CN114412361A - 一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统及方法，属于地下工程钻井技术领域，系统包括钻杆、钻井平台、超声波振动钻头、浆液钢粒搅拌混合装置、高压泵、阀板式防喷器、旋转储罐式粒子回收系统和全自动罐式粒子连续注入系统，超声波振动钻头与钻杆螺纹连接；浆液钢粒搅拌混合装置、高压泵、阀板式防喷器、旋转储罐式粒子回收系统和全自动罐式粒子连续注入系统之间通过管线连接。方法采用上述超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统进行钻进，本发明首先利用高速的钢粒和浆液混合流体对岩石产生初次损伤，再将超声波振动直接作用于钢粒，使钢粒产生高幅值高频率冲击作用，对岩石进行二次冲击破坏，进一步弱化岩石，进而极大地加速硬岩钻进速率。
Description
技术领域
本发明属于地下工程钻井技术领域，具体地，涉及一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统及方法。
背景技术
根据全国资源潜力评价报告(2014年)，我国矿产资源2000米以浅的预测资源量巨大，重要矿产资源的预测资源量都超过已探明资源量的两倍，因而我国深部矿产资源潜力依然巨大，向深部要资源可进一步满足社会不断发展和人口不断增长带来的对能源和资源的高需求。另一方面，为了探寻环境温度变化规律、揭示地球深部物质组成、探索地球演变过程等，科研界对深部及超深部科学钻探的需求也日益增长。
而随着勘探深度的增加，在施工成本增加的同时，难度也在不断增大。难度增大主要体现在：地层深度越深，地应力相应地也会提高，进而导致钻遇硬岩的比例增大，常见的如花岗岩、花岗闪长岩等。而硬岩由于其致密和强度高等特点，导致在钻进过程中普遍出现钻头磨损严重、钻进功效降低等问题。
为解决硬岩钻进难题，提出了各类辅助碎岩技术，其中，对于超声波振动辅助碎岩技术，利用共振，即与岩石固有频率相同的振动频率，对岩石进行高频冲击，使岩石裂隙加速扩展形成疲劳破碎的原理，将高频振动、静压与回转力三者结合在一起，达到加速碎岩的目的。
目前超声波振动辅助钻进技术主要存在以下问题：
(1)加速硬岩破碎速率的程度依旧有限，使岩石发生显著弱化的时间超过2分钟，因而与常规硬岩钻进技术相结合后存在滞后的缺点(详见学位论文“超声波激励岩石破碎影响因素实验研究”)；
(2)现有超声波振动钻具(详见专利文献号201610051518.7，201510078522.8，201420090605.X)将超声波振动装置都安置于钻头胎体内，而未与岩石直接接触，根据动能守恒定律，超声波振动首先传递至胎体，由于胎体质量大，胎体产生的振动幅值将显著下降，因而会进一步弱化超声波振动碎岩的效果。
对于钢粒射流冲击技术，在浆液中注入钢粒，混合浆液经特殊设计的钻头得以加速，用于冲击孔底岩石，一定程度上提高了碎岩效率。
目前钢粒射流冲击技术主要存在以下问题：
钢粒射流冲击技术的射流元件流体出口尺寸较小(钢粒磨料射流在石油工程中的应用)，因而在孔底岩石中产生的破碎穴尺寸较小(直径1cm左右，详见学术论文“颗粒水射流冲击下岩石损伤场的数值模拟与试验验证”)，而对于深部高应力条件，小尺寸破碎穴对于岩石整体强度弱化作用较小，特别当钻进孔径较大时，虽然在孔底中心出现了破碎穴，但钻头切削齿所接触处岩石的强度依旧较大，因而切削速率低下，钻头切削和射流冲击两者产生了时间差，导致低能量利用率(详见学术论文“Numerical simulation andexperimental verification of the rock damage field under particle water jetimpacting”)，发挥的钢粒射流冲击作用有限。
发明内容
有鉴于上述背景技术存在的问题，本发明旨在提供一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统及方法，首先利用高速的钢粒和浆液混合流体对岩石产生初次损伤，再将超声波振动直接作用于小质量的钢粒上，使钢粒产生高幅值高频率冲击作用，对岩石进行二次冲击破坏，进一步弱化岩石，进而极大地加速硬岩钻进速率。
另一方面，深部勘探也意味着地层条件愈发复杂，钻进过程中有可能遇到软弱夹层，常规方法是进行钻头的更换，但起下钻所花费的时间较长，一定程度会影响工程进展。本发明通过利用超声波振动的脱附作用，可减少泥包钻头现象，实现高效软岩钻进。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提出了一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，包括钻杆和钻井平台，所述钻井平台用于吊装钻杆以及为钻杆提供钻压，其特征在于，还包括：超声波振动钻头、浆液钢粒搅拌混合装置、高压泵、阀板式防喷器、旋转储罐式粒子回收系统和全自动罐式粒子连续注入系统，所述超声波振动钻头位于钻杆下方，并与钻杆螺纹连接；所述浆液钢粒搅拌混合装置、高压泵、阀板式防喷器、旋转储罐式粒子回收系统和全自动罐式粒子连续注入系统之间通过管线连接。
进一步，所述超声波振动钻头由钻头基体、硬质合金切削齿、环形超声波振动装置、钢粒射流元件、插接式通电电缆和插接式通电接头组成，所述硬质合金切削齿设置在钻头基体上；所述环形超声波振动装置插接于钻头基体内；所述钢粒射流元件通过螺纹与钻头基体相连接；所述插接式通电电缆和插接式通电接头之间插接并镶嵌于钻头基体侧壁的凹槽内。
进一步，所述环形超声波振动装置包括振动装置外壳、超声波振动器和导线，所述振动装置外壳设置在超声波振动器外部；所述导线一端与超声波振动器连接，另一端穿过振动装置外壳与插接式通电电缆相连接，用于为超声波振动器供电；所述超声波振动器数量至少两个，至少两个超声波振动器呈等角度环形分布方式布置在环形超声波振动装置中，至少两个超声波振动器之间并联连接。
进一步，所述超声波振动器由盖板、变幅杆、连接螺钉、压电陶瓷片、工字型导波杆和弹簧组成，并且压电陶瓷片、盖板、变幅杆和工字型导波杆自上而下依次设置，所述连接螺钉用于将所述压电陶瓷片和盖板固定在一起；所述盖板与变幅杆螺纹连接；所述压电陶瓷片与导线电连接；所述弹簧为压力弹簧，弹簧的两端分别嵌入振动装置外壳和工字型导波杆中，使得工字型导波杆能够往复运动。
进一步，所述工字型导波杆由导波杆主体与卡销组成，导波杆主体与卡销螺纹连接。
进一步，所述工字型导波杆的下表面具有用于引导钢粒进入工字型导波杆下表面与孔底岩石之间的弧形通道。
进一步，所述工字型导波杆的材质与硬质合金切削齿的材质相同。
进一步，所述浆液钢粒搅拌混合装置用于将浆液和钢粒混合在一起，钢粒的质量占浆液和钢粒混合形成的混合流体总质量的3％～5％。
进一步，所述高压泵输出端分别设置有第一阀门和第二阀门，第一阀门位于高压泵与全自动罐式粒子连续注入系统连接管线上，第二阀门位于高压泵与浆液钢粒搅拌混合装置的连接管路上；所述浆液钢粒搅拌混合装置通过注浆管与钻杆内部的钻井液流通通道连通；所述旋转储罐式粒子回收系统通过返浆管与岩屑返回通道连通，该岩屑返回通道为钻杆和钻孔孔壁之间形成的环空间隙，同时旋转储罐式粒子回收系统通过浆液回收管与浆液钢粒搅拌混合装置连接，旋转储罐式粒子回收系统通过钢粒回收管与全自动罐式粒子连续注入系统连接。
本发明还提出了一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进方法，其特征在于，该方法采用所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统进行钻进，具体包括如下步骤：
步骤S1：待钻孔选址完成后，搭建所述超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，将钢粒射流元件螺纹连接于超声波振动钻头内，将导波杆主体与卡销螺纹连接，将连接好的环形超声波振动装置插接于超声波振动钻头内，并将超声波振动钻头与钻杆螺纹连接，放于孔底；
步骤S2：关闭第一阀门，打开第二阀门，在钻井平台上准备钻井工作，设置钻压为10kN，转速为200r/min，开启高压泵，排量设为150L/min，同时开启环形超声波振动装置；
步骤S3：当钻井扭矩提高100％以上、钻速下降至低于0.1m/h时，此时加大钻压至40kN，同时开启第一阀门，钢粒进入浆液钢粒搅拌混合装置完成与浆液的混合，钢粒和浆液混合形成的混合流体通过注浆管注入孔底，经钢粒射流元件首先对孔底坚硬岩石进行冲击破坏，之后利用环形超声波振动装置对所述混合流体中的钢粒进行振动，使钢粒产生振动再次冲击岩石，发生二次破坏，当一小时内损坏的钢粒质量超过50％时，逐次减小超声波振动器的电流10％，直到每小时钢粒质量损失量小于50％；当一小时内损坏的钢粒质量小于20％时，逐次增大超声波振动器的电流10％，直到每小时钢粒质量损失量大于20％；
步骤S4：当超声波振动钻头磨损无法正常工作时，在钻井平台上提取整套钻具，将超声波振动钻头拧下，将导波杆主体从卡销中拧下，取出环形超声波振动装置，将其继续插接于新的超声波振动钻头内，重复步骤S1至步骤S3操作继续钻井工作，直至完成钻孔。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、在本发明中同时适用于软硬地层，对于硬岩地层可以加速传统钻进技术的硬岩钻进速率，对于软岩可以减少常见的泥包钻头现象。
2、本发明解决了采用常规钢粒冲击钻进方法时，由于冲击位置小，导致岩石整体强度弱化不明显，进而引起钢粒冲击与钻进之间匹配度低的问题，提高了能量利用率。
更进一步的有益效果为，本发明利用工字型传导杆将超声波振动直接传递至孔底岩石，使冲击动能集中，可最大程度上放大钢粒的速度，提高了冲击碎岩效率。
本发明一方面利用钢粒和浆液混合流体产生的射流作用使孔底中心部位岩石产生破碎穴，另一方面利用经工字型传导杆放大的超声波振动冲击钢粒，由于钢粒的质量小，可产生较大的冲击速度，冲击与钢粒相接触的岩石部分。两者相结合，极大程度上实现了坚硬岩石的弱化，同时由于破碎坑、穴的存在使得岩石产生了应力集中区域，当钻头的切削齿进行岩石切削时，可使得岩石快速剥落。
附图说明
图1为超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统的结构示意图。
图2为本发明超声波振动钻头结构示意图。
图3为本发明超声波振动器的结构示意图。
图4为本发明工字型传导杆示意图
图5a为本发明实施例中未破碎岩石状态图；
图5b为本发明实施例中经过3秒超声波振动后破碎的岩石状态图；
图5c为本发明实施例中破碎区域局部放大图。
图中：1-超声波振动钻头，2-钻杆，3-浆液钢粒搅拌混合装置，4-高压泵，5-阀板式防喷器，6-旋转储罐式粒子回收系统，7-钻井平台，8-返浆管，9-钢粒回收管，10-注浆管，11-浆液回收管，12-全自动罐式粒子连续注入系统，41-第一阀门，42-第二阀门，101-钻头基体，102-硬质合金切削齿，103-环形超声波振动装置，104-钢粒射流元件，105-插接式通电电缆，106-插接式通电接头，1031-振动装置外壳，1032-超声波振动器，1033-导线，10321-盖板，10322-变幅杆，10323-连接螺钉，10324-压电陶瓷片，10325-工字型导波杆，10326-弹簧，103251-导波杆主体，103252-卡销。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程和元件并没有详细叙述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，限定有“第一”、“第二”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。在发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图的布图方式来进行描述的，如上、下左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。
如图1所示，一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，包括超声波振动钻头1、钻杆2、浆液钢粒搅拌混合装置3、高压泵4、阀板式防喷器5、旋转储罐式粒子回收系统6、钻井平台7和全自动罐式粒子连续注入系统12。所述旋转储罐式粒子回收系统6用于实现钻井液、岩屑和钢粒的分离和分选，作为本发明的优选方案，优选为中国石油大学设计的旋转储罐式粒子回收系统(详见学术论文粒子破岩钻进技术研究进展及发展趋势)。所述高压泵4为BW150型高压泵。所述超声波振动钻头1与钻杆2螺纹连接，超声波振动钻头1位于钻杆2下方。浆液钢粒搅拌混合装置3、高压泵4、阀板式防喷器5、旋转储罐式粒子回收系统6和全自动罐式粒子连续注入系统12之间通过管线连接，从左至右分别为高压泵4、全自动罐式粒子连续注入系统12、浆液钢粒搅拌混合装置3、阀板式防喷器5、旋转储罐式粒子回收系统6。所述钻井平台7用于吊装钻杆2以及为钻杆2提供钻压。所述阀板式防喷器5用于防止井喷事故发生。所述全自动罐式粒子连续注入系统12优选为由PDTI公司设计出的第三代全自动罐式粒子连续注入系统(详见学术论文粒子破岩钻进技术研究进展及发展趋势)。
如图2所示，所述超声波振动钻头1由钻头基体101、硬质合金切削齿102、环形超声波振动装置103、钢粒射流元件104、插接式通电电缆105和插接式通电接头106组成，所述硬质合金切削齿102设置在钻头基体101上，为使其更加稳固，优选地，硬质合金切削齿102焊接于钻头基体101，环形超声波振动装置103插接于钻头基体101内，钢粒射流元件104通过螺纹与钻头基体101相连接，插接式通电电缆105和插接式通电接头106之间插接并镶嵌于钻头基体101侧壁的凹槽内。
如图2所示，所述环形超声波振动装置103插接于超声波振动钻头1内，环形超声波振动装置103包括振动装置外壳1031、超声波振动器1032和导线1033。所述振动装置外壳1031设置在超声波振动器1032外部；所述导线1033一端与超声波振动器1032连接，另一端穿过振动装置外壳1031与插接式通电电缆105相连接，用于为超声波振动器1032供电；振动装置外壳1031的外部形状是中空圆柱形。
如图3所示，所述超声波振动器1032由盖板10321、变幅杆10322、连接螺钉10323、压电陶瓷片10324、工字型导波杆10325和弹簧13026组成。自上而下分别为连接螺钉10323、压电陶瓷片10324，盖板10321、变幅杆10322、弹簧13026和工字型导波杆10325。所述连接螺钉10323将所述压电陶瓷片10324和盖板10321进行固定，用以有效传递超声波振动载荷，盖板10321与变幅杆10322螺纹连接；所述压电陶瓷片10324用于产生超声波振动载荷；所述变幅杆10322用于放大超声波振动载荷的幅值。所述弹簧13026为压力弹簧，两端分别嵌入振动装置外壳1031和工字型导波杆10325中，使工字型导波杆10325可发生往复运动，同时也防止工字型导波杆10325产生非正常破坏，延长使用寿命。具体工作流程如下：首先由导线1033传输的电能为压电陶瓷片10324供电，压电陶瓷片10324产生超声波振动载荷，由于连接螺钉10323将压电陶瓷片10324和盖板10321进行固定，同时盖板10321与变幅杆10322螺纹连接，因而产生的超声波振动载荷可有效传递至变幅杆10322,变幅杆10322通过上大下小的结构对超声波振动载荷的幅值进行放大。放大后的超声波振动载荷进一步传递至工字型导波杆10325。所述环形超声波振动装置103中呈等角度环形分布方式布置有六个超声波振动器1032，所有超声波振动器1032之间并联连接。
进一步的，所述环形超声波振动装置103用于钻进高强度、大硬度和高耐磨性岩石时，发挥的主要作用是超声波振动空化作用，以及通过工字型导波杆10325传递超声波振动以冲击浆液中的钢粒对岩石产生侵砌作用，可提高效率，节约钻进成本；当用于钻进软岩特别是泥岩及页岩时，利用超声波振动使得遇水软化的岩石与钻头接触表面间产生一定间隙，形成稳定的高压气膜(或水膜)，从而减小摩擦面间的摩擦系数，进而起到脱附作用，减少泥包情况，提高钻头寿命。
如图1所示，所述高压泵4输出端分别设置有第一阀门41和第二阀门42，其中第一阀门41用于控制全自动罐式粒子连续注入系统12，第二阀门42用于控制浆液钢粒搅拌混合装置3。第一阀门41位于高压泵4与全自动罐式粒子连续注入系统12连接管线上，第二阀门42位于高压泵4与浆液钢粒搅拌混合装置3的连接管路上；所述浆液钢粒搅拌混合装置3通过注浆管10与钻杆2内部的钻井液流通通道连通；所述旋转储罐式粒子回收系统6通过返浆管8与岩屑返回通道连通，该岩屑返回通道为钻杆2和钻孔孔壁之间形成的环空间隙，同时旋转储罐式粒子回收系统6通过浆液回收管11与浆液钢粒搅拌混合装置3连接，旋转储罐式粒子回收系统6通过钢粒回收管9与全自动罐式粒子连续注入系统12连接。当开启第一阀门41和第二阀门42后，钢粒与浆液在浆液钢粒搅拌混合装置3中进行混合，混合后的含有钢粒的浆液在高压泵4的加压作用下，沿注浆管10进入钻杆2，当达到钢粒射流元件104后，由于钢粒射流元件104上开口口径大于下开口口径，流速进一步加大，以超过100m/s的速度对岩石进行冲击，产生的岩屑随浆液和钢粒在钻杆2及孔壁的间隙中上返至地表，沿返浆管8进入旋转储罐式粒子回收系统6，待分选结束后，浆液由浆液回收管11回收至浆液钢粒搅拌混合装置3，完好的钢粒由钢粒回收管9回收至全自动罐式粒子连续注入系统12。
所述钢粒的质量占浆液和钢粒混合形成的混合流体总质量的3％～5％，一方面保证可对岩石产生有效的射流冲击破坏，另一方面保证工字型导波杆10325可与足够数量的钢粒进行接触，以激发出钢粒后续多次超声波振动冲击作用于岩石。
所述超声波振动钻头1为硬质合金钻头。
所述工字型导波杆10325下表面存在弧形通道，用于引导钢粒进入工字型导波杆10325下表面与孔底岩石之间。所述工字型导波杆10325的材料为硬质合金，用于保证与超声波振动钻头1的硬质合金切削齿102具有相近的磨损速度。
如图4所示，所述工字型导波杆10325由导波杆主体103251与卡销103252组成，导波杆主体103251与卡销103252螺纹连接。当导波杆主体103251下端面严重磨损后，便于更换。
本发明中所述钢粒射流元件104采用钻探、钻井领域常用的射流元件，在发挥射流冲击破碎岩石作用的同时，也充当水口用于对超声波振动钻头1进行降温及排出孔底岩屑。
采用上述超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统进行超声波振动钢粒冲击辅助钻进方法，包括以下步骤：
步骤S1：待钻孔选址完成后，搭建超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，将钢粒射流元件104螺纹连接于超声波振动钻头1内，将导波杆主体103251与卡销103252螺纹连接，将连接好的环形超声波振动装置103插接于超声波振动钻头1内，并将超声波振动钻头1与钻杆2螺纹连接，放于孔底；
步骤S2：由于初始地层一般为软土或者软岩，不需利用钢粒，关闭第一阀门41，打开第二阀门42。在钻井平台7上准备钻井工作，设置钻压10kN，转速200r/min，开启高压泵4，排量设为150L/min，同时开启环形超声波振动装置103，以发挥超声波振动的脱附作用，减少钻头泥包现象，提高钻头寿命和工作效率。
步骤S3：当发现钻井扭矩提高100％以上、钻速下降至低于0.1m/h时，考虑已经钻遇坚硬岩石，此时加大钻压(40kN)，同时开启第一阀门41，钢粒进入浆液钢粒搅拌混合装置3完成与浆液的混合，混合浆液通过注浆管10注入孔底，经钢粒射流元件104首先对孔底坚硬岩石进行冲击破坏，之后利用环形超声波振动装置103对浆液中的钢粒进行振动，使钢粒产生高频振动再次冲击岩石，发生二次破坏，用以弱化岩石加快钻进速率。当一小时内损坏的钢粒质量超过50％时，意味着超声波振动幅值过大，钢粒产生了非正常破坏，不利于岩石破碎，此时逐次减小超声波振动器1032的电流10％，用于降低环形超声波振动装置103激发出的超声波振动幅值，直到每小时钢粒损失量小于50％。当一小时内损坏的钢粒质量小于20％时，意味着超声波振动幅值过小，钢粒动能过小，也不利于岩石破碎，此时逐次增大超声波振动器1032的电流10％，用于增大环形超声波振动装置103激发出的超声波振动幅值，直到每小时钢粒损失量大于20％。其中，由现有技术可知，旋转储罐式粒子回收系统6会滚动，滚动过程中不同质量的物体，会有不同的速度，然后坏颗粒和好颗粒的速度会有不同(因为质量不同)，进而会分选出来，以此来确定钢粒的损坏量。
步骤S4：当钻头完全磨损无法在正常工作后，在钻井平台7上提取整套钻具，将超声波振动钻头1拧下，将导波杆103251从卡销103252中拧下，取出环状超声波振动装置103，将其继续插接于新的超声波振动钻头1内，重复步骤S1、步骤S2和步骤S3步骤继续钻井工作。
图5a示出了未破碎岩石状态图；图5b示出了经过3秒超声波振动后破碎的岩石状态图；图5c示出了破碎区域局部放大图。图5a、图5b和图5c用于验证本发明效用的试验结果，通过试验可知，将超声波振动载荷作用于钢粒上可在极短时间内实现对坚硬岩石的破坏，形成了明显的破碎坑。因而，可以预见，当将该技术与常规的射流碎岩技术相结合后，可极大地提高硬岩钻进效率。
Claims (10)
1.一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，包括钻杆(2)和钻井平台(7)，所述钻井平台(7)用于吊装钻杆(2)以及为钻杆(2)提供钻压，其特征在于，还包括：超声波振动钻头(1)、浆液钢粒搅拌混合装置(3)、高压泵(4)、阀板式防喷器(5)、旋转储罐式粒子回收系统(6)和全自动罐式粒子连续注入系统(12)，所述超声波振动钻头(1)位于钻杆(2)下方，并与钻杆(2)螺纹连接；所述浆液钢粒搅拌混合装置(3)、高压泵(4)、阀板式防喷器(5)、旋转储罐式粒子回收系统(6)和全自动罐式粒子连续注入系统(12)之间通过管线连接。
2.根据权利要求1所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，其特征在于：所述超声波振动钻头(1)由钻头基体(101)、硬质合金切削齿(102)、环形超声波振动装置(103)、钢粒射流元件(104)、插接式通电电缆(105)和插接式通电接头(106)组成，所述硬质合金切削齿(102)设置在钻头基体(101)上；所述环形超声波振动装置(103)插接于钻头基体(101)内；所述钢粒射流元件(104)通过螺纹与钻头基体(101)相连接；所述插接式通电电缆(105)和插接式通电接头(106)之间插接并镶嵌于钻头基体(101)侧壁的凹槽内。
3.根据权利要求2所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，其特征在于：所述环形超声波振动装置(103)包括振动装置外壳(1031)、超声波振动器(1032)和导线(1033)，所述振动装置外壳(1031)设置在超声波振动器(1032)外部；所述导线(1033)一端与超声波振动器(1032)连接，另一端穿过振动装置外壳(1031)与插接式通电电缆(105)相连接，用于为超声波振动器(1032)供电；所述超声波振动器(1032)数量至少两个，至少两个超声波振动器(1032)呈等角度环形分布方式布置在环形超声波振动装置(103)中，至少两个超声波振动器(1032)之间并联连接。
4.根据权利要求3所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，其特征在于：所述超声波振动器(1032)由盖板(10321)、变幅杆(10322)、连接螺钉(10323)、压电陶瓷片(10324)、工字型导波杆(10325)和弹簧(13026)组成，并且压电陶瓷片(10324)、盖板(10321)、变幅杆(10322)和工字型导波杆(10325)自上而下依次设置，所述连接螺钉(10323)用于将所述压电陶瓷片(10324)和盖板(10321)固定在一起；所述盖板(10321)与变幅杆(10322)螺纹连接；所述压电陶瓷片(10324)与导线(1033)电连接；所述弹簧(13026)为压力弹簧，弹簧(13026)的两端分别嵌入振动装置外壳(1031)和工字型导波杆(10325)中，使得工字型导波杆(10325)能够往复运动。
5.根据权利要求4所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，其特征在于，所述工字型导波杆(10325)由导波杆主体(103251)与卡销(103252)组成，导波杆主体(103251)与卡销(103252)螺纹连接。
6.根据权利要求4所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，其特征在于：所述工字型导波杆(10325)的下表面具有用于引导钢粒进入工字型导波杆(10325)下表面与孔底岩石之间的弧形通道。
7.根据权利要求4所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，其特征在于：所述工字型导波杆(10325)的材质与硬质合金切削齿(102)的材质相同。
8.根据权利要求5所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，其特征在于：所述浆液钢粒搅拌混合装置(3)用于将浆液和钢粒混合在一起，钢粒的质量占浆液和钢粒混合形成的混合流体总质量的3％～5％。
9.根据权利要求8所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，其特征在于：所述高压泵(4)输出端分别设置有第一阀门(41)和第二阀门(42)，第一阀门(41)位于高压泵(4)与全自动罐式粒子连续注入系统(12)连接管线上，第二阀门(42)位于高压泵(4)与浆液钢粒搅拌混合装置(3)的连接管路上；所述浆液钢粒搅拌混合装置(3)通过注浆管(10)与钻杆(2)内部的钻井液流通通道连通；所述旋转储罐式粒子回收系统(6)通过返浆管(8)与岩屑返回通道连通，该岩屑返回通道为钻杆(2)和钻孔孔壁之间形成的环空间隙，同时旋转储罐式粒子回收系统(6)通过浆液回收管(11)与浆液钢粒搅拌混合装置(3)连接，旋转储罐式粒子回收系统(6)通过钢粒回收管(9)与全自动罐式粒子连续注入系统(12)连接。
10.一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进方法，其特征在于，该方法采用权利要求9所述的超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统进行钻进，具体该方法包括如下步骤：
步骤S1：待钻孔选址完成后，搭建所述超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统，将钢粒射流元件(104)螺纹连接于超声波振动钻头(1)内，将导波杆主体(103251)与卡销(103252)螺纹连接，将连接好的环形超声波振动装置(103)插接于超声波振动钻头(1)内，并将超声波振动钻头(1)与钻杆(2)螺纹连接，放于孔底；
步骤S2：关闭第一阀门(41)，打开第二阀门(42)，在钻井平台(7)上准备钻井工作，设置钻压为10kN，转速为200r/min，开启高压泵(4)，排量设为150L/min，同时开启环形超声波振动装置(103)；
步骤S3：当钻井扭矩提高100％以上、钻速下降至低于0.1m/h时，此时加大钻压至40kN，同时开启第一阀门(41)，钢粒进入浆液钢粒搅拌混合装置(3)完成与浆液的混合，钢粒和浆液混合形成的混合流体通过注浆管(10)注入孔底，经钢粒射流元件(104)首先对孔底坚硬岩石进行冲击破坏，之后利用环形超声波振动装置(103)对所述混合流体中的钢粒进行振动，使钢粒产生振动再次冲击岩石，发生二次破坏，当一小时内损坏的钢粒质量超过50％时，逐次减小超声波振动器(1032)的电流10％，直到每小时钢粒质量损失量小于50％；当一小时内损坏的钢粒质量小于20％时，逐次增大超声波振动器(1032)的电流10％，直到每小时钢粒质量损失量大于20％；
步骤S4：当超声波振动钻头(1)磨损无法正常工作时，在钻井平台(7)上提取整套钻具，将超声波振动钻头(1)拧下，将导波杆主体(103251)从卡销(103252)中拧下，取出环形超声波振动装置(103)，将其继续插接于新的超声波振动钻头(1)内，重复步骤S1至步骤S3操作继续钻井工作，直至完成钻孔。
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| CN202210057416.1A CN114412361A (zh) | 2022-01-19 | 2022-01-19 | 一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统及方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116044427A (zh) * | 2023-02-22 | 2023-05-02 | 绍兴文理学院 | 一种超高频粒子振动微扰动泄压岩爆方法 |
| CN116816385A (zh) * | 2023-04-27 | 2023-09-29 | 中铁十一局集团有限公司 | 富水破碎围岩注浆方法及相关设备 |
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- 2022-01-19 CN CN202210057416.1A patent/CN114412361A/zh not_active Withdrawn
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