一种气体钻水平井用的钻具扶正器

摘要

本发明涉及一种气体钻水平井用的钻具扶正器，主要由扶正器本体、导流槽、扶正条等组成，其特征在于，所述导流槽为螺旋状，具有宽入口流道和窄出口流道，导流槽之间所夹的凸起的螺旋状扶正条，其螺旋角为18°～25°，所述扶正条上有岩屑导入槽，岩屑导入槽对应着导流槽的宽入口流道和窄出口流道方向宽度逐渐变小，所述岩屑导入槽表面和扶正条表面镶有硬质合金齿。该扶正器具有将钻柱抬升、扶正的作用，减少甚至消除偏心环空的低速区流场，使钻柱与井眼同心，同心环空流速均匀，消除了低速区，它还有利于强化水平井的携岩能力，同时钻柱运动稳定、起下摩阻小、旋转扭矩小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用气体为循环介质钻水平井时的专用钻具扶正器。该扶正器也同样适应利用流体为循环介质钻水平井的情况。

技术背景

在大斜度井，水平井、大位移井、分支井等复杂结构井的钻进中，由于井段大角度倾斜、甚至水平，从而导致岩屑运移困难，出现岩屑在下井壁滞留、聚集、成床的现象，最终导致钻柱卡钻，甚至钻进无法继续。

造成岩屑运移困难的主要原因有：1、由于重力作用使钻柱躺在下井壁上造成偏心环空，偏心环空造成下井壁处的低流速区。2、钻头破碎后产生的较大颗粒岩屑，既不易被运移，又无法再次破碎，首先滞留在下井壁上，进而成为阻碍其它岩屑运移的障碍。3、岩屑沿下井壁运移时受到钻具上直径增大段凸出台肩的几何阻碍，停止运移，成为滞留岩屑。4、岩屑在运移过程中缺乏再次加速、加速后冲击其它岩屑颗粒运动的动力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体钻水平井用的钻具扶正器，该扶正器是基于流体数值模拟技术、钻柱运动学、动力学分析技术、稀疏相气固(液固)两相流颗粒运动分析，优化出一种特殊形状的扶正器，它有利于强化水平井的携岩能力，同时具有钻柱运动稳定、起下摩阻小、旋转扭矩小的特点。

一种气体钻水平井用的钻具扶正器，主要由扶正器本体、导流槽、扶正条等组成，其特征在于，所述导流槽为螺旋状，具有宽入口流道和窄出口流道，导流槽之间所夹的凸起的螺旋状扶正条，其螺旋角为18°～25°，所述扶正条上有岩屑导入槽，岩屑导入槽对应着导流槽的宽入口流道和窄出口流道方向宽度逐渐变小，所述岩屑导入槽表面和扶正条表面镶有硬质合金齿。

本发明扶正器上导流槽为螺旋状，具有宽入口流道和窄出口流道，它促使气体、岩屑颗粒再次加速并产生螺旋状流动，高速岩屑具有了碰撞其它静止岩屑使其运动的动力，同时高速螺旋气流使下井壁沉淀的岩屑运动，进入上井壁带高速气流区。螺旋状的入口形状，是经过流体数值模拟技术优化的，可以保证任何方向、角度到达的岩屑颗粒均无阻挡地进入导流槽，不会在此处停顿、滞留。

导流槽之间所夹的凸起的螺旋状扶正条，具有特殊的形状和螺旋角度，螺旋角为18°～25°，它具有稳定钻柱振动、降低扭矩、减小起下钻摩阻的作用，同时还具有重复破碎的能力，可以将大颗粒岩屑嵌入、破碎成更小的尺寸岩屑，便于在后续井段顺利排出。所述扶正条上设计有岩屑导入槽，岩屑导入槽的宽度逐渐变小，岩屑导入槽表面和扶正条表面镶有硬质合金齿，具有耐磨和破碎岩屑的功能，大颗粒岩屑进入导流槽，被嵌入，进而被旋转的扶正条破碎。

与现有技术相比，本发明扶正器上导流槽、导流槽之间所夹的凸起扶正条，均具有特殊的形状和螺旋角度，扶正条上的岩屑导入槽从流道进口到流道出口，宽度逐渐变小，岩屑导入槽表面和扶正条表面镶有硬质合金齿，这些设计使扶正器具有将钻柱抬升、扶正的作用，减少甚至消除偏心环空的低速区流场，使钻柱与井眼同心，同心环空流速均匀，消除了低速区。它还有利于强化水平井的携岩能力，同时钻柱运动稳定、起下摩阻小、旋转扭矩小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是没有使用本发明的偏心环空速度等值线分布

图3是使用本发明后消除偏心环空的低速区流场

图4是传统扶正器的导流槽入口

图5是本发明扶正器的导流槽入口

图6是本发明导流槽变截面螺旋流道的加速和旋转作用

具体实施方式

参看图1，一种气体钻水平井用的钻具扶正器，主要由扶正器本体1、导流槽7、扶正条2等组成，其特征在于，所述导流槽7为螺旋状，具有宽入口流道5和窄出口流道6，导流槽之间所夹的凸起的螺旋状扶正条2，其螺旋角为18°～25°，所述扶正条上有岩屑导入槽3，岩屑导入槽对应着导流槽的宽入口流道和窄出口流道方向宽度逐渐变小，所述岩屑导入槽3表面和扶正条2表面镶有硬质合金齿4。

参看图2、图3，扶正器具有将钻柱抬升、扶正的作用，减少甚至消除偏心环空的低速区流场，图2没有使用本发明扶正器，使环空下部出现低速区，使岩屑堆积，使用此扶正器后，见图3所示，钻柱与井眼同心，同心环空流速均匀，消除了低速区。

参看图4、图5，图4是传统扶正器的导流槽入口，岩屑未得到充分破碎，图5是本发明扶正器导流槽入口，其形状是经过流体数值模拟技术优化的，可以保证任何方向、角度到达的岩屑颗粒均无阻挡地进入导流槽，不会在此处停顿、滞留。

参见图6，是本发明钻具扶正器计算流体动力学数值模拟结果，流体低速直线流入扶正器导流槽入口，通过扶正器上变截面螺旋流道的加速，并以高速螺旋流出，冲刷水平井底壁滞留的岩屑，有足够的能量将岩屑运移，并在下一个扶正器上进行重复破碎为细小颗粒的岩屑，使岩屑顺利被带出地面。

在钻水平井时，本发明之扶正器的安放位置和个数由钻柱力学分析和轨迹控制联合确定。配合本发明使用，钻水平井时要保持钻柱低速转动，同时控制钻速。使用时要注意扶正器方向，进出口方向的正确配合。