本發(fā)明涉及油氣田勘探與開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲波鉆井裝置及方法。

背景技術(shù)：

鉆井是指通過鉆井工具和技術(shù)建立地面與地下油藏的通道。目前主要應(yīng)用于石油、天然氣、地熱、地下水、井鹽等資源的開采。隨著油氣勘探開發(fā)的深入，鉆井深度越來越深難度越來越大，特別是深井、超深井存在著機械鉆速低、鉆井周期長、鉆井費用高等問題，對鉆井技術(shù)本身提出了更高的要求。

傳統(tǒng)鉆井方式的能量傳輸、轉(zhuǎn)換、分配和利用效率等問題一直未能解決，能量綜合利用效率很低。世界各國的石油專家不斷地探索研究新的鉆井方法，研究和試驗表明，通過水力旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)來提高鉆井速度是一種行之有效的方法。目前，國內(nèi)外對旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)技術(shù)進行過研究，主要不足為：旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)屬于機械沖擊，單次沖擊功、力較大，射流元件工作時間長易沖蝕等問題，造成工具使用壽命不長，限制了其開展和應(yīng)用。

因此，需要一種新的鉆井裝置及方法，以滿足資源開采需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于提供一種超聲波鉆井裝置及方法，將超聲波振動技術(shù)應(yīng)用于鉆井技術(shù)領(lǐng)域。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種超聲波鉆井裝置，能安裝在鉆鋌和鉆頭之間的鉆柱的一側(cè)半圓上，包括本體以及設(shè)置在本體上的壓電驅(qū)動器；還包括設(shè)置于壓電驅(qū)動器的下端，用于傳播并擴大壓電驅(qū)動器產(chǎn)生的機械振動的幅度的調(diào)幅器，以及設(shè)置于調(diào)幅器的下端并與本體固定連接的沖擊部，用于將機械振動所產(chǎn)生的沖擊作用傳遞給本體和鉆頭。

在這種情況下，通過壓電驅(qū)動器將高頻，例如大于10000Hz的電能轉(zhuǎn)換為相同頻率的機械振動，隨后機械振動通過調(diào)整器放大后傳遞到?jīng)_擊部，沖擊部將機 械振動所產(chǎn)生的沖擊作用傳遞給鉆頭進行鉆井。

進一步地，在沖擊部的內(nèi)部設(shè)有自由腔，在調(diào)幅器的下端連接有自由塊，自由塊位于自由腔內(nèi)。由此，自由塊可以在自由腔內(nèi)振動，將調(diào)幅器傳播并放大的機械振動傳遞至沖擊部。

進一步地，壓電驅(qū)動器通過能限制其發(fā)生徑向變形的固定壁固定在鉆柱的一側(cè)半圓上。由此，壓電驅(qū)動器在通電后僅產(chǎn)生軸向的機械振動。

進一步地，在壓電驅(qū)動器上設(shè)有接入高頻電流的電源接口。由此，可用于為壓電驅(qū)動器提供高頻電流。

進一步地，調(diào)幅器的母線形狀為階梯、指數(shù)、圓錐、高斯、傅里葉、余弦或上述任意組合。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種應(yīng)用上述超聲波鉆井裝置的超聲波鉆井方法。主要包括如下步驟：首先，通過電源接口為壓電驅(qū)動器提供高頻電流。隨后，通過壓電驅(qū)動器把高頻電流轉(zhuǎn)化為機械振動。然后，調(diào)幅器將機械振動傳播擴大，并作用于自由塊上。最后，自由塊在沖擊部的自由腔內(nèi)振動，并將沖擊動作傳遞給鉆頭進行鉆井。

進一步地，壓電驅(qū)動器轉(zhuǎn)化的機械振動的頻率與自由塊的固有頻率相等。由此，自由塊將在自由腔內(nèi)產(chǎn)生共振效應(yīng)。當自由塊向下振動接觸到?jīng)_擊部時，即完成一次沖擊動作。

進一步地，高頻電流的供應(yīng)方式為：通過電纜或智能鉆桿從地面直接供給；或使用井下直流電池通過超聲波發(fā)生器轉(zhuǎn)化為與壓電驅(qū)動器相匹配的高頻電流；或利用鉆井液流動的能量，通過井下發(fā)電機發(fā)電，再通過超聲波發(fā)生器轉(zhuǎn)化為與壓電驅(qū)動器相匹配的高頻電流。

進一步地，高頻電流的頻率大于等于10000Hz。由此，壓電驅(qū)動器將相同頻率的電能轉(zhuǎn)化為機械振動，機械振動以振動波的方式向下傳播，經(jīng)調(diào)幅器傳至自由塊，自由塊在沖擊部內(nèi)的自由腔中發(fā)生共振效應(yīng)，每秒可對沖擊部產(chǎn)生10000次以上的沖擊作用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過提供一種超聲波鉆井裝置及方法，利用壓電驅(qū)動器將高頻電流轉(zhuǎn)換為相同頻率的機械振動。機械振動通過調(diào)幅器放大后傳遞到自由塊上端，使自由塊在沖擊盤內(nèi)產(chǎn)生共振效應(yīng)，進而產(chǎn)生向下的高頻沖擊動作，達到提高機械鉆速的效果。本發(fā)明的超聲波鉆井裝置的沖擊頻率較高，可達每秒 10000次以上，提高了機械鉆速，節(jié)約了鉆井成本。且裝置的單次沖擊強度小于機械沖擊方式，具有更長的使用壽命。超聲波鉆井裝置的結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，應(yīng)用性較強。

附圖說明

在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明進行更詳細的描述。其中：

圖1為本發(fā)明實施例的超聲波鉆井裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的超聲波鉆井方法的流程圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標記。附圖并未按照實際的比例。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，一種超聲波鉆井裝置10，安裝在鉆鋌和鉆頭之間的鉆柱的一側(cè)半圓上。在超聲波鉆井裝置10的下方連接有鉆頭，在超聲波鉆井裝置10的上方連接有鉆鋌或動力鉆具。超聲波鉆井裝置10包括本體1以及設(shè)置在本體1上的壓電驅(qū)動器3，在壓電驅(qū)動器3的下方設(shè)有調(diào)幅器4，在調(diào)幅器4的下方設(shè)有沖擊部6。沖擊部6與本體1固定連接。即，本體1為其它部件的承載結(jié)構(gòu)，在本體內(nèi)從上至下依次布置有壓電驅(qū)動器3、調(diào)幅器4和沖擊部6。在本體1上端布置有用于連接鉆鋌或動力鉆具的公接頭，在本體1的下端布置有用于連接鉆頭的母接頭。在這種情況下，壓電驅(qū)動器3能將電能轉(zhuǎn)化為機械振動，機械振動通過調(diào)幅器4擴大并傳播至沖擊部6，沖擊部6將機械振動所產(chǎn)生的沖擊作用傳遞給本體1和鉆頭進行鉆井。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，如圖1所示，在沖擊部6的內(nèi)部設(shè)有自由腔(未視出)，在調(diào)幅器4的下端連接有自由塊5，自由塊5裝入自由腔內(nèi)。自由塊5與自由腔的形狀為圓形或多面體形等多種形狀，只要兩者相適應(yīng)即可。優(yōu)選地，自由塊5為圓柱體狀。自由塊5可以在自由腔內(nèi)振動，將調(diào)幅器4傳播并放大的機械振動傳遞至沖擊部6。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，壓電驅(qū)動器3是指利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，即，將機械能轉(zhuǎn)化為電能或者將電能轉(zhuǎn)換為機械能的效應(yīng)，制成的換能器。壓電驅(qū)動器3可以把高頻電流轉(zhuǎn)化為相同頻率的機械振動。優(yōu)選地，壓電驅(qū)動器3設(shè)計為圓柱體狀，在壓電驅(qū)動器3上設(shè)有固定壁，固定壁將其固定在本體1上。 在這種情況下，固定壁可以限制壓電驅(qū)動器3發(fā)生徑向變形，使壓電驅(qū)動器3只能發(fā)生軸向機械振動，振動波可以向下傳播。優(yōu)選地，壓電驅(qū)動器3布置在鉆柱一側(cè)半圓上，這樣另一半圓可以為鉆井液提供流動通道。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，如圖1所示，壓電驅(qū)動器3上設(shè)有電能接頭2用于連接高頻電流供應(yīng)裝置。高頻電流的供應(yīng)方式可以包括以下幾種：(1)通過電纜或智能鉆桿從地面直接供給。(2)使用井下直流電池通過超聲電源轉(zhuǎn)化為與壓電驅(qū)動器相匹配的高頻電流。(3)利用鉆井液流動的能量，通過井下發(fā)電機發(fā)電，再通過超聲電源轉(zhuǎn)化為與壓電驅(qū)動器相匹配的高頻電流。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，調(diào)幅器4置于壓電驅(qū)動器3的下端，自由塊5的上端。調(diào)幅器4的主要作用是：傳播壓電驅(qū)動器3產(chǎn)生的機械振動并將其擴大，然后作用于自由塊5上。調(diào)幅器4布置在鉆柱一側(cè)半圓上，另一側(cè)半圓可以為鉆井液提供流動通道。調(diào)幅器4按母線形狀又可分為階梯、指數(shù)、圓錐、高斯、傅里葉、余弦等類型，也可以將這些單一形狀的調(diào)幅器組合起來進行設(shè)計，設(shè)計成復(fù)合型調(diào)幅器。

下面將對應(yīng)用了上述超聲波鉆井裝置的使用方法與工作過程進行相關(guān)說明。如圖2所示，包括以下步驟：S1將鉆井裝置連接于鉆頭上部，鉆鋌的下部，通過電源接口為壓電驅(qū)動器提供高頻電流。S2壓電驅(qū)動器把高頻電流轉(zhuǎn)化為相同頻率的機械振動。S3調(diào)幅器將機械振動傳播擴大，并作用于自由塊上。S4自由塊在沖擊部的自由腔內(nèi)振動，并將沖擊動作傳遞給鉆頭進行鉆井。

當壓電驅(qū)動器3輸出的機械振動頻率與自由塊5的固有頻率相匹配時，自由塊5產(chǎn)生共振效應(yīng)。當自由塊5向下振動接觸到?jīng)_擊部6時，即完成一次沖擊動作。在輸入到壓電驅(qū)動器3的高頻電流的頻率大于10000Hz時，自由塊5每秒可產(chǎn)生10000次以上的沖擊作用。沖擊部6與本體5固定連接，當沖擊作用作用于沖擊部6時，沖擊部6將沖擊作用最終傳遞給本體1及鉆頭，進而進行鉆井。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個實施例中所提到的各項技術(shù)特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。