專利名稱：鉆井動力工具、鉆井工具及形成井眼的鉆井方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于鉆井工程中提高鉆頭破巖效率、延長鉆頭使用壽命、防止卡鉆的鉆井動力工具、由其構(gòu)成的新型鉆井工具及形成井眼的鉆井方法。
背景技術(shù)：
鉆井的目的不止是構(gòu)建油氣通道，更重要的是發(fā)現(xiàn)更多的油氣資源和盡量提高鉆采效率。鉆井工程面臨的問題始終是如何確保 “優(yōu)，快，省”。鉆井技術(shù)的研發(fā)一直是針對這些問題展開的。其中“優(yōu)”指安全，“快”指高效，也就是如何安全地提高鉆井效率?！皟?yōu)和快”是石油公司、鉆井承包商和技術(shù)服務(wù)公司一貫追求的重要目標(biāo)。近兩年，鉆井日費(fèi)暴漲，安全地提高鉆速尤為重要，對深井和深水鉆井來說更是如此。隨著井深的增加，水力沿程損耗增大，井底鉆頭可用水能急劇下降，水力破巖和清巖能力減弱，造成深井鉆速低，鉆頭磨損快，粘卡嚴(yán)重等。另外，為了提高采油效率，水平井、分支井、大位移井、從式井等越來越重視，當(dāng)前的井眼越來越不規(guī)則，摩阻和扭矩大，滑動鉆井困難，井眼延伸范圍小。目前鉆井方式主要有沖擊式鉆井、常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井和正在積極研發(fā)的旋沖鉆井，沖擊式鉆井早已被常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井替代，而常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井的鉆速和鉆頭磨損情況仍達(dá)不到滿意程度，旋沖鉆井的研發(fā)自60年代開始，一直在積極研究，目前仍然有各種技術(shù)瓶頸不能突破。實(shí)踐證明，沖擊器能夠大幅度提高鉆井速度，其鉆進(jìn)速度比普通旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)速度提高30%以上，井斜明顯減小，鉆具損壞減小，鉆井成本降低20%以上，該技術(shù)不能廣泛推廣的重要原因之一是沖擊器質(zhì)量不過關(guān)，壽命還達(dá)不到所需要的時間，現(xiàn)在的沖擊器壽命一般在50-80小時，還滿足不了實(shí)際鉆井的需要。因此要想實(shí)現(xiàn)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用，必須提高沖擊器的質(zhì)量。另外，在沖錘撞擊砧子的瞬間，作用力在極短時間內(nèi)有很大的變化幅度，并以應(yīng)力波得形式向鉆頭方向傳遞，對鉆頭等使用壽命有一定的影響。為提供粉碎巖石所需要的沖擊力，往復(fù)式撞砧以7. 5m/s-10. 2 m/s的相對搞的線性速度撞擊底座，導(dǎo)致接觸的主體之間高速運(yùn)動；此外，需要較大扭矩來平衡鉆頭與地層摩擦形成的扭矩。高接觸速度和搞接觸壓力的組合效果產(chǎn)生大量的摩擦和熱，在接觸表面上導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損傷害。在鉆井過程中，沖擊器對LWD和MWD有較大干涉。綜上述，常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井鉆速慢、鉆頭易磨損，旋沖鉆井對鉆具破壞損傷大，且自身壽命短，急需研發(fā)一種新了鉆井方法及其配套工具，通過簡單有效地方式和工具提高破巖效率、延長鉆頭壽命、防止卡鉆事故和解決滑動定向(簡稱ERD)鉆進(jìn)模式的難題等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于鉆井工程的提高破巖效率、延長鉆頭壽命并降低粘卡可能性的鉆井動力工具，并在此基礎(chǔ)上提供由其構(gòu)成的新型鉆井工具；更進(jìn)一步地，提供利用新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種鉆井動力工具，包括能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和閥軸系統(tǒng)，其特征是所述 能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)發(fā)生器或扭力發(fā)生器，所述閥軸系統(tǒng)設(shè)置在能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)下端，并與能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)連接；所述閥軸系統(tǒng)包括定子、轉(zhuǎn)子、動閥片總成、定閥片總成和軸總成；轉(zhuǎn)子位于定子的空腔內(nèi)且能夠在其中左右往復(fù)擺動，轉(zhuǎn)子穿過下端的定閥片總成且不與定閥片總成接觸；定閥片總成與最下方的軸總成本體連接固定；動閥片總成位于轉(zhuǎn)子的下端，與轉(zhuǎn)子為一整體或直接連接固定在轉(zhuǎn)子上；動閥片總成為帶有偏離動力工具中心軸線的偏心圓孔的旋轉(zhuǎn)閥片，定閥片總成上供轉(zhuǎn)子通過的圓孔同樣為偏離動力工具中心軸線的偏心孔，且兩者的孔的中心不重合；動閥片總成與定閥片總成緊密接觸、并相對定閥片總成的圓孔往復(fù)運(yùn)動使動閥片總成的偏心圓孔與定閥片總成的圓孔相互交錯或重合形成動態(tài)變化的閥流通孔；所述閥流通孔的面積隨著旋轉(zhuǎn)發(fā)生器或扭力發(fā)生器的轉(zhuǎn)動而周期性變化。按上述技術(shù)方案，所述的旋轉(zhuǎn)發(fā)生器或扭力發(fā)生器為螺桿或渦輪或葉輪。按上述技術(shù)方案，閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規(guī)律發(fā)生周期性變化。按上述技術(shù)方案構(gòu)成的新型鉆井工具，其特征是所述鉆井動力工具設(shè)置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間；萬向軸總成傳分別設(shè)置在鉆井動力工具兩端的連接處。按上述技術(shù)方案，所述鉆井動力工具設(shè)置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間，且在鉆井動力工具和鉆頭之間設(shè)置螺桿/渦輪；萬向軸總成傳分別設(shè)置在螺桿/渦輪兩端的連接處。按上述技術(shù)方案的新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法，其特征在于包括以下步驟
(A)將鉆井動力工具設(shè)置在井眼中鉆柱上；
(B)通過能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將鉆井液水力能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，由萬向軸總成傳遞給動閥片總成或者直接通過單螺桿轉(zhuǎn)子往復(fù)擺動，使動閥片總成和定閥片總成相互交錯或重合形成流通孔，且閥流通孔面積發(fā)生周期性變化，時大時??；
(C)通過調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)動頻率在10_4—10_2 S-1,使整個鉆井動力工具所受載荷屬于靜載荷范圍內(nèi)；
(D)通過閥流通孔面積連續(xù)變化，每一個微小的變化動作都會在閥門處產(chǎn)生一個相應(yīng)的連續(xù)變化的水擊增壓或降壓波，使閥座所承受總壓力連續(xù)柔和變化；同時，通過閥流通孔面積連續(xù)變化使閥局部水頭損失系數(shù)也發(fā)生連續(xù)變化，鉆頭處井底壓力發(fā)生連續(xù)變化；
(E)通過動力工具將連續(xù)柔和變化的閥座所承受總壓力傳遞給鉆頭，形成連續(xù)變化的鉆壓，從而提高破巖效率；通過閥調(diào)節(jié)井底壓力，在井底局部形成欠平衡鉆井；
其中，所述閥流通孔面積為動閥片總成和定閥片總成重疊的面積，且閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規(guī)律發(fā)生周期性變化；通過閥孔的鉆井液的流量發(fā)生周期性變化使閥座所承受總壓力以正弦或者近似正弦規(guī)律連續(xù)柔和變化。按上述技術(shù)方案所述鉆井動力工具的新型鉆井工具，其特征是鉆井動力工具與振蕩短節(jié)相連接形成組合，所述組合設(shè)置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間；萬向軸總成傳分別設(shè)置在鉆井動力工具兩端的連接處；其中，振蕩短節(jié)的下端與所述鉆井動力工具的上端連接；所述振蕩短節(jié)主要包括外筒以及設(shè)置在外筒內(nèi)部并可沿外筒垂直滑動的芯軸，芯軸和外筒的環(huán)體壁面之間卡置有蝶形彈簧，芯軸的底部平面為密封面，該密封面能夠與外筒的內(nèi)孔臺階面結(jié)合密封或分離。按上述技術(shù)方案所述鉆井動力工具的新型鉆井工具，其特征是鉆井動力工具與振蕩短節(jié)相連接形成組合，所述組合設(shè)置在井眼中鉆鋌和鉆頭之間，且在鉆井動力工具和鉆頭之間設(shè)置螺桿/渦輪；萬向軸總成傳分別設(shè)置在螺桿/渦輪兩端的連接處；其中，振蕩短節(jié)的下端與所述鉆井動力工具的上端連接；所述振蕩短節(jié)主要包括外筒以及設(shè)置在外筒內(nèi)部并可沿外筒垂直滑動的芯軸，芯軸和外筒的環(huán)體壁面之間卡置有蝶形彈簧，芯軸的底部平面為密封面，該密封面能夠與外筒的內(nèi)孔臺階面結(jié)合密封或分離。按上述技術(shù)方案的新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法，其特征在于包括以下步驟
(A)將鉆井工具設(shè)置在井眼中鉆柱上；
(B)通過能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將鉆井液水力能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，由萬向軸總成傳遞給閥軸系統(tǒng)的動閥片或者直接通過單螺桿轉(zhuǎn)子往復(fù)擺動，使動閥片和定閥片相互交錯形成流通孔，且閥流通孔面積發(fā)生周期性變化，時大時?。?br> (C)通過調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)動頻率在10_4—10_2 S-1,使整個鉆井動力工具所受載荷屬于靜載荷范圍內(nèi)；
(D)通過閥流通孔面積連續(xù)變化，每一個微小的變化動作都會在閥門處產(chǎn)生一個相應(yīng)的連續(xù)變化的水擊增壓或降壓波，使閥座所承受總壓力連續(xù)柔和變化；同時，通過閥流通孔面積連續(xù)變化使閥局部水頭損失系數(shù)也發(fā)生連續(xù)變化，鉆頭處井底壓力發(fā)生連續(xù)變化；
(E)連續(xù)變化的水擊增壓或降壓波向上傳遞給振蕩短節(jié)，由于內(nèi)外壓差的變化，當(dāng)壓力由小變大時，其作用于振蕩短節(jié)的密封面使芯軸發(fā)生軸向向上位移，當(dāng)壓力消除，碟形彈簧使芯軸復(fù)位；此時，水擊壓力作用與振蕩短接的蝶形彈簧振蕩力也時大時小，跟閥座所承受總壓力同步；
(F)通過鉆井工具將連續(xù)柔和變化的閥座所承受總壓力和振蕩短接的振蕩力一并傳遞給鉆頭，形成周期性溫和振蕩的鉆壓，從而提高破巖效率；通過閥調(diào)節(jié)井底壓力，在井底局部形成欠平衡鉆井；
其中，閥座所承受總壓力以正弦或者近似正弦規(guī)律變化，誘導(dǎo)蝶形彈簧跟隨變化；由于彈簧的壓縮是消耗能量的，所以，當(dāng)能量釋放時，主要作用力向下指向鉆頭方向，其余作用力向上；
所述閥流通孔面積為動閥片總成和定閥片總成重疊的面積，且閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規(guī)律發(fā)生周期性變化；調(diào)節(jié)閥流通孔面積的大小，使通過閥孔的鉆井液的流量發(fā)生周期性變化，使閥座所承受總壓力發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生閥振蕩力，且閥振蕩力以正弦或者近似正弦規(guī)律連續(xù)柔和變化。按上述技術(shù)方案,最小閥流通孔面積 > 最大閥流通孔面積的1/5。按上述技術(shù)方案，振蕩短節(jié)的振幅為0. 4 I. 3cm，振動頻率為16 — 18Hz，振蕩加速度小于3g。本發(fā)明的基本原理是鉆井動力工具的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將鉆井液動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，使與其連接的閥產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使調(diào)節(jié)閥工作時產(chǎn)生的流量周期性變化盡可能為正弦，使閥上部產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，并作用于閥座上產(chǎn)生溫和的振蕩力，通過鉆具傳遞給鉆頭，形成周期性連續(xù)柔和變化的鉆壓；或者，鉆井動力工具上端與振蕩短接相連，鉆井液動能作用于與鉆井動力工具上部相連接的振蕩短節(jié)，使在短節(jié)內(nèi)的彈簧跟隨一起往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生閥振湯力，在閥振湯力和彈黃力的雙重作用下，造成與鉆井動力工具連接的其他鉆井工具在軸向上的往復(fù)運(yùn)動，周期性變化的作用力傳遞給鉆頭，形成周期性溫和振蕩的鉆壓，提高破巖效率；另外柔和脈動的頻率為15 26Hz，鉆具的應(yīng)變速率為低于10-4 10-2S-1速率應(yīng)該是個常數(shù)，何來單位，使鉆具承受的載荷作用效果與靜載荷相同，從而延長鉆頭等鉆具的工作壽命；該方法使鉆具在井底為動摩擦，減少摩阻，降低粘卡可能性，增加鉆壓，進(jìn)一步提高破巖效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著技術(shù)進(jìn)步 I、提供一種新的鉆井破巖方法。目前的破巖方式主要有沖擊破巖頓鉆、旋轉(zhuǎn)破巖常規(guī)和沖擊回轉(zhuǎn)破巖,其中主流的破巖方式為旋轉(zhuǎn)破巖，機(jī)械鉆速仍有待提高，沖擊破巖由于排巖屑困難，現(xiàn)在使用比較少，沖擊回轉(zhuǎn)破巖技術(shù)比前兩種破巖效率均高，但存在一些技術(shù)問題，仍然沒有被廣泛推廣應(yīng)用。本鉆井方法的破巖方式為連續(xù)柔和脈動旋轉(zhuǎn)破巖方法，在形式上不同于常規(guī)旋轉(zhuǎn)破巖鉆井，即通過新型鉆井動力工具將常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井的鉆壓發(fā)生類似正弦變化規(guī)律的連續(xù)柔和地變化。同時，通過新型動力工具將井底壓力改變?yōu)檫B續(xù)柔和變化的井底壓力，在一個周期內(nèi)，有一段時間為井底局部為欠平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井。連續(xù)柔和脈動破巖技術(shù)與沖擊回轉(zhuǎn)破巖存在本質(zhì)區(qū)別，主要體現(xiàn)在工具和巖石的應(yīng)變速率上。用于鉆井的連續(xù)柔和振動破巖過程，井下鉆具組合運(yùn)動振幅為0. 8cm，頻率為17HZ，即其作用速率最大為0.8X10_2，而靜力作用時工具和的應(yīng)變速率為10_4 10_2，因此，工具和巖石內(nèi)的作用力屬于靜作用力，工具不會出現(xiàn)形狀比較陡的應(yīng)力波；而沖擊回轉(zhuǎn)鉆井過程，工具和的應(yīng)變速率為大于10_2，沖錘作用鐵砧后較短時間內(nèi)，鉆具組合內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋。連續(xù)柔和脈動破巖技術(shù)也不同于常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井，其鉆頭與巖石的接觸力的值是連續(xù)周期變化的，且作用頻率為15 25 HZ ;而常規(guī)旋轉(zhuǎn)破巖方式的鉆頭與巖石接觸力的值是近視為常數(shù)。在理論上，相同條件下，本發(fā)明提供的方法的破巖效率跟沖擊破巖、旋轉(zhuǎn)破巖和沖擊回轉(zhuǎn)破巖存在這樣的關(guān)系沖擊回轉(zhuǎn)破巖 > 連續(xù)柔和變化的鉆壓下旋轉(zhuǎn)破巖 > 常規(guī)旋轉(zhuǎn)破巖 > 沖擊破巖。但是綜合考慮單只鉆頭總進(jìn)尺，機(jī)械鉆速，鉆壓，降低粘卡和復(fù)雜井應(yīng)用等，效果最好的是連續(xù)柔和振動破巖，它不僅提高鉆速，延長單只鉆頭總進(jìn)尺，增加有效鉆壓，降低卡鉆風(fēng)險，特別適用于大位移井、水平井鉆井和深井復(fù)雜井等。顯然，連續(xù)柔和振動旋轉(zhuǎn)破巖方法是不同于常規(guī)鉆井和旋沖鉆井的一種新的鉆井破巖方法，即提高破巖效率，同時保護(hù)和延長鉆頭等鉆具的壽命。2、提供動力工具以及由該工具多樣化組合形成的新型鉆井動力工具。動力工具本身為特殊的閥軸系統(tǒng)，通過將動力工具與常規(guī)井下動力工具結(jié)合，使常規(guī)井下動力工具與特殊的閥結(jié)合，將鉆井液動能轉(zhuǎn)化為沿鉆具軸向的振動機(jī)械能。3、提高破巖效率。該方法及其工具主要是將常規(guī)的旋轉(zhuǎn)破巖方式改成鉆壓柔和變化的回轉(zhuǎn)破巖，從而提聞破巖效率。根據(jù)巖石破碎原理，在一定的軸向壓力下沖擊破碎巖石，巖石強(qiáng)度要降低50% 80%。沖擊載荷的特點(diǎn)是接觸應(yīng)力瞬時可達(dá)極高值，應(yīng)力比較集中。由于巖石的動硬度要比靜硬度小，固易產(chǎn)生微裂紋。并且沖擊速度愈大，巖石脆性增大，有利于裂隙發(fā)育，因此，不大的沖擊功就可以破碎堅(jiān)硬巖石，而靜壓入時則需要很大的力.
本發(fā)明的動力工具為其閥軸系統(tǒng)提供的旋轉(zhuǎn)頻率f為16 — 18Hz，若閥流通孔的最大有效流通面積為Amax,其最小有效流通面積為Amin。那么,任意時刻,該閥孔的有效流通面積為
權(quán)利要求
1.一種鉆井動力工具，包括能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和閥軸系統(tǒng)，其特征是所述能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)發(fā)生器或扭力發(fā)生器，所述閥軸系統(tǒng)設(shè)置在能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)下端，并與能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)連接；所述閥軸系統(tǒng)包括定子、轉(zhuǎn)子、動閥片總成、定閥片總成和軸總成；轉(zhuǎn)子位于定子的空腔內(nèi)且能夠在其中左右往復(fù)擺動，轉(zhuǎn)子穿過下端的定閥片總成且不與定閥片總成接觸；定閥片總成與最下方的軸總成本體連接固定；動閥片總成位于轉(zhuǎn)子的下端，與轉(zhuǎn)子為一整體或直接連接固定在轉(zhuǎn)子上；動閥片總成為帶有偏離動力工具中心軸線的偏心圓孔的旋轉(zhuǎn)閥片，定閥片總成上供轉(zhuǎn)子通過的圓孔同樣為偏離動力工具中心軸線的偏心孔，且兩者的孔的中心不重合；動閥片總成與定閥片總成緊密接觸、并相對定閥片總成的圓孔往復(fù)運(yùn)動使動閥片總成的偏心圓孔與定閥片總成的圓孔相互交錯或重合形成動態(tài)變化的閥流通孔；所述閥流通孔的面積隨著旋轉(zhuǎn)發(fā)生器或扭力發(fā)生器的轉(zhuǎn)動而周期性變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆井動力工具，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)發(fā)生器或扭力發(fā)生器為螺桿或渦輪或葉輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鉆井動力工具，其特征在于閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規(guī)律發(fā)生周期性變化。
4.一種由權(quán)利要求1-3之一所述的鉆井動力工具構(gòu)成的新型鉆井工具，其特征在于所述鉆井動力工具設(shè)置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間；萬向軸總成傳分別設(shè)置在鉆井動力工具兩端的連接處。
5.一種由權(quán)利要求1-3之一所述的鉆井動力工具構(gòu)成的新型鉆井工具，其特征在于所述鉆井動力工具設(shè)置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間，且在鉆井動力工具和鉆頭之間設(shè)置螺桿/渦輪；萬向軸總成傳分別設(shè)置在螺桿/渦輪兩端的連接處。
6.一種利用權(quán)利要求4或5所述新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法，其特征在于包括以下步驟 (A)將鉆井動力工具設(shè)置在井眼中鉆柱上； (B)通過能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將鉆井液水力能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，由萬向軸總成傳遞給動閥片總成或者直接通過單螺桿轉(zhuǎn)子往復(fù)擺動，使動閥片總成和定閥片總成相互交錯或重合形成流通孔，且閥流通孔面積發(fā)生周期性變化，時大時?。? (C)通過調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)動頻率在10_4—10_2 S-1,使整個鉆井動力工具所受載荷屬于靜載荷范圍內(nèi)； (D)通過閥流通孔面積連續(xù)變化，每一個微小的變化動作都會在閥門處產(chǎn)生一個相應(yīng)的連續(xù)變化的水擊增壓或降壓波，使閥座所承受總壓力連續(xù)柔和變化；同時，通過閥流通孔面積連續(xù)變化使閥局部水頭損失系數(shù)也發(fā)生連續(xù)變化，鉆頭處井底壓力發(fā)生連續(xù)變化； (E)通過動力工具將連續(xù)柔和變化的閥座所承受總壓力傳遞給鉆頭，形成連續(xù)變化的鉆壓，從而提高破巖效率；通過閥調(diào)節(jié)井底壓力，在井底局部形成欠平衡鉆井； 其中，所述閥流通孔面積為動閥片總成和定閥片總成重疊的面積，且閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規(guī)律發(fā)生周期性變化；通過閥孔的鉆井液的流量發(fā)生周期性變化使閥座所承受總壓力以正弦或者近似正弦規(guī)律連續(xù)柔和變化。
7.一種組合有上述權(quán)利要求1-3之一所述鉆井動力工具的新型鉆井工具，其特征是鉆井動力工具與振蕩短節(jié)相連接形成組合，所述組合設(shè)置在鉆柱的鉆鋌和鉆頭之間；萬向軸總成傳分別設(shè)置在鉆井動力工具兩端的連接處；其中，振蕩短節(jié)的下端與所述鉆井動力工具的上端連接；所述振蕩短節(jié)主要包括外筒以及設(shè)置在外筒內(nèi)部并可沿外筒垂直滑動的芯軸，芯軸和外筒的環(huán)體壁面之間卡置有蝶形彈簧，芯軸的底部平面為密封面，該密封面能夠與外筒的內(nèi)孔臺階面結(jié)合密封或分離。
8.一種組合有上述權(quán)利要求1-3之一所述鉆井動力工具的新型鉆井工具，其特征是鉆井動力工具與振蕩短節(jié)相連接形成組合，所述組合設(shè)置在井眼中鉆鋌和鉆頭之間，且在鉆井動力工具和鉆頭之間設(shè)置螺桿/渦輪；萬向軸總成傳分別設(shè)置在螺桿/渦輪兩端的連接處；其中，振蕩短節(jié)的下端與所述鉆井動力工具的上端連接；所述振蕩短節(jié)主要包括外筒以及設(shè)置在外筒內(nèi)部并可沿外筒垂直滑動的芯軸，芯軸和外筒的環(huán)體壁面之間卡置有蝶形彈簧，芯軸的底部平面為密封面，該密封面能夠與外筒的內(nèi)孔臺階面結(jié)合密封或分離。
9.一種利用權(quán)利要求7或8所述新型鉆井工具形成井眼的鉆井方法，其特征在于包括以下步驟 (A)將鉆井工具設(shè)置在井眼中鉆柱上； (B)通過能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將鉆井液水力能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，由萬向軸總成傳遞給閥軸系統(tǒng)的動閥片或者直接通過單螺桿轉(zhuǎn)子往復(fù)擺動，使動閥片和定閥片相互交錯形成流通孔，且閥流通孔面積發(fā)生周期性變化，時大時??； (C)通過調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)動頻率在10_4—10_2 S-1,使整個鉆井動力工具所受載荷屬于靜載荷范圍內(nèi)； (D)通過閥流通孔面積連續(xù)變化，每一個微小的變化動作都會在閥門處產(chǎn)生一個相應(yīng)的連續(xù)變化的水擊增壓或降壓波，使閥座所承受總壓力連續(xù)柔和變化；同時，通過閥流通孔面積連續(xù)變化使閥局部水頭損失系數(shù)也發(fā)生連續(xù)變化，鉆頭處井底壓力發(fā)生連續(xù)變化； (E)連續(xù)變化的水擊增壓或降壓波向上傳遞給振蕩短節(jié)，由于內(nèi)外壓差的變化，當(dāng)壓力由小變大時，其作用于振蕩短節(jié)的密封面使芯軸發(fā)生軸向向上位移，當(dāng)壓力消除，碟形彈簧使芯軸復(fù)位；此時，水擊壓力作用與振蕩短接的蝶形彈簧振蕩力也時大時小，跟閥座所承受總壓力同步； (F)通過鉆井工具將連續(xù)柔和變化的閥座所承受總壓力和振蕩短接的振蕩力一并傳遞給鉆頭，形成周期性溫和振蕩的鉆壓，從而提高破巖效率；通過閥調(diào)節(jié)井底壓力，在井底局部形成欠平衡鉆井； 其中，閥座所承受總壓力以正弦或者近似正弦規(guī)律變化，誘導(dǎo)蝶形彈簧跟隨變化；由于彈簧的壓縮是消耗能量的，所以，當(dāng)能量釋放時，主要作用力向下指向鉆頭方向，其余作用力向上； 所述閥流通孔面積為動閥片總成和定閥片總成重疊的面積，且閥流通孔面積隨時間按正弦或者近似正弦規(guī)律發(fā)生周期性變化；調(diào)節(jié)閥流通孔面積的大小，使通過閥孔的鉆井液的流量發(fā)生周期性變化，使閥座所承受總壓力發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生閥振蕩力，且閥振蕩力以正弦或者近似正弦規(guī)律連續(xù)柔和變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或9所述的鉆井方法，其特征在于最小閥流通孔面積>最大閥流通孔面積的1/5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆井動力工具、鉆井工具及形成井眼的鉆井方法。鉆井動力工具包括能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和閥軸系統(tǒng)，所述能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)發(fā)生器；所述閥軸系統(tǒng)包括定子、轉(zhuǎn)子、動閥片總成、定閥片總成和軸總成，轉(zhuǎn)子左右往復(fù)運(yùn)動并驅(qū)動與其直接相連的動閥片總成；所述能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為螺桿或渦輪或葉輪。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)鉆頭的同時，其鉆頭處鉆壓和井底鉆壓均類似正弦規(guī)律的連續(xù)溫和變化，有利于圍巖強(qiáng)度降低和裂縫發(fā)育，能顯著提高破巖效率；另外，鉆頭處井底壓力發(fā)生周期性變化，交替產(chǎn)生負(fù)壓和高壓噴射，在壓力變小時，為欠平衡或氣體鉆井液鉆井，改變了圍巖環(huán)境，能顯著提高機(jī)械鉆速。
文檔編號E21B7/00GK102705140SQ20121017291
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者劉運(yùn)榮, 楊建 , 涂輝, 董學(xué)成, 蔣洪亮, 高文金 申請人:中國石化集團(tuán)江漢石油管理局石油機(jī)械研究院, 中國石油化工集團(tuán)公司