基于增压器的岩爆钻井装置以及破岩方法与流程

本发明涉及石油天然气勘探开发中钻井工程技术，尤其涉及一种基于增压器的岩爆钻井装置以及破岩方法。

背景技术：

钻井工程占油气开发成本的50％以上，投资大且风险高，提高钻井效率是降低勘探开发成本的最佳途径，也是油公司、钻井承包商和技术服务公司一贯追求的重要目标。近两年，国际油价大幅度降低，竞争也日益激烈，石油公司只有更加注重高效钻井、降本增效、拥有核心技术，才能获得竞争优势，渡过“寒冬”。显然，提高钻速、降低钻井成本是目前石油工程领域急需的技术之一。

目前，石油天然气钻井方法主要有：旋转钻井、旋冲钻井和欠平衡钻井；其它的钻井方法，如激光钻井、等离子钻井和超高压喷射钻井方法等还处于探索研究阶段。随着深井、超深井、易斜井、硬地层、水平井及大位移井在石油钻井中所占的比例越来越大，深井中遇到的硬地层和坚硬地层采用常规的旋转钻进方法破岩效果差、钻进效率低，深井中的井斜问题也日益突出；在水平井和大位移钻井中，随着水平位移的增加，水平井的加压更为困难，钻具的损坏也更为严重。

中国专利号CN203742436U的实用新型专利公开了一种动力扰动破岩钻具，其具体方案包括：芯轴设于外筒内，外筒与芯轴通过花键连接；涡轮套筒设于外筒内，其上端与导流器通过螺纹链接，其中部的环形槽中设置有橡胶密封圈，其下端与芯轴的上端通过螺纹连接；涡轮设于涡轮套筒内部，涡轮固定于导流器的轴芯上，涡轮的下端与旋转偏心阀片通过螺纹连接；旋转偏心阀片的下端面与固定偏心阀片的上端面紧密接触，固定偏心阀片与芯轴的上端通过螺纹连接。在钻井过程中，钻井液使涡轮旋转，再通过涡轮驱动动阀片旋转，使动阀片和固定阀片之间的有效流通面积周期性变化，从而产生水击力，形成周期性柔和变化的动载荷，与钻具自重产生的静载荷，共同作用于岩石，实现高应力扰动破岩。

中国专利号CN104594801A的专利在上述专利的基础上，公开了一种动力扰动破岩钻具，其具体方案包括：该扰动破岩钻具包括防掉总成、马达总成、传动轴总成及扰动总成，是利用现有的螺杆传动轴外壳和芯轴相对运动转换为齿轮旋转，最后实现扰动总成产生周期性水击力，并与上部钻具组合的重力共同形成钻压，实现高应力扰动破岩，提高机械钻速。

将高应力+动力扰动破岩方法引入石油钻井，是一种利用深部地层岩石本身属于储能体、且岩石属于非连续相，通过外部机械引诱发生裂纹扩展或岩爆的方法，是一种不同于常规钻井破岩的非常有前景的新方法。目前公布的两个专利公开的技术都是通过钻具输出机械作用力，在钻井过程中，钻头不仅受到上部钻具自重提供的钻压，还受到工具内部产生的周期性扰动力，其合力作用于钻头，使钻压类似正弦规律变化，扰动岩石，使岩石周期性卸载，引发岩爆，从而提高破岩效率。但是这两种方式钻具均是输出机械作用力，岩石容易对钻具产生损坏，进而影响钻具的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于增压器的岩爆钻井装置，旨在用于解决现有的钻井装置的钻头破岩效率低，使用寿命较短的问题。

本发明是这样实现的：

本发明实施例提供一种基于增压器的岩爆钻井装置，包括竖直设置的增压器壳体以及安设于所述增压器壳体上端口的上部接头，所述增压器壳体上设置有与所述上部接头连通且延伸至所述增压器壳体下端的常压管以及向下延伸且由所述增压器壳体的下端导出的高压管，于所述增压器壳体内水平设置有上阀片、位于所述上阀片下方且与所述上阀片贴合的下阀片以及可驱使所述上阀片绕轴线旋转的驱动件，所述上阀片上竖直设置有第一通孔，所述下阀片上设置有第二通孔以及第三通孔，所述第二通孔以及所述第三通孔均与所述第一通孔同轴等径，所述增压器壳体于所述下阀片下方设置有活塞以及滑动设置于所述高压管内的活塞杆，所述活塞的上端与所述下阀片的下表面围合形成与所述第二通孔连通的第一腔室，所述活塞的下端与所述增压器壳体的内壁之间围合形成与所述第三通孔连通的第二腔室，所述活塞杆的下端与所述高压管之间围合形成第三腔室，且于所述高压管内设置有可控制所述第三腔室与所述增压器壳体的下端连通的第一控制阀，所述第三腔室通过第二控制阀与所述增压器壳体的外侧连通。

进一步地，于所述上阀片的外缘面设置有朝向所述增压器壳体内壁的第一凹槽，所述增压器壳体内侧设置有第一导流孔、第二导流孔以及第三导流孔，所述第一导流孔一端与所述第一腔室连通，另一端通过所述第一凹槽与所述第三导流孔连通，所述第二导流孔的一端与所述第二腔室连通，另一端通过所述第一凹槽与所述第三导流孔连通，所述第三导流孔延伸至所述增压器壳体的外侧，且所述第一导流孔与所述第二通孔的位置对应，所述第二导流孔与所述第三通孔的位置对应。

进一步地，于所述下阀片的外缘面上设置有连通所述第一腔室与所述第一导流孔的第二凹槽，所述第一导流孔的其中一端口延伸至所述增压器壳体的内壁对应所述第二凹槽的位置。

进一步地，于所述第二腔室内设置有压缩弹簧，所述压缩弹簧套设于所述活塞杆上。

进一步地，所述驱动件为设置于所述增压器壳体内的涡轮，所述涡轮的输出轴与所述上阀片的转轴之间通过TC轴承组传动连接，所述TC轴承组设置有沿竖直方向贯穿的导液孔。

进一步地，所述TC轴承组与所述上阀片之间形成储液腔，所述常压管连通至所述储液腔。

进一步地，于所述高压管远离所述第三腔室的端口处设置有至少一个高压喷嘴。

进一步地，所述第一控制阀为沿所述第三腔室至所述增压器壳体的下端的方向单向导通的单向阀，所述第二控制阀为沿所述增压器壳体的外侧向所述第三腔室导通的单向阀。

本发明实施例还提供一种破岩方法，采用上述的基于增压器的岩爆钻井装置，将所述基于增压器的岩爆钻井装置置于井下开钻，通过地面泥浆泵向所述基于增压器的岩爆钻井装置内输送钻井液。

进一步地，所述驱动件由所述泥浆泵导入所述基于增压器的岩爆钻井装置内的钻井液的液压能驱使工作。

本发明具有以下有益效果：

本发明的岩爆钻井装置中，将钻井液经上部接头导入增压器壳体内，且当驱动件驱使上阀片旋转，以使第一通孔与第二通孔导通时，钻井液进入第一腔室内，使得第一腔室的压强大于第二腔室的压强，进而驱使活塞与活塞杆竖直下移，活塞杆压缩第三腔室，进而使得第三腔室内的压强增大，迫使其内的钻井液经过第一控制阀由高压管喷射，形成水炮轰击钻头正下方的扰动处于高应力的岩石，诱发岩爆，且当驱动件驱使上阀片旋转使得第一通孔与第三通孔连通时，则钻井液经第一通孔以及第三通孔进入第二腔室内，此时第二腔室内的压强大于第一腔室内的压强，进而可以驱使活塞以及活塞杆竖直上移至原状态，当然此时第一腔室内的钻井液应被导出，而第三腔室通过第二控制阀可由增压器壳体外侧导入钻井液，用于下一次的喷射。整个过程中，通过驱动件控制上阀片旋转，进而可以由高压管处周期性喷射水炮轰击岩石，不断诱发岩爆，利用岩爆释放岩石内部存储的大量弹性应变能，提高破岩效率，从而达到高速钻井的目的，同时，由于岩爆释放岩体应力，其内部裂纹扩展，强度大幅度减小，降低破岩对钻头材料的要求和降低了在钻井过程中钻头作用于地层的钻压，一方面可有效提高钻速，进而提高钻井效率，而且降低破岩难度及钻井能耗，另一方面，可保护钻头，有效提高钻头工作的可靠性和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的基于增压器的岩爆钻井装置与钻头配合的结构示意图；

图2为图1的基于增压器的岩爆钻井装置的增压器壳体的结构示意图；

图3为图1的基于增压器的岩爆钻井装置的增压器壳体于第一腔室处的水平截面图；

图4为图1的基于增压器的岩爆钻井装置的增压器壳体于第三腔室处的水平截面图；

图5为图1的基于增压器的岩爆钻井装置的上阀片的结构示意图；

图6为图1的基于增压器的岩爆钻井装置的下阀片的结构示意图；

图7为图1的基于增压器的岩爆钻井装置的第一通孔与第二通孔连通时的结构示意图；

图8为图7上阀片位置的俯视图；

图9为图1的基于增压器的岩爆钻井装置的第一通孔与第三通孔连通时的结构示意图；

图10为图9上阀片位置的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图10，本发明实施例提供一种基于增压器的岩爆钻井装置1，通常与钻头2配合使用，以起到钻井的目的，包括竖直设置的增压器壳体11以及安设于增压器壳体11上端口的上部接头12，通常上部接头12与增压器壳体11的上端口之间采用螺纹连接，拆装比较方便，其中增压器壳体11在使用时主要位于地下，而上部接头12则主要是用于与地面的泥浆泵连接，通过泥浆泵向增压器壳体11内导入钻井液，增压器壳体11上设置有与上部接头12连通且延伸至增压器壳体11下端的常压管111以及向下延伸且由增压器壳体11的下端导出的高压管112，由上部接头12进入增压器壳体11内的钻井液，一部分经常压管111常压导出至增压器壳体11的下端，同时在高压管112处的钻井液则在增压器壳体11内的增压作用下高压喷射，通常上述的钻头2螺纹连接于增压器壳体11的下端，高压喷射的钻井液可以轰击钻头2正下方的岩石。细化增压器壳体11内的结构，在增压器壳体11内水平设置有上阀片13、位于上阀片13下方且与上阀片13贴合的下阀片14以及可驱使上阀片13绕轴线旋转的驱动件15，上阀片13与下阀片14均与增压器壳体11对应位置的截面相仿，在上阀片13上竖直设置有第一通孔131，第一通孔131竖直贯穿上阀片13，在下阀片14上设置有第二通孔141以及第三通孔142，第二通孔141沿竖直方向贯穿下阀片14，而第三通孔142则呈L字形，其由下阀片14的上端面竖直向下延伸，然后水平延伸至下阀片14的外缘面，第二通孔141以及第三通孔142均与第一通孔131同轴等径，即当驱动件15驱使上阀片13旋转时，可以使得第一通孔131与第二通孔141位于同一直线上，两者之间导通，且可旋转一定角度，使得第一通孔131与第三通孔142的部分结构位于同一直线上，第一通孔131与第三通孔142连通，另外增压器壳体11在下阀片14的下方设置有活塞16以及滑动设置于高压管112内的活塞杆161，活塞16可沿增压器壳体11内壁滑动，且安设于活塞16下方的活塞杆161科研高压管112的内壁滑动，通过活塞16与活塞杆161将增压器壳体11对应下阀片14下方的空间分隔为三个部分，其中活塞16的上端与下阀片14的下表面之间围合形成第一腔室17，该第一腔室17与第二通孔141连通，活塞16的下端、增压器壳体11内壁以及高压管112自建围合形成第二腔室18，第二腔室18与第三通孔142连通，而活塞杆161的下端与高压管112的内壁之间则围合形成第三腔室19，在高压管112内设置有可控制第三腔室19与增压器壳体11的下端连通的第一控制阀191，且第三腔室19通过第二控制阀192与增压器壳体11的外侧连通。

本实施例中，将钻井液由上部接头12导入增压器壳体11内，其中一部分钻井液经常压管111直接导至增压器壳体11的下端，而另一部分则导至上阀片13的上表面，且在驱动件15作用下，上阀片13相对下阀片14旋转，当第一通孔131与第二通孔141连通后，位于上阀片13上的钻井液经第一通孔131与第二通孔141进入第一腔室17内，第一腔室17内压力增大且大于第二腔室18，进而可以驱使活塞16以及活塞杆161竖直下移，活塞杆161压缩第三腔室19，且通常在钻井时，增压器壳体11的外侧充满钻井液，该钻井液可经第二控制阀192进入第三腔室19内，当第三腔室19压缩形成高压时，其内钻井液只能经第一控制阀191由高压管112喷射，形成水炮轰击钻头2正下方的扰动处于高应力的岩石，诱发岩爆；继续旋转上阀片13，第一通孔131与第三通孔142连通，上阀片13上的钻井液经第一通孔131以及第三通孔142进入第二腔室18内，第二腔室18内压力增大且大于第一腔室17，进而可以驱动活塞16以及活塞杆161竖直上移至原状态，此时第一腔室17内的部分钻井液排至增压器壳体11外侧，同时第三腔室19压力降低，外侧钻井液经第二控制阀192补充至第三腔室19内，用于下一次的喷射。在上述工作过程中，岩爆钻井装置1内的第三腔室19周期性压缩复位，高压管112可以周期性喷射钻井液，进而持续性水炮轰击岩石，不断诱发岩爆，利用岩爆释放岩石内部存储的大量弹性应变能，提高破岩效率，从而达到高速钻井的目的，同时，由于岩爆释放岩体应力，其内部裂纹扩展，强度大幅度减小，降低破岩对钻头2材料的要求和降低了在钻井过程中钻头2作用于地层的钻压，一方面可有效提高钻速，进而提高钻井效率，而且降低破岩难度及钻井能耗，另一方面，可保护钻头2，有效提高钻头2工作的可靠性和使用寿命。对于第一控制阀191与第二控制阀192均可采用单向阀，且第一控制阀191对应的单向阀沿第三腔室19至外侧的方向单向导通，而第二控制阀192对应的单向阀沿外侧至第三腔室19的方向单向导通，对此在第三腔室19压缩的过程中，其内钻井液只可由高压管112喷射，而在第三腔室19复位的过程中，外侧的钻井液则可经第二控制阀192自动补充至第三腔室19内，无需对两者进行单独电路控制，非常方便。通常在高压管112远离第三腔室19的端口处设置有至少一个高压喷嘴113，可以使得高压管112喷射的水炮对岩石具有更强的轰击效果，一般喷射后的水炮被增压到20MPa以上。可将高压喷嘴113设置有多个，且各高压喷嘴113的朝向错开，高压管112内的钻井液具有较大的喷射范围。

参见图7-图10，优化上述实施例，在上阀片13的外缘面设置有朝向增压器壳体11内壁的第一凹槽132，增压器壳体11内侧设置有第一导流孔114、第二导流孔115以及第三导流孔116，第一导流孔114的一端口与第一腔室17连通，另一端口通过第一凹槽132与第三导流孔116连通，第二导流孔115的一端口与第二腔室18连通，另一端口也通过第一凹槽132与第三导流孔116连通，第三导流孔116延伸至增压器壳体11的外侧，且第一导流孔114与第二通孔141的位置对应，而第二导流孔115与第三通孔142的位置对应。本实施例中，在工作时，第一腔室17与第二腔室18内均存留有钻井液，且当上阀片13旋转使得第一通孔131与第二通孔141连通时，第一凹槽132连通第三导流孔116与第二导流孔115，第一导流孔114被上阀片13外缘面封堵，钻井液经第一通孔131与第二通孔141进入第一腔室17内，第一腔室17的压力大于第二腔室18内的压力，活塞16以及活塞杆161竖直下移压缩第二腔室18，第二腔室18内的钻井液依次经第二导流孔115、第一凹槽132以及第三导流孔116流至增压器壳体11外侧，而在上阀片13继续旋转至第一导流孔114与第三导流孔116连通时，第一凹槽132连通第二导流孔115与第三导流孔116，第一导流孔114被上阀片13外缘面封堵，钻井液经第一通孔131以及第三通孔142流至第二腔室18内，第二腔室18压力升高驱使活塞16以及活塞杆161竖直上移，此时第一腔室17内的钻井液依次经第一导流孔114、第一凹槽132以及第三导流孔116排至外侧。对此通过上述各机械结构，可以使得增压器壳体11内处于动态平衡状态，对其内各部件的要求不是很高，制作成本比较低，且无需进行单独控制，操作方便。

参见图1、图2、图7以及图9，继续优化上述实施例，在下阀片14的外缘面上设置有连通第一腔室17与第一导流孔114的第二凹槽143，第一导流孔114的其中一端口延伸至增压器壳体11的内壁对应第二凹槽143的位置。本实施例中，在下阀片14的外缘面上设置有第二凹槽143，第二凹槽143靠近下阀片14的下端位置，即第二凹槽143位于第一腔室17的顶部，当第一腔室17压缩恢复至原状态的过程中，其内的钻井液直接经第二凹槽143进入第一导流孔114内。另外在第二腔室18内设置有压缩弹簧162，压缩弹簧162套设于活塞杆161上。由于第二腔室18的径向尺寸大于高压管112的径向尺寸，对此在两者的连接处形成有竖直向上的阶梯面，压缩弹簧162一端抵顶于活塞16的下表面上，另一端抵顶至该阶梯面，当第一通孔131与第二通孔141连通时，第二腔室18与压缩弹簧162同步压缩，而当第一通孔131与第三通孔142连通时，活塞16竖直上移，压缩弹簧162伸展，且当压缩弹簧162伸展至原状态时，活塞16停止移动，可以有效控制第一腔室17、第二腔室18以及第三腔室19均处于原状态，起到较好的平衡作用。

参见图1，进一步地，驱动件15采用设置于增压器壳体11内的涡轮，涡轮的输出轴与上阀片13的转轴之间通过TC轴承组20传动连接，TC轴承组20设置有沿竖直方向贯穿的导液孔201。本实施例中，涡轮无需电力驱动，当泥浆泵向上部接头12导入钻井液时，在钻井液的液压能驱动下，涡轮可绕其输出轴水平旋转，进而由输出轴带动上阀片13的转轴同步旋转。对于TC轴承组20，包括有外径向TC轴承202以及与其配合的内径向TC轴承203，将上述的导液孔201设置于外径向TC轴承202上，而内径向TC轴承203主要用于涡轮与上阀片13之间的传动连接。一般，TC轴承组20与上阀片13之间形成有储液腔21，常压管111连通至该储液腔21。对此，钻井液经导液孔201进入储液腔21内，储液腔21内的钻井液一部分经常压管111导至外侧，使得增压器壳体11的外侧形成有常压钻井液，而另一部分则可经第一通孔131进入第一腔室17或者第二腔室18内，使得高压管112可以喷射高压水炮。

参见图1、图7-图10，本发明实施例还提供一种破岩方法，主要采用上述的岩爆钻井装置1，破岩时，将钻头2通过螺纹连接于增压器壳体11的下端，然后将两者的整体置于钻井内，通过地面泥浆泵向岩爆钻井装置1内输送钻井液。本实施例中，通过钻井液的液压能驱使驱动件15工作，驱动件15带动上阀片13旋转，同时钻井液进入储液腔21内，其内的储液腔21一部分经常压管111导出，且在上阀片13旋转至第一通孔131与第二通孔141连通时，储液腔21内另一部分钻井液经第一通孔131与第二通孔141进入第一腔室17内，迫使活塞16与活塞杆161竖直下移，第三腔室19与压缩弹簧162同步压缩，第二腔室18内的部分钻井液依次经第二导流孔115、第一凹槽132以及第三导流孔116排至增压器壳体11外侧，同时第三腔室19内形成高压，其内钻井液经第一控制阀191由各高压喷嘴113喷射形成水炮，水炮轰击钻头2正下方的岩石；驱动件15继续驱使上阀片13旋转，且至第一通孔131与第三通孔142连通时，储液腔21内的部分钻井液经第一通孔131以及第三通孔142进入第二腔室18内，第二腔室18内压力增大，驱使活塞16以及活塞杆161竖直上移，第三腔室19内压力减小，外侧常压钻井液经第二控制阀192进入第三腔室19内，同时活塞16上移压缩第一腔室17，其内部分钻井液依次经第二凹槽143、第一导流孔114、第一凹槽132以及第三导流孔116排至外侧，且当压缩弹簧162恢复至原长时，活塞16与活塞杆161停止上移，此时第一腔室17、第二腔室18以及第三腔室19均恢复至原状态，继续旋转上阀片13，各高压喷嘴113再次喷射水炮轰击岩石，依次类推，周期性持续轰击岩石，不但能够有效提高钻井效率，而且能够保证钻头2的使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。