專利名稱：鉆井動力工具、鉆井工具及形成井眼的鉆井方法
技術領域：
本發明涉及用于鉆井工程中提高鉆頭破巖效率、延長鉆頭使用壽命、防止卡鉆的鉆井動力工具、由其構成的新型鉆井工具及形成井眼的鉆井方法。
背景技術：
鉆井的目的不止是構建油氣通道，更重要的是發現更多的油氣資源和盡量提高鉆采效率。鉆井工程面臨的問題始終是如何確保 “優，快，省”。鉆井技術的研發一直是針對這些問題展開的。其中“優”指安全，“快”指高效，也就是如何安全地提高鉆井效率。“優和快”是石油公司、鉆井承包商和技術服務公司一貫追求的重要目標。近兩年，鉆井日費暴漲，安全地提高鉆速尤為重要，對深井和深水鉆井來說更是如此。隨著井深的增加，水力沿程損耗增大，井底鉆頭可用水能急劇下降，水力破巖和清巖能力減弱，造成深井鉆速低，鉆頭磨損快，粘卡嚴重等。另外，為了提高采油效率，水平井、分支井、大位移井、從式井等越來越重視，當前的井眼越來越不規則，摩阻和扭矩大，滑動鉆井困難，井眼延伸范圍小。目前鉆井方式主要有沖擊式鉆井、常規旋轉鉆井和正在積極研發的旋沖鉆井，沖擊式鉆井早已被常規旋轉鉆井替代，而常規旋轉鉆井的鉆速和鉆頭磨損情況仍達不到滿意程度，旋沖鉆井的研發自60年代開始，一直在積極研究，目前仍然有各種技術瓶頸不能突破。實踐證明，沖擊器能夠大幅度提高鉆井速度，其鉆進速度比普通旋轉鉆進速度提高30%以上，井斜明顯減小，鉆具損壞減小，鉆井成本降低20%以上，該技術不能廣泛推廣的重要原因之一是沖擊器質量不過關，壽命還達不到所需要的時間，現在的沖擊器壽命一般在50-80小時，還滿足不了實際鉆井的需要。因此要想實現沖擊旋轉鉆井技術在石油鉆井中的應用，必須提高沖擊器的質量。另外，在沖錘撞擊砧子的瞬間，作用力在極短時間內有很大的變化幅度，并以應力波得形式向鉆頭方向傳遞，對鉆頭等使用壽命有一定的影響。為提供粉碎巖石所需要的沖擊力，往復式撞砧以7. 5m/s-10. 2 m/s的相對搞的線性速度撞擊底座，導致接觸的主體之間高速運動；此外，需要較大扭矩來平衡鉆頭與地層摩擦形成的扭矩。高接觸速度和搞接觸壓力的組合效果產生大量的摩擦和熱，在接觸表面上導致嚴重的磨損傷害。在鉆井過程中，沖擊器對LWD和MWD有較大干涉。綜上述，常規旋轉鉆井鉆速慢、鉆頭易磨損，旋沖鉆井對鉆具破壞損傷大，且自身壽命短，急需研發一種新了鉆井方法及其配套工具，通過簡單有效地方式和工具提高破巖效率、延長鉆頭壽命、防止卡鉆事故和解決滑動定向(簡稱ERD)鉆進模式的難題等。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種用于鉆井工程的提高破巖效率、延長鉆頭壽命并降低粘卡可能性的鉆井動力工具，并在此基礎上提供由其構成的新型鉆井工具；更進一步地，提供利用新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是
一種鉆井動力工具，包括能量轉換機構和閥軸系統，其特征是所述 能量轉換機構為旋轉發生器或扭力發生器，所述閥軸系統設置在能量轉換機構下端，并與能量轉換機構連接；所述閥軸系統包括定子、轉子、動閥片總成、定閥片總成和軸總成；轉子位于定子的空腔內且能夠在其中左右往復擺動，轉子穿過下端的定閥片總成且不與定閥片總成接觸；定閥片總成與最下方的軸總成本體連接固定；動閥片總成位于轉子的下端，與轉子為一整體或直接連接固定在轉子上；動閥片總成為帶有偏離動力工具中心軸線的偏心圓孔的旋轉閥片，定閥片總成上供轉子通過的圓孔同樣為偏離動力工具中心軸線的偏心孔，且兩者的孔的中心不重合；動閥片總成與定閥片總成緊密接觸、并相對定閥片總成的圓孔往復運動使動閥片總成的偏心圓孔與定閥片總成的圓孔相互交錯或重合形成動態變化的閥流通孔；所述閥流通孔的面積隨著旋轉發生器或扭力發生器的轉動而周期性變化。按上述技術方案，所述的旋轉發生器或扭力發生器為螺桿或渦輪或葉輪。按上述技術方案，閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規律發生周期性變化。按上述技術方案構成的新型鉆井工具，其特征是所述鉆井動力工具設置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間；萬向軸總成傳分別設置在鉆井動力工具兩端的連接處。按上述技術方案，所述鉆井動力工具設置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間，且在鉆井動力工具和鉆頭之間設置螺桿/渦輪；萬向軸總成傳分別設置在螺桿/渦輪兩端的連接處。按上述技術方案的新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法，其特征在于包括以下步驟
(A)將鉆井動力工具設置在井眼中鉆柱上；
(B)通過能量轉換機構將鉆井液水力能轉換為轉子旋轉的機械能，由萬向軸總成傳遞給動閥片總成或者直接通過單螺桿轉子往復擺動，使動閥片總成和定閥片總成相互交錯或重合形成流通孔，且閥流通孔面積發生周期性變化，時大時小；
(C)通過調節能量轉換機構，使其轉動頻率在10_4—10_2 S-1,使整個鉆井動力工具所受載荷屬于靜載荷范圍內；
(D)通過閥流通孔面積連續變化，每一個微小的變化動作都會在閥門處產生一個相應的連續變化的水擊增壓或降壓波，使閥座所承受總壓力連續柔和變化；同時，通過閥流通孔面積連續變化使閥局部水頭損失系數也發生連續變化，鉆頭處井底壓力發生連續變化；
(E)通過動力工具將連續柔和變化的閥座所承受總壓力傳遞給鉆頭，形成連續變化的鉆壓，從而提高破巖效率；通過閥調節井底壓力，在井底局部形成欠平衡鉆井；
其中，所述閥流通孔面積為動閥片總成和定閥片總成重疊的面積，且閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規律發生周期性變化；通過閥孔的鉆井液的流量發生周期性變化使閥座所承受總壓力以正弦或者近似正弦規律連續柔和變化。按上述技術方案所述鉆井動力工具的新型鉆井工具，其特征是鉆井動力工具與振蕩短節相連接形成組合，所述組合設置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間；萬向軸總成傳分別設置在鉆井動力工具兩端的連接處；其中，振蕩短節的下端與所述鉆井動力工具的上端連接；所述振蕩短節主要包括外筒以及設置在外筒內部并可沿外筒垂直滑動的芯軸，芯軸和外筒的環體壁面之間卡置有蝶形彈簧，芯軸的底部平面為密封面，該密封面能夠與外筒的內孔臺階面結合密封或分離。按上述技術方案所述鉆井動力工具的新型鉆井工具，其特征是鉆井動力工具與振蕩短節相連接形成組合，所述組合設置在井眼中鉆鋌和鉆頭之間，且在鉆井動力工具和鉆頭之間設置螺桿/渦輪；萬向軸總成傳分別設置在螺桿/渦輪兩端的連接處；其中，振蕩短節的下端與所述鉆井動力工具的上端連接；所述振蕩短節主要包括外筒以及設置在外筒內部并可沿外筒垂直滑動的芯軸，芯軸和外筒的環體壁面之間卡置有蝶形彈簧，芯軸的底部平面為密封面，該密封面能夠與外筒的內孔臺階面結合密封或分離。按上述技術方案的新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法，其特征在于包括以下步驟
(A)將鉆井工具設置在井眼中鉆柱上；
(B)通過能量轉換機構將鉆井液水力能轉換為轉子旋轉的機械能，由萬向軸總成傳遞給閥軸系統的動閥片或者直接通過單螺桿轉子往復擺動，使動閥片和定閥片相互交錯形成流通孔，且閥流通孔面積發生周期性變化，時大時小；
(C)通過調節能量轉換機構，使其轉動頻率在10_4—10_2 S-1,使整個鉆井動力工具所受載荷屬于靜載荷范圍內；
(D)通過閥流通孔面積連續變化，每一個微小的變化動作都會在閥門處產生一個相應的連續變化的水擊增壓或降壓波，使閥座所承受總壓力連續柔和變化；同時，通過閥流通孔面積連續變化使閥局部水頭損失系數也發生連續變化，鉆頭處井底壓力發生連續變化；
(E)連續變化的水擊增壓或降壓波向上傳遞給振蕩短節，由于內外壓差的變化，當壓力由小變大時，其作用于振蕩短節的密封面使芯軸發生軸向向上位移，當壓力消除，碟形彈簧使芯軸復位；此時，水擊壓力作用與振蕩短接的蝶形彈簧振蕩力也時大時小，跟閥座所承受總壓力同步；
(F)通過鉆井工具將連續柔和變化的閥座所承受總壓力和振蕩短接的振蕩力一并傳遞給鉆頭，形成周期性溫和振蕩的鉆壓，從而提高破巖效率；通過閥調節井底壓力，在井底局部形成欠平衡鉆井；
其中，閥座所承受總壓力以正弦或者近似正弦規律變化，誘導蝶形彈簧跟隨變化；由于彈簧的壓縮是消耗能量的，所以，當能量釋放時，主要作用力向下指向鉆頭方向，其余作用力向上；
所述閥流通孔面積為動閥片總成和定閥片總成重疊的面積，且閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規律發生周期性變化；調節閥流通孔面積的大小，使通過閥孔的鉆井液的流量發生周期性變化，使閥座所承受總壓力發生周期性變化，從而產生閥振蕩力，且閥振蕩力以正弦或者近似正弦規律連續柔和變化。按上述技術方案,最小閥流通孔面積 > 最大閥流通孔面積的1/5。按上述技術方案，振蕩短節的振幅為0. 4 I. 3cm，振動頻率為16 — 18Hz，振蕩加速度小于3g。本發明的基本原理是鉆井動力工具的能量轉換機構將鉆井液動能轉換為旋轉的機械能，使與其連接的閥產生旋轉運動，使調節閥工作時產生的流量周期性變化盡可能為正弦，使閥上部產生水擊現象，并作用于閥座上產生溫和的振蕩力，通過鉆具傳遞給鉆頭，形成周期性連續柔和變化的鉆壓；或者，鉆井動力工具上端與振蕩短接相連，鉆井液動能作用于與鉆井動力工具上部相連接的振蕩短節，使在短節內的彈簧跟隨一起往復運動產生閥振湯力，在閥振湯力和彈黃力的雙重作用下，造成與鉆井動力工具連接的其他鉆井工具在軸向上的往復運動，周期性變化的作用力傳遞給鉆頭，形成周期性溫和振蕩的鉆壓，提高破巖效率；另外柔和脈動的頻率為15 26Hz，鉆具的應變速率為低于10-4 10-2S-1速率應該是個常數，何來單位，使鉆具承受的載荷作用效果與靜載荷相同，從而延長鉆頭等鉆具的工作壽命；該方法使鉆具在井底為動摩擦，減少摩阻，降低粘卡可能性，增加鉆壓，進一步提高破巖效率。與現有技術相比，本發明具有以下顯著技術進步 I、提供一種新的鉆井破巖方法。目前的破巖方式主要有沖擊破巖頓鉆、旋轉破巖常規和沖擊回轉破巖,其中主流的破巖方式為旋轉破巖，機械鉆速仍有待提高，沖擊破巖由于排巖屑困難，現在使用比較少，沖擊回轉破巖技術比前兩種破巖效率均高，但存在一些技術問題，仍然沒有被廣泛推廣應用。本鉆井方法的破巖方式為連續柔和脈動旋轉破巖方法，在形式上不同于常規旋轉破巖鉆井，即通過新型鉆井動力工具將常規旋轉鉆井的鉆壓發生類似正弦變化規律的連續柔和地變化。同時，通過新型動力工具將井底壓力改變為連續柔和變化的井底壓力，在一個周期內，有一段時間為井底局部為欠平衡狀態，實現欠平衡鉆井。連續柔和脈動破巖技術與沖擊回轉破巖存在本質區別，主要體現在工具和巖石的應變速率上。用于鉆井的連續柔和振動破巖過程，井下鉆具組合運動振幅為0. 8cm，頻率為17HZ，即其作用速率最大為0.8X10_2，而靜力作用時工具和的應變速率為10_4 10_2，因此，工具和巖石內的作用力屬于靜作用力，工具不會出現形狀比較陡的應力波；而沖擊回轉鉆井過程，工具和的應變速率為大于10_2，沖錘作用鐵砧后較短時間內，鉆具組合內產生應力集中，易產生裂紋。連續柔和脈動破巖技術也不同于常規旋轉鉆井，其鉆頭與巖石的接觸力的值是連續周期變化的，且作用頻率為15 25 HZ ;而常規旋轉破巖方式的鉆頭與巖石接觸力的值是近視為常數。在理論上，相同條件下，本發明提供的方法的破巖效率跟沖擊破巖、旋轉破巖和沖擊回轉破巖存在這樣的關系沖擊回轉破巖 > 連續柔和變化的鉆壓下旋轉破巖 > 常規旋轉破巖 > 沖擊破巖。但是綜合考慮單只鉆頭總進尺，機械鉆速，鉆壓，降低粘卡和復雜井應用等，效果最好的是連續柔和振動破巖，它不僅提高鉆速，延長單只鉆頭總進尺，增加有效鉆壓，降低卡鉆風險，特別適用于大位移井、水平井鉆井和深井復雜井等。顯然，連續柔和振動旋轉破巖方法是不同于常規鉆井和旋沖鉆井的一種新的鉆井破巖方法，即提高破巖效率，同時保護和延長鉆頭等鉆具的壽命。2、提供動力工具以及由該工具多樣化組合形成的新型鉆井動力工具。動力工具本身為特殊的閥軸系統，通過將動力工具與常規井下動力工具結合，使常規井下動力工具與特殊的閥結合，將鉆井液動能轉化為沿鉆具軸向的振動機械能。3、提高破巖效率。該方法及其工具主要是將常規的旋轉破巖方式改成鉆壓柔和變化的回轉破巖，從而提聞破巖效率。根據巖石破碎原理，在一定的軸向壓力下沖擊破碎巖石，巖石強度要降低50% 80%。沖擊載荷的特點是接觸應力瞬時可達極高值，應力比較集中。由于巖石的動硬度要比靜硬度小，固易產生微裂紋。并且沖擊速度愈大，巖石脆性增大，有利于裂隙發育，因此，不大的沖擊功就可以破碎堅硬巖石，而靜壓入時則需要很大的力.
本發明的動力工具為其閥軸系統提供的旋轉頻率f為16 — 18Hz，若閥流通孔的最大有效流通面積為Amax,其最小有效流通面積為Amin。那么,任意時刻,該閥孔的有效流通面積為
權利要求
1.一種鉆井動力工具，包括能量轉換機構和閥軸系統，其特征是所述能量轉換機構為旋轉發生器或扭力發生器，所述閥軸系統設置在能量轉換機構下端，并與能量轉換機構連接；所述閥軸系統包括定子、轉子、動閥片總成、定閥片總成和軸總成；轉子位于定子的空腔內且能夠在其中左右往復擺動，轉子穿過下端的定閥片總成且不與定閥片總成接觸；定閥片總成與最下方的軸總成本體連接固定；動閥片總成位于轉子的下端，與轉子為一整體或直接連接固定在轉子上；動閥片總成為帶有偏離動力工具中心軸線的偏心圓孔的旋轉閥片，定閥片總成上供轉子通過的圓孔同樣為偏離動力工具中心軸線的偏心孔，且兩者的孔的中心不重合；動閥片總成與定閥片總成緊密接觸、并相對定閥片總成的圓孔往復運動使動閥片總成的偏心圓孔與定閥片總成的圓孔相互交錯或重合形成動態變化的閥流通孔；所述閥流通孔的面積隨著旋轉發生器或扭力發生器的轉動而周期性變化。
2.根據權利要求I所述的鉆井動力工具，其特征在于所述的旋轉發生器或扭力發生器為螺桿或渦輪或葉輪。
3.根據權利要求I或2所述的鉆井動力工具，其特征在于閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規律發生周期性變化。
4.一種由權利要求1-3之一所述的鉆井動力工具構成的新型鉆井工具，其特征在于所述鉆井動力工具設置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間；萬向軸總成傳分別設置在鉆井動力工具兩端的連接處。
5.一種由權利要求1-3之一所述的鉆井動力工具構成的新型鉆井工具，其特征在于所述鉆井動力工具設置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間，且在鉆井動力工具和鉆頭之間設置螺桿/渦輪；萬向軸總成傳分別設置在螺桿/渦輪兩端的連接處。
6.一種利用權利要求4或5所述新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法，其特征在于包括以下步驟 (A)將鉆井動力工具設置在井眼中鉆柱上； (B)通過能量轉換機構將鉆井液水力能轉換為轉子旋轉的機械能，由萬向軸總成傳遞給動閥片總成或者直接通過單螺桿轉子往復擺動，使動閥片總成和定閥片總成相互交錯或重合形成流通孔，且閥流通孔面積發生周期性變化，時大時小； (C)通過調節能量轉換機構，使其轉動頻率在10_4—10_2 S-1,使整個鉆井動力工具所受載荷屬于靜載荷范圍內； (D)通過閥流通孔面積連續變化，每一個微小的變化動作都會在閥門處產生一個相應的連續變化的水擊增壓或降壓波，使閥座所承受總壓力連續柔和變化；同時，通過閥流通孔面積連續變化使閥局部水頭損失系數也發生連續變化，鉆頭處井底壓力發生連續變化； (E)通過動力工具將連續柔和變化的閥座所承受總壓力傳遞給鉆頭，形成連續變化的鉆壓，從而提高破巖效率；通過閥調節井底壓力，在井底局部形成欠平衡鉆井； 其中，所述閥流通孔面積為動閥片總成和定閥片總成重疊的面積，且閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規律發生周期性變化；通過閥孔的鉆井液的流量發生周期性變化使閥座所承受總壓力以正弦或者近似正弦規律連續柔和變化。
7.一種組合有上述權利要求1-3之一所述鉆井動力工具的新型鉆井工具，其特征是鉆井動力工具與振蕩短節相連接形成組合，所述組合設置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間；萬向軸總成傳分別設置在鉆井動力工具兩端的連接處；其中，振蕩短節的下端與所述鉆井動力工具的上端連接；所述振蕩短節主要包括外筒以及設置在外筒內部并可沿外筒垂直滑動的芯軸，芯軸和外筒的環體壁面之間卡置有蝶形彈簧，芯軸的底部平面為密封面，該密封面能夠與外筒的內孔臺階面結合密封或分離。
8.一種組合有上述權利要求1-3之一所述鉆井動力工具的新型鉆井工具，其特征是鉆井動力工具與振蕩短節相連接形成組合，所述組合設置在井眼中鉆鋌和鉆頭之間，且在鉆井動力工具和鉆頭之間設置螺桿/渦輪；萬向軸總成傳分別設置在螺桿/渦輪兩端的連接處；其中，振蕩短節的下端與所述鉆井動力工具的上端連接；所述振蕩短節主要包括外筒以及設置在外筒內部并可沿外筒垂直滑動的芯軸，芯軸和外筒的環體壁面之間卡置有蝶形彈簧，芯軸的底部平面為密封面，該密封面能夠與外筒的內孔臺階面結合密封或分離。
9.一種利用權利要求7或8所述新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法，其特征在于包括以下步驟 (A)將鉆井工具設置在井眼中鉆柱上； (B)通過能量轉換機構將鉆井液水力能轉換為轉子旋轉的機械能，由萬向軸總成傳遞給閥軸系統的動閥片或者直接通過單螺桿轉子往復擺動，使動閥片和定閥片相互交錯形成流通孔，且閥流通孔面積發生周期性變化，時大時小； (C)通過調節能量轉換機構，使其轉動頻率在10_4—10_2 S-1,使整個鉆井動力工具所受載荷屬于靜載荷范圍內； (D)通過閥流通孔面積連續變化，每一個微小的變化動作都會在閥門處產生一個相應的連續變化的水擊增壓或降壓波，使閥座所承受總壓力連續柔和變化；同時，通過閥流通孔面積連續變化使閥局部水頭損失系數也發生連續變化，鉆頭處井底壓力發生連續變化； (E)連續變化的水擊增壓或降壓波向上傳遞給振蕩短節，由于內外壓差的變化，當壓力由小變大時，其作用于振蕩短節的密封面使芯軸發生軸向向上位移，當壓力消除，碟形彈簧使芯軸復位；此時，水擊壓力作用與振蕩短接的蝶形彈簧振蕩力也時大時小，跟閥座所承受總壓力同步； (F)通過鉆井工具將連續柔和變化的閥座所承受總壓力和振蕩短接的振蕩力一并傳遞給鉆頭，形成周期性溫和振蕩的鉆壓，從而提高破巖效率；通過閥調節井底壓力，在井底局部形成欠平衡鉆井； 其中，閥座所承受總壓力以正弦或者近似正弦規律變化，誘導蝶形彈簧跟隨變化；由于彈簧的壓縮是消耗能量的，所以，當能量釋放時，主要作用力向下指向鉆頭方向，其余作用力向上； 所述閥流通孔面積為動閥片總成和定閥片總成重疊的面積，且閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規律發生周期性變化；調節閥流通孔面積的大小，使通過閥孔的鉆井液的流量發生周期性變化，使閥座所承受總壓力發生周期性變化，從而產生閥振蕩力，且閥振蕩力以正弦或者近似正弦規律連續柔和變化。
10.根據權利要求6或9所述的鉆井方法，其特征在于最小閥流通孔面積>最大閥流通孔面積的1/5。
全文摘要
本發明公開了一種鉆井動力工具、鉆井工具及形成井眼的鉆井方法。鉆井動力工具包括能量轉換機構和閥軸系統，所述能量轉換機構為旋轉發生器；所述閥軸系統包括定子、轉子、動閥片總成、定閥片總成和軸總成，轉子左右往復運動并驅動與其直接相連的動閥片總成；所述能量轉換機構為螺桿或渦輪或葉輪。本發明可實現在旋轉鉆頭的同時，其鉆頭處鉆壓和井底鉆壓均類似正弦規律的連續溫和變化，有利于圍巖強度降低和裂縫發育，能顯著提高破巖效率；另外，鉆頭處井底壓力發生周期性變化，交替產生負壓和高壓噴射，在壓力變小時，為欠平衡或氣體鉆井液鉆井，改變了圍巖環境，能顯著提高機械鉆速。
文檔編號E21B7/00GK102705140SQ20121017291
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者劉運榮, 楊建 , 涂輝, 董學成, 蔣洪亮, 高文金 申請人:中國石化集團江漢石油管理局石油機械研究院, 中國石油化工集團公司