[发明专利]一种低压耗扭力冲击钻井工具及破岩方法

说明书

本发明提供一种低压耗扭力冲击钻井工具及破岩方法，包括竖直设置的扭冲壳体以及涡轮总成和动阀座，动阀座上竖直设置有第一孔、第二孔，涡轮壳体内设置第三孔、第四孔和第二排液孔、扭冲腔体和扭冲锤，扭冲腔体的第二空腔被扭冲锤的凸块分隔成与第三孔连通的第一腔室和与第二排液孔连通的第二腔室，通过钻井液驱动涡轮转子，并带着动阀座旋转，第一腔室通过第一孔和第二孔周期性地连通，当内部高压钻井液和外部低压钻井液周期性进入第一腔室时，从而使扭冲锤周期性地顺时针旋转冲击扭冲腔体和逆时针旋转复位。本发明提供钻井工具及其破岩方法，利用钻头压降工作，压耗低，可增加PDC钻头水功率，与常规螺杆钻具组合使用，从而提高钻井效率。

技术领域

本发明涉及涉及石油与天然气开发的钻井工程领域，尤其涉及一种低压耗扭力冲击钻井工具及破岩方法。

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。近两年，国际油价大幅度降低，竞争也日益激烈，石油公司只有更加注重高效钻井、降本增效、拥有核心技术，才能获得竞争优势。显然，提高钻速、降低钻井成本是目前石油工程领域急需的技术之一。

众所周知，目前主要钻井方法是通过螺杆钻具驱动PDC(硬质合金)钻头旋转钻进的机械破岩方法。在正常钻进过程中，钻头输出扭矩和转速均匀；在实际钻进过程中，当钻柱提供给钻头的扭矩小于工作面上岩石的剪切极限时，钻头停止旋转，处于粘滞阶段；随着钻柱继续旋转，其为钻头提供扭矩持续增加；当扭矩逐渐增至一定值，足以克服钻头下岩石剪切极限时，钻柱中扭转弹性能将瞬间释放，钻头与岩石的接触界面就发生滑移，使钻头扭矩随着时间出现一种波动状态，出现所谓的粘滑现象。

在粘滑过程中，摩擦扭力与时间关系曲线是锯齿状，这种现象将导致PDC钻头过早失效，还降低破岩效率，制约机械钻速。研究发现，通过在PDC钻头处安装传感器进行惊喜参数实际测量，在垂直井中，粘滑现象是一种常见的井下振动现象，实际操作人员只能通过降低转盘转速和提高钻头质量解决。高转速易发生轴向振动，粘滑现象极大损害钻头寿命。为消除 PDC钻头的粘滑振动现象，国内外对此进行了大量的试验研究和现场应用，其中扭力冲击器是可以减小或消除该现象的最有效方法。扭力冲击器通过产生直接作用于钻头上的高频、低幅的扭力冲击来降低或消除粘滑振动现象，提高机械钻速,延迟钻头寿命。

中国专利号CN201818241 U的实用新型专利公开了一种扭转冲击钻井工具，其具体方案包括：所述扭转冲击发生器主要由导流盖、冲击锤和截流喷嘴等组成，空腔内由内到外依次为截流喷嘴、筛管、定位套、冲击锤。流体由导流通孔13经截流喷嘴7分流成三部分：一部分直接到达钻头，一部分流体经分流槽14到锤座导流道31，由启动仓入口流道27流入启动仓28，推动启动锤头26贴合反定位面25，使冲击锤4和定位套5以相同角速度逆时针转动，当冲击锤头21由正敲击面23到达反敲击面29时，冲击锤4停止转动，定位套5继续逆时针转动，直至启动锤头26与正定位面30贴合，使启动仓28中的流体由启动仓出口流道24流出，经泄流通道16到达钻头内部。核心是在工具内部设置截流喷嘴，让冲击锤两个扇形端面之间形成压差，从而获得推动冲击锤的动能，发生旋转运动，撞击冲击腔。目前的扭力冲击器在实现冲击功能的时候，取得较好效果时，必须消耗2-3MPa的能量。

虽然扭力冲击器能消除PDC钻头粘滑效应，但是无法解决在定向井、水平井中定向钻进，且可根据需要随时调整井斜。

中国专利号CN210343256U公开了一种石油钻井用多功能钻具组合的制作方法，其具体方案包括：从上到下依次可拆卸连接的钻杆、加重钻杆、随钻堵漏阀、随钻测斜系统、可控变径扶正器、螺杆钻具、扭力冲击器、PDC钻头；所述螺杆钻具与随钻测斜系统配合实现定向钻进；扭力冲击器对PDC钻头进行保护。