，弹簧设置在喷射流道内，推杆包括与弹簧插装配合的插装配合段以及伸出弹簧的伸出段，所述伸出段具有与阀芯稳定顶推配合的阀芯配合结构，弹簧通过推杆顶推阀芯封堵所述阀座的中心孔，推杆的插装配合段为管状，伸出段与喷射流道的内壁之间具有过流间隙且伸出段上具有将过流间隙与插装配合段的中心孔连通的连通通道。

有益效果是：当阀芯组件打开时，至少部分高速高压的流体经阀座的中心孔、过流间隙和连通通道流入推杆的插装配合段的中心孔内，避免弹簧过多地受到高速高压的流体冲击，提高喷头的耐用性，进而提高旋流井眼净化工具的耐用性。

作为进一步地改进，所述喷嘴还包括设置在喷射流道出口处的喷帽，喷帽具有供流体喷出的中心孔，中心孔的内口为扩口结构，推杆能够在阀芯组件打开时伸至喷帽的中心孔的扩口结构内。

有益效果是：推杆伸至喷帽的中心孔内，将高速高压的流体直接引导至喷帽内，尽可能地减少高速高压的流体对弹簧的冲击，从而尽可能地提高喷头的耐用性，进而提高旋流井眼净化工具的耐用性。

作为进一步地改进，所述弹簧与喷射流道内壁间隙配合地设置在喷射流道内，推杆的插装段与弹簧间隙配合地插装在弹簧内。

有益效果是：通过间隙配合使得弹簧与喷射流道导向配合，推杆与弹簧导向配合，从而对推杆的移动进行导向，进而确保推杆能够准确地将阀芯推至与阀座配合封堵阀座的中心孔的位置。

作为进一步地改进，所述推杆上具有与弹簧的端部挡止配合的环台，所述环台与喷射流道的内壁间隙配合。

有益效果是：环台与喷射流道的内壁间隙配合，利用环台对弹簧进行防护，尽量避免高速高压的流体冲击在弹簧上。

附图说明

图1为本发明中旋流井眼净化工具实施例1的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

附图标记说明：

1、管体；2、翼；3、喷帽；4、喷射直通道段；5、连通直通道段；6、堵头；7、阀座；8、弹簧；9、推杆；10、阀球；11、环台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明所提供的旋流井眼净化工具的具体实施例1，本实施例中，以采用钻井液进行钻井以及岩屑带出为例，对本发明中的旋流井眼净化工具的结构和工作方式进行介绍，在其他实施例中，还可以采用向钻杆内通入高压气体的方式来进行钻井液岩屑的带出。

如图1所示，旋流井眼净化工具包括管体1，管体1上下两端具有连接结构，使得管体1能够与钻杆连接使用。具体的，管体1上端的连接结构为内螺纹，用于与钻杆下端的外螺纹配合，管体1下端的连接结构为外螺纹，用于与钻杆上端的内螺纹配合。当然，在其他实施例中，结合钻杆的实际结构，管体上下两端的连接结构可做适应性的设计，确保管体能够与钻杆连接即可。

旋流井眼净化工具还包括设置在管体1外侧的翼2，本实施例中，管体1外侧沿其轴向间隔设置有四个翼2，相邻两翼2之间的夹角为90°，对于翼的个数和相邻两翼之间的夹角，在其他实施例中，可以依据实际需求进行适应性的增减，最少可仅设置一个翼。本实施例中翼为平板型，在其他实施例中，翼还可以为螺旋形或V型等其他结构。相邻两翼2之间的空间构成流道，旋流井眼净化工具在钻杆的带动下转动，通过翼2刮磨岩屑，同时，井下流体裹挟着岩屑流经流道后在翼的搅动下变成旋流状态，实现对井下岩屑扰动的同时，尽量避免岩屑在重力作用下沉积。

为了使旋流井眼净化工具具有更高的清除岩屑的能力，本发明中旋流井眼净化工具还具有喷嘴，本实施例中，每个翼2上均设置有喷嘴，具体的，翼2沿管体1的轴向分为上侧的后壁段和下侧的薄壁段，薄壁段构成尾翼。翼构成喷嘴的壳体，喷嘴还包括开设在厚壁段上的喷射流道，本实施例中，喷射流道为由两直通道段构成的T型结构，具体包括沿管体1轴向延伸的喷射直通道段4和沿管体径向延伸的连通直通道段5，连通直通道段5贯穿管体1和翼2，并与喷射直通道段4，实现管体内腔与喷射直通道段4的连通，旋流井眼净化工具还包括旋装在连通直通道段5远离管体内腔的一端内的堵头6。工作时，管体1内的高压流体经连通直通道段5进入喷射直通道段4内，并沿管体轴向向上喷出。

基于喷射流道这样的结构，在加工喷射流道时，可以在翼2在管体1上固定好之后，再从外部对将喷射直通道段4与管体内腔连通的通道进行加工，使得喷射流道便于加工制造。基于该构思之下，在其他实施例中，可以将连通直通道段以与管体轴线成锐角或者钝角的夹角加工出来。

由于并不是任何情况都要求井眼净化工具具有足够高的岩屑清除能力，因此，本发明中旋流井眼净化工具还具有控制喷射流道通断的阀芯组件。如图2所示，本实施例中阀芯组件为纯机械结构式的阀芯组件，包括阀座7、推杆9、阀球10和弹簧8，阀座7设置在喷射直通道段4靠近连通直通道段5的通道口处，弹簧8与喷射直通道段4的内壁间隙配合即上下方向导向配合地设置在喷射直通道段4，推杆9的一段为管状的插装配合段，插装配合段导向配合地插装在弹簧8内，推杆还包括与阀球10配合的工作段，推杆9构成工作段的部分上具有与弹簧8挡止配合的环台11，还具有与阀球10配合的凹槽，凹槽作为阀芯配合结构使得推杆能够与阀球10稳定的顶推配合。

为了实现过流，工作段与喷射直通道段4的内壁之间具有供流体流过的过流间隙，工作段自身上则具有与推杆的插接配合段的内腔连通的连通流道。阀座7上开设有供流体流过的中心孔，阀球10作为阀芯，能够对阀座的中心孔进行封堵。本实施例中，为确保阀球10与阀座7紧密配合，阀座7的流道朝向阀球10的一端为锥型扩口结构。关于弹簧8将阀塞在阀座7上压紧的压紧力，可以结合实际需求进行适应性的设定，使得阀芯组件能够在设定压力下打开。

本实施例中，喷射流道的出口处设置有喷帽3，喷帽3螺纹旋装在喷射流道内，并作为弹簧8的挡止件对弹簧8远离阀座7的一端进行挡止。当阀芯组件受压打开时，推杆9伸至喷帽3内，引导高压高速的流体直接流入喷嘴的流道内，避免高压高速的流体对弹簧8造成冲击。本实施例中，喷帽3的的流道靠近阀芯组件的一端为由外向内的扩口结构，对推杆9的端部进行引导的同时，对待喷射的流体进行节流，提高喷射出来的流体的速度。本实施例中，喷射直通道段4安装阀芯组件的一段构成用于安装阀芯组件的控制直通道段，将阀芯组件设置在沿管体轴线延伸的直通道段内，能够降低重力对各个阀芯组件之间打开力差异性的影响，确保各个喷嘴喷射出来的流体具有尽可能一致的流速。当然，在其他实施例中，控制直通道段还可以设置在连通直通道段5内。

对于翼的结构，本实施例中，翼2的开设有喷射流道的一端的端面即上端面与管体1的轴线垂直，喷射流道的出口位于翼2的上端面上，配合旋流井眼净化工具一般用于斜井和水平井，如此使得喷射流道的出口与重力方向具有尽可能小的夹角，进而尽可能地避免岩屑在喷射流道的出口沉积堵塞喷射流道出口。

油井的井壁易冲击受损，在此，对喷嘴的具体结构做限定，具体为喷口的轴线角度，具体地，定义经喷嘴的喷口喷出的射流与管体的轴线夹角为α，射流朝向井壁倾斜喷射时α为正值，沿管体轴向喷射的角度为0°，朝向管体倾斜喷射时α为负值，为了防止喷嘴喷射出的射流对井壁造成损伤，α≤0°。也就是说，射流要么沿管体轴线喷射，要么朝向管体1喷射。本实施例中射流沿管体轴向喷射。

本实施例中，各翼沿管体1径向的尺寸使得旋流井眼净化工具能够作为扶正器使用，工作时，旋流井眼净化工具随钻杆下至井内并随钻杆转动，对井内的井壁上沉积的岩屑床进行清除，通过翼对岩屑进行刮磨，细化和扰乱岩屑，使得岩屑能随井内流体流动，裹挟着岩屑的流体经流道流出后形成旋流流体，将岩屑带向井口处，当紧靠旋流井眼净化工具的转动无法满足对岩屑的清除的时候，在地面向钻杆内打压，提高钻井液的流量和压力，当管体1内腔内压力升高至一定值时，喷射流道内的高压液体推动阀塞脱离与阀座7的配合，实现阀芯组件的打开，当高压流体经过流通道、连通流道、推杆内腔进入喷帽3流道经喷帽3喷出，喷出的高压射流对经流道流出的旋流状态的裹挟着岩屑的流体进行助力，二者协同作用将岩屑可靠地带至井口，实现净化井筒岩屑床的目的。

以上描述中将管体的轴线方向定义为上下方向，如此仅仅是为了介绍旋流井眼净化工具结构并表明各个结构之间的位置关系而已，并不对旋流井眼净化工具的实际使用状态做限制和约束。

本发明所提供的旋流井眼净化工具的具体实施例2，其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，阀芯组件为纯机械结构，在本实施例中，在管体内设置压力传感器，阀芯组件采用能够在压力传感器发出信号后被控制打开的阀。

本发明所提供的旋流井眼净化工具的具体实施例3，其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，喷嘴设置在翼上，本实施例中，在管体位于翼的上侧部分上设置与翼相对独立的喷嘴。

本发明所提供的旋流井眼净化工具的具体实施例4，其与实施例1的区别主要在于：本实施例中，推杆自身直接与喷射流道内壁导向滑动配合。

本发明所提供的旋流井眼净化工具的具体实施例5，其与实施例1的区别主要在于：本实施例中，翼的上端面为与管体轴成非90°夹角的斜面，所述喷射流道的出口开设在该斜面上。

本发明所提供的旋流井眼净化工具的具体实施例6，其与实施例1的区别主要在于：实施例1中各个翼上均设置有喷嘴，本实施例中，部分翼上设置喷嘴。

本发明所提供的旋流井眼净化工具的具体实施例7，其与实施例1的区别主要在于：喷射流道直接开设在管体的壁上，即，喷嘴设置在管体上。

本发明所提供的旋流井眼净化工具的具体实施例8，其与实施例1的区别主要在于：本实施例中，喷嘴斜向下喷射射流。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。