CN106574481B - 用于改进地下钻井的井下振动 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于轴向振动钻头的井下振荡工具和方法。在一些实施方案中，可提供模块化致动组件，所述模块化致动组件可易于在壳体与轴之间互换以使所述轴相对于所述壳体轴向地振动。例如，模块化致动组件可以是机械的、液压的、电的或压电的，并且可通过不同的振荡频率来表征。在一些实施方案中，可在所述壳体与所述轴之间提供压电元件。
Description
技术领域
本公开大体涉及油田设备，并且具体地说涉及井下工具、钻井系统以及用于在地球中钻出井筒的钻井技术。更具体地讲，本公开涉及用于改进钻头的穿透速率的方法和系统。
背景
钻井系统可使用由从地面泵出的钻井流体提供动力的井下马达来旋转钻头。最常见的是，使用莫瓦诺型容积式马达，莫瓦诺型容积式马达使用螺旋转子，螺旋转子由在转子与定子之间传递的流体压力驱动。然而，其他马达类型，包括涡轮马达，也可在适当时使用。井下马达和钻头可以是由延伸到井表面的钻柱支撑的井底钻具组件的一部分。
钻井成本可能明显受到钻井时有效穿透速率(“ROP”)的影响。随着井深度的增大，地层岩石强度可以增大，并且岩石强度增大可能会导致穿透速率减小。因此，期望增大岩石切割效率和/或减小所需岩石切割力。切割力减小可能会导致钻头磨损和断裂降低、粘滑状况很少遇见、剪切钻柱的可能性降低并且有效穿透速率伴随增大。
附图简述
下文参考附图详细描述实施方案，在附图中：
图1是根据实施方案的钻井系统的部分截面的正视图，钻井系统采用具有井底钻具组件、钻头和用于轴向振动钻头的井下振荡工具的钻柱；
图2是根据实施方案的井下振荡工具的轴向截面图，示出了壳体、可在壳体内旋转且轴向平移并且载送钻头的轴以及用于相对于壳体轴向振动轴的广义可互换模块化致动器组件；
图3是图2的井下振荡工具的分解透视图；
图4是根据实施方案的具有hirth联接件的井下振荡工具的部分截面的分解透视图，示为装备有机械模块化致动器；
图5是根据实施方案的具有花键接头的井下振荡工具的部分截面的分解透视图，示为装备有图4的机械模块化致动器；
图6是根据一些实施方案的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面图，示为其中轴被移除以揭示具有发电机子组件的模块化致动器的细节；
图7是沿图6的线7-7截取的图6的井下振荡工具的横截面图；
图8是沿图6的线8-8截取的图6的井下振荡工具的横截面图；
图9是图6的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面图，示出了轴相对于发电机子组件的轴向对齐；
图10是根据一些实施方案的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面图，示为装备有限定环形液压圆筒的液压模块化致动器组件；
图10A是图10的井下振荡工具的所述部分的放大轴向截面图，其中右半部示出由液压模块化致动器组件相对于壳体轴向移位轴；
图11是根据一些实施方案的液压模块化致动器组件的阀子组件的放大轴向截面图；
图12是根据一些实施方案的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面图，示为装备有具有单独液压圆筒的环形布置的液压模块化致动器组件；
图12A是图12的井下振荡工具的所述部分的放大轴向截面图，其中右半部示出由液压模块化致动器组件相对于壳体轴向移位轴；
图13是根据一些实施方案的压电模块化致动器组件的轴向截面透视图，示出了环状扩展构件的叠层；
图14是根据实施方案的压电模块化致动器组件的环状扩展构件的平面图，示出了多个弯张致动机构；
图15是示为呈收缩状态的图14的弯张致动机构的透视图；
图16是示为呈扩展状态的图14的弯张致动机构的透视图；
图17是根据实施方案的用于轴向振动井下钻头的方法的流程图；以及
图18是根据另一实施方案的用于轴向振动井下钻头的方法的流程图。
详述
先前公开内容可以重复各种实例中的参考数字和/或字母。这种重复是为了简单和清楚起见，并且本身不指示所讨论的各种实施方案和/或配置之间的关系。另外，空间相对术语诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…上方”、“上部”、“井上”、“井下”、“上游”、“下游”等在本文可能为了便于描述而使用以描述如图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。所述空间相对术语意图包含除图中所描绘的定向之外的在使用中或操作中的设备的不同定向。
图1是根据实施方案的包括井底钻具组件90的钻井系统20的部分截面的正视图。钻井系统20可包括钻机22，诸如图1中示出的陆地钻机。然而，本公开的教导内容可与部署在海上平台、半潜式平台、钻井船或用于形成井筒的任何其他钻井系统上的钻机22关联使用。
钻机22可位于井口24的附近或者与其间隔开。钻机22可包括转台38、旋转驱动马达40和与井筒60内的钻柱32的旋转相关联的其他设备。环状体66形成于钻柱32的外部与井筒60的内径之间。对于一些应用，钻机22还可包括顶部驱动马达或顶部驱动单元42。还可在井口24处提供防喷器(未明确示出)和与钻出井筒相关联的其他设备。
钻柱32的下端可包括井底钻具组件90，所述井底钻具组件可在远端载送旋转钻头80。钻井流体46可由一个或多个钻井流体泵48从储器30穿过导管34泵送到钻柱32延伸到井口24外部的上端。钻井流体46随后可流动穿过钻柱32的纵向内部33、穿过井底钻具组件90并且离开形成于旋转钻头80中的喷嘴。在井筒60的底端62处，钻井流体46可与地层岩屑和其他井下流体和碎屑混合。钻井流体混合物随后可向上流过环状体66以使地层岩屑和其他井下碎屑回到地面。导管36可使流体返回到储器30，但是各种类型的滤网、过滤器和/或离心机(未明确示出)可被提供来在钻井液体返回至储器30之前去除地层岩屑和其他井下碎屑。各种类型的管道、管子和/或软管可用来形成导管34和36。
根据实施方案，井底钻具组件90可包括井下泥浆马达82。井底钻具组件90还可包括各种其他工具91，诸如提供来自井筒60底部的测井或测量数据和其他信息的工具。可将测量数据和其他信息使用随钻测量技术从井筒60的端部62传送出来并在井表面处转化为电信号，以便除了别的以外，监测钻柱32、井底钻具组件90和相关联旋转钻头80的性能。然而，有时在井下可发生测量数据和其他信息的转化和/或处理。
根据一个或多个实施方案，钻井系统20可包括井下振荡工具100。井下振荡工具100可操作来在钻头100旋转时，向旋转钻头80应用轴向振荡，如下文所述。井下振荡工具100可被定位在井底钻具组件90内。
图2是根据实施方案的井下振荡工具100的轴向截面图，且图3是根据实施方案的井下振荡工具100的分解透视图。参考图2和图3，井下振荡工具100可包括壳体110，壳体可以是钻柱构件的一部分，诸如钻铤、厚壁钻杆或井底钻具组件90，例如。因此，壳体110可包括用于机械连接至其的上部连接器112或者可以整体形成为它的一部分。例如，上部连接器112可以是螺纹连接器。
轴130可以旋转地设置在所述壳体110内。在实施方案中，轴130可被布置用于与例如井下泥浆马达82(图1)机械连接，所述井下泥浆马达可以是井底钻具组件90的一部分。因此，轴130的上端可包括花键配合件132，用于在泥浆马达的驱动轴92的下端滑动连接到互补花键配合件134。如图所示，花键配合件132可以是用于滑动配合插入内部花键配合件134中的外部花键配合件。然而，也可使用相对配置。花键配合件132可提供用于利用泥浆马达83的驱动轴92与轴130之间允许的有限轴向移动来传输扭矩。虽然示出了花键配合件132，但根据需要可使用键控接头、狭槽和销接头、锯齿、具有一个或多个平面的滑动连接件和/或其他替代物取代花键配合件132。
驱动轴92和轴130可以是空心的且流体地联接到钻柱32的内部33(图1)用于提供钻井流体。轴130的下端可包括用于连接到钻头80的连接器136。可在驱动轴92与壳体110之间在花键配合件134上方提供上部旋转花键密封件150以防止钻井流体经过花键配合件134泄漏出来。上部花键密封件150可由驱动轴92载送。同样，可在轴130与壳体110之间在花键配合件132下方提供下部旋转花键密封件152。下部花键密封件152被布置为动态地密封，同时允许轴130在壳体110内旋转和有限地轴向移动。下部花键密封件152可由轴130载送。例如，上部花键密封件150和下部花键密封件152可以是金属的、陶瓷的、弹性体的或聚合体的。
在实施方案中，壳体110可包括围绕壳体110的内圆周定位的内肩部118。肩部118可与壳体110整体地形成，或其可形成为一个或多个离散段且安装到壳体110。可在轴130与肩部118的内壁之间提供旋转肩部密封件154(其允许旋转和有限的轴向移动)。肩部密封件154可由肩部118载送。例如，肩部密封件154可以是金属的、陶瓷的、弹性体的或聚合体的。
类似地，轴130可包括围绕轴130的外圆周定位的外部凸缘138。凸缘138可与轴130整体地形成，或者它可形成为一个或多个离散段且安装到壳体130。可在凸缘138的外壁与壳体110的内壁之间提供旋转凸缘密封件156(其允许旋转和有限的轴向移动)。凸缘密封件156可由凸缘138载送。例如，凸缘密封件156可以是金属的、陶瓷的、弹性体的或聚合体的。
如下文更详细描述，井下振荡工具100可包括可互换模块化致动器组件170，所述可互换模块化致动器组件可被布置为当轴130相对于壳体110旋转时，将轴130相对于壳体110以振动或振荡方式轴向地移位。模块化致动器组件170可包括穿过其中形成的轴向孔172，轴130可穿过其中。在实施方案中，模块化致动器组件170可定位在壳体110内、可密封在肩部118上并且可在凸缘138上操作。模块化致动器组件170可以在性质方面是机械的、液压的、电的或电子的，可通过相对低、中等或高频率的振动来表征，并且可被布置成在施工现场快速且方便地互换以适应各种地层类型和钻井需求。
轴130可由线性运动支承组件190旋转地且平移地支撑在壳体110内。在实施方案中，支承组件190可以是密封球支承组件，所述密封球支承组件包括外部圆柱形支架191(所述外部圆柱形支架围绕圆周限定多个细长椭圆循环轨道)、定位在轨道内的多个球192、内部圆柱形球保持器193和端环194、195。球192可在轴130的外表面上接合并滚动。另选地，简单的线性运动衬套或另一个合适的支承配置可用作线性运动支承组件190。
在实施方案中，井下振荡工具100可包括抵靠模块化制动器组件170推动凸缘138的弹簧140。在这个实施方案中，模块化制动器组件170可用于将凸缘138相对弹簧140轴向地移位。例如，弹簧140可以是螺旋弹簧、波形弹簧或蝶形弹簧。在替代实施方案中，弹簧140可被取代为第二模块化致动器组件(未示出)，所述第二模块化致动器组件相对于模块化致动器组件170以180度异相操作。
弹簧140可在壳体110内由壳体端帽114固持在适当位置。壳体端帽114可包括穿过其中形成的中心孔116以容纳轴130。可在轴130与孔116的内壁之间提供端帽密封件158，所述端帽密封件实现旋转和有限的轴向移动。端帽密封件158可由端帽114载送。例如，端帽密封件158可以是金属的、陶瓷的、弹性体的或聚合体的。端帽114可螺纹地连接到壳体110。
轴130可包括穿过其壁形成的一个或多个细长流体端口220，所述一个或多个细长流体端口在轴130的内部与外部之间提供开口。可根据需要提供任意合适数量的端口220。在一些实施方案中，端口220可作用来从钻柱32的内部33(图1)提供加压钻井流体流源用于为模块化致动器组件170(图10至图12)液压地提供动力，如下文更详细描述。可在轴130与模块化致动器170的轴向孔172之间端口220上方和下方提供上部内部致动器密封件224和下部内部致动器密封件226。内部致动器密封件224、226可被布置为密封在孔172的内壁上，同时允许轴130在孔172内的旋转和有限的轴向移动。内部致动器密封件224、226可由轴130载送并且例如可以是金属的、陶瓷的、弹性体的或聚合体的。
同样，壳体110可包括穿过其壁形成的一个或多个流体端口222，所述一个或多个流体端口在壳体110的内部与外部之间提供开口。可根据需要提供任何合适数量的端口222。在一些实施方案中，端口222可作用来将加压钻井流体从模块化致动器组件170(图10至图12)传送到井筒60的低压环状体66(图1)，如下文更详细描述。上部和下部外部致动器密封件424、426可围绕模块化致动器170的外部圆柱形壁提供，以被定位在端口222上方和下方。外部致动器密封件424、426可被布置为密封在壳体110的内壁上。例如，外部致动器密封件424、426可以是金属的、陶瓷的、弹性体的或聚合体的。
在一些实施方案中，轴130可包括围绕圆周且沿轴的轴向长度形成于其中的多个凹槽或沟槽。在每个凹槽内，永久磁铁210可被附连以用于生成电力，如下文更详细描述。
图4是根据一个或多个实施方案的具有hirth联接件的井下振荡工具的部分截面的分解透视图。参考图4，壳体110的肩部118可包括具有径向齿部230的面，所述径向齿部可与形成于模块化致动器组件170的肩部接合面上的互补齿部232啮合且旋转地锁定。这种接头被机械领域技术人员称为hirth联接件并且能够转移高旋转负载。虽然示出了齿形径向齿部，但也可根据需要使用锯齿或弯曲径向齿部。另选地，纵向销和槽座或其他合适布置(未示出)可用于将模块化致动器170旋转地固定在壳体110内。
类似地，根据一个或多个实施方案，轴130的凸缘138可包括具有径向hirth齿部234的面，所述径向hirth齿部可与定位在模块化致动器组件170的对应的凸缘接合面上的互补hirth齿部236啮合且旋转地锁定。虽然示出了齿形径向齿部，但也可根据需要使用锯齿或弯曲径向齿部。另选地，可使用纵向销和槽座或其他合适布置(未示出)来将模块化致动器170旋转地固定到轴130。
图5为根据一个或多个实施方案的具有花键接头的井下振荡工具的部分截面的分解透视图。参考图5，壳体110中可包括内部花键配合件240，所述内部花键配合件可与围绕模块化致动器组件170的圆周形成的互补外部花键配合件242啮合且旋转地锁定。花键配合件240、242的尺寸可设计用于滑动配合。另选地，可使用锯齿、键控接头、一个或多个平面或其他合适布置(未示出)来将模块化致动器170旋转地固定在壳体110内。
类似地，根据一个或多个实施方案，轴130可包括外部花键配合件244，所述外部花键配合件可与定位在模块化致动器组件170的轴向孔172内的互补内部花键配合件246啮合且旋转地锁定。花键配合件244、246的尺寸可设计用于滑动配合。另选地，可使用锯齿、键控接头、一个或多个平面或其他合适布置(未示出)来将模块化致动器170旋转地固定到轴130。
根据一些实施方案，取决于地层、钻头和操作员需求，可从多个变化的可互换致动器组件选择模块化致动器组件170。例如，图4和图5公开了根据实施方案的机械致动器组件170。机械致动器组件170可包括第一套筒600和第二套筒602。第一套筒600可被布置成经由hirth齿部230、232(图4)、花键240、242(图5)或其他合适布置而相对于壳体110旋转地固定。类似地，第二套筒602可被布置成经由hirth齿部234、236(图4)、花键配合件244、246(图5)或其他合适布置而相对于轴130旋转地固定。
在组装井下振荡工具100时，第一套筒600可设在壳体110的肩部118上，并且第二套筒602可设在轴130的凸缘138上。第一套筒600和第二套筒602可每个分别具有成形端部604、606，成形端部具有至少一个峰部或至少一个谷部，并且优选地多个纵向峰与多个纵向谷交错。在一个或多个实施方案中，成形端部可形成对应的起伏或波状轮廓，而在其他实施方案中，成形端部可形成对应的锯齿轮廓。.然而，本公开并不限于特定轮廓，只要实现本文所述的振动或振荡运动即可。弹簧140可抵靠机械致动器组件170推动凸缘138，使得两个成形端部604彼此接合。轴130相对于壳体110的旋转随后可使得第二套筒602的成形端部606抵靠第一套筒600的成形端部604旋转，由此在峰谷对齐(图5)与峰峰对齐之间交替地变化。峰峰对齐可将轴130经由凸缘138轴向地移位以进一步压缩弹簧140。以这种方式，轴130和钻头80(图1至图3)可在轴130相对于壳体110旋转时，轴向地振荡。应当指出的是，虽然可沿端部604、606的整个周边以均匀轮廓实现均匀振荡或均匀振动频率，但在其他实施方案中，端部604、606可成形以产生非均匀振荡，即非均匀振动频率。在这点上，本文所述的任一模块化致动器可相应地操作以根据需要提供均匀或非均匀振荡。
机械致动器组件170可通过大体低振荡频率来表征。成形端部604、606的峰与谷之间的纵向振幅和圆周峰峰波长间距可变化以提供所需振荡位移和频率。另外，在适当时，成形端部604、606可具有锯齿或由峰和谷限定的其他轮廓。
图6至图9示出了根据一些实施方案的模块化致动器组件170。每幅图的右半部示出了图4的实施方案的旋转锁定特征。每幅图的左半部示出了图5的实施方案的旋转锁定特征。参考图6至图9，如上面简要描述的，取决于地层、钻头和操作员需求，可从多个变化的可互换致动器选择模块化致动器组件170。一些这样的致动器可能需要电源来作用并且因此可包括发电机子组件300。
因此，根据一些实施方案，轴130可包括围绕圆周且沿轴的轴向长度形成于其中的多个凹槽或沟槽。在每个凹槽内，永久磁铁210可被附连。永久磁铁210可在轴130相对于电气绕组308旋转时提供交变磁场，所述电气绕组被定位在模块化致动器组件170的发电机子组件300内用于发电。
永久磁铁210可被布置为围绕轴130的圆周形成任意偶数个交变磁极。在如图9右半部所示的第一实例中(也如图4所示)，可提供盘形磁铁210的细长纵向行，其中每个磁铁均在其北极和南极径向取向的情况下位于离散圆形凹槽中。轴向行可围绕轴130的圆周均匀地分布。给定纵向行中的所有磁铁210可共享同一径向磁取向，并且纵向行可围绕轴130的圆周限定交替北极和南极。
在如图9的右半部所示的第二实例中(也如图5所示)，可沿轴130的长度形成多个圆周凹槽。在每个圆周凹槽内，可设有多个弧形磁铁210。弧形磁铁210可具有径向或近似径向磁取向，或它们可具有圆周或近似圆周磁取向。无论如何，弧形磁铁210可被定位成围绕轴130的圆周限定纵向细长的交替的北极和南极。
磁铁210可围绕轴130的圆周限定任何偶数个交变磁极。更多数量的(例如，十二个)极可允许在轴130的较低旋转速度下有效地生成电压。另外，磁铁210的精心选择和取向可能会减少齿槽效应。在实施方案中，可使用钕铁硼磁铁210，因为钕铁硼是当前商业生产的最强磁铁材料之一。然而，也可在适当时使用其他类型的磁铁。
发电机子组件300可形成模块化致动器组件170的一部分以用于出于振荡控制目的而向模块化致动器组件170提供电力和/或测速计信号。发电机子组件300可包括圆柱形发电机主体302，所述圆柱形发电机主体具有一定外径以滑动地接纳在壳体110内。发电机子组件300可被布置成相对于壳体110旋转地固定。例如，发电机主体302的第一端可包括hirth齿部232以与肩部118的hirth齿部230啮合(在图6至图9的右半部中示出)，或发电机主体302的外圆周可包括外部花键配合件242以便与壳体110的内部花键配合件240啮合(在图6至图9的左半部中示出)。发电机主体302可包括穿过其中形成的轴向孔172以容纳轴130。
环状电枢绕组组件308可围绕轴向孔172的圆周设置以轴向地对齐并且因此在组装井下振荡工具100时，与磁铁210磁性地联接。因此，在这样的实施方案中，更具体地讲，发电机子组件300可被分类为永久磁铁交流发电机，因为永久磁场在定子电枢绕组内旋转。磁铁210可分布在轴130上，以使得磁极的有效轴向长度长于绕组组件308并且向上延伸。因此，当轴130由模块化致动器组件170相对于壳体110向下轴向移位时，转子极与绕组组件308之间的磁通量联接可得到维持。
虽然未详细明确地示出，但电枢绕组组件308可包括限定面向内的径向狭槽的层压铁磁核心，在所述狭槽中缠绕有电导体。电枢极的数量以及核心和绕组的布置可适当变化以产生所需发电特性。
发电机主体302可包括或限定一个或多个隔室312以接入电枢绕组组件308的电端子。整流器、调压器和用于互连和控制模块化致动器组件170的其他电路、部件和/或连接器314可被安装在隔室312内。示出了两个这样的圆形隔室312，但也可在适当时使用其他形状和数量的隔室312。
在一些实施方案中，模块化致动器组件170可包括发电机子组件300和可互换致动器子组件174，所述子组件可以是液压致动器子组件、电致动器组件或电子致动器子组件，如以下更详细描述。发电机子组件300可与致动器子组件174电连接用于向致动器子组件174提供电力和/或控制。因为这个原因，可能有利的是，致动器子组件174相对于发电机子组件300旋转地固定。因此，发电机主体302的配合端部还可包括hirth齿部320以便与致动器子组件174的hirth齿部322啮合。另选地，虽然未明确示出，但可提供致动器节段174与壳体110之间的花键接头、纵向销和槽座、锯齿、键控接头等以防止在发电机子组件300与致动器子组件174之间发生相对旋转。
与图4和图5所示的机械致动器组件170不同，其中下部套筒602必须与轴130保持旋转锁定，包括发电机子组件300和可互换致动器子组件174的模块化致动器组件170可能无需与轴旋转地锁定。因此，这样的模块化致动器组件170可包括凸缘支承或衬套组件180，所述凸缘支承或衬套组件可促进在凸缘138与模块化致动器组件170之间发生自由旋转。
在一些实施方案中，模块化致动器组件170可以液压地操作。通常，返回参考图1至图3，来自钻柱32的内部33的加压钻井流体可流入轴130的中空内部。这种钻井流体随后可通过轴130中的细长端口220选择性地进入模块化致动器组件170并且可将活塞在液压圆筒内轴向地移位，所述液压圆筒可进而将凸缘138相对于壳体110移位。在下文，液压圆筒内的加压流体可经由穿过壳体110形成的端口222被排出到低压井筒环状体66中，由此允许弹簧140使凸缘138回到初始位置。这个周期可重复进行以振荡钻头80。
图10示出了根据实施方案的具有液压动力可互换致动器子组件174的模块化致动器组件170。图10的右半部示出了图4的实施方案的旋转锁定特征。图10的左半部示出了图5的实施方案的旋转锁定特征。图10A示出了具有图4的实施方案的旋转锁定特征的图10的模块化致动器组件170。图10A的左半部示出了呈收缩状态的井下振荡工具100，其中弹簧140迫使凸缘138抵靠模块化致动器组件170。图10A的右半部示出了呈轴向扩展状态的井下振荡工具100，其中模块化致动器组件170迫使凸缘138压缩弹簧140。
致动器子组件174可包括阀子组件176。图11更详细示出了阀子组件176。参考图10、图10A和图11，阀子组件176可包括圆柱形阀体402，所述圆柱形阀体具有一定外径以滑动地接纳在壳体110内。阀子组件176可被布置为相对于发电机子组件300旋转地固定。出于这个原因，阀体402的第一配合端部可包括hirth齿部322以便与肩部发电机子组件300的hirth齿部320啮合，或阀体402的外圆周可包括外部花键配合件(未示出)以将阀体402接合并旋转地锁定在壳体110内。也可使用其他锁定布置，包括锯齿、键控接头、纵向销和槽座等。阀体402可包括穿过其中形成的轴向孔172以容纳轴130。
阀体402可包括形成于其中的一个或多个安装空腔410，可将定向液压阀412接纳于其中。在所示实施方案中，提供了两个这样的安装空腔410，但是可使用不同的数量。在实施方案中，每个阀412均可为三端口双位阀，其将公共端口414以液压方式联接到供应端口415或排放端口416。然而，可使用单独的双端口阀(未示出)来提供这个三端口功能。阀412可以是柱形阀或提升阀。在实施方案中，阀412可由螺线管413操作并由发电机子组件300供电并控制。然而，在另一个实施方案中(未示出)，阀子组件176可使用完全液压或机械受控且致动的阀取代螺线管操作的阀。在这个实施方案中，发电机子组件300可能不是必要的。
对于每个安装空腔410来说，纵向导管417可形成在阀体402内以使公共端口414流体地连接到一个或多个液压圆筒，如以下更详细描述。内部径向导管418可形成于阀体402中在供应端口415与轴向孔172之间。内部径向导管418可被定位成使得在组装井下振荡工具100时，导管418与轴130中的细长端口220轴向地对齐且流体地联接。端口220可以是纵向细长的以允许轴130相对于阀体402有限地轴向位移，同时维持与导管418的流体连通。可在轴130与模块化致动器170的轴向孔172之间端口220上方和下方提供上部内部致动器密封件224和下部内部致动器密封件226。内部致动器密封件224、226可被布置为密封在孔172的内壁上，同时允许轴130在孔172内的旋转和有限的轴向移动。
类似地，外部径向导管419可形成于阀体402中在排放端口416与阀体402的外部圆柱形壁之间。外部径向导管419可被定位成使得在组装井下振荡工具100时，导管419与壳体110中的端口222轴向地对齐且流体地联接。上部和下部外部致动器密封件424、426可围绕阀体402的外部圆柱形壁提供在外部径向导管419上方和下方。外部致动器密封件424、426可被布置为密封在壳体110的内壁上。例如，外部致动器密封件424、426可以是金属的、陶瓷的、弹性体的或聚合体的。
在实施方案中，如图10所示，液压致动器子组件174可限定单个环状液压圆筒440。具体地讲，阀体402可限定液压圆筒440的第一端，其中纵向导管417通向圆筒440。轴130的外壁可限定圆筒440的内壁，并且壳体110的内壁可限定圆筒440的外壁。凸缘138可直接充当活塞并且由此限定液压圆筒440的第二可移动端。间隔环430可被设置在阀体402与凸缘138之间并且提供最小圆筒体积。
在另一个实施方案中，如图12和图12A所示，液压致动器子组件174可包括成圆形地定位且纵向地连接在环状液压歧管442与环状装载板444之间的多个离散液压圆筒441。图12的右半部示出了图4的实施方案的旋转锁定特征。图12的左半部示出了图5的实施方案的旋转锁定特征。图12A示出了具有图4的实施方案的旋转锁定特征的图12的模块化致动器子组件170。图12A的左半部示出了呈收缩状态的井下振荡工具100，其中弹簧140迫使凸缘138抵靠模块化致动器组件170。图12A的右半部示出了呈轴向扩展状态的井下振荡工具100，其中模块化致动器组件170迫使凸缘138压缩弹簧140。
歧管442可包括使每个液压圆筒441与纵向导管417流体地联接的圆形流动路径。在组装井下振荡工具100时，装载板444可就位并且作用于凸缘支承或衬套组件180以使凸缘138移位。
虽然已描述了可包括成圆形定位且纵向连接在上部与下部环状构件之间的多个离散液压圆筒441的液压致动器子组件174，但在另一个实施方案中(未示出)，这样的液压致动器可由电气线性致动器诸如螺线管的圆形阵列取代。在这样的实施方案中，可使用发电机子组件300，但可能不需要阀子组件176。
图13是根据实施方案的示出了可互换压电致动器子组件174的轴向截面透视图，所述可互换压电致动器子组件可结合发电机子组件300(图6至图9)来使用以形成电子模块化致动器组件170。如同上文图10和图12的液压致动器子组件174一样，压电致动器子组件174可由发电机子组件300供电并控制。因此，压电致动器子组件174的第一端可包括hirth齿部322以便与发电机子组件300的hirth齿部320接合，或者压电致动器子组件174的外圆周可包括外部花键配合件(未示出)以接合并旋转锁定在壳体110内。也可使用其他锁定布置，包括锯齿、键控接头、纵向销和槽座等。压电致动器子组件174可包括穿过其中形成的轴向孔172以容纳轴130。
在一些实施方案中，压电致动器子组件174可包括一个或多个垫圈形或套筒形扩展构件500，所述扩展构件可以轴向地、径向地或圆周地共同堆叠。在图13中示出了轴向叠层。每个环状扩展构件500均可包括一个或多个压电元件510。在图13所示的实施方案中，每个扩展构件500可包括一个环状压电元件510。然而，也可在适当时使用其他布置。
可改变扩展构件500和压电元件510的具体形状、尺寸和布置以获得所需谐振频率。例如，谐振频率的范围可介于200kHz与10MHz之间，以提供钻头80的超声波振动(图1)。
每个压电元件510可由铁电陶瓷材料诸如钛酸钡(BaTiO3)或锆钛酸铅(PZT)形成。这样的陶瓷材料可以多种变型形式和配置商购。另外，压电元件510可掺杂有离子诸如镍、铋、镧、钕和/或铌，以优化压电性能和介电性能。
压电元件510可操作为在压电元件510上施加电压时，通过逆压电效应而沿预定方向扩展。铁电陶瓷压电材料的扩展方向由陶瓷晶粒内铁电畴的宏观取向来确定。可在压电元件510的制造期间在强电场下通过铁电极化过程来设置铁电畴的宏观取向，以使得压电致动器子组件174在壳体110内轴向地扩展(例如，图6)以将凸缘138移位。
每个压电元件510可包括沿陶瓷材料的扩展轴线定位在相对端的正电极502和负电极504。压电元件510还可包括介电层506以实现多个压电元件510的相邻定位。正电极502和负电极504可与电导体508连接以控制发电机子组件300内的电路314(图6)。
图14是根据另一个实施方案的环状扩展构件500的平面图。每个环状扩展构件500均可包括多个弯张致动机构512。多个扩展构件500可与对齐的弯张致动机构512堆叠以形成压电致动器子组件174。
图15是呈收缩状态的弯张致动机构512的透视图，并且图16是呈扩展状态的弯张致动机构512的透视图。参照图15和图16，每个弯张致动机构512可包括定位在金属运动学放大框架522内的一个或多个压电元件510。放大框架522可包括与金属弯曲腹板526连接的端块524。弯曲腹板526可充当无摩擦铰链，所述无摩擦铰链被设计为在设计的疲劳应力极限内弯曲。弹簧丝528可联接在端块524之间以使压电元件510保持在压缩预载下。如图16所示，当压电元件510在箭头530所示的纵向方向上在所施加电场下扩展时，框架522如箭头532所示横向地扩展。然而，弯张致动机构512可被布置成根据需要在压电元件收缩下进行框架扩展。
图17为根据实施方案的用于轴向振动井下钻头的方法700的流程图。参考图3和图17，在步骤704中，可将第一模块化致动器组件170安装在壳体110与轴130之间。模块化致动器组件170可能需要在壳体110内具有具体径向取向用于与端口对齐等。例如，可通过使用有索引的hirth齿部、花键配合件、键、标记或其他标志来确定正确的径向对齐。
在下文，井下振荡工具100如图3的分解视图中所示再组装。在具体所示实施方案中，轴130可通过模块化致动器组件170的孔172插入，直到花键配合件132滑动地接纳在驱动轴92的花键配合件134内。接下来，弹簧140可被插入壳体110和连接到壳体110的壳体端帽114。
在步骤708中，钻头80可在连接器136处被安装到轴130。随后可将井下振荡工具100传送到井筒60中(图1)。在钻井期间，在步骤712中，可在钻头80上经由钻柱32、壳体110、第一模块化致动器组件170和轴130施加轴向力。轴130可相对于壳体110经由例如泥浆马达驱动轴92旋转，如步骤716中所示。在步骤720中，在轴130相对于壳体110旋转时，轴130可由第一模块化致动器组件170以第一频率振荡。
随着钻井的继续，可监测与钻井相关联的各种参数。这些参数可涉及以下各项中的一者或多者：钻柱；井筒流体；井筒钻屑；地层流体；井筒；以及地层组成。基于这些参数中的一者或多者或这些参数的变化，可以确定的是，应当使用不同的模块化致动器。例如，井筒底部的岩面的变化可表明需要以不同频率可操作的模块化致动器，以使钻井过程期间的ROP最大化。以上监测可在原位或在地面上发生，并且并不限于任何具体类型的监测装置。在任何情况下，基于需要不同的模块化致动器的确定，分别在步骤724和728中，可将井下振荡工具100从井筒60去除并拆开。可将第一模块化致动器组件170用第二模块化致动器组件170取代，并且可将井下振荡工具重新组装并运行返回到井筒60(图1)。在下文，在轴130相对于壳体110旋转时，轴130可由第二模块化致动器组件170以第二频率振荡。
另选地，在模块化致动器组件170的一些实施方案的情况下(诸如电布置、压电布置和液压布置)，控制电路314(例如，图6)可实现对振动频率的原位调节，而无需使井下振荡工具100从井筒13脱开(图1)。可使用各种遥测技术包括泥浆脉冲遥测、金属丝套管(wire-in-pipe)等来从地面与控制电路314通信。
图18是根据另一个实施方案的用于轴向振动井下钻头的方法750的流程图。参考图3和图18，在步骤754中，可在外壳110与轴130之间提供压电元件510。压电元件510无需在设计方面是模块化的或可互换的。在一些实施方案中，多个压电元件可以一个或多个垫圈形或套筒形扩展构件500的形式提供，所述扩展构件可以轴向地、径向地或圆周地共同堆叠。在图13中示出了轴向叠层。每个环状扩展构件500均可包括一个或多个压电元件510。在图13所示的实施方案中，每个扩展构件500可包括一个环状压电元件510。然而，也可在适当时使用其他布置。
可改变扩展构件500和压电元件510的具体形状、尺寸和布置以获得所需谐振频率。例如，谐振频率的范围可介于200kHz与10MHz之间，以提供钻头80的超声波振动。
每个压电元件510可由铁电陶瓷材料诸如钛酸钡(BaTiO3)或锆钛酸铅(PZT)形成。这样的陶瓷材料可以多种变型形式和配置商购。另外，压电元件510可掺杂有离子诸如镍、铋、镧、钕和/或铌，以优化压电性能和介电性能。
图14是根据另一个实施方案的环状扩展构件500的平面图。每个环状扩展构件500均可包括多个弯张致动机构512。多个扩展构件500可与对齐的弯张致动机构512堆叠以形成压电致动器子组件174。
图15是呈收缩状态的弯张致动机构512的透视图，并且图16是呈扩展状态的弯张致动机构512的透视图。参照图15和图16，每个弯张致动机构512可包括定位在金属运动学放大框架522内的一个或多个压电元件510。放大框架522可包括与金属弯曲腹板526连接的端块524。弯曲腹板526可充当无摩擦铰链，所述无摩擦铰链被设计为在设计的疲劳应力极限内弯曲。弹簧丝528可联接在端块524之间以使压电元件510保持在压缩预载下。如图16所示，当压电元件510在箭头530所示的纵向方向上在所施加电场下扩展时，框架522如箭头532所示横向地扩展。然而，弯张致动机构512可被布置成根据需要在压电元件收缩下进行框架扩展。
返回参考图3和图18，在步骤758中，钻头80可在连接器136处安装到轴130。在下文，井下振荡工具100可下降到井筒13中(图1)。在下文，可在压电元件510上施加电场以将轴130相对于壳体110轴向地移位。更具体地讲，可施加振荡电场以振荡钻头80。
压电元件510可操作为在压电元件510上施加电压时，通过逆压电效应而沿预定方向扩展。铁电陶瓷压电材料的扩展方向由陶瓷晶粒内铁电畴的宏观取向来确定。可在压电元件510的制造期间在强电场下通过铁电极化过程来设置铁电畴的宏观取向，以使得压电元件510导致轴向扩展以将凸缘138移位。
每个压电元件510可包括沿陶瓷材料的扩展轴线定位在相对端的正电极502和负电极504。压电元件510还可包括介电层506以实现多个压电元件510的相邻定位。正电极502和负电极504可与电导体508连接以控制发电机子组件300内的电路314(例如，图6)。然而，可使用用于提供电力的其他布置，包括电池、金属丝套管等。
随着钻井的继续，可监测与钻井相关联的各种参数。这些参数可涉及以下各项中的一者或多者：钻柱；井筒流体；井筒钻屑；地层流体；井筒；以及地层组成。基于这些参数中的一者或多者或这些参数的变化，可以确定的是，应当使用振动频率。例如，井筒底部的岩面的变化可表明需要以不同频率可操作的模块化致动器，以使钻井过程期间的ROP最大化。以上监测可在原位或在地面上发生，并且并不限于任何具体类型的监测装置。控制电路314(例如，图6)可实现对振动频率的原位调节，而无需使井下振荡工具100从井筒13脱开(图1)。可使用各种遥测技术包括泥浆脉冲遥测、金属丝套管(wire-in-pipe)等来从地面与控制电路314通信。
概括地说，已描述了用于轴向振动钻头的井下振荡工具和用于轴向振动井下钻头的方法。振荡工具的实施方案通常可以具有：管状壳体；部分地设置在所述壳体内且延伸越过所述壳体的底端的轴，所述轴可相对于所述壳体旋转地且轴向地移动；以及压电致动器组件，所述压电致动器组件设置在所述壳体内，以使所述轴相对于所述壳体轴向地振荡。所述方法的实施方案通常可以包括：使压电元件操作性地联接在壳体与轴之间；使所述钻头连接到所述轴的远端；以及在所述压电元件上选择性地施加电场，以使所述轴相对于所述壳体轴向地移位。
上述实施方案中的任一种可单独地或彼此结合地包括以下元件或特性中的任一者：环状肩部，所述环状肩部围绕所述壳体的内圆周形成；凸缘，所述凸缘围绕所述轴的外圆周形成，所述凸缘位于所述壳体内；弹簧，所述弹簧设置在所述壳体内以使所述凸缘朝向所述肩部偏置；所述压电致动器组件使所述凸缘相对于所述肩部轴向地振荡；发电机，所述发电机设置在所述壳体内且联接以便为所述压电致动器组件提供电力；环状扩展构件，所述环状扩展构件具有至少一个压电元件；所述至少一个压电元件为环状且偏振的以在所施加电场下轴向地扩展；所述扩展构件包括弯张压电致动器；多个环状扩展构件，所述多个环状扩展构件被布置为形成叠层；所述至少一个压电元件包括铁电陶瓷材料；在所述压电元件上施加振荡电场，以使所述轴相对于所述壳体轴向地振动；使多个环状扩展构件操作性地联接在所述壳体与所述轴之间，每个扩展构件包括至少一个压电元件；每个所述环状扩展构件包括环状压电元件；所述方法进一步包括在所述环状压电元件上轴向地施加所述电场；每个所述环状扩展构件包括弯张压电致动器，所述弯张压电致动器具有设置在运动学放大框架内的压电元件；所述方法进一步包括在所述压电元件上纵向地施加所述电场，以使所述轴相对于所述壳体轴向地移位；通过使所述轴相对于所述壳体旋转而生成电压；使用所述电压来施加所述电场；在所述压电元件上以给定频率施加振荡电场，以使所述轴相对于所述壳体超声地振动；改变所述所施加电场的所述给定频率；监测与钻井相关联的参数；以及一旦被监测参数发生变化，即改变所述所施加电场的所述给定频率。
本公开的摘要仅仅用于提供从粗略地阅读所述技术公开的性质和要点来快速做出决定的方法，并且其单独代表一个或多个实施方案。
虽然已详细示出各种实施方案，但是本公开不限于示出的实施方案。本领域技术人员可以想到上述实施方案的修改和适配。这种修改和适配在本公开的精神和范围中。
Claims (17)
1.一种用于轴向振动钻头的井下振荡工具，所述井下振荡工具包括：
管状壳体；
轴，所述轴部分地设置在所述壳体内并且延伸越过所述壳体的底端，所述轴可相对于所述壳体旋转地且轴向地移动并且直接耦接到所述钻头以支撑所述壳体下方的所述钻头；以及
压电致动器组件，所述压电致动器组件设置在所述壳体内，以使所述轴相对于所述壳体轴向地振荡。
2.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其进一步包括：
环状肩部，所述环状肩部围绕所述壳体的内圆周形成；
凸缘，所述凸缘围绕所述轴的外圆周形成，所述凸缘定位在所述壳体内；以及
弹簧，所述弹簧设置在所述壳体内，以使所述凸缘朝向所述肩部偏置；其中
所述压电致动器组件使所述凸缘相对于所述环状肩部轴向地振荡。
3.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其进一步包括：
发电机，所述发电机设置在所述壳体内并且联接以便为所述压电致动器组件提供电力。
4.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其中所述压电致动器组件包括：
环状扩展构件，所述环状扩展构件具有至少一个压电元件。
5.根据权利要求4所述的井下振荡工具，其中：
所述至少一个压电元件是环状的且偏振的以在所施加的电场下轴向地扩展。
6.根据权利要求4所述的井下振荡工具，其中：
所述环状扩展构件包括弯张压电致动器。
7.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其中所述压电致动器组件包括：
多个环状扩展构件，所述多个环状扩展构件被布置为形成叠层。
8.根据权利要求4所述的井下振荡工具，其中：
所述至少一个压电元件包括铁磁陶瓷材料。
9.一种用于轴向振动井下钻头的方法，所述方法包括：
使压电元件操作性地联接在壳体与轴之间；
使所述钻头直接连接到所述轴的远端；以及
在所述压电元件上选择性地施加电场，以使所述轴相对于所述壳体轴向地移位。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
在所述压电元件上施加振荡电场，以使所述轴相对于所述壳体轴向地振动。
11.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
使多个环状扩展构件操作性地联接在所述壳体与所述轴之间，每个扩展构件包括至少一个压电元件。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
每个所述环状扩展构件包括环状压电元件；以及
所述方法进一步包括在所述环状压电元件上轴向地施加所述电场。
13.根据权利要求11所述的方法，其中
每个所述环状扩展构件包括弯张压电致动器，所述弯张压电致动器具有设置在运动学放大框架内的压电元件；并且
所述方法进一步包括在所述压电元件上纵向地施加所述电场，以使所述轴相对于所述壳体轴向地移位。
14.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
通过使所述轴相对于所述壳体旋转而生成电压；以及
使用所述电压来施加所述电场。
15.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
在所述压电元件上以给定频率施加振荡电场，以使所述轴相对于所述壳体超声地振动。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
改变所述所施加电场的所述给定频率。
17.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
监测与钻井相关联的参数；以及
一旦所监测参数发生变化，即改变所述所施加电场的所述给定频率。
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