一种钻井工具及其钻井方法技术

本发明专利技术公开了一种钻井工具及其钻井方法。所述钻井工具包括花键外筒、花键芯轴、防掉筒和脉冲发生器、钻头；花键外筒加工有贯穿花键外筒筒壁的旁通孔道；花键芯轴下部与脉冲发生器连接；脉冲发生器下端与钻头连接；花键芯轴与花键外筒通过花键连接，并可实现扭矩传递和上下滑动；花键芯轴带动旁通密封在花键外筒上下移动，从而控制旁通口的开关。该钻井工具结构简单，可以实现钻柱内外环空的连通与隔离；可以实现小排量钻井，大排量洗井；可以充分利用脉冲空化射流冲击力，并利用水力加压功能提高钻压，从而提高钻井的机械钻速。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种钻井工具领域，尤其涉及一种钻井工具及其钻井方法。
技术介绍
钻井工程是油气藏开发中投资大、风险高的工程，它的费用占勘探开发成本的50％以上。破岩技术是油气钻井技术的核心内容，破岩效率的好坏直接决定着钻井速度和成本，更决定着钻井工程的经济效益。随着我国油气勘探开发的不断深入，深井、超深井钻井数量不断增加。当井深增加时，钻井速度低、成本高、周期长的问题非常突出，严重影响了整个油气田的勘探开发速度。特别是深部地层机械钻速慢，导致钻井周期长，钻井期间，各种工程事故时有发生，施工效率低下。分析其原因主要有：一、深部井段地层埋藏深，地层压实作用大，导致岩石本身强度大，不易破碎；二、随着井深的增加，钻柱内钻井液的沿程损耗不断增大，从而导致钻头破碎地层的水力能量不断减小，钻头可利用的水功率急剧下降，很难及时清除井底的岩屑，出现井底垫层，造成了岩屑重复破碎甚至钻头泥包，导致机械钻速大大降低；三、对于大位移井或者斜井，管柱入井时，入井长度越长，需要克服的管柱与井壁之间的摩擦力就越大，摩擦阻力的增大减小了传递到钻头上的有效钻压，导致钻头在井底的机械破岩能量严重不足，钻头齿很难吃入岩石，破岩方式主要以研磨为主，而不是体积破碎，从而影响了机械钻速的提高。现有的提高机械钻速的方法主要包括水力脉冲方法和空化射流方法。水利脉冲的基本机理主要是将通过钻柱的连续流调制为脉冲射流，从而改善井底流场,提高井底净化和清岩效率,减少压持和重复破碎；而空化射流的主要机理是将强大的空化破坏作用引入到射流中,提高井底水力能量，从而提高深井钻井速度的技术。但是，现有的工具都采用了其中一种提速机理，而且无法解决大位移井中的拖压现象。因此，研制一种能够将水力脉冲向下传播至井底并结合空化效应改善井底岩石的受力状态，从而强化岩屑的净化，并将水力脉动造成的压力波动直接转化为作用于钻头冲击载荷，形成周期性的钻压，使钻头在旋转的同时还具有增加钻压和减小振动效果的钻井工具，是钻井提速的一个重要方向。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服现有技术存在的问题，提供一种通过降低钻进时的钻井液排量提高深层钻头水功率以及产生脉冲空化射流，同时确保能够大排量洗井和充分利用钻头压降提高钻压，发挥喷射钻井技术在深层的提速作用的钻井工具和钻井方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下设计方案：一种钻井工具是在脉冲发生器和钻头组合钻井工具的基础上，在脉冲发生器的上方连接一套提升短节。该提升短节包括花键外筒、花键芯轴和防掉筒。其中，花键外筒呈筒状结构，上端和下端分别加工有螺纹，内部加工有内花键，在内花键和上端螺纹之间加工有贯穿花键外筒筒壁的旁通孔道；防掉筒呈筒状结构，上端加工有螺纹，下端具有朝向防掉筒内部凸起的台阶；花键芯轴外部加工有外花键，下部加工有螺纹与脉冲发生器连接，在螺纹连接处上方设有外凸台阶；脉冲发生器下端与钻头连接；花键芯轴与花键外筒通过花键连接，并可实现扭矩传递和上下滑动；花键芯轴在花键外筒内上下移动，从而控制旁通口的开关。上述方案进一步包括：花键芯轴上端外缘加工有密封沟槽，安装旁通密封和导向环；花键芯轴上下滑动的极限位置分别通过其外凸台阶与花键外筒下端和与防掉筒的内凸台阶限定；并保证旁通密封在花键芯轴上下滑动极限位置时分别位于花键外筒旁通孔道的上部和下部。所述的花键外筒可采用上外筒和下外筒组装而成；所述钻头设有空化喷嘴。基于上述工具的钻井方法是：将所述钻井工具连接在钻柱上下入钻井井眼内；钻头接触井底进行钻进作业时，花键芯轴带动旁通密封在花键外筒向上移动，从而关闭旁通口，钻井流体流经钻具、花键芯轴内部空间、脉冲发生器和钻头，然后进入环空；钻头提离井底进行循环洗井作业时，花键芯轴带动旁通密封在花键外筒向下移动，从而打开旁通口，钻井流体流经钻具、花键外筒的旁通口，然后进入环空。优选的是，钻进过程中钻井流体的流量小于循环洗井时钻井流体的流量。本专利技术的优点是：(1)钻井工具结构简单，可以方便的实现钻柱内外环空的连通与隔离；(2)可以实现小排量钻井，降低循环压耗，充分提高钻头的水功率与脉冲空化射流冲击力，从而提高钻井的机械钻速；(3)当井眼环空出现岩屑携带不好等问题时，可以方便的打开钻井工具旁通通道，从而实现大排量循环洗井；(4)花键芯轴与花键套的滑动连接，可以充分利用钻头压降，提高钻压。附图说明图1是本专利技术一种钻井工具旁通孔道处于关闭状态的结构示意图。图2是本专利技术一种钻井工具旁通孔道处于打开状态的结构示意图。图中1.上部钻具，2.旁通密封，3.旁通口，4.花键外筒，5.花键芯轴，6.花键，7.防掉筒，8.脉冲发生器，9.钻头。具体实施方式下面结合附图1、附图2对本专利技术作进一步描述：附图1和附图2中，一种钻井工具，包括花键外筒4、花键芯轴5、防掉筒7和脉冲发生器8、钻头9。花键外筒4呈筒状结构，上端和下端分别加工有螺纹，内部加工有内花键，在内花键和上端螺纹之间加工有贯穿花键外筒4筒壁的旁通孔道3；防掉筒7呈筒状结构，上端加工有螺纹，下端具有朝向防掉筒7内部凸起的台阶；花键芯轴5外部加工有外花键，下部加工有螺纹与脉冲发生器8连接，在螺纹连接处上方设有外凸台阶；脉冲发生器8下端与钻头9连接；花键芯轴5与花键外筒4通过花键6连接，并可实现扭矩传递和上下滑动；花键芯轴5带动旁通密封2在花键外筒4上下移动，从而控制旁通口3的开关。所述钻头9安装有空化喷嘴。花键芯轴5上端外缘加工有沟槽，分别安装旁通密封2和导向环，花键芯轴5向上移动的极限位置在花键芯轴5的外凸台阶与花键外筒4下端接触处，花键芯轴5向下移动的极限位置在花键芯轴5的外凸台阶与防掉筒7的内凸台阶接触处；花键芯轴5与花键外筒4通过旁通密封2实现径向流体密封；花键芯轴5的外凸台阶与花键外筒4下端接触时，旁通密封2位于花键外筒的旁通孔道3的上部，防止流经工具内部的流体通过花键外筒的旁通孔道进入花键外筒的外部空间；花键芯轴5的外凸台阶与防掉筒7的内凸台阶接触时，旁通密封2位于花键外筒4的旁通孔道3的下部，流经工具内部的流体通过花键外筒4的旁通孔道3进入花键外筒4的外部空间。所述的花键外筒4最好由上花键外筒和下花键外筒两部分组装而成，当井眼环空出现岩屑携带不好等问题时，可以方便的打开钻井工具旁通通道。钻井过程中，将所述钻井工具连接在钻柱上下入钻井井眼内；钻头接触井底进行钻进作业时，花键芯轴5带动旁通密封2在花键外筒4向上移动，从而关闭旁通口3，钻井流体流经钻具、花键芯轴5内部空间、脉冲发生器8和钻头9，然后进入环空；钻头提离井底进行循环洗井作业时，花键芯轴5带动旁通密封2在花键外筒(4)向下移动，从而打开旁通口3，钻井流体流经钻具、花键外筒4的旁通口3，然后进入环空。钻进过程中钻井流体的流量Q1小于循环洗井时钻井流体的流量Q2，Q1值取Q2值的2/3。尽管已经示出和描述了本专利技术的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本专利技术的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本专利技术的范围由所附权利要求及其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻井工具，包括脉冲发生器(8)和钻头(9)，其特征在于：在脉冲发生器(8)的上方连接有提升短节；该提升短包括花键外筒(4)、花键芯轴(5)、防掉筒(7)；其中，花键外筒(4)呈筒状结构，上端和下端分别加工有螺纹，内部加工有内花键，在内花键和上端螺纹之间加工有贯穿花键外筒(4)筒壁的旁通孔道(3)；防掉筒(7)呈筒状结构，上端加工有螺纹，下端具有朝向防掉筒(7)内部凸起的台阶；花键芯轴(5)外部加工有外花键，下部加工有螺纹与脉冲发生器(8)连接，在螺纹连接处上方设有外凸台阶；脉冲发生器(8)下端与钻头(9)连接；花键芯轴(5)与花键外筒(4)通过花键(6)轴向插接配合，实现扭矩传递和上下滑动。

【技术特征摘要】
1.一种钻井工具，包括脉冲发生器(8)和钻头(9)，其特征在于：在脉冲发
生器(8)的上方连接有提升短节；该提升短包括花键外筒(4)、花键芯轴(5)、防掉
筒(7)；其中，花键外筒(4)呈筒状结构，上端和下端分别加工有螺纹，内部加工
有内花键，在内花键和上端螺纹之间加工有贯穿花键外筒(4)筒壁的旁通孔道(3)；
防掉筒(7)呈筒状结构，上端加工有螺纹，下端具有朝向防掉筒(7)内部凸起的台
阶；花键芯轴(5)外部加工有外花键，下部加工有螺纹与脉冲发生器(8)连接，在
螺纹连接处上方设有外凸台阶；脉冲发生器(8)下端与钻头(9)连接；花键芯轴(5)
与花键外筒(4)通过花键(6)轴向插接配合，实现扭矩传递和上下滑动。
2.根据权利要求1所述的钻井工具，其特征在于：花键芯轴(5)上端外缘加
工有密封沟槽，安装旁通密封(2)；花键芯轴(5)上下滑动的极限位置分别通过其
外凸台阶与外筒(4)下端和与防掉筒(7)的内凸台阶限定；旁通密封(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宇，朱焕刚，李建成，杨德京，宋荣荣，李晓，万秀琦，韩玉华，段光辉，赵亚坤，邓霖，许强，
申请(专利权)人：中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，
类型：发明
国别省市：山东;37