CN104594801B - 扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扰动破岩钻具，包括防掉总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成以及扰动总成，防掉总成连接马达总成，马达总成连接万向轴总成，万向轴总成连接传动轴总成，传动轴总成连接扰动总成，扰动总成下端连接钻头；传动轴总成包括芯轴、下TC外筒、上齿轮、下齿轮以及传递杆；扰动总成的中空传动轴的下端设置有偏心孔，并且与设置于扰动轴上的固定阀进行面接触。本发明还提供一种扰动破岩钻井方法。扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法是将现有的用螺杆传动轴外壳和芯轴相对运动转换为齿轮旋转，最后实现扰动总成产生周期性水击力，并与上部钻具组合的重力共同形成钻压，实现“高应力+扰动”，其具有高破岩效率和高机械钻速等优点。

Description

扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法

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：

本发明提供一种扰动破岩钻具，包括防掉总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成以及扰动总成，所述防掉总成连接所述马达总成，所述马达总成连接所述万向轴总成，所述万向轴总成连接所述传动轴总成，所述传动轴总成连接所述扰动总成，所述扰动总成下端连接用于钻岩的钻头；所述传动轴总成包括芯轴、下TC轴承、上齿轮、下齿轮以及传递杆，所述下TC轴承套设于所述芯轴的外侧，所述下TC轴承的下端所处的位置高于所述芯轴下端所处的位置，所述下TC轴承的下端设有齿圈，所述上齿轮设于所述芯轴下端与所述齿圈之间，所述下齿轮设于所述芯轴的下端部，所述上齿轮与所述下齿轮之间通过所述传递杆连接；所述扰动总成包括外壳、中空传动轴、扰动轴以及固定阀，所述外壳与所述芯轴通过螺纹连接，所述中空传动轴上端通过外齿圈与所述下齿轮连接，所述中空传动轴的下端设置有偏心孔，并且与设置于所述扰动轴上的所述固定阀进行面接触，所述外壳与所述扰动轴通过花键连接，所述外壳的下端面、所述扰动轴和位于所述扰动轴的台阶上的密封盖形成一密封腔，所述密封腔内设置有碟形弹簧。

进一步地，所述中空传动轴的下端与沿轴向运动的偏心孔通过花键连接。

进一步地，所述中空传动轴的下端与偏心孔通过螺纹连接成一整体。

进一步地，所述碟形弹簧由每组1-2个碟簧片，2-4组叠合组成。

进一步地，所述扰动轴的下部设置有与所述钻头连接的螺纹。

进一步地，所述芯轴下部与所述钻头一体成型。

进一步地，所述中空传动轴的下端和所述固定阀上均设有1个偏心孔。

进一步地，所述中空传动轴的下端和所述固定阀在相同圆半径上均设置有2-4个相互间隔的大小相等的孔。

本发明还提供一种扰动破岩钻具的扰动破岩钻井方法，包括以下步骤：步骤一：在扰动破岩钻具的上端与常规钻具组合通过螺纹连接，其下端和钻头通过螺纹连接；步骤二：在正常钻进时，钻井液流经马达总成驱动其转子旋转，通过万向轴总成使传动轴总成内的芯轴相对下TC轴承旋转；迫使设置在芯轴下端与下TC轴承的齿圈之间设置上齿轮在芯轴内旋转；并使通过传递杆连接的下齿轮旋转；

步骤三：旋转的下齿轮驱动中空传动轴上端的外齿圈，使其旋转，中空传动轴下端的偏心孔与设置于扰动轴上的固定阀的偏心孔发生相对运动，使两个偏心孔周期性的交错和完全重叠，其有效流通面积发生周期性的变化，从而在固定阀的上部发生水击现象，形成周期性变化的水击力Ft=Asin(t)；

步骤四：水击力Ft通过芯轴传递给钻头，由钻具组合的重量产生的重力Fg通过外壳、碟形弹簧和芯轴传递给钻头，水击力Ft和钻具组合的重力Fg共同作用于钻头正下方的岩石，处于高应力状态的深部地层岩石在动静组合的周期性扰动动力作用下，引发诱导致裂或突然岩爆。

进一步地，所述碟形弹簧由每组1-2个碟簧片，2-4组叠合组成。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法是将现有的用螺杆传动轴外壳和芯轴相对运动，转换为齿轮旋转，最后实现扰动总成产生周期性水击力，并与上部钻具组合的重力共同形成钻压，实现“高应力+扰动”，其具有高破岩效率和高机械钻速等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的扰动破岩钻具的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的传动轴总成和扰动总成的结构示意图；

图3为图2中的A-A横截面示意图；

图4为图2中的B-B横截面示意图；

图5为图2中的C-C横截面示意图；

图6为扰动总成的空传动轴的偏心孔与固定阀的偏心孔在扰动破岩钻井过程中的相对运动关系示意图；

图7为扰动破岩钻井过程中扰动总成的固定阀上部产生的水击力示意图；

图8为扰动破岩钻井时扰动破岩钻具对钻头正下方岩石的作用力示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图8，本发明实施例提供一种扰动破岩钻具，包括防掉总成1、马达总成2、万向轴总成3、传动轴总成4以及扰动总成5，所述防掉总成连接所述马达总成，所述马达总成连接所述万向轴总成，所述万向轴总成连接所述传动轴总成4，所述传动轴总成4连接所述扰动总成，所述扰动总成下端连接用于钻岩的钻头。

如图1至图8，所述传动轴总成包括芯轴4a、下TC轴承4b、上齿轮4c、下齿轮4e以及传递杆。所述下TC轴承4b套设于所述芯轴的外侧，所述下TC轴承4b的下端所处的位置高于所述芯轴4a下端所处的位置，所述下TC轴承4b的下端设有齿圈，所述上齿轮4c设于所述芯轴4a下端与所述齿圈之间，所述下齿轮4e设于所述芯轴4a的下端部，所述上齿轮4c与所述下齿轮4e之间通过所述传递杆4d连接。

如图1至图8，所述扰动总成5包括外壳5c、中空传动轴5a、扰动轴5d以及固定阀5b。所述外壳5c与所述芯轴4a通过螺纹连接，所述中空传动轴5a上端通过外齿圈与所述下齿轮4e连接，所述中空传动轴5a的下端设置有偏心孔，并且与设置于所述扰动轴5d上的所述固定阀5b进行面接触。在本较佳实施例中，所述中空传动轴的下端和所述固定阀上均设有1个偏心孔。在其它实施例中，所述中空传动轴5a的下端和所述固定阀5b在相同圆半径上均设置有2-4个相互间隔的大小相等的孔。

如图1至图8，所述外壳5c与所述扰动轴5d通过花键连接，所述外壳5c的下端面、所述扰动轴5d和位于所述扰动轴5d的台阶上的密封盖5f形成一密封腔，所述密封腔内设置有碟形弹簧5e，在本较佳实施例中，所述碟形弹簧5e由每组1-2个碟簧片，2-4组叠合组成。

在本较佳实施例中，所述中空传动轴5a的下端与沿轴向运动的偏心孔通过花键连接；或者，所述中空传动轴5a的下端与偏心孔通过螺纹连接成一整体。所述扰动轴5d的下部设置有与所述钻头连接的螺纹，方便与钻头连接；或者采用所述芯轴4a下部与所述钻头一体成型，因此钻头不需要进行另外的安装。

如图1至图8，本发明实施例还提供一种扰动破岩钻具的扰动破岩钻井方法，其包括以下步骤：步骤一：在扰动破岩钻具的上端与常规钻具组合通过螺纹连接，其下端和钻头通过螺纹连接。

步骤二：在正常钻进时，钻井液流经马达总成2驱动其转子旋转，通过万向轴总成3使传动轴总成4内的芯轴4a相对下TC轴承4b旋转；迫使设置在芯轴4a下端与下TC轴承4b的齿圈之间设置上齿轮4c在芯轴4a内旋转；并使通过传递杆4d连接的下齿轮4e旋转。

步骤三：旋转的下齿轮4e驱动中空传动轴5a上端的外齿圈，使其旋转，中空传动轴5a下端的偏心孔（定义孔中心为O1）与设置于扰动轴5d上的固定阀5b的偏心孔（定义孔中心为O2）发生相对运动，使两个偏心孔周期性的交错和完全重叠（如图6所示），其有效流通面积发生周期性的变化，从而在固定阀5b的上部发生水击现象，形成周期性变化的水击力Ft=Asin(t)。

步骤四：水击力Ft通过芯轴4a传递给钻头，由钻具组合的重量产生的重力Fg通过外壳5c、碟形弹簧5e和芯轴4a传递给钻头，水击力Ft和钻具组合的重力Fg共同作用于钻头正下方的岩石，处于高应力状态的深部地层岩石在动静组合的周期性扰动动力作用下，引发诱导致裂，甚至突然岩爆，使钻头高效率破岩。

本发明提供的扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法将现有的螺杆传动轴外壳和芯轴相对运动，转换为齿轮旋转，最后实现扰动总成产生周期性水击力，并与上部钻具组合的重力共同形成钻压，实现“高应力+扰动”，其具有高破岩效率和高机械钻速等优点。

与现有技术相比，本发明具有以下有显著的技术进步和突出的有益效果：

1、所述扰动破岩钻具的底部钻具组合比基于涡轮驱动的扰动钻具的底部钻具组合结构更简单：直接利用现有的马达总成的动力驱动扰动总成，实现扰动破岩钻井方法，同时对螺杆钻具驱动钻头旋转破岩影响不大，将马达总成与扰动钻具综合在一起，大大缩短了马达与钻头之间的距离，简化了钻具组合；而通过涡轮等驱动扰动总成时，还需要在扰动钻具上部连接用于驱动钻头旋转的马达。

2、所述扰动破岩钻具比涡轮驱动的扰动钻具更安全可靠：驱动所述扰动破岩钻具运动所需要的功率远远小于螺杆钻具输出功率，因而本发明提供的所述扰动破岩钻具产生的扰动力更稳定和可控，从而可控制扰动破岩时产生岩爆烈度等级，达到安全高效提速目的；而通过涡轮驱动扰动钻具时，涡轮的转速不稳定，容易造成钻头正下方岩石发生强烈岩爆或极强岩爆，导致井径十分不规律、甚至埋钻等事故。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扰动破岩钻具，其特征在于，包括防掉总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成以及扰动总成，所述防掉总成连接所述马达总成，所述马达总成连接所述万向轴总成，所述万向轴总成连接所述传动轴总成，所述传动轴总成连接所述扰动总成，所述扰动总成下端连接用于钻岩的钻头；

所述传动轴总成包括芯轴、下TC轴承、上齿轮、下齿轮以及传递杆，所述下TC轴承套设于所述芯轴的外侧，所述下TC轴承的下端所处的位置高于所述芯轴下端所处的位置，所述下TC轴承的下端设有齿圈，所述上齿轮设于所述芯轴下端与所述齿圈之间，所述下齿轮设于所述芯轴的下端部，所述上齿轮与所述下齿轮之间通过所述传递杆连接；

所述扰动总成包括外壳、中空传动轴、扰动轴以及固定阀，所述外壳与所述芯轴通过螺纹连接，所述中空传动轴上端通过外齿圈与所述下齿轮连接，所述中空传动轴的下端设置有偏心孔，并且与设置于所述扰动轴上的所述固定阀进行面接触，所述外壳与所述扰动轴通过花键连接，所述外壳的下端面、所述扰动轴和位于所述扰动轴的台阶上的密封盖形成一密封腔，所述密封腔内设置有碟形弹簧。

2.如权利要求1所述的扰动破岩钻具，其特征在于：所述中空传动轴的下端与沿轴向运动的偏心孔通过花键连接。

3.如权利要求1或2所述的扰动破岩钻具，其特征在于：所述中空传动轴的下端与偏心孔通过螺纹连接成一整体。

4.如权利要求1所述的扰动破岩钻具，其特征在于：所述碟形弹簧由每组1-2个碟簧片，2-4组叠合组成。

5.如权利要求1所述的扰动破岩钻具，其特征在于：所述扰动轴的下部设置有与所述钻头连接的螺纹。

6.如权利要求1所述的扰动破岩钻具，其特征在于：所述芯轴下部与所述钻头一体成型。

7.如权利要求1所述的扰动破岩钻具，其特征在于：所述中空传动轴的下端和所述固定阀上均设有1个偏心孔。

8.如权利要求1所述的扰动破岩钻具，其特征在于：所述中空传动轴的下端和所述固定阀在相同圆半径上均设置有2-4个相互间隔的大小相等的孔。

9.一种如权利要求1所述的扰动破岩钻具的扰动破岩钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在扰动破岩钻具的上端与常规钻具组合通过螺纹连接，其下端和钻头通过螺纹连接；

步骤二：在正常钻进时，钻井液流经马达总成驱动其转子旋转，通过万向轴总成使传动轴总成内的芯轴相对下TC轴承旋转；迫使设置在芯轴下端与下TC轴承的齿圈之间设置上齿轮在芯轴内旋转；并使通过传递杆连接的下齿轮旋转；

步骤三：旋转的下齿轮驱动中空传动轴上端的外齿圈，使其旋转，中空传动轴下端的偏心孔与设置于扰动轴上的固定阀的偏心孔发生相对运动，使两个偏心孔周期性的交错和完全重叠，其有效流通面积发生周期性的变化，从而在固定阀的上部发生水击现象，形成周期性变化的水击力Ft=Asin(t)；

步骤四：水击力Ft通过芯轴传递给钻头，由钻具组合的重量产生的重力Fg通过外壳、碟形弹簧和芯轴传递给钻头，水击力Ft和钻具组合的重力Fg共同作用于钻头正下方的岩石，处于高应力状态的深部地层岩石在动静组合的周期性扰动动力作用下，引发诱导致裂或突然岩爆。

10. 如权利要求9所述的扰动破岩钻井方法，其特征在于：所述碟形弹簧由每组1-2个碟簧片，2-4组叠合组成。