CN113279691B - 一种智能水力脉冲射流振动钻井装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能水力脉冲射流振动钻井装置，包括钻井工具本体和智能测控系统，智能测控系统包括控制器、随钻方位伽马能谱测井仪、多个传感器和无线传输器，多个传感器包括压力传感器、三轴加速度传感器、双轴倾角传感器和随钻方位伽马能谱测井仪。本发明公开的智能水力一种脉冲射流振动钻井装置，能够根据地层情况进行自适应调节，根据井底岩石的特性调节到一个最合适的脉冲振动频率，以提高钻头破岩效率，从而提高机械钻速，保证工具能够更好的适应地层，不仅提高了工作效率，还解决了工具在井底无法实时自调节以及工具地层适应性差等问题。

Description

一种智能水力脉冲射流振动钻井装置
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，具体涉及一种智能水力脉冲射流振动钻井装置。
背景技术
随着钻井技术的不断发展，油气资源探明储量的不断增加，钻井工程扮演着越来越重要的角色，通过优化提速工具来实现钻井提速一直是钻井工程的一个重要方向，通过轴向振动冲击来提高机械钻速是长久以来一直被认可及采用的提速方式。
长久以来，国内外相关方向科研工作者对轴向振动冲击钻井进行了很多研究，并设计出许多类型的轴向振动冲击钻井提速工具，就目前井下振动冲击钻井方式而言，可分为三大类，即轴向振动冲击钻井提速技术、扭向振动冲击钻井提速技术、轴扭复合振动冲击钻井提速技术。从20世纪初期的石油液动冲击器开始，多种轴向振动冲击钻井提速技术相继问世。近年来，轴向与扭向振动冲击钻井技术趋于成熟，针对轴向振动冲击钻井提速技术与扭向振动冲击钻井提速技术的弊端，出现了轴扭复合冲击钻井技术。所钻井眼从浅井到中深井，再到深井、超深井，钻遇地层岩性变化复杂化，相关技术并不能根据所钻井段地层实时情况的变化及时改变振动冲击机构的结构，直接影响了提速效果延长了钻井周期。
近期国内外智能化钻井趋势显著，中国智能钻井技术的发展与世界先进水平相比还有差距，主要表现为缺乏总体发展规划设计；随钻资料获取、井下与地面之间信息高速传输、钻井大数据集成分析等核心技术研究不系统；智能钻机、智能钻头、智能钻杆等硬件设施兼容度低；地面作业系统、井下旋转导向钻井系统和远程钻井决策系统智能化发展进程缓慢。当前暴露出的主要问题包括：地面智能化钻井设备研制不足、井下智能化控制核心技术未突破、钻井信息传输控制技术还有差距。
根据上述背景，现有必要研制一种智能水力脉冲射流振动钻井装置，使其能够在井底根据地层特性实时实现井底自调节，在井下配套有相应的储电模块，保证在不需要人为操控的封闭条件下能够持续工作。使工具能更好的适应地层，在提高机械钻速的同时也降低了钻井成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能水力脉冲射流振动钻井装置，用以解决井底不能根据地层特性实时实现井底自调节、工具不能很好的适应地层等问题。
本发明提供一种智能水力脉冲射流振动钻井装置，包括一钻井工具本体和一智能测控系统，所述钻井工具本体的中部设置有隔环装置，隔环装置将钻井工具本体分为位于上部的脉冲射流部和位于下部的振动冲击部；所述脉冲射流部自上而下依次设置有密封环、导流体、叶轮装置和自激振荡喷嘴，形成脉冲射流通路，其中所述导流体内设有球阀和球阀控制器，所述球阀与所述球阀控制器相连；所述智能测控系统设置于密封环内，包括控制器、随钻方位伽马能谱测井仪、多个传感器和无线传输器，所述随钻方位伽马能谱测井仪，设置于密封环的内壁，用于实时测量岩层中岩性天然放射性的强弱，实现划分岩层、判别岩性的功能采集井下地层流体的粘度，密度，介电常数和温度；多个传感器包括压力传感器、三轴加速度传感器和双轴倾角传感器，所述压力传感器设置于密封环内和钻井工具本体前端的外壁，用于采集密封环内流体压力和采集地层对于钻井工具本体前端入口施加的压力值；所述三轴加速度传感器，设置于密封环内，用于测量近钻头工具X、Y、Z三轴加速度，通过振动强度和振动频率分析工具的振动情况；所述双轴倾角传感器，设置于密封环的内壁，用于测量X、Y轴的倾角来计算当前井斜角；所述球阀控制器、所述随钻方位伽马能谱测井仪、所述压力传感器、所述三轴加速度传感器、所述双轴倾角传感器、所述无线传输器通过信号线均与所述控制器相连；其中，多个传感器采集信息并将采集到的信息发送至控制器；控制器对多个传感器采集的信息进行分析，并根据分析结果向球阀控制器下达指令，从而改变导流体的导流通道的闭合大小；此外，随钻方位伽马能谱测井仪实时采集井下岩性的信息，并将该信息先传递至控制器，再由控制器通过无线传输器上传至地面。
优选地，所述振动冲击部包括传动杆、传动杆套和密封塞，所述传动杆套套设在钻井工具本体下部内，所述传动杆套的顶端与所述隔环装置的底面之间通过所述密封塞密封连接；所述传动杆自下而上依次穿设于所述传动杆套和所述密封塞内，且所述传动杆和所述密封塞内设有相互连通的振动冲击通道，所述密封塞的顶端设置于所述隔套部的下方，且所述隔套部出口与所述密封塞的振动冲击通道相连通。
优选地，所述密封环的上部设置有外螺纹，所述钻井工具本体上端内壁设置有内螺纹，所述密封环的上部套设在钻井工具本体上端内壁且通过螺纹连接；所述导流体的上端面和下端面分别设置有导流进口和导流出口，导流进口和导流出口之间通过导流通道连通；所述密封环的底部套设在导流体的上端，且所述密封环底端与所述导流体的导流进口相连通；所述叶轮装置包括叶轮和叶轮座，所述叶轮设置在叶轮座上，叶轮座内开设有钻井液孔，所述叶轮位于导流体的导流出口的下方，用于承接从导流出口流入的钻井液，所述自激振荡喷嘴的进液口与叶轮座内的钻井液孔的出口对接。
优选地，所述导流进口和所述导流出口均为矩形口，且所述导流进口大、所述导流出口小，连通所述导流进口和所述导流出口的导流通道的纵截面为上底大、下底下的梯形截面。
优选地，所述导流体内横向设置有球阀孔，所述球阀孔与所述导流通道交叉相连，所述球阀设置于球阀孔内，能控制钻井液的流速。
优选地，所述隔环装置包括隔环部和隔套部，所述隔环部和所述隔套部紧密相连设置且相互连通，其中，所述隔环部与自激振荡喷嘴底端紧邻，所述隔套部出口与所述密封塞的振动冲击通道相连通。
优选地，所述密封环的上部与钻井工具本体的连接处设置有多个密封圈。
优选地，所述传动杆底端配置有接头部，所述接头部的内壁设置有内螺纹，用于对接钻井钻头与钻井钻头顶端的外壁通过螺纹连接。
优选地，还包括储电系统，所述储电系统包括转动轴、磁铁、磁感应线圈和蓄电设备，所述转动轴设置于所述叶轮的中心，并能随着叶轮的转动而转动，所述磁铁设置在转动轴上，且所述电磁铁悬置于所述磁感应线圈内，所述磁感应线圈与所述蓄电设备通过有线相连；所述蓄电设备与所述控制器通过导线相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种智能水力脉冲射流振动钻井装置，包括智能测控系统，智能测控系统设置于密封环内，包括控制器、多个传感器、无线传输器和储电系统，多个传感器包括压力传感器、三轴加速度传感器、双轴倾角传感器和方位伽马传感器，其中，多个传感器采集信息并将采集到的信息发送至控制器；控制器将多个传感器采集的信息发送给数据分析器；数据分析器对多个传感器采集的信息进行分析，并将分析结果传递给控制器；控制器根据分析结果向球阀控制器下达指令，从而改变导流体导流通道的闭合大小；此外，随钻方位伽马能谱测井仪实时采集井下岩性的信息，并将该信息先传递至控制器，再由控制器通过无线传输器上传至地面，不仅能够实现球阀开合大小的自适应调节，针对软硬地层不同井下工况，可实时调整球阀的空间结构参数，以最优频率辅助破碎岩石，既能保证工具的使用寿命，又能提高破岩效率；还能够实现井下对地面的信息上传，确保地面人员能够实时获取到井下信息，有助于优化油井生产作业，提高工作效率。本发明公开的智能水力脉冲射流振动钻井装置，能够根据近钻头信息实时掌握地层情况并进行自适应调节，根据井底岩石的特性调节到一个最合适的脉冲振动频率，以提高钻头破岩效率，从而提高机械钻速，保证工具能够更好的适应地层，不仅提高了工作效率，还解决了工具在井底无法实时自调节以及工具地层适应性差等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的智能水力脉冲射流振动钻井装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的密封环的结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的导流体的俯侧视图；
图4为本发明实施例1提供的导流体的仰侧视图；
图5为本发明实施例1提供的导流体的侧视图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
实施例1提供一种智能水力脉冲射流振动钻井装置，下面对其结构进行详细描述。
参考图1，该智能水力脉冲射流振动钻井装置包括一钻井工具本体1。
该钻井工具本体1为中空的圆柱体，该钻井工具本体1顶端设有用于连接钻杆或钻铤的内螺纹。
该钻井工具本体1的中部设置有隔环装置6，隔环装置6将钻井工具本体1分为位于上部的脉冲射流部11和位于下部的振动冲击部12。
脉冲射流部11自上而下依次设置有密封环2、导流体3、叶轮装置4和自激振荡喷嘴5，形成用于流通钻井液的脉冲射流通路。
参考图2，密封环2的上部设置有外螺纹，钻井工具本体1上端内壁设置有内螺纹，密封环2的上部套设在钻井工具本体1上端内壁上且通过螺纹连接；
为了保证密封环2的上部与钻井工具本体1上端内壁连接的密封性，密封环2的上部与钻井工具本体1的连接处设置有多个密封圈。优选地，密封圈的数量为两个，分别设置于密封环2上部与钻井工具本体1的连接处的侧壁和底端。
参考图3至图5，导流体3的上端面和下端面分别设置有导流进口31和导流出口32，导流进口31和导流出口32之间通过导流通道连通；
密封环2的底部套设在导流体3的上端，且密封环2底端与导流体3的导流进口31相连通。
具体地，导流进口31和导流出口32均为矩形口，且导流进口31大、导流出口32小，连通导流进口31和导流出口32的导流通道的纵截面为上底大、下底下的梯形截面。
导流体3内设有球阀30和球阀控制器，球阀30与球阀控制器相连。
具体地，导流体3内横向设置有球阀孔33，球阀孔33与导流通道交叉相连，球阀30设置于球阀孔33内，起到分流作用，当调节球阀开关时，能控制下面的叶轮转速，进而影响脉冲频率。
叶轮装置4包括叶轮和叶轮座，叶轮设置在叶轮座上，叶轮座内开设有钻井液孔；
叶轮位于导流体3的导流出口32的下方，承接从导流出口32流入的钻井液，钻井液推动叶轮转动后，再流入至叶轮座内的钻井液孔。
自激振荡喷嘴5是成熟的现有技术。自激振荡喷嘴5设置于叶轮座内的钻井液孔与隔环装置6之间，自激振荡喷嘴5的进液口与叶轮座内的钻井液孔的出口对接。
钻井液从钻井工具本体1顶端流入后，进入密封环2、导流进口31、导流通道、导流出口32后，推动叶轮转动，再流入至叶轮座内的钻井液孔，最后进入自激振荡喷嘴5。因此该密封环2、导流进口31、导流通道、导流出口32、叶轮、叶轮座内的钻井液孔和自激振荡喷嘴5共同构成了该脉冲射流通路。
具体地，隔环装置6包括隔环部61和隔套部62，隔环部61和隔套部62紧密相连设置且相互连通，其中，隔环部61与自激振荡喷嘴5底端紧邻。
振动冲击部12包括传动杆7、传动杆套8和密封塞9，
传动杆套8套设在钻井工具本体1下部内，与钻井工具本体1下端内壁通过螺纹连接，
传动杆套8的顶端与隔套部62的底面之间通过密封塞9密封连接；
传动杆7自下而上依次穿设于传动杆套8和密封塞9内，且传动杆7和密封塞9内设有相互连通的振动冲击通道70，
密封塞9的顶端设置于隔套部62的下方，且隔套部62出口与密封塞9的振动冲击通道70相连通。
其中，为了方便对接钻井钻头，传动杆7底端配置有接头部71，接头部71的内壁设置有内螺纹，对接钻井钻头与钻井钻头顶端的外壁通过螺纹连接。
为了提高智能化程度，该智能水力脉冲射流振动钻井装置还包括智能测控系统，智能测控系统设置于密封环2内，包括控制器、数据分析器、随钻方位伽马能谱测井仪、多个传感器和无线传输器，
随钻方位伽马能谱测井仪，设置于密封环2的内壁，用于实时测量岩层中岩性天然放射性的强弱，实现划分岩层、判别岩性的功能采集井下地层流体的粘度，密度，介电常数和温度；
多个传感器包括压力传感器、三轴加速度传感器和双轴倾角传感器，
压力传感器分别设置于密封环2内和钻井工具本体1前端的外壁，用于采集密封环2内流体压力和采集地层对于钻井工具本体1前端入口施加的压力值，最终可以评测工具及钻头的压耗；
三轴加速度传感器，设置于密封环2内，用于测量近钻头工具X、Y、Z三轴加速度，通过振动强度和振动频率分析工具的振动情况；
双轴倾角传感器，设置于密封环2的内壁，用于测量X、Y轴的倾角来计算当前井斜角，从而根据井斜角的改变实时对该智能水力脉冲射流振动钻井装置进行调整；
随钻方位伽马能谱测井仪、压力传感器、三轴加速度传感器、双轴倾角传感器、无线传输器通过信号线均与控制器相连。
其中，为了实现对导流体3内球阀30的控制，球阀控制器与控制器通过信号线相连。
多个传感器进行信息采集并将采集到的信息发送至控制器；
控制器对多个传感器采集的信息进行分析，并根据分析结果向球阀控制器下达指令，从而改变导流体3的导流通道的闭合大小，进而调节叶轮转速；
此外，随钻方位伽马能谱测井仪实时采集井下岩性的信息，并将该信息先传递至控制器，控制器可以实现工具结构的自适应调节，再由控制器通过无线传输器上传至地面，可以与地面沟通，处理地面发来的指令，实现地面干预。
为了节能，该智能水力脉冲射流振动钻井装置储电系统，储电系统包括转动轴、磁铁、磁感应线圈和蓄电设备，
转动轴设置于叶轮的中心，并能随着叶轮的转动而转动，
磁铁设置在转动轴上，且电磁铁悬置于磁感应线圈内，磁感应线圈与蓄电设备通过有线相连。
当磁铁随转动轴转动时，磁感应线圈切割磁铁的磁感线产生电能，电能被输送至蓄电设备储存起来。
为了利用蓄电设备储存的电能，蓄电设备与控制器通过导线相连。
为了实现对智能测控系统和储电系统内的信号线、导线等的有效管理，该智能水力脉冲射流振动钻井装置还包括用于穿设信号线或导线的第一密封通道和第二密封通道，
钻井工具本体1内部设置有第一密封通道槽，第一密封通道的上端与密封环2连通，第一密封通道的下端穿过钻井工具本体1内的第一密封通道槽与叶轮座相连；
第二密封通道的顶端与密封环2连通，第二密封通道的底端与导流体3内的球阀控制器相连。
储电系统设置于叶轮座内，连接蓄电设备与控制器的导线通过第一密封通道将电能输送出去。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种智能水力脉冲射流振动钻井装置，其特征在于，包括一钻井工具本体(1)和一智能测控系统，
所述钻井工具本体(1)的中部设置有隔环装置(6)，隔环装置(6)将钻井工具本体(1)分为位于上部的脉冲射流部(11)和位于下部的振动冲击部(12)；
所述脉冲射流部(11)自上而下依次设置有密封环(2)、导流体(3)、叶轮装置(4)和自激振荡喷嘴(5)，形成脉冲射流通路，其中所述导流体(3)内设有球阀(30)和球阀控制器，所述球阀(30)与所述球阀控制器相连；
所述智能测控系统设置于密封环(2)内，包括控制器、随钻方位伽马能谱测井仪、多个传感器和无线传输器，
所述随钻方位伽马能谱测井仪，设置于密封环(2)的内壁，用于实时测量岩层中岩性天然放射性的强弱，实现划分岩层、判别岩性的功能采集井下地层流体的粘度，密度，介电常数和温度；
多个传感器包括压力传感器、三轴加速度传感器和双轴倾角传感器，
所述压力传感器设置于密封环(2)内和钻井工具本体(1)前端的外壁，用于采集密封环(2)内流体压力和采集地层对于钻井工具本体(1)前端入口施加的压力值；
所述三轴加速度传感器，设置于密封环(2)内，用于测量近钻头工具X、Y、Z三轴加速度，通过振动强度和振动频率分析工具的振动情况；
所述双轴倾角传感器，设置于密封环(2)的内壁，用于测量X、Y轴的倾角来计算当前井斜角；
所述球阀控制器、所述随钻方位伽马能谱测井仪、所述压力传感器、所述三轴加速度传感器、所述双轴倾角传感器、所述无线传输器通过信号线均与所述控制器相连；
其中，多个传感器采集信息并将采集到的信息发送至控制器；
控制器对多个传感器采集的信息进行分析，并根据分析结果向球阀控制器下达指令，从而改变导流体(3)的导流通道的闭合大小；
此外，随钻方位伽马能谱测井仪实时采集井下岩性的信息，并将该信息先传递至控制器，再由控制器通过无线传输器上传至地面。
2.如权利要求1所述的智能水力脉冲射流振动钻井装置，其特征在于，
所述振动冲击部(12)包括传动杆(7)、传动杆套(8)和密封塞(9)，所述传动杆套(8)套设在钻井工具本体(1)下部内，所述传动杆套(8)的顶端与所述隔环装置(6)的底面之间通过所述密封塞(9)密封连接；所述传动杆(7)自下而上依次穿设于所述传动杆套(8)和所述密封塞(9)内，且所述传动杆(7)和所述密封塞(9)内设有相互连通的振动冲击通道(70)，所述隔环装置(6)包括隔套部(62)，所述密封塞(9)的顶端设置于所述隔套部(62)的下方，且所述隔套部(62)出口与所述密封塞(9)的振动冲击通道(70)相连通。
3.如权利要求1所述的智能水力脉冲射流振动钻井装置，其特征在于，
所述密封环(2)的上部设置有外螺纹，所述钻井工具本体(1)上端内壁设置有内螺纹，所述密封环(2)的上部套设在钻井工具本体(1)上端内壁且通过螺纹连接；
所述导流体(3)的上端面和下端面分别设置有导流进口(31)和导流出口(32)，导流进口(31)和导流出口(32)之间通过导流通道连通；
所述密封环(2)的底部套设在导流体(3)的上端，且所述密封环(2)底端与所述导流体(3)的导流进口(31)相连通；
所述叶轮装置(4)包括叶轮和叶轮座，所述叶轮设置在叶轮座上，叶轮座内开设有钻井液孔，所述叶轮位于导流体(3)的导流出口(32)的下方，用于承接从导流出口(32)流入的钻井液，
所述自激振荡喷嘴(5)的进液口与叶轮座内的钻井液孔的出口对接。
4.如权利要求3所述的智能水力脉冲射流振动钻井装置，其特征在于，
所述导流进口(31)和所述导流出口(32)均为矩形口，且所述导流进口(31)大、所述导流出口(32)小，连通所述导流进口(31)和所述导流出口(32)的导流通道的纵截面为上底大、下底下的梯形截面。
5.如权利要求4所述的智能水力脉冲射流振动钻井装置，其特征在于，
所述导流体(3)内横向设置有球阀孔(33)，所述球阀孔(33)与所述导流通道交叉相连，所述球阀(30)设置于球阀孔(33)内，能控制钻井液的流速。
6.如权利要求2所述的智能水力脉冲射流振动钻井装置，其特征在于，
所述隔环装置(6)还包括隔环部(61)，所述隔环部(61)和所述隔套部(62)紧密相连设置且相互连通，
其中，所述隔环部(61)与自激振荡喷嘴(5)底端紧邻，所述隔套部(62)出口与所述密封塞(9)的振动冲击通道(70)相连通。
7.如权利要求1所述的智能水力脉冲射流振动钻井装置，其特征在于，
所述密封环(2)的上部与钻井工具本体(1)的连接处设置有多个密封圈。
8.如权利要求2所述的智能水力脉冲射流振动钻井装置，其特征在于，
所述传动杆(7)底端配置有接头部(71)，所述接头部(71)的内壁设置有内螺纹，用于对接钻井钻头与钻井钻头顶端的外壁通过螺纹连接。
9.如权利要求1所述的智能水力脉冲射流振动钻井装置，其特征在于，还包括储电系统，所述储电系统包括转动轴、电 磁铁、磁感应线圈和蓄电设备，
所述转动轴设置于所述叶轮的中心，并能随着叶轮的转动而转动，
所述磁铁设置在转动轴上，且所述电磁铁悬置于所述磁感应线圈内，所述磁感应线圈与所述蓄电设备通过有线相连；
所述蓄电设备与所述控制器通过导线相连。
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