一种充气钻井射流式气液混合装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及石油与天然气领域充气欠平衡钻井工艺，具体是一种充气钻井射流式气液混合装置及方法。本发明专利技术的目的在于针对上述充气钻井气液混合装置的需求与问题，提供一种充气钻井射流式气液混合装置，包括气体输送管线和安装在气体输送管线一端的喷头，喷头上设置4个喷嘴，喷嘴为矩形孔，矩形孔的长宽比为2:1～3:1，矩形孔的宽度为2～5mm；喷嘴的中心线与喷头的轴线相交于其喷射的下游方向，二者的夹角为10

【技术实现步骤摘要】
一种充气钻井射流式气液混合装置及方法


[0001]本专利技术涉及石油与天然气领域充气欠平衡钻井工艺，具体是一种充气钻井射流式气液混合装置及方法。

技术介绍

[0002]充气钻井是欠平衡钻井的一种，钻井中将压缩的空气、氮气等气体通过地面设备持续不断地注入钻井液，使其呈气泡状分散于钻井液中，从而达到降低循环介质密度和井底压力的目的，实现欠平衡钻井。相较于传统的过平衡钻井技术，充气钻井可大幅度降低钻井液漏失，保护油气产层，消除“压持效应”，避免压差卡钻，提高机械钻速，降低钻井综合成本。此外，相较于气体钻井、泡沫钻井、液基欠平衡钻井等其他欠平衡钻井工艺，充气钻井具有便于快速调控井筒压力、地层适应性好、低成本等优势，是现阶段欠平衡钻井中较经济实用的一种方法，在国内外有着广泛的应用。
[0003]随钻测量系统(MWD)是油气钻井中一种广泛应用的井下测量工具，其将井眼轨迹参数、钻井工程参数和地质参数等井下测量数据实时传输至地面，用于井眼轨迹控制和储层评价。随钻测量系统是定向井及水平井钻井作业时保证钻井质量必不可少的技术工具。随钻测量系统传输信号方式中以泥浆脉冲信号传输应用最为广泛，泥浆脉冲随钻测量系统是将井下测量得到的参数编码后由脉冲器产生压力脉冲，以压力波形式经钻柱中钻井液传递至地面，然后通过滤波、解码得到井下的实时参数。钻井液(泥浆)脉冲信号传输具有技术成熟可靠性好、传输距离远、成本低等优点，但是在传输过程中泥浆脉冲信号会发生衰减，传输距离愈远衰减幅度愈大，甚至信号消失。
[0004]就充气钻井而言，钻井液中充气形成的气液混合物具有较高可压缩性，会增大泥浆脉冲信号的衰减幅度。随着钻柱内钻井液的含气量增加，衰减幅度也迅速增大。提高气量不利于井下参数传输，降低气量又与使用充气钻井的初衷相悖，达不到欠平衡钻井的要求。如何在满足井底欠平衡钻井的注气量下成功实现泥浆脉冲随钻测量是充气钻井面临的一个技术挑战。研究表明，泥浆脉冲信号检测传感器所在立管及近井口段钻柱内气液两相流体混合不均引起的泥浆脉冲信号严重衰减是充气钻井泥浆脉冲遥测失败的一个重要潜在因素。钻井液由泥浆泵提供能量后流经立管、水龙带、顶部驱动钻机后进入钻杆内部。在充气钻井中，若注入的气体流量较大时，钻井液和压缩气体很难快速地自然混合均匀，往往会在立管、水龙带或近井口钻柱内形成非连续的气塞，且气塞反复破碎又重新生成，形成强烈的气液非均匀流动。这一过程中，气液两相频繁的动量交换，会引起泥浆脉冲的严重衰减，严重影响测量信号的质量。如果泥浆脉冲信号在传输到地面接收位置之前就已经衰减到无法予以解码的程度，即使是最先进的信号调制和提取技术也无济于事，泥浆脉冲随钻测量失效。
[0005]充气钻井技术传统的注气方式分为两种，第一种是将注气管线与钻井液管线汇集接在一起后直接进入立管，不采取其他措施；另一种是通过在管道上均匀布孔将气体注入钻井液中的混合方式，但只是简单将气体注入钻井液，气液混合效率低。上述两种方法中
气、液没有充足的接触混合，易产生气塞进入钻杆，形成不稳定气液两相流，且两相流量也较难控制，可能导致脉冲信号异常衰减甚至消失；此外，目前的气液混合装置没有防回流设计，停止注气时可能出现钻井液倒灌现象，威胁地面气体注入设备的安全。
[0006]因此需要一种适用于充气钻井的气液混合装置以及配套的使用方法，形成均匀稳定的气液混合钻井液注入钻杆，既能发挥充气钻井的技术优点，又可以满足泥浆脉冲信号传输要求。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对上述充气钻井气液混合装置的需求与问题，提供一种充气钻井射流式气液混合装置及方法。
[0008]本专利技术应用于充气欠平衡钻井过程中，有效减小因气液混合不均匀导致泥浆脉冲井下信号传输过程中的衰减，提高了充气钻井的泥浆脉冲随钻测量技术的性能。
[0009]本专利技术解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种充气钻井射流式气液混合装置，包括气体输送管线和安装在气体输送管线一端的喷头，所述喷头上设置4个喷嘴，所述喷嘴为矩形孔，矩形孔的长宽比为2:1～3:1，矩形孔的宽度为2～5mm；所述喷嘴的中心线与喷头的轴线相交于其喷射的下游方向，二者的夹角为10
°
～30
°
，使四股气体经喷嘴形成斜向气体射流，射流方向指向轴线中心，并彼此交叉。
[0010]进一步的技术方案是，所述气体输送管线包括依次连接的中心管、转换接头Ⅰ、单流阀、转换接头Ⅱ，所述喷头安装在所述转换接头Ⅱ的一端上。
[0011]进一步的技术方案是，所述单流阀包括单流阀阀体、阀门、弹簧、阀座、十字垫板、芯轴，所述阀座固定在十字垫板上，所述弹簧套设在芯轴上，所述芯轴一端通过螺纹与阀门固定连接，所述阀门安装在单流阀阀体的进口端内，所述单流阀阀体靠近出口端内壁设有4个凹槽，所述十字垫板固定在凹槽上，其呈十字齿状结构，相邻十字齿状之间存在间隙空间作为气体通道，所述芯轴的芯体穿过阀座和十字垫板的中心；所述弹簧两端分别位于阀门、阀座内，且该弹簧处于压缩状态，使阀门处于关闭状态。
[0012]进一步的技术方案是，所述十字垫板的中心设有用于芯轴穿过的中心孔。
[0013]进一步的技术方案是，所述十字垫板上设四个小孔，所述小孔内设置用于固定在凹槽内的螺丝钉。
[0014]进一步的技术方案是，所述中心管、转换接头Ⅰ之间设有扶正器Ⅰ，所述喷头、转换接头Ⅱ之间设有扶正器Ⅱ。
[0015]进一步的技术方案是，所述扶正器Ⅰ、扶正器Ⅱ上均设6个扶正条。
[0016]一种充气钻井射流式气液混合方法，包括以下步骤：
[0017]S1、将充气钻井射流式气液混合装置安装在泥浆注入管线内；
[0018]S2、中心管通过管线连接空压机，空压机将高压气体注入中心管，高压气体通过中心管，流向至处于关闭状态的单流阀；在高压气体憋压作用下，阀门受气体压力作用，压缩弹簧发生位移至开启状态；高压气体流过单流阀流至喷头；
[0019]S3、高压气体通过4个喷嘴形成四股高速气体射流，高速气体射流与泥浆注入管线中流动的钻井液混合，喷射的气流在液相中交叉并与液相相互撞击，四股高速气体射流并彼此交叉，显著增加了气液两相的相间动量交换，有利于气体段塞或大尺寸气泡的快速破
碎，并在液相中形成弥散的小尺寸气泡，快速形成相对混合地均匀的气液两相流体；
[0020]S4、当接立柱停止注气或气体注入压力不足时，钻井液会倒灌进入喷头内并流至单流阀内，由于由于气体压力不足，单流阀中的弹簧将恢复至使阀门处于关闭的状态，避免钻井液倒灌进入注气管线。
[0021]本专利技术具有以下有益效果：
[0022]1、本专利技术通过喷嘴形成的高速气体射流冲击钻井液，利用流体之间的黏性剪切力传递能量、动量并使气液两相最大程度相互掺混；喷嘴形成气体射流在液相中交叉碰撞，气体段塞或大尺寸气泡的快速破碎，最终在注入立管前即快速形成相对混合地均匀的气液两相流体；这样能有效改善因气液混合不均匀导致泥浆脉冲井下信号异常衰减，提升了充气钻井的泥浆脉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种充气钻井射流式气液混合装置，包括气体输送管线和安装在气体输送管线一端的喷头(8)，其特征在于，所述喷头(8)上设置4个喷嘴(9)，所述喷嘴(9)为矩形孔，矩形孔的长宽比为2:1～3:1，矩形孔的宽度为2～5mm；所述喷嘴(9)的中心线与喷头(8)的轴线相交于其喷射的下游方向，二者的夹角为10
°
～30
°
，使四股气体经喷嘴(9)形成斜向气体射流，射流方向指向轴线中心，并彼此交叉。2.根据权利要求1所述的一种充气钻井射流式气液混合装置，其特征在于，所述气体输送管线包括依次连接的中心管(1)、转换接头Ⅰ(4)、单流阀、转换接头Ⅱ(6)，所述喷头(8)安装在所述转换接头Ⅱ(6)的一端上。3.根据权利要求2所述的一种充气钻井射流式气液混合装置，其特征在于，所述单流阀包括单流阀阀体(5)、阀门(12)、弹簧(13)、阀座(14)、十字垫板(15)、芯轴(17)，所述阀座(14)固定在十字垫板(15)上，所述弹簧(13)套设在芯轴(17)上，所述芯轴(17)一端通过螺纹与阀门(12)固定连接，所述阀门(12)安装在单流阀阀体(5)的进口端内，所述单流阀阀体(5)靠近出口端内壁设有4个凹槽(20)，所述十字垫板(15)固定在凹槽(20)上，其呈十字齿状结构，相邻十字齿状之间存在间隙空间作为气体通道(16)，所述芯轴(17)的芯体穿过阀座(14)和十字垫板(15)的中心；所述弹簧(13)两端分别位于阀门(12)、阀座(14)内，且该弹簧(13)处于压缩状态，使阀门(12)处于关闭状态。4.根据权利要求3所述的一种充气钻井射流式气液混合装置，其特征在于，所述十字垫板(15)的中心设有用于芯轴(17)穿过的中心孔(21)。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：李红涛，杨鹏，李皋，李一博，华缘，孟英峰，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：