接力式多级破岩方法及装置与流程

1.本发明涉及地质钻探及钻井技术领域，具体地说，涉及一种接力式多级破岩方法及装置。


背景技术：

2.旋转钻井常用的破岩方法包括：转盘(或顶驱)钻；转盘(或顶驱)与井下动力钻具、辅助破岩工具进行复合钻。
3.对于硬地层，常用的破岩方法存在以下几个问题：
4.(1)钻头难以吃入硬地层，高效破岩所需的钻压与钻头扭矩的门槛值高，超出了当前设备、钻具或井下工具的工作能力，造成硬地层机械钻速低。
5.(2)钻头无法稳定的吃入地层或无法连续稳定的获得破岩所需的钻头扭矩，在井底会发生横向振动、扭转振动等井下振动，进而诱发涡动、粘滑等运动，造成pdc钻头的先期损坏。因此在坚硬地层及软硬交错等复杂地层，钻头机械钻速慢、寿命短、进尺少的问题极大增加了钻井周期和钻井费用。
6.现有技术公布了一种冲旋-刮切阶梯式作用的高效破岩组合工具，它是由前置冲击钻头、短节和pdc钻头组成，通过安装不同系列不同长度的短节，来调节前置冲击钻头和后置pdc钻头间阶梯结构的长度。现有技术主要对钻头进行了改进，可以提高机械钻速与钻头稳定性，但其对于坚硬地层依然存在破岩能量不足的问题。
7.现有技术公布了一种带有复合钻头的钻井提速装置，包括多功能接头，多功能接头上分别连接有外壳体和螺杆驱动总成，外壳体的一端连接有扩眼钻头，螺杆驱动总成连接领眼钻头，领眼钻头的转速高于扩眼钻头的转速，可整体提高机械钻速。现有技术通过先钻领眼再扩眼的方式，可以降低扩眼钻头的能量需求，同时螺杆为领眼钻头提供扭矩，转盘或顶驱经钻柱将扭矩传递至扩眼钻头，可以起到增加破岩能量的目的。但是坚硬地层对钻头转速的敏感性不强，高转速对领眼钻头提速的效果有限。
8.因此，本发明提供了一种接力式多级破岩方法及装置。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服现有技术的不足，优化钻具组合，解决硬-极硬地层大尺寸井眼中钻头破岩能量供应不足导致的机械钻速慢、钻头寿命短等难题。
10.为解决上述问题，本发明提供了一种接力式多级破岩方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
11.步骤一：基于所钻井眼尺寸可选用的井下动力钻具的工作扭矩以及破岩能量需求门槛值，选定是否采用分级破岩技术；
12.步骤二：若采用分级破岩技术，导眼为一级破岩，首选的辅助破岩工具为井下动力钻具，改变导眼钻头的尺寸，根据导眼钻头的破岩能量需求门槛值及匹配的井下动力钻具确定导眼尺寸和所用井下动力钻具；
13.步骤三：二级破岩工具为扩眼钻头，首选的辅助破岩工具为冲击类辅助破岩工具，基于扩眼可选用的冲击类辅助破岩工具的功率以及扩眼钻头的破岩能量需求门槛值，确定扩眼钻头尺寸和所用冲击类辅助破岩工具，或采用相同的方法增加分级破岩的级数；
14.步骤四：根据限制条件优化钻具组合以及钻井参数，协调分级破岩中各级之间破岩的效率，得到最优破岩方案。
15.根据本发明的一个实施例，所述破岩能量需求门槛值包含门限扭矩以及门限钻压，所述步骤一包含以下步骤：
16.根据岩石力学参数、井眼尺寸、地层岩性、钻头类型与直径计算得到钻头破岩所需的所述门限扭矩和门限钻压；
17.和/或，
18.根据预期的机械钻速计算破岩所需的扭矩以及钻压。
19.根据本发明的一个实施例，所述步骤一包含以下步骤：
20.对比待选井下动力钻具的工作扭矩以及所述破岩能量需求门槛值；
21.若待选井下动力钻具的工作扭矩不小于所述破岩能量需求门槛值，则采用常规破岩技术；
22.若待选井下动力钻具的工作扭矩小于所述破岩能量需求门槛值，则采用分级破岩技术。
23.根据本发明的一个实施例，所述步骤二包含以下步骤：
24.导眼为一级破岩，首选的辅助破岩工具为井下动力钻具，缩小井眼尺寸并确定与缩小后的导眼钻头相匹配的井下动力钻具，作为备选组，计算导眼钻头破岩所需的所述门限扭矩和门限钻压；
25.对比备选组中井下动力钻具的工作扭矩以及导眼钻头的破岩能量需求门槛值；
26.若备选组中井下动力钻具的工作扭矩不小于导眼钻头的破岩能量需求门槛值，则选定为导眼用井下动力钻具，并确定导眼钻头的尺寸；
27.若备选组中井下动力钻具的工作扭矩小于导眼钻头的破岩能量需求门槛值，则调整导眼钻头的尺寸，或将井下动力钻具与其它辅助破岩工具配合使用，直到所选的井下动力钻具的工作扭矩满足要求。
28.根据本发明的一个实施例，所述步骤三包含以下步骤：
29.二级破岩工具为扩眼钻头，首选的辅助破岩工具为冲击类辅助破岩工具，对比待选冲击类辅助破岩工具的功率以及所述扩眼钻头破岩能量需求门槛值；
30.若待选冲击类辅助破岩工具的功率不小于扩眼钻头的破岩能量需求门槛值，则采用二级破岩技术；
31.若待选冲击类辅助破岩工具的功率小于扩眼钻头的破岩能量需求门槛值，则改变扩眼钻头的尺寸，增加分级破岩技术的级数，首选的辅助破岩工具为冲击类辅助破岩工具，直到每一级扩眼破岩中选定的冲击类辅助破岩工具的功率不小于相应扩眼钻头破岩能量需求门槛值。
32.根据本发明的一个实施例，所述限制条件包含但不限于水力参数以及钻柱稳定性。
33.根据本发明的一个实施例，通过以下步骤优化钻具组合：
34.优选导眼钻头、扩眼钻头、直壳体或弯壳体的井下动力钻具、冲击类辅助破岩工具及其安放位置。
35.根据本发明的一个实施例，所述钻井参数包含但不限于钻压、转盘扭矩、转盘转速、钻井液排量以及泵压。
36.根据本发明的一个实施例，所述步骤四包含以下步骤：
37.设定机械钻速预期范围，使得每一级破岩的机械钻速均满足所述机械钻速预期范围。
38.根据本发明的另一个方面，还提供了一种接力式多级破岩装置，所述装置执行如上任一项所述的方法进行接力式多级破岩，所述装置包含：
39.第一模块，其用于基于所钻井眼尺寸可选用的井下动力钻具的工作扭矩以及破岩能量需求门槛值，选定是否采用分级破岩技术；
40.第二模块，其用于若采用分级破岩技术，导眼为一级破岩，首选的辅助破岩工具为井下动力钻具，改变导眼钻头的尺寸，根据导眼钻头的破岩能量需求门槛值及匹配的井下动力钻具确定导眼尺寸和所用井下动力钻具；
41.第三模块，其用于二级破岩工具为扩眼钻头，首选的辅助破岩工具为冲击类辅助破岩工具，基于扩眼可选用的冲击类辅助破岩工具的功率以及扩眼钻头的破岩能量需求门槛值，确定扩眼钻头尺寸和所用冲击类辅助破岩工具，或采用相同的方法增加分级破岩的级数；
42.第四模块，其用于根据限制条件优化钻具组合以及钻井参数，协调分级破岩中各级之间破岩的效率，得到最优破岩方案。
43.本发明提供的接力式多级钻井方法及装置，可解决大尺寸井眼硬-极硬地层中钻压、钻头扭矩等破岩能量不足的问题，主要效果如下：
44.(1)将一次破岩分解为多级破岩，可以将破岩能量需求逐级分解，在不改变井下工具(井下动力钻具、辅助破岩工具等)功率的前提下，保障每级破岩均满足破岩的门限条件，甚至高效破岩条件。
45.(2)与现有技术中的井眼相比，本发明中每级井眼的破岩面积均变小，钻头容易吃入地层，所需钻压和破岩扭矩减小，在现有工具输出功率不变的前提下，通过现有工具的优化组合能够满足破岩能量的需求。
46.(3)导眼形成后，地层应力释放，并增加了井壁的自由界面，扩眼钻头配合冲击类辅助破岩工具可对岩石产生拉伸劈裂破坏，岩石的抗拉强度约为抗压强度的15％，保守测算可降低钻头扭矩需求约50％，极大的降低了破岩难度。
47.(4)多级破岩设计，降低了岩石对破岩能量的需求，导眼钻头、扩眼钻头可以增强扶正作用，增强了钻头工作稳定性，降低了井下振动与不良运动的概率，还可以提高钻具的防斜效果。
48.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
49.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
50.图1显示了根据本发明的一个实施例的接力式多级破岩方法流程图；
51.图2显示了根据本发明的另一个实施例的接力式多级破岩方法流程图；
52.图3显示了根据本发明的一个实施例的二级破岩的典型钻具组合示意图；以及
53.图4显示了根据本发明的一个实施例的接力式多级破岩装置结构框图。
具体实施方式
54.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
55.现有技术中，在大尺寸井眼硬-极硬地层中钻压、钻头扭矩等破岩能量不足，是造成钻井速度慢、井下振动的主要原因，虽然当前条件下井下动力钻具(螺杆钻具是最常使用的井下动力钻具，可分为直螺杆和弯螺杆)与辅助破岩工具的功率大幅提升，但依然无法满足大尺寸井眼坚硬地层高效破岩的需求，而且鉴于井眼尺寸或工具尺寸的限制，在一段时间内单纯通过增加井下动力钻具与辅助破岩工具的功率很难起到显著的提速效果。
56.现有技术中虽然存在可以形成阶梯井眼的技术方案，部分解决了钻速慢的问题，但依然未能从根本上解决钻头破岩能量不足的问题。
57.图1显示了根据本发明的一个实施例的接力式多级破岩方法流程图。
58.如图1，在步骤s101中，基于所钻井眼尺寸可选用的井下动力钻具的工作扭矩以及破岩能量需求门槛值，选定是否采用分级破岩技术。
59.在一个实施例中，破岩能量需求门槛值包含门限扭矩、门限钻压以及冲击能量(包含冲击力与冲击频率)。
60.具体来说，步骤s101包含以下步骤：根据岩石力学参数、井眼尺寸、地层岩性、钻头类型与直径计算得到钻头破岩所需的门限扭矩和门限钻压；和/或，根据预期的机械钻速计算破岩所需的扭矩以及钻压。
61.步骤s101包含以下步骤：对比待选井下动力钻具的工作扭矩以及破岩能量需求门槛值。
62.步骤s101包含以下步骤：若待选井下动力钻具的工作扭矩不小于破岩能量需求门槛值，则采用常规破岩技术。
63.步骤s101包含以下步骤：若待选井下动力钻具的工作扭矩小于破岩能量需求门槛值，则采用分级破岩技术。
64.如图1，在步骤s102中，若采用分级破岩技术，导眼为一级破岩，首选的辅助破岩工具为井下动力钻具，改变导眼钻头的尺寸，根据导眼钻头的破岩能量需求门槛值及匹配的井下动力钻具确定导眼尺寸和所用井下动力钻具。
65.具体来说，若采用分级破岩技术，则改变导眼钻头的尺寸和匹配的井下动力钻具，直到井下动力钻具或配合辅助破岩工具满足导眼钻头破岩能量需求门槛值。
66.步骤s102包含以下步骤：导眼为一级破岩，首选的辅助破岩工具为井下动力钻具，缩小井眼尺寸并确定与缩小后的导眼钻头相匹配的井下动力钻具，作为备选组，计算导眼
钻头破岩所需的所述门限扭矩和门限钻压。
67.步骤s102包含以下步骤：对比备选组中井下动力钻具的工作扭矩以及导眼钻头的破岩能量需求门槛值。
68.步骤s102包含以下步骤：若备选组中井下动力钻具的工作扭矩不小于导眼钻头的破岩能量需求门槛值，则选定为导眼用井下动力钻具，并确定导眼钻头的尺寸。
69.步骤s102包含以下步骤：若备选组中井下动力钻具的工作扭矩小于导眼钻头的破岩能量需求门槛值，则调整导眼钻头的尺寸，或将井下动力钻具与其它辅助破岩工具配合使用，直到所选的井下动力钻具的工作扭矩满足要求。
70.如图1，在步骤s103中，二级破岩工具为扩眼钻头，首选的辅助破岩工具为冲击类辅助破岩工具，基于扩眼可选用的冲击类辅助破岩工具的功率以及扩眼钻头的破岩能量需求门槛值，确定扩眼钻头尺寸和所用冲击类辅助破岩工具，或采用相同的方法增加分级破岩的级数。
71.步骤s103包含以下步骤：二级破岩工具为扩眼钻头，首选的辅助破岩工具为冲击类辅助破岩工具，对比待选冲击类辅助破岩工具的功率以及扩眼钻头破岩能量需求门槛值。
72.步骤s103包含以下步骤：若待选冲击类辅助破岩工具的功率不小于扩眼钻头的破岩能量需求门槛值，则采用二级破岩技术。
73.步骤s103包含以下步骤：若待选冲击类辅助破岩工具的功率小于扩眼钻头的破岩能量需求门槛值，则改变扩眼钻头的尺寸，增加分级破岩技术的级数，首选的辅助破岩工具为冲击类辅助破岩工具，直到每一级扩眼破岩中选定的冲击类辅助破岩工具的功率不小于相应扩眼钻头破岩能量需求门槛值。
74.如图1，在步骤s104中，根据限制条件优化钻具组合以及钻井参数，协调分级破岩中各级之间破岩的效率，得到最优破岩方案。
75.在一个实施例中，限制条件包含但不限于水力参数以及钻柱稳定性。优化钻具组合包括：优选导眼钻头、扩眼钻头、直壳体或弯壳体的井下动力钻具、冲击类辅助破岩工具及其安放位置。钻井参数包含但不限于钻压、转盘扭矩、转盘转速、钻井液排量以及泵压。
76.在一个实施例中，设定机械钻速预期范围，使得每一级破岩的机械钻速满足机械钻速预期范围。
77.针对当前的提速瓶颈，本发明的接力式分级破岩的钻井方法，将一次破岩分解为多次破岩，形成阶梯状井眼，将剪切破岩、冲击破岩、分级扩眼等成熟技术结合起来，优化串联在同一个钻具组合上，在现有技术条件下采用接力的方式使每一阶梯的破岩均满足钻压与扭矩的门限条件、甚至高效破岩条件，实现每一阶梯和整体破岩的优化与协调，实现大尺寸井眼硬地层的突破。
78.在坚硬地层中一般推荐2-3级破岩，对于部分难钻地层可以超过3级破岩。当一个开次或井段完成后，利用与井眼尺寸相匹配的钻头通井，钻除阶梯井底，形成同一直径的井眼。
79.根据优化结果，原则上导眼首选井下动力钻具，扩眼段首选冲击类辅助破岩工具。当然，导眼也可以使用其它类型的辅助破岩工具，扩眼段也可以使用井下动力钻具或其它类型的辅助破岩工具。根据实际情况，某一级也可以不使用井下动力钻具或辅助破岩工具，
或者同时使用井下动力钻具与辅助破岩工具。
80.综上，本发明提出了接力式分级破岩的钻井方法，提出了优化的分级破岩钻具组合，建立了钻井优化流程，可基于现有成熟技术解决硬-极硬地层大尺寸井眼中钻头破岩能量供应不足、井下钻具工作不平稳等难题，显著提高机械钻速与钻头寿命。本发明可以应用于石油、天然气、页岩气、煤层气及地质钻探等钻井技术领域。
81.图2显示了根据本发明的另一个实施例的接力式多级破岩方法流程图。
82.图2所示的方法流程图以导眼使用井下动力钻具，必要时可以配合使用冲击类辅助破岩工具，扩眼段使用冲击类辅助破岩工具为例，对本发明的优化流程进行说明：
83.步骤201，根据地层岩性、岩石力学参数、钻头类型、井眼尺寸等参数计算钻头破岩能量需求的门槛值，尤其是门限扭矩值，或根据预期的机械钻速计算破岩所需的钻头扭矩、钻压等参数。
84.步骤202，对比可选井下动力钻具的工作扭矩与破岩所需的钻头扭矩。若井下动力钻具的工作扭矩不小于所钻井段破岩所需的钻头扭矩，或者使用井下动力钻具与冲击类辅助破岩工具复合钻井可以满足破岩能量的需求，则采用常规破岩技术；若上述条件不满足，则采用分级破岩技术。
85.步骤203，缩小导眼钻头的尺寸，重复上述步骤202，直到导眼中所用井下动力钻具或与辅助破岩工具复合后，井下工具的工作扭矩不小于所钻井段破岩所需的钻头扭矩。
86.步骤204，对比可选的冲击类辅助破岩工具的功率与扩眼钻头破岩所需的能量(扩眼段的机械钻速与导眼基本相同)，若满足破岩能量需求门槛值的要求，则采用2级破岩技术；若无法满足破岩能量的要求，则降低扩眼钻头的尺寸、增加扩眼的级数，直到每一级均满足破岩要求。
87.步骤205，根据水力参数、钻柱稳定性等限制条件进一步优化钻具组合，优选导眼钻头、扩眼钻头、井下动力钻具(可使用直壳体或弯壳体)、冲击类辅助破岩工具及其安放位置，优化钻井参数(钻压、转盘扭矩、转盘转速、钻井液排量、泵压)，协调各级之间的破岩效率，做到各级破岩的机械钻速基本一致。
88.步骤206，通过对钻井系统整体优化，形成高效破岩技术方案，并根据实钻情况进行技术方案的动态调整。
89.图3显示了根据本发明的一个实施例的二级破岩的典型钻具组合示意图。
90.如图3所示，二级破岩钻具组合包括：导眼钻头 动力钻具(可在动力钻具的下方或上方增加辅助破岩工具，或使用冲击类辅助破岩工具替换动力钻具) 钻铤1-2根(优选地1根) 扩眼钻头(或扩眼器，统称为扩眼钻头) 冲击类辅助破岩工具(可在冲击类辅助破岩工具上方增加动力钻具) 钻铤若干根。
91.在一个实施例中，三级破岩钻具组合：导眼钻头 动力钻具(可在动力钻具的下方或上方增加辅助破岩工具，或使用冲击类辅助破岩工具替换动力钻具) 钻铤若干根(优选地1根) 扩眼钻头 冲击类辅助破岩工具(根据情况可以不安装) 钻铤若干根(优选地1根) 扩眼钻头 冲击类辅助破岩工具(可在冲击类辅助破岩工具上方增加动力钻具) 钻铤若干根。
92.本发明还可以组合出其它钻具组合，如扩眼钻头、动力钻具、冲击类辅助破岩工具(轴向方向、扭转方向、复合方向)或其它类型辅助破岩工具的尺寸及安放位置的变化，或增
加稳定器等构件，同样可以起到提速效果，不在此进行赘述。
93.图4显示了根据本发明的一个实施例的接力式多级破岩装置结构框图。接力式多级破岩装置400执行如上任一项所述的方法进行接力式多级破岩。
94.如图4，接力式多级破岩装置400包含第一模块401、第二模块402、第三模块403以及第四模块404。
95.具体来说，第一模块用于基于所钻井眼尺寸可选用的井下动力钻具的工作扭矩以及破岩能量需求门槛值，选定是否采用分级破岩技术。
96.具体来说，第二模块用于若采用分级破岩技术，导眼为一级破岩，首选的辅助破岩工具为井下动力钻具，改变导眼钻头的尺寸，根据导眼钻头的破岩能量需求门槛值及匹配的井下动力钻具确定导眼尺寸和所用井下动力钻具。
97.具体来说，第三模块用于二级破岩工具为扩眼钻头，首选的辅助破岩工具为冲击类辅助破岩工具，基于扩眼可选用的冲击类辅助破岩工具的功率以及扩眼钻头的破岩能量需求门槛值，确定扩眼钻头尺寸和所用冲击类辅助破岩工具，或采用相同的方法增加分级破岩的级数。
98.具体来说，第四模块用于根据限制条件优化钻具组合以及钻井参数，协调分级破岩中各级之间破岩的效率，得到最优破岩方案。
99.在一个具体实施例中，塔里木盆地某区块二叠系抗压强度最大为180mpa，采用444.5mm井眼，机械钻速《1.4m/h。常规底部钻具组合：444.5mm pdc钻头 286mm螺杆 279mm钻铤1根 442mm稳定器 (228～203)mm钻铤若干根。
100.在当前技术水平下286mm螺杆的最大工作扭矩低于破岩的门限扭矩，而且444.5mm pdc钻头破岩所需的门限扭矩超出了当前钻具与转盘(或顶驱)可承受的扭矩值。因此，444.5mm pdc钻头的破岩扭矩供应不足是当前技术条件下难以解决的问题。
101.为了提高机械钻速，根据本发明提出的方法，设计如下方案：
102.215.9mm pdc钻头 172mm螺杆 158.8mm钻铤1根 333.38mm扩眼钻头 178mm轴向冲击器 228.6mm钻铤1根 444.5mm扩眼钻头 228mm轴向冲击器 228.6mm钻铤若干根 203.2mm钻铤若干根 178mm钻铤若干根 149.2mm钻杆，当前钻井技术条件下215.9mm井眼能够获得最高的机械钻速，使用333.38mm扩眼钻头和444.5mm扩眼钻头进行冲击破岩，可以实现拉伸劈裂破坏。
103.如表1所示，每一阶梯均可满足门限扭矩的需要，可有效提高硬地层钻井速度。
104.表1接力式破岩优势对比
[0105][0106]
综上，本发明提供的接力式多级钻井方法及装置，可解决大尺寸井眼硬-极硬地层中钻压、钻头扭矩等破岩能量不足的问题，主要效果如下：
[0107]
(1)将一次破岩分解为多级破岩，可以将破岩能量需求逐级分解，在不改变井下工具(井下动力钻具、辅助破岩工具等)功率的前提下，保障每级破岩均满足破岩的门限条件，甚至高效破岩条件。
[0108]
(2)与现有技术中的井眼相比，本发明中每级井眼的破岩面积均变小，钻头容易吃入地层，所需钻压和破岩扭矩减小，在现有工具输出功率不变的前提下，通过现有工具的优化组合能够满足破岩能量的需求。
[0109]
(3)导眼形成后，地层应力释放，并增加了井壁的自由界面，扩眼钻头配合冲击类辅助破岩工具可对岩石产生拉伸劈裂破坏，岩石的抗拉强度约为抗压强度的15％，保守测算可降低钻头扭矩需求约50％，极大的降低了破岩难度。
[0110]
(4)多级破岩设计，降低了岩石对破岩能量的需求，导眼钻头、扩眼钻头可以增强扶正作用，增强了钻头工作稳定性，降低了井下振动与不良运动的概率，还可以提高钻具的防斜效果。
[0111]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0112]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0113]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。