CN102191915A - 一种谐振脉冲振动钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振脉冲振动钻井装置，属于钻井装置技术领域。该装置包括外壳体，置于外壳体内的系统，以及下部接头，该装置的上部与钻井管柱相连接，该装置的下部通过下部接头与钻头相连接，外壳体内部设有供置于外壳体内的系统装设的通孔，置于外壳体内的系统包括动力系统，脉冲调制系统，谐振脉冲与往复振动系统，下部接头连接于谐振脉冲与往复振动系统。该装置有效地解决了传统钻头破岩效率低、钻井成本高的问题，特别适用于深部硬度高、研磨性地层的钻井提速。

Description

一种谐振脉冲振动钻井装置

技术领域

本发明涉及钻井装置技术领域，特别涉及一种能够提高钻井速度的谐振脉冲振动钻井装置。

背景技术

钻井是通过一系列的工具和技术开凿出通往地下的通道。目前，钻井主要是用于石油、天然气、地热和地下水等资源的开采，此外，钻井也被用于核废料处理、CO₂深层储存等一些前沿科学领域。随着钻井深度和难度的增加，对钻井技术本身也提出了新的要求。特别是对于深井和超深井而言，主要难点是所使用的钻井装置钻速低、钻井周期长、钻井费用高。因此，在钻井过程中，提高钻头的破岩效率从而提高钻井速度、缩短钻井周期是钻井过程中一直追求的目标。

钻井过程中最重要的步骤是破碎岩石，破碎岩石所需要的能量来自地表，能量通过钻井液、钻杆传递到下部钻头，由钻头直接破岩。旋冲钻井工具和脉冲射流钻井短接都能有效地提高钻井速度。旋冲钻井工具的上端与钻铤或钻杆相连接，下端与钻头相连接，旋冲钻井工具将钻井液部分能量转化为往复运动，使旋冲钻井工具下端与钻头连接部分往复运动，钻头一边随钻杆旋转，一边做往复运动。旋冲钻井工具使钻头能够做往复冲击运动，钻头的往复冲击运动能够提高钻头破岩效率，特别是对深部硬、研磨地层的破岩速度提高显著。脉冲射流钻井短接能够将钻井液的连续流动转换成一定频率的间歇流动。这种转换使得钻井液在钻头水眼的出口速度大幅提高，这种速度的提高直接带来射流冲击效率的提高，使得水力破岩效率得到提高；脉冲射流钻井短接的脉冲射流效应能够改变井底岩屑床的分布，提高井底钻头部岩屑上返速度，避免岩屑被重复破碎；脉冲射流钻井短接能够周期性地降低井底压力，从而减小井底岩石的压持效应，使钻井速度得到提高。脉冲射流钻井短接能够有效地提高钻井装置的机械钻速。

旋冲钻井工具和脉冲射流钻井短接都能够在不提高地面机泵功率的情况下提高井下钻头的破岩效率。但是，旋冲钻井工具的内部元件的磨损冲蚀严重，致使其使用寿命短；脉冲射流钻井短接则对深部硬度高、研磨性地层的钻井提速效果十分有限。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种能够将连续流动的钻井液调制成具有一定频率的脉冲射流，脉冲射流经谐振放大后脉冲幅值增大，增大后脉冲幅值使装置下部与钻头连接部分产生往复振动，同时使钻头水眼出口处的连续流体转换成脉冲射流的谐振脉冲振动钻井装置。

为了实现上述目的，本发明提供的谐振脉冲振动钻井装置的技术方案如下：

本发明提供的谐振脉冲振动钻井装置包括外壳体，置于所述外壳体内的系统，以及下部接头，所述谐振脉冲振动钻井装置的上部与钻井管柱相连接，所述谐振脉冲振动钻井装置的下部通过所述下部接头与钻头相连接；

所述外壳体内部设有供置于所述外壳体内的系统装设的通孔；

置于所述外壳体内的系统包括旋转动力系统、脉冲调制系统及谐振脉冲与往复振动系统；所述旋转动力系统控制下使连续流动的钻井液变成具有一定周期的脉冲射流；所述谐振脉冲与往复振动系统对所述脉冲射流的脉冲幅值进行放大从而进行周期性上下往复振动；

所述下部接头连接于所述谐振脉冲与往复振动系统。

作为优选，所述外壳体内部设有直径或者当量值递减的阶梯状通孔，所述通孔供置于所述外壳体内的系统装设，所述通孔分为Ⅰ段通孔、Ⅱ段通孔、Ⅲ段通孔和Ⅳ段通孔；所述Ⅰ段通孔装设所述旋转动力系统，所述Ⅱ段通孔装设所述脉冲调制系统，所述Ⅲ段通孔和所述Ⅳ段通孔装设所述谐振脉冲与往复振动系统。

作为优选，所述Ⅰ段通孔、Ⅱ段通孔和Ⅳ段通孔为多边形，所述Ⅲ段通孔为圆形或者多边形。

作为优选，所述旋转动力系统为涡轮或者螺杆。

作为优选，所述涡轮动力系统包括轴承、上固定孔板、下固定孔板、导流叶片、配合筒和中心轴，所述上固定孔板和所述下固定孔板分别利用所述轴承与所述中心轴活动连接，所述中心轴的长度大于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间的距离，从而使得所述中心轴的下端面向下伸出于所述下固定孔板一段距离，所述导流叶片装设于所述中心轴位于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间的部位上，所述上固定孔板和所述下固定孔板上对应设置有供钻井液流通的流道；所述配合筒安装于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间，所述配合筒的外表面与所述Ⅰ段通孔相配合，所述配合筒中心具有直径大于所述安装后所述导流叶片转动半径的通孔。

作为优选，所述中心轴的上端面与所述上固定孔板的上端面同平面。

作为优选，所述流道的数量范围是3～15。

作为优选，所述脉冲调制系统包括转动密封块、用于固定连接所述转动密封块和固定连接所述涡轮动力系统的中心轴的偏心轴和周期导流板，所述周期导流板上设有以所述周期导流板为中心对称分布的扰流通孔，所述扰流通孔的半径小于所述扰流通孔的中心与所述周期导流板中心的距离，所述转动密封块的数量大于或者等于所述扰流通孔的数量，所述转动密封块的下表面能够与所述周期导流板的上表面密封接触，使得当所述转动密封块未旋转到与所述扰流通孔重合的位置时，所述扰流通孔处于最大流动截面状态，而当所述转动密封块旋转到与所述扰流通孔完全重合的位置时，所述扰流通孔处于被完全密封状态。

作为优选，所述扰流通孔的数量范围是1～10。

作为优选，所述谐振脉冲与往复振动系统包括具有谐振腔的谐振脉冲传扭腔，用于使所述谐振脉冲传扭腔与所述Ⅲ段通孔密封的密封件和置于所述Ⅲ段通孔的肩部、用于使所述谐振脉冲传扭腔复位的弹性部件，所述谐振脉冲传扭腔中心设有在不改变脉冲频率的情况下使脉冲幅值被放大谐振腔。

作为优选，所述谐振脉冲传扭腔上部为圆形，中部为截面为正多边形的柱体，下部有螺纹，所述谐振腔为阶梯圆形或者多边形通孔，直径或者当量值递减，所述谐振脉冲传扭腔的中部外表面与所述Ⅳ段通孔相配合。

作为优选，所述弹性部件为弹簧。

作为优选，所述下部接头为内部具有用于钻井液循环的通孔，所述下部接头上部具有用于与所述谐振脉冲传扭腔下部具有的螺纹相连接的螺纹，所述下部接头下部具有用于连接钻头的螺纹。

本发明提供的谐振脉冲振动钻井装置的有益效果在于：

本发明提供的谐振脉冲振动钻井装置相对于传统钻头旋转破岩增加了轴向往复振动和对井底的脉冲射流，钻头的轴向往复振动和脉冲射流的引入大幅提高了钻头的破岩效率，有效地解决了传统钻头破岩效率低、钻井成本高的问题，特别适用于深部硬度高、研磨性地层的钻井提速。

附图说明

图1为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置装配剖视图；

图2为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置外壳体剖视图；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的固定孔板的示意图；

图5为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的配合筒的示意图；

图6为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的周期导流板示意图；

图7（a）为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置扰流通孔与转动密封块处于开启状态的示意图；

图7（b）为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置扰流通孔与转动密封块处于关闭状态的示意图；

图8为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的转动密封块处于扰流通孔不同位置时产生的脉冲压力值变化示意图；

图9为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的谐振脉冲传扭腔的剖视图；

图10为图9的B-B向剖视图；

图11为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的转动密封块处于扰流通孔不同位置时产生的脉冲压力值变化被谐振腔放大前后对比示意图；

图12为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的下部接头剖视图；

图13（a）为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置带动钻头至下死点位置时的示意图；

图13（b）为本发明实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置带动钻头至上死点位置时的示意图。

具体实施方式

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

参见附图1，本发明提供的谐振脉冲振动钻井装置的外形为圆柱状，包括外壳体1和置于外壳体1内的涡轮动力系统，脉冲调制系统，谐振脉冲与往复振动系统，以及下部接头14。涡轮动力系统用于控制脉冲调制系统的动作，脉冲调制系统用于使连续流动的钻井液变成具有一定周期的脉冲射流，谐振脉冲与往复振动系统用于使脉冲射流的脉冲幅值进行放大从而进行周期性上下往复振动。参见附图2，外壳体1内具有直径或者当量值递减的阶梯状通孔，分为Ⅰ段通孔、Ⅱ段通孔、Ⅲ段通孔和Ⅳ段通孔，并且Ⅰ段通孔、Ⅱ段通孔、Ⅲ段通孔和Ⅳ段通孔，Ⅰ段通孔用于装设涡轮动力系统，Ⅱ段通孔用于装设脉冲调制系统，Ⅲ段通孔和Ⅳ段通孔用于装设所述谐振脉冲与往复振动系统。谐振脉冲振动钻井装置的上部与钻井管柱相连接，谐振脉冲振动钻井装置的下部通过下部接头14与钻头连接。

本实施例中，Ⅰ段通孔、Ⅱ段通孔和Ⅳ段通孔为正八方孔（参见附图2和附图3）。Ⅲ段通孔为圆形孔。

参见附图1，涡轮动力系统包括轴承2、上固定孔板3、下固定孔板6、导流叶片4、配合筒5和中心轴7。上固定孔板3和下固定孔板6分别利用轴承2与中心轴7活动连接，中心轴7的上端面与上固定孔板3的上端面同平面。参见附图4，上固定孔板3的外形为正八边形，上固定孔板3的中心设有用于安装轴承2的通孔，上固定孔板3上设有3-15个流道401。本实施例中，上固定孔板3上设有4个流道401，中心轴7的长度大于上固定孔板3和下固定孔板6之间的距离，从而使得中心轴7的下端面向下伸出于下固定孔板6一段距离，其中，中心轴7的下端面向下伸出于下固定孔板6的距离为50mm-500mm，导流叶片4装设于中心轴7位于上固定孔板3和下固定孔板6之间的部位上，上固定孔板3和下固定孔板6上对应设置有供钻井液流通的流道。参见附图5，配合筒5安装于上固定孔板3和下固定孔板6之间，配合筒5的外表面呈正八方柱体，与Ⅰ段通孔相配合，配合筒5中心有直径大于安装后导流叶片4转动半径的通孔。

参见附图1，脉冲调制系统包括转动密封块8、用于固定连接转动密封块8和固定连接涡轮动力系统的中心轴7的偏心轴9和周期导流板10。参见附图6，周期导流板10上设有以周期导流板10为中心对称分布的1-10个扰流通孔601，扰流通孔601的半径小于扰流通孔601的中心与周期导流板10中心的距离。转动密封块8的数量大于或者等于扰流通孔601的数量。转动密封块8的下表面能够与周期导流板10的上表面密封接触，转动密封块8能够被中心轴7带动做旋转运动。参见附图7（a），当转动密封块8未旋转到与扰流通孔601重合的位置时，扰流通孔601处于最大流动截面状态，参见附图7（b），当转动密封块8旋转到与扰流通孔601完全重合的位置时，扰流通孔601处于被完全密封状态。参见附图8，脉冲压力幅值的变化曲线中，压力值为a时，对应转动密封块8的位置为图7（a）所示位置；压力值为b时，对应转动密封块8的位置为图7（b）所示位置，随着转动密封块8的旋转，脉冲调制系统使得连续流动的钻井液形成了具有周期的脉冲射流。

参见附图1，谐振脉冲与往复振动系统包括具有谐振腔的谐振脉冲传扭腔12，用于使谐振脉冲传扭腔12与Ⅲ段通孔密封的密封件11和置于Ⅲ段通孔的肩部、用于使谐振脉冲传扭腔12复位的弹性部件。本实施例使用的弹性部件是弹簧13。参见附图9，谐振脉冲传扭腔12上部为圆形，中部为截面为正多边形的柱体。参见附图10，本实施例的中部截面为正八边形，下部有螺纹，圆形的直径大于正八边形外接圆的直径。谐振脉冲传扭腔12的上部圆形外侧具有用于装设密封件11的密封槽901，谐振脉冲传扭腔12的上部圆形与外壳体1的Ⅲ段通孔配合安装，并且密封槽901和密封件11使谐振脉冲传扭腔12的上部圆形与外壳体1的Ⅲ段通孔密封，谐振脉冲传扭腔12中心设有谐振腔902，谐振腔902为阶梯圆形或者多边形通孔，直径或者当量值递减，谐振脉冲传扭腔12的中部外表面与Ⅳ段通孔相配合。参见附图11，谐振腔902的作用是在不改变脉冲频率的情况下使脉冲幅值被放大，使得冲击力增强，从而，谐振脉冲传扭腔12产生周期性的上下往复振动，同时，弹簧13用于帮助谐振脉冲传扭腔12复位。

参见附图1和附图12，下部接头14为内部具有用于钻井液循环的通孔，下部接头14上部具有用于与谐振脉冲传扭腔12下部具有的螺纹相连接的螺纹，下部接头14下部具有用于连接钻头的螺纹。

下面阐述本发明提供的谐振脉冲振动钻井装置的工作原理：

参见附图13（a），此时转动密封块8与扰流通孔601处于图7（a）所示位置，钻井液沿图13（a）中箭头方向流动，钻井液首先通过上固定孔板3的流道401，然后通过周期导流板10的扰流通孔601，随后经过谐振脉冲传扭腔12的谐振腔，最后通过钻头1301的内流道1302射入井底，此时，弹簧13被压缩到最短，谐振脉冲传扭腔12带动钻头1301处于往复振动的下死点位置。参见附图13（b），此时转动密封块8与扰流通孔601处于图7（b）所示位置，钻井液沿图13（b）中箭头方向流动，钻井液通过上固定孔板3的流道401，由于转动密封块8与扰流通孔601密封，钻井液无法流入到谐振脉冲传扭腔12中，从而，周期导流板10以下至钻头1301的内流道1302内无钻井液，此时，谐振脉冲传扭腔12无法获取向下的冲击力，弹簧13处于自然状态，谐振脉冲传扭腔12带动钻头1301处于往复振动的上死点位置。

应用本发明提供的谐振脉冲振动钻井装置进行钻井时，由于本发明提供的谐振脉冲振动钻井装置相对于传统钻头旋转破岩增加了轴向往复振动和对井底的脉冲射流，钻头的轴向往复振动和脉冲射流的引入大幅提高了钻头的破岩效率，有效地解决了传统钻头破岩效率低、钻井成本高的问题，特别适用于深部硬度高、研磨性地层的钻井提速。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种谐振脉冲振动钻井装置，包括外壳体，置于所述外壳体内的系统，以及下部接头，所述谐振脉冲振动钻井装置的上部与钻井管柱相连接，所述谐振脉冲振动钻井装置的下部通过所述下部接头与钻头相连接，其特征在于：

所述外壳体内部设有供置于所述外壳体内的系统装设的通孔；

置于所述外壳体内的系统包括旋转动力系统、脉冲调制系统及谐振脉冲与往复振动系统；所述旋转动力系统控制下使连续流动的钻井液变成具有一定周期的脉冲射流；所述谐振脉冲与往复振动系统对所述脉冲射流的脉冲幅值进行放大从而进行周期性上下往复振动；

所述下部接头连接于所述谐振脉冲与往复振动系统。

2.根据权利要求1所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述外壳体内部设有直径或者当量值递减的阶梯状通孔，所述通孔供置于所述外壳体内的系统装设，所述通孔分为Ⅰ段通孔、Ⅱ段通孔、Ⅲ段通孔和Ⅳ段通孔；所述Ⅰ段通孔装设所述旋转动力系统，所述Ⅱ段通孔装设所述脉冲调制系统，所述Ⅲ段通孔和所述Ⅳ段通孔装设所述谐振脉冲与往复振动系统。

3.根据权利要求2所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述Ⅰ段通孔、Ⅱ段通孔和Ⅳ段通孔为多边形，所述Ⅲ段通孔为圆形或者多边形。

4.根据权利要求2所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述旋转动力系统为涡轮或者螺杆。

5.根据权利要求4所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述涡轮包括轴承、上固定孔板、下固定孔板、导流叶片、配合筒和中心轴，所述上固定孔板和所述下固定孔板分别利用所述轴承与所述中心轴活动连接，所述中心轴的长度大于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间的距离，从而使得所述中心轴的下端面向下伸出于所述下固定孔板一段距离，所述导流叶片装设于所述中心轴位于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间的部位上，所述上固定孔板和所述下固定孔板上对应设置有供钻井液流通的流道；所述配合筒安装于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间，所述配合筒的外表面与所述Ⅰ段通孔相配合，所述配合筒中心具有直径大于所述安装后所述导流叶片转动半径的通孔。

6.根据权利要求5所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述中心轴的上端面与所述上固定孔板的上端面同平面。

7.根据权利要求5所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述流道的数量范围是3～15。

8.根据权利要求3或4所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述脉冲调制系统包括转动密封块、用于固定连接所述转动密封块和固定连接所述涡轮动力系统的中心轴的偏心轴和周期导流板，所述周期导流板上设有以所述周期导流板为中心对称分布的扰流通孔，所述扰流通孔的半径小于所述扰流通孔的中心与所述周期导流板中心的距离，所述转动密封块的数量大于或者等于所述扰流通孔的数量，所述转动密封块的下表面能够与所述周期导流板的上表面密封接触，使得当所述转动密封块未旋转到与所述扰流通孔重合的位置时，所述扰流通孔处于最大流动截面状态，而当所述转动密封块旋转到与所述扰流通孔完全重合的位置时，所述扰流通孔处于被完全密封状态。

9.根据权利要求8所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述扰流通孔的数量范围是1～10。

10.根据权利要求3所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述谐振脉冲与往复振动系统包括具有谐振腔的谐振脉冲传扭腔，用于使所述谐振脉冲传扭腔与所述Ⅲ段通孔密封的密封件和置于所述Ⅲ段通孔的肩部、用于使所述谐振脉冲传扭腔复位的弹性部件，所述谐振脉冲传扭腔中心设有在不改变脉冲频率的情况下使脉冲幅值被放大谐振腔。

11.根据权利要求10所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述谐振脉冲传扭腔上部为圆形，中部为截面为正多边形的柱体，下部有螺纹，所述谐振腔为阶梯圆形或者多边形通孔，直径或者当量值递减，所述谐振脉冲传扭腔的中部外表面与所述Ⅳ段通孔相配合。

12.根据权利要求10所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述弹性部件为弹簧。

13.根据权利要求1或11所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于：所述下部接头为内部具有用于钻井液循环的通孔，所述下部接头上部具有用于与所述谐振脉冲传扭腔下部具有的螺纹相连接的螺纹，所述下部接头下部具有用于连接钻头的螺纹。

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