CN205936412U - 钻头及钻井工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种钻头及配置有该钻头的钻井工具。通过设于钻头底部的高压喷嘴周期性的喷射高压钻井液形成环形高速射流，水眼喷嘴同时喷射相对为负压状态的钻井液，高速环形射流内即形成负压区，从而在井底周期性的形成局部欠平衡状态，诱发岩爆。本实用新型基于欠平衡钻井原理，在井底形成局部欠平衡钻井，而局部欠平衡区域以上的井内压力大于地层压力，在提高机械钻速的同时，可克服欠平衡钻井技术的局限性，保证钻井过程的安全及钻井工作的顺畅性，有效提高钻井效率及生产效益。

Description

钻头及钻井工具

技术领域

本实用新型属于石油天然气勘探开发中钻井工程技术领域，具体涉及一种钻头及配置有该钻头的钻井工具。

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。

目前，对岩爆机理较为清晰的概括是，岩爆的产生需要具备两个方面的条件：岩体内部 处在高应力状态中，也就是说高储能体的存在，这是岩爆的内因；某些附加载荷的触发是岩爆产生的外因。上述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。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，但目前公布的两种工具结构复杂、制作成本高，由于采用机械作用力破岩，钻具使用寿命较低，工作可靠性不高，相应提高了钻井成本，也在一定程度上限制了钻具的转速，影响钻井效率。

欠平衡钻井又叫负压钻井，是指在钻井时井底压力小于地层压力，地层的流体有控制的进入井筒，并且循环到地面的技术。欠平衡钻井时20世纪90年代在国际上快速发展的一项钻井新技术。实践证明，欠平衡钻井技术能显著提高机械钻速。

欠平衡钻井，由于井底压力小于地层压力，破岩过程中，钻头附近岩石不断卸载应力，释放能量，满足岩爆发生的两个条件：高应力+扰动耦合破岩。在钻进过程中，通过钻井工具给钻头输入扰动力，使岩石周期性卸载应力，释放能量，从而满足岩爆发生的两个条件；因此，欠平衡钻井技术提速的本质也是在钻井过程不断诱发岩爆现象，破岩机理属于高应力扰动破岩。

但欠平衡钻井技术存在一定的局限性：

(1)在钻井全过程，井底压力小于地层压力，井壁容易发生坍塌失稳；地层会出水和含H₂S。

(2)会产生井下燃爆、卡钻、腐蚀等现象。

(3)井眼失控的风险高，不能用于高压高渗地层，特别是高压气井。

(4)需庞大复杂的地面专用设备，工艺性差、成本高等。

实用新型内容

本实用新型实施例涉及一种钻头及配置有该钻头的钻井工具，根据欠平衡钻井的原理，在井底钻头附近直接利用水力学原理实现局部欠平衡钻井，使钻头正下方的岩石不断卸载应力、实现岩爆，以提高破岩效率，同时克服欠平衡钻井的局限性。

本实用新型实施例涉及一种钻头，包括壳体，所述壳体底部设有多个高压喷嘴及至少一个水眼喷嘴，多个高压喷嘴环形布置并将各所述水眼喷嘴包围于内；所述壳体内设有：

向各所述高压喷嘴输送钻井液的旁通流道机构；

向各所述水眼喷嘴输送钻井液的中间流道机构；

用于周期性的使进入壳体内腔中的钻井液产生水击增压的增压机构；

流道控制机构，其用于将经增压机构增压至预设压力的钻井液引入至所述旁通流道机构，并将压力低于该预设压力的钻井液引入至所述中间流道机构。

作为实施例之一，所述增压机构包括过水接头、上阀片、下阀片及下阀座，所述下阀座位于所述过水接头下方且嵌设于所述壳体内腔中；

所述上阀片固设于所述过水接头底部且具有与所述过水接头内腔连通的第一通孔，所述下阀片固设于所述下阀座顶部且具有第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔的轴线错位设置且均平行于所述壳体的中轴线；

所述过水接头借助外设的动力装置驱动而能够在所述壳体内腔中左右往复摆动及上下移动，使所述上阀片与所述下阀片紧密贴靠并使所述第一通孔与所述第二通孔相错或重合形成过流面积周期性变化的过流通道；所述过流通道与各所述水眼喷嘴导通。

作为实施例之一，所述旁通流道机构设于所述壳体壁内；

所述流道控制机构包括柱塞及复位机构，所述柱塞嵌设于所述壳体内腔中，所述下阀片固设于所述柱塞顶部，所述柱塞即构成所述下阀座；所述柱塞具有上下贯通的贯通腔并将所述过流通道与各所述水眼喷嘴导通；

过流面积由大变小过程中，在所述壳体内形成的水击增压状态的钻井液驱动所述柱塞下移使所述旁通流道机构与所述壳体内腔导通；过流面积由小变大过程中，所述复位机构驱动所述柱塞上移复位封闭所述旁通流道机构。

作为实施例之一，所述下阀座与所述壳体内腔固定连接，所述下阀座具有上下贯通的贯通流道并将所述过流通道与各所述水眼喷嘴导通；

所述旁通流道机构设于所述壳体壁内，其入口端位于所述下阀座上方且与所述壳体内腔导通

作为实施例之一，各所述水眼喷嘴入口端均位于所述壳体中轴线上，各所述高压喷嘴入口端与所述壳体中轴线的距离均为所述壳体直径的1/4。

作为实施例之一，各所述高压喷嘴的喷吹方向均自所述壳体中轴线向所述壳体外侧方向倾斜。

作为实施例之一，各所述高压喷嘴的喷吹方向与所述壳体中轴线之间的夹角均在7°～10°范围内。

作为实施例之一，所述旁通流道机构包括多道旁通流道，各所述旁通流道均自所述壳体内壁处开设形成旁通孔，所述旁通流道的数量不少于所述高压喷嘴的数量。

本实用新型实施例涉及一种钻井工具，包括如上所述的钻头。

作为实施例之一，所述增压机构包括过水接头、上阀片、下阀片及下阀座，所述下阀座位于所述过水接头下方且嵌设于所述壳体内腔中；

所述上阀片固设于所述过水接头底部且具有与所述过水接头内腔连通的第一通孔，所述下阀片固设于所述下阀座顶部且具有第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔的轴线错位设置且均平行于所述壳体的中轴线；

所述过水接头借助外设的动力装置驱动而能够在所述壳体内腔中左右往复摆动及上下移动，使所述上阀片与所述下阀片紧密贴靠并使所述第一通孔与所述第二通孔相错或重合形成过流面积周期性变化的过流通道；所述过流通道与各所述水眼喷嘴导通。，所述钻头顶部固定连接有能量转换装置，所述能量转换装置包括定子和转子，所述转子位于所述定子的空腔内且能够在其中左右往复摆动及沿所述定子轴线移动，所述转子底端与所述过水接头连接。

作为实施例之一，所述旁通流道机构设于所述壳体壁内；

所述流道控制机构包括柱塞及复位机构，所述柱塞嵌设于所述壳体内腔中，所述下阀片固设于所述柱塞顶部，所述柱塞即构成所述下阀座；所述柱塞具有上下贯通的贯通腔并将所述过流通道与各所述水眼喷嘴导通；

过流面积由大变小过程中，在所述壳体内形成的水击增压状态的钻井液驱动所述柱塞下移使所述旁通流道机构与所述壳体内腔导通；过流面积由小变大过程中，所述复位机构驱动所述柱塞上移复位封闭所述旁通流道机构。

作为实施例之一，各所述水眼喷嘴入口端均位于所述壳体中轴线上，各所述高压喷嘴入口端与所述壳体中轴线的距离均为所述壳体直径的1/4。

作为实施例之一，各所述高压喷嘴的喷吹方向均自所述壳体中轴线向所述壳体外侧方向倾斜。

作为实施例之一，各所述高压喷嘴的喷吹方向与所述壳体中轴线之间的夹角均在7°～10°范围内。

作为实施例之一，所述能量转换装置为螺杆马达。

本实用新型实施例至少实现了如下有益效果：

(1)通过在钻头底部设置高压喷嘴和水眼喷嘴，通过在钻头内周期性的形成钻井液水击增压状态，水击产生的高压钻井液进入高压喷嘴，由于钻头在井底高速旋转，使从高压喷嘴喷射出的钻井液形成环形高速射流，将从水眼喷嘴喷射出的相对为负压状态的钻井液与携带岩屑的上返钻井液隔开；流经水眼喷嘴的钻井液流量迅速降低，钻井液产生负水击压力，在井底形成负压区。一方面在井底形成局部欠平衡钻井，使井底岩石不断卸载，发生岩爆；通 过在井底周期性的形成局部欠平衡，实现局部欠平衡钻井，有效提高机械钻速。另一方面，局部欠平衡区域以上的环空中，钻井液压力大于地层压力，形成过平衡状态，因此克服了欠平衡钻井技术的局限性：本实用新型中，钻井全过程，局部欠平衡区域以上的井内压力相当于常规钻井时的井内压力，因此井壁稳定；地层不会出水和含H₂S；不会产生井下燃爆，卡钻、腐蚀等；井眼失控的风险低，对高压高渗地层，特别是高压气井，也不惧怕；无需庞大复杂的地面专用设备、工艺性好，成本低等。

(2)与现有技术中通过机械方式实现高应力扰动破岩的工艺(如背景技术中所提到的两件专利)相比，本实用新型采用的钻井工具结构更为简单，制作成本低；在钻井过程中，钻井工具不直接产生机械力，不与地层接触，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，可保护钻具，有效提高工具工作的可靠性和使用寿命。

(3)本实用新型提供的钻井工具和局部欠平衡钻井方法对常规钻具组合没有特殊要求，与MWD等随钻测量工具兼容性高，适用性较广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为实施例二提供的钻头的结构示意图；

图2为弹簧伸张状态下图1中I部分的放大图；

图3为弹簧压缩状态下图1中I部分的放大图；

图4和图5为图1沿A-A的两种剖视结构示意图；

图6为实施例三提供的钻头的结构示意图；

图7为实施例四提供的钻井工具的结构示意图；

图8为图7沿B-B的剖视示意图；

图9为实施例五提供的局部欠平衡钻井方法的示意图；

图10为钻井过程中水击压力随时间变化的示意图；

图11为局部欠平衡区域的岩石应力状态图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实施例涉及一种钻头1，包括壳体101，所述壳体101底部设有多个高压喷嘴108及至少一个水眼喷嘴109，多个高压喷嘴108环形布置并将各所述水眼喷嘴109包围于内；所述壳体101内设有：

向各所述高压喷嘴108输送钻井液的旁通流道机构；

向各所述水眼喷嘴109输送钻井液的中间流道机构；

用于周期性的使进入壳体101内腔中的钻井液产生水击增压的增压机构；

用于将经增压机构增压至预设压力的钻井液引入至所述旁通流道机构及将压力低于该预设压力的钻井液引入至所述中间流道机构的流道控制机构。

通过在钻头1底部设置高压喷嘴108和水眼喷嘴109，通过在钻头1内周期性的形成钻井液水击增压状态，水击产生的高压钻井液进入高压喷嘴108，由于钻头1在井底高速旋转，使从高压喷嘴108喷射出的钻井液形成环形高速射流5，将从水眼喷嘴109喷射出的相对为负压状态的钻井液与携带岩屑的上返钻井液隔开；流经水眼喷嘴109的钻井液流量迅速降低，钻井液产生负水击压力，在井底形成负压区。一方面在井底形成局部欠平衡钻井，使井底岩石不断卸载，发生岩爆；通过在井底周期性的形成局部欠平衡，实现局部欠平衡钻井，有效提高机械钻速。另一方面，局部欠平衡区域以上的环空4中，钻井液压力大于地层压力，形成过平衡状态，因此克服了欠平衡钻井技术的局限性：本实用新型中，钻井全过程，局部欠平衡区域以上的井内压力相当于常规钻井时的井内压力，因此井壁稳定；地层不会出水和含H₂S；不会产生井下燃爆，卡钻、腐蚀等；井眼失控的风险低，对高压高渗地层，特别是高压气井，也不惧怕；无需庞大复杂的地面专用设备、工艺性好，成本低等。

上述预设压力根据实际工况确定，形成的环形高速射流5的喷射强度及喷射距离等都随之变化，环形高速射流5对负压区内的吸附力也随之变化，从而可根据不同的地层结构条件采取相应的钻井参数，以达到最佳的工艺条件，提高钻井效率。

上述增压机构及流道控制机构可通过设于对应流道上的电磁阀等实现，通过控制电磁阀的开度可控制对应流道的通断，及控制相应通道流量的变化使得钻井液产生水击增压或水击减压现象，从而实现相应流道内钻井液的流量及压力控制。

本实用新型中，为提高钻头工作的稳定性及可靠性，有如下优选实施例：

实施例二

如图1-图5，本实用新型实施例提供一种钻头，包括壳体101，所述壳体101内腔中设有 过水接头102、上阀片103、下阀片104、下阀座106及复位机构105。过水接头102采用钻井工具中常用的过水接头，其中轴线与壳体101中轴线重合，其具有内腔且下端开口，其外径小于壳体101的内径，从而该过水接头102与壳体101之间形成环形空间供钻井液流通，钻井液可由设于该过水接头102上的多个过水孔进入该过水接头102的内腔中。所述下阀座位于过水接头102下方，其包括柱塞106，所述柱塞106嵌设于所述壳体101内腔中，即柱塞106的外径与壳体101的内径相同，其可沿壳体101轴向在壳体101内滑移。

所述上阀片103固设于所述过水接头102底部且具有与所述过水接头102内腔连通的第一通孔，所述下阀片104固设于所述柱塞106顶部且具有第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔的轴线错位设置且均平行于所述壳体101的中轴线。如图1-图3，上阀片103优选为同轴嵌装于过水接头102的底部，过水接头102作为该上阀片103的阀座；下阀片104优选为同轴嵌装于柱塞106的顶部，柱塞106即作为该下阀片104的阀座，柱塞106优选为沿其中轴线开设上下贯通的内腔，下阀片104的第二通孔与该柱塞106的内腔连通。上阀片103与下阀片104正对贴合，呈对置面接触结构，二者优选为采用相同的尺寸规格；其中，作为本实施例的一种优选方式，第一通孔为开设于上阀片103上的偏心孔，即该第一通孔的轴线或圆心与上阀片103的轴线错位，第二通孔为开设于下阀片104上的中心孔，即该第二通孔的轴线或圆心与下阀片104的轴线重合；当上阀片103在下阀片104上表面上左右往复摆动时，该第一通孔与该第二通孔即随转动过程而相错或重合。当然，也可设置第一通孔为开设于上阀片103上的中心孔，第二通孔为开设于下阀片104上的偏心孔，或两通孔均为开设于对应阀片上的偏心孔。

所述过水接头102借助外设的动力装置驱动而能够在所述壳体101内腔中左右往复摆动及上下移动，使所述上阀片103与所述下阀片104紧密贴靠并使所述第一通孔与所述第二通孔相错或重合形成过流面积周期性变化的过流通道；所述壳体101底部设有多个高压喷嘴108及至少一个水眼喷嘴109，多个高压喷嘴108环形布置并将各所述水眼喷嘴109包围于内，所述壳体101壁内设有向各所述高压喷嘴108输送钻井液的旁通流道机构107，所述过流通道与各所述水眼喷嘴109导通；过流面积由大变小过程中，在所述壳体101内形成的水击增压状态的钻井液驱动所述柱塞106下移使所述旁通流道机构107与所述壳体101内腔导通；过流面积由小变大过程中，复位机构105驱动所述柱塞106上移复位封闭所述旁通流道机构107。

其中，由于过水接头102能够在壳体101内腔中上下移动，可保证在下阀片104随柱塞106下移过程中，上阀片103与下阀片104也始终紧密贴靠。上述过流通道与柱塞106的内腔连通，柱塞106下端开口，从而保证过流通道与各水眼喷嘴109导通，可将钻井液导引至各水眼喷嘴109处。

上述下阀座即为控制上述旁通流道机构107与壳体101内腔连通或断开的控制阀门，通过柱塞106的上下移动使得旁通流道机构107的入口端曝露或遮挡该入口端，控制钻井液进入或不进入该旁通流道机构107，即实现高压喷嘴108工作或不工作，从而在井底周期性的产生环形高速射流5。其中，如图1-图3，复位机构105包括弹簧105，该弹簧105可对应于柱塞106中部或底部位置设置。对于对应于柱塞106中部位置设置的情况，在壳体101内壁上对应位置处加工有台阶轴结构，柱塞106对应加工为台阶轴结构，对于壳体101内壁上的第一台阶轴结构，其大直径部位于小直径部上方，对于柱塞106上的第二台阶轴结构，其上部的直径与上述第一台阶轴结构的大直径部的直径相同，其下部的直径与上述第一台阶轴结构的小直径部的直径相同，柱塞106嵌装于壳体101内，第一台阶轴结构与第二台阶轴结构围成一环形腔，该弹簧105即设于上述环形腔内。对于对应于柱塞106底部位置设置的情况，可在壳体101内柱塞106的下方设置导向柱，在柱塞106内对于设置导向孔，弹簧105穿设在该导向柱上，导向柱与导向孔配合，导向孔可沿导向柱上下滑移。

上述柱塞106及复位机构(弹簧)105即构成上述流道控制机构。初始状态下，该弹簧105将柱塞106支撑于壳体101内腔中，且柱塞106顶端位于上述旁通流道机构107入口端的上方，将该入口端封闭；过流面积由大变小过程中，在所述壳体101内形成钻井液水击增压状态时，下阀片104上下两端的压差达到最大且上端的压力大于下端的压力，从而对柱塞106产生向下的作用力，驱动柱塞106下移，上述弹簧105被压缩，上述旁通流道机构107的入口端与壳体101内腔连通；过流面积由小变大过程中，在所述壳体101内形成钻井液水击减压状态时，使柱塞106上下两端的压差达到最小，柱塞106两端的作用力减小，在弹簧105的作用下，驱动柱塞106上移，将旁通流道机构107的入口端堵住，整个钻井系统的压力恢复正常。

另外，上述弹簧105应保证在不产生钻井液水击增压状态时，其能够支撑柱塞106使得柱塞106顶端位于旁通流道机构107的上方，其对柱塞106的支撑力应大于由于过水接头102受到动力装置作用而产生向下移动趋势时对柱塞106产生的作用力。上述弹簧105可以为压缩弹簧或碟形弹簧。

接续上述钻头1的结构，高压喷嘴108将经水击增压的高压钻井液喷射向井底，水眼喷嘴109将流经过流通道的钻井液喷射向井底；各高压喷嘴108与壳体101中轴线之间的距离均大于各水眼喷嘴109与壳体101中轴线之间的距离，从而环形布置的各高压喷嘴108将各水眼喷嘴109包围在该环形内。当过流通道的过流面积最小时，各高压喷嘴108喷射出高压钻井液，在井底形成环形高速射流5，而各水眼喷嘴109的钻井液流量迅速降低且该部分钻 井液产生负水击压力，从而形成由环形高速射流5围成的负压区，在负压区内，井底压力小于地层压力，形成欠平衡状态，可诱发岩爆。环形高速射流5将负压区内的相对为负压状态的钻井液与负压区外的携带岩屑的高压钻井液隔开，携带岩屑的高压钻井液沿钻具与地层之间的环空4上返，钻井液压力逐渐恢复正常(即常规钻井时的钻井液压力)，负压区以上的井内压力大于地层压力，即处于过平衡状态，可避免现有的欠平衡钻井存在的技术问题，包括井壁发生坍塌失稳、地层出水、地层含H₂S、井下燃爆、井眼失控等问题。

进一步优化上述结构，如图1-图3，各所述水眼喷嘴109入口端均位于所述壳体101中轴线上，各所述高压喷嘴108沿所述壳体101中轴线对称布置，保证井底压力的均衡性，在钻头1的正下方诱发岩爆。高压喷嘴108的数量应保证能在井底形成完整的环形高速射流5，本实施例中，高压喷嘴108的数量为4个，在钻头1底部环形均匀间隔布置。上述环形高速射流5在井底形成类龙卷风的钻井液流场，对该“龙卷风”中心的负压区内产生吸附力，保证负压区内的负压状态；上述各高压喷嘴108与钻头1底部边缘的距离不宜过小，与钻头1底部中心的距离也不宜过小，以免影响环形高速射流5屏蔽高压钻井液与低压钻井液的作用，以布置于钻头1底部中心与边缘的中间为宜，优选为各高压喷嘴108入口端与壳体101中轴线的距离均为壳体101直径的1/4。进一步地，上述各所述高压喷嘴108的喷吹方向均自所述壳体101中轴线向所述壳体101外侧方向倾斜，有利于携带岩屑的钻井液向环空4泄流；但各高压喷嘴108的外倾角不宜过大，以免影响环形高速射流5屏蔽高压钻井液与低压钻井液的作用，本实施例中，各所述高压喷嘴108的喷吹方向与所述壳体101中轴线之间的夹角均在7°～10°范围内，以9°为最佳。相应地，各水眼喷嘴109与壳体101中轴线之间的夹角以小于或等于上述高压喷嘴108的外倾角为宜，本实施例中，各水眼喷嘴109与壳体101中轴线之间的夹角均大致等于各高压喷嘴108的外倾角，一方面，在环形高速射流5与各水眼喷嘴109形成的射流之间形成近真空区，可提高“龙卷风”的吸附力，另一方面，水眼喷嘴109喷出的钻井液可将负压区的岩屑携带走，保持井底干净。

接续上述钻头1的结构，如图1-图5，所述旁通流道机构107包括多道旁通流道107，各所述旁通流道107均自所述壳体101内壁处开设形成旁通孔，所述旁通流道107的数量不少于所述高压喷嘴108的数量。所述旁通流道107的数量等于所述高压喷嘴108的数量时，各所述旁通流道107与各所述高压喷嘴108一一对应连通或各所述旁通流道107的出口端均连接至一分配流道，各所述高压喷嘴108均与所述分配流道导通；所述旁通流道107的数量大于所述高压喷嘴108的数量时，各所述旁通流道107的出口端均连接至一分配流道，各所述高压喷嘴108均与所述分配流道导通。各旁通流道107的有效横截面面积之和应大于各高压喷嘴108的有效流通面积之和，以减小流道阻力及降低钻井液能量损失。如图4和图5，上 述旁通流道107截面可为圆形或圆弧形。

实施例三

如图6，本实用新型实施例提供一种钻头1，其结构与实施例二中所提供的钻头1的结构基本相同，在下阀座106的结构上有所区别。本实施例中，下阀座106与壳体101内腔固定连接，固定连接方式优选为螺纹连接，以便拆卸更换维护；该下阀座106具有上下贯通的贯通流道，该贯通流道将过流通道与各水眼喷嘴109导通；旁通流道机构107设于壳体101壁内，其入口端位于下阀座106上方且与壳体101内腔导通。

本实施例中，旁通流道机构107处于常通状态，上述下阀座106与下阀片104即构成上述流道控制机构。初始状态下，常压钻井液通过旁通流道机构107和中间流道机构(过流通道、上述贯通流道及可供选择的位于下阀座106下方的壳体101内腔)分别进入各高压喷嘴108和各水眼喷嘴109，并喷射至井底；过流面积由大变小过程中，在所述壳体101内形成钻井液水击增压状态时，压力突然增加的钻井液从旁通流道机构107流至各高压喷嘴108，可达到上述实施例一和上述实施例二中所达到的局部欠平衡状态；过流面积由小变大过程中，整个钻井系统的压力逐渐恢复正常。

实施例四

如图1-图8，本实用新型实施例涉及一种钻井工具，包括钻头1，该钻头1采用上述实施例一中所提供的钻头1，优选为采用上述实施例二中所提供的钻头1，也可采用上述实施例三中所提供的钻头，该钻头1的具体结构此处不再赘述。

基于实施例二中所提供的钻头1，所述钻头1顶部固定连接有能量转换装置2，所述能量转换装置2包括定子201和转子202，所述转子202位于所述定子201的空腔内且能够在其中左右往复摆动及沿所述定子201轴线移动，所述转子202底端与所述过水接头102连接。钻井液进入定子201的空腔内时，可驱动转子202在定子201空腔内旋转及在定子201空腔内左右往复摆动，并对转子202产生一向下的推力，使转子202具有向下移动的趋势。

其中，上述能量转换装置2优选为采用螺杆马达，进一步优选地，采用单头螺杆马达，即上述转子202为单头螺杆马达转子202，上述定子201为由钢壳体和橡胶构成的单头螺杆马达定子201。当然，上述能量转换装置2也可为蜗轮，其可通过万向轴总成、传动轴总成及扰动总成与上述过水接头102连接，实现转子202能在定子201空腔内旋转及在定期空腔内左右往复摆动及能沿定子201轴向上下移动即可。

如图7，以采用单头螺杆马达的能量转换装置2为例，钻头1的壳体101与定子201采用螺纹连接固定，转子202底端与过水接头102上端采用螺纹连接固定。在定子201的上端螺纹连接有上部短节3。

实施例五

本实用新型实施例涉及一种局部欠平衡钻井方法，采用上述实施例四所提供的钻井工具，所述方法具体包括：

将所述钻井工具与常规钻具组合进行装配；

增压机构周期性的使进入壳体101内腔中的钻井液产生水击增压；

水击增压期间内，经增压至预设压力的钻井液被引入至所述旁通流道机构107，将高压钻井液输送至各高压喷嘴108处喷射向井底，在井底形成环形高速射流，而水眼喷嘴109的钻井液流量迅速降低且该部分钻井液产生负水击压力，从而形成由环形高速射流5围成的负压区，在负压区内形成欠平衡状态；负压区外的钻井液携带岩屑沿所述钻井工具与地层之间的环空4上返，负压区以上的井内空间与地层之间形成过平衡状态；

除水击增压期间外的其它时间内，压力低于所述预设压力的钻井液由所述中间流道机构被输送至各水眼喷嘴109处喷射向井底，井内压力恢复正常；

随着壳体101内周期性的产生钻井液水击增压现象，在井底周期性的形成局部欠平衡状态，以实现连续高应力扰动破岩，诱发岩爆。

作为实施例之一，增压机构按正弦规律周期性的使进入壳体101内腔中的钻井液产生水击增压。

如图9-图11，基于采用实施例二中所提供的钻头1的钻井工具，上述局部欠平衡钻井方法具体为：

将所述钻井工具与常规钻具组合进行装配；

钻井液进入所述定子201的空腔内，驱动所述转子202旋转及在所述定子201空腔内左右往复摆动，以带动所述上阀片103在所述下阀片104上端面上左右往复摆动，使所述过流通道的过流面积周期性变化；

过流面积由大变小过程中，进入定子201空腔内的钻井液产生水击增压现象，驱动所述柱塞106下移使所述旁通流道机构107与所述壳体101内腔导通，将高压钻井液引入至各高压喷嘴108处喷射向井底，在井底形成环形高速射流5，而水眼喷嘴109的钻井液流量迅速降低且该部分钻井液产生负水击压力，从而形成由环形高速射流5围成的负压区，在负压区内，井底压力小于地层压力，形成欠平衡状态，满足岩爆发生的两个条件，钻头1附近的岩石不断卸载应力，从而提高了破岩效率。环形高速射流5将负压区内的相对为负压状态的钻井液与负压区外的携带岩屑的高压钻井液隔开，携带岩屑的高压钻井液沿钻具与地层之间的环空4上返，钻井液压力逐渐恢复正常(即常规钻井时的钻井液压力)，负压区以上的井内压力大于地层压力，即处于过平衡状态，可避免现有的欠平衡钻井存在的技术问题，包括井壁 发生坍塌失稳、地层出水、地层含H₂S、井下燃爆、井眼失控等问题；

过流面积由小变大过程中，进入定子201空腔内的钻井液产生水击减压现象，所述复位机构105驱动所述柱塞106上移复位，井内压力恢复正常。

通过过流通道过流面积连续变化，每一个微小的变化动作都会产生一相应的连续变化的水击增压波或降压波，从而在井底周期性形成局部欠平衡状态，造成连续高应力扰动破岩，诱发岩爆，提高钻速，最终实现局部欠平衡钻井。

如图10，作为实施例之一，所述过流通道的过流面积随时间按正弦规律周期性变化。

图11示出了钻井过程中地应力的示意图，其中，σ₁为所钻遇地层垂直方向的原始主地应力；σ_p为所钻遇地层垂直方向的、靠钻头一侧的主地应力，其受到钻头附近周期性变化的钻井液压力影响，不断周期性卸载，该主地应力σ_p也处于不断变化状态；σ₂为所钻遇地层水平方向的最大(或最小)主地应力；σ₃为所钻遇地层水平方向的最小(或最大)主地应力。

作为实施例之一，第一通孔与第二通孔之间可以完全相错至封闭程度，即在形成环形高速射流5的时候，水眼喷嘴109不喷钻井液，这样在井底形成的负压状况更佳；但考虑到井底携岩能力，需要有足够的钻井液冲洗井底，保持井底干净，因此，第一通孔与第二通孔相错或重合形成的过流通道的过流面积以不超过第二通孔面积的1/4为佳。

本实施例中，采用常规钻井使用的钻井液即可，无需设计配制适用于欠平衡钻井的钻井液，相较于现有的欠平衡钻井技术，可节约成本，提高钻井效率。

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

Claims (10)

1.一种钻头，包括壳体，其特征在于，所述壳体底部设有多个高压喷嘴及至少一个水眼喷嘴，多个高压喷嘴环形布置并将各所述水眼喷嘴包围于内；所述壳体内设有：

向各所述高压喷嘴输送钻井液的旁通流道机构；

向各所述水眼喷嘴输送钻井液的中间流道机构；

用于周期性的使进入壳体内腔中的钻井液产生水击增压的增压机构；

用于将经增压机构增压至预设压力的钻井液引入至所述旁通流道机构并将压力低于该预设压力的钻井液引入至所述中间流道机构的流道控制机构。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述增压机构包括过水接头、上阀片、下阀片及下阀座，所述下阀座位于所述过水接头下方且嵌设于所述壳体内腔中；

所述上阀片固设于所述过水接头底部且具有与所述过水接头内腔连通的第一通孔，所述下阀片固设于所述下阀座顶部且具有第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔的轴线错位设置且均平行于所述壳体的中轴线；

所述过水接头借助外设的动力装置驱动而能够在所述壳体内腔中左右往复摆动及上下移动，所述上阀片与所述下阀片紧密贴靠，所述第一通孔与所述第二通孔相错或重合形成过流面积周期性变化的过流通道；所述过流通道与各所述水眼喷嘴导通。

3.根据权利要求2所述的钻头，其特征在于：所述旁通流道机构设于所述壳体壁内；

所述流道控制机构包括柱塞及复位机构，所述柱塞嵌设于所述壳体内腔中，所述下阀片固设于所述柱塞顶部，所述柱塞即构成所述下阀座；所述柱塞具有上下贯通的贯通腔并将所述过流通道与各所述水眼喷嘴导通；

所述柱塞具有其顶端位于所述旁通流道机构入口端上方的第一行程端和其顶端位于所述旁通流道机构入口端下方的第二行程端，及由水击增压状态的钻井液驱动下移的第一行程方向和由所述复位机构驱动上移的第二行程方向。

4.根据权利要求2所述的钻头，其特征在于：所述下阀座与所述壳体内腔固定连接，所述下阀座具有上下贯通的贯通流道并将所述过流通道与各所述水眼喷嘴导通；

所述旁通流道机构设于所述壳体壁内，其入口端位于所述下阀座上方且与所述壳体内腔导通。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的钻头，其特征在于：各所述水眼喷嘴入口端均位于所述壳体中轴线上，各所述高压喷嘴入口端与所述壳体中轴线的距离均为所述壳体直径的1/4。

6.根据权利要求5所述的钻头，其特征在于：各所述高压喷嘴的喷吹方向均自所述壳体中轴线向所述壳体外侧方向倾斜。

7.根据权利要求6所述的钻头，其特征在于：各所述高压喷嘴的喷吹方向与所述壳体中轴线 之间的夹角均在7°～10°范围内。

8.根据权利要求2至4中任一项所述的钻头，其特征在于：所述旁通流道机构包括多道旁通流道，各所述旁通流道均自所述壳体内壁处开设形成旁通孔，所述旁通流道的数量不少于所述高压喷嘴的数量。

9.根据权利要求2至4中任一项所述的钻头，其特征在于：所述过流通道的过流面积不超过所述第二通孔面积的1/4。

10.一种钻井工具，其特征在于：包括如权利要求1至9中任一项所述的钻头。