[发明专利]扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发中钻井工程领域，尤其涉及一种扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法。

背景技术

钻井工程占油气开发成本的50%以上，投资大，且风险高，提高钻井效率是降低勘探开发成本的最佳途径，也是油公司、钻井承包商和技术服务公司一贯追求的重要目标。随着深井、超深井、易斜井、硬地层、水平井及大位移井在石油钻井中所占的比例越来越大，深井中遇到的硬地层和坚硬地层用常规单纯旋转钻进方法破岩效果差，钻进效率低，深井中的井斜问题也日益突出；在水平井和大位移钻井中，随着水平位移的增加，水平井的加压更为困难，钻具的损坏也更为严重。近三五年，提高钻速、降低钻井成本是石油工程领域高度需求的技术之一。

目前，提高破岩效率主要从三个方面研究：一是机械高效破岩法。1.新型高效钻头，2001年休斯克里斯坦森公司生产的BD536PDC钻头创造了一次下井钻深6994m的世界纪录。2.旋冲钻具，国内外对用旋冲钻技术来解决这些问题比任何时候都重视，并投入大量人力物力进行研究。目前，旋冲钻井技术因冲击器质量不过关，寿命还达不到所需要的时间，满足不了实际钻井的需要，不能广泛推广。目前德国和美国还在加紧研究这一技术在超深井中的应用。美国和德国共同投资700万美元研究在石油钻井特别是在超深井中应用旋冲钻井技术。冲击器是通过冲锤提供冲击力的，这种工作原理决定了提高其质量是十分困难的。二是射流辅助钻井破岩方法。1.井下增压泵,美国S.D.Veenhuizen等通过井下增压泵增压达100MPa以上的超高压射流，提高机械钻速2倍，但最多工作50h失效，其关键技术室增压结构和使用寿命。2.井下它激增压装置，主要依靠射流卷吸作用或者共振腔反馈作用或者环空流体压力的它激作用。三是降井底地压降提高破岩效率的方法，如空气钻井技术。

魏小梅等将高应力+动力扰动破岩方法引入石油钻井，是一种利用深部地层岩石本身属于储能体，且岩石属于非连续相，通过外部机械引诱发生裂纹扩展或岩爆的方法，是一种不同于常规钻井破岩的非常有前景的新方法。把“高应力+动力扰动”这一实际工程问题上升到科学层面，即为岩石动静组合加载的力学问题。岩石动静组合加载问题作为一个崭新的研究课题，是李夕兵教授和古德生院士在2002年香山175次科学会议首次提出的。但是由于动静组合加载问题从提出到现在，还处于初步发展的阶段，同时动静组合加载实验本身涉及的影响因素众多，因此该领域内的研究仍然是方兴未艾。目前工程应用方面己经取得了很多研究成果，还没有在钻井工程应用，值得继续进行深入探索和研究。

事实上，石油钻井的深部地层岩石在承受动力扰动载荷作用之前，已经处于一定的静应力或地应力状态之中，只要井下动力工具提供周期性的扰动动力，可以引发突然岩爆或诱导致裂。显然，该方法是不同于常规钻井破岩，也不同于旋转冲击破岩，而是一种新的高应力+动力扰动破岩方法。

现有的一种动力扰动破岩钻具,其包括:芯轴设于外筒内，外筒与芯轴通过花键连接；涡轮套筒设于外筒内，其上端与导流器通过螺纹链接，其中部的环形槽中设置有橡胶密封圈，其下端与芯轴的上端通过螺纹连接；涡轮设于涡轮套筒内部，涡轮固定于导流器的轴芯上，涡轮的下端与旋转偏心阀片通过螺纹连接；旋转偏心阀片的下端面与固定偏心阀片的上端面紧密接触，固定偏心阀片与芯轴的上端通过螺纹连接。在钻井过程中，钻井液使涡轮旋转，再通过涡轮驱动动阀片旋转，使动阀片和固定阀片之间的有效流通面积周期性变化，从而产生水击力，形成周期性柔和变化的动载荷，与钻具自重产生的静载荷，共同作用于岩石，实现高应力扰动破岩。在钻水平井或定向井时，仍然需要在基于涡轮的动力扰动破岩钻具的上部与螺杆钻具连接，不仅增加了整个钻具组合的长度，还增加了螺杆钻具的定向钻井难度。

因此，有必要直接利用螺杆钻具提高动力实现扰动破岩，即研制一种基于螺杆的扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法，不仅可以为钻头提供破岩所需要的旋转能，还为钻头提供连续的周期性柔和的动载荷，以提高破岩效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种可以提高破岩效率和钻井机械速度的扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法。

本发明是这样实现的：