CN110984845A - 一种中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，所述方法通过双速双心钻井提速设备来实现，该设备包括分流装置、外筒体、井下动力装置、扶正装置、大切削头和小切削头，其中，大切削头具有第一中心线、小切削头具有第二中心线，第二中心线与第一中心线平行但不重合；外筒体套装在井下动力装置之外并能在上部钻柱的带动下旋转；井下动力装置能够驱动小切削头自转。所述钻井提速方法包括：通过小切削头的自转、以及上部钻柱带动转动的共同作用，以在井底钻出第一尺寸的井眼；然后，通过上部钻柱带动大切削头对第一尺寸的井眼进行钻进，得到第二尺寸的井眼。本发明能够避免大切削头中心点线速度为零的问题，有利于提高钻井速度。

Description

一种中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法

技术领域

本发明属于油气钻井提速技术领域，具体来讲，涉及一种能够进一步提高钻进速度的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法。

背景技术

在油气井钻井工程中，如何提高钻井速度一直是人们研究的重要课题。虽然，目前通过对钻头结构优化设计，例如，开发新的钻头牙齿材料、更高性能的牙齿等，使得钻井速度得到了一定程度的提高，但是，仍然没有解决钻井时钻头中心点线速度为零，以及中心点附近线速度低影响钻井速度的问题。

而且发明人发现，这种影响，在当前大量使用的PDC钻头中尤其明显。从使用后起出的钻头也不难发现，这个问题是影响钻井速度提升的关键问题之一。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于解决钻井时钻头中心点线速度为零的技术问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法。

所述钻井提速方法通过双速双心钻井提速设备来实现，所述双速双心钻井提速设备包括外筒体、井下动力装置、大切削头和小切削头，其中，所述大切削头具有第一中心线、沿所述第一中心线设置的贯穿通孔、以及第一直径，小切削头具有第二中心线和第二直径，所述第二直径小于所述第一直径，所述第二中心线与所述第一中心线平行但不重合；所述外筒体套装在所述井下动力装置之外并形成环空，并且所述外筒体的左端直接与上部钻柱连接，同时所述外筒体的右端直接与所述大切削头连接，以使大切削头能够在上部钻柱的带动下钻进，同时使井下动力装置在上部钻柱的带动下旋转；所述井下动力装置具有动力发生部和旋转输出部，其中，所述动力发生部能够产生动力并使旋转输出部旋转，所述旋转输出部穿过大切削头的所述贯穿通孔与小切削头连接，并能够驱动小切削头自转，并且所述钻井提速方法包括：通过小切削头的所述自转、以及上部钻柱带动井下动力装置进而带动小切削头的转动的共同作用，以在井底钻出第一尺寸的井眼；然后，通过上部钻柱带动大切削头对所述第一尺寸的井眼进行钻进，得到第二尺寸的井眼。

在根据本发明一方面的一个示例性实施例中，所述钻井提速方法还可以包括获取钻井系统、录井系统的各个环节的实时数据，然后根据所述实时数据、钻井工况、地层岩性对钻井参数进行调节。

在根据本发明一方面的一个示例性实施例中，所述第一中心线与第二中心线之间的距离可以为第一直径的1/50～1/10。

在根据本发明一方面的一个示例性实施例中，所述小切削头的角速度与大切削头的角速度之比可为4～7：1。

本发明的另一目的在于提供一种能够有效解决钻井时钻头中心点线速度为零且利用分流的钻井液实现喷射辅助钻井的钻井提速方法。

为了实现该目的，本发明的另一方面提供了一种中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，所述钻井提速方法通过双速双心钻井提速设备来实现，所述双速双心钻井提速设备包括分流装置、外筒体、井下动力装置、扶正装置、大切削头和小切削头，其中，所述大切削头具有第一中心线、沿所述第一中心线设置的贯穿通孔、以及第一直径，小切削头具有第二中心线和第二直径，所述第二直径小于所述第一直径，所述第二中心线与所述第一中心线平行但不重合；所述外筒体套装在所述井下动力装置之外并形成环空，并且所述外筒体的左端通过所述分流装置与上部钻柱连接，同时所述外筒体的右端通过所述扶正装置与大切削头连接，以使大切削头能够在上部钻柱的带动下钻进，同时使井下动力装置在上部钻柱的带动下旋转；所述井下动力装置具有动力发生部和旋转输出部，其中，所述动力发生部能够产生动力并使旋转输出部旋转，所述旋转输出部穿过大切削头的所述贯穿通孔与小切削头连接，并能够驱动小切削头自转；所述扶正装置被设置为扶正所述动力发生部、旋转输出部或小切削头；所述分流装置被设置为能够将上部钻柱中的钻井液分隔为第一液流和第二液流，其中，所述第一液流进入所述环空，并能够润滑大切削头，所述第二液流进入所述井下动力装置的动力发生部，并且所述钻井提速方法包括：通过小切削头的所述自转、以及上部钻柱带动井下动力装置进而带动小切削头的转动的共同作用，以在井底钻出第一尺寸的井眼；然后，通过上部钻柱带动大切削头对所述第一尺寸的井眼进行钻进，得到第二尺寸的井眼。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述钻井提速方法还可以包括获取钻井系统、录井系统的各个环节的实时数据，然后根据所述实时数据、钻井工况、地层岩性对钻井参数进行调节。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述钻井提速方法还可以包括运用比能法优化钻井评价体系，从而指导钻前机械钻速预测、随钻过程中诊断井底工况并优化钻井参数、钻后优选与评价钻头。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述第一中心线与第二中心线之间的距离可为第一直径的1/50～1/10。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述小切削头的角速度与大切削头的角速度之比可为4～7：1。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述小切削头可具有径向截面积逐渐缩小的喷射通道，所述喷射通道的一端接收流经所述动力发生部的第二液流，并从所述喷射通道的另一端喷出。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，从喷射通道的另一端喷出的液流的压力为一端接收液流的1.5～2.1倍。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述扶正装置可具有类梅花状腔体，所述类梅花状腔体能够扶正所述动力发生部或旋转输出部，或者能够扶正小切削头与旋转输出部连接的部分。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述分流装置可具有分水部件，其中，所述分水部件上设置有中心孔和多个分水孔，所述多个分水孔能够将上部钻柱中的钻井液与所述环空连通并形成所述第一液流，所述中心孔能够将上部钻柱的钻井液与所述动力发生部连通并形成所述第二液流。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

1、在现有条件基础上，提高钻井速度；

2、消除了井底中心理论线速度的零的点，即整个井底没有线速度为零的点；

3、在不增加钻井液排量，泵压力情况下，能在井底中部形成喷射钻井的提速效果；

4、与同尺寸井眼中相比较，实现同样转速的情况下，降低井底动力钻具的尺寸、扭矩和成本；

5、减少了井底动力钻具损坏掉井的风险，整个工艺和作业过程中，集成了比能法、高压喷射等多个现有技术。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的工艺流程图；

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备的结构示意图；

图3示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备中的分流装置的结构示意图；

图4示出了图3的右视图；

图5示出了图3的实物示意图；

图6示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备中的扶正装置的结构示意图；

图7示出了图6的右视图；

图8示出了图6的实物示意图；

图9示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备的实物示意图；

图10示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备的结构示意图。

附图标记说明如下：

1-分流装置、2-外筒体、3-井下动力装置、4-扶正装置、5-大切削头、6-小切削头、1a-分水孔、1b-中心孔、4a-内凸台、4b-凹面、1＇-外筒体、2＇-井下动力装置、3＇-大切削头、4＇-小切削头。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法。需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“左”、“右”、“内”、“外”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。

总的来讲，为了解决钻头中心点线速度为零的问题，发明人提出了利用双速双心钻井提速设备进行钻井的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法。双速双心钻井提速设备通过设置具有第一中心线、沿第一中心线设置的贯穿通孔、以及第一直径的大切削头(也可称为大钻头)；以及具有第二中心线和第二直径的小切削头(也可称为小钻头)；并且确保所述第二直径小于所述第一直径，所述第二中心线与所述第一中心线平行但不重合的方式来实现“双心”。同时，大切削头通过上部钻柱获得旋转钻进的第一动力，并通过来自上部钻柱的钻井液提供润滑；小切削头通过井下动力装置获得旋转钻进的第二动力，这里相当于小切削头绕所述第二中心线“自转”，并且上部钻柱还能够带动井下动力装置进而带动小切削头进行转动，相当于小切削头绕第一中心线“公转”，从而实现“双速”。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的工艺流程图。

如图1中所示，在本发明的第一示例性实施例中，中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法可包括以下步骤：

将带双速双心钻井提速设备的上部钻柱下入井下目标位置。也就是说，利用钻柱将双速双心钻井提速设备下入到井下待钻位置(例如，井底，待钻岩面等)。这里，双速双心钻井提速方法可以用于竖向井的钻井提速，也可以用于水平井的钻井提速。然而，本发明不限于此，只要能够利用钻柱将双速双心钻井提速设备下入井下即可。

通过小切削头的所述自转、以及上部钻柱带动井下动力装置进而带动小切削头的转动的共同作用，以在井底钻出第一尺寸的井眼。也就是说上部钻柱旋转带动双速双心钻井提速设备旋转，双速双心钻井提速设备的小切削头在井下动力装置带动下随上部钻柱一同旋转(即绕第一中心线公转)，同时又在井下动力装置的旋转输出部的带动下自转，以在井底钻出第一尺寸的井眼(也称小井眼)形成空心岩体。这里，小切削头在自转和公转共同作用下具有较高的角速度，从而也具有较高的线切削速度，而大切削头仅由上部钻柱带动旋转，角速度低于小切削头。例如，小切削头的角速度与大切削头的角速度之比可以为2～9：1。又如，小切削头的角速度与大切削头的角速度之比可以为4～7：1。小切削头先与待钻位置接触，将难钻的中间部分钻掉钻出第一尺寸井眼，第一尺寸井眼周围的岩体变得相对容易钻掉。

然后，通过上部钻柱带动大切削头对所述第一尺寸的井眼进行钻进，得到第二尺寸的井眼。也就是说，双速双心钻井提速设备的大切削头在上部钻柱带动下将第一尺寸井眼周围的岩体钻掉，以形成需要尺寸的井眼即第二尺寸井眼。在钻井过程中，小切削头高速旋转持续不断形成第一尺寸井眼，大切削头持续不断将第一尺寸井眼周围岩体钻掉形成第二尺寸井眼。在某一具体深度，小切削头先钻出第一尺寸井眼，经过一定时间间隔后大切削头再将第一尺寸井眼周围岩体钻掉。这里，小切削头钻出小井眼与大切削头钻掉小井眼周围岩体的时间间隔由井下钻进地层、钻井液性能在整个系统设计加工中所确定。

与此同时，上部钻柱中的钻井液通过小切削头上的喷射通道喷向井底进行喷射钻井。即，在小切削头钻出第一尺寸井眼形成空心岩体的同时，来自上部钻柱中的一部分钻井液(例如，第二液流)从小切削头上的喷射通道一端进入，从喷射通道的另一端喷射到井底(例如，空心岩体、小井眼等)进行喷射钻井。例如，从喷射通道的另一端喷出的液流的压力为一端接收液流的1.5～2.1倍。又如，从喷射通道的另一端喷出的液流的压力为一端接收液流的1.4～2.5倍。

这里，钻井液通过分流装置后，大约50％～60％的钻井液进入井下动力装置，该部分钻井液在驱动井下动力装置旋转输出部旋转后进入小切削头，进行喷射钻井。由于小切削头上喷射通道截面积逐渐减小，钻井液在喷射通道出口处会形成高速喷射，该高速喷射钻井液一方面可以高流速冲刷井底，帮助小切削头破碎岩石，提高小切削头的破岩效率，另一方面又能更好地清洗井底和钻头，防止钻头切削齿泥包，加速钻进。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备的结构示意图。

如图2中所示，中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法所使用的双速双心钻井提速设备可包括分流装置1、外筒体2、井下动力装置3、扶正装置4、大切削头5和小切削头6。

大切削头1具有第一中心线(即平行与图2中的左右方向)、沿所述第一中心线设置的贯穿通孔、以及第一直径。小切削头6具有第二中心线和第二直径。并且，所述第二直径小于所述第一直径，所述第二中心线与所述第一中心线平行但不重合。也就是说，第一中心线和第二中心线都与图2中的左右方向平行，但二者之间存在预定距离。例如，第一中心线与第二中心线之间的距离可以为第一直径的1/50～1/10。又如，第一中心线与第二中心线之间的距离可以为第一直径的1/20。

外筒体2套装在井下动力装置3之外且二者之间形成环空。并且外筒体2的左端通过所述分流装置1与上部钻柱(图2未示出)连接，同时外筒体2的右端通过扶正装置4与大切削头5连接，以使大切削头5能够在上部钻柱的带动下钻进，同时使井下动力装置3在上部钻柱的带动下旋转。也就是说，分流装置1、外筒体2、扶正装置4和大切削头5与上部钻柱固定为一体，并可一起旋转。

井下动力装置3可具有动力发生部和旋转输出部。其中，动力发生部(例如，图2中井下动力装置3的左部)能够产生动力并使旋转输出部旋转。进一步讲，井下动力装置也可在与外筒体形成环空的同时，井下动力装置的动力发生部与上部钻柱、分流装置、外筒体、扶正装置和大切削头中的一个或多个固定连接，以使井下动力装置在上部钻柱的带动下旋转。旋转输出部(例如，图2中井下动力装置3的右部)穿过大切削头的贯穿通孔与小切削头连接，并能够驱动小切削头自转。也就是说，井下动力装置能够通过动力发生部产生动力，并通过旋转输出部带动小切削头围绕第二中心线自转；同时，由于上部钻柱带动，井下动力装置以及小切削头也能够绕第一中心线公转。因此，小切削头的角速度将大于大切削头的角速度。例如，小切削头的角速度与大切削头的角速度之比可以为2～9：1。又如，小切削头的角速度与大切削头的角速度之比可以为4～7：1。

如图2所示，扶正装置被设置为扶正井下动力装置的动力发生部，从而扶正小切削头。也就是说，扶正装置能够扶正小切削头转动产生的偏转。然而，本发明不限于此。例如，扶正装置也可被设置为扶正井下动力装置的旋转输出部；又或者直接扶正小切削头，例如扶正小切削头与旋转输出部连接的部分。例如，扶正装置可具有类梅花状腔体，所述类梅花状腔体能够更稳定地扶正所述动力发生部或旋转输出部，或者能够更稳定地扶正小切削头与旋转输出部连接的部分。

分流装置被设置为能够将上部钻柱中的钻井液分隔为第一液流和第二液流。第一液流进入外筒体与井下动力装置之间的环空，并能够流至大切削头以润滑大切削头。第二液流进入井下动力装置的动力发生部，并作为动力发生部的动力源。也就是说，动力发生部能够将第二液流的动力转换为旋转输出部的旋转运动。例如，分流装置可具有分水部件，所述分水部件上可设置有中心孔和多个分水孔。其中，所述多个分水孔能够将上部钻柱中的钻井液与所述环空连通并形成所述第一液流；所述中心孔能够将上部钻柱的钻井液与所述动力发生部连通并形成所述第二液流。

此外，小切削头还可具有径向截面积逐渐缩小的喷射通道。所述喷射通道的一端接收流经动力发生部的第二液流，并从喷射通道的另一端喷出，以喷射向待钻目标(例如，待钻岩面、井底)。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备的结构示意图。图3示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备中的分流装置的结构示意图。图4示出了图3的右视图；以及图5示出了图3的实物示意图。

如图2所示，中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法所使用的双速双心钻井提速设备包括分流装置1、外筒体2、井下动力装置3、扶正装置4、大切削头5和小切削头6。

在本示例性实施例中，外筒体2左端通过分流装置1与上部钻柱连接，外筒体2的右端通过扶正装置4与大切削头5连接，从而将上部钻柱的旋转扭矩传递给大切削头5，使得大切削头5能够在上部钻柱的带动下旋转钻进。相当于外筒体2与上部钻柱间接连接，外筒体2与大切削头5间接连接。例如，外筒体2的左端与分流装置1的右端通过螺纹相连，分流装置1的左端与上部钻柱通过螺纹连接，从而将外筒体2与上部钻柱连接，使得外筒体2能够在上部钻柱的带动下旋转；外筒体2右端与扶正装置4左端螺纹连接，扶正装置4右端与大切削头5左端螺纹连接，从而使得扶正装置4和大切削头5能够与外筒体2一同旋转。然而，本发明不限于此，上部钻柱与分流装置、分流装置与外筒体、外筒体与扶正装置、扶正装置与大切削头之间也可以通过其他方式(例如，卡接)进行连接，只要能够实现将上部钻柱、分流装置、外筒体、扶正装置、大切削头连接并传递上部钻柱的扭矩即可。

在本示例性实施例中，井下动力装置3设置在外筒体2内部，并且井下动力装置3与外筒体2之间处于固定状态。井下动力装置3能够与外筒体2一起在上部钻柱的带动下旋转，在外筒体2内部和井下动力装置3外部之间形成了可供钻井液流过的环空。例如，井下动力装置3设置在外筒体2内部且与外筒2不接触，外筒体2内部和井下动力装置3外部之间的空间即为供钻井液流过的环空。

井下动力装置3左端与分流装置1的分水部件通过螺纹固定连接，从而使外筒体2与井下动力装置3处于固定状态。上部钻柱旋转带动分流装置1旋转，分流装置1旋转进而带动外筒体2和井下动力装置3旋转。当然，外筒体2和井下动力装置3之间的固定方式有多种。例如，可以在外筒体2内壁和井下动力装置3之间设置固定件，该固定件能够将外筒体2和井下动力装置3固定的同时，允许钻井液(例如，第一液流)通过。然而，本发明不限于此，外筒体与井下动力装置之间也可以通过其它方式固定，只要能够实现外筒体和井下动力装置之间固定设置即可。

在本示例性实施例中，分流装置被设置为能够将上部钻柱中的钻井液分隔为第一液流和第二液流。第一液流进入外筒体与井下动力装置之间的环空，并能够流至大切削头以润滑大切削头。第二液流进入井下动力装置的动力发生部，并作为动力发生部的动力源。也就是说，动力发生部能够将第二液流的动力转换为旋转输出部的旋转运动。例如，分流装置可具有分水部件，所述分水部件上可设置有中心孔和多个分水孔。其中，所述多个分水孔能够将上部钻柱中的钻井液与所述环空连通并形成所述第一液流；所述中心孔能够将上部钻柱的钻井液与所述动力发生部连通并形成所述第二液流。例如，如图3～图5中所示，分流装置1可以为类筒体结构。分水部件沿径向截面设置在类筒体中，分水部件包含有中心孔1b和设置在中心孔1b周围且不与中心孔1b连通的多个分水孔1a。来自上部钻柱中的钻井液一部分进入中心孔1b中形成第二液流；另一部分钻井液进入多个分水孔1a中形成第一液流。其中，中心孔1b或其周壁向右端延伸和井下动力装置3左端螺纹连接，使第二液流进入井下动力装置3的动力发生部中提供动力源。多个分水孔1a与外筒体2和井下动力装置3之间的环空相连，使得第一液流能够进入环空中并最终进入大切削头5中，以对大切削头5进行冷却和润滑。这里，多个分水孔1a的数量可以为2～6个，分水孔1a可以为圆形或椭圆形分水孔。多个分水孔1a的径向截面积之和与中心孔1b的径向截面积的比例，也即第一液流和第二液流流量之比可以为1：0.5～2，例如1：1等。来自上部钻柱中的钻井液具有预定压力，通过控制多个分水孔1a的径向截面积与中心孔1b的径向截面积的比例，能够对第一液流和第二液流的流量进行控制，实现分流目的。然而，本发明不限于此，分流装置也可以为其它结构，只要能够实现对上部钻柱中的钻井液进行分流即可。

在本示例性实施例中，井下动力装置具有动力发生部和旋转输出部。其中，所述动力发生部是指能够在第二液流作用下产生动力并使旋转输出部旋转的结构。所述旋转输出部是指能够穿过大切削头的所述贯穿通孔与小切削头连接，并能够驱动小切削头自转的结构。例如，井下动力装置3的动力发生部可以是液压驱动式马达或液压驱动式涡轮，第二液流驱动动力发生部旋转，动力发生部带动旋转输出部旋转，旋转输出部穿过大切削头5的贯穿通孔带动与其连接的小切削头6自转。或者小切削头6左端延伸部穿过大切削头5的贯穿通孔与旋转输出部连接，从而在旋转输出部带动下自转。然而，本发明不限于此，井下动力装置也可以为其它结构，只要能够在第二液流作用下产生动力并带动小切削头自转即可。

在本示例性实施例中，扶正装置具可有类梅花状腔体，所述类梅花状腔体能够扶正井下动力装置的动力发生部或旋转输出部，或者能够扶正小切削头与旋转输出部连接的部分等被扶正部件，减少被扶正部件在外筒体内晃动，降低摩擦，提高双速双心钻井提速设备的稳定性和使用寿命。

图6示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备中的扶正装置的结构示意图；图7示出了图6的右视图；图8示出了图6的实物示意图。

如图6～图8中所示，扶正装置4的右端部可以为类梅花状腔体。该类梅花状腔体径向截面为类梅花状。类梅花状腔体可设置在扶正装置4的右端部的内壁上，并由多个内凸台4a沿周向围成。当然，类梅花状腔体可以沿扶正装置4中心轴线中心对称设置，也可以沿扶正装置4的中心轴线非中心对称设置，根据被扶正部件的具体情况确定。例如，当被扶正部件是非中心对称设置时，类梅花状腔体也为非中心对称设置；当被扶正部件是中心对称设置时，类梅花状腔体也为中心对称设置。这里，内凸台4a的顶面为与被扶正部件的外表面配合的弧形，多个内凸台4a的顶面的弧形位于一个虚拟的圆周上，该虚拟圆周的直径比所述被扶正部件的直径稍大一些。在两个相邻的内凸台4a之间形成了凹面4b，凹面4b的数量与内凸台4a的数量相等。这里，凹面可以为圆弧形、U形或者V形。在扶正装置4对被扶正部件进行扶正的同时，进入环空中的第二液流可以经过被扶正部件的外表面与类梅花状腔体之间的通道进入大切削头5中，对大切削头5进行冷却和润滑。这里设置凹面是为了增加钻井液流过的通道截面面积。然而，本发明不限于此，扶正装置也可以为其它结构，只要能够扶正被扶正部件并且能够供钻井液(例如，第一液流)流过即可。

在本示例性实施例中，小切削头与大切削头为非中心对称设置，小切削头的直径小于大切削头的直径，使得小切削头在井下动力装置带动下高速自转的同时能够在上部钻柱带动下绕大切削头的中心轴线公转，从而形成复合旋转钻进，解决钻井时钻头中心点线速度底造成钻井速度低的问题。例如，大切削头5的中心轴线为第一中心线。大切削头5上沿第一中心线设置有贯穿通孔。该贯穿通过用于供井下动力装置3的旋转输出部穿过与小切削头6连接，或者供小切削头6的左端部穿过与旋转输出部相连。大切削头5的直径为第一直径，该第一直径可以为大切削头5上切削牙轮外围的直径。小切削头6的中心轴线为第二中心线，小切削头6的直径为第二直径。当第二直径小于第一直径且第一中心线与第二中心线平行但不重合设置时，小切削头6与大切削头5即为非中心对称设置。

这里，第一中心线与第二中心线之间的距离可以为第一直径的1/50～1/10，例如1/30第一直径、1/20第一直径等。当第一中心线与第二中心线之间的距离小于1/50第一直径时，对钻头中心点的线切削速度有一定程度的提高；当第一中心线与第二中心线之间的距离控制在1/50～1/10第一直径时，能够获得较好的钻头中心点线切削速度提升，钻井速度能够较好的提升；当第一中心线与第二中心线之间的距离大于1/10第一直径时，会增加小切削头6的磨损几率，从而可能会一定程度降低工具使用寿命。

小切削头6在井下动力装置3的带动下高速自转的同时在上部钻柱的带动下绕第一中心线公转做复合运动。如图2中所示，小切削头6超出大切削头5一段距离(记为L)，使得小切削头6能够先接触井底从而在井底钻出一个小井眼，形成空心岩体；随后大切削头5将空心岩体钻掉形成最终需要的井眼。这里，0＜L＜0.6m，进一步地可以为0.2＜L＜0.5m。当0.2＜L＜0.5m是，能够获得较好的钻井速度提升和工具使用寿命；当L大于0.6m时，会给井下动力装置3带来较大负荷，从而可能一定程度降低使用寿命。

进行钻井作业时，小切削头6在井下动力装置3的带动下高速自转的同时在上部钻柱的带动下绕第一中心线公转做复合运动，同时，大切削头5在上部钻柱的带动下旋转。这里，大切削头5的转速范围可控制在60～80转/min。小切削头6自转的转速范围可控制为200～600转/min，小切削头6公转的转速范围可同样控制为60～80转/min。大切削头5旋转的角速度为R，小切削头6自转并公转的角速度之和为r，小切削头6的角速度r与大切削头5的角速度R的比r:R可以为2～9：1，更优选为4～7：1。当r:R控制在2～9:1时，可具有更好的钻井提速效果；当r:R小于2时，钻进速度有一定程度的提升；当r:R大于9时，井下动力装置的功率要求较高，小切削头的磨损几率增加，会一定程度降低使用寿命。

在本示例性实施例中，小切削头6上还设可有流道截面积逐渐缩小的喷射通道，第二液流在驱动旋转输出部旋转后进入小切削头中，经由喷射通道喷射到井底，进行高压喷射钻井。例如，小切削头6上沿第二中心线方向设置有若干个喷射通道，该喷射通道沿径向的截面积逐渐缩小。第二液流驱动动力发生部旋转之后经旋转输出部(例如，其中心通孔)进入小切削头6中。第二液流可从小切削头6的喷射通道的截面较大的一端进入，在喷射通道中压力逐渐升高，最终从喷射通道的截面较小的一端形成高压喷射。该高压喷射的钻井液一方面可以高流速冲刷井底，帮助钻头破碎岩石，提高钻头的破岩效率，另一方面又能更好地清洗井底和小切削头，防止切削齿泥包，加速钻进。这里，大切削头和小切削头可以为普通钻头，也可以采用高性能的PDC钻头。例如，本示例性实施例的实物示意图可以如图9所示。

在本发明的第二示例性实施例中，中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法的应用还可以包括用比能法优化钻井评价体系，从而指导钻前机械钻速预测、随钻过程中诊断井底工况并优化钻井参数、钻后优选与评价钻头。也就是说，通过将比能法优化钻井技术与中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法结合，可以取得更好的钻井提速效果。影响机械钻速的因素有很多。因此，在众多因素相互干扰下，难以客观评价钻井效率并采取相应技术措施提高机械钻速。目前大多数钻井优化措施是根据邻井已钻资料来优化未钻井的施工参数，由于不同井地质和工程因素存在差异，使得钻前优化计算工作量大，且有时应用效果不显著。比能法优化快速钻井是根据破碎单位体积岩石所消耗的机械能量和水力能量对破岩与井底净化起到的作用，建立水力参数条件下破岩比能模型。基于破岩比能模型与钻井参数和机械钻速的相互关系。例如，通过分析钻进中井底工况，判断施加钻井参数的合理性，提出相应优化措施，并预测机械钻速。运用比能法优化快速钻井评价体系，能指导钻前机械钻速预测、随钻过程中诊断井底工况并优化钻并参数、钻后优选与评价钻头。

在本发明的第三示例性实施例中，中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法的应用还可以包括获取钻井系统、录井系统的各个环节的实时数据，然后根据所述实时数据、钻井工况、地层岩性对钻井参数进行调节。也就是说，通过将“实钻大数据”技术与中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法结合，可以进一步的提升钻井速度，达到更好的钻井提速效果。“实钻大数据”主要通过钻井系统、录井系统等各个环节数据实时获取，再根据实时数据(例如，扭矩、钻时泥浆密度等)、钻井工况、地层岩性等对钻井参数进行调整控制，例如，对钻压、转速、排量和泥浆密度进行实时的调节。

图1示出了根据本发明的双速双心钻井提速方法一个示例性实施例的工艺流程图。

如图1中所示，在本发明的第四示例性实施例中，中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法可包括以下步骤：

将带双速双心钻井提速设备的上部钻柱下入井下目标位置。也就是说，利用钻柱将双速双心钻井提速设备下入到井下待钻位置(例如，井底，待钻岩面等)。这里，双速双心钻井提速方法可以用于竖向井的钻井提速，也可以用于水平井的钻井提速。然而，本发明不限于此，只要能够利用钻柱将双速双心钻井提速设备下入井下即可。

通过小切削头的所述自转、以及上部钻柱带动井下动力装置进而带动小切削头的转动的共同作用，以在井底钻出第一尺寸的井眼。也就是说上部钻柱旋转带动双速双心钻井提速设备旋转，双速双心钻井提速设备的小切削头在井下动力装置带动下随上部钻柱一同旋转(即绕第一中心线公转)，同时又在井下动力装置的旋转输出部的带动下自转，以在井底钻出第一尺寸的井眼(也称小井眼)形成空心岩体。这里，小切削头在自转和公转共同作用下具有较高的角速度，从而也具有较高的线切削速度，而大切削头仅由上部钻柱带动旋转，角速度低于小切削头。例如，小切削头的角速度与大切削头的角速度之比可以为2～9：1。又如，小切削头的角速度与大切削头的角速度之比可以为4～7：1。小切削头先与待钻位置接触，将难钻的中间部分钻掉钻出第一尺寸井眼，第一尺寸井眼周围的岩体变得相对容易钻掉。

然后，通过上部钻柱带动大切削头对所述第一尺寸的井眼进行钻进，得到第二尺寸的井眼。也就是说，双速双心钻井提速设备的大切削头在上部钻柱带动下将第一尺寸井眼周围的岩体钻掉，以形成需要尺寸的井眼即第二尺寸井眼。在钻井过程中，小切削头高速旋转持续不断形成第一尺寸井眼，大切削头持续不断将第一尺寸井眼周围岩体钻掉形成第二尺寸井眼。在某一具体深度，小切削头先钻出第一尺寸井眼，经过一定时间间隔后大切削头再将第一尺寸井眼周围岩体钻掉。这里，小切削头钻出小井眼与大切削头钻掉小井眼周围岩体的时间间隔由井下钻进地层、钻井液性能在整个系统设计加工中所确定。

图10示出了根据本发明的一个示例性实施例所使用的双速双心钻井提速设备的结构示意图。

如图10中所示，中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法所使用的双速双心钻井提速设备可包括外筒体1＇、井下动力装置2＇、大切削头3＇和小切削头4＇。

大切削头3＇具有第一中心线、沿所述第一中心线设置的贯穿通孔、以及第一直径。小切削头4＇具有第二中心线和第二直径。并且，所述第二直径小于所述第一直径，所述第二中心线与所述第一中心线平行但不重合。也就是说，第一中心线和第二中心线都可与钻进方向平行，但第一中心线和第二中心线之间存在预定距离。例如，第一中心线与第二中心线之间的距离可以为第一直径的1/50～1/10。又如，第一中心线与第二中心线之间的距离可以为第一直径的1/20。

外筒体1＇套装在井下动力装置2＇之外并且二者之间形成环空。并且外筒体1＇的左端直接与上部钻柱连接，同时外筒体1＇的右端直接与大切削头3＇连接，以使大切削头3＇能够在上部钻柱的带动下钻进。也就是说，外筒体1＇、大切削头3＇与上部钻柱固定可为一体，并可一起旋转。

井下动力装置2＇可具有动力发生部和旋转输出部。其中，动力发生部能够产生动力并使旋转输出部旋转。进一步讲，井下动力装置2＇也可在与外筒体1＇形成环空的同时，井下动力装置2＇的动力发生部可与上部钻柱、外筒体1＇和大切削头3＇中的一个或多个固定连接，以使井下动力装置2＇在上部钻柱的带动下旋转。旋转输出部穿过大切削头3＇的贯穿通孔与小切削头4＇连接，并能够驱动小切削头4＇自转。动力发生部的动力源可以来自钻井液或电池或其它电力等。

也就是说，井下动力装置2＇能够通过动力发生部产生动力，并通过旋转输出部带动小切削头4＇围绕第二中心线自转；同时，由于上部钻柱带动，井下动力装置2＇以及小切削头4＇也能够绕第一中心线公转。因此，小切削头4＇的角速度将大于大切削头3＇的角速度。例如，小切削头4＇的角速度与大切削头3＇的角速度之比可以为2～9：1。又如，小切削头4＇的角速度与大切削头3＇的角速度之比可以为4～7：1。

在本示例性实施例中，双速双心钻井提速设备的外筒体1＇可进一步包括固定设置在外筒体1＇右端部内的类梅花状腔体。类梅花状腔体能够扶正井下动力装置2＇的动力发生部或旋转输出部，或者能够扶正小切削头4＇与旋转输出部连接的部分。也就是说，扶正装置能够扶正小切削头4＇转动产生的偏转。通过在外筒体1＇右端部内的类梅花状腔体能够使动力发生部、旋转输出部或小切削头4＇更稳定的旋转。

在本示例性实施例中，双速双心钻井提速设备的外筒体1＇可进一步包括设置在外筒体1＇的左端内并位于上部钻柱与井下动力装置2＇的动力发生部之间的分水部件。分水部件上设置有中心孔和多个分水孔。多个分水孔能够将上部钻柱中的一部分钻井液(即第一液流)提供至外筒体1＇与井下动力装置2＇之间的环空内，进而提供至大切削头3＇，以对大切削头3＇进行润滑。中心孔能够将上部钻柱的另一部分钻井液(即第二液流)作为动力源提供至井下动力装置2＇的动力发生部。动力发生部能够将第二液流的动力转换为旋转输出部的旋转运动，进而带动小切削头4＇转动。

在本发明的第五示例性实施例中，中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法的应用还可以包括获取钻井系统、录井系统的各个环节的实时数据，然后根据所述实时数据、钻井工况、地层岩性对钻井参数进行调节。也就是说，通过将“实钻大数据”技术与中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法结合，可以进一步的提升钻井速度，达到更好的钻井提速效果。“实钻大数据”主要通过钻井系统、录井系统等各个环节数据实时获取，再根据实时数据(例如，扭矩、钻时泥浆密度等)、钻井工况、地层岩性等对钻井参数进行调整控制，例如，对钻压、转速、排量和泥浆密度进行实时的调节。

综上所述，本发明的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法具有以下优点中的一项或多项：

1、能够避免钻井时大钻头中心点的线速度为零，有利于提高钻进速度；

2、通过利用小切削头先形成小井眼，再利用大切削头将小井眼周围岩体钻掉形成需要尺寸的井眼的方式，能够提高钻井速度；

3、在不增加钻井液排量，泵压力情况下，能在井底中部形成高喷射钻井的提速效果；

4、与同尺寸井眼中相比较，实现同样转速的情况下，降低井底动力钻具的尺寸、扭矩和成本；

5、减少了井底动力钻具损坏掉井的风险，整个工艺和作业过程中，集成了比能法、高压喷射等多个现有技术。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，所述钻井提速方法通过双速双心钻井提速设备来实现，所述双速双心钻井提速设备包括外筒体、井下动力装置、大切削头和小切削头，其中，

所述大切削头具有第一中心线、沿所述第一中心线设置的贯穿通孔、以及第一直径，小切削头具有第二中心线和第二直径，所述第二直径小于所述第一直径，所述第二中心线与所述第一中心线平行但不重合；

所述外筒体套装在所述井下动力装置之外并形成环空，并且所述外筒体的左端直接与上部钻柱连接，同时所述外筒体的右端直接与所述大切削头连接，以使大切削头能够在上部钻柱的带动下钻进，同时使井下动力装置在上部钻柱的带动下旋转；

所述井下动力装置具有动力发生部和旋转输出部，其中，所述动力发生部能够产生动力并使旋转输出部旋转，所述旋转输出部穿过大切削头的所述贯穿通孔与小切削头连接，并能够驱动小切削头自转，

并且所述钻井提速方法包括：通过小切削头的所述自转、以及上部钻柱带动井下动力装置进而带动小切削头的转动的共同作用，以在井底钻出第一尺寸的井眼；然后，通过上部钻柱带动大切削头对所述第一尺寸的井眼进行钻进，得到第二尺寸的井眼。

2.一种中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，所述钻井提速方法通过双速双心钻井提速设备来实现，所述双速双心钻井提速设备包括分流装置、外筒体、井下动力装置、扶正装置、大切削头和小切削头，其中，

所述大切削头具有第一中心线、沿所述第一中心线设置的贯穿通孔、以及第一直径，小切削头具有第二中心线和第二直径，所述第二直径小于所述第一直径，所述第二中心线与所述第一中心线平行但不重合；

所述外筒体套装在所述井下动力装置之外并形成环空，并且所述外筒体的左端通过所述分流装置与上部钻柱连接，同时所述外筒体的右端通过所述扶正装置与大切削头连接，以使大切削头能够在上部钻柱的带动下钻进，同时使井下动力装置在上部钻柱的带动下旋转；

所述井下动力装置具有动力发生部和旋转输出部，其中，所述动力发生部能够产生动力并使旋转输出部旋转，所述旋转输出部穿过大切削头的所述贯穿通孔与小切削头连接，并能够驱动小切削头自转；

所述扶正装置被设置为扶正所述动力发生部、旋转输出部或小切削头；

所述分流装置被设置为能够将上部钻柱中的钻井液分隔为第一液流和第二液流，其中，所述第一液流进入所述环空，并能够润滑大切削头，所述第二液流进入所述井下动力装置的动力发生部，

并且所述钻井提速方法包括：通过小切削头的所述自转、以及上部钻柱带动井下动力装置进而带动小切削头的转动的共同作用，以在井底钻出第一尺寸的井眼；然后，通过上部钻柱带动大切削头对所述第一尺寸的井眼进行钻进，得到第二尺寸的井眼。

3.根据权利要求1或2所述的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，所述钻井提速方法还包括获取钻井系统、录井系统的各个环节的实时数据，然后根据所述实时数据、钻井工况、地层岩性对钻井参数进行调节。

4.根据权利要求2所述的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，所述钻井提速方法还包括运用比能法优化钻井评价体系，从而指导钻前机械钻速预测、随钻过程中诊断井底工况并优化钻井参数、钻后优选与评价钻头。

5.根据权利要求1或2所述的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，所述第一中心线与第二中心线之间的距离为第一直径的1/50～1/10。

6.根据权利要求1或2所述的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，所述小切削头的角速度与大切削头的角速度之比为4～7：1。

7.根据权利要求2所述的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，所述小切削头具有径向截面积逐渐缩小的喷射通道，所述喷射通道的一端接收流经所述动力发生部的第二液流，并从所述喷射通道的另一端喷出。

8.根据权利要求7所述的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，从喷射通道的另一端喷出的液流的压力为一端接收液流的1.5～2.1倍。

9.根据权利要求2所述的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，所述扶正装置具有类梅花状腔体，所述类梅花状腔体能够扶正所述动力发生部或旋转输出部，或者能够扶正小切削头与旋转输出部连接的部分。

10.根据权利要求2所述的中部聚能改变井底围压分布的钻井提速方法，其特征在于，所述分流装置具有分水部件，其中，所述分水部件上设置有中心孔和多个分水孔，所述多个分水孔能够将上部钻柱中的钻井液与所述环空连通并形成所述第一液流，所述中心孔能够将上部钻柱的钻井液与所述动力发生部连通并形成所述第二液流。

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