CN105298380B - 钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井装置，其包括钻头和与钻头连接的高频冲击辅助钻井机构，所述高频冲击辅助钻井机构每秒至少产生10000次的高频低幅冲击动作以辅助钻头钻井。所述高频冲击辅助钻井机构包括与钻头连接的连接筒，所述连接筒内设有高频振动发生器和转换器，所述转换器将高频振动发生器产生的高频机械振动转换为高频低幅冲击后传递给钻头。该钻井装置不仅能够提高钻速而且能够延长工具的使用寿命。

Description

钻井装置

技术领域

本发明涉及一种油气田勘探与开发技术领域，具体涉及一种采用高频冲击来辅助钻井的钻井装置。

背景技术

钻井工程是通过钻井工具和钻井技术建立地面与地下油藏的通道。目前钻井工程主要应用于石油、天然气、地热、地下水、井盐等资源的开采。随着油气勘探开发的深入，钻井深度越来越深，难度越来越大，特别是深井、超深井存在着机械钻速低、钻井周期长、钻井费用高等问题，对钻井技术本身提出了更高的要求。

针对以上问题，提出了旋转冲击钻井技术。它是在常规钻井基础上发展起来的一项钻井新技术，其通过液动射流式冲击器来实现旋冲钻井。旋转冲击钻井技术的原理是在钻头上部增加一个液动冲击器，在钻进过程中，钻头在一定钻压下随钻柱旋转，同时还受到来自液动冲击器的冲击力，在旋转和冲击联合作用下破碎岩石，因此可以大幅度提高钻井速度。但是由于该旋转冲击属于机械冲击，单次冲击功和冲击力均较大，容易导致射流元件的冲蚀，同时活动部件易损坏，造成工具的使用寿命缩短，因此在一定程度上限制了该技术的应用。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，提供一种不仅能够提高钻速而且能够延长工具的使用寿命的钻井装置。

针对该问题的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的钻井装置，包括钻头和与钻头连接的高频冲击辅助钻井机构，所述高频冲击辅助钻井机构每秒至少产生10000次的高频低幅冲击动作以辅助钻头钻井。

与现有技术相比，本发明的钻井装置具有以下优点。通过高频冲击辅助钻井机构产生的高频低幅冲击动作辅助钻头进行钻井，不仅能达到提高机械钻速的目的，而且由于高频冲击辅助钻井机构产生的高频低幅冲击对钻头等钻井工具的影响比较小，因此能够延长工具的使用寿命。说明的是，本发明中的高频低幅冲击中的“高频”是相对现有技术中比较低的冲击频次(例如每秒几十次或几百次以下)而且是结合不同的钻井环境和地层的效果而言，能够达到本发明的技术效果。“低幅”主要是相对现有技术中“单次冲击功和冲击力均较大”来说，“低幅”冲击的单次冲击属于小幅度的冲击动作，单次冲击功和冲击力均较小。因此，本发明中的高频低幅冲击属于高频次、小幅度的冲击，作用在钻头上时既能达到提高机械钻速的目的，单次冲击力小又能保证工具例如钻头有较长的使用时间。

在一个实施例中，所述高频冲击辅助钻井机构包括与钻头连接的连接筒，所述连接筒内设有高频振动发生器和转换器，所述转换器将高频振动发生器产生的高频机械振动转换为高频低幅冲击后传递给钻头。由于钻井的井下环境比较复杂，因此采用连接筒能够对其内的高频振动发生器以及转换器起到保护作用。另外，该高频冲击辅助钻井机构的零部件相对比较少，结构比较简单，不容易出现故障，方便用于井下。

在一个优选的实施例中，所述高频冲击每秒至少产生20000次的冲击动作。20000次以上的冲击相当于超声波的振动范围，这样高频次的冲击能够很好地提高钻井速度。

在一个优选的实施例中，所述高频冲击辅助钻井机构为超声波辅助钻井机构，其包括与钻头连接的连接筒，所述连接筒内设有超声波驱动电源、高频振动发生器和转换器，经过超声波驱动电源、高频振动发生器和转换器将转换后的高频低幅冲击传递给钻头。由于目前对超声波的研究比较多，对于超声波的设备和技术相对比较熟悉，将超声波应用于钻井更容易实现提高钻速的目的和达到更方便控制的技术效果。

在一个实施例中，所述转换器包括调幅器、自由块和冲击盘，其中，所述调幅器为上端有效面积大于下端的有效面积的环状体，其上端连接高频振动发生器，其下端连接冲击盘，所述冲击盘的下端和调幅器形成一个振荡区或共振区，所述自由块在振荡区或共振区内上下振荡。调幅器在传播高频振动发生器的机械振动时，其上大下小的结构能够对高频振动发生器产生的机械振动进行扩大。开始时自由块不动，调幅器将扩大的机械振动作用于自由块，然后在调幅器传递的高频机械振动下自由块在振荡区内做上下往复振动，自由块向下振动冲击到冲击盘上，通过冲击盘将高频振动传递给钻头。

在一个优选的实施例中，当调幅器传递的机械振动频率与自由块的固有频率相匹配时，所述自由块在振荡区或共振区内产生共振效应；当自由块向下振动接触冲击盘时，完成一次冲击动作。由于产生共振效应时，自由块对冲击盘的冲击力和冲击作用比较大，而冲击盘又与钻头连接，因此能够对钻头起到更好的冲击效果，使得钻头能更好地克服钻进中的阻力。

在一个实施例中，所述调幅器为中空的环状体，所述调幅器为采用的母线的形状为内阶梯、内指数、内圆台、内高斯、内傅里叶和内余弦中的一种的单一调幅器或多种单一调幅器组合成的复合型调幅器。不同形状的母线形成不同的单一调幅器，不同的调幅器对于机械振动的扩大效果有差异，从而导致对钻头的冲击也不相同。实际中，可以根据不同的需要来选择单一调幅器和复合型调幅器。

在一个优选的实施例中，所述自由块为环状体，所述冲击盘设有向上开口的、与环状体的外形相配的环形腔，所述环形腔与冲击盘的底面形成振荡区或共振区。所述自由块在振荡区或共振区内上下振动，当调幅器传递的机械振动频率与自由块在振荡区或共振区内振动的固有频率相匹配时，自由块在振荡区或共振区内产生共振效应。自由块向下振动接触到冲击盘，即完成一次冲击动作。由于高频振动发生器每秒至少产生10000次机械振动，调幅器将该机械振动进行扩大传递给自由块，因此每秒冲击盘能够对钻头起到至少10000次的冲击作用。这种冲击作用是沿轴向方向的，有利于钻头克服钻井阻力而快速钻进。

在一个优选的实施例中，所述环形腔的轴向的高度为自由块的高度的1.0～1.8倍。由于自由块需要在环形腔内做上下振动，因此环形腔的轴向的高度(即从调幅器的底面到环形腔的底面之间的距离)肯定稍大于自由块的高度，大的数值可以很小，例如几十微米。同时，要形成高频低幅振动，自由块的行程不能太大，即环形腔的轴向的高度值不能太大。优选地，环形腔的轴向的高度为自由块的高度的1.0～1.8倍。

在一个优选的实施例中，所述调幅器的上端有效面积为下端有效面积的1.5～3倍。调幅器要起到将高频振动发生器的高频机械振动扩大的作用，因此需要调幅器的上端有效面积大于下端有效面积。设置环形腔的轴向的高度为自由块的高度的1.0～1.8倍和/或调幅器的上端有效面积为下端有效面积的1.5～3倍，高频振动发生器产生的机械振动经过这种结构的转换器的转换再作用到钻头上，能够很好地提高钻头的机械钻速，同时又使机械钻速不至于过快而导致钻头加速磨损。

在一个实施例中，所述高频振动发生器包括电能接口和环状压电驱动器，所述环状压电驱动器设置成与转换器配合以允许钻井液从中流过。由于该高频冲击辅助钻井机构一般使用在地下环境，例如钻井和勘探中，这种工作环境一般都会有水、油或腐蚀性的气体等，因此为了保护零部件能正常工作以及延长使用寿命，其中的电能接口、环状压电驱动器、调幅器和冲击盘等都会进行防腐蚀或防冲蚀的处理，例如对电能接口、环状压电驱动器、调幅器和冲击盘增设保护罩等。这样，钻井液能够从高频振动发生器和环状压电驱动器的中部空腔流过，在使用时不仅环状压电驱动器、调幅器等部件不会另外承受钻井液的压力作用，而且基本不会影响钻井液的流动。

附图说明

图1所示是本发明的钻井装置中的高频冲击辅助钻井机构的一种具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

在本发明的一种实施例中，本发明的钻井装置主要包括两部分：钻头和与钻头连接的高频冲击辅助钻井机构7。如图1所示，为该高频冲击辅助钻井机构7的一种具体实施例。在该实施例中，该高频冲击辅助钻井机构7主要包括连接筒1、高频振动发生器和转换器，且高频振动发生器和转换器均设在连接筒2内。转换器将高频振动发生器产生的高频机械振动转换为高频低幅冲击后传递给钻头。连接筒1上下设置，其上端设有用于连接钻铤或动力钻具的螺纹接头，其下端设有用于连接钻头的螺纹接头。在图1中，公接头通过设在连接筒1的内壁上端的倾斜部来表示。而母接头通过设在连接筒1的内壁下端的倾斜部来表示。

在一个实施例中，高频振动发生器主要包括电能接口2和压电驱动器3。压电驱动器3固定连接在连接筒1的内壁上。该高频振动发生器与设置在地面上的超声波驱动电源连接以产生高频机械振动，电能接口2与压电驱动器3连接为压电驱动器3提供高频电能。该高频电能有三种供应方式：通过电缆(例如无钻机獾式钻井技术中)或智能钻杆从地面直接供给；2)井下直流电池通过超声波驱动电源转化为与压电驱动器3相匹配的高频电能；3)利用钻井液在钻柱内流动时的能量，通过井下发电机发电，再通过超声波驱动电源转化为与压电驱动器相匹配的高频电能。另外，压电驱动器3称压电换能器，是指利用压电材料的正逆压电效应制成的换能器。采用压电驱动器3可以把高频电能转化成为相同频率的机械振动。常用的压电材料有压电晶体，压电陶瓷等。如果将压电晶体、陶瓷两端镀上电极，并通以交流电，那么晶体、陶瓷会作周期性的伸长和缩短，即开始振动。

在另一个实施例中，将超声波驱动电源设置在井下，高频振动发生器因此主要包括超声波驱动电源(未示出)、电能接口2和压电驱动器3这三个部分。区别仅在于两点：一是电能接口2与压电驱动器3连接时，高频电能只能通过第2)和第3)中方式进行传输和转换。二是采用超声波驱动电源时，由于超声波驱动电源的机械振动频率在每秒20000次以上，因此对钻头的冲击作用为每秒20000次以上。

在一个实施例中，压电驱动器3设计为中空的环状体，从而为钻井液的流动提供流动通道。该压电驱动器3沿径向(即图1中的左右方向)设置与连接筒1的内壁固定连接的固定壁，从而限制压电驱动器3发生径向变形。因此使得压电驱动器只能发生轴向变形，即轴向机械振动。故振动波可以向下传播，而且效率较高。

在一个实施例中，转换器主要包括调幅器4、自由块5和冲击盘6。其中，调幅器4为上端有效面积大于下端的有效面积的环状体，其上端连接高频振动发生器，其下端连接冲击盘6。该调幅器4在传播高频振动发生器的相同频率的机械振动的同时，由于其上大下小的结构能够对高频振动发生器产生的机械振动进行扩大。然后调幅器4将扩大的机械振动作用于自由块5，自由块5向下振动冲击到冲击盘6时完成一次冲击作用。最终通过冲击盘6将高频冲击作用传递给钻头。

在一个优选的实施例中，调幅器4为采用的母线的形状为内阶梯、内指数、内圆台、内高斯、内傅里叶和内余弦中的一种的单一调幅器或多种单一调幅器组合成的复合型调幅器。此处的复合型调幅器既可以是由多个相同种类的单一调幅器组成，也可以是由不同种类的单一调幅器组成。由于不同形状的母线形成不同的单一调幅器，使得不同的调幅器对于机械振动的扩大效果有差异，从而导致对钻头的冲击也不相同。实际中，可以根据不同的需要来选择单一调幅器和复合型调幅器。在图1示出的一个实施例中，该调幅器4为采用内圆台的母线的单一调幅器。具体地，调幅器4与连接筒1的内壁的外表面为圆柱形，调幅器4供钻井液流过的内表面为圆台状。该调幅器4最大的优点是结构简单，加工方便。

在一个优选的时候例中，在与连接筒1的内壁连接的冲击盘6的一侧设有开口向上的环形腔。环形的自由块5在该环形腔与调幅器4的下底面构成的振荡区或共振区8内作上下振荡，从而形成一次次对冲击盘6的向下冲击作用。当调幅器4传递的机械振动频率与自由块5的固有振动频率相匹配时，该自由块5在振荡区或共振区8内产生共振效应。当自由块5向下振动接触冲击盘6时，完成一次冲击动作。另外，冲击盘6也为中空的结构，使得钻井液能从其中部空腔流过。

在一个优选的实施例中，该环形腔的轴向的高度为自由块5的高度的1.0～1.8倍。环形腔这样的高度使得自由块5的运动的行程相对不会太长，因此能保证机械振动传递的效率。

在一个优选的实施例中，调幅器4的上端有效面积为下端有效面积的1.5～3倍。这种结构的调幅器4在扩大机械振动的同时又能较好地传递机械振动的效率。该机械振动的效率也可以理解为轴向向下作用于钻头的冲击作用的冲击力。优选地，调幅器4的上端的有效面积与环状的压电驱动器3的下端的有效面积相当或差不多，这样有利于钻井液在该高频冲击辅助钻井机构内的流动，减少钻井液在该高频冲击辅助钻井机构内的流动时的阻力。

以上结构的本发明的钻井装置的优点有：一是冲击频率高，每秒可达10000次以上，单次冲击的强度小于现有机械冲击的方式，使得工具的使用寿命延长。二是结构更简单，性能更可靠，方便推广应用。三是不会对正常的钻井作业产生影响，即使该高频冲击辅助钻井机构失效，仍可正常进行钻井作业。

说明的是，本发明中的高频冲击辅助钻井机构每秒至少产生10000次的高频低幅冲击动作，该至少产生10000次的高频低幅冲击主要是应用在石油钻探中，在深井钻探中尤其是接近油层或钻探到小块油层后再往前钻探的过程中，阻力相对会比较大，因此相对需要的冲击频率会比较高。但对于受到阻力比较小的钻井工程中，也许每秒产生4000～6000次冲击就能达到较好地提高钻速的作用。因此，每秒产生4000～10000次高频低幅冲击的范围也包括在本发明的范围内。本发明的钻井装置也适用于天然气、地热、地下水、井盐等资源的开采。尤其是，高频冲击是相对的，例如，也许对于地下水的开采，每秒达到例如4000次就能达到较好地提高钻速的效果，此时，4000次也就属于高频冲击。可以预见的是，比临界的能够提高钻速、保护钻头的最低频次稍高一些的冲击的频次，克服阻力从而提高钻速和保护钻头的效果更好一些，例如每秒大于10000次的高频冲击。但每秒至少产生10000次的高频低幅冲击动作不应理解为是对本发明的限制和判断是否侵权的标准，本领域的技术人员在本发明的启示下对于一些易钻地层采用更低一些的频次(例如3000次)并达到差不多相同或相近的技术效果的技术方案也都在本发明的保护范围内。虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种钻井装置，包括钻头和与钻头连接的高频冲击辅助钻井机构，所述高频冲击辅助钻井机构每秒至少产生10000次的高频低幅冲击动作以辅助钻头钻井，

所述高频冲击辅助钻井机构包括与钻头连接的连接筒，所述连接筒内设有高频振动发生器和转换器，所述转换器将高频振动发生器产生的高频机械振动转换为高频低幅冲击后传递给钻头，

所述转换器包括调幅器、自由块和冲击盘，其中，所述调幅器为上端有效面积大于下端的有效面积的环状体，其上端连接高频振动发生器，其下端连接冲击盘，所述冲击盘的下端和调幅器形成一个振荡区或共振区，所述自由块在振荡区或共振区内上下振荡，

所述调幅器为中空的环状体，所述调幅器为采用的母线的形状为内阶梯、内指数、内圆台、内高斯、内傅里叶和内余弦中的一种的单一调幅器或多种单一调幅器组合成的复合型调幅器，

所述冲击盘设有向上开口的、与环状体的外形相配的环形腔，所述环形腔与冲击盘的底面形成振荡区或共振区。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高频冲击每秒至少产生20000次的冲击动作。

3.根据权利要求2所述的装置，所述高频冲击辅助钻井机构为超声波辅助钻井机构，其包括与钻头连接的连接筒，所述连接筒内设有超声波驱动电源、高频振动发生器和转换器，经过超声波驱动电源、高频振动发生器和转换器将转换后的高频低幅冲击传递给钻头。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述环形腔的轴向的高度为自由块的高度的1.0～1.8倍，所述调幅器的上端有效面积为下端有效面积的1.5～3倍。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，当调幅器传递的机械振动频率与自由块的固有频率相匹配时，所述自由块在振荡区或共振区内产生共振效应；当自由块向下振动接触冲击盘时，完成一次冲击动作。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述环形腔的轴向的高度为自由块的高度的1.0～1.8倍，所述调幅器的上端有效面积为下端有效面积的1.5～3倍。

7.根据权利要求1～3，或6中任一项所述的装置，其特征在于，所述高频振动发生器包括电能接口和环状压电驱动器，所述环状压电驱动器设置成与转换器配合以允许钻井液从中流过。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述高频振动发生器包括电能接口和环状压电驱动器，所述环状压电驱动器设置成与转换器配合以允许钻井液从中流过。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述高频振动发生器包括电能接口和环状压电驱动器，所述环状压电驱动器设置成与转换器配合以允许钻井液从中流过。