[实用新型]动力扰动钻具

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于油气井钻井的动力扰动钻具，涉及石油天然气勘探开发中钻井工程领域。

背景技术

目前，石油旋转冲击钻井是在常规钻井的基础上加装冲击钻具，在旋转破岩的同时对钻头施加一个高频冲击力，从而实现旋转与冲击联合破岩的钻井技术。

石油旋转冲击钻井技术的的核心是液动冲击器工具。90年代以后，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。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。德国一所大学的深井研究所从1987年开始在室内对旋冲钻井工具做了大量的仿真和性能测试工作，目前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。目前，美国在用钻井有50%使用了冲击钻具。

我国早在1958年就开始研究和应用该项技术，八十年代后，旋冲钻井技术在地质岩芯钻探领域日趋成熟，已研制出射流式、射吸式、正作用式、反作用式、双作用式和绳索取芯液动冲击器等六类二十余种冲击器，总进尺超过百万米，取得了很好的经济效益，钻进效率大幅提高，特别在硬地层钻进，平均机械钻速比旋转钻井 提高50%～100%。

中国专利公开号：CN202913949U，公开日2012年11月29日，发明专利的名称为钻井提速用射流式液动冲击器，该申请案公开了“钻井提速用射流式液动冲击器，包括上接头、外缸、射流元件、活塞缸、活塞、冲锤、八方套和下接头”， 就是利用双稳态射流元件将高压液体交替分配到冲锤活塞上腔和下腔，使冲锤形成往复冲击运。

影响旋冲钻井技术推广的关键因素是冲击器质量。旋冲钻井技术是在旋转钻井的基础上，再增加一个由冲击器产生的高频冲击作用，使钻头承受周期性的冲击载荷。旋冲钻井由冲击载荷与静压旋转联合作用破碎岩石。在冲击载荷作用下，由于机械冲击应力波瞬态加卸载所引起的应变率在101～103/s内变化，而岩石的抗压、抗拉强度在此应变率段内往往发生非常明显的应变率效应，导致抗压&抗拉强度跟应变率之间呈指数函数递增关系。因此，对一些深部高应力岩石来说，利用冲击凿岩意味着要提高相当程度的抗压强度，提高了对钻具质量的要求。冲击器的好坏直接影响该技术的应用效果，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。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。

在我国，已有一批金属矿山进入深部开采。在深部开采过程，遇到了很多不同于浅部岩石工程的新问题，如采场矿压显现加剧、岩爆加剧并频发、采场失稳加剧、围压分区破裂化等等。在这些工程现象中，有三个问题值得深入研究，即高应力岩石的爆破与破碎、高应力岩石的岩爆现象和高应力岩石的诱导致裂。这三个问题跟深部岩石的实际受力状态密不可分。深部工程灾害主要是在高应力强卸荷和开挖扰动的耦合作用下逐步孕育发展形成的，具有复杂的演化动力学过程特征。关于岩爆发生的机理，老一辈岩石力学专家陶振宇教授认为，岩石内部积聚了很大的弹性应变能，一旦遇到机械动力扰动就会突然的释放出来，形成岩爆。进入深部开采后，重力引起的垂直原岩应力通常超过工程岩体的抗压强度(>2OMPa)，岩石在构造运动过程中仍存有部分构造应力，二者叠加共同累积为高应力。石油钻井深，开挖所引起的垂直原岩石应力有释放趋势，在动静组合载荷扰动下，发生岩爆。