一種諧振脈衝振動鑽井裝置的製作方法
2023-05-03 03:01:26
專利名稱：一種諧振脈衝振動鑽井裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及鑽井裝置技術領域，特別涉及一種能夠提高鑽井速度的諧振脈衝振動鑽井裝置。
背景技術：
鑽井是通過一系列的工具和技術開鑿出通往地下的通道。目前，鑽井主要是用於石油、天然氣、地熱和地下水等資源的開採，此外，鑽井也被用於核廢料處理、CO2深層儲存等一些前沿科學領域。隨著鑽井深度和難度的增加，對鑽井技術本身也提出了新的要求。特別是對於深井和超深井而言，主要難點是所使用的鑽井裝置鑽速低、鑽井周期長、鑽井費用高。因此，在鑽井過程中，提高鑽頭的破巖效率從而提高鑽井速度、縮短鑽井周期是鑽井過程中一直追求的目標。鑽井過程中最重要的步驟是破碎巖石，破碎巖石所需要的能量來自地表，能量通過鑽井液、鑽杆傳遞到下部鑽頭，由鑽頭直接破巖。旋衝鑽井工具和脈衝射流鑽井短接都能有效地提高鑽井速度。旋衝鑽井工具的上端與鑽鋌或鑽杆相連接，下端與鑽頭相連接，旋衝鑽井工具將鑽井液部分能量轉化為往復運動，使旋衝鑽井工具下端與鑽頭連接部分往復運動，鑽頭一邊隨鑽杆旋轉，一邊做往復運動。旋衝鑽井工具使鑽頭能夠做往復衝擊運動，鑽頭的往復衝擊運動能夠提高鑽頭破巖效率，特別是對深部硬、研磨地層的破巖速度提高顯著。脈衝射流鑽井短接能夠將鑽井液的連續流動轉換成一定頻率的間歇流動。這種轉換使得鑽井液在鑽頭水眼的出口速度大幅提高，這種速度的提高直接帶來射流衝擊效率的提高，使得水力破巖效率得到提高；脈衝射流鑽井短接的脈衝射流效應能夠改變井底巖屑床的分布，提高井底鑽頭部巖屑上返速度，避免巖屑被重複破碎；脈衝射流鑽井短接能夠周期性地降低井底壓力，從而減小井底巖石的壓持效應，使鑽井速度得到提高。脈衝射流鑽井短接能夠有效地提高鑽井裝置的機械鑽速。旋衝鑽井工具和脈衝射流鑽井短接都能夠在不提高地面機泵功率的情況下提高井下鑽頭的破巖效率。但是，旋衝鑽井工具的內部元件的磨損衝蝕嚴重，致使其使用壽命短；脈衝射流鑽井短接則對深部硬度高、研磨性地層的鑽井提速效果十分有限。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提出了一種能夠將連續流動的鑽井液調製成具有一定頻率的脈衝射流，脈衝射流經諧振放大後脈衝幅值增大，增大後脈衝幅值使裝置下部與鑽頭連接部分產生往復振動，同時使鑽頭水眼出口處的連續流體轉換成脈衝射流的諧振脈衝振動鑽井裝置。為了實現上述目的，本發明提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的技術方案如下
本發明提供的諧振脈衝振動鑽井裝置包括外殼體，置於所述外殼體內的系統，以及下部接頭，所述諧振脈衝振動鑽井裝置的上部與鑽井管柱相連接，所述諧振脈衝振動鑽井裝置的下部通過所述下部接頭與鑽頭相連接；所述外殼體內部設有供置於所述外殼體內的系統裝設的通孔； 置於所述外殼體內的系統包括旋轉動力系統、脈衝調製系統及諧振脈衝與往復振動系統；所述旋轉動力系統控制下使連續流動的鑽井液變成具有一定周期的脈衝射流；所述諧振脈衝與往復振動系統對所述脈衝射流的脈衝幅值進行放大從而進行周期性上下往復振動；
所述下部接頭連接於所述諧振脈衝與往復振動系統。作為優選，所述外殼體內部設有直徑或者當量值遞減的階梯狀通孔，所述通孔供置於所述外殼體內的系統裝設，所述通孔分為I段通孔、II段通孔、III段通孔和IV段通孔； 所述I段通孔裝設所述旋轉動力系統，所述II段通孔裝設所述脈衝調製系統，所述III段通孔和所述IV段通孔裝設所述諧振脈衝與往復振動系統。作為優選，所述I段通孔、II段通孔和IV段通孔為多邊形，所述III段通孔為圓形或者多邊形。作為優選，所述旋轉動力系統為渦輪或者螺杆。作為優選，所述渦輪動力系統包括軸承、上固定孔板、下固定孔板、導流葉片、配合筒和中心軸，所述上固定孔板和所述下固定孔板分別利用所述軸承與所述中心軸活動連接，所述中心軸的長度大於所述上固定孔板和所述下固定孔板之間的距離，從而使得所述中心軸的下端面向下伸出於所述下固定孔板一段距離，所述導流葉片裝設於所述中心軸位於所述上固定孔板和所述下固定孔板之間的部位上，所述上固定孔板和所述下固定孔板上對應設置有供鑽井液流通的流道；所述配合筒安裝於所述上固定孔板和所述下固定孔板之間，所述配合筒的外表面與所述I段通孔相配合，所述配合筒中心具有直徑大於所述安裝後所述導流葉片轉動半徑的通孔。作為優選，所述中心軸的上端面與所述上固定孔板的上端面同平面。作為優選，所述流道的數量範圍是3 15。作為優選，所述脈衝調製系統包括轉動密封塊、用於固定連接所述轉動密封塊和固定連接所述渦輪動力系統的中心軸的偏心軸和周期導流板，所述周期導流板上設有以所述周期導流板為中心對稱分布的擾流通孔，所述擾流通孔的半徑小於所述擾流通孔的中心與所述周期導流板中心的距離，所述轉動密封塊的數量大於或者等於所述擾流通孔的數量，所述轉動密封塊的下表面能夠與所述周期導流板的上表面密封接觸，使得當所述轉動密封塊未旋轉到與所述擾流通孔重合的位置時，所述擾流通孔處於最大流動截面狀態，而當所述轉動密封塊旋轉到與所述擾流通孔完全重合的位置時，所述擾流通孔處於被完全密封狀態。作為優選，所述擾流通孔的數量範圍是1 10。作為優選，所述諧振脈衝與往復振動系統包括具有諧振腔的諧振脈衝傳扭腔，用於使所述諧振脈衝傳扭腔與所述III段通孔密封的密封件和置於所述III段通孔的肩部、用於使所述諧振脈衝傳扭腔復位的彈性部件，所述諧振脈衝傳扭腔中心設有在不改變脈衝頻率的情況下使脈衝幅值被放大諧振腔。作為優選，所述諧振脈衝傳扭腔上部為圓形，中部為截面為正多邊形的柱體，下部有螺紋，所述諧振腔為階梯圓形或者多邊形通孔，直徑或者當量值遞減，所述諧振脈衝傳扭腔的中部外表面與所述IV段通孔相配合。
作為優選，所述彈性部件為彈簧。作為優選，所述下部接頭為內部具有用於鑽井液循環的通孔，所述下部接頭上部具有用於與所述諧振脈衝傳扭腔下部具有的螺紋相連接的螺紋，所述下部接頭下部具有用於連接鑽頭的螺紋。本發明提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的有益效果在於
本發明提供的諧振脈衝振動鑽井裝置相對於傳統鑽頭旋轉破巖增加了軸嚮往復振動和對井底的脈衝射流，鑽頭的軸嚮往復振動和脈衝射流的引入大幅提高了鑽頭的破巖效率，有效地解決了傳統鑽頭破巖效率低、鑽井成本高的問題，特別適用於深部硬度高、研磨性地層的鑽井提速。
圖1為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置裝配剖視圖； 圖2為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置外殼體剖視圖； 圖3為圖2的A-A向剖視圖4為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的固定孔板的示意圖； 圖5為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的配合筒的示意圖； 圖6為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的周期導流板示意圖； 圖7 (a)為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置擾流通孔與轉動密封塊處於開啟狀態的示意圖7 (b)為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置擾流通孔與轉動密封塊處於關閉狀態的示意圖8為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的轉動密封塊處於擾流通孔不同位置時產生的脈衝壓力值變化示意圖9為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的諧振脈衝傳扭腔的剖視圖； 圖10為圖9的B-B向剖視圖11為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的轉動密封塊處於擾流通孔不同位置時產生的脈衝壓力值變化被諧振腔放大前後對比示意圖12為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的下部接頭剖視圖； 圖13 (a)為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置帶動鑽頭至下死點位置時的示意圖13 (b)為本發明實施例提供的諧振脈衝振動鑽井裝置帶動鑽頭至上死點位置時的示意圖。
具體實施例方式為了深入了解本發明，下面結合附圖及具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例
參見附圖1，本發明提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的外形為圓柱狀，包括外殼體1和置於外殼體1內的渦輪動力系統，脈衝調製系統，諧振脈衝與往復振動系統，以及下部接頭 14。渦輪動力系統用於控制脈衝調製系統的動作，脈衝調製系統用於使連續流動的鑽井液變成具有一定周期的脈衝射流，諧振脈衝與往復振動系統用於使脈衝射流的脈衝幅值進行放大從而進行周期性上下往復振動。參見附圖2，外殼體1內具有直徑或者當量值遞減的階梯狀通孔，分為I段通孔、II段通孔、III段通孔和IV段通孔，並且I段通孔、II段通孔、III段通孔和IV段通孔，I段通孔用於裝設渦輪動力系統，II段通孔用於裝設脈衝調製系統，III段通孔和IV段通孔用於裝設所述諧振脈衝與往復振動系統。諧振脈衝振動鑽井裝置的上部與鑽井管柱相連接，諧振脈衝振動鑽井裝置的下部通過下部接頭14與鑽頭連接。本實施例中，I段通孔、II段通孔和IV段通孔為正八方孔(參見附圖2和附圖3)。 III段通孔為圓形孔。參見附圖1，渦輪動力系統包括軸承2、上固定孔板3、下固定孔板6、導流葉片4、配合筒5和中心軸7。上固定孔板3和下固定孔板6分別利用軸承2與中心軸7活動連接，中心軸7的上端面與上固定孔板3的上端面同平面。參見附圖4，上固定孔板3的外形為正八邊形，上固定孔板3的中心設有用於安裝軸承2的通孔，上固定孔板3上設有3-15個流道401。本實施例中，上固定孔板3上設有4個流道401，中心軸7的長度大於上固定孔板3 和下固定孔板6之間的距離，從而使得中心軸7的下端面向下伸出於下固定孔板6 —段距離，其中，中心軸7的下端面向下伸出於下固定孔板6的距離為50mm-500mm，導流葉片4裝設於中心軸7位於上固定孔板3和下固定孔板6之間的部位上，上固定孔板3和下固定孔板6上對應設置有供鑽井液流通的流道。參見附圖5，配合筒5安裝於上固定孔板3和下固定孔板6之間，配合筒5的外表面呈正八方柱體，與I段通孔相配合，配合筒5中心有直徑大於安裝後導流葉片4轉動半徑的通孔。參見附圖1，脈衝調製系統包括轉動密封塊8、用於固定連接轉動密封塊8和固定連接渦輪動力系統的中心軸7的偏心軸9和周期導流板10。參見附圖6，周期導流板10上設有以周期導流板10為中心對稱分布的1-10個擾流通孔601，擾流通孔601的半徑小於擾流通孔601的中心與周期導流板10中心的距離。轉動密封塊8的數量大於或者等於擾流通孔601的數量。轉動密封塊8的下表面能夠與周期導流板10的上表面密封接觸，轉動密封塊8能夠被中心軸7帶動做旋轉運動。參見附圖7(a)，當轉動密封塊8未旋轉到與擾流通孔601重合的位置時，擾流通孔601處於最大流動截面狀態，參見附圖7 (b)，當轉動密封塊8旋轉到與擾流通孔601完全重合的位置時，擾流通孔601處於被完全密封狀態。參見附圖8，脈衝壓力幅值的變化曲線中，壓力值為a時，對應轉動密封塊8的位置為圖7 (a) 所示位置；壓力值為b時，對應轉動密封塊8的位置為圖7 (b)所示位置，隨著轉動密封塊 8的旋轉，脈衝調製系統使得連續流動的鑽井液形成了具有周期的脈衝射流。參見附圖1，諧振脈衝與往復振動系統包括具有諧振腔的諧振脈衝傳扭腔12，用於使諧振脈衝傳扭腔12與III段通孔密封的密封件11和置於III段通孔的肩部、用於使諧振脈衝傳扭腔12復位的彈性部件。本實施例使用的彈性部件是彈簧13。參見附圖9，諧振脈衝傳扭腔12上部為圓形，中部為截面為正多邊形的柱體。參見附圖10，本實施例的中部截面為正八邊形，下部有螺紋，圓形的直徑大於正八邊形外接圓的直徑。諧振脈衝傳扭腔12 的上部圓形外側具有用於裝設密封件11的密封槽901，諧振脈衝傳扭腔12的上部圓形與外殼體1的III段通孔配合安裝，並且密封槽901和密封件11使諧振脈衝傳扭腔12的上部圓形與外殼體1的III段通孔密封，諧振脈衝傳扭腔12中心設有諧振腔902，諧振腔902為階梯圓形或者多邊形通孔，直徑或者當量值遞減，諧振脈衝傳扭腔12的中部外表面與IV段通孔相配合。參見附圖11，諧振腔902的作用是在不改變脈衝頻率的情況下使脈衝幅值被放大， 使得衝擊力增強，從而，諧振脈衝傳扭腔12產生周期性的上下往復振動，同時，彈簧13用於幫助諧振脈衝傳扭腔12復位。參見附圖1和附圖12，下部接頭14為內部具有用於鑽井液循環的通孔，下部接頭 14上部具有用於與諧振脈衝傳扭腔12下部具有的螺紋相連接的螺紋，下部接頭14下部具有用於連接鑽頭的螺紋。下面闡述本發明提供的諧振脈衝振動鑽井裝置的工作原理
參見附圖13 (a)，此時轉動密封塊8與擾流通孔601處於圖7 (a)所示位置，鑽井液沿圖13 (a)中箭頭方向流動，鑽井液首先通過上固定孔板3的流道401，然後通過周期導流板10的擾流通孔601，隨後經過諧振脈衝傳扭腔12的諧振腔，最後通過鑽頭1301的內流道 1302射入井底，此時，彈簧13被壓縮到最短，諧振脈衝傳扭腔12帶動鑽頭1301處於往復振動的下死點位置。參見附圖13 (b)，此時轉動密封塊8與擾流通孔601處於圖7 (b)所示位置，鑽井液沿圖13 (b)中箭頭方向流動，鑽井液通過上固定孔板3的流道401，由於轉動密封塊8與擾流通孔601密封，鑽井液無法流入到諧振脈衝傳扭腔12中，從而，周期導流板 10以下至鑽頭1301的內流道1302內無鑽井液，此時，諧振脈衝傳扭腔12無法獲取向下的衝擊力，彈簧13處於自然狀態，諧振脈衝傳扭腔12帶動鑽頭1301處於往復振動的上死點位置。應用本發明提供的諧振脈衝振動鑽井裝置進行鑽井時，由於本發明提供的諧振脈衝振動鑽井裝置相對於傳統鑽頭旋轉破巖增加了軸嚮往復振動和對井底的脈衝射流，鑽頭的軸嚮往復振動和脈衝射流的引入大幅提高了鑽頭的破巖效率，有效地解決了傳統鑽頭破巖效率低、鑽井成本高的問題，特別適用於深部硬度高、研磨性地層的鑽井提速。以上所述的具體實施方式
，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式
而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種諧振脈衝振動鑽井裝置，包括外殼體，置於所述外殼體內的系統，以及下部接頭，所述諧振脈衝振動鑽井裝置的上部與鑽井管柱相連接，所述諧振脈衝振動鑽井裝置的下部通過所述下部接頭與鑽頭相連接，其特徵在於所述外殼體內部設有供置於所述外殼體內的系統裝設的通孔；置於所述外殼體內的系統包括旋轉動力系統、脈衝調製系統及諧振脈衝與往復振動系統；所述旋轉動力系統控制下使連續流動的鑽井液變成具有一定周期的脈衝射流；所述諧振脈衝與往復振動系統對所述脈衝射流的脈衝幅值進行放大從而進行周期性上下往復振動；所述下部接頭連接於所述諧振脈衝與往復振動系統。
2.根據權利要求1所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述外殼體內部設有直徑或者當量值遞減的階梯狀通孔，所述通孔供置於所述外殼體內的系統裝設，所述通孔分為I段通孔、II段通孔、III段通孔和IV段通孔；所述I段通孔裝設所述旋轉動力系統，所述II段通孔裝設所述脈衝調製系統，所述III段通孔和所述IV段通孔裝設所述諧振脈衝與往復振動系統。
3.根據權利要求2所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述I段通孔、II段通孔和IV段通孔為多邊形，所述III段通孔為圓形或者多邊形。
4.根據權利要求2所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述旋轉動力系統為渦輪或者螺杆。
5.根據權利要求4所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述渦輪包括軸承、 上固定孔板、下固定孔板、導流葉片、配合筒和中心軸，所述上固定孔板和所述下固定孔板分別利用所述軸承與所述中心軸活動連接，所述中心軸的長度大於所述上固定孔板和所述下固定孔板之間的距離，從而使得所述中心軸的下端面向下伸出於所述下固定孔板一段距離，所述導流葉片裝設於所述中心軸位於所述上固定孔板和所述下固定孔板之間的部位上，所述上固定孔板和所述下固定孔板上對應設置有供鑽井液流通的流道；所述配合筒安裝於所述上固定孔板和所述下固定孔板之間，所述配合筒的外表面與所述I段通孔相配合，所述配合筒中心具有直徑大於所述安裝後所述導流葉片轉動半徑的通孔。
6.根據權利要求5所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述中心軸的上端面與所述上固定孔板的上端面同平面。
7.根據權利要求5所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述流道的數量範圍是3 15。
8.根據權利要求3或4所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述脈衝調製系統包括轉動密封塊、用於固定連接所述轉動密封塊和固定連接所述渦輪動力系統的中心軸的偏心軸和周期導流板，所述周期導流板上設有以所述周期導流板為中心對稱分布的擾流通孔，所述擾流通孔的半徑小於所述擾流通孔的中心與所述周期導流板中心的距離，所述轉動密封塊的數量大於或者等於所述擾流通孔的數量，所述轉動密封塊的下表面能夠與所述周期導流板的上表面密封接觸，使得當所述轉動密封塊未旋轉到與所述擾流通孔重合的位置時，所述擾流通孔處於最大流動截面狀態，而當所述轉動密封塊旋轉到與所述擾流通孔完全重合的位置時，所述擾流通孔處於被完全密封狀態。
9.根據權利要求8所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述擾流通孔的數量範圍是1 10。
10.根據權利要求3所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述諧振脈衝與往復振動系統包括具有諧振腔的諧振脈衝傳扭腔，用於使所述諧振脈衝傳扭腔與所述III段通孔密封的密封件和置於所述III段通孔的肩部、用於使所述諧振脈衝傳扭腔復位的彈性部件， 所述諧振脈衝傳扭腔中心設有在不改變脈衝頻率的情況下使脈衝幅值被放大諧振腔。
11.根據權利要求10所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述諧振脈衝傳扭腔上部為圓形，中部為截面為正多邊形的柱體，下部有螺紋，所述諧振腔為階梯圓形或者多邊形通孔，直徑或者當量值遞減，所述諧振脈衝傳扭腔的中部外表面與所述IV段通孔相配
12.根據權利要求10所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述彈性部件為彈
13.根據權利要求1或11所述的諧振脈衝振動鑽井裝置，其特徵在於所述下部接頭為內部具有用於鑽井液循環的通孔，所述下部接頭上部具有用於與所述諧振脈衝傳扭腔下部具有的螺紋相連接的螺紋，所述下部接頭下部具有用於連接鑽頭的螺紋。
全文摘要
本發明公開了一種諧振脈衝振動鑽井裝置，屬於鑽井裝置技術領域。該裝置包括外殼體，置於外殼體內的系統，以及下部接頭，該裝置的上部與鑽井管柱相連接，該裝置的下部通過下部接頭與鑽頭相連接，外殼體內部設有供置於外殼體內的系統裝設的通孔，置於外殼體內的系統包括動力系統，脈衝調製系統，諧振脈衝與往復振動系統，下部接頭連接於諧振脈衝與往復振動系統。該裝置有效地解決了傳統鑽頭破巖效率低、鑽井成本高的問題，特別適用於深部硬度高、研磨性地層的鑽井提速。
文檔編號E21B7/18GK102191915SQ20111014774
公開日2011年9月21日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者劉力, 卓魯斌, 崔龍連, 張富成, 查永進, 汪海閣, 陳志學 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團鑽井工程技術研究院