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1、10申请公布号CN102705140A43申请公布日20121003CN102705140ACN102705140A21申请号申请日20120530F03B13/02200601E21B17/02200601E21B7/0020060171申请人中国石油化工集团公司地址100728北京市朝阳区朝阳门北大街22号申请人中国石化集团江汉石油管理局石油机械研究院72发明人高文金刘运荣杨建涂辉董学成蒋洪亮74专利代理机构湖北武汉永嘉专利代理有限公司42102代理人胡建平54发明名称钻井动力工具、钻井工具及形成井眼的钻井方法57摘要本发明公开了一种钻井动力工具、钻井工具及形。
2、成井眼的钻井方法。钻井动力工具包括能量转换机构和阀轴系统，所述能量转换机构为旋转发生器；所述阀轴系统包括定子、转子、动阀片总成、定阀片总成和轴总成，转子左右往复运动并驱动与其直接相连的动阀片总成；所述能量转换机构为螺杆或涡轮或叶轮。本发明可实现在旋转钻头的同时，其钻头处钻压和井底钻压均类似正弦规律的连续温和变化，有利于围岩强度降低和裂缝发育，能显著提高破岩效率；另外，钻头处井底压力发生周期性变化，交替产生负压和高压喷射，在压力变小时，为欠平衡或气体钻井液钻井，改变了围岩环境，能显著提高机械钻速。51INTCL权利要求书2页说明书9页附图4页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要。
3、求书2页说明书9页附图4页1/2页21一种钻井动力工具，包括能量转换机构和阀轴系统，其特征是所述能量转换机构为旋转发生器或扭力发生器，所述阀轴系统设置在能量转换机构下端，并与能量转换机构连接；所述阀轴系统包括定子、转子、动阀片总成、定阀片总成和轴总成；转子位于定子的空腔内且能够在其中左右往复摆动，转子穿过下端的定阀片总成且不与定阀片总成接触；定阀片总成与最下方的轴总成本体连接固定；动阀片总成位于转子的下端，与转子为一整体或直接连接固定在转子上；动阀片总成为带有偏离动力工具中心轴线的偏心圆孔的旋转阀片，定阀片总成上供转子通过的圆孔同样为偏离动力工具中心轴线的偏心孔，且两者的孔的中心不重合；动阀片。
4、总成与定阀片总成紧密接触、并相对定阀片总成的圆孔往复运动使动阀片总成的偏心圆孔与定阀片总成的圆孔相互交错或重合形成动态变化的阀流通孔；所述阀流通孔的面积随着旋转发生器或扭力发生器的转动而周期性变化。2根据权利要求1所述的钻井动力工具，其特征在于所述的旋转发生器或扭力发生器为螺杆或涡轮或叶轮。3根据权利要求1或2所述的钻井动力工具，其特征在于阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化。4一种由权利要求13之一所述的钻井动力工具构成的新型钻井工具，其特征在于所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处。5一种由权利要求13之一所述的钻井动力。
5、工具构成的新型钻井工具，其特征在于所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处。6一种利用权利要求4或5所述新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤A将钻井动力工具设置在井眼中钻柱上；B通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给动阀片总成或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片总成和定阀片总成相互交错或重合形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小；C通过调节能量转换机构，使其转动频率在104102S1，使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；D通过阀流。
6、通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；E通过动力工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力传递给钻头，形成连续变化的钻压,从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；其中，所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化使阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。7一种组合有上述权利要求13之一所。
7、述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力权利要求书CN102705140A2/2页3工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。8一种组合有上述权利要求13之一所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在井眼中钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头。
8、之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。9一种利用权利要求7或8所述新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤A将钻井工具设置在井眼中钻柱上；B通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴系统的动阀片或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片和定阀片相互交错形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大。
9、时小；C通过调节能量转换机构，使其转动频率在104102S1，使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；D通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；E连续变化的水击增压或降压波向上传递给振荡短节，由于内外压差的变化，当压力由小变大时，其作用于振荡短节的密封面使芯轴发生轴向向上位移，当压力消除，碟形弹簧使芯轴复位；此时，水击压力作用与振荡短接的蝶形弹簧振荡力也时大时小，跟阀座所承受总压力同步；F通过钻井工具将连续。
10、柔和变化的阀座所承受总压力和振荡短接的振荡力一并传递给钻头，形成周期性温和振荡的钻压,从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；其中，阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律变化，诱导蝶形弹簧跟随变化；由于弹簧的压缩是消耗能量的，所以，当能量释放时，主要作用力向下指向钻头方向，其余作用力向上；所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；调节阀流通孔面积的大小，使通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座所承受总压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀振荡力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。10根据权利要。
11、求6或9所述的钻井方法，其特征在于最小阀流通孔面积最大阀流通孔面积的1/5。权利要求书CN102705140A1/9页4钻井动力工具、钻井工具及形成井眼的钻井方法技术领域0001本发明涉及用于钻井工程中提高钻头破岩效率、延长钻头使用寿命、防止卡钻的钻井动力工具、由其构成的新型钻井工具及形成井眼的钻井方法。背景技术0002钻井的目的不止是构建油气通道，更重要的是发现更多的油气资源和尽量提高钻采效率。钻井工程面临的问题始终是如何确保“优，快，省”。钻井技术的研发一直是针对这些问题展开的。其中“优”指安全，“快”指高效，也就是如何安全地提高钻井效率。“优和快”是石油公司、钻井承包商和技术服务公司一贯。
12、追求的重要目标。近两年，钻井日费暴涨，安全地提高钻速尤为重要，对深井和深水钻井来说更是如此。0003随着井深的增加，水力沿程损耗增大，井底钻头可用水能急剧下降，水力破岩和清岩能力减弱，造成深井钻速低，钻头磨损快，粘卡严重等。另外，为了提高采油效率，水平井、分支井、大位移井、从式井等越来越重视，当前的井眼越来越不规则，摩阻和扭矩大，滑动钻井困难，井眼延伸范围小。0004目前钻井方式主要有冲击式钻井、常规旋转钻井和正在积极研发的旋冲钻井，冲击式钻井早已被常规旋转钻井替代，而常规旋转钻井的钻速和钻头磨损情况仍达不到满意程度，旋冲钻井的研发自60年代开始，一直在积极研究，目前仍然有各种技术瓶颈不能突破。
13、。0005实践证明，冲击器能够大幅度提高钻井速度，其钻进速度比普通旋转钻进速度提高30以上，井斜明显减小，钻具损坏减小，钻井成本降低20以上，该技术不能广泛推广的重要原因之一是冲击器质量不过关，寿命还达不到所需要的时间，现在的冲击器寿命一般在5080小时，还满足不了实际钻井的需要。因此要想实现冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用，必须提高冲击器的质量。0006另外，在冲锤撞击砧子的瞬间，作用力在极短时间内有很大的变化幅度，并以应力波得形式向钻头方向传递，对钻头等使用寿命有一定的影响。为提供粉碎岩石所需要的冲击力，往复式撞砧以75M/S102M/S的相对搞的线性速度撞击底座，导致接触的主体之间高速。
14、运动；此外，需要较大扭矩来平衡钻头与地层摩擦形成的扭矩。高接触速度和搞接触压力的组合效果产生大量的摩擦和热，在接触表面上导致严重的磨损伤害。在钻井过程中，冲击器对LWD和MWD有较大干涉。0007综上述，常规旋转钻井钻速慢、钻头易磨损，旋冲钻井对钻具破坏损伤大，且自身寿命短，急需研发一种新了钻井方法及其配套工具，通过简单有效地方式和工具提高破岩效率、延长钻头寿命、防止卡钻事故和解决滑动定向（简称ERD）钻进模式的难题等。发明内容0008本发明要解决的技术问题是提供一种用于钻井工程的提高破岩效率、延长钻头寿命并降低粘卡可能性的钻井动力工具，并在此基础上提供由其构成的新型钻井工具；更说明书CN10。
15、2705140A2/9页5进一步地，提供利用新型钻井工具形成井眼的钻井方法。0009本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种钻井动力工具，包括能量转换机构和阀轴系统，其特征是所述能量转换机构为旋转发生器或扭力发生器，所述阀轴系统设置在能量转换机构下端，并与能量转换机构连接；所述阀轴系统包括定子、转子、动阀片总成、定阀片总成和轴总成；转子位于定子的空腔内且能够在其中左右往复摆动，转子穿过下端的定阀片总成且不与定阀片总成接触；定阀片总成与最下方的轴总成本体连接固定；动阀片总成位于转子的下端，与转子为一整体或直接连接固定在转子上；动阀片总成为带有偏离动力工具中心轴线的偏心圆孔的旋转阀片，定阀片总成。
16、上供转子通过的圆孔同样为偏离动力工具中心轴线的偏心孔，且两者的孔的中心不重合；动阀片总成与定阀片总成紧密接触、并相对定阀片总成的圆孔往复运动使动阀片总成的偏心圆孔与定阀片总成的圆孔相互交错或重合形成动态变化的阀流通孔；所述阀流通孔的面积随着旋转发生器或扭力发生器的转动而周期性变化。0010按上述技术方案，所述的旋转发生器或扭力发生器为螺杆或涡轮或叶轮。0011按上述技术方案，阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化。0012按上述技术方案构成的新型钻井工具，其特征是所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处。0013按上述技术方案，。
17、所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处。0014按上述技术方案的新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤A将钻井动力工具设置在井眼中钻柱上；B通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给动阀片总成或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片总成和定阀片总成相互交错或重合形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小；C通过调节能量转换机构，使其转动频率在104102S1，使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；D通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作。
18、都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；E通过动力工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力传递给钻头，形成连续变化的钻压,从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；其中，所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化使阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。0015按上述技术方案所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是钻井动力工。
19、具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴说明书CN102705140A3/9页6和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。0016按上述技术方案所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在井眼中钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接。
20、处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。0017按上述技术方案的新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤A将钻井工具设置在井眼中钻柱上；B通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴系统的动阀片或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片和定阀片相互交错形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小；C通过调节能量转换机构，使其转动频率在104102S1，使整。
21、个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；D通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；E连续变化的水击增压或降压波向上传递给振荡短节，由于内外压差的变化，当压力由小变大时，其作用于振荡短节的密封面使芯轴发生轴向向上位移，当压力消除，碟形弹簧使芯轴复位；此时，水击压力作用与振荡短接的蝶形弹簧振荡力也时大时小，跟阀座所承受总压力同步；F通过钻井工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力和振荡短接的振荡力一并传递给钻头，形成周。
22、期性温和振荡的钻压,从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；其中，阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律变化，诱导蝶形弹簧跟随变化；由于弹簧的压缩是消耗能量的，所以，当能量释放时，主要作用力向下指向钻头方向，其余作用力向上；所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；调节阀流通孔面积的大小，使通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座所承受总压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀振荡力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。0018按上述技术方案，最小阀流通孔面积最大阀流通孔面积的1/5。0019按上述。
23、技术方案，振荡短节的振幅为0413CM，振动频率为1618HZ，振荡加速度小于3G。0020本发明的基本原理是钻井动力工具的能量转换机构将钻井液动能转换为旋转的机械能，使与其连接的阀产生旋转运动，使调节阀工作时产生的流量周期性变化尽可能为正弦，使阀上部产生水击现象，并作用于阀座上产生温和的振荡力，通过钻具传递给钻头，说明书CN102705140A4/9页7形成周期性连续柔和变化的钻压；或者，钻井动力工具上端与振荡短接相连，钻井液动能作用于与钻井动力工具上部相连接的振荡短节，使在短节内的弹簧跟随一起往复运动产生阀振荡力，在阀振荡力和弹簧力的双重作用下，造成与钻井动力工具连接的其他钻井工具在轴向上。
24、的往复运动，周期性变化的作用力传递给钻头，形成周期性温和振荡的钻压，提高破岩效率；另外柔和脉动的频率为1526HZ，钻具的应变速率为低于104102S1速率应该是个常数，何来单位，使钻具承受的载荷作用效果与静载荷相同，从而延长钻头等钻具的工作寿命；该方法使钻具在井底为动摩擦，减少摩阻，降低粘卡可能性，增加钻压，进一步提高破岩效率。0021与现有技术相比，本发明具有以下显著技术进步1、提供一种新的钻井破岩方法。0022目前的破岩方式主要有冲击破岩顿钻、旋转破岩常规和冲击回转破岩，其中主流的破岩方式为旋转破岩，机械钻速仍有待提高，冲击破岩由于排岩屑困难，现在使用比较少，冲击回转破岩技术比前两种破岩。
25、效率均高，但存在一些技术问题，仍然没有被广泛推广应用。0023本钻井方法的破岩方式为连续柔和脉动旋转破岩方法，在形式上不同于常规旋转破岩钻井，即通过新型钻井动力工具将常规旋转钻井的钻压发生类似正弦变化规律的连续柔和地变化。同时，通过新型动力工具将井底压力改变为连续柔和变化的井底压力，在一个周期内，有一段时间为井底局部为欠平衡状态，实现欠平衡钻井。0024连续柔和脉动破岩技术与冲击回转破岩存在本质区别，主要体现在工具和岩石的应变速率上。用于钻井的连续柔和振动破岩过程，井下钻具组合运动振幅为08CM，频率为17HZ，即其作用速率最大为08102，而静力作用时工具和的应变速率为104102，因此，工。
26、具和岩石内的作用力属于静作用力，工具不会出现形状比较陡的应力波；而冲击回转钻井过程，工具和的应变速率为大于102，冲锤作用铁砧后较短时间内，钻具组合内产生应力集中，易产生裂纹。0025连续柔和脉动破岩技术也不同于常规旋转钻井，其钻头与岩石的接触力的值是连续周期变化的，且作用频率为1525HZ；而常规旋转破岩方式的钻头与岩石接触力的值是近视为常数。0026在理论上，相同条件下，本发明提供的方法的破岩效率跟冲击破岩、旋转破岩和冲击回转破岩存在这样的关系冲击回转破岩连续柔和变化的钻压下旋转破岩常规旋转破岩冲击破岩。但是综合考虑单只钻头总进尺，机械钻速，钻压，降低粘卡和复杂井应用等，效果最好的是连续柔。
27、和振动破岩，它不仅提高钻速，延长单只钻头总进尺，增加有效钻压，降低卡钻风险，特别适用于大位移井、水平井钻井和深井复杂井等。0027显然，连续柔和振动旋转破岩方法是不同于常规钻井和旋冲钻井的一种新的钻井破岩方法，即提高破岩效率，同时保护和延长钻头等钻具的寿命。00282、提供动力工具以及由该工具多样化组合形成的新型钻井动力工具。0029动力工具本身为特殊的阀轴系统，通过将动力工具与常规井下动力工具结合，使常规井下动力工具与特殊的阀结合，将钻井液动能转化为沿钻具轴向的振动机械能。00303、提高破岩效率。0031该方法及其工具主要是将常规的旋转破岩方式改成钻压柔和变化的回转破岩，从说明书CN102。
28、705140A5/9页8而提高破岩效率。0032根据岩石破碎原理，在一定的轴向压力下冲击破碎岩石，岩石强度要降低5080。冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。由于岩石的动硬度要比静硬度小，固易产生微裂纹。并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育，因此，不大的冲击功就可以破碎坚硬岩石，而静压入时则需要很大的力本发明的动力工具为其阀轴系统提供的旋转频率F为1618HZ，若阀流通孔的最大有效流通面积为AMAX，其最小有效流通面积为AMIN。那么，任意时刻，该阀孔的有效流通面积为式中为阀开始旋转时初始位置对应的一个值，可以根据这个公式反算出来。0033本发明中调节阀的相对流量Q。
29、/QMAX与相对开度A/AMAX成直线关系，即单行程变化所引起的流量变化是一个常数式中R为阀能控制的最大与最小流量比称为可调比，RQMAX/QMIN。0034由流体力学可知，通过阀门的流量与阀门前后的压差成正相关的关系式中C是指系数，即压差对阀座所承受总压力F的影响很小。0035因此，若忽略流量瞬间变化量，阀座所承受总压力变化为阀座所承受总压力F与地面泵机排量及管串组合有关。对于具体的钻井过程，可以认为是管串组合的影响是个常数，即F与排量Q成正比。0036阀座所承受总压力通过钻具组合（简称BHA，以下同）传递给钻头，形成周期性变化的钻压，柔和的脉动钻压对井底岩石产生交变的冲击载荷，由于连续高频。
30、地给岩石施加冲击载荷，使得在碎岩过程中岩石的裂隙发育较完全，强度降低，更有利于岩石发生体积破碎，从而提高破岩效率。00374、增加钻压，进一步提高钻速。0038另外，阀座所承受总压力通过能量转换机构作用于振荡短节，振荡短节收到该力作用后，其内弹簧所受作用力发生变化，弹簧会阻碍这种变化趋势而发生弹性变形，于是弹簧以下的钻具在轴向上发生往复振荡运动。根据力平衡原理，弹簧的运动规律为式中K是指弹性系数。0039即BHA受迫振荡的运动方程为式中是指阻尼系数。0040本发明依靠振动BHA，破除钻具和井壁之间的静摩阻，使井底钻具组合在井底为动说明书CN102705140A6/9页9摩擦状态，摩擦系数大大降。
31、低，克服管串螺旋弯曲的发生，降低摩阻和扭矩，延伸钻达范围，改善钻压传递效果并提高机械钻速（简称ROP）需要给出标准的技术术语中文完整翻译，能够施加小钻压钻进。减少横向振动和扭转振动。而现有的各种冲击器不具备这样的功能。00415、保护钻具，延长钻头寿命。0042根据上面的推导结论，钻头对岩石的作用力是柔和的连续变化，属于静载荷，而不是冲击，钻头等钻具的应变速率为104102，效果与钻具承受静载荷作用相同，应力和应变比较平缓，钻具组合变形比较均匀的分布在各个晶粒中，远低于材料强度极限，不会对钻具造成振动破坏，不同于旋冲钻井钻具受作用力属于冲击载荷，从而保护钻具，延长钻头寿命。0043另外，在钻压。
32、连续变化的类冲击回转钻进中，破碎岩石时刃具与岩石处于较大相互作用力的时间很短，减少切削刃具磨损，延长钻头的使用寿命；本发明所提出的钻进方法中很容易达到体积破碎，体积破碎的摩擦系数低于表面破碎时的摩擦系数，也减少了切削刃具磨损，延长钻头的使用寿命；钻速快，切削具的相对磨损减少，延长钻头的使用寿命。0044目前，常规钻井中，钻压一直是恒定，钻具磨损快；在使用冲击器钻进过程中，虽然钻头与岩石的接触时间缩短了，但冲击造成钻井的应变速率大于102，钻头等容易产生应力集中，过早疲劳破坏。00456、降低粘卡可能性。0046过流面积不断改变，产生压力脉冲引起轴向振动，最终从该工具传出，振荡短节一下的BHA以。
33、正弦函数形式振动，破除钻具和井壁之间的静摩阻，摩擦系数大大降低，克服管串螺旋弯曲的发生，从而降低了BHA粘卡的可能性，特别是用于阻止使用定向组合进行滑动钻进时的粘卡趋势。现有的震击器属于事后处理，不能提前降低或防止粘卡风险。00477对随钻测井技术（简称LWD，以下同）和随钻测量技术（简称MWD，以下同）影响不大，在工作状态产生的振动不会破坏MWD、LWD工具和干扰系统信号，钻具组合中位置比较自由，可以在MWD工具的上或下方。00488钻井动力工具及其构成的新型钻井动力工具工作寿命长，能量转换机构为螺杆，则其寿命与螺杆寿命相当；若能量转换机构为其它全金属结构的扭力发生器，则其寿命更长。附图说明。
34、0049图1为本发明第一个实施例的钻井动力工具的结构示意图。0050图2为图1的剖示放大示意图。0051图3为图1的动阀片与定阀片形成的流通孔面积放大结构示意图。0052图4为本发明的第二个实施例，其中钻井动力工具与井底钻具组合示意图。0053图5为本发明的第三个实施例，其中钻井动力工具连接常规动力工具后与井底钻具组合示意图。0054图6为本发明的第四个实施例中钻井动力工具与振荡短接组合结构示意图。0055图7为本发明第四个实施例中阀流通孔面积A与井底压力N和阀座所承受总压力F随时间变化示意图。0056图中1、钻铤；2、钻井动力工具2；3、钻头；4、振荡短接；5、常规动力钻具；2A、转说明书C。
35、N102705140A7/9页10子；2A1、定子；2B、动阀片总成；2C、定阀片总成；2D、轴总成；2E、阀流通孔；4A、芯轴；4B、密封面；4C、碟形弹簧；4D、外筒。具体实施方式0057下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。0058实施例1参见图13一种钻井动力工具2，包括能量转换机构和阀轴系统，其特征是所述能量转换机构为旋转发生器或扭力发生器，一般为螺杆或涡轮或叶轮；所述阀轴系统设置在能量转换机构下端，并与能量转换机构通过螺纹连接；所述阀轴系统包括定子2A1、转子2A、动阀片总成2B、定阀片总成2C和轴总成2D，转子2A在定子2A1的空腔内做左右往复摆运动；转子2A穿过下端的定阀片总。
36、成2C的圆孔且不与定阀片总成2C接触；所述动阀片总成2B位于转子2A的下端，与转子2A为一整体或直接连接固定在转子2A上；动阀片总成2B的下端面与定阀片总成2C的上端面紧密接触，并相对定阀片总成2C的圆孔往复运动；所述定阀片总成2C通过螺纹与最下方的轴总成2D本体连接固定。动阀片总成2B为带有动力工具2中心轴线的偏心圆孔的旋转阀片，定阀片总成2C的圆孔同样为偏离动力工具2中心轴线的偏心孔，且两者的孔的中心不重合，随着转子2A往复摆动，使动阀片总成2B和定阀片总成2C相互交错形成流通孔，阀流通孔2E的面积发生周期性变化，时大时小。0059实施例2参见图14，一种新型钻井动力工具，将实施例1中的钻。
37、井动力工具2设置在钻柱的钻铤1和钻头3之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具2两端的连接处。0060实施例3参见图13、5，一种新型钻井工具，将实施例1中的钻井动力工具2设置在钻柱的钻铤1和钻头3之间，且在钻井动力工具2和钻头3之间设置常规动力钻具5；万向轴总成传分别设置在常规动力钻具5两端的连接处。0061实施例4参见图13、6，一种新型钻井工具，将实施例1中的钻井动力工具2上端与振荡短接4通过螺纹连接组合为整体，整体上端与钻铤1连接，整体下端部通过螺纹连接常规动力工具5，常规动力工具5和钻头3通过螺纹连接。该振荡短节4主要包括芯轴4A、芯轴内端面4B、碟形弹簧4C和外筒4D；芯轴4A位于。
38、外筒4D的上端大直径段且可在该段上下滑动，碟形弹簧4C位于芯轴4A和外筒4D之间且能使芯轴4A由高位置向地位置复位；外筒4D的大直径段与下端的小直径段形成内台阶面，芯轴4A位于最低位置时，芯轴下端的芯轴内端面4B与外筒4D的阶梯内台阶面相互接触密封。0062实施例5参见图13、6，一种新型钻井工具，将实施例1中的钻井动力工具2上端与振荡短接4通过螺纹连接，组合为整体，整体上端在井眼中与钻铤1连接，整体下端部和钻头3通过螺纹连接。该振荡短节4主要包括芯轴4A、芯轴内端面4B、碟形弹簧4C和外筒4D；芯轴4A位于外筒4D的上端大直径段且可在该段上下滑动，碟形弹簧4C位于芯轴4A和外筒4D之间且能使。
39、芯轴4A由高位置向地位置复位；外筒4D的大直径段与下端的小直径段形成内台阶面，芯轴4A位于最低位置时，芯轴下端的芯轴内端面4B与外筒4D的阶梯内台阶面相互接说明书CN102705140A108/9页11触密封。0063实施例6如图14，一种形成井眼的钻井方法，包括A将钻井动力工具2设置在井眼中钻铤1和钻头3之间上，该钻井动力工具2包括转子2A、定子2A1、动阀片总成2B、定阀片总成2C轴总成2D；B通过钻井动力工具2将钻井液水力能转换为转子2A旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴总成的动阀片或者直接通过单螺杆转子2A往复摆动，使动阀片2B和定阀片2C相互交错形成流通孔，阀流通孔2E的面积发生周。
40、期性变化，时大时小。0064C通过调节钻井动力工具2，使其转动频率在104102S1，使整个钻具所受载荷属于静载荷范围内。0065D通过阀流通孔2E的面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀流通孔2E下部产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力F连续柔和变化。同时，通过阀流通孔2E的面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力N发生连续变化。0066E通过钻具将连续柔和变化的定阀片总成2C所承受的总压力传递给钻头，形成连续变化的钻压，也即阀座所承受总压力F,从而提高破岩效率；通过阀流通孔2E调节井底压力N，在井底局部形成欠平衡钻井。0067通过调节阀流通。
41、孔2E的面积为动阀片总成2B和定阀片总成2C的孔重叠的面积，且阀流通孔2E的面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化。0068通过调节阀流通孔2E的面积的大小，保证最小阀流通孔面积是大于最大阀流通孔面积的1/5上。0069所述连续柔和变化的阀座所承受总压力是通过调节阀流通孔2E面积的大小，使通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座上承载的钻井液压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀座所承受总压力值为正弦变化，或其它柔和的脉动变化。0070周期性连续温和变化的钻压是通过钻具将动阀片总成2B和定阀片总成2C所承受的压力传递给钻头产生的，阀座所承受总压力F值以频率1526HZ的近似正弦。
42、规律变化。0071实施例7参加图13、6、7，一种形成井眼的钻井方法，包括A将钻井动力工具2上端与振荡短接4下端通过螺纹连接，并设置在井眼中钻铤1和钻头3之间上，该振荡短节4为圆柱体，主要包括芯轴4A、芯轴内端面4B、碟形弹簧4C和外筒4D；芯轴4A位于外筒4D的上端大直径段且可在该段上下滑动，碟形弹簧4C位于芯轴4A和外筒4D之间且能使芯轴4A由高位置向地位置复位；外筒4D的大直径段与下端的小直径段形成内台阶面，芯轴4A位于最低位置时，芯轴下端的芯轴内端面4B与外筒4D的阶梯内台阶面相互接触密封。0072B通过钻井动力工具2将钻井液水力能转换为转子2A旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴总成。
43、的动阀片或者直接通过单螺杆的转子2A往复摆动，使动阀片总成2B和定阀片总成2C的流通孔相互交错或重合，阀流通孔2E的面积发生周期性变化，时大时小。0073C通过调节钻井动力工具2，使其转动频率在104102S1，使整个钻具所受载说明书CN102705140A119/9页12荷属于静载荷范围内。0074D通过阀流通孔2E的面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使动阀片总成2B和定阀片总成2C所承受总压力连续柔和变化。同时，通过阀流通孔2E的面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力N发生连续变化。0075E连续变化的水击增压或。
44、降压波向上传递给振荡短节4，由于内外压差的变化，当压力由小变大时，其作用于密封面4B使芯轴4A发生轴向向上位移，当压力消除，碟形弹簧4C使其复位。此时，水击压力作用与振荡短接的振荡力也时大时小，跟阀座所承受的总压力同步。0076F通过钻具将连续柔和变化的阀座所承受的总压力和振荡短接的附近振荡力传递给钻头，形成连续变化的钻压，也即方向向下的阀座所承受总压力F，从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力N，在井底局部形成欠平衡钻井。0077所述周期性温和振荡的钻压F是阀座承压力和蝶形弹簧4C等共同作用产生的，阀座承压力以频率1526HZ的近似正弦规律变化，诱导蝶形弹簧4C跟随变化。0078所述阀振荡力是。
45、通过调节阀流通孔2E面积的大小，使通过阀流通孔2E的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座上承载的钻井液压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀座承载压力的值为正弦变化，或其它柔和的脉动变化。0079实施例8参见图13、5一种形成井眼的钻井方法，将钻井动力工具2上端与井眼中钻铤1连接，钻井动力工具2下端部与螺杆或涡轮动力工具5通过螺纹连接，螺杆或涡轮动力工具5和钻头3通过螺纹连接。0080以上仅是实现本发明的典型实施例，基于本发明的权利要求基本原理的其它形式在本发明范围之内。说明书CN102705140A121/4页13图1说明书附图CN102705140A132/4页14图2图3说明书附图CN102705140A143/4页15图4图5图6说明书附图CN102705140A154/4页16图7说明书附图CN102705140A16。
专利权的转移IPC(主分类):F03B 13/02登记生效日:20171019变更事项:专利权人变更前权利人:中石化石油工程机械有限公司变更后权利人:中石化石油机械股份有限公司变更事项:地址变更前权利人:430223 湖北省武汉市东湖新技术开发区光谷大道77号光谷金融港A2座12层变更后权利人:430223 湖北省武汉市东湖新技术开发区庙山小区华工园一路5号变更事项:共同专利权人变更前权利人:中石化石油工程机械有限公司研究院变更后权利人:中石化石油机械股份有限公司研究院专利权人的姓名或者名称、地址的变更IPC(主分类):F03B 13/02变更事项:专利权人变更前:中国石油化工集团公司变更后:中国石油化工集团公司变更事项:地址变更前:100728 北京市朝阳区朝阳门北大街22号变更后:100728 北京市朝阳区朝阳门北大街22号变更事项:专利权人变更前:中国石化集团江汉石油管理局石油机械研究院变更后:中石化石油工程机械有限公司研究院专利权的转移IPC(主分类):F03B 13/02变更事项:专利权人变更前权利人:中国石油化工集团公司变更后权利人:中石化石油工程机械有限公司变更事项:地址变更前权利人:100728 北京市朝阳区朝阳门北大街22号变更后权利人:430223 湖北省武汉市东湖新技术开发区光谷大道77号光谷金融港A2座12层变更事项:专利权人变更前权利人:中石化石油工程机械有限公司研究院变更后权利人:中石化石油工程机械有限公司研究院登记生效日:20150116授权实质审查的生效IPC(主分类):F03B 13/02申请日:20120530公开
本发明公开了一种钻井动力工具、钻井工具及形成井眼的钻井方法。钻井动力工具包括能量转换机构和阀轴系统，所述能量转换机构为旋转发生器；所述阀轴系统包括定子、转子、动阀片总成、定阀片总成和轴总成，转子左右往复运动并驱动与其直接相连的动阀片总成；所述能量转换机构为螺杆或涡轮或叶轮。本发明可实现在旋转钻头的同时，其钻头处钻压和井底钻压均类似正弦规律的连续温和变化，有利于围岩强度降低和裂缝发育，能显著提高破岩效率；另外，钻头处井底压力发生周期性变化，交替产生负压和高压喷射，在压力变小时，为欠平衡或气体钻井液钻井，改变了围岩环境，能显著提高机械钻速。
1.一种钻井动力工具，包括能量转换机构和阀轴系统，其特征是所述能量转换机构为
旋转发生器或扭力发生器，所述阀轴系统设置在能量转换机构下端，并与能量转换机构连接；所述阀轴系统包括定子、转子、动阀片总成、定阀片总成和轴总成；转子位于定子的空腔内且能够在其中左右往复摆动，转子穿过下端的定阀片总成且不与定阀片总成接触；定阀片总成与最下方的轴总成本体连接固定；动阀片总成位于转子的下端，与转子为一整体或直接连接固定在转子上；动阀片总成为带有偏离动力工具中心轴线的偏心圆孔的旋转阀片，定阀片总成上供转子通过的圆孔同样为偏离动力工具中心轴线的偏心孔，且两者的孔的中心不重合；动阀片总成与定阀片总成紧密接触、并相对定阀片总成的圆孔往复运动使动阀片总成的偏心圆孔与定阀片总成的圆孔相互交错或重合形成动态变化的阀流通孔；所述阀流通孔的面积随着旋转发生器或扭力发生器的转动而周期性变化。
2.根据权利要求1所述的钻井动力工具，其特征在于：所述的旋转发生器或扭力发生器为螺杆或涡轮或叶轮。
3.根据权利要求1或2所述的钻井动力工具，其特征在于：阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化。
4.一种由权利要求1-3之一所述的钻井动力工具构成的新型钻井工具，其特征在于：所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处。
5.一种由权利要求1-3之一所述的钻井动力工具构成的新型钻井工具，其特征在于：所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆
6.一种利用权利要求4或5所述新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤：
(B)通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给动阀片总成或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片总成和定阀片总成相互交错或重合形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小；
(C)通过调节能量转换机构，使其转动频率在10-4—10-2S-1，使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；
(D)通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；
(E)通过动力工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力传递给钻头，形成连续变化的钻压,从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；
其中，所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化使阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。
7.一种组合有上述权利要求1-3之一所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是：钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力
工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。
8.一种组合有上述权利要求1-3之一所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是：钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在井眼中钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。
9.一种利用权利要求7或8所述新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤：
(B)通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴系统的动阀片或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片和定阀片相互交错形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小；
(C)通过调节能量转换机构，使其转动频率在10-4—10-2S-1，使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；
(D)通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；
(E)连续变化的水击增压或降压波向上传递给振荡短节，由于内外压差的变化，当压力由小变大时，其作用于振荡短节的密封面使芯轴发生轴向向上位移，当压力消除，碟形弹簧使芯轴复位；此时，水击压力作用与振荡短接的蝶形弹簧振荡力也时大时小，跟阀座所承受总压力同步；
(F)通过钻井工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力和振荡短接的振荡力一并传递给钻头，形成周期性温和振荡的钻压,从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；
其中，阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律变化，诱导蝶形弹簧跟随变化；由于弹簧的压缩是消耗能量的，所以，当能量释放时，主要作用力向下指向钻头方向，其余作用力向上；
所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；调节阀流通孔面积的大小，使通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座所承受总压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀振荡力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。
10.根据权利要求6或9所述的钻井方法，其特征在于最小阀流通孔面积≥最大阀流通孔面积的1/5。
[0001]本发明涉及用于钻井工程中提高钻头破岩效率、延长钻头使用寿命、防止卡钻的钻井动力工具、由其构成的新型钻井工具及形成井眼的钻井方法。
[0002] 钻井的目的不止是构建油气通道，更重要的是发现更多的油气资源和尽量提高钻采效率。钻井工程面临的问题始终是如何确保“优，快，省”。钻井技术的研发一直是针对这些问题展开的。其中“优”指安全，“快”指高效，也就是如何安全地提高钻井效率。“优和快”是石油公司、钻井承包商和技术服务公司一贯追求的重要目标。近两年，钻井日费暴涨，安全地提高钻速尤为重要，对深井和深水钻井来说更是如此。
[0003] 随着井深的增加，水力沿程损耗增大，井底钻头可用水能急剧下降，水力破岩和清岩能力减弱，造成深井钻速低，钻头磨损快，粘卡严重等。另外，为了提高采油效率，水平井、分支井、大位移井、从式井等越来越重视，当前的井眼越来越不规则，摩阻和扭矩大，滑动钻井困难，井眼延伸范围小。
[0004]目前钻井方式主要有冲击式钻井、常规旋转钻井和正在积极研发的旋冲钻井，冲击式钻井早已被常规旋转钻井替代，而常规旋转钻井的钻速和钻头磨损情况仍达不到满意程度，旋冲钻井的研发自60年代开始，一直在积极研究，目前仍然有各种技术瓶颈不能突破。
[0005]实践证明，冲击器能够大幅度提高钻井速度，其钻进速度比普通旋转钻进速度提高30%以上，井斜明显减小，钻具损坏减小，钻井成本降低20%以上，该技术不能广泛推广的重要原因之一是冲击器质量不过关，寿命还达不到所需要的时间，现在的冲击器寿命一般在50-80小时，还满足不了实际钻井的需要。因此要想实现冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用，必须提高冲击器的质量。
[0006]另外，在冲锤撞击砧子的瞬间，作用力在极短时间内有很大的变化幅度，并以应力波得形式向钻头方向传递，对钻头等使用寿命有一定的影响。为提供粉碎岩石所需要的冲击力，往复式撞砧以7.5m/s-10.2m/s的相对搞的线性速度撞击底座，导致接触的主体之间高速运动；此外，需要较大扭矩来平衡钻头与地层摩擦形成的扭矩。高接触速度和搞接触压力的组合效果产生大量的摩擦和热，在接触表面上导致严重的磨损伤害。在钻井过程中，冲击器对LWD和MWD有较大干涉。
[0007]综上述，常规旋转钻井钻速慢、钻头易磨损，旋冲钻井对钻具破坏损伤大，且自身寿命短，急需研发一种新了钻井方法及其配套工具，通过简单有效地方式和工具提高破岩效率、延长钻头寿命、防止卡钻事故和解决滑动定向（简称ERD）钻进模式的难题等。
[0008]本发明要解决的技术问题是：提供一种用于钻井工程的提高破岩效率、延长钻头寿命并降低粘卡可能性的钻井动力工具，并在此基础上提供由其构成的新型钻井工具；更
[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种钻井动力工具，包括能量转换机构和阀轴系统，其特征是所述能量转换机构为旋
转发生器或扭力发生器，所述阀轴系统设置在能量转换机构下端，并与能量转换机构连接；所述阀轴系统包括定子、转子、动阀片总成、定阀片总成和轴总成；转子位于定子的空腔内且能够在其中左右往复摆动，转子穿过下端的定阀片总成且不与定阀片总成接触；定阀片总成与最下方的轴总成本体连接固定；动阀片总成位于转子的下端，与转子为一整体或直接连接固定在转子上；动阀片总成为带有偏离动力工具中心轴线的偏心圆孔的旋转阀片，定阀片总成上供转子通过的圆孔同样为偏离动力工具中心轴线的偏心孔，且两者的孔的中心不重合；动阀片总成与定阀片总成紧密接触、并相对定阀片总成的圆孔往复运动使动阀片总成的偏心圆孔与定阀片总成的圆孔相互交错或重合形成动态变化的阀流通孔；所述阀流通孔的面积随着旋转发生器或扭力发生器的转动而周期性变化。
[0010]按上述技术方案，所述的旋转发生器或扭力发生器为螺杆或涡轮或叶轮。
[0011]按上述技术方案，阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化。
[0012]按上述技术方案构成的新型钻井工具，其特征是：所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处。
[0013]按上述技术方案，所述钻井动力工具设置在钻柱的钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处。[0014]按上述技术方案的新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤：
(B)通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给动阀片总成或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片总成和定阀片总成相互交错或重合形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小；
(C)通过调节能量转换机构，使其转动频率在10-4—10-2S-1，使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；
(D)通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；
(E)通过动力工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力传递给钻头，形成连续变化的钻压,从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；
其中，所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化使阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。
[0015]按上述技术方案所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是：钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在钻柱的钻铤和钻头之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴
和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。
[0016]按上述技术方案所述钻井动力工具的新型钻井工具，其特征是：钻井动力工具与振荡短节相连接形成组合，所述组合设置在井眼中钻铤和钻头之间，且在钻井动力工具和钻头之间设置螺杆/涡轮；万向轴总成传分别设置在螺杆/涡轮两端的连接处；其中，振荡短节的下端与所述钻井动力工具的上端连接；所述振荡短节主要包括外筒以及设置在外筒内部并可沿外筒垂直滑动的芯轴，芯轴和外筒的环体壁面之间卡置有蝶形弹簧，芯轴的底部平面为密封面，该密封面能够与外筒的内孔台阶面结合密封或分离。
[0017]按上述技术方案的新型钻井工具形成井眼的钻井方法，其特征在于包括以下步骤：
(B)通过能量转换机构将钻井液水力能转换为转子旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴系统的动阀片或者直接通过单螺杆转子往复摆动，使动阀片和定阀片相互交错形成流通孔，且阀流通孔面积发生周期性变化，时大时小；
(C)通过调节能量转换机构，使其转动频率在10-4—10-2S-1，使整个钻井动力工具所受载荷属于静载荷范围内；
(D)通过阀流通孔面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力连续柔和变化；同时，通过阀流通孔面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力发生连续变化；
(E)连续变化的水击增压或降压波向上传递给振荡短节，由于内外压差的变化，当压力由小变大时，其作用于振荡短节的密封面使芯轴发生轴向向上位移，当压力消除，碟形弹簧使芯轴复位；此时，水击压力作用与振荡短接的蝶形弹簧振荡力也时大时小，跟阀座所承受总压力同步；
(F)通过钻井工具将连续柔和变化的阀座所承受总压力和振荡短接的振荡力一并传递给钻头，形成周期性温和振荡的钻压,从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力，在井底局部形成欠平衡钻井；
其中，阀座所承受总压力以正弦或者近似正弦规律变化，诱导蝶形弹簧跟随变化；由于弹簧的压缩是消耗能量的，所以，当能量释放时，主要作用力向下指向钻头方向，其余作用力向上；
所述阀流通孔面积为动阀片总成和定阀片总成重叠的面积，且阀流通孔面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化；调节阀流通孔面积的大小，使通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座所承受总压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀振荡力以正弦或者近似正弦规律连续柔和变化。
[0018]按上述技术方案，最小阀流通孔面积≥最大阀流通孔面积的1/5。
[0019]按上述技术方案，振荡短节的振幅为0.4～1.3cm，振动频率为16—18Hz，振荡加速度小于3g。
[0020]本发明的基本原理是：钻井动力工具的能量转换机构将钻井液动能转换为旋转的机械能，使与其连接的阀产生旋转运动，使调节阀工作时产生的流量周期性变化尽可能为正弦，使阀上部产生水击现象，并作用于阀座上产生温和的振荡力，通过钻具传递给钻头，
形成周期性连续柔和变化的钻压；或者，钻井动力工具上端与振荡短接相连，钻井液动能作用于与钻井动力工具上部相连接的振荡短节，使在短节内的弹簧跟随一起往复运动产生阀振荡力，在阀振荡力和弹簧力的双重作用下，造成与钻井动力工具连接的其他钻井工具在轴向上的往复运动，周期性变化的作用力传递给钻头，形成周期性温和振荡的钻压，提高破岩效率；另外柔和脉动的频率为15～26Hz，钻具的应变速率为低于10-4～10-2S-1速率应该是个常数，何来单位，使钻具承受的载荷作用效果与静载荷相同，从而延长钻头等钻具的工作寿命；该方法使钻具在井底为动摩擦，减少摩阻，降低粘卡可能性，增加钻压，进一步提高破岩效率。
[0022]目前的破岩方式主要有冲击破岩顿钻、旋转破岩常规和冲击回转破岩，其中主流的破岩方式为旋转破岩，机械钻速仍有待提高，冲击破岩由于排岩屑困难，现在使用比较少，冲击回转破岩技术比前两种破岩效率均高，但存在一些技术问题，仍然没有被广泛推广应用。
[0023]本钻井方法的破岩方式为连续柔和脉动旋转破岩方法，在形式上不同于常规旋转破岩钻井，即通过新型钻井动力工具将常规旋转钻井的钻压发生类似正弦变化规律的连续柔和地变化。同时，通过新型动力工具将井底压力改变为连续柔和变化的井底压力，在一个周期内，有一段时间为井底局部为欠平衡状态，实现欠平衡钻井。
[0024]连续柔和脉动破岩技术与冲击回转破岩存在本质区别，主要体现在工具和岩石的应变速率上。用于钻井的连续柔和振动破岩过程，井下钻具组合运动振幅为0.8cm，频率为
17HZ，即其作用速率最大为0.8×10-2，而静力作用时工具和的应变速率为10-4～10-2，因此，工具和岩石内的作用力属于静作用力，工具不会出现形状比较陡的应力波；而冲击回转钻井过程，工具和的应变速率为大于10-2，冲锤作用铁砧后较短时间内，钻具组合内产生应力集中，易产生裂纹。
[0025]连续柔和脉动破岩技术也不同于常规旋转钻井，其钻头与岩石的接触力的值是连续周期变化的，且作用频率为15～25HZ；而常规旋转破岩方式的钻头与岩石接触力的值是近视为常数。
[0026]在理论上，相同条件下，本发明提供的方法的破岩效率跟冲击破岩、旋转破岩和冲击回转破岩存在这样的关系：冲击回转破岩连续柔和变化的钻压下旋转破岩常规旋转破岩冲击破岩。但是综合考虑单只钻头总进尺，机械钻速，钻压，降低粘卡和复杂井应用等，效果最好的是连续柔和振动破岩，它不仅提高钻速，延长单只钻头总进尺，增加有效钻压，降低卡钻风险，特别适用于大位移井、水平井钻井和深井复杂井等。
[0027]显然，连续柔和振动旋转破岩方法是不同于常规钻井和旋冲钻井的一种新的钻井破岩方法，即提高破岩效率，同时保护和延长钻头等钻具的寿命。
[0028]2、提供动力工具以及由该工具多样化组合形成的新型钻井动力工具。
[0029] 动力工具本身为特殊的阀轴系统，通过将动力工具与常规井下动力工具结合，使常规井下动力工具与特殊的阀结合，将钻井液动能转化为沿钻具轴向的振动机械能。[0030] 3、提高破岩效率。
[0031]该方法及其工具主要是将常规的旋转破岩方式改成钻压柔和变化的回转破岩，从
[0032]根据岩石破碎原理，在一定的轴向压力下冲击破碎岩石，岩石强度要降低50%～
80%。冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。由于岩石的动硬度要比静硬度小，固易产生微裂纹。并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育，因此，不大的冲击功就可以破碎坚硬岩石，而静压入时则需要很大的力.
本发明的动力工具为其阀轴系统提供的旋转频率f为16—18Hz，若阀流通孔的最大有效流通面积为Amax，其最小有效流通面积为Amin。那么，任意时刻，该阀孔的有效流通面积为：
[0033]本发明中调节阀的相对流量Q/Qmax与相对开度A/Amax成直线关系，即单行程变化所引起的流量变化是一个常数：
[0034]由流体力学可知，通过阀门的流量与阀门前后的压差成正相关的关系：
阀座所承受总压力F与地面泵机排量及管串组合有关。对于具体的钻井过程，可以认为是管串组合的影响是个常数，即F与排量Q成正比。
[0036]阀座所承受总压力通过钻具组合（简称BHA，以下同）传递给钻头，形成周期性变化的钻压，柔和的脉动钻压对井底岩石产生交变的冲击载荷，由于连续高频地给岩石施加冲击载荷，使得在碎岩过程中岩石的裂隙发育较完全，强度降低，更有利于岩石发生体积破碎，从而提高破岩效率。
[0038]另外，阀座所承受总压力通过能量转换机构作用于振荡短节，振荡短节收到该力作用后，其内弹簧所受作用力发生变化，弹簧会阻碍这种变化趋势而发生弹性变形，于是弹簧以下的钻具在轴向上发生往复振荡运动。根据力平衡原理，弹簧的运动规律为：
[0040]本发明依靠振动BHA，破除钻具和井壁之间的静摩阻，使井底钻具组合在井底为动
摩擦状态，摩擦系数大大降低，克服管串螺旋弯曲的发生，降低摩阻和扭矩，延伸钻达范围，改善钻压传递效果并提高机械钻速（简称ROP）需要给出标准的技术术语中文完整翻译，能够施加小钻压钻进。减少横向振动和扭转振动。而现有的各种冲击器不具备这样的功能。[0041] 5、保护钻具，延长钻头寿命。
[0042]根据上面的推导结论，钻头对岩石的作用力是柔和的连续变化，属于静载荷，而不是冲击，钻头等钻具的应变速率为10-4～10-2，效果与钻具承受静载荷作用相同，应力和应变比较平缓，钻具组合变形比较均匀的分布在各个晶粒中，远低于材料强度极限，不会对钻具造成振动破坏，不同于旋冲钻井钻具受作用力属于冲击载荷，从而保护钻具，延长钻头寿命。
[0043] 另外，在钻压连续变化的类冲击回转钻进中，破碎岩石时刃具与岩石处于较大相互作用力的时间很短，减少切削刃具磨损，延长钻头的使用寿命；本发明所提出的钻进方法中很容易达到体积破碎，体积破碎的摩擦系数低于表面破碎时的摩擦系数，也减少了切削刃具磨损，延长钻头的使用寿命；钻速快，切削具的相对磨损减少，延长钻头的使用寿命。[0044] 目前，常规钻井中，钻压一直是恒定，钻具磨损快；在使用冲击器钻进过程中，虽然钻头与岩石的接触时间缩短了，但冲击造成钻井的应变速率大于10-2，钻头等容易产生应力集中，过早疲劳破坏。
[0046] 过流面积不断改变，产生压力脉冲引起轴向振动，最终从该工具传出，振荡短节一下的BHA以正弦函数形式振动，破除钻具和井壁之间的静摩阻，摩擦系数大大降低，克服管串螺旋弯曲的发生，从而降低了BHA粘卡的可能性，特别是用于阻止使用定向组合进行滑动钻进时的粘卡趋势。现有的震击器属于事后处理，不能提前降低或防止粘卡风险。[0047] 7对随钻测井技术（简称LWD，以下同）和随钻测量技术（简称MWD，以下同）影响不大，在工作状态产生的振动不会破坏MWD、LWD工具和干扰系统信号，钻具组合中位置比较自由，可以在MWD工具的上或下方。
[0048]8钻井动力工具及其构成的新型钻井动力工具工作寿命长，能量转换机构为螺杆，则其寿命与螺杆寿命相当；若能量转换机构为其它全金属结构的扭力发生器，则其寿命更长。
[0051] 图3为图1的动阀片与定阀片形成的流通孔面积放大结构示意图。
[0052] 图4为本发明的第二个实施例，其中钻井动力工具与井底钻具组合示意图。[0053] 图5为本发明的第三个实施例，其中钻井动力工具连接常规动力工具后与井底钻具组合示意图。
[0054] 图6为本发明的第四个实施例中钻井动力工具与振荡短接组合结构示意图。[0055] 图7为本发明第四个实施例中阀流通孔面积A与井底压力N和阀座所承受总压力F随时间变化示意图。
[0056] 图中：1、钻铤；2、钻井动力工具2；3、钻头；4、振荡短接；5、常规动力钻具；2a、转
子；2a1、定子；2b、动阀片总成；2c、定阀片总成；2d、轴总成；2e、阀流通孔；4a、芯轴；4b、密封面；4c、碟形弹簧；4d、外筒。
参见图1-3：一种钻井动力工具2，包括能量转换机构和阀轴系统，其特征是所述能量转换机构为旋转发生器或扭力发生器，一般为螺杆或涡轮或叶轮；所述阀轴系统设置在能量转换机构下端，并与能量转换机构通过螺纹连接；所述阀轴系统包括定子2a1、转子2a、动阀片总成2b、定阀片总成2c和轴总成2d，转子2a在定子2a1的空腔内做左右往复摆运动；转子2a穿过下端的定阀片总成2c的圆孔且不与定阀片总成2c接触；所述动阀片总成
2b位于转子2a的下端，与转子2a为一整体或直接连接固定在转子2a上；动阀片总成2b的下端面与定阀片总成2c的上端面紧密接触，并相对定阀片总成2c的圆孔往复运动；所述定阀片总成2c通过螺纹与最下方的轴总成2d本体连接固定。动阀片总成2b为带有动力工具2中心轴线的偏心圆孔的旋转阀片，定阀片总成2c的圆孔同样为偏离动力工具2中心轴线的偏心孔，且两者的孔的中心不重合，随着转子2a往复摆动，使动阀片总成2b和定阀片总成2c相互交错形成流通孔，阀流通孔2e的面积发生周期性变化，时大时小。
参见图1-4，一种新型钻井动力工具，将实施例1中的钻井动力工具2设置在钻柱的钻铤1和钻头3之间；万向轴总成传分别设置在钻井动力工具2两端的连接处。
参见图1-3、5，一种新型钻井工具，将实施例1中的钻井动力工具2设置在钻柱的钻铤
1和钻头3之间，且在钻井动力工具2和钻头3之间设置常规动力钻具5；万向轴总成传分别设置在常规动力钻具5两端的连接处。
参见图1-3、6，一种新型钻井工具，将实施例1中的钻井动力工具2上端与振荡短接4通过螺纹连接组合为整体，整体上端与钻铤1连接，整体下端部通过螺纹连接常规动力工具5，常规动力工具5和钻头3通过螺纹连接。该振荡短节4主要包括芯轴4a、芯轴内端面
4b、碟形弹簧4c和外筒4d；芯轴4a位于外筒4d的上端大直径段且可在该段上下滑动，碟形弹簧4c位于芯轴4a和外筒4d之间且能使芯轴4a由高位置向地位置复位；外筒4d的大直径段与下端的小直径段形成内台阶面，芯轴4a位于最低位置时，芯轴下端的芯轴内端面
参见图1-3、6，一种新型钻井工具，将实施例1中的钻井动力工具2上端与振荡短接4通过螺纹连接，组合为整体，整体上端在井眼中与钻铤1连接，整体下端部和钻头3通过螺纹连接。该振荡短节4主要包括芯轴4a、芯轴内端面4b、碟形弹簧4c和外筒4d；芯轴4a位于外筒4d的上端大直径段且可在该段上下滑动，碟形弹簧4c位于芯轴4a和外筒4d之间且能使芯轴4a由高位置向地位置复位；外筒4d的大直径段与下端的小直径段形成内台阶面，芯轴4a位于最低位置时，芯轴下端的芯轴内端面4b与外筒4d的阶梯内台阶面相互接
(A)将钻井动力工具2设置在井眼中钻铤1和钻头3之间上，该钻井动力工具2包括转子2a、定子2a1、动阀片总成2b、定阀片总成2c轴总成2d；
(B)通过钻井动力工具2将钻井液水力能转换为转子2a旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴总成的动阀片或者直接通过单螺杆转子2a往复摆动，使动阀片2b和定阀片2c相互交错形成流通孔，阀流通孔2e的面积发生周期性变化，时大时小。
[0064] (C)通过调节钻井动力工具2，使其转动频率在10-4—10-2S-1，使整个钻具所受载荷属于静载荷范围内。
[0065](D)通过阀流通孔2e的面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀流通孔
2e下部产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使阀座所承受总压力F连续柔和变化。同时，通过阀流通孔2e的面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力N发生连续变化。
[0066](E)通过钻具将连续柔和变化的定阀片总成2c所承受的总压力传递给钻头，形成连续变化的钻压，也即阀座所承受总压力F,从而提高破岩效率；通过阀流通孔2e调节井底压力N，在井底局部形成欠平衡钻井。
[0067] 通过调节阀流通孔2e的面积为动阀片总成2b和定阀片总成2c的孔重叠的面积，且阀流通孔2e的面积随时间按正弦或者近似正弦规律发生周期性变化。
[0068] 通过调节阀流通孔2e的面积的大小，保证最小阀流通孔面积是大于最大阀流通孔面积的1/5上。
[0069] 所述连续柔和变化的阀座所承受总压力是通过调节阀流通孔2e面积的大小，使通过阀孔的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座上承载的钻井液压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀座所承受总压力值为正弦变化，或其它柔和的脉动变化。
[0070] 周期性连续温和变化的钻压是通过钻具将动阀片总成2b和定阀片总成2c所承受的压力传递给钻头产生的，阀座所承受总压力F值以频率15～26Hz的近似正弦规律变化。[0071] 实施例7
(A)将钻井动力工具2上端与振荡短接4下端通过螺纹连接，并设置在井眼中钻铤1和钻头3之间上，该振荡短节4为圆柱体，主要包括芯轴4a、芯轴内端面4b、碟形弹簧4c和外筒4d；芯轴4a位于外筒4d的上端大直径段且可在该段上下滑动，碟形弹簧4c位于芯轴
4a和外筒4d之间且能使芯轴4a由高位置向地位置复位；外筒4d的大直径段与下端的小直径段形成内台阶面，芯轴4a位于最低位置时，芯轴下端的芯轴内端面4b与外筒4d的阶梯内台阶面相互接触密封。
[0072] (B)通过钻井动力工具2将钻井液水力能转换为转子2a旋转的机械能，由万向轴总成传递给阀轴总成的动阀片或者直接通过单螺杆的转子2a往复摆动，使动阀片总成
2b和定阀片总成2c的流通孔相互交错或重合，阀流通孔2e的面积发生周期性变化，时大时小。
[0073](C)通过调节钻井动力工具2，使其转动频率在10-4—10-2S-1，使整个钻具所受载
[0074](D)通过阀流通孔2e的面积连续变化，每一个微小的变化动作都会在阀门处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波，使动阀片总成2b和定阀片总成2c所承受总压力连续柔和变化。同时，通过阀流通孔2e的面积连续变化使阀局部水头损失系数也发生连续变化，钻头处井底压力N发生连续变化。
[0075] (E)连续变化的水击增压或降压波向上传递给振荡短节4，由于内外压差的变化，当压力由小变大时，其作用于密封面4b使芯轴4a发生轴向向上位移，当压力消除，碟形弹簧4c使其复位。此时，水击压力作用与振荡短接的振荡力也时大时小，跟阀座所承受的总压力同步。
[0076](F)通过钻具将连续柔和变化的阀座所承受的总压力和振荡短接的附近振荡力传递给钻头，形成连续变化的钻压，也即方向向下的阀座所承受总压力F，从而提高破岩效率；通过阀调节井底压力N，在井底局部形成欠平衡钻井。
[0077] 所述周期性温和振荡的钻压F是阀座承压力和蝶形弹簧4c等共同作用产生的，阀座承压力以频率15～26Hz的近似正弦规律变化，诱导蝶形弹簧4c跟随变化。
[0078] 所述阀振荡力是通过调节阀流通孔2e面积的大小，使通过阀流通孔2e的钻井液的流量发生周期性变化，使阀座上承载的钻井液压力发生周期性变化，从而产生阀振荡力，且阀座承载压力的值为正弦变化，或其它柔和的脉动变化。
参见图1-3、5：一种形成井眼的钻井方法，将钻井动力工具2上端与井眼中钻铤1连接，钻井动力工具2下端部与螺杆或涡轮动力工具5通过螺纹连接，螺杆或涡轮动力工具5和钻头3通过螺纹连接。
[0080] 以上仅是实现本发明的典型实施例，基于本发明的权利要求基本原理的其它形式在本发明范围之内。
