一种瞬时负压欠平衡钻井装置及方法

摘要

本发明属于石油天然气开发技术领域，涉及一种瞬时负压欠平衡钻井装置及方法，通过在钻柱中加入瞬时负压欠平衡钻井装置实现钻井，上接头在上部钻柱的带动下顺时针匀速转动，瞬时负压欠平衡钻井装置在钻柱带动下向上振动时，球堵塞环空钻井流体通道，上导流压紧套筒流道的环空钻井流体使压力升高，同时下导流接头流道内的环空钻井流体使压力降低，在井底形成瞬时负压；当钻柱向下振动时,下导流接头流道打开，环空钻井流体正常循环，上导流压紧套筒流道和下部下导流接头流道内的环空钻井流体联通，压力恢复相等；如此循环实现瞬时负压欠平衡钻井；其结构简单，使用方便，安全可靠，不消耗钻井液能量，不影响钻具结构，加工制造和使用维护成本低。

权利要求

1.一种瞬时负压欠平衡钻井装置，其特征在于,主体结构包括上接头、导流压紧套筒、上导流压紧套筒流道、球座体、下导流接头、下导流接头流道、下导流接头中心流道、球挡盘、球和定位销钉；下导流接头的内部设有沿其轴线方向延伸的贯通的下导流接头中心流道，外侧设有环空结构的下导流接头流道和上导流压紧套筒流道；下导流接头的下端设置有用于连接外部钻头的连接螺纹；下导流接头的中上部自下而上依次套设有球座体、导流压紧套筒和上接头，上接头将球座体和导流压紧套筒压紧在下导流接头上，球座体的外径和需要钻井的井眼直径一致，球座体的上下两端均安装有定位销钉，用于限定球座体与导流压紧套筒和下导流接头之间的轴向转动；球座体上沿周向均匀分布有四个球和球挡盘，球挡盘安装在球的上方；下导流接头和上接头之间通过螺纹连接；上接头与外接的上部钻柱通过螺纹连接。

2.一种采用如权利要求1所述装置瞬时负压欠平衡钻井方法，其特征在于,进行瞬时负压欠平衡钻井时，通过在钻柱中加入瞬时负压欠平衡钻井装置实现，井口的转盘或顶驱带动上部钻柱和钻头旋转，上接头在上部钻柱的带动下顺时针匀速转动，钻头与井底岩石的相互作用以及钻柱与井壁之间的摩擦碰撞使钻柱产生纵向、扭转和横向三个方向的振动，当瞬时负压欠平衡钻井装置在钻柱带动下向上振动时，球座体中的球在惯性作用下堵塞环空钻井流体通道，由于球座体外径和井眼直径相等，球座体上部上导流压紧套筒流道的环空钻井流体将产生向上的瞬时位移使压力升高，同时球座体下部下导流接头流道内的环空钻井流体将受到向上的抽吸作用使压力降低，在井底形成瞬时负压；当钻柱向下振动时,球座体下部的下导流接头流道打开，环空钻井流体正常循环，球座体上部上导流压紧套筒流道和下部下导流接头流道内的环空钻井流体联通，压力恢复相等；如此循环，实现瞬时负压欠平衡钻井。

说明书

一种瞬时负压欠平衡钻井装置及方法

技术领域：

[0001] 本发明属于石油天然气开发技术领域，涉及一种用于减小钻柱振动同时提高机械钻速的瞬时负压欠平衡钻井装置及方法。背景技术：

[0002] 在石油、天然气钻井过程中，钻柱和环空中充满着钻井流体，其作用主要包括平衡地层压力、携带岩屑、冷却钻头等，其中平衡地层压力是钻井过程能够安全进行的重要保证。由于钻井流体的存在，井底岩石受到巨大的液体压力使其处于三向应力状态、塑形增强，破碎难度增大，且随着井深的增加，钻井液作用于井底岩石的静液压力线性增加，岩石破碎难度迅速增加，机械钻速降低，延长了钻井周期。另一方面，当环空钻井液液柱压力大于储层孔隙压力时，钻井液会流入储层，对储层造成污染，降低油气采收率。

[0003] 为了解决上述钻井流体对机械钻速和油气采收率的影响，20世纪50年代提出了欠平衡钻井技术，即钻井过程中井底压力低于地层压力，地层流体有控制地进入井筒并循环至地面的钻井技术。除了提高机械钻速、降低储层伤害外，欠平衡钻井技术还能够减少井漏、压差卡钻，提高初期产量，降低完井及增产作业成本，延长有效储层开采期和发现新的产层等。20世纪90年代开始，该技术在国外迅速发展，其后国内也开展了该技术的理论研究和现场试验探索，截至目前，针对不同的地层，发展了低密度钻井液、空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井和充气钻井等欠平衡钻井技术，通过使用欠平衡钻井技术，在油气勘探开发领域取得了丰硕的成果。国内虽已进行了一批欠平衡钻井攻关试验,取得了一定的成绩,但其关键技术及主要设备均是从国外引进的,庞大的资金投入增加了钻井成本,也是制约我国欠平衡钻井技术进一步拓展其应用空间的一大障碍。因此，简化欠平衡钻井设备和工艺，或者说在现有常规钻井工艺体系寻求一种新的欠平衡钻井思路和方法对解决过平衡钻井油气开中发存在的问题以及促进欠平衡钻井技术的发展至关重要。另一方面，钻井过程中钻柱高速旋转，钻头与井底的接触以及钻柱与井壁之间的摩擦碰撞会使钻柱发生剧烈的纵向、横向和扭转振动，造城钻柱的疲劳破坏，钻柱振动虽然包含巨大的能量，但是由于没有对该能量进行有效的利用，使其对钻井过程产生了不利的影响，通常认为钻柱的振动是有害的并加以抑制。因此，考虑是否可以利用钻柱旋转过程中所产生的振动(尤其是纵向振动最为普遍)作为能量来源来诱发井底欠平衡，一方面可以消除钻柱振动对钻柱疲劳寿命的影响，另一方面还可以提高机械钻速和保护储层。

[0004] 基于上述认识，本发明拟通过利用钻柱旋转过程中产生的纵向振动作为能量来源，通过在底部钻具组合中加入能够诱发瞬时负压的钻井工具，实现欠平衡钻井，从而提高深井硬地层的机械钻速、我国油气资源开发效率及应对世界石油钻探市场激烈竞争的能力。发明内容：

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，针对平衡及过平衡钻井过程中机械钻速低、储层污染严重的难题，提供一种瞬时负压欠平衡钻井装置及方法，减小钻柱纵向振动的同时，利用钻柱的轴向振动能量在井底产生周期性的瞬时负压，降低岩石破碎强度，提高破岩效率和机械钻速，降低钻井资金投入，并在一定程度上保护储层免受污染。

[0006] 为了实现上述目的，本发明所述瞬时负压欠平衡钻井装置的主体结构包括上接头、导流压紧套筒、上导流压紧套筒流道、球座体、下导流接头、下导流接头流道、下导流接头中心流道、球挡盘、球和定位销钉；下导流接头的内部设有沿其轴线方向延伸的贯通的下导流接头中心流道，外侧设有环空结构的下导流接头流道和上导流压紧套筒流道；下导流接头的下端设置有用于连接外部钻头的连接螺纹；下导流接头的中上部自下而上依次套设有球座体、导流压紧套筒和上接头，上接头将球座体和导流压紧套筒压紧在下导流接头上，球座体的外径和需要钻井的井眼直径一致，球座体的上下两端均安装有定位销钉，用于限定球座体与导流压紧套筒和下导流接头之间的轴向转动；球座体上沿周向均匀分布有四个球和球挡盘，球挡盘安装在球的上方；下导流接头和上接头之间通过螺纹连接；上接头与外接的上部钻柱通过螺纹连接。

[0007] 本发明进行瞬时负压欠平衡钻井时，通过在钻柱中加入瞬时负压欠平衡钻井装置实现，井口的转盘或顶驱带动上部钻柱和钻头旋转，上接头在上部钻柱的带动下顺时针(俯视)匀速转动，钻头与井底岩石的相互作用以及钻柱与井壁之间的摩擦碰撞使钻柱产生纵向、扭转和横向三个方向的振动，当瞬时负压欠平衡钻井装置在钻柱带动下向上振动时，球座体中的球在惯性作用下堵塞环空钻井流体通道，由于球座体外径和井眼直径相等，球座体上部上导流压紧套筒流道的环空钻井流体将产生向上的瞬时位移使压力升高，同时球座体下部下导流接头流道内的环空钻井流体将受到向上的抽吸作用使压力降低，在井底形成瞬时负压；当钻柱向下振动时,球座体下部的下导流接头流道打开，环空钻井流体正常循环，球座体上部上导流压紧套筒流道和下部下导流接头流道内的环空钻井流体联通，压力恢复相等；如此循环，实现瞬时负压欠平衡钻井。

[0008] 本发明与现有技术相比，通过在钻柱中加入瞬时负压诱发装置的欠平衡钻井技术以及利用钻柱振动能量作为能量来源的瞬时负压装置，周期性的形成井底负压，降低井底岩石破碎强度，提高井底岩屑清除效率，从而提高机械钻速，保护储层，延长钻头和钻柱寿命，具有显著的优势和广阔的应用前景，其结构简单，使用方便，安全可靠，不消耗钻井液能量，不影响钻具结构，适用于多种钻井平台，加工制造和使用维护成本低，对于油气资源的高效开发具有重要的实际意义。附图说明：

[0009] 图1为本发明所述瞬时负压欠平衡钻井装置的剖视结构原理示意图。

[0010] 图2为本发明所述瞬时负压欠平衡钻井装置的的B-B断面图。

[0011] 图3为本发明所述瞬时负压欠平衡钻井装置的的C-C断面图。具体实施方式：

[0012] 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

[0013] 实施例：

[0014] 本实施例所述瞬时负压欠平衡钻井装置的主体结构包括上接头1、导流压紧套筒2、上导流压紧套筒流道21、球座体3、下导流接头4、下导流接头流道41、下导流接头中心流道42、球挡盘5、球6和定位销钉7；下导流接头4的内部设有沿其轴线方向延伸的贯通的下导流接头中心流道42，外侧设有环空结构的下导流接头流道41和上导流压紧套筒流道21；下导流接头4的下端设置有用于连接外部钻头的连接螺纹；所述下导流接头4的中上部自下而上依次套设有球座体3、导流压紧套筒2和上接头1，上接头1将球座体3和导流压紧套筒2压紧在下导流接头4上，球座体3的外径和需要钻井的井眼直径一致，球座体3的上下两端均安装有定位销钉7，用于限定球座体3与导流压紧套筒2和下导流接头4之间的轴向转动；球座体3上沿周向均匀分布有四个球6和球挡盘5，球挡盘5安装在球6的上方；下导流接头4和上接头1之间通过螺纹连接；上接头1与外接的上部钻柱通过螺纹连接。

[0015] 本实施例进行瞬时负压欠平衡钻井时，通过在钻柱中加入瞬时负压欠平衡钻井装置实现，井口的转盘或顶驱带动上部钻柱和钻头旋转，上接头1在上部钻柱的带动下顺时针(俯视)匀速转动，钻头与井底岩石的相互作用以及钻柱与井壁之间的摩擦碰撞使钻柱产生纵向、扭转和横向三个方向的振动，当瞬时负压欠平衡钻井装置在钻柱带动下向上振动时，球座体3中的球6在惯性作用下堵塞环空钻井流体通道，由于球座体3外径和井眼直径相等，球座体3上部上导流压紧套筒流道21的环空钻井流体将产生向上的瞬时位移使压力升高，同时球座体3下部下导流接头流道41内的环空钻井流体将受到向上的抽吸作用使压力降低，在井底形成瞬时负压；当钻柱向下振动时,球座体3下部的下导流接头流道41打开，环空钻井流体正常循环，球座体3上部上导流压紧套筒流道21和下部下导流接头流道41内的环空钻井流体联通，压力恢复相等；如此循环，实现瞬时负压欠平衡钻井。

[0016] 本实施例随着钻柱在纵向上的周期性振动，球座体3上部上导流压紧套筒流道21内的环空钻井流体周期性的向上提升，同时下导流接头流道41内的环空钻井流体周期性的被向上抽吸，从而导致井底形成周期性的瞬时负压，降低岩石的破碎强度，提高机械钻速，并有利于减少储层污染；另一方面，在钻柱向上振动的过程中，球座体3上部的环空钻井流体相当于一个液压减震器，周期性的对钻柱的纵向振动产生阻尼作用，能够显著的抑制钻柱的纵向振动，同时能够使钻头与井底岩石保持连续接触，有利于钻头和钻柱寿命的延长，而且井底岩石破碎产生的岩屑的清除受到井底液柱压力的影响，当井底液柱压力降低时有助于井底岩屑的清除，避免重复破碎，起到辅助破岩的作用。

[0017] 本实施例能够诱发井底瞬时负压，提高破岩(降低井底岩石强度)和辅助破岩(提高岩屑清除效率)效果，形成非连续欠平衡钻井方式，减少对储层伤害，同时瞬时负压可将井眼附近储层孔喉内的污染物吸出，提高后续采油作业的油气采收率；同时减小上部钻柱的纵向振动,抑制钻头脱离井底，提高钻头和钻柱的使用寿命，与现有欠平衡钻井技术相比，存在以下优势：首先，只需要在钻头上部安装一个瞬时负压欠平衡钻井装置，不需要使用低密度钻井流体，使用常规钻井液即可实现井底瞬时欠平衡，不需要额外地面设备，不改变现有钻井工艺，与常规欠平衡钻井技术相比，其适用范围、可行性显著增强，推广应用前景广阔；其次，利用钻柱旋转过程中产生的纵向振动作为动力来源，不消耗钻井液能量，同时具有减振作用，对利用钻柱振动提高机械钻速和提高钻柱和钻头寿命具有双重好处；再次，瞬时负压欠平衡钻井装置结构非常简单，除球外无活动部件，无密封件，使其安全性和稳定性得到保障，有助于该技术的现场推广应用。