脉冲式井下增压射流钻井方法及装置

摘要

本发明涉及到一种脉冲式井下增压射流钻井方法及装置，其中，所述脉冲式井下增压射流钻井方法是利用在钻井过程中钻柱的上下振动或钻压变化，使与所述钻柱相连接的上接头带动壳体及设置在所述壳体内的增压缸体相对增压活塞上下往复移动，而增压活塞与相连接的高压管线及设置在所述高压管线外部的传动轴一起相对于壳体进行往复伸缩运动，从而对一部分进入增压缸体内的工作液进行间断式增压，并由增压活塞和高压管线内设置的高压流道排出，被排出的高压工作液通过喷嘴形成高压射流，另一部分工作液通过壳体与增压缸体、高压管线与传动轴之间的常压流道进入钻头，形成常压射流。本发明能有效地对部分钻井液进行井下增压，提高破岩效率和钻井速度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水力射流钻井装置，尤其是一种利用钻进过程中产生的振动而进行破 岩、钻孔的脉冲式井下增压射流钻井方法及装置。

背景技术

钻井过程中井眼的延伸，需要不断破碎岩石，一般需要破碎几千米深的岩石。而随井深 的增大，破岩难度也增大破岩效率降低。常规的破岩方式主要有机械破岩和射流水力破岩， 水力破岩需要很高的射流压力。

目前钻井条件下，射流只起水力辅助破岩作用。射流压力提高时，将提高水力辅助破岩 效果，甚至水力直接破岩。而要直接水力破岩，射流压力需要超过岩石破碎门限压力。将钻 井液压力提高有两种方式，一种是采用地面增压，通过提高地面泵送高压钻井液来提高井底 射流的速度，目前实践已经证明该方式不可行，效率低，成本高，不安全。由于在相同压力 下，脉冲射流具有比常规连续射流破岩能力高的优点，因此人们提出了另一种井下增压方法， 国内外先后出现各种井下增压器，但都存在一些问题，或者结构复杂、可靠性低，或者效率 低、增压不够高。如中国专利第93116601.2号，公开了“自动增压装置”，是利用机动先导 阀和液动换向阀组合控制换向和驱动增压，存在换向控制复杂，密封寿命短的问题；中国专 利第200520103214.8号，公开了“流体增压器”利用井下柱塞增压，其密封寿命问题一直未 能很好地解决，增压效果差；中国专利第200820019505.2号，公开了“双螺旋槽螺杆马达 井下增压泵”，其利用螺杆马达带动柱塞通过双螺旋槽来换向，由于螺旋槽体积较大，因此 使流体通道过小冲蚀严重；中国专利第201020125587.2号，公开了“井下钻柱减震增压装 置”，是利用弹簧控制阀来实现往复增压，弹簧在井下工作不够稳定可靠，而且会降低增压 值。所以需要研究新的井下增压装置来实现井下增压。

有鉴于上述公知技术存在的缺陷，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计 经验，研制出本发明的脉冲式井下增压射流钻井方法及装置，其综合了脉冲射流和超高压射 流钻井的优点，能够极大地提高破岩效率和钻井速度。

发明内容

本发明的目的是，利用在钻井过程中钻柱的上下振动或钻压变化，而提出一种脉冲式井 下增压高压射流钻井方法及装置，使其有效地对部分钻井液进行井下增压，实现高压射流破 岩，提高破岩效率和钻井速度。

为此，本发明提出一种脉冲式井下增压射流钻井方法，利用在钻井过程中钻柱的上下振 动或钻压变化，使与所述钻柱相连接的上接头带动壳体及设置在所述壳体内的增压缸体相对 增压活塞上下往复移动，而增压活塞与相连接的高压管线及设置在所述高压管线外部的传动 轴一起相对于壳体进行往复伸缩运动，从而对一部分进入增压缸体内的工作液进行间断式增 压，并由增压活塞和高压管线内设置的高压流道排出，被排出的高压工作液通过喷嘴形成高 压射流，另一部分工作液通过壳体与增压缸体、高压管线与传动轴之间的常压流道进入钻头， 形成常压射流。

当钻柱由于振动或钻压减小向上运行时，在钻井工作液的液压力作用下上接头与壳体带 动增压缸体相对增压活塞上行，使传动轴自所述壳体伸出，同时增压缸体内产生负压，工作 液通过设置在所述增压缸体上的进液单向阀进入并充满所述增压缸体；当钻柱由于振动或钻 压增加向下运行时，在冲击力或大钻压的作用下，所述上接头与壳体带动增压缸体相对增压 活塞下行，则所述传动轴缩至所述壳体内，增压缸体内压力升高将所述进液单向阀关闭，增 压缸体继续下行，当增压缸体内液体压力增大到规定数值时，被增压的工作液将迫使设置在 所述高压管线下端的排液单向阀打开，并进入钻头内置高压管路经喷嘴产生超高压射流。

本发明还提供一种能实现上述方法的脉冲式井下增压射流钻井装置，其包括：

壳体；

增压缸，具有增压缸体和增压活塞；其中，所述增压缸体设置在所述壳体内，与所述壳 体的一端相连接，所述增压缸体与所述壳体之间形成第一常压流道；所述增压缸体的一端设 有进液单向阀，另一端与所述增压活塞之间形成滑动密封；

传动轴，设置在所述壳体的另一端，仅能相对所述壳体进行伸缩移动；所述增压活塞与 所述传动轴固定连接；

高压管线，设置在所述传动轴内，一端与所述增压活塞相连接，另一端连接高压喷嘴； 所述高压管线与所述增压活塞均为中空柱状体，其中空部构成相连通的高压流道；所述高压 管线与所述传动轴之间形成第二常压流道，该第二常压流道与所述第一常压流道相连通，且 在所述高压流道的出口端设有排液单向阀，所述高压喷嘴与所述排液单向阀相连接；

所述壳体通过上接头与上部钻具相连接，所述传动轴伸出所述壳体的一端与下接头固定 连接，所述下接头与钻头相连接，所述第二常压流道与所述钻头相连通。

本发明的优点和特点是：

本发明利用钻柱振动或钻压大小变化作为动力源，将钻柱的动能或钻柱势能转换为液体 的压能，达到井下增压、超高压射流破岩，提高机械钻速，降低钻井成本。其基本原理在于： 钻柱由于上下振动(或钻压变化)时，上接头与壳体在外力作用下带动增压缸体相对增压活 塞上下运行(工具伸长或缩短)，对进入增压缸体内的工作液进行间断式增压。外力或钻压 的变化使增压活塞相对增压缸体上下往复运行。

利用轴向(纵向)振动和钻井工作液压力能量，可非连续式地将部分钻井工作液增压成 高压流体，该部分高压工作液经钻头上独立的高压喷嘴喷出，形成高压射流，这对提高深井 钻速非常有益。而另一部分未增压的常压工作液由钻头的普通喷嘴喷出，进行井底岩屑清洗、 水力辅助破岩。

本发明原理可行、结构简单可靠，能满足井下实际使用要求。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为本发明的结构示意图，为工具下行增压排液状态；

图2为本发明的工具上行吸液状态；

图3为沿图1中A-A线的剖视示意图；

图4为沿图2中B-B线的剖视示意图；

图5为图1的局部放大示意图一；

图6为图1的局部放大示意图二；

图7为图1的局部放大示意图三；

图8为上接头剖视示意图。

附图标号说明

1、上接头        100、容置腔    2、过滤器       3、第一密封件

4、进液单向阀    5、增压活塞    6、增压缸体    60、凸肋

7、高压密封总成  8、壳体        9、第二密封件  10、高压管线

101、高压流道    11、传动轴     110、通孔      111、伸出端

112、支撑端      113、止挡部    12、传动套     13、排液单向阀

14、第三密封件    15、高压接头     16、接头座        17、下接头

18、第四密封件    19、管线架       20、高压管路      21、喷嘴套

22、高压喷嘴      23钻头           24、第一常压流道  25、第二常压流道

26、第三常压流道  27、第四常压流道

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例， 对本发明的脉冲式井下增压射流钻井方法及装置的具体实施方式、结构、特征及功效，详细 说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手 段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明 加以限制。另外，图纸的上方为上端，下方为下端。

如图1、2所示，本发明提出的脉冲式井下增压射流钻井方法是利用在钻井过程中钻柱 的上下振动或钻压变化，使与所述钻柱相连接的上接头1带动壳体8及设置在所述壳体内的 增压缸体6相对增压活塞5上下往复移动，而增压活塞5与相连接的高压管线10及设置在 所述高压管线10外部的传动轴11一起相对于壳体8进行往复伸缩运动，从而对一部分进入 增压缸体6内的工作液进行间断式增压，并由增压活塞5和高压管线10内设置的高压流道 101排出，被排出的高压工作液通过喷嘴22形成高压射流，另一部分工作液通过壳体8与增 压缸体6、高压管线10与传动轴11之间的常压流道进入钻头23，形成常压射流。本发明通 过喷嘴22喷射的超高压流体，实现了超高压射流钻井，能提高破岩效率和钻井速度，而由 钻头23喷射的常压射流，能够实现清洗井底岩屑、水力辅助破岩的功能。

进一步，当钻柱由于振动或钻压减小向上运行时，在钻井工作液的液压力作用下上接头 1与壳体8带动增压缸体6相对增压活塞5上行，使传动轴11自所述壳体8伸出(工具伸长)， 同时增压缸体6内产生负压，工作液通过设置在所述增压缸体6上的进液单向阀4进入并充 满增压缸体6；当钻柱由于振动或钻压增加向下运行时，在冲击力或大钻压的作用下，所述 上接头1与壳体8带动增压缸体6相对增压活塞5下行，则所述传动轴11缩至所述壳体内 (工具缩短)，增压缸体8内压力升高将所述进液单向阀4关闭，增压缸体6继续下行，当 增压缸体6内液体压力增大到规定数值时，被增压的工作液将迫使设置在所述高压管线10 下端的排液单向阀13打开，并进入钻头23内置高压管路20经高压喷嘴22产生超高压射流。

且进入所述增压缸体6内的工作液少于进入所述常压流道内的工作液。

为实现上述脉冲式井下增压射流钻井方法，本发明提供一种钻井装置，具有：壳体8， 具有增压缸体6和增压活塞5的增压缸，传动轴11，高压管线10。其中，所述增压缸体6 设置在所述壳体8内，与所述壳体8的一端(上端)相连接，所述增压缸体6的外径小于所 述壳体8的内径，二者之间形成第一常压流道24。所述增压缸体6的一端(上端)设有进液 单向阀4，另一端(下端)与所述增压活塞5之间形成滑动密封。传动轴11设置在所述壳体 8的另一端(下端)，仅能相对所述壳体8进行伸缩移动。所述增压活塞5与所述传动轴11 固定连接，高压管线10设置在所述传动轴11内，一端(上端)与所述增压活塞5的下端相 连接，另一端(下端)连接高压喷嘴22。其中，所述高压管线10与所述增压活塞5均为中 空柱状体，其中空部构成相连通的高压流道101。所述高压管线10的外径小于所述传动轴 11的内径，二者之间形成第二常压流道25，该第二常压流道与所述第一常压流道相连通， 且在所述高压流道101的出口端设有排液单向阀13，所述高压喷嘴22与所述排液单向阀13 相连接。所述壳体8通过上接头1与上部钻具相连接，所述传动轴11伸出所述壳体8的一 端与下接头17固定连接，所述下接头17与钻头23相连接，所述第二常压流道与所述钻头 23相连通。

在一个具体实施例中，所述传动轴11的最大伸出距离小于所述增压活塞5的有效工作 行程，从而保证当增压活塞5相对于增压缸体6上行运动，壳体8下端面与下接头17上端 面接触时，增压活塞5的上端面不会与增压缸体6接触，以避免增压活塞5与增压缸体6受 力过大而损坏，提高其使用寿命。

进一步地，在所述传动轴11的上端侧壁上设有至少一个通孔110，通过该通孔110，连 通所述第一常压流道24和第二常压流道25。

此外，所述传动轴11具有能伸出至所述壳体8外部的伸出端111，以及与所述壳体8 滑动连接的支撑端112，所述支撑端112与所述壳体8之间形成密封的滑动连接结构。

一个优选的技术方案是，请配合参见图1、图4，所述壳体8的另一端(下端)内固定 有一传动套12，所述传动套12与所述传动轴11的伸出端之间形成键连接结构。

请配合参见图1、图7，进一步地，所述传动套12的内径小于所述壳体8的内径，形成 凸出于所述壳体内壁的台阶，所述传动轴11的伸出端111的直径小于所述支撑端112的直 径，该伸出端111与所述支撑端112之间形成环形止挡部113，所述止挡部113能抵顶于所 述台阶，以防止所述增压活塞5自增压缸体6内脱出。

在一个具体实施例中，请配合参见图1、图5、图8，所述上接头1内形成贯通的流道， 与所述壳体8相连接端的所述流道构成一扩径的容置腔100；所述增压缸体6的一端凸伸在 所述壳体8外部，位于所述上接头1的容置腔100内，并卡固在所述壳体与所述上接头之间， 所述增压缸体6与所述容置腔100内壁之间形成第三常压流道26，该第三常压流道26与所 述第一常压流道相连通。

请配合参见图3，设置在所述容置腔内的所述增压缸体6的外部沿轴向设有多个凸肋60， 所述凸肋60的上、下两端分别顶抵于所述容置腔的顶部和所述壳体的顶部，且各凸肋之间 构成所述第三常压流道。增压缸体6的外部结构不限于此，只要能将增压缸体6固定在上接 头和壳体之间，使增压缸体6、上接头1和壳体8三者固定为一体，作为一个整体运动就可 以。

进一步地，在所述上接头1内还设有一过滤器2，所述过滤器2形成为底部开口的中空 柱状体，其开口部螺纹连接在所述增压缸体6的一端，所述过滤器2位于所述上接头的所述 流道内，所述过滤器2的周侧设有多个进液孔，以对进入增压缸体6内的工作液进行过滤。

一个优选的方案是，所述过滤器2的顶端为锥形封闭端，以对进入所述增压缸体6内的 工作液进行分流，减少流动阻力。

此外，请配合参见图1、图6，在另一个可行的方案中，所述下接头17内设有接头座16， 所述接头座16侧边开有孔道，形成第四常压流道27，所述第四常压流道与所述第二常压流 道相连通。所述接头座16具有一凹槽，一中空圆柱状的高压接头15嵌设于该凹槽内。所述 排液单向阀13设置在所述高压接头15内，其阀芯能落座于所述高压接头15内封闭所述高 压流道101，所述高压接头的下端连接所述高压喷嘴22。

进一步地，所述高压接头15的下端与内置于所述钻头23内的高压管路20相连接，所 述高压管路20与所述高压喷嘴22相连接，所述高压接头15与所述高压管路20之间通过第 四密封件18进行密封。

在一个具体实施例中，如图所示，上接头1与壳体8连为一体，作为工具外壳，同时具 有传递扭矩和钻压作用。过滤器2安装在上接头1内，其下端通过螺纹与增压缸体6连接， 增压缸体6上部有个腔室安装有进液单向阀4并与过滤器2下端紧连，进液单向阀4有锥形 阀芯，在设置于所述阀芯底部的弹簧力作用下，所述阀芯能封住流体通道，只允许流体由上 端克服弹簧力并推开阀芯后进入增压缸体6内，不允许增压缸体6内的流体反向流动，实现 单向流通功能，进液单向阀4与增压缸体6之间有第一密封件3进行密封。增压缸体6凸伸 在所述壳体8外部的外周壁上设有凸肋60等凸出部，借助于该凸出部，能将增压缸体6在 壳体8的顶端和上接头1的下部台阶两处限制下，不能单独运动，只能和壳体8、上接头1 作为一个整体运动。且所述增压缸体6、过滤器2与上接头1、壳体8之间的环形空间形成 能使常压流体通过的常压流道。

增压缸体6内装配有增压活塞5，增压活塞5为中空管，中空部形成高压流道101，增 压缸体6与增压活塞5之间可以上下相对运动，实现负压吸液和对流体增压的作用。由于增 压缸体6与增压活塞5之间有相对运动，并且有高压流体，所以在增压缸体6下端内侧与增 压活塞5接触部位设计了高压密封总成7。增压活塞5下部与传动轴11螺纹连接，同时高压 管线10上端也与增压活塞5下端螺纹连接，高压管线10也为一中空体，具有与增压活塞5 相同的高压流道101，并且两者的高压流道相连通，是增压后的高压流体的流道。传动轴11 上端部位侧边开孔，前述环形空间内的常压流体从此侧孔进入传动轴11与高压管线10之间 的环形空间。传动轴11与壳体8紧密接触，但两者可以相对运动，并且有第二密封件9进 行密封。在壳体8的下端内侧固定安装有传动套12，传动套12与传动轴11之间设计为花键 或键槽连接，可以纵向相对运动，但没有周向或径向相对运动。壳体8通过传动套12向传 动轴11传递扭矩。传动轴11下端与下接头17螺纹连接。在传动轴11下端、下接头17内 有接头座16，接头座16内部装有高压接头15，高压接头15与高压管线10下端螺纹连接。 高压接头15内有排液单向阀13与高压管线10紧密接触，排液单向阀13内的锥形阀芯在其 下部的弹簧力作用下能封住流体通道，只允许高压管线10内的超高压流体由上端克服弹簧 力推开阀芯进入高压接头15，不允许高压接头15内的流体反向流动，实现单向阀功能，排 液单向阀13与高压接头15之间有第三密封件14进行密封。设置在钻头23内的高压管路20 上端伸入高压接头15下端并与其相连接，高压管路20的下端接有喷嘴套21。所述下接头 17内设有管线架19，所述高压管路20贯穿该管线架19，起到对高压管路20的固定扶正作 用。喷嘴套21用于安装超高压喷嘴22，喷射超高压流体，实现超高压射流钻井，提高破岩 效率和钻井速度。接头座16侧边开有孔道供传动轴11与高压管线10环形空间内的常压流 体通过，然后通过高压接头15与下接头17之间的环形空间，从钻头23的普通喷嘴喷射出， 实现清洗井底岩屑、水力辅助破岩。

本发明的工作原理是：如图所示，上接头1与壳体8相连为一体，在其内部空间，过滤 器2与增压缸体6配合，增压缸体6内装配有增压活塞5，增压活塞5通过螺纹与高压管线 10连接，并将高压管线10固定在传动轴内，同时也形成环形空间通过常压流体。增压缸体 6顶端设置有进液单向阀4，高压管线10末端设置有排液单向阀13。工作液流动到过滤器2 处时进行分流，少部分通过过滤器2侧壁设置的通孔进入增压缸体6内被增压，大部分工作 液通过常压通道流动。被增压部分工作液的流动通道即高压通道由上至下为：过滤器2、进 液单向阀4、增压缸体6、增压活塞5、高压管线10、排液单向阀13、高压接头15、高压管 路20、高压喷嘴22。被增压的流体是工作液的很少一部分，增压之后通过连接于高压接头 15上的高压管路20从钻头的高压喷嘴22喷出，该高压管路20置于钻头23内，从而实现高 压射流钻井。大部分工作液通过常压通道流动，常压通道为环形空间，从过滤器处分流之后 依次通过过滤器2与上接头1之间的环形空间、增压缸体6与上接头1、壳体8之间的环形 通道，通过传动轴11的径向通道，进入传动轴11与高压管线10之间的环形通道，然后通 过接头座16的孔道、下接头17与高压接头15的环形通道、管线架19的孔道，最后从钻头 23的普通喷嘴喷出，进行井底岩屑清洗、水力辅助破岩。

在钻井过程中，底部钻具包括钻头会有较强的轴向(纵向)振动。当采用本发明实施钻 井时，将本发明的脉冲式井下增压射流井装置安装在钻头23与其他钻具之间，利用轴向(纵 向)振动和钻井工作液压力能量，可非连续式地将部分钻井工作液增压成高压流体，该部分 高压工作液经钻头上独立的高压喷嘴22喷出，形成高压射流，这对提高深井钻速非常有益。 高压射流的产生过程是：当钻柱由于振动(或钻压减小)向上运行时，在钻井工作液的液压 力作用下上接头1与壳体8带动增压缸体6相对增压活塞5上行(工具伸长)，如图2所示， 同时增压缸体6内产生负压，工作液通过进液单向阀4充满增压缸体6内；当钻柱由于振动 (或钻压增加)向下运行时，在冲击力(或大钻压)的作用下上接头1与壳体8带动增压缸 体6相对增压活塞5下行(工具缩短)，增压缸体6内压力升高将进液单向阀4关闭，增压 缸体6继续下行，当增压缸体6内液体压力增大到一定程度时，工作液将迫使高压管线10 下端的排液单向阀13打开，并进入置于钻头23内的高压管路20经高压喷嘴22产生高压射 流，完成一个增压过程。然后钻柱继续振动(或钻压变化)，使增压活塞5相对增压缸体6 上下往复运行，完成一连串的增压过程。在增压过程中，增压活塞5相对增压缸体6向上或 向下运行是依次进行的。在工具上行吸液时高压射流间断，工具下行增压排液时才产生高压 射流，所形成的高压射流不是连续的，而是脉冲式的。同时在增压过程中，工作液压力作用 在传动轴11上端面，可以弥补作用在钻头上的钻压。如果钻压足够大，上接头1与壳体8 带动增压缸体6相对增压活塞5下行，直至壳体8与下接头17接触，将可通过上接头1、壳 体8与下接头17向钻头传递钻压。

其基本原理在于：钻柱由于上下振动(或钻压变化)时，上接头1与壳体8在外力作用 下带动增压缸体6相对增压活塞5上下运行(工具伸长或缩短)，对进入增压缸体6内的工 作液进行间断式增压。外力或钻压的变化使增压活塞5相对增压缸体6上下往复运行。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域 的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发 明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明 的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使 用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。