本發(fā)明屬于石油天然氣開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于減小鉆柱振動(dòng)同時(shí)提高機(jī)械鉆速的瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置及方法。

背景技術(shù)：
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在石油、天然氣鉆井過程中，鉆柱和環(huán)空中充滿著鉆井流體，其作用主要包括平衡地層壓力、攜帶巖屑、冷卻鉆頭等，其中平衡地層壓力是鉆井過程能夠安全進(jìn)行的重要保證。由于鉆井流體的存在，井底巖石受到巨大的液體壓力使其處于三向應(yīng)力狀態(tài)、塑形增強(qiáng)，破碎難度增大，且隨著井深的增加，鉆井液作用于井底巖石的靜液壓力線性增加，巖石破碎難度迅速增加，機(jī)械鉆速降低，延長了鉆井周期。另一方面，當(dāng)環(huán)空鉆井液液柱壓力大于儲(chǔ)層孔隙壓力時(shí)，鉆井液會(huì)流入儲(chǔ)層，對儲(chǔ)層造成污染，降低油氣采收率。

為了解決上述鉆井流體對機(jī)械鉆速和油氣采收率的影響，20世紀(jì)50年代提出了欠平衡鉆井技術(shù)，即鉆井過程中井底壓力低于地層壓力，地層流體有控制地進(jìn)入井筒并循環(huán)至地面的鉆井技術(shù)。除了提高機(jī)械鉆速、降低儲(chǔ)層傷害外，欠平衡鉆井技術(shù)還能夠減少井漏、壓差卡鉆，提高初期產(chǎn)量，降低完井及增產(chǎn)作業(yè)成本，延長有效儲(chǔ)層開采期和發(fā)現(xiàn)新的產(chǎn)層等。20世紀(jì)90年代開始，該技術(shù)在國外迅速發(fā)展，其后國內(nèi)也開展了該技術(shù)的理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)探索，截至目前，針對不同的地層，發(fā)展了低密度鉆井液、空氣鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井和充氣鉆井等欠平衡鉆井技術(shù)，通過使用欠平衡鉆井技術(shù)，在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域取得了豐碩的成果。國內(nèi)雖已進(jìn)行了一批欠平衡鉆井攻關(guān)試驗(yàn),取得了一定的成績,但其關(guān)鍵技術(shù)及主要設(shè)備均是從國外引進(jìn)的,龐大的資金投入增加了鉆井成本,也是制約我國欠平衡鉆井技術(shù)進(jìn)一步拓展其應(yīng)用空間的一大障礙。因此，簡化欠平衡鉆井設(shè)備和工藝，或者說在現(xiàn)有常規(guī)鉆井工藝體系尋求一種新的欠平衡鉆井思路和方法對解決過平衡鉆井油氣開中發(fā)存在的問題以及促進(jìn)欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。另一方面，鉆井過程中鉆柱高速旋轉(zhuǎn)，鉆頭與井底的接觸以及鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞會(huì)使鉆柱發(fā)生劇烈的縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，造城鉆柱的疲勞破壞，鉆柱振動(dòng)雖然包含巨大的能量，但是由于沒有對該能量進(jìn)行有效的利用，使其對鉆井過程產(chǎn)生了不利的影響，通常認(rèn)為鉆柱的振動(dòng)是有害的并加以抑制。因此，考慮是否可以利用鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)(尤其是縱向振動(dòng)最為普遍)作為能量來源來誘發(fā)井底欠平衡，一方面可以消除鉆柱振動(dòng)對鉆柱疲勞壽命的影響，另一方面還可以提高機(jī)械鉆速和保護(hù)儲(chǔ)層。

基于上述認(rèn)識(shí)，本發(fā)明擬通過利用鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的縱向振動(dòng)作為能量來源，通過在底部鉆具組合中加入能夠誘發(fā)瞬時(shí)負(fù)壓的鉆井工具，實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井，從而提高深井硬地層的機(jī)械鉆速、我國油氣資源開發(fā)效率及應(yīng)對世界石油鉆探市場激烈競爭的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，針對平衡及過平衡鉆井過程中機(jī)械鉆速低、儲(chǔ)層污染嚴(yán)重的難題，提供一種瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置及方法，減小鉆柱縱向振動(dòng)的同時(shí)，利用鉆柱的軸向振動(dòng)能量在井底產(chǎn)生周期性的瞬時(shí)負(fù)壓，降低巖石破碎強(qiáng)度，提高破巖效率和機(jī)械鉆速，降低鉆井資金投入，并在一定程度上保護(hù)儲(chǔ)層免受污染。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置的主體結(jié)構(gòu)包括上接頭、導(dǎo)流壓緊套筒、上導(dǎo)流壓緊套筒流道、球座體、下導(dǎo)流接頭、下導(dǎo)流接頭流道、下導(dǎo)流接頭中心流道、球擋盤、球和定位銷釘；下接頭的內(nèi)部設(shè)有沿其軸線方向延伸的貫通的下導(dǎo)流接頭中心流道，外側(cè)設(shè)有環(huán)空結(jié)構(gòu)的下導(dǎo)流接頭流道和上導(dǎo)流壓緊套筒流道；下接頭的下端設(shè)置有用于連接外部鉆頭的連接螺紋；下接頭的中上部自下而上依次套設(shè)有球座體、導(dǎo)流壓緊套筒和上接頭，上接頭將球座體和導(dǎo)流壓緊套筒壓緊在導(dǎo)流接頭上，球座體的外徑和需要鉆井的井眼直徑一致，球座體的上下兩端均安裝有定位銷釘，用于限定球座體與導(dǎo)流壓緊套筒和導(dǎo)流接頭之間的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；球座體上沿周向均勻分布有四個(gè)球和球擋板，球擋板安裝在球的上方；下導(dǎo)流接頭和上接頭之間通過螺紋連接；上接頭與外接的上部鉆柱通過螺紋連接。

本發(fā)明進(jìn)行瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井時(shí)，通過在鉆柱中加入瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置實(shí)現(xiàn)，井口的轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)帶動(dòng)上部鉆柱和鉆頭旋轉(zhuǎn)，上接頭在上部鉆柱的帶動(dòng)下順時(shí)針(俯視)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭與井底巖石的相互作用以及鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞使鉆柱產(chǎn)生縱向、扭轉(zhuǎn)和橫向三個(gè)方向的振動(dòng)，當(dāng)瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置在鉆柱帶動(dòng)下向上振動(dòng)時(shí)，球座體中的球在慣性作用下堵塞環(huán)空鉆井流體通道，由于球座體外徑和井眼直徑相等，球座體上部上導(dǎo)流壓緊套筒流道的環(huán)空鉆井流體將產(chǎn)生向上的瞬時(shí)位移使壓力升高，同時(shí)球座體下部下導(dǎo)流接頭流道內(nèi)的環(huán)空鉆井流體將受到向上的抽吸作用使壓力降低，在井底形成瞬時(shí)負(fù)壓；當(dāng)鉆柱向下振動(dòng)時(shí),球座體下部的下導(dǎo)流接頭流道打開，環(huán)空鉆井流體正常循環(huán)，球座體上部上導(dǎo)流壓緊套筒流道和下部下導(dǎo)流接頭流道內(nèi)的環(huán)空鉆井流體聯(lián)通，壓力恢復(fù)相等；如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過在鉆柱中加入瞬時(shí)負(fù)壓誘發(fā)裝置的欠平衡鉆井技術(shù)以及利用鉆柱振動(dòng)能量作為能量來源的瞬時(shí)負(fù)壓裝置，周期性的形成井底負(fù)壓，降低井底巖石破碎強(qiáng)度，提高井底巖屑清除效率，從而提高機(jī)械鉆速，保護(hù)儲(chǔ)層，延長鉆頭和鉆柱壽命，具有顯著的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，安全可靠，不消耗鉆井液能量，不影響鉆具結(jié)構(gòu)，適用于多種鉆井平臺(tái)，加工制造和使用維護(hù)成本低，對于油氣資源的高效開發(fā)具有重要的實(shí)際意義。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明所述瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置的剖視結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明所述瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置的的B-B斷面圖。

圖3為本發(fā)明所述瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置的的C-C斷面圖。

具體實(shí)施方式：

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例：

本實(shí)施例所述瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置的主體結(jié)構(gòu)包括上接頭1、導(dǎo)流壓緊套筒2、上導(dǎo)流壓緊套筒流道21、球座體3、下導(dǎo)流接頭4、下導(dǎo)流接頭流道41、下導(dǎo)流接頭中心流道42、球擋盤5、球6和定位銷釘7；下接頭4的內(nèi)部設(shè)有沿其軸線方向延伸的貫通的下導(dǎo)流接頭中心流道42，外側(cè)設(shè)有環(huán)空結(jié)構(gòu)的下導(dǎo)流接頭流道41和上導(dǎo)流壓緊套筒流道21；下接頭4的下端設(shè)置有用于連接外部鉆頭的連接螺紋；所述下接頭4的中上部自下而上依次套設(shè)有球座體3、導(dǎo)流壓緊套筒2和上接頭1，上接頭1將球座體3和導(dǎo)流壓緊套筒2壓緊在導(dǎo)流接頭4上，球座體3的外徑和需要鉆井的井眼直徑一致，球座體3的上下兩端均安裝有定位銷釘7，用于限定球座體3與導(dǎo)流壓緊套筒2和導(dǎo)流接頭4之間的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；球座體3上沿周向均勻分布有四個(gè)球6和球擋板5，球擋板安裝在球6的上方；下導(dǎo)流接頭4和上接頭1之間通過螺紋連接；上接頭1與外接的上部鉆柱通過螺紋連接。

本實(shí)施例進(jìn)行瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井時(shí)，通過在鉆柱中加入瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置實(shí)現(xiàn)，井口的轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)帶動(dòng)上部鉆柱和鉆頭旋轉(zhuǎn)，上接頭1在上部鉆柱的帶動(dòng)下順時(shí)針(俯視)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭與井底巖石的相互作用以及鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞使鉆柱產(chǎn)生縱向、扭轉(zhuǎn)和橫向三個(gè)方向的振動(dòng)，當(dāng)瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置在鉆柱帶動(dòng)下向上振動(dòng)時(shí)，球座體3中的球6在慣性作用下堵塞環(huán)空鉆井流體通道41，由于球座體3外徑和井眼直徑相等，球座體3上部上導(dǎo)流壓緊套筒流道21的環(huán)空鉆井流體將產(chǎn)生向上的瞬時(shí)位移使壓力升高，同時(shí)球座體3下部下導(dǎo)流接頭流道41內(nèi)的環(huán)空鉆井流體將受到向上的抽吸作用使壓力降低，在井底形成瞬時(shí)負(fù)壓；當(dāng)鉆柱向下振動(dòng)時(shí),球座體3下部的下導(dǎo)流接頭流道41打開，環(huán)空鉆井流體正常循環(huán)，球座體3上部上導(dǎo)流壓緊套筒流道21和下部下導(dǎo)流接頭流道41內(nèi)的環(huán)空鉆井流體聯(lián)通，壓力恢復(fù)相等；如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井。

本實(shí)施例隨著鉆柱在縱向上的周期性振動(dòng)，球座體3上部上導(dǎo)流壓緊套筒流道21內(nèi)的環(huán)空鉆井流體周期性的向上提升，同時(shí)下導(dǎo)流接頭流道41內(nèi)的環(huán)空鉆井流體周期性的被向上抽吸，從而導(dǎo)致井底形成周期性的瞬時(shí)負(fù)壓，降低巖石的破碎強(qiáng)度，提高機(jī)械鉆速，并有利于減少儲(chǔ)層污染；另一方面，在鉆柱向上振動(dòng)的過程中，球座體3上部的環(huán)空鉆井流體相當(dāng)于一個(gè)液壓減震器，周期性的對鉆柱的縱向振動(dòng)產(chǎn)生阻尼作用，能夠顯著的抑制鉆柱的縱向振動(dòng)，同時(shí)能夠使鉆頭與井底巖石保持連續(xù)接觸，有利于鉆頭和鉆柱壽命的延長，而且井底巖石破碎產(chǎn)生的巖屑的清除受到井底液柱壓力的影響，當(dāng)井底液柱壓力降低時(shí)有助于井底巖屑的清除，避免重復(fù)破碎，起到輔助破巖的作用。

本實(shí)施例能夠誘發(fā)井底瞬時(shí)負(fù)壓，提高破巖(降低井底巖石強(qiáng)度)和輔助破巖(提高巖屑清除效率)效果，形成非連續(xù)欠平衡鉆井方式，減少對儲(chǔ)層傷害，同時(shí)瞬時(shí)負(fù)壓可將井眼附近儲(chǔ)層孔喉內(nèi)的污染物吸出，提高后續(xù)采油作業(yè)的油氣采收率；同時(shí)減小上部鉆柱的縱向振動(dòng),抑制鉆頭脫離井底，提高鉆頭和鉆柱的使用壽命，與現(xiàn)有欠平衡鉆井技術(shù)相比，存在以下優(yōu)勢：首先，只需要在鉆頭上部安裝一個(gè)瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置，不需要使用低密度鉆井流體，使用常規(guī)鉆井液即可實(shí)現(xiàn)井底瞬時(shí)欠平衡，不需要額外地面設(shè)備，不改變現(xiàn)有鉆井工藝，與常規(guī)欠平衡鉆井技術(shù)相比，其適用范圍、可行性顯著增強(qiáng)，推廣應(yīng)用前景廣闊；其次，利用鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的縱向振動(dòng)作為動(dòng)力來源，不消耗鉆井液能量，同時(shí)具有減振作用，對利用鉆柱振動(dòng)提高機(jī)械鉆速和提高鉆柱和鉆頭壽命具有雙重好處；再次，瞬時(shí)負(fù)壓欠平衡鉆井裝置結(jié)構(gòu)非常簡單，除球外無活動(dòng)部件，無密封件，使其安全性和穩(wěn)定性得到保障，有助于該技術(shù)的現(xiàn)場推廣應(yīng)用。