鉆頭、鉆井工具及局部欠平衡鉆井方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鉆頭、配置有該鉆頭的鉆井工具及采用該鉆井工具實(shí)現(xiàn)局部欠平衡鉆井的鉆井方法。通過(guò)設(shè)于鉆頭底部的高壓噴嘴周期性的噴射高壓鉆井液形成環(huán)形高速射流，水眼噴嘴同時(shí)噴射相對(duì)為負(fù)壓狀態(tài)的鉆井液，高速環(huán)形射流內(nèi)即形成負(fù)壓區(qū)，從而在井底周期性的形成局部欠平衡狀態(tài)，誘發(fā)巖爆。本發(fā)明基于欠平衡鉆井原理，在井底形成局部欠平衡鉆井，而局部欠平衡區(qū)域以上的井內(nèi)壓力大于地層壓力，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，可克服欠平衡鉆井技術(shù)的局限性，保證鉆井過(guò)程的安全及鉆井工作的順暢性，有效提高鉆井效率及生產(chǎn)效益。
【專利說(shuō)明】
鉆頭、鉆井工具及局部欠平衡鉆井方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于石油天然氣勘探開發(fā)中鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鉆頭、配置有該鉆頭的鉆井工具及采用該鉆井工具鉆井的局部欠平衡鉆井方法。【背景技術(shù)】
[0002]鉆井工程占油氣開發(fā)成本的50%以上，投資大且風(fēng)險(xiǎn)高，提高鉆井效率是降低勘探開發(fā)成本的最佳途徑，也是油公司、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，國(guó)際油價(jià)大幅度降低，競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈，石油公司只有更加注重高效鉆井、降本增效、 擁有核心技術(shù)，才能獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，渡過(guò)“寒冬”。顯然，提高鉆速、降低鉆井成本是目前石油工程領(lǐng)域急需的技術(shù)之一。
[0003]目前，石油天然氣鉆井方法主要有:旋轉(zhuǎn)鉆井、旋沖鉆井和欠平衡鉆井;其它的鉆井方法，如激光鉆井、等離子鉆井和超高壓噴射鉆井方法等還處于探索研究階段。隨著深井、超深井、易斜井、硬地層、水平井及大位移井在石油鉆井中所占的比例越來(lái)越大，深井中遇到的硬地層和堅(jiān)硬地層采用常規(guī)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法破巖效果差、鉆進(jìn)效率低，深井中的井斜問(wèn)題也日益突出；在水平井和大位移鉆井中，隨著水平位移的增加，水平井的加壓更為困難，鉆具的損壞也更為嚴(yán)重。
[0004]中國(guó)專利號(hào)CN203742436U的實(shí)用新型專利公開了一種動(dòng)力擾動(dòng)破巖鉆具，其具體方案包括:芯軸設(shè)于外筒內(nèi)，外筒與芯軸通過(guò)花鍵連接;渦輪套筒設(shè)于外筒內(nèi)，其上端與導(dǎo)流器通過(guò)螺紋鏈接，其中部的環(huán)形槽中設(shè)置有橡膠密封圈，其下端與芯軸的上端通過(guò)螺紋連接;渦輪設(shè)于渦輪套筒內(nèi)部，渦輪固定于導(dǎo)流器的軸芯上，渦輪的下端與旋轉(zhuǎn)偏心閥片通過(guò)螺紋連接;旋轉(zhuǎn)偏心閥片的下端面與固定偏心閥片的上端面緊密接觸，固定偏心閥片與芯軸的上端通過(guò)螺紋連接。在鉆井過(guò)程中，鉆井液使渦輪旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)渦輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)閥片旋轉(zhuǎn)，使動(dòng)閥片和固定閥片之間的有效流通面積周期性變化，從而產(chǎn)生水擊力，形成周期性柔和變化的動(dòng)載荷，與鉆具自重產(chǎn)生的靜載荷，共同作用于巖石，實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力擾動(dòng)破巖。
[0005]中國(guó)專利號(hào)CN104594801A的專利在上述專利的基礎(chǔ)上，公開了一種動(dòng)力擾動(dòng)破巖鉆具，其具體方案包括:該擾動(dòng)破巖鉆具包括防掉總成、馬達(dá)總成、傳動(dòng)軸總成及擾動(dòng)總成， 是利用現(xiàn)有的螺桿傳動(dòng)軸外殼和芯軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒輪旋轉(zhuǎn)，最后實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)總成產(chǎn)生周期性水擊力，并與上部鉆具組合的重力共同形成鉆壓，實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力擾動(dòng)破巖，提高機(jī)械鉆速。
[0006]目前，對(duì)巖爆機(jī)理較為清晰的概括是，巖爆的產(chǎn)生需要具備兩個(gè)方面的條件:巖體內(nèi)部處在高應(yīng)力狀態(tài)中，也就是說(shuō)高儲(chǔ)能體的存在，這是巖爆的內(nèi)因；某些附加載荷的觸發(fā)是巖爆產(chǎn)生的外因。上述兩個(gè)專利公開的技術(shù)都是通過(guò)鉆具輸出機(jī)械作用力，在鉆井過(guò)程中，鉆頭不僅受到上部鉆具自重提供的鉆壓，還受到工具內(nèi)部產(chǎn)生的周期性擾動(dòng)力，其合力作用于鉆頭，使鉆壓類似正弦規(guī)律變化，擾動(dòng)巖石，使巖石周期性卸載，引發(fā)巖爆，從而提高破巖效率。將高應(yīng)力+動(dòng)力擾動(dòng)破巖方法引入石油鉆井，是一種利用深部地層巖石本身屬于儲(chǔ)能體、且?guī)r石屬于非連續(xù)相，通過(guò)外部機(jī)械引誘發(fā)生裂紋擴(kuò)展或巖爆的方法，是一種不同于常規(guī)鉆井破巖的非常有前景的新方法，但目前公布的兩種工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本高，由于采用機(jī)械作用力破巖，鉆具使用壽命較低，工作可靠性不高，相應(yīng)提高了鉆井成本，也在一定程度上限制了鉆具的轉(zhuǎn)速，影響鉆井效率。
[0007]欠平衡鉆井又叫負(fù)壓鉆井，是指在鉆井時(shí)井底壓力小于地層壓力，地層的流體有控制的進(jìn)入井筒，并且循環(huán)到地面的技術(shù)。欠平衡鉆井時(shí)20世紀(jì)90年代在國(guó)際上快速發(fā)展的一項(xiàng)鉆井新技術(shù)。實(shí)踐證明，欠平衡鉆井技術(shù)能顯著提高機(jī)械鉆速。
[0008]欠平衡鉆井，由于井底壓力小于地層壓力，破巖過(guò)程中，鉆頭附近巖石不斷卸載應(yīng)力，釋放能量，滿足巖爆發(fā)生的兩個(gè)條件:高應(yīng)力+擾動(dòng)耦合破巖。在鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)鉆井工具給鉆頭輸入擾動(dòng)力，使巖石周期性卸載應(yīng)力，釋放能量，從而滿足巖爆發(fā)生的兩個(gè)條件；因此，欠平衡鉆井技術(shù)提速的本質(zhì)也是在鉆井過(guò)程不斷誘發(fā)巖爆現(xiàn)象，破巖機(jī)理屬于高應(yīng)力擾動(dòng)破巖。
[0009]但欠平衡鉆井技術(shù)存在一定的局限性:
[0010](1)在鉆井全過(guò)程，井底壓力小于地層壓力，井壁容易發(fā)生坍塌失穩(wěn);地層會(huì)出水和含h2s。
[0011](2)會(huì)產(chǎn)生井下燃爆、卡鉆、腐蝕等現(xiàn)象。
[0012](3)井眼失控的風(fēng)險(xiǎn)高，不能用于高壓高滲地層，特別是高壓氣井。
[0013](4)需龐大復(fù)雜的地面專用設(shè)備，工藝性差、成本高等。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明實(shí)施例涉及一種鉆頭、配置有該鉆頭的鉆井工具及采用該鉆井工具鉆井的局部欠平衡鉆井方法，根據(jù)欠平衡鉆井的原理，在井底鉆頭附近直接利用水力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)局部欠平衡鉆井，使鉆頭正下方的巖石不斷卸載應(yīng)力、實(shí)現(xiàn)巖爆，以提高破巖效率，同時(shí)克服欠平衡鉆井的局限性。
[0015]本發(fā)明實(shí)施例涉及一種鉆頭，包括殼體，所述殼體底部設(shè)有多個(gè)高壓噴嘴及至少一個(gè)水眼噴嘴，多個(gè)高壓噴嘴環(huán)形布置并將各所述水眼噴嘴包圍于內(nèi)；所述殼體內(nèi)設(shè)有:
[0016]向各所述高壓噴嘴輸送鉆井液的旁通流道機(jī)構(gòu)；
[0017]向各所述水眼噴嘴輸送鉆井液的中間流道機(jī)構(gòu)；
[0018]用于周期性的使進(jìn)入殼體內(nèi)腔中的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓的增壓機(jī)構(gòu)；[〇〇19]流道控制機(jī)構(gòu)，其用于將經(jīng)增壓機(jī)構(gòu)增壓至預(yù)設(shè)壓力的鉆井液引入至所述旁通流道機(jī)構(gòu)，并將壓力低于該預(yù)設(shè)壓力的鉆井液引入至所述中央流道機(jī)構(gòu)。
[0020]作為實(shí)施例之一，所述增壓機(jī)構(gòu)包括過(guò)水接頭、上閥片、下閥片及下閥座，所述下閥座位于所述過(guò)水接頭下方且嵌設(shè)于所述殼體內(nèi)腔中；
[0021]所述上閥片固設(shè)于所述過(guò)水接頭底部且具有與所述過(guò)水接頭內(nèi)腔連通的第一通孔，所述下閥片固設(shè)于所述下閥座頂部且具有第二通孔，所述第一通孔與所述第二通孔的軸線錯(cuò)位設(shè)置且均平行于所述殼體的中軸線；
[0022]所述過(guò)水接頭借助外設(shè)的動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)而能夠在所述殼體內(nèi)腔中左右往復(fù)擺動(dòng)及上下移動(dòng)，使所述上閥片與所述下閥片緊密貼靠并使所述第一通孔與所述第二通孔相錯(cuò)或重合形成過(guò)流面積周期性變化的過(guò)流通道;所述過(guò)流通道與各所述水眼噴嘴導(dǎo)通。
[0023]作為實(shí)施例之一，所述旁通流道機(jī)構(gòu)設(shè)于所述殼體壁內(nèi)；
[0024]所述流道控制機(jī)構(gòu)包括柱塞及復(fù)位機(jī)構(gòu)，所述柱塞嵌設(shè)于所述殼體內(nèi)腔中，所述下閥片固設(shè)于所述柱塞頂部，所述柱塞即構(gòu)成所述下閥座;所述柱塞具有上下貫通的貫通腔并將所述過(guò)流通道與各所述水眼噴嘴導(dǎo)通；
[0025]過(guò)流面積由大變小過(guò)程中，在所述殼體內(nèi)形成的水擊增壓狀態(tài)的鉆井液驅(qū)動(dòng)所述柱塞下移使所述旁通流道機(jī)構(gòu)與所述殼體內(nèi)腔導(dǎo)通;過(guò)流面積由小變大過(guò)程中，所述復(fù)位機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)所述柱塞上移復(fù)位封閉所述旁通流道機(jī)構(gòu)。
[0026]作為實(shí)施例之一，所述下閥座與所述殼體內(nèi)腔固定連接，所述下閥座具有上下貫通的貫通流道并將所述過(guò)流通道與各所述水眼噴嘴導(dǎo)通；
[0027]所述旁通流道機(jī)構(gòu)設(shè)于所述殼體壁內(nèi)，其入口端位于所述下閥座上方且與所述殼體內(nèi)腔導(dǎo)通。[〇〇28]作為實(shí)施例之一，各所述水眼噴嘴入口端均位于所述殼體中軸線上，各所述高壓噴嘴入口端與所述殼體中軸線的距離均為所述殼體直徑的1/4。
[0029]作為實(shí)施例之一，各所述高壓噴嘴的噴吹方向均自所述殼體中軸線向所述殼體外側(cè)方向傾斜。
[0030]作為實(shí)施例之一，各所述高壓噴嘴的噴吹方向與所述殼體中軸線之間的夾角均在 7°?10°范圍內(nèi)。[0031 ]作為實(shí)施例之一，所述旁通流道機(jī)構(gòu)包括多道旁通流道，各所述旁通流道均自所述殼體內(nèi)壁處開設(shè)形成旁通孔，所述旁通流道的數(shù)量不少于所述高壓噴嘴的數(shù)量。
[0032]本發(fā)明實(shí)施例涉及一種鉆井工具，包括如上所述的鉆頭。
[0033]作為實(shí)施例之一，所述增壓機(jī)構(gòu)包括過(guò)水接頭、上閥片、下閥片及下閥座，所述下閥座位于所述過(guò)水接頭下方且嵌設(shè)于所述殼體內(nèi)腔中；
[0034]所述上閥片固設(shè)于所述過(guò)水接頭底部且具有與所述過(guò)水接頭內(nèi)腔連通的第一通孔，所述下閥片固設(shè)于所述下閥座頂部且具有第二通孔，所述第一通孔與所述第二通孔的軸線錯(cuò)位設(shè)置且均平行于所述殼體的中軸線；
[0035]所述過(guò)水接頭借助外設(shè)的動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)而能夠在所述殼體內(nèi)腔中左右往復(fù)擺動(dòng)及上下移動(dòng)，使所述上閥片與所述下閥片緊密貼靠并使所述第一通孔與所述第二通孔相錯(cuò)或重合形成過(guò)流面積周期性變化的過(guò)流通道;所述過(guò)流通道與各所述水眼噴嘴導(dǎo)通。，所述鉆頭頂部固定連接有能量轉(zhuǎn)換裝置，所述能量轉(zhuǎn)換裝置包括定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子位于所述定子的空腔內(nèi)且能夠在其中左右往復(fù)擺動(dòng)及沿所述定子軸線移動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子底端與所述過(guò)水接頭連接。
[0036]作為實(shí)施例之一，所述旁通流道機(jī)構(gòu)設(shè)于所述殼體壁內(nèi)；
[0037]所述流道控制機(jī)構(gòu)包括柱塞及復(fù)位機(jī)構(gòu)，所述柱塞嵌設(shè)于所述殼體內(nèi)腔中，所述下閥片固設(shè)于所述柱塞頂部，所述柱塞即構(gòu)成所述下閥座;所述柱塞具有上下貫通的貫通腔并將所述過(guò)流通道與各所述水眼噴嘴導(dǎo)通；
[0038]過(guò)流面積由大變小過(guò)程中，在所述殼體內(nèi)形成的水擊增壓狀態(tài)的鉆井液驅(qū)動(dòng)所述柱塞下移使所述旁通流道機(jī)構(gòu)與所述殼體內(nèi)腔導(dǎo)通;過(guò)流面積由小變大過(guò)程中，所述復(fù)位機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)所述柱塞上移復(fù)位封閉所述旁通流道機(jī)構(gòu)。[〇〇39]作為實(shí)施例之一，各所述水眼噴嘴入口端均位于所述殼體中軸線上，各所述高壓噴嘴入口端與所述殼體中軸線的距離均為所述殼體直徑的1/4。
[0040]作為實(shí)施例之一，各所述高壓噴嘴的噴吹方向均自所述殼體中軸線向所述殼體外側(cè)方向傾斜。
[0041]作為實(shí)施例之一，各所述高壓噴嘴的噴吹方向與所述殼體中軸線之間的夾角均在 7°?10°范圍內(nèi)。
[0042]作為實(shí)施例之一，所述能量轉(zhuǎn)換裝置為螺桿馬達(dá)。[〇〇43]本發(fā)明實(shí)施例涉及一種局部欠平衡鉆井方法，采用如上所述的鉆井工具，所述方法具體包括:
[0044]將所述鉆井工具與常規(guī)鉆具組合進(jìn)行裝配；
[0045]增壓機(jī)構(gòu)周期性的使進(jìn)入殼體內(nèi)腔中的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓；
[0046]水擊增壓期間內(nèi)，經(jīng)增壓至預(yù)設(shè)壓力的鉆井液被引入至所述旁通流道機(jī)構(gòu)，將高壓鉆井液輸送至各高壓噴嘴處噴射向井底，在井底形成環(huán)形高速射流，而水眼噴嘴的鉆井液流量迅速降低且該部分鉆井液產(chǎn)生負(fù)水擊壓力，從而形成由環(huán)形高速射流圍成的負(fù)壓區(qū)，在負(fù)壓區(qū)內(nèi)形成欠平衡狀態(tài)；負(fù)壓區(qū)外的鉆井液攜帶巖肩沿所述鉆井工具與地層之間的環(huán)空上返，負(fù)壓區(qū)以上的井內(nèi)空間與地層之間形成過(guò)平衡狀態(tài)；[〇〇47]除水擊增壓期間外的其它時(shí)間內(nèi)，壓力低于所述預(yù)設(shè)壓力的鉆井液由所述中央流道機(jī)構(gòu)被輸送至各水眼噴嘴處噴射向井底，井內(nèi)壓力恢復(fù)正常；
[0048]隨著殼體內(nèi)周期性的產(chǎn)生鉆井液水擊增壓現(xiàn)象，在井底周期性的形成局部欠平衡狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)高應(yīng)力擾動(dòng)破巖，誘發(fā)巖爆。
[0049]作為實(shí)施例之一，增壓機(jī)構(gòu)按正弦規(guī)律周期性的使進(jìn)入殼體內(nèi)腔中的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓。
[0050]本發(fā)明實(shí)施例至少實(shí)現(xiàn)了如下有益效果:[0051 ](1)通過(guò)在鉆頭底部設(shè)置高壓噴嘴和水眼噴嘴，通過(guò)在鉆頭內(nèi)周期性的形成鉆井液水擊增壓狀態(tài)，水擊產(chǎn)生的高壓鉆井液進(jìn)入高壓噴嘴，由于鉆頭在井底高速旋轉(zhuǎn)，使從高壓噴嘴噴射出的鉆井液形成環(huán)形高速射流，將從水眼噴嘴噴射出的相對(duì)為負(fù)壓狀態(tài)的鉆井液與攜帶巖肩的上返鉆井液隔開;流經(jīng)水眼噴嘴的鉆井液流量迅速降低，鉆井液產(chǎn)生負(fù)水擊壓力，在井底形成負(fù)壓區(qū)。一方面在井底形成局部欠平衡鉆井，使井底巖石不斷卸載，發(fā)生巖爆;通過(guò)在井底周期性的形成局部欠平衡，實(shí)現(xiàn)局部欠平衡鉆井，有效提高機(jī)械鉆速。 另一方面，局部欠平衡區(qū)域以上的環(huán)空中，鉆井液壓力大于地層壓力，形成過(guò)平衡狀態(tài)，因此克服了欠平衡鉆井技術(shù)的局限性:本發(fā)明中，鉆井全過(guò)程，局部欠平衡區(qū)域以上的井內(nèi)壓力相當(dāng)于常規(guī)鉆井時(shí)的井內(nèi)壓力，因此井壁穩(wěn)定;地層不會(huì)出水和含H2S;不會(huì)產(chǎn)生井下燃爆，卡鉆、腐蝕等;井眼失控的風(fēng)險(xiǎn)低，對(duì)高壓高滲地層，特別是高壓氣井，也不懼怕;無(wú)需龐大復(fù)雜的地面專用設(shè)備、工藝性好，成本低等。
[0052](2)與現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力擾動(dòng)破巖的工藝(如【背景技術(shù)】中所提到的兩件專利)相比，本發(fā)明采用的鉆井工具結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，制作成本低;在鉆井過(guò)程中，鉆井工具不直接產(chǎn)生機(jī)械力，不與地層接觸，一方面可有效提高鉆速，進(jìn)而提高鉆井效率，而且降低破巖難度及鉆井能耗，另一方面，可保護(hù)鉆具，有效提高工具工作的可靠性和使用壽命。
[0053](3)本發(fā)明提供的鉆井工具和局部欠平衡鉆井方法對(duì)常規(guī)鉆具組合沒(méi)有特殊要求，與MWD等隨鉆測(cè)量工具兼容性高，適用性較廣。【附圖說(shuō)明】
[0054]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。[0〇55]圖1為實(shí)施例^■提供的鉆頭的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0056]圖2為彈簧伸張狀態(tài)下圖1中I部分的放大圖；
[0057]圖3為彈簧壓縮狀態(tài)下圖1中I部分的放大圖；[〇〇58]圖4和圖5為圖1沿A-A的兩種剖視結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇59]圖6為實(shí)施例三提供的鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇6〇]圖7為實(shí)施例四提供的鉆井工具的結(jié)構(gòu)示意圖；[0061 ]圖8為圖7沿B-B的剖視示意圖；
[0062]圖9為實(shí)施例五提供的局部欠平衡鉆井方法的示意圖；[〇〇63]圖10為鉆井過(guò)程中水擊壓力隨時(shí)間變化的示意圖；[〇〇64]圖11為局部欠平衡區(qū)域的巖石應(yīng)力狀態(tài)圖。【具體實(shí)施方式】
[0065]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0066]實(shí)施例一
[0067]本實(shí)施例涉及一種鉆頭1，包括殼體101，所述殼體101底部設(shè)有多個(gè)高壓噴嘴108 及至少一個(gè)水眼噴嘴109,多個(gè)高壓噴嘴108環(huán)形布置并將各所述水眼噴嘴109包圍于內(nèi)；所述殼體101內(nèi)設(shè)有:
[0068]向各所述高壓噴嘴108輸送鉆井液的旁通流道機(jī)構(gòu)；
[0069]向各所述水眼噴嘴109輸送鉆井液的中間流道機(jī)構(gòu)；
[0070]用于周期性的使進(jìn)入殼體101內(nèi)腔中的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓的增壓機(jī)構(gòu)；
[0071]用于將經(jīng)增壓機(jī)構(gòu)增壓至預(yù)設(shè)壓力的鉆井液引入至所述旁通流道機(jī)構(gòu)及將壓力低于該預(yù)設(shè)壓力的鉆井液引入至所述中央流道機(jī)構(gòu)的流道控制機(jī)構(gòu)。
[0072]通過(guò)在鉆頭1底部設(shè)置高壓噴嘴108和水眼噴嘴109,通過(guò)在鉆頭1內(nèi)周期性的形成鉆井液水擊增壓狀態(tài)，水擊產(chǎn)生的高壓鉆井液進(jìn)入高壓噴嘴108,由于鉆頭1在井底高速旋轉(zhuǎn)，使從高壓噴嘴108噴射出的鉆井液形成環(huán)形高速射流5,將從水眼噴嘴109噴射出的相對(duì)為負(fù)壓狀態(tài)的鉆井液與攜帶巖肩的上返鉆井液隔開;流經(jīng)水眼噴嘴109的鉆井液流量迅速降低，鉆井液產(chǎn)生負(fù)水擊壓力，在井底形成負(fù)壓區(qū)。一方面在井底形成局部欠平衡鉆井，使井底巖石不斷卸載，發(fā)生巖爆;通過(guò)在井底周期性的形成局部欠平衡，實(shí)現(xiàn)局部欠平衡鉆井，有效提高機(jī)械鉆速。另一方面，局部欠平衡區(qū)域以上的環(huán)空4中，鉆井液壓力大于地層壓力，形成過(guò)平衡狀態(tài)，因此克服了欠平衡鉆井技術(shù)的局限性:本發(fā)明中，鉆井全過(guò)程，局部欠平衡區(qū)域以上的井內(nèi)壓力相當(dāng)于常規(guī)鉆井時(shí)的井內(nèi)壓力，因此井壁穩(wěn)定;地層不會(huì)出水和含出一;不會(huì)產(chǎn)生井下燃爆，卡鉆、腐蝕等;井眼失控的風(fēng)險(xiǎn)低，對(duì)高壓高滲地層，特別是高壓氣井，也不懼怕;無(wú)需龐大復(fù)雜的地面專用設(shè)備、工藝性好，成本低等。
[0073]上述預(yù)設(shè)壓力根據(jù)實(shí)際工況確定，形成的環(huán)形高速射流5的噴射強(qiáng)度及噴射距離等都隨之變化，環(huán)形高速射流5對(duì)負(fù)壓區(qū)內(nèi)的吸附力也隨之變化，從而可根據(jù)不同的地層結(jié)構(gòu)條件采取相應(yīng)的鉆井參數(shù)，以達(dá)到最佳的工藝條件，提高鉆井效率。
[0074]上述增壓機(jī)構(gòu)及流道控制機(jī)構(gòu)可通過(guò)設(shè)于對(duì)應(yīng)流道上的電磁閥等實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制電磁閥的開度可控制對(duì)應(yīng)流道的通斷，及控制相應(yīng)通道流量的變化使得鉆井液產(chǎn)生水擊增壓或水擊減壓現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)流道內(nèi)鉆井液的流量及壓力控制。
[0075]本發(fā)明中，為提高鉆頭工作的穩(wěn)定性及可靠性，有如下優(yōu)選實(shí)施例:
[0076]實(shí)施例二
[0077]如圖1-圖5,本發(fā)明實(shí)施例提供一種鉆頭，包括殼體101，所述殼體101內(nèi)腔中設(shè)有過(guò)水接頭102、上閥片103、下閥片104、下閥座106及復(fù)位機(jī)構(gòu)105。過(guò)水接頭102采用鉆井工具中常用的過(guò)水接頭，其中軸線與殼體101中軸線重合，其具有內(nèi)腔且下端開口，其外徑小于殼體101的內(nèi)徑，從而該過(guò)水接頭102與殼體101之間形成環(huán)形空間供鉆井液流通，鉆井液可由設(shè)于該過(guò)水接頭102上的多個(gè)過(guò)水孔進(jìn)入該過(guò)水接頭102的內(nèi)腔中。所述下閥座位于過(guò)水接頭102下方，其包括柱塞106,所述柱塞106嵌設(shè)于所述殼體101內(nèi)腔中，即柱塞106的外徑與殼體101的內(nèi)徑相同，其可沿殼體101軸向在殼體101內(nèi)滑移。
[0078]所述上閥片103固設(shè)于所述過(guò)水接頭102底部且具有與所述過(guò)水接頭102內(nèi)腔連通的第一通孔，所述下閥片104固設(shè)于所述柱塞106頂部且具有第二通孔，所述第一通孔與所述第二通孔的軸線錯(cuò)位設(shè)置且均平行于所述殼體101的中軸線。如圖1-圖3,上閥片103優(yōu)選為同軸嵌裝于過(guò)水接頭102的底部，過(guò)水接頭102作為該上閥片103的閥座；下閥片104優(yōu)選為同軸嵌裝于柱塞106的頂部，柱塞106即作為該下閥片104的閥座，柱塞106優(yōu)選為沿其中軸線開設(shè)上下貫通的內(nèi)腔，下閥片104的第二通孔與該柱塞106的內(nèi)腔連通。上閥片103與下閥片104正對(duì)貼合，呈對(duì)置面接觸結(jié)構(gòu)，二者優(yōu)選為采用相同的尺寸規(guī)格;其中，作為本實(shí)施例的一種優(yōu)選方式，第一通孔為開設(shè)于上閥片103上的偏心孔，即該第一通孔的軸線或圓心與上閥片103的軸線錯(cuò)位，第二通孔為開設(shè)于下閥片104上的中心孔，即該第二通孔的軸線或圓心與下閥片104的軸線重合；當(dāng)上閥片103在下閥片104上表面上左右往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，該第一通孔與該第二通孔即隨轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程而相錯(cuò)或重合。當(dāng)然，也可設(shè)置第一通孔為開設(shè)于上閥片103上的中心孔，第二通孔為開設(shè)于下閥片104上的偏心孔，或兩通孔均為開設(shè)于對(duì)應(yīng)閥片上的偏心孔。
[0079]所述過(guò)水接頭102借助外設(shè)的動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)而能夠在所述殼體101內(nèi)腔中左右往復(fù)擺動(dòng)及上下移動(dòng)，使所述上閥片103與所述下閥片104緊密貼靠并使所述第一通孔與所述第二通孔相錯(cuò)或重合形成過(guò)流面積周期性變化的過(guò)流通道;所述殼體101底部設(shè)有多個(gè)高壓噴嘴108及至少一個(gè)水眼噴嘴109,多個(gè)高壓噴嘴108環(huán)形布置并將各所述水眼噴嘴109包圍于內(nèi)，所述殼體101壁內(nèi)設(shè)有向各所述高壓噴嘴108輸送鉆井液的旁通流道機(jī)構(gòu)107,所述過(guò)流通道與各所述水眼噴嘴109導(dǎo)通;過(guò)流面積由大變小過(guò)程中，在所述殼體101內(nèi)形成的水擊增壓狀態(tài)的鉆井液驅(qū)動(dòng)所述柱塞106下移使所述旁通流道機(jī)構(gòu)107與所述殼體101內(nèi)腔導(dǎo)通;過(guò)流面積由小變大過(guò)程中，復(fù)位機(jī)構(gòu)105驅(qū)動(dòng)所述柱塞106上移復(fù)位封閉所述旁通流道機(jī)構(gòu)107。
[0080]其中，由于過(guò)水接頭102能夠在殼體101內(nèi)腔中上下移動(dòng)，可保證在下閥片104隨柱塞106下移過(guò)程中，上閥片103與下閥片104也始終緊密貼靠。上述過(guò)流通道與柱塞106的內(nèi)腔連通，柱塞106下端開口，從而保證過(guò)流通道與各水眼噴嘴109導(dǎo)通，可將鉆井液導(dǎo)引至各水眼噴嘴109處。
[0081]上述下閥座即為控制上述旁通流道機(jī)構(gòu)107與殼體101內(nèi)腔連通或斷開的控制閥門，通過(guò)柱塞106的上下移動(dòng)使得旁通流道機(jī)構(gòu)107的入口端曝露或遮擋該入口端，控制鉆井液進(jìn)入或不進(jìn)入該旁通流道機(jī)構(gòu)107,即實(shí)現(xiàn)高壓噴嘴108工作或不工作，從而在井底周期性的產(chǎn)生環(huán)形高速射流5。其中，如圖1-圖3,復(fù)位機(jī)構(gòu)105包括彈簧105,該彈簧105可對(duì)應(yīng)于柱塞106中部或底部位置設(shè)置。對(duì)于對(duì)應(yīng)于柱塞106中部位置設(shè)置的情況，在殼體101內(nèi)壁上對(duì)應(yīng)位置處加工有臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)，柱塞106對(duì)應(yīng)加工為臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)，對(duì)于殼體101內(nèi)壁上的第一臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)，其大直徑部位于小直徑部上方，對(duì)于柱塞106上的第二臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)，其上部的直徑與上述第一臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)的大直徑部的直徑相同，其下部的直徑與上述第一臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)的小直徑部的直徑相同，柱塞106嵌裝于殼體101內(nèi)，第一臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)與第二臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)圍成一環(huán)形腔，該彈簧105即設(shè)于上述環(huán)形腔內(nèi)。對(duì)于對(duì)應(yīng)于柱塞106底部位置設(shè)置的情況，可在殼體101內(nèi)柱塞106的下方設(shè)置導(dǎo)向柱，在柱塞106內(nèi)對(duì)于設(shè)置導(dǎo)向孔，彈簧105穿設(shè)在該導(dǎo)向柱上，導(dǎo)向柱與導(dǎo)向孔配合，導(dǎo)向孔可沿導(dǎo)向柱上下滑移。[〇〇82]上述柱塞106及復(fù)位機(jī)構(gòu)(彈簧)105即構(gòu)成上述流道控制機(jī)構(gòu)。初始狀態(tài)下，該彈簧105將柱塞106支撐于殼體101內(nèi)腔中，且柱塞106頂端位于上述旁通流道機(jī)構(gòu)107入口端的上方，將該入口端封閉；過(guò)流面積由大變小過(guò)程中，在所述殼體101內(nèi)形成鉆井液水擊增壓狀態(tài)時(shí)，下閥片104上下兩端的壓差達(dá)到最大且上端的壓力大于下端的壓力，從而對(duì)柱塞 106產(chǎn)生向下的作用力，驅(qū)動(dòng)柱塞106下移，上述彈簧105被壓縮，上述旁通流道機(jī)構(gòu)107的入口端與殼體101內(nèi)腔連通;過(guò)流面積由小變大過(guò)程中，在所述殼體101內(nèi)形成鉆井液水擊減壓狀態(tài)時(shí)，使柱塞106上下兩端的壓差達(dá)到最小，柱塞106兩端的作用力減小，在彈簧105的作用下，驅(qū)動(dòng)柱塞106上移，將旁通流道機(jī)構(gòu)107的入口端堵住，整個(gè)鉆井系統(tǒng)的壓力恢復(fù)正常。[〇〇83]另外，上述彈簧105應(yīng)保證在不產(chǎn)生鉆井液水擊增壓狀態(tài)時(shí)，其能夠支撐柱塞106 使得柱塞106頂端位于旁通流道機(jī)構(gòu)107的上方，其對(duì)柱塞106的支撐力應(yīng)大于由于過(guò)水接頭102受到動(dòng)力裝置作用而產(chǎn)生向下移動(dòng)趨勢(shì)時(shí)對(duì)柱塞106產(chǎn)生的作用力。上述彈簧105可以為壓縮彈簧或碟形彈簧。
[0084]接續(xù)上述鉆頭1的結(jié)構(gòu)，高壓噴嘴108將經(jīng)水擊增壓的高壓鉆井液噴射向井底，水眼噴嘴109將流經(jīng)過(guò)流通道的鉆井液噴射向井底;各高壓噴嘴108與殼體101中軸線之間的距離均大于各水眼噴嘴109與殼體101中軸線之間的距離，從而環(huán)形布置的各高壓噴嘴108 將各水眼噴嘴109包圍在該環(huán)形內(nèi)。當(dāng)過(guò)流通道的過(guò)流面積最小時(shí)，各高壓噴嘴108噴射出高壓鉆井液，在井底形成環(huán)形高速射流5,而各水眼噴嘴109的鉆井液流量迅速降低且該部分鉆井液產(chǎn)生負(fù)水擊壓力，從而形成由環(huán)形高速射流5圍成的負(fù)壓區(qū)，在負(fù)壓區(qū)內(nèi)，井底壓力小于地層壓力，形成欠平衡狀態(tài)，可誘發(fā)巖爆。環(huán)形高速射流5將負(fù)壓區(qū)內(nèi)的相對(duì)為負(fù)壓狀態(tài)的鉆井液與負(fù)壓區(qū)外的攜帶巖肩的高壓鉆井液隔開，攜帶巖肩的高壓鉆井液沿鉆具與地層之間的環(huán)空4上返，鉆井液壓力逐漸恢復(fù)正常(即常規(guī)鉆井時(shí)的鉆井液壓力)，負(fù)壓區(qū)以上的井內(nèi)壓力大于地層壓力，即處于過(guò)平衡狀態(tài)，可避免現(xiàn)有的欠平衡鉆井存在的技術(shù)問(wèn)題，包括井壁發(fā)生坍塌失穩(wěn)、地層出水、地層含1125、井下燃爆、井眼失控等問(wèn)題。
[0085]進(jìn)一步優(yōu)化上述結(jié)構(gòu)，如圖1-圖3,各所述水眼噴嘴109入口端均位于所述殼體101 中軸線上，各所述高壓噴嘴108沿所述殼體101中軸線對(duì)稱布置，保證井底壓力的均衡性，在鉆頭1的正下方誘發(fā)巖爆。高壓噴嘴108的數(shù)量應(yīng)保證能在井底形成完整的環(huán)形高速射流5， 本實(shí)施例中，高壓噴嘴108的數(shù)量為4個(gè)，在鉆頭1底部環(huán)形均勻間隔布置。上述環(huán)形高速射流5在井底形成類龍卷風(fēng)的鉆井液流場(chǎng)，對(duì)該“龍卷風(fēng)”中心的負(fù)壓區(qū)內(nèi)產(chǎn)生吸附力，保證負(fù)壓區(qū)內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài);上述各高壓噴嘴108與鉆頭1底部邊緣的距離不宜過(guò)小，與鉆頭1底部中心的距離也不宜過(guò)小，以免影響環(huán)形高速射流5屏蔽高壓鉆井液與低壓鉆井液的作用，以布置于鉆頭1底部中心與邊緣的中間為宜，優(yōu)選為各高壓噴嘴108入口端與殼體101中軸線的距離均為殼體101直徑的1/4。進(jìn)一步地，上述各所述高壓噴嘴108的噴吹方向均自所述殼體 101中軸線向所述殼體101外側(cè)方向傾斜，有利于攜帶巖肩的鉆井液向環(huán)空4泄流;但各高壓噴嘴108的外傾角不宜過(guò)大，以免影響環(huán)形高速射流5屏蔽高壓鉆井液與低壓鉆井液的作用，本實(shí)施例中，各所述高壓噴嘴108的噴吹方向與所述殼體101中軸線之間的夾角均在7° ?10°范圍內(nèi)，以9°為最佳。相應(yīng)地，各水眼噴嘴109與殼體101中軸線之間的夾角以小于或等于上述高壓噴嘴108的外傾角為宜，本實(shí)施例中，各水眼噴嘴109與殼體101中軸線之間的夾角均大致等于各高壓噴嘴108的外傾角，一方面，在環(huán)形高速射流5與各水眼噴嘴109形成的射流之間形成近真空區(qū)，可提高“龍卷風(fēng)”的吸附力，另一方面，水眼噴嘴109噴出的鉆井液可將負(fù)壓區(qū)的巖肩攜帶走，保持井底干凈。
[0086]接續(xù)上述鉆頭1的結(jié)構(gòu)，如圖1-圖5,所述旁通流道機(jī)構(gòu)107包括多道旁通流道107， 各所述旁通流道107均自所述殼體101內(nèi)壁處開設(shè)形成旁通孔，所述旁通流道107的數(shù)量不少于所述高壓噴嘴108的數(shù)量。所述旁通流道107的數(shù)量等于所述高壓噴嘴108的數(shù)量時(shí)，各所述旁通流道107與各所述高壓噴嘴108—一對(duì)應(yīng)連通或各所述旁通流道107的出口端均連接至一分配流道，各所述高壓噴嘴108均與所述分配流道導(dǎo)通;所述旁通流道107的數(shù)量大于所述高壓噴嘴108的數(shù)量時(shí)，各所述旁通流道107的出口端均連接至一分配流道，各所述高壓噴嘴108均與所述分配流道導(dǎo)通。各旁通流道107的有效橫截面面積之和應(yīng)大于各高壓噴嘴108的有效流通面積之和，以減小流道阻力及降低鉆井液能量損失。如圖4和圖5,上述旁通流道107截面可為圓形或圓弧形。
[0087]實(shí)施例三
[0088]如圖6,本發(fā)明實(shí)施例提供一種鉆頭1，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例二中所提供的鉆頭1的結(jié)構(gòu)基本相同，在下閥座106的結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別。本實(shí)施例中，下閥座106與殼體101內(nèi)腔固定連接，固定連接方式優(yōu)選為螺紋連接，以便拆卸更換維護(hù);該下閥座106具有上下貫通的貫通流道，該貫通流道將過(guò)流通道與各水眼噴嘴109導(dǎo)通;旁通流道機(jī)構(gòu)107設(shè)于殼體101壁內(nèi)， 其入口端位于下閥座106上方且與殼體101內(nèi)腔導(dǎo)通。[〇〇89] 本實(shí)施例中，旁通流道機(jī)構(gòu)107處于常通狀態(tài)，上述下閥座106與下閥片104即構(gòu)成上述流道控制機(jī)構(gòu)。初始狀態(tài)下，常壓鉆井液通過(guò)旁通流道機(jī)構(gòu)107和中間流道機(jī)構(gòu)(過(guò)流通道、上述貫通流道及可供選擇的位于下閥座106下方的殼體101內(nèi)腔)分別進(jìn)入各高壓噴嘴108和各水眼噴嘴109,并噴射至井底;過(guò)流面積由大變小過(guò)程中，在所述殼體101內(nèi)形成鉆井液水擊增壓狀態(tài)時(shí)，壓力突然增加的鉆井液從旁通流道機(jī)構(gòu)107流至各高壓噴嘴108，可達(dá)到上述實(shí)施例一和上述實(shí)施例二中所達(dá)到的局部欠平衡狀態(tài);過(guò)流面積由小變大過(guò)程中，整個(gè)鉆井系統(tǒng)的壓力逐漸恢復(fù)正常。
[0090]實(shí)施例四
[0091]如圖1-圖8,本發(fā)明實(shí)施例涉及一種鉆井工具，包括鉆頭1，該鉆頭1采用上述實(shí)施例一中所提供的鉆頭1，優(yōu)選為采用上述實(shí)施例二中所提供的鉆頭1，也可采用上述實(shí)施例三中所提供的鉆頭，該鉆頭1的具體結(jié)構(gòu)此處不再贅述。
[0092]基于實(shí)施例二中所提供的鉆頭1，所述鉆頭1頂部固定連接有能量轉(zhuǎn)換裝置2,所述能量轉(zhuǎn)換裝置2包括定子201和轉(zhuǎn)子202,所述轉(zhuǎn)子202位于所述定子201的空腔內(nèi)且能夠在其中左右往復(fù)擺動(dòng)及沿所述定子201軸線移動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子202底端與所述過(guò)水接頭102連接。 鉆井液進(jìn)入定子201的空腔內(nèi)時(shí)，可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子202在定子201空腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)及在定子201空腔內(nèi)左右往復(fù)擺動(dòng)，并對(duì)轉(zhuǎn)子202產(chǎn)生一向下的推力，使轉(zhuǎn)子202具有向下移動(dòng)的趨勢(shì)。
[0093]其中，上述能量轉(zhuǎn)換裝置2優(yōu)選為采用螺桿馬達(dá)，進(jìn)一步優(yōu)選地，采用單頭螺桿馬達(dá)，即上述轉(zhuǎn)子202為單頭螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子202,上述定子201為由鋼殼體和橡膠構(gòu)成的單頭螺桿馬達(dá)定子201。當(dāng)然，上述能量轉(zhuǎn)換裝置2也可為蝸輪，其可通過(guò)萬(wàn)向軸總成、傳動(dòng)軸總成及擾動(dòng)總成與上述過(guò)水接頭102連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子202能在定子201空腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)及在定期空腔內(nèi)左右往復(fù)擺動(dòng)及能沿定子201軸向上下移動(dòng)即可。[〇〇94]如圖7,以采用單頭螺桿馬達(dá)的能量轉(zhuǎn)換裝置2為例，鉆頭1的殼體101與定子201采用螺紋連接固定，轉(zhuǎn)子202底端與過(guò)水接頭102上端采用螺紋連接固定。在定子201的上端螺紋連接有上部短節(jié)3。
[0095]實(shí)施例五
[0096]本發(fā)明實(shí)施例涉及一種局部欠平衡鉆井方法，采用上述實(shí)施例四所提供的鉆井工具，所述方法具體包括:[〇〇97]將所述鉆井工具與常規(guī)鉆具組合進(jìn)行裝配；
[0098]增壓機(jī)構(gòu)周期性的使進(jìn)入殼體101內(nèi)腔中的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓；
[0099]水擊增壓期間內(nèi)，經(jīng)增壓至預(yù)設(shè)壓力的鉆井液被引入至所述旁通流道機(jī)構(gòu)107,將高壓鉆井液輸送至各高壓噴嘴108處噴射向井底，在井底形成環(huán)形高速射流，而水眼噴嘴 109的鉆井液流量迅速降低且該部分鉆井液產(chǎn)生負(fù)水擊壓力，從而形成由環(huán)形高速射流5圍成的負(fù)壓區(qū)，在負(fù)壓區(qū)內(nèi)形成欠平衡狀態(tài)；負(fù)壓區(qū)外的鉆井液攜帶巖肩沿所述鉆井工具與地層之間的環(huán)空4上返，負(fù)壓區(qū)以上的井內(nèi)空間與地層之間形成過(guò)平衡狀態(tài)；
[0100]除水擊增壓期間外的其它時(shí)間內(nèi)，壓力低于所述預(yù)設(shè)壓力的鉆井液由所述中央流道機(jī)構(gòu)被輸送至各水眼噴嘴109處噴射向井底，井內(nèi)壓力恢復(fù)正常；
[0101]隨著殼體101內(nèi)周期性的產(chǎn)生鉆井液水擊增壓現(xiàn)象，在井底周期性的形成局部欠平衡狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)高應(yīng)力擾動(dòng)破巖，誘發(fā)巖爆。
[0102]作為實(shí)施例之一，增壓機(jī)構(gòu)按正弦規(guī)律周期性的使進(jìn)入殼體101內(nèi)腔中的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓。
[0103]如圖9-圖11，基于采用實(shí)施例二中所提供的鉆頭1的鉆井工具，上述局部欠平衡鉆井方法具體為:
[0104]將所述鉆井工具與常規(guī)鉆具組合進(jìn)行裝配；
[0105]鉆井液進(jìn)入所述定子201的空腔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)子202旋轉(zhuǎn)及在所述定子201空腔內(nèi)左右往復(fù)擺動(dòng)，以帶動(dòng)所述上閥片103在所述下閥片104上端面上左右往復(fù)擺動(dòng)，使所述過(guò)流通道的過(guò)流面積周期性變化；
[0106]過(guò)流面積由大變小過(guò)程中，進(jìn)入定子201空腔內(nèi)的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)所述柱塞106下移使所述旁通流道機(jī)構(gòu)107與所述殼體101內(nèi)腔導(dǎo)通，將高壓鉆井液引入至各高壓噴嘴108處噴射向井底，在井底形成環(huán)形高速射流5,而水眼噴嘴109的鉆井液流量迅速降低且該部分鉆井液產(chǎn)生負(fù)水擊壓力，從而形成由環(huán)形高速射流5圍成的負(fù)壓區(qū)，在負(fù)壓區(qū)內(nèi)，井底壓力小于地層壓力，形成欠平衡狀態(tài)，滿足巖爆發(fā)生的兩個(gè)條件，鉆頭1附近的巖石不斷卸載應(yīng)力，從而提高了破巖效率。環(huán)形高速射流5將負(fù)壓區(qū)內(nèi)的相對(duì)為負(fù)壓狀態(tài)的鉆井液與負(fù)壓區(qū)外的攜帶巖肩的高壓鉆井液隔開，攜帶巖肩的高壓鉆井液沿鉆具與地層之間的環(huán)空4上返，鉆井液壓力逐漸恢復(fù)正常(即常規(guī)鉆井時(shí)的鉆井液壓力)，負(fù)壓區(qū)以上的井內(nèi)壓力大于地層壓力，即處于過(guò)平衡狀態(tài)，可避免現(xiàn)有的欠平衡鉆井存在的技術(shù)問(wèn)題，包括井壁發(fā)生坍塌失穩(wěn)、地層出水、地層含1125、井下燃爆、井眼失控等問(wèn)題；[〇1〇7]過(guò)流面積由小變大過(guò)程中，進(jìn)入定子201空腔內(nèi)的鉆井液產(chǎn)生水擊減壓現(xiàn)象，所述復(fù)位機(jī)構(gòu)105驅(qū)動(dòng)所述柱塞106上移復(fù)位，井內(nèi)壓力恢復(fù)正常。
[0108]通過(guò)過(guò)流通道過(guò)流面積連續(xù)變化，每一個(gè)微小的變化動(dòng)作都會(huì)產(chǎn)生一相應(yīng)的連續(xù)變化的水擊增壓波或降壓波，從而在井底周期性形成局部欠平衡狀態(tài)，造成連續(xù)高應(yīng)力擾動(dòng)破巖，誘發(fā)巖爆，提高鉆速，最終實(shí)現(xiàn)局部欠平衡鉆井。
[0109]如圖10,作為實(shí)施例之一，所述過(guò)流通道的過(guò)流面積隨時(shí)間按正弦規(guī)律周期性變化。
[0110]圖11示出了鉆井過(guò)程中地應(yīng)力的示意圖，其中，〇1為所鉆遇地層垂直方向的原始主地應(yīng)力;〇P為所鉆遇地層垂直方向的、靠鉆頭一側(cè)的主地應(yīng)力，其受到鉆頭附近周期性變化的鉆井液壓力影響，不斷周期性卸載，該主地應(yīng)力％也處于不斷變化狀態(tài);〇2為所鉆遇地層水平方向的最大(或最小)主地應(yīng)力；〇3為所鉆遇地層水平方向的最小(或最大)主地應(yīng)力。
[0111]作為實(shí)施例之一，第一通孔與第二通孔之間可以完全相錯(cuò)至封閉程度，即在形成環(huán)形高速射流5的時(shí)候，水眼噴嘴109不噴鉆井液，這樣在井底形成的負(fù)壓狀況更佳;但考慮到井底攜巖能力，需要有足夠的鉆井液沖洗井底，保持井底干凈，因此，第一通孔與第二通孔相錯(cuò)或重合形成的過(guò)流通道的過(guò)流面積以不超過(guò)第二通孔面積的1/4為佳。
[0112]本實(shí)施例中，采用常規(guī)鉆井使用的鉆井液即可，無(wú)需設(shè)計(jì)配制適用于欠平衡鉆井的鉆井液，相較于現(xiàn)有的欠平衡鉆井技術(shù)，可節(jié)約成本，提高鉆井效率。
[0113]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鉆頭，包括殼體，其特征在于，所述殼體底部設(shè)有多個(gè)高壓噴嘴及至少一個(gè)水眼 噴嘴，多個(gè)高壓噴嘴環(huán)形布置并將各所述水眼噴嘴包圍于內(nèi)；所述殼體內(nèi)設(shè)有:向各所述高壓噴嘴輸送鉆井液的旁通流道機(jī)構(gòu)；向各所述水眼噴嘴輸送鉆井液的中間流道機(jī)構(gòu)；用于周期性的使進(jìn)入殼體內(nèi)腔中的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓的增壓機(jī)構(gòu)；流道控制機(jī)構(gòu)，其用于將經(jīng)增壓機(jī)構(gòu)增壓至預(yù)設(shè)壓力的鉆井液引入至所述旁通流道機(jī) 構(gòu)，并將壓力低于該預(yù)設(shè)壓力的鉆井液引入至所述中央流道機(jī)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于:所述增壓機(jī)構(gòu)包括過(guò)水接頭、上閥片、下閥 片及下閥座，所述下閥座位于所述過(guò)水接頭下方且嵌設(shè)于所述殼體內(nèi)腔中；所述上閥片固設(shè)于所述過(guò)水接頭底部且具有與所述過(guò)水接頭內(nèi)腔連通的第一通孔，所 述下閥片固設(shè)于所述下閥座頂部且具有第二通孔，所述第一通孔與所述第二通孔的軸線錯(cuò) 位設(shè)置且均平行于所述殼體的中軸線；所述過(guò)水接頭借助外設(shè)的動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)而能夠在所述殼體內(nèi)腔中左右往復(fù)擺動(dòng)及上 下移動(dòng)，使所述上閥片與所述下閥片緊密貼靠并使所述第一通孔與所述第二通孔相錯(cuò)或重 合形成過(guò)流面積周期性變化的過(guò)流通道;所述過(guò)流通道與各所述水眼噴嘴導(dǎo)通。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉆頭，其特征在于:所述旁通流道機(jī)構(gòu)設(shè)于所述殼體壁內(nèi)；所述流道控制機(jī)構(gòu)包括柱塞及復(fù)位機(jī)構(gòu)，所述柱塞嵌設(shè)于所述殼體內(nèi)腔中，所述下閥片固設(shè)于所述柱塞頂部，所述柱塞即構(gòu)成所述下閥座;所述柱塞具有上下貫通的貫通腔并 將所述過(guò)流通道與各所述水眼噴嘴導(dǎo)通；過(guò)流面積由大變小過(guò)程中，在所述殼體內(nèi)形成的水擊增壓狀態(tài)的鉆井液驅(qū)動(dòng)所述柱塞 下移使所述旁通流道機(jī)構(gòu)與所述殼體內(nèi)腔導(dǎo)通;過(guò)流面積由小變大過(guò)程中，所述復(fù)位機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)所述柱塞上移復(fù)位封閉所述旁通流道機(jī)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉆頭，其特征在于:所述下閥座與所述殼體內(nèi)腔固定連接，所 述下閥座具有上下貫通的貫通流道并將所述過(guò)流通道與各所述水眼噴嘴導(dǎo)通；所述旁通流道機(jī)構(gòu)設(shè)于所述殼體壁內(nèi)，其入口端位于所述下閥座上方且與所述殼體內(nèi) 腔導(dǎo)通。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其特征在于:各所述水眼噴嘴入口端均位 于所述殼體中軸線上，各所述高壓噴嘴入口端與所述殼體中軸線的距離均為所述殼體直徑 的 1/4。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆頭，其特征在于:各所述高壓噴嘴的噴吹方向均自所述殼體 中軸線向所述殼體外側(cè)方向傾斜。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鉆頭，其特征在于:各所述高壓噴嘴的噴吹方向與所述殼體中 軸線之間的夾角均在7°?10°范圍內(nèi)。8.—種鉆井工具，其特征在于:包括如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的鉆頭。9.一種局部欠平衡鉆井方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求8所述的鉆井工具，所述方 法具體包括:將所述鉆井工具與常規(guī)鉆具組合進(jìn)行裝配；增壓機(jī)構(gòu)周期性的使進(jìn)入殼體內(nèi)腔中的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓；水擊增壓期間內(nèi)，經(jīng)增壓至預(yù)設(shè)壓力的鉆井液被引入至所述旁通流道機(jī)構(gòu)，將高壓鉆井液輸送至各高壓噴嘴處噴射向井底，在井底形成環(huán)形高速射流，而水眼噴嘴的鉆井液流 量迅速降低且該部分鉆井液產(chǎn)生負(fù)水擊壓力，從而形成由環(huán)形高速射流圍成的負(fù)壓區(qū)，在 負(fù)壓區(qū)內(nèi)形成欠平衡狀態(tài);負(fù)壓區(qū)外的鉆井液攜帶巖肩沿所述鉆井工具與地層之間的環(huán)空 上返，負(fù)壓區(qū)以上的井內(nèi)空間與地層之間形成過(guò)平衡狀態(tài)；除水擊增壓期間外的其它時(shí)間內(nèi)，壓力低于所述預(yù)設(shè)壓力的鉆井液由所述中央流道機(jī) 構(gòu)被輸送至各水眼噴嘴處噴射向井底，井內(nèi)壓力恢復(fù)正常；隨著殼體內(nèi)周期性的產(chǎn)生鉆井液水擊增壓現(xiàn)象，在井底周期性的形成局部欠平衡狀 態(tài)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)高應(yīng)力擾動(dòng)破巖，誘發(fā)巖爆。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的局部欠平衡鉆井方法，其特征在于:增壓機(jī)構(gòu)按正弦規(guī)律周 期性的使進(jìn)入殼體內(nèi)腔中的鉆井液產(chǎn)生水擊增壓。
【文檔編號(hào)】E21B10/61GK105952383SQ201610518041
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年7月4日
【發(fā)明人】魏小梅, 劉運(yùn)榮
【申請(qǐng)人】海斯比得（武漢）石油科技有限公司