[發(fā)明專利]一種具有大排量分流作用的螺桿鉆具旁通閥及其使用方法

有效

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• 申請日: 2017-12-25
• 公開（公告）號: CN108166940B
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史玉才;范致斌;管志川;劉永旺;楊衛(wèi)星;滕志想;付成林;苗在強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)（華東）
• 主分類號: E21B21/10
• 分類號: E21B21/10;G06F17/50
• 代理公司: 青島智地領(lǐng)創(chuàng)專利代理有限公司 37252
• 代理人: 邵朋程

1.一種具有大排量分流作用的螺桿鉆具旁通閥，其特征在于：包括閥體，在閥體的內(nèi)部設(shè)置有一級閥芯和二級閥芯，一級閥芯設(shè)置在二級閥芯的上部，在二級閥芯的底部設(shè)置有閥座，在閥座的底部設(shè)置有擋圈，在一級閥芯和二級閥芯之間設(shè)置有一級彈簧，在二級閥芯和閥座之間設(shè)置有二級彈簧，二級彈簧的剛度大于一級彈簧；在一級閥芯和二級閥芯的中心形成有貫通的鉆井液流體通道，在一級閥芯的側(cè)壁上設(shè)置有內(nèi)旁通孔，在閥體的側(cè)壁上設(shè)置有外旁通孔，當(dāng)鉆井液流體通道內(nèi)流動(dòng)壓力消失時(shí)，內(nèi)旁通孔和外旁通孔導(dǎo)通；在二級閥芯的側(cè)壁上設(shè)置有內(nèi)分流孔，在閥體的側(cè)壁上設(shè)置有外分流孔，當(dāng)鉆井液流體通道內(nèi)流動(dòng)壓力增大至界限值時(shí)，內(nèi)分流孔和外分流孔導(dǎo)通。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有大排量分流作用的螺桿鉆具旁通閥，其特征在于：所述內(nèi)旁通孔和外旁通孔各設(shè)置3個(gè)，分別沿一級閥芯和閥體的周圈間隔分布；所述內(nèi)分流孔和外分流孔各設(shè)置2個(gè)，分別沿二級閥芯和閥體的周圈對稱分布。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有大排量分流作用的螺桿鉆具旁通閥，其特征在于：所述閥體的底部連接有鉆頭，在鉆頭上配置有鉆頭噴嘴；在外分流孔處安裝有分流噴嘴。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有大排量分流作用的螺桿鉆具旁通閥，其特征在于：在外旁通孔處安裝有篩板。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有大排量分流作用的螺桿鉆具旁通閥，其特征在于，該螺桿鉆具旁通閥的工作過程如下：

a.開泵時(shí)：若鉆井液排量不超過螺桿鉆具的額定排量，流動(dòng)壓力相對較小，則一級彈簧被壓縮，一級閥芯向下滑動(dòng)并坐在二級閥芯上，外旁通孔和外分流孔均處于關(guān)閉，全部鉆井液向下流動(dòng)并驅(qū)動(dòng)螺桿鉆具的馬達(dá)總成正常工作；若鉆井液排量超過螺桿鉆具的額定排量，流動(dòng)壓力相對較大，則一級彈簧和二級彈簧均被壓縮，一級閥芯和二級閥芯均向下滑動(dòng)，外旁通孔處于關(guān)閉狀態(tài)，外分流孔處于開啟狀態(tài)，大部分鉆井液向下流動(dòng)并驅(qū)動(dòng)螺桿鉆具的馬達(dá)總成正常工作，少部分鉆井液經(jīng)內(nèi)分流孔、外分流孔直接進(jìn)入環(huán)空，確保流經(jīng)螺桿鉆具馬達(dá)總成的鉆井液不超過額定排量要求；

b.停泵時(shí)：一級彈簧和二級彈簧上的流動(dòng)壓力消失，一級閥芯和二級閥芯均向上運(yùn)動(dòng)至初始位置，內(nèi)旁通孔與外旁通孔處于同一水平高度，外旁通孔處于打開狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)普通旁通閥所具備功能。

6.如權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述螺桿鉆具旁通閥的使用方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)設(shè)計(jì)鉆頭噴嘴、分流噴嘴尺寸

設(shè)鉆井泵的額定輸出排量為Q_r、額定輸出壓力為p_r，實(shí)際輸出排量為Q_s、實(shí)際輸出壓力為p_s；螺桿鉆具馬達(dá)總成的額定流量為Q_mr、額定壓降為Δp_mr、傳動(dòng)軸類型所限定的最大鉆頭噴嘴壓降為Δp_s；

A螺桿鉆具空轉(zhuǎn)工況

當(dāng)螺桿鉆具空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)鉆井泵的實(shí)際輸出壓力為p_so；流經(jīng)馬達(dá)總成和鉆頭噴嘴的鉆井液流量為Q_mo、馬達(dá)總成壓降為Δp_mo、鉆頭噴嘴壓降為Δp_bo；流經(jīng)分流噴嘴的鉆井液流量為Q_vo、分流噴嘴壓降為Δp_vo；循環(huán)壓耗為Δp_l；

在空轉(zhuǎn)工況下，螺桿鉆具馬達(dá)壓降為啟動(dòng)壓降，流經(jīng)馬達(dá)總成和鉆頭噴嘴的鉆井液流量、鉆頭噴嘴壓降均達(dá)到最大值，流經(jīng)分流噴嘴的鉆井液流量及其壓降均為最小值，流經(jīng)各個(gè)部分的鉆井液流量及壓降滿足以下關(guān)系：

Q_mo≤Q_mr＜Q_s≤Q_r (1)

Q_s＝Q_mo+Q_vo (2)

Δp_bo≤Δp_s (3)

p_so＝Δp_l+Δp_mo+Δp_bo＝Δp_l+Δp_vo＜p_r (4)

選擇鉆井泵輸出排量Q_s、實(shí)際輸出壓力p_so、螺桿鉆具空轉(zhuǎn)時(shí)流經(jīng)馬達(dá)總成的鉆井液流量Q_mo；依次計(jì)算出循環(huán)壓耗Δp_l、鉆頭噴嘴壓降Δp_bo、流經(jīng)分流噴嘴的鉆井液流量Q_vo、分流噴嘴壓降Δp_vo；最后計(jì)算鉆頭噴嘴當(dāng)量面積A_bo、分流噴嘴當(dāng)量面積A_vo；

Q_vo＝Q_s-Q_mo (5)

Δp_bo＝p_so-Δp_l-Δp_mo (7)

Δp_vo＝Δp_mo+Δp_bo＝p_so-Δp_l (8)

式中，ρ_d-鉆井液密度，g/cm³；A_bo、A_vo-按螺桿鉆具空轉(zhuǎn)工況計(jì)算出來的鉆頭噴嘴當(dāng)量面積、分流噴嘴當(dāng)量面積，cm²；C_b、C_v-鉆頭噴嘴、分流噴嘴的流量系數(shù)，通常取0.95；k_l-循環(huán)壓耗系數(shù)，MPa/(L/s)^1.8；其他符號意義同前，壓力的單位均為MPa，流量的單位均為L/s；

B螺桿鉆具滿載鉆進(jìn)工況

當(dāng)螺桿鉆具滿載鉆進(jìn)時(shí)，設(shè)鉆井泵的實(shí)際輸出壓力為p_sl；流經(jīng)螺桿鉆具馬達(dá)總成和鉆頭噴嘴的鉆井液流量為Q_ml、馬達(dá)總成壓降為Δp_ml、鉆頭噴嘴壓降為Δp_bl；流經(jīng)分流噴嘴的鉆井液流量為Q_vl、分流噴嘴壓降為Δp_vl；

該工況下螺桿鉆具馬達(dá)總成的工作壓降明顯大于啟動(dòng)壓降，流經(jīng)馬達(dá)總成和鉆頭噴嘴的鉆井液流量、鉆頭壓降均有所減小，流經(jīng)分流噴嘴的鉆井液流量及其壓降均有所增大，流經(jīng)各個(gè)部分的鉆井液流量及壓降滿足以下關(guān)系：

Q_ml＜Q_mo≤Q_mr＜Q_s≤Q_r (13)

Q_sl＝Q_ml+Q_vl (14)

Δp_bl≤Δp_sl (15)

p_sl＝Δp_l+Δp_ml+Δp_bl＝Δp_l+Δp_vl≤p_r (16)

保持鉆井泵輸出排量Q_s不變，選擇鉆井泵輸出壓力p_sl、流經(jīng)馬達(dá)總成的鉆井液流量Q_ml；依次計(jì)算出鉆頭噴嘴壓降Δp_bl、流經(jīng)分流噴嘴的鉆井液流量Q_vl、鉆井泵輸出壓力p_sl、分流噴嘴壓降Δp_vl；最后計(jì)算鉆頭噴嘴當(dāng)量面積A_bl、分流噴嘴當(dāng)量面積A_vl；

Q_vl＝Q_s-Q_ml (17)

Δp_bl＝p_sl-Δp_l-Δp_ml (18)

Δp_vl＝Δp_ml+Δp_bl＝p_sl-Δp_l (19)

式中，A_bl、A_vl-按正常鉆進(jìn)工況求出的鉆頭噴嘴當(dāng)量面積、分流噴嘴當(dāng)量面積，cm²；其他符號意義同前，壓力單位均為MPa，流量單位均為L/s；

綜合考慮螺桿鉆具空轉(zhuǎn)和正常鉆進(jìn)兩種工況給出的計(jì)算結(jié)果，按以下原則選擇鉆頭噴嘴當(dāng)量面積A_b、分流噴嘴當(dāng)量面積A_v；

A_b＝min(A_bo，A_bl) (24)

A_v＝max(A_vo，A_vl) (25)

(2)計(jì)算實(shí)際工作參數(shù)

給定鉆頭噴嘴當(dāng)量面積A_b、分流噴嘴當(dāng)量面積A_v之后，馬達(dá)總成的實(shí)際工作壓降Δp_m與流經(jīng)馬達(dá)總成的實(shí)際鉆井液流量Q_m對應(yīng)關(guān)系如下：

為了便于求解方程，令Q_v＝χQ_s，χ稱為分流系數(shù)，則Q_m＝(1-χ)Q_s，對式(26)進(jìn)行變換后得到以下方程式：

繼續(xù)對上式進(jìn)行變換，最終得到以下一元二次方程式：

對于上述螺桿鉆具旁通閥來說，鉆井液主要流經(jīng)馬達(dá)總成和鉆頭噴嘴，僅有少部分鉆井液流經(jīng)分流噴嘴，鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑通常大于分流噴嘴當(dāng)量直徑，也即上述方程一元二次方程式僅有1個(gè)根為正值；

在正常鉆進(jìn)條件下，指定馬達(dá)總成的工作壓降Δp_m，利用式(29)求出分流系數(shù)χ，進(jìn)而求出流經(jīng)螺桿鉆具馬達(dá)總成和鉆頭噴嘴的鉆井液流量Q_m、流經(jīng)分流噴嘴的鉆井液流量Q_v、鉆頭噴嘴壓降Δp_b、分流噴嘴壓降Δp_v，最后求出與指定馬達(dá)總成的工作壓降Δp_m對應(yīng)的鉆井泵實(shí)際輸出壓力p_s；

(3)預(yù)先計(jì)算出不同馬達(dá)壓降對應(yīng)的分流效果及鉆井泵實(shí)際輸出壓力并繪制曲線圖版，通過觀察鉆井泵輸出壓力變化來判斷螺桿鉆具所受負(fù)載大小，從而合理控制井底鉆壓。