CN112576196B - 基于超声波与机械钻具联合装置及其钻井方法 - Google Patents
基于超声波与机械钻具联合装置及其钻井方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及的是基于超声波与机械钻具联合装置及其钻井方法，其中基于超声波与机械钻具联合装置包括钻柱、钻头、超声波换能器、特种变幅杆主杆、特种变幅杆分支杆、激励器岩石破碎工具头，钻柱中部设置超声波发生器电器仓，超声波发生器电器仓环绕在大钻井液通孔外，其内有高频交流脉冲转换集成装置；超声波换能器与中间连接装置相连，中间连接装置设置在特种变幅杆主杆上端，特种变幅杆主杆上端位于超声波换能器电器仓内，特种变幅杆主杆底端呈辐射状分布着八个特种变幅杆分支杆，特种变幅杆分支杆穿过隔离套管与激励器岩石破碎工具头相连，八个激励器岩石破碎工具头每两个分布在同一个钻头胎体上。本发明钻井进度快、效率高、钻头磨损小。
Description
技术领域
本发明涉及的是应用在石油工程、采矿工程、岩土工程等领域中的钻井装置，具体涉及的是基于超声波与机械钻具联合装置及其钻井方法。
背景技术
超声波是一种频率高于20000Hz的声波，它是由纵波、横波、表面波和兰姆波组成的，超声波钻井是通过交流电源、高频交流脉冲转换集成装置、超声波换能器、特种变幅杆等装置产生并传导超声波利用空化作用、热效应、机械振动等来破碎地层岩石。传统的机械钻井钻进有速度慢、钻头磨损大等突出的缺陷。所以提供一种将超声波钻井和机械钻头联合在一起的钻井方式能减少钻头磨损，还可以提高传统钻井的钻进速度，因此针对以上问题，设计一种超声波辅助的钻井方式以及超声波和机械钻具相结合的钻头就显得很有必要。
发明内容
本发明的目的是提供基于超声波与机械钻具联合装置，这种基于超声波与机械钻具联合装置用于解决现有技术中机械钻头钻井进度慢、效率低、钻头磨损较大等问题；本发明的另一个目的是提供这种基于超声波与机械钻具联合装置的钻井方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于超声波与机械钻具联合装置包括钻柱、钻头、超声波换能器、特种变幅杆主杆、特种变幅杆分支杆、激励器岩石破碎工具头、电缆通道，钻柱底端与钻头相连，钻柱中部设置超声波发生器电器仓，超声波发生器电器仓环绕在大钻井液通孔外，大钻井液通孔与钻柱相通且同轴设置，超声波发生器电器仓内设置升压变压器、稳压器、高频交流脉冲转换集成装置，升压变压器、稳压器、高频交流脉冲转换集成装置依次用电缆线相连接；大钻井液通孔正下方是超声波换能器电器仓，超声波换能器设置于超声波换能器电器仓中，超声波换能器与中间连接装置用电缆线相连，中间连接装置设置在特种变幅杆主杆上端，超声波换能器电器仓与防超声波扩散液仓室1号通过固定板分隔，固定板的外缘与钻柱固定连接，超声波换能器电器仓底端外围的固定板上均匀分布小钻井液通孔；超声波换能器电器仓、防超声波扩散液仓室1号、防超声波扩散液仓室2号沿垂直方向依次相接，特种变幅杆主杆上端位于超声波换能器电器仓内，特种变幅杆主杆向下贯穿固定板、防超声波扩散液仓室1号至防超声波扩散液仓室2号内，特种变幅杆主杆底端呈辐射状分布着八个特种变幅杆分支杆，特种变幅杆分支杆伸出防超声波扩散液仓室2号的部分套有隔离套管，防超声波扩散液仓室2号与隔离套管相通，特种变幅杆分支杆穿过隔离套管与激励器岩石破碎工具头相连，激励器岩石破碎工具头位于钻头表层，八个激励器岩石破碎工具头每两个分布在同一个钻头胎体上，钻头上分布水眼和切削齿。
上述方案中电缆通道设置于钻柱内，电缆通道从超声波发生器电器仓内穿过，向下延伸至固定板后，沿固定板水平再延伸至超声波换能器电器仓；超声波发生器电器仓设置电缆孔，电缆通道与电缆孔固定连接，电缆通道位于超声波发生器电器仓内设置分支孔，有的电缆线通过电缆通道到达超声波发生器电器仓后，通过相应的分支孔穿出后分别与升压变压器、高频交流脉冲转换集成装置相连接；有的电缆线通过电缆通道到达超声波换能器电器仓，从电缆孔进入超声波换能器电器仓内，与超声波换能器连接。
上述方案中钻柱的上端面固定法兰。
上述基于超声波与机械钻具联合装置的钻井方法：
交流电通过电缆线在升压变压器进行升压，在稳压器进行稳压，提供了电压在额定范围内且稳定的交流电，高频交流脉冲转换集成装置、超声波换能器产生超声波，超声波经由中间连接装置、特种变幅杆主杆、特种变幅杆分支杆传导至四个钻头胎体上的八个激励器岩石破碎工具头上，激励器岩石破碎工具头再利用超声波进行破碎岩石，采用特种变幅杆主杆、特种变幅杆分支杆两段式传导方式，实现了对钻头外表各个方向上的岩石进行激励破碎；同时钻头由法兰、钻柱带动旋转，钻头在旋转过程中破碎岩石，实现了超声波破岩和机械破岩相结合，联合进行钻井工作。
本发明具有以下有益效果：
1、现有技术中变幅杆只为本发明中的特种变幅杆主杆，本发明中变幅杆由特种变幅杆主杆和特种变幅杆分支杆构成，通过特种变幅杆主杆底端呈辐射状分布着八个特种变幅杆分支杆，特种变幅杆分支杆又通过钻头内的通道与钻头外端的激励器岩石破碎工具头相连，实现了八个超声波激励器工具头（激励器岩石破碎工具头）辅助主钻头进行破岩钻井工作，超声波激励器工作头激励岩石使其内部产生裂缝从而促进主钻头破岩，提升破岩效率。
2、本发明采用高频交流脉冲转换集成装置、电缆通道、超声波换能器、特种变幅杆主杆、特种变幅杆分支杆、钻头、升压变压器、稳压器、激励器岩石破碎工具头为超声波破碎地层岩石提供工作条件，激励器岩石破碎工具头加强了破碎岩石的效果，在提高钻井效率的同时保证了最优的钻进速度和较低的钻井成本。
3、本发明在钻柱上设计了超声波发生器电器仓，整体上扩大了放置超声波相关装置的空间，超声波发生器电器仓内部设有升压变压器和稳压器，实现了在超深地层钻进过程中不会出现电压过低及电压不稳定的情况。
4、本发明在钻头内部设置了三个仓室包括：超声波换能器电器仓、防超声波扩散液仓室1号、防超声波扩散液仓室2号，三个仓室采用竖直堆积的方式实现了空间的最好利用以及特种变幅杆主杆需要穿过三个仓室的需求，固定板设计了小钻井液通孔，实现了固定和让钻井液通过两个功能。
5、本发明是一种基于超声波与机械钻具联合钻井的装置及其钻井方式，采用超声波钻井和机械钻具钻井相结合的方式，从一定程度上弥补了机械钻具钻井的缺点，减少了钻头的磨损，节约了钻井过程中起下钻的时间，保证了钻井的进度，提高了钻井的效率。
附图说明：
图1是本发明的正三轴测图。
图2是本发明的超声波发生器电器仓剖视图。
图3是本发明的超声波换能器电器仓剖视图。
图4是本发明的X-Y平面剖视图。
图5是本发明的防超声波扩散液仓室2号剖视图。
图6是本发明的立体俯视图。
图7是本发明的钻头内部结构图。
图8是本发明的超声波相关部件结构图。
图中，1.电缆线； 2.电缆通道； 3.法兰； 4.超声波发生器电器仓；5.钻头；6.钻柱；7.升压变压器；8.稳压器；9.高频交流脉冲转换集成装置；10.大钻井液通孔；11.超声波换能器电器仓；12.超声波换能器；13.中间连接装置；14.特种变幅杆主杆；15.小钻井液通孔；16.固定板；17.防超声波扩散液仓室1号；18.防超声波扩散液仓室2号；19.隔离套管；20.特种变幅杆分支杆；21.激励器岩石破碎工具头；22.水眼；23.切削齿。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
结合图1-图8所示，这种基于超声波与机械钻具联合装置包括钻柱6、钻头5、超声波换能器12、特种变幅杆主杆14、特种变幅杆分支杆20、激励器岩石破碎工具头21、电缆通道2，钻柱6底端与钻头5相连，钻柱6中部设置超声波发生器电器仓4，超声波发生器电器仓4环绕在大钻井液通孔10外，大钻井液通孔10与钻柱6相通且同轴设置，超声波发生器电器仓4内设置升压变压器7、稳压器8、高频交流脉冲转换集成装置9。电缆通道2在超声波发生器电器仓4内穿过，超声波发生器电器仓4内升压变压器7用电缆线与电缆通道2内电缆线1相连接，升压变压器7和稳压器8之间用电缆线相连接，稳压器8和高频交流脉冲转换集成装置9之间用电缆线相连接，高频交流脉冲转换集成装置9用电缆线与电缆通道2内电缆线相连接。超声波发生器电器仓4的中部为大钻井液通孔10，大钻井液通孔10正下方是超声波换能器电器仓11。
电缆线通道2沿钻柱内壁面到达固定板16，再沿着固定板16上端面到达超声波换能器电器仓11外壁，超声波换能器电器仓11位于固定板16上端面中间，电缆通道2内的电缆线1与超声波换能器电器仓11内的超声波换能器12相连，超声波换能器12与中间连接装置13之间用电缆线相连，中间连接装置13连接在特种变幅杆主杆14上端，且与特种变幅杆主杆14连接。特种变幅杆主杆14贯穿固定板16、防超声波扩散液仓室1号17至防超声波扩散液仓室2号18内。固定板16上均匀分布小钻井液通孔15。
超声波换能器电器仓11、防超声波扩散液仓室1号17、防超声波扩散液仓室2号18沿垂直方向依次相接，防超声波扩散液仓室1号17位于固定板16下端，防超声波扩散液仓室2号18位于防超声波扩散液仓室1号17下端且与二者不相通，特种变幅杆主杆14上端位于超声波换能器电器仓11内，特种变幅杆主杆14向下贯穿固定板16、防超声波扩散液仓室1号17至防超声波扩散液仓室2号18内，在防超声波扩散液仓室2号18的特种变幅杆主杆14底端呈辐射状分布着八个特种变幅杆分支杆20，特种变幅杆分支杆20位于防超声波扩散液仓室2号18外的部分套装有隔离套管19，防超声波扩散液仓室2号18与隔离套管19相通，特种变幅杆分支杆20由防超声波扩散液仓室2号18穿过隔离套管19与激励器岩石破碎工具头21相连，激励器岩石破碎工具头21位于钻头5表层，八个激励器岩石破碎工具头21每两个分布在同一个钻头胎体上，钻头5上分布水眼22和切削齿23。特种变幅杆分支杆20通过钻头5内的通道与钻头5外端的激励器岩石破碎工具头21相连，实现了八个超声波激励器工具头（激励器岩石破碎工具头21）辅助主钻头进行破岩钻井工作，超声波激励器工作头激励岩石使其内部产生裂缝从而促进主钻头破岩，提升破岩效率。
参阅图1，这种基于超声波与机械钻具联合的装置机械钻井是通过钻头5由法兰3、钻柱6带动旋转，钻头5上的切削齿23在旋转过程中破碎岩石。
参阅图2，首先交流电通过电缆线1在升压变压器7进行升压，在稳压器8进行稳压，提供了电压在额定范围内且稳定的交流电，稳压后的电流再由电缆线1传导到高频交流脉冲转换集成装置9，高频交流脉冲转换集成装置9将交流电转化为特定的高频交流电信号。
参阅图3、图4，特定的高频交流电信号再由电缆线1穿过电缆通道2，传导到超声波换能器电器仓11内的超声波换能器12中，超声波换能器12将高频交流电信号转化为超声波，超声波经过中间连接装置13至特种变幅杆主杆14，特种变幅杆主杆14对超声波进行传导、放大。
特种变幅杆主杆14将放大后的超声波分别传导给各个特种变幅杆分支杆20在进行进一步的放大，到达特种变幅杆分支杆20底端的激励器岩石破碎工具头21上，激励器岩石破碎工具头21再利用超声波进行辅助钻头进行破碎岩石，从而提升了钻井效率和钻进速度。特种变幅杆主杆14和特种变幅杆分支杆20整体位于防超声波扩散液仓室1号17、防超声波扩散液仓室2号18和隔离套管19内，超声波扩散液仓室1号17、防超声波扩散液仓室2号18和隔离套管19中装有防超声波扩散液能起到防止超声波在传导过程中衰减和扩散的作用。
参阅图1、图6、图7，在钻井过程中，钻井液首先经过大钻井液通孔10，再通过均匀分布在固定板16外沿上的六个小钻井液通孔15；钻井液最后到达钻头5，经由钻头5上的水眼22到达井底；整体上大钻井液通孔10、小钻井液通孔15形成了一个内部钻井液通道。
本发明采用高频交流脉冲转换集成装置9、电缆通道2、超声波换能器12、特种变幅杆主杆14、特种变幅杆分支杆20、钻头5、升压变压器7、稳压器8、激励器岩石破碎工具头21为超声波破碎地层岩石提供工作条件，激励器岩石破碎工具头21加强了破碎岩石的效果，在提高钻井效率的同时保证了最优的钻进速度和较低的钻井成本。
上述基于超声波与机械钻具联合装置及其钻井方法：
交流电通过电缆线1在升压变压器7进行升压，在稳压器8进行稳压，提供了电压在额定范围内且稳定的交流电，高频交流脉冲转换集成装置9、超声波换能器12产生超声波，超声波经由中间连接装置13、特种变幅杆主杆14、特种变幅杆分支杆20传导至激励器岩石破碎工具头21上，激励器岩石破碎工具头21再利用超声波进行破碎岩石，钻头5由法兰3、钻柱6带动旋转，激励器岩石破碎工具头21利用超声波进行破碎岩石，钻头5在旋转过程中破碎岩石，实现了超声波破岩和机械破岩相结合，同时进行钻井工作，提升了钻井效率，减少了钻头破损。
钻头5内的超声波传导放大装置采用特种变幅杆主杆14、特种变幅杆分支杆20两段式传导方式，实现了对钻头外表各个方向上的岩石进行激励破碎的功能。
Claims (4)
1.一种基于超声波与机械钻具联合装置，其特征在于：这种基于超声波与机械钻具联合装置包括钻柱（6）、钻头（5）、超声波换能器（12）、特种变幅杆主杆（14）、特种变幅杆分支杆（20）、激励器岩石破碎工具头（21）、电缆通道（2），钻柱（6）底端与钻头（5）相连，钻柱（6）中部设置超声波发生器电器仓（4），超声波发生器电器仓（4）环绕在大钻井液通孔（10）外，大钻井液通孔（10）与钻柱（6）相通且同轴设置，超声波发生器电器仓（4）内设置升压变压器（7）、稳压器（8）、高频交流脉冲转换集成装置（9），升压变压器（7）、稳压器（8）、高频交流脉冲转换集成装置（9）依次用电缆线相连接；大钻井液通孔（10）正下方是超声波换能器电器仓（11），超声波换能器（12）设置于超声波换能器电器仓（11）中，超声波换能器（12）与中间连接装置（13）用电缆线相连，中间连接装置（13）设置在特种变幅杆主杆（14）上端，超声波换能器电器仓（11）与防超声波扩散液仓室1号（17）通过固定板（16）分隔，固定板（16）的外缘与钻柱（6）固定连接，超声波换能器电器仓（11）底端外围的固定板（16）上均匀分布小钻井液通孔（15）；超声波换能器电器仓（11）、防超声波扩散液仓室1号（17）、防超声波扩散液仓室2号（18）沿垂直方向依次相接，特种变幅杆主杆（14）上端位于超声波换能器电器仓（11）内，特种变幅杆主杆（14）向下贯穿固定板（16）、防超声波扩散液仓室1号（17）至防超声波扩散液仓室2号（18）内，特种变幅杆主杆（14）底端呈辐射状分布着八个特种变幅杆分支杆（20），特种变幅杆分支杆（20）伸出防超声波扩散液仓室2号（18）的部分套有隔离套管（19），防超声波扩散液仓室2号（18）与隔离套管（19）相通，特种变幅杆分支杆（20）穿过隔离套管（19）与激励器岩石破碎工具头（21）相连，激励器岩石破碎工具头（21）位于钻头表层，八个激励器岩石破碎工具头（21）每两个分布在同一个钻头胎体上，钻头（5）上分布水眼（22）和切削齿（23）。
2.根据权利要求1所述的基于超声波与机械钻具联合装置，其特征在于：所述的电缆通道（2）设置于钻柱（6）内，电缆通道（2）从超声波发生器电器仓（4）内穿过，向下延伸至固定板（16）后，沿固定板（16）水平再延伸至超声波换能器电器仓（11）；超声波发生器电器仓（4）设置电缆孔，电缆通道（2）与电缆孔固定连接，电缆通道（2）位于超声波发生器电器仓（4）内设置分支孔，有的电缆线通过电缆通道（2）到达超声波发生器电器仓（4）后，通过相应的分支孔穿出后分别与升压变压器（7）、高频交流脉冲转换集成装置（9）相连接；有的电缆线通过电缆通道（2）到达超声波换能器电器仓（11），从电缆孔进入超声波换能器电器仓（11）内，与超声波换能器（12）连接。
3.根据权利要求2所述的基于超声波与机械钻具联合装置，其特征在于：所述的钻柱（6）的上端面固定法兰（3）。
4.一种权利要求3所述的基于超声波与机械钻具联合装置的钻井方法，其特征在于：交流电通过电缆线（1）在升压变压器（7）进行升压，在稳压器（8）进行稳压，提供了电压在额定范围内且稳定的交流电，高频交流脉冲转换集成装置（9）、超声波换能器（12）产生超声波，超声波经由中间连接装置（13）、特种变幅杆主杆（14）、特种变幅杆分支杆（20）传导至四个钻头胎体上的八个激励器岩石破碎工具头（21）上，激励器岩石破碎工具头（21）再利用超声波进行破碎岩石，采用特种变幅杆主杆（14）、特种变幅杆分支杆（20）两段式传导方式，实现了对钻头外表各个方向上的岩石进行激励破碎；同时钻头（5）由法兰（3）、钻柱（6）带动旋转，钻头（5）在旋转过程中破碎岩石，实现了超声波破岩和机械破岩相结合，联合进行钻井工作。
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