一種鉆井工具及其鉆井方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鉆井工具領(lǐng)域，尤其涉及一種鉆井工具及其鉆井方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆井工程是油氣藏開發(fā)中投資大、風(fēng)險(xiǎn)高的工程，它的費(fèi)用占勘探開發(fā)成本的50%以上。破巖技術(shù)是油氣鉆井技術(shù)的核心內(nèi)容，破巖效率的好壞直接決定著鉆井速度和成本，更決定著鉆井工程的經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國油氣勘探開發(fā)的不斷深入，深井、超深井鉆井?dāng)?shù)量不斷增加。當(dāng)井深增加時(shí)，鉆井速度低、成本高、周期長的問題非常突出，嚴(yán)重影響了整個(gè)油氣田的勘探開發(fā)速度。特別是深部地層機(jī)械鉆速慢，導(dǎo)致鉆井周期長，鉆井期間，各種工程事故時(shí)有發(fā)生，施工效率低下。分析其原因主要有:一、深部井段地層埋藏深，地層壓實(shí)作用大，導(dǎo)致巖石本身強(qiáng)度大，不易破碎；二、隨著井深的增加，鉆柱內(nèi)鉆井液的沿程損耗不斷增大，從而導(dǎo)致鉆頭破碎地層的水力能量不斷減小，鉆頭可利用的水功率急劇下降，很難及時(shí)清除井底的巖肩，出現(xiàn)井底墊層，造成了巖肩重復(fù)破碎甚至鉆頭泥包，導(dǎo)致機(jī)械鉆速大大降低；三、對(duì)于大位移井或者斜井，管柱入井時(shí)，入井長度越長，需要克服的管柱與井壁之間的摩擦力就越大，摩擦阻力的增大減小了傳遞到鉆頭上的有效鉆壓，導(dǎo)致鉆頭在井底的機(jī)械破巖能量嚴(yán)重不足，鉆頭齒很難吃入巖石，破巖方式主要以研磨為主，而不是體積破碎，從而影響了機(jī)械鉆速的提高。
[0003]現(xiàn)有的提高機(jī)械鉆速的方法主要包括水力脈沖方法和空化射流方法。水利脈沖的基本機(jī)理主要是將通過鉆柱的連續(xù)流調(diào)制為脈沖射流，從而改善井底流場，提高井底凈化和清巖效率，減少壓持和重復(fù)破碎；而空化射流的主要機(jī)理是將強(qiáng)大的空化破壞作用引入到射流中，提尚井底水力能量，從而提尚深井鉆井速度的技術(shù)。但是，現(xiàn)有的工具都米用了其中一種提速機(jī)理，而且無法解決大位移井中的拖壓現(xiàn)象。因此，研制一種能夠?qū)⑺γ}沖向下傳播至井底并結(jié)合空化效應(yīng)改善井底巖石的受力狀態(tài)，從而強(qiáng)化巖肩的凈化，并將水力脈動(dòng)造成的壓力波動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為作用于鉆頭沖擊載荷，形成周期性的鉆壓，使鉆頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還具有增加鉆壓和減小振動(dòng)效果的鉆井工具，是鉆井提速的一個(gè)重要方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種通過降低鉆進(jìn)時(shí)的鉆井液排量提高深層鉆頭水功率以及產(chǎn)生脈沖空化射流，同時(shí)確保能夠大排量洗井和充分利用鉆頭壓降提高鉆壓，發(fā)揮噴射鉆井技術(shù)在深層的提速作用的鉆井工具和鉆井方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下設(shè)計(jì)方案:
[0006]一種鉆井工具是在脈沖發(fā)生器和鉆頭組合鉆井工具的基礎(chǔ)上，在脈沖發(fā)生器的上方連接一套提升短節(jié)。該提升短節(jié)包括花鍵外筒、花鍵芯軸和防掉筒。其中，花鍵外筒呈筒狀結(jié)構(gòu)，上端和下端分別加工有螺紋，內(nèi)部加工有內(nèi)花鍵，在內(nèi)花鍵和上端螺紋之間加工有貫穿花鍵外筒筒壁的旁通孔道；防掉筒呈筒狀結(jié)構(gòu)，上端加工有螺紋，下端具有朝向防掉筒內(nèi)部凸起的臺(tái)階；花鍵芯軸外部加工有外花鍵，下部加工有螺紋與脈沖發(fā)生器連接，在螺紋連接處上方設(shè)有外凸臺(tái)階；脈沖發(fā)生器下端與鉆頭連接；花鍵芯軸與花鍵外筒通過花鍵連接，并可實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞和上下滑動(dòng)；花鍵芯軸在花鍵外筒內(nèi)上下移動(dòng)，從而控制旁通口的開關(guān)。
[0007]上述方案進(jìn)一步包括:花鍵芯軸上端外緣加工有密封溝槽，安裝旁通密封和導(dǎo)向環(huán)；花鍵芯軸上下滑動(dòng)的極限位置分別通過其外凸臺(tái)階與花鍵外筒下端和與防掉筒的內(nèi)凸臺(tái)階限定；并保證旁通密封在花鍵芯軸上下滑動(dòng)極限位置時(shí)分別位于花鍵外筒旁通孔道的上部和下部。所述的花鍵外筒可采用上外筒和下外筒組裝而成；所述鉆頭設(shè)有空化噴嘴。
[0008]基于上述工具的鉆井方法是:
[0009]將所述鉆井工具連接在鉆柱上下入鉆井井眼內(nèi)；鉆頭接觸井底進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，花鍵芯軸帶動(dòng)旁通密封在花鍵外筒向上移動(dòng)，從而關(guān)閉旁通口，鉆井流體流經(jīng)鉆具、花鍵芯軸內(nèi)部空間、脈沖發(fā)生器和鉆頭，然后進(jìn)入環(huán)空；鉆頭提離井底進(jìn)行循環(huán)洗井作業(yè)時(shí)，花鍵芯軸帶動(dòng)旁通密封在花鍵外筒向下移動(dòng)，從而打開旁通口，鉆井流體流經(jīng)鉆具、花鍵外筒的旁通口，然后進(jìn)入環(huán)空。優(yōu)選的是，鉆進(jìn)過程中鉆井流體的流量小于循環(huán)洗井時(shí)鉆井流體的流量。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:(1)鉆井工具結(jié)構(gòu)簡單，可以方便的實(shí)現(xiàn)鉆柱內(nèi)外環(huán)空的連通與隔離；(2)可以實(shí)現(xiàn)小排量鉆井，降低循環(huán)壓耗，充分提高鉆頭的水功率與脈沖空化射流沖擊力，從而提高鉆井的機(jī)械鉆速；(3)當(dāng)井眼環(huán)空出現(xiàn)巖肩攜帶不好等問題時(shí)，可以方便的打開鉆井工具旁通通道，從而實(shí)現(xiàn)大排量循環(huán)洗井；(4)花鍵芯軸與花鍵套的滑動(dòng)連接，可以充分利用鉆頭壓降，提高鉆壓。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明一種鉆井工具旁通孔道處于關(guān)閉狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明一種鉆井工具旁通孔道處于打開狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖中1.上部鉆具，2.旁通密封，3.旁通口，4.花鍵外筒，5.花鍵芯軸，6.花鍵，
7.防掉筒，8.脈沖發(fā)生器，9.鉆頭。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖1、附圖2對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0015]附圖1和附圖2中，一種鉆井工具，包括花鍵外筒4、花鍵芯軸5、防掉筒7和脈沖發(fā)生器8、鉆頭9?；ㄦI外筒4呈筒狀結(jié)構(gòu)，上端和下端分別加工有螺紋，內(nèi)部加工有內(nèi)花鍵，在內(nèi)花鍵和上端螺紋之間加工有貫穿花鍵外筒4筒壁的旁通孔道3 ;防掉筒7呈筒狀結(jié)構(gòu)，上端加工有螺紋，下端具有朝向防掉筒7內(nèi)部凸起的臺(tái)階；花鍵芯軸5外部加工有外花鍵，下部加工有螺紋與脈沖發(fā)生器8連接，在螺紋連接處上方設(shè)有外凸臺(tái)階；脈沖發(fā)生器8下端與鉆頭9連接；花鍵芯軸5與花鍵外筒4通過花鍵6連接，并可實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞和上下滑動(dòng)；花鍵芯軸5帶動(dòng)旁通密封2在花鍵外筒4上下移動(dòng)，從而控制旁通口 3的開關(guān)。所述鉆頭9安裝有空化噴嘴。
[0016]花鍵芯軸5上端外緣加工有溝槽，分別安裝旁通密封2和導(dǎo)向環(huán)，花鍵芯軸5向上移動(dòng)的極限位置在花鍵芯軸5的外凸臺(tái)階與花鍵外筒4下端接觸處，花鍵芯軸5向下移動(dòng)的極限位置在花鍵芯軸5的外凸臺(tái)階與防掉筒7的內(nèi)凸臺(tái)階接觸處；花鍵芯軸5與花鍵外筒4通過旁通密封2實(shí)現(xiàn)徑向流體密封；花鍵芯軸5的外凸臺(tái)階與花鍵外筒4下端接觸時(shí)，旁通密封2位于花鍵外筒的旁通孔道3的上部，防止流經(jīng)工具內(nèi)部的流體通過花鍵外筒的旁通孔道進(jìn)入花鍵外筒的外部空間；花鍵芯軸5的外凸臺(tái)階與防掉筒7的內(nèi)凸臺(tái)階接觸時(shí)，旁通密封2位于花鍵外筒4的旁通孔道3的下部，流經(jīng)工具內(nèi)部的流體通過花鍵外筒4的旁通孔道3進(jìn)入花鍵外筒4的外部空間。所述的花鍵外筒4最好由上花鍵外筒和下花鍵外筒兩部分組裝而成，當(dāng)井眼環(huán)空出現(xiàn)巖肩攜帶不好等問題時(shí)，可以方便的打開鉆井工具旁通通道。
[0017]鉆井過程中，將所述鉆井工具連接在鉆柱上下入鉆井井眼內(nèi)；鉆頭接觸井底進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，花鍵芯軸5帶動(dòng)旁通密封2在花鍵外筒4向上移動(dòng)，從而關(guān)閉旁通口 3，鉆井流體流經(jīng)鉆具、花鍵芯軸5內(nèi)部空間、脈沖發(fā)生器8和鉆頭9，然后進(jìn)入環(huán)空；
[0018]鉆頭提離井底進(jìn)行循環(huán)洗井作業(yè)時(shí)，花鍵芯軸5帶動(dòng)旁通密封2在花鍵外筒(4)向下移動(dòng)，從而打開旁通口 3，鉆井流體流經(jīng)鉆具、花鍵外筒4的旁通口 3，然后進(jìn)入環(huán)空。
[0019]鉆進(jìn)過程中鉆井流體的流量Ql小于循環(huán)洗井時(shí)鉆井流體的流量Q2，Ql值取Q2值的 2/3。
[0020]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鉆井工具，包括脈沖發(fā)生器(8)和鉆頭(9)，其特征在于:在脈沖發(fā)生器(8)的上方連接有提升短節(jié)；該提升短包括花鍵外筒(4)、花鍵芯軸(5)、防掉筒(7);其中，花鍵外筒(4)呈筒狀結(jié)構(gòu)，上端和下端分別加工有螺紋，內(nèi)部加工有內(nèi)花鍵，在內(nèi)花鍵和上端螺紋之間加工有貫穿花鍵外筒(4)筒壁的旁通孔道(3);防掉筒(7)呈筒狀結(jié)構(gòu)，上端加工有螺紋，下端具有朝向防掉筒(7)內(nèi)部凸起的臺(tái)階；花鍵芯軸(5)外部加工有外花鍵，下部加工有螺紋與脈沖發(fā)生器(8)連接，在螺紋連接處上方設(shè)有外凸臺(tái)階；脈沖發(fā)生器(8)下端與鉆頭(9)連接；花鍵芯軸(5)與花鍵外筒(4)通過花鍵(6)軸向插接配合，實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞和上下滑動(dòng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井工具，其特征在于:花鍵芯軸(5)上端外緣加工有密封溝槽，安裝旁通密封(2);花鍵芯軸(5)上下滑動(dòng)的極限位置分別通過其外凸臺(tái)階與外筒(4)下端和與防掉筒(7)的內(nèi)凸臺(tái)階限定；旁通密封(2)在花鍵芯軸(5)上下滑動(dòng)極限位置時(shí)分別位于外筒(I)旁通孔道(3)的上部和下部。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉆井工具，其特征在于:所述的外筒(4)由上外筒和下外筒組裝而成；所述鉆頭(9)設(shè)有空化噴嘴。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉆井工具的鉆井方法，其特征在于:將所述鉆井工具連接在鉆柱上下入鉆井井眼內(nèi)； 鉆頭接觸井底進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，花鍵芯軸(5)帶動(dòng)旁通密封(2)在花鍵外筒(4)向上移動(dòng)，從而關(guān)閉旁通口(3)，鉆井流體流經(jīng)鉆具、花鍵芯軸(5)內(nèi)部空間、脈沖發(fā)生器(8)和鉆頭(9)，然后進(jìn)入環(huán)空； 鉆頭提離井底進(jìn)行循環(huán)洗井作業(yè)時(shí)，花鍵芯軸(5)帶動(dòng)旁通密封(2)在花鍵外筒(4)向下移動(dòng)，從而打開旁通口(3)，鉆井流體流經(jīng)鉆具、花鍵外筒(4)的旁通口(3)，然后進(jìn)入環(huán)空。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆井工具的鉆井方法，其特征在于:鉆進(jìn)過程中鉆井流體的流量小于循環(huán)洗井時(shí)鉆井流體的流量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鉆井工具及其鉆井方法。所述鉆井工具包括花鍵外筒、花鍵芯軸、防掉筒和脈沖發(fā)生器、鉆頭；花鍵外筒加工有貫穿花鍵外筒筒壁的旁通孔道；花鍵芯軸下部與脈沖發(fā)生器連接；脈沖發(fā)生器下端與鉆頭連接；花鍵芯軸與花鍵外筒通過花鍵連接，并可實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞和上下滑動(dòng)；花鍵芯軸帶動(dòng)旁通密封在花鍵外筒上下移動(dòng)，從而控制旁通口的開關(guān)。該鉆井工具結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)鉆柱內(nèi)外環(huán)空的連通與隔離；可以實(shí)現(xiàn)小排量鉆井，大排量洗井；可以充分利用脈沖空化射流沖擊力，并利用水力加壓功能提高鉆壓，從而提高鉆井的機(jī)械鉆速。
【IPC分類】E21B7/18, E21B17/02, E21B21/00
【公開號(hào)】CN105672884
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】孫宇, 朱煥剛, 李建成, 楊德京, 宋榮榮, 李曉, 萬秀琦, 韓玉華, 段光輝, 趙亞坤, 鄧霖, 許強(qiáng)
【申請(qǐng)人】中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2014年11月21日