專利名稱：自激共振鉆井裝置及其鉆井方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用共振現(xiàn)象快速破碎深部地層巖石并提高機(jī)械鉆速的一種鉆井方式，屬于石油鉆井破巖工藝領(lǐng)域，主要應(yīng)用在石油工程、采礦工程、巖土工程等領(lǐng)域，具體地說(shuō)是自激共振鉆井裝置及其鉆井方法。背景技術(shù)：
深部地層高效破巖鉆井技術(shù)的難點(diǎn)主要包括一是現(xiàn)有高效破巖技術(shù)在深部地層中存在技術(shù)瓶頸；二是復(fù)雜地層、難鉆地層所占比例逐年增大，傳統(tǒng)鉆井方式的鉆速越來(lái)越低。 針對(duì)我國(guó)當(dāng)前鉆井工程的實(shí)際情況及深部地層鉆井難點(diǎn)，亟需發(fā)展新一代高效破巖技術(shù)， 研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效破巖技術(shù)。共振是指一個(gè)物理系統(tǒng)在特定頻率下，以最大振幅做振動(dòng)的情形。其重要的特性是它有一種頻率，即固有振動(dòng)頻率，當(dāng)受到外界的干擾而被激勵(lì)時(shí)，它相應(yīng)的振動(dòng)規(guī)律則依賴于干擾振動(dòng)頻率是否和它的固有頻率一致，這就是人們常說(shuō)的共振效應(yīng)。自激共振鉆井是利用鉆進(jìn)過(guò)程中鉆柱的自身振動(dòng)來(lái)激發(fā)近鉆頭共振器，使其沖擊頻率達(dá)到正常鉆進(jìn)條件下地層裂縫擴(kuò)展的“自然頻率”，產(chǎn)生巖石共振，來(lái)實(shí)現(xiàn)高速破巖的鉆井提速技術(shù)。在國(guó)內(nèi)外，并未檢索到有關(guān)自激共振鉆井任意一種形式(如專利、文章、論著等)的公開(kāi)的研究成果，申請(qǐng)保護(hù)內(nèi)容具有一定超前性?，F(xiàn)代鉆井技術(shù)是在鉆頭加水射流的旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是當(dāng)前應(yīng)用最多、技術(shù)最為完善的高效鉆井技術(shù)。在深部地層，尤其是一些復(fù)雜難鉆地層，旋轉(zhuǎn)鉆井的鉆井效果十分不理想，機(jī)械鉆速低下，鉆井事故頻發(fā)，成本高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供自激共振鉆井裝置，它用于解決現(xiàn)有技術(shù)鉆井效果十分不理想，機(jī)械鉆速低下，鉆井事故頻發(fā)，成本高的問(wèn)題；本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這種自激共振鉆井裝置的鉆井方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是這種自激共振鉆井裝置，從上到下包括上部鉆桿、鉆鋌、減震器、上短接、自激共振器、下短接、鉆頭，鉆鋌通過(guò)其螺紋與上部鉆桿連接，減震器通過(guò)螺紋與鉆鋌連接，上短接通過(guò)螺紋與減震器連接，自激共振器通過(guò)螺紋與上短接連接，自激共振器另一端連接下短接，鉆頭通過(guò)螺紋與下短接連接。上述方案中鉆桿為通用標(biāo)準(zhǔn)各尺寸鉆桿，用于延長(zhǎng)鉆柱、傳遞扭矩、傳輸鉆井液寸。上述方案中鉆鋌為通用標(biāo)準(zhǔn)各尺寸鉆鋌，用于提供鉆壓、傳輸鉆井液，連接鉆頭寸。上述方案中減震器為通用標(biāo)準(zhǔn)各尺寸減震器，用于降低來(lái)自于自激共振器和鉆頭的各種振動(dòng)。上述方案中短接為通用標(biāo)準(zhǔn)各尺寸短鉆鋌或接頭，用于合理控制減震器、自激共振器、鉆頭之間的距離。上述方案中鉆頭為通用刮刀、牙輪鉆頭、PDC等，用于直接破碎地層巖石。
上述方案中自激共振器為減震超聲波驅(qū)動(dòng)器，用于將鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)低頻大振幅振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，起到減震換能的作用，同時(shí)產(chǎn)生高頻小振幅振動(dòng)，使井底巖石振動(dòng)達(dá)到共振鉆井所需要的頻率和振幅。該自激共振器包括上螺紋柱、第一換能器、控制器、第二換能器、變幅桿、自由質(zhì)量、下螺紋柱，通過(guò)上、下螺紋柱與鉆柱其他結(jié)構(gòu)連接。自激共振器產(chǎn)生超聲頻率的縱向共振，并通過(guò)超聲變幅桿將振幅放大。上述方案中的換能器為通用壓電陶瓷片或磁致伸縮材料，用于產(chǎn)生鉆頭的超聲縱向振動(dòng)。上述方案中的變幅桿為指數(shù)形或懸鏈形變幅桿，把壓電陶瓷片產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)振幅或速度放大，或?qū)⒛芰考性谳^小的面積上，起到聚能作用。上述方案中的自由質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的具有一定質(zhì)量的鋼套，自由質(zhì)量依靠驅(qū)動(dòng)器的激勵(lì)和振動(dòng)耦合作用，在鉆頭和鉆鋌之間產(chǎn)生聲波頻率的往復(fù)碰撞，用于增加振動(dòng)的沖擊動(dòng)能，并通過(guò)下短接傳遞到鉆頭與巖石接觸界面上，產(chǎn)生巖石的共振。上述自激共振鉆井裝置鉆井的方法
1)檢查自激共振器工作是否正常，并將上述各部件依次連接，下入井底；
2)循環(huán)鉆井液，并旋轉(zhuǎn)鉆柱，通過(guò)調(diào)整鉤載并給鉆頭施加鉆壓；
3)在初始鉆井參數(shù)下，鉆頭破碎地層巖石產(chǎn)生縱向沖擊和振動(dòng)，通過(guò)短接傳遞到自激共振器；
4)控制器對(duì)地層巖石材料的幅頻特征進(jìn)行掃描，確定巖石材料的共振頻率；
5)為加載鉆頭估算適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)頻率范圍，需要確定鉆頭的振幅范圍；
6)在當(dāng)前地層巖石材料共振頻率范圍中，選擇一個(gè)低于最大值的點(diǎn)作為最佳共振頻
率；
7)根據(jù)這個(gè)最佳共振頻率驅(qū)動(dòng)鉆頭振動(dòng)；
8)進(jìn)一步調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速等機(jī)械參數(shù)，改變鉆頭產(chǎn)生的縱向沖擊和振動(dòng)情況，使自激共振器放大沖擊和振動(dòng)的頻率達(dá)到或接近地層巖石共振的共振頻率，實(shí)現(xiàn)共振破巖；
9)當(dāng)?shù)貙訋r性改變時(shí)，其共振頻率發(fā)生改變，上一層調(diào)節(jié)的共振頻率在當(dāng)前地層無(wú)法發(fā)生共振現(xiàn)象，需要重新調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速等機(jī)械參數(shù)，使自激共振器放大沖擊和振動(dòng)的頻率達(dá)到或接近地層巖石共振的共振頻率，再一次實(shí)現(xiàn)共振破巖。有益效果
1)充分利用鉆柱縱向振動(dòng)，變害為利，有效減少鉆柱失效，提高鉆柱使用壽命。鉆頭破巖過(guò)程鉆頭與鉆鋌產(chǎn)生的縱向沖擊、振動(dòng)一直是一個(gè)困擾鉆井技術(shù)人員的技術(shù)難題，由于振動(dòng)會(huì)造成鉆頭掉齒、掉牙輪和鉆柱失效斷裂等復(fù)雜的井下事故，耽誤鉆井工期，增加鉆井成本。本發(fā)明正是利用鉆頭與鉆鋌產(chǎn)生的縱向沖擊和振動(dòng)，并進(jìn)一步放大來(lái)促進(jìn)鉆頭破巖效果。2)在以往鉆井中，鉆頭與鉆鋌產(chǎn)生的縱向沖擊、振動(dòng)將消失于減震器和上部鉆柱中，造成鉆柱失效和鉆頭破壞等井下事故，本發(fā)明將鉆頭與鉆鋌產(chǎn)生的縱向沖擊、振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)動(dòng)能，達(dá)到巖石裂縫共振條件，提高鉆井速度。四

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明中自激共振器結(jié)構(gòu)示意圖。
1鉆桿；2鉆鋌；3減震器；4上短接；5自激共振器；6下短接；7鉆頭；8上螺紋柱；9第一換能器；10控制器；11第二換能器；12變幅桿內(nèi)腔；13變幅桿；14 自由質(zhì)量；15下螺紋柱。五具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明
如圖1所示，這種自激共振鉆井裝置從上到下由上部鉆桿1、鉆鋌2、減震器3、自激共振器5、鉆頭7順次連接構(gòu)成，鉆鋌2通過(guò)其螺紋與上部鉆桿1連接，減震器3通過(guò)螺紋與鉆鋌2連接；自激共振器5通過(guò)螺紋與上短接4連接，上短接4通過(guò)螺紋與減震器3連接；鉆頭7通過(guò)螺紋與下短接6連接，下短接6的另一端與自激共振器5連接。自激共振器5為減震超聲波驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明中鉆桿2為通用標(biāo)準(zhǔn)各尺寸鉆桿，用于延長(zhǎng)鉆柱、傳遞扭矩、傳輸鉆井液等；鉆鋌2為通用標(biāo)準(zhǔn)各尺寸鉆鋌，用于提供鉆壓、傳輸鉆井液，連接鉆頭等；減震器3為通用標(biāo)準(zhǔn)各尺寸減震器，用于降低來(lái)自于自激共振器5和鉆頭7的各種振動(dòng)；上、下短接為通用標(biāo)準(zhǔn)各尺寸短鉆鋌或接頭，用于合理控制減震器3、自激共振器5、鉆頭7之間的距離；鉆頭7為通用刮刀、牙輪鉆頭等，用直接破碎地層巖石。如圖2所示，本發(fā)明中自激共振器包括上螺紋柱8、第一換能器9、控制器10、第二換能器11、變幅桿13、自由質(zhì)量14、下螺紋柱15，上螺紋柱8、下螺紋15柱均有外螺紋，上螺紋柱8有一個(gè)喇叭狀的內(nèi)腔，喇叭口向上；第一換能器9、控制器10、第二換能器11、自由質(zhì)量14、下螺紋柱15均有一個(gè)筒形內(nèi)腔；變幅桿13也有內(nèi)腔，變幅桿內(nèi)腔12呈喇叭狀，喇叭口向下；上螺紋柱8、第一換能器9、控制器10、第二換能器11、變幅桿13、自由質(zhì)量14、下螺紋柱15連接后，它們的內(nèi)腔相通，形成油路。自激共振器5通過(guò)上、下螺紋柱分別與上短接 4、下短接6連接。換能器為壓電陶瓷片或磁致伸縮材料，為縱振換能器，第一換能器9利用壓電材料的壓電效應(yīng)將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，具有減震效果，控制器10為地層巖石共振特性掃描裝置，用于分析地層共振頻率及控制第二換能器11的工作屬性，第二換能器11利用壓電材料逆壓電效應(yīng)可以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向振動(dòng)。變幅桿12的主要作用是把壓電陶瓷片產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)振幅或速度放大，或?qū)⒛芰考性谳^小的面積上，起到聚能作用。自激共振器5產(chǎn)生超聲頻率的縱向共振，并通過(guò)超聲變幅桿將振幅放大。自由質(zhì)量14依靠驅(qū)動(dòng)器的激勵(lì)和振動(dòng)耦合作用，在鉆頭7和鉆鋌2之間產(chǎn)生聲波頻率的往復(fù)碰撞，并通過(guò)下短接6 傳遞到鉆頭7與巖石接觸界面上，產(chǎn)生巖石的共振。這種自激共振器5首先吸收來(lái)自于鉆頭破巖過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，將鉆頭7上的隨機(jī)規(guī)律振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，并存在于控制器10中，供控制器10工作和下部分的減震超聲波驅(qū)動(dòng)器的部件工作。使用控制器10，根據(jù)當(dāng)前鉆井地層條件，可以自動(dòng)運(yùn)行并調(diào)整具有振動(dòng)載荷的鉆頭7，提高鉆井速度?？刂沏@頭7沖擊巖石材料產(chǎn)生初始裂紋，在鉆頭旋轉(zhuǎn)載荷的作用下使初始裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。這種破巖過(guò)程中鉆頭7的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和超聲振動(dòng)運(yùn)動(dòng)是同步的。這樣就可以在鉆頭前產(chǎn)生一個(gè)一直存在的局部動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展區(qū)。在確定的鉆壓下，產(chǎn)生并維持鉆頭與巖石材料的共振。上述自激共振鉆井裝置鉆井的方法
1)檢查自激共振器5工作是否正常，并將上述各部件依次連接，下入井底；2)循環(huán)鉆井液，并旋轉(zhuǎn)鉆柱，通過(guò)調(diào)整鉤載并給鉆頭7施加鉆壓；
3)在初始鉆井參數(shù)下，鉆頭7破碎地層巖石產(chǎn)生縱向沖擊和振動(dòng)，通過(guò)短接傳遞到自激共振器5 ；
4)控制器10對(duì)地層巖石材料的幅頻特征進(jìn)行掃描，確定巖石材料的共振頻率；
5)為加載鉆頭估算適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)頻率范圍，需要確定鉆頭的振幅范圍；
6)在當(dāng)前地層巖石材料共振頻率范圍中，選擇一個(gè)低于最大值的點(diǎn)作為最佳共振頻
率；
7)根據(jù)這個(gè)最佳共振頻率驅(qū)動(dòng)鉆頭振動(dòng)；
8)進(jìn)一步調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速等機(jī)械參數(shù)，改變鉆頭產(chǎn)生的縱向沖擊和振動(dòng)情況，使自激共振器5放大沖擊和振動(dòng)的頻率達(dá)到或接近地層巖石共振的共振頻率，實(shí)現(xiàn)共振破巖；
9)當(dāng)?shù)貙訋r性改變時(shí)，其共振頻率發(fā)生改變，上一層調(diào)節(jié)的共振頻率在當(dāng)前地層無(wú)法發(fā)生共振現(xiàn)象，需要重新調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速等機(jī)械參數(shù)，使自激共振器放大沖擊和振動(dòng)的頻率達(dá)到或接近地層巖石共振的共振頻率，再一次實(shí)現(xiàn)共振破巖。關(guān)于選擇鉆頭振幅上限值這一方面，在此值前鉆頭產(chǎn)生的共振是不具有破壞性的。超過(guò)這個(gè)極限，共振將有可能引起破壞。估算合適的頻率覆蓋范圍，在這范圍內(nèi)選擇一個(gè)較小的頻率范圍作為驅(qū)動(dòng)頻率。 當(dāng)巖石共振并產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展后，其共振頻率會(huì)降低。之前，頻率范圍內(nèi)較高頻率的巖石在產(chǎn)生裂紋后，其共振頻率降低并逐漸接近驅(qū)動(dòng)頻率，巖石的共振能繼續(xù)下去。
權(quán)利要求
1.一種自激共振鉆井裝置，其特征在于這種自激共振鉆井裝置由上部鉆桿(1)、鉆鋌 (2)、減震器(3)、自激共振器(5)、鉆頭(7)順次連接構(gòu)成，鉆鋌(2)通過(guò)其螺紋與上部鉆桿 (1)連接，減震器(3 )通過(guò)螺紋與鉆鋌(2 )連接，上短接(4 )通過(guò)螺紋與減震器(3 )連接，自激共振器(5)通過(guò)螺紋與上短接(4)連接，自激共振器(5)另一端連接下短接(6)，鉆頭(7) 通過(guò)螺紋與下短接(6)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自激共振鉆井裝置，其特征在于所述的自激共振器包括上螺紋柱(8)、第一換能器(9)、控制器(10)、第二換能器(11)、變幅桿(12)、自由質(zhì)量(14)、 下螺紋柱(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自激共振鉆井裝置，其特征在于所述的上螺紋柱(8)、下螺紋柱(15)均有外螺紋，上螺紋柱(8)有一個(gè)喇叭狀的內(nèi)腔，喇叭口向上；第一換能器(9)、 控制器(10)、第二換能器(11)、自由質(zhì)量(14)、下螺紋柱(15)均有一個(gè)筒形內(nèi)腔；變幅桿 (13)也有內(nèi)腔，變幅桿內(nèi)腔(14)呈喇叭狀，喇叭口向下；上螺紋柱(8)、第一換能器(9)、控制器(10)、第二換能器(11)、變幅桿(12)、自由質(zhì)量(14)、下螺紋柱(15)連接后，它們的內(nèi)腔相通，形成油路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自激共振鉆井裝置，其特征在于所述的第一換能器(9)、第二換能器(11)均為通用壓電陶瓷片或磁致伸縮材料，用于產(chǎn)生鉆頭的超聲縱向振動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自激共振鉆井裝置，其特征在于所述的變幅桿(12)為指數(shù)形或懸鏈形變幅桿。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自激共振鉆井裝置，其特征在于所述的自由質(zhì)量(14)為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的具有一定質(zhì)量的鋼套。
7.—種權(quán)利要求1或2所述的自激共振鉆井裝置的鉆井方法，其特征在于這種自激共振鉆井裝置鉆井的方法如下，1)檢查自激共振器(5)工作是否正常，并將上述各部件依次連接，下入井底；2)循環(huán)鉆井液，并旋轉(zhuǎn)鉆柱，通過(guò)調(diào)整鉤載并給鉆頭(7)施加鉆壓；3)在初始鉆井參數(shù)下，鉆頭破碎地層巖石產(chǎn)生縱向沖擊和振動(dòng)，通過(guò)短接傳遞到自激共振器(5);4)控制器(10)對(duì)地層巖石材料的幅頻特征進(jìn)行掃描，確定巖石材料的共振頻率；5)為加載鉆頭估算適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)頻率范圍，需要確定鉆頭的振幅范圍；6)在當(dāng)前地層巖石材料共振頻率范圍中，選擇一個(gè)低于最大值的點(diǎn)作為最佳共振頻率；7)根據(jù)這個(gè)最佳共振頻率驅(qū)動(dòng)鉆頭振動(dòng)；8)進(jìn)一步調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速等機(jī)械參數(shù)，改變鉆頭產(chǎn)生的縱向沖擊和振動(dòng)情況，使自激共振器(5)放大沖擊和振動(dòng)的頻率達(dá)到或接近地層巖石共振的共振頻率，實(shí)現(xiàn)共振破巖；9)當(dāng)?shù)貙訋r性改變時(shí)，其共振頻率發(fā)生改變，上一層調(diào)節(jié)的共振頻率在當(dāng)前地層無(wú)法發(fā)生共振現(xiàn)象，需要重新調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速等機(jī)械參數(shù)，使自激共振器放大沖擊和振動(dòng)的頻率達(dá)到或接近地層巖石共振的共振頻率，再一次實(shí)現(xiàn)共振破巖。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是自激共振鉆井裝置及其鉆井方法，其中的自激共振鉆井裝置從上到下包括上部鉆桿、鉆鋌、減震器、上短接、自激共振器、下短接、鉆頭，鉆鋌通過(guò)其螺紋與上部鉆桿連接，減震器通過(guò)螺紋與鉆鋌連接，上短接通過(guò)螺紋與減震器連接，自激共振器通過(guò)螺紋與上短接連接，自激共振器另一端連接下短接，鉆頭通過(guò)螺紋與下短接連接。本發(fā)明充分利用鉆柱縱向振動(dòng)，變害為利，有效減少鉆柱失效，提高鉆柱使用壽命；另外，本發(fā)明將鉆頭與鉆鋌產(chǎn)生的縱向沖擊、振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)動(dòng)能，達(dá)到巖石裂縫共振條件，提高鉆井速度。
文檔編號(hào)E21B7/24GK102287137SQ20111027235
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者李思琪, 李瑋, 畢雪亮, 閆鐵 申請(qǐng)人:東北石油大學(xué)