专利名称：钻井动力工具、钻井工具及形成井眼的钻井方法
技术领域：
本发明涉及用于钻井工程中提高钻头破岩效率、延长钻头使用寿命、防止卡钻的钻井动力工具、由其构成的新型钻井工具及形成井眼的钻井方法。
背景技术：
钻井的目的不止是构建油气通道，更重要的是发现更多的油气资源和尽量提高钻采效率。钻井工程面临的问题始终是如何确保 “优，快，省”。钻井技术的研发一直是针对这些问题展开的。其中“优”指安全，“快”指高效，也就是如何安全地提高钻井效率。“优和快”是石油公司、钻井承包商和技术服务公司一贯追求的重要目标。近两年，钻井日费暴涨，安全地提高钻速尤为重要，对深井和深水钻井来说更是如此。随着井深的增加，水力沿程损耗增大，井底钻头可用水能急剧下降，水力破岩和清岩能力减弱，造成深井钻速低，钻头磨损快，粘卡严重等。另外，为了提高采油效率，水平井、分支井、大位移井、从式井等越来越重视，当前的井眼越来越不规则，摩阻和扭矩大，滑动钻井困难，井眼延伸范围小。目前钻井方式主要有冲击式钻井、常规旋转钻井和正在积极研发的旋冲钻井，冲击式钻井早已被常规旋转钻井替代，而常规旋转钻井的钻速和钻头磨损情况仍达不到满意程度，旋冲钻井的研发自60年代开始，一直在积极研究，目前仍然有各种技术瓶颈不能突破。实践证明，冲击器能够大幅度提高钻井速度，其钻进速度比普通旋转钻进速度提高30%以上，井斜明显减小，钻具损坏减小，钻井成本降低20%以上，该技术不能广泛推广的重要原因之一是冲击器质量不过关，寿命还达不到所需要的时间，现在的冲击器寿命一般在50-80小时，还满足不了实际钻井的需要。因此要想实现冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用，必须提高冲击器的质量。另外，在冲锤撞击砧子的瞬间，作用力在极短时间内有很大的变化幅度，并以应力波得形式向钻头方向传递，对钻头等使用寿命有一定的影响。为提供粉碎岩石所需要的冲击力，往复式撞砧以7. 5m/s-10. 2 m/s的相对搞的线性速度撞击底座，导致接触的主体之间高速运动；此外，需要较大扭矩来平衡钻头与地层摩擦形成的扭矩。高接触速度和搞接触压力的组合效果产生大量的摩擦和热，在接触表面上导致严重的磨损伤害。在钻井过程中，冲击器对LWD和MWD有较大干涉。综上述，常规旋转钻井钻速慢、钻头易磨损，旋冲钻井对钻具破坏损伤大，且自身寿命短，急需研发一种新了钻井方法及其配套工具，通过简单有效地方式和工具提高破岩效率、延长钻头寿命、防止卡钻事故和解决滑动定向(简称ERD)钻进模式的难题等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于钻井工程的提高破岩效率、延长钻头寿命并降低粘卡可能性的钻井动力工具，并在此基础上提供由其构成的新型钻井工具；更进一步地，提供利用新型钻井工具形成井眼的钻井方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种钻井动力工具，包括能量转换机构和阀轴系统，其特征是所述 能量转换机构为旋转发生器或扭力发生器，所述阀轴系统设置在能量转换机构下端，并与能量转换机构连接；所述阀轴系统包括定子、转子、动阀片总成、定阀片总成和轴总成；转子位于定子的空腔内且能够在其中左右往复摆动，转子穿过下端的定阀片总成且不与定阀片总成接触；定阀片总成与最下方的轴总成本体连接固定；动阀片总成位于转子的下端，与转子为一整体或直接连接固定在转子上；动阀片总成为带有偏离动力工具中心轴线的偏心圆孔的旋转阀片，定阀片总成上供转子通过的圆孔同样为偏离动力工具中心轴线的偏心孔，且两者的孔的中心不重合；动阀片总成与定阀片总成紧密接触、并相对定阀片总成的圆孔往复运动使动阀片总成的偏心圆孔与定阀片总成的圆孔相互交错或重合形成动态变化的阀流通孔；所述阀流通孔的面积随着旋转发生器或扭力发生器的转动而周期性变化。按上述技术方案，所述的旋转发生器或扭力发生器为螺杆或涡轮或叶轮。按上述技术方案，阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化。按上述技术方案构成的新型钻井工具，其特征是所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处。按上述技术方案，所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处。按上述技术方案的新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤
(A)将钻井动力工具设置在井眼中钻柱上；
(B)通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给动阀片总成或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片总成和定阀片总成相互交错或重合形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小；
(C)通过调节能量转换机构，使其转动频率在10_4—10_2 S-1,使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；
(D)通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；
(E)通过动力工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力传递给钻头，形成连续变化的钻压，从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；
其中，所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化使阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。按上述技术方案所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。按上述技术方案所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在井眼中钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。按上述技术方案的新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤
(A)将钻井工具设置在井眼中钻柱上；
(B)通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴系统的动阀片或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片和定阀片相互交错形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小；
(C)通过调节能量转换机构，使其转动频率在10_4—10_2 S-1,使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；
(D)通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；
(E)连续变化的水击增压或降压波向上传递给振荡短节，由于内外压差的变化，当压力由小变大时，其作用于振荡短节的密封面使芯轴发生轴向向上位移，当压力消除，碟形弹簧使芯轴复位；此时，水击压力作用与振荡短接的蝶形弹簧振荡力也时大时小，跟阀座所承受总压力同步；
(F)通过钻井工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力和振荡短接的振荡力一并传递给钻头，形成周期性温和振荡的钻压，从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；
其中，阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律变化，诱导蝶形弹簧跟随变化；由于弹簧的压缩是消耗能量的，所以，当能量释放时，主要作用力向下指向钻头方向，其余作用力向上；
所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；调节阀流通孔面积的大小，使通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座所承受总压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀振荡力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。按上述技术方案,最小阀流通孔面积 > 最大阀流通孔面积的1/5。按上述技术方案，振荡短节的振幅为0. 4 I. 3cm，振动频率为16 — 18Hz，振荡加速度小于3g。本发明的基本原理是钻井动力工具的能量转换机构将钻井液动能转换为旋转的机械能，使与其连接的阀产生旋转运动，使调节阀工作时产生的流量周期性变化尽可能为正弦，使阀上部产生水击现象，并作用于阀座上产生温和的振荡力，通过钻具传递给钻头，形成周期性连续柔和变化的钻压；或者，钻井动力工具上端与振荡短接相连，钻井液动能作用于与钻井动力工具上部相连接的振荡短节，使在短节内的弹簧跟随一起往复运动产生阀振汤力，在阀振汤力和弹黃力的双重作用下，造成与钻井动力工具连接的其他钻井工具在轴向上的往复运动，周期性变化的作用力传递给钻头，形成周期性温和振荡的钻压，提高破岩效率；另外柔和脉动的频率为15 26Hz，钻具的应变速率为低于10-4 10-2S-1速率应该是个常数，何来单位，使钻具承受的载荷作用效果与静载荷相同，从而延长钻头等钻具的工作寿命；该方法使钻具在井底为动摩擦，减少摩阻，降低粘卡可能性，增加钻压，进一步提高破岩效率。与现有技术相比，本发明具有以下显著技术进步 I、提供一种新的钻井破岩方法。目前的破岩方式主要有冲击破岩顿钻、旋转破岩常规和冲击回转破岩,其中主流的破岩方式为旋转破岩，机械钻速仍有待提高，冲击破岩由于排岩屑困难，现在使用比较少，冲击回转破岩技术比前两种破岩效率均高，但存在一些技术问题，仍然没有被广泛推广应用。本钻井方法的破岩方式为连续柔和脉动旋转破岩方法，在形式上不同于常规旋转破岩钻井，即通过新型钻井动力工具将常规旋转钻井的钻压发生类似正弦变化规律的连续柔和地变化。同时，通过新型动力工具将井底压力改变为连续柔和变化的井底压力，在一个周期内，有一段时间为井底局部为欠平衡状态，实现欠平衡钻井。连续柔和脉动破岩技术与冲击回转破岩存在本质区别，主要体现在工具和岩石的应变速率上。用于钻井的连续柔和振动破岩过程，井下钻具组合运动振幅为0. 8cm，频率为17HZ，即其作用速率最大为0.8X10_2，而静力作用时工具和的应变速率为10_4 10_2，因此，工具和岩石内的作用力属于静作用力，工具不会出现形状比较陡的应力波；而冲击回转钻井过程，工具和的应变速率为大于10_2，冲锤作用铁砧后较短时间内，钻具组合内产生应力集中，易产生裂纹。连续柔和脉动破岩技术也不同于常规旋转钻井，其钻头与岩石的接触力的值是连续周期变化的，且作用频率为15 25 HZ ;而常规旋转破岩方式的钻头与岩石接触力的值是近视为常数。在理论上，相同条件下，本发明提供的方法的破岩效率跟冲击破岩、旋转破岩和冲击回转破岩存在这样的关系冲击回转破岩 > 连续柔和变化的钻压下旋转破岩 > 常规旋转破岩 > 冲击破岩。但是综合考虑单只钻头总进尺，机械钻速，钻压，降低粘卡和复杂井应用等，效果最好的是连续柔和振动破岩，它不仅提高钻速，延长单只钻头总进尺，增加有效钻压，降低卡钻风险，特别适用于大位移井、水平井钻井和深井复杂井等。显然，连续柔和振动旋转破岩方法是不同于常规钻井和旋冲钻井的一种新的钻井破岩方法，即提高破岩效率，同时保护和延长钻头等钻具的寿命。2、提供动力工具以及由该工具多样化组合形成的新型钻井动力工具。动力工具本身为特殊的阀轴系统，通过将动力工具与常规井下动力工具结合，使常规井下动力工具与特殊的阀结合，将钻井液动能转化为沿钻具轴向的振动机械能。3、提高破岩效率。该方法及其工具主要是将常规的旋转破岩方式改成钻压柔和变化的回转破岩，从而提闻破岩效率。根据岩石破碎原理，在一定的轴向压力下冲击破碎岩石，岩石强度要降低50% 80%。冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。由于岩石的动硬度要比静硬度小，固易产生微裂纹。并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育，因此，不大的冲击功就可以破碎坚硬岩石，而静压入时则需要很大的力.
本发明的动力工具为其阀轴系统提供的旋转频率f为16 — 18Hz，若阀流通孔的最大有效流通面积为Amax,其最小有效流通面积为Amin。那么,任意时刻,该阀孔的有效流通面积为
权利要求
1.一种钻井动力工具，包括能量转换机构和阀轴系统，其特征是所述能量转换机构为旋转发生器或扭力发生器，所述阀轴系统设置在能量转换机构下端，并与能量转换机构连接；所述阀轴系统包括定子、转子、动阀片总成、定阀片总成和轴总成；转子位于定子的空腔内且能够在其中左右往复摆动，转子穿过下端的定阀片总成且不与定阀片总成接触；定阀片总成与最下方的轴总成本体连接固定；动阀片总成位于转子的下端，与转子为一整体或直接连接固定在转子上；动阀片总成为带有偏离动力工具中心轴线的偏心圆孔的旋转阀片，定阀片总成上供转子通过的圆孔同样为偏离动力工具中心轴线的偏心孔，且两者的孔的中心不重合；动阀片总成与定阀片总成紧密接触、并相对定阀片总成的圆孔往复运动使动阀片总成的偏心圆孔与定阀片总成的圆孔相互交错或重合形成动态变化的阀流通孔；所述阀流通孔的面积随着旋转发生器或扭力发生器的转动而周期性变化。
2.根据权利要求I所述的钻井动力工具，其特征在于所述的旋转发生器或扭力发生器为螺杆或涡轮或叶轮。
3.根据权利要求I或2所述的钻井动力工具，其特征在于阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化。
4.一种由权利要求1-3之一所述的钻井动力工具构成的新型钻井工具，其特征在于所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处。
5.一种由权利要求1-3之一所述的钻井动力工具构成的新型钻井工具，其特征在于所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处。
6.一种利用权利要求4或5所述新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤 (A)将钻井动力工具设置在井眼中钻柱上； (B)通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给动阀片总成或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片总成和定阀片总成相互交错或重合形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小； (C)通过调节能量转换机构，使其转动频率在10_4—10_2 S-1,使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内； (D)通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化； (E)通过动力工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力传递给钻头，形成连续变化的钻压，从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井； 其中，所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化使阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。
7.一种组合有上述权利要求1-3之一所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。
8.一种组合有上述权利要求1-3之一所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在井眼中钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。
9.一种利用权利要求7或8所述新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤 (A)将钻井工具设置在井眼中钻柱上； (B)通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴系统的动阀片或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片和定阀片相互交错形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小； (C)通过调节能量转换机构，使其转动频率在10_4—10_2 S-1,使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内； (D)通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化； (E)连续变化的水击增压或降压波向上传递给振荡短节，由于内外压差的变化，当压力由小变大时，其作用于振荡短节的密封面使芯轴发生轴向向上位移，当压力消除，碟形弹簧使芯轴复位；此时，水击压力作用与振荡短接的蝶形弹簧振荡力也时大时小，跟阀座所承受总压力同步； (F)通过钻井工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力和振荡短接的振荡力一并传递给钻头，形成周期性温和振荡的钻压，从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井； 其中，阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律变化，诱导蝶形弹簧跟随变化；由于弹簧的压缩是消耗能量的，所以，当能量释放时，主要作用力向下指向钻头方向，其余作用力向上； 所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；调节阀流通孔面积的大小，使通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座所承受总压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀振荡力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。
10.根据权利要求6或9所述的钻井方法，其特征在于最小阀流通孔面积>最大阀流通孔面积的1/5。
全文摘要
本发明公开了一种钻井动力工具、钻井工具及形成井眼的钻井方法。钻井动力工具包括能量转换机构和阀轴系统，所述能量转换机构为旋转发生器；所述阀轴系统包括定子、转子、动阀片总成、定阀片总成和轴总成，转子左右往复运动并驱动与其直接相连的动阀片总成；所述能量转换机构为螺杆或涡轮或叶轮。本发明可实现在旋转钻头的同时，其钻头处钻压和井底钻压均类似正弦规律的连续温和变化，有利于围岩强度降低和裂缝发育，能显著提高破岩效率；另外，钻头处井底压力发生周期性变化，交替产生负压和高压喷射，在压力变小时，为欠平衡或气体钻井液钻井，改变了围岩环境，能显著提高机械钻速。
文档编号E21B7/00GK102705140SQ20121017291
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者刘运荣, 杨建 , 涂辉, 董学成, 蒋洪亮, 高文金 申请人:中国石化集团江汉石油管理局石油机械研究院, 中国石油化工集团公司