本發(fā)明涉及石油、天然氣等資源的開發(fā)技術領域，尤其涉及一種水力脈沖鉆井裝置以及該裝置的設計方法。

背景技術：

目前，鉆井技術主要應用于石油、天然氣、地熱、地下水以及井鹽等資源的開采。隨著油氣勘探開發(fā)的深入，鉆井難度越來越大，特別是深井、超深井存在著機械鉆速低、鉆井周期長以及鉆井費用高等問題。

脈沖射流鉆井提速技術可將連續(xù)的鉆井液調節(jié)成具有一定頻率的間歇流動。這種脈沖效應可以有效減少鉆井液對井底巖屑的“壓持效應”，減少了鉆頭對巖屑的重復破碎，進而能有效的提高鉆井的機械鉆速。國內脈沖射流輔助鉆井技術在施工現(xiàn)場取得了一定的效果。脈沖射流輔助鉆井技術主要是通過脈沖噴嘴的作用來產(chǎn)生脈沖效應，安裝在鉆頭底部的胎體上。由于鉆頭尺寸限制，脈沖射流在振幅和脈沖頻率的調節(jié)方面受到的限制較多。

現(xiàn)有技術中的水力脈沖空化射流鉆井技術，主要是通過在鉆頭的上部安裝水力脈沖空化射流發(fā)生器，其能較好的減少“壓持效應”，提高機械鉆速。該工具可以通過葉輪不斷旋轉的方式來改變鉆井液的過流面積，進而產(chǎn)生脈沖效應。由于葉輪旋轉對鉆井液過流面積的改變較小，因而產(chǎn)生的脈沖效應相對有限。同時，葉輪和諧振腔結構如何設計能達到兩種脈沖相耦合，從而在諧振腔內產(chǎn)生流體共振，形成駐波，進一步擴大脈沖射流的能量，并沒有提出理論依據(jù)。這些都導致脈沖射流輔助鉆井技術未能最大限度的發(fā)揮作用，存在著一定的局限性。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述全部或部分技術問題，根據(jù)本發(fā)明的第一個方面提供了一種水力脈沖鉆井裝置，包括本體、依次設置于本體內部的旋轉組件、諧振腔以及壓環(huán)。壓環(huán)將旋轉組件和諧振腔固定于本體內。旋轉組件作為脈沖發(fā)生源可以周期性地改變鉆井液的過流面積而產(chǎn)生第一脈沖。諧振腔用于產(chǎn)生能與第一脈沖相耦合的 第二脈沖。由此，當?shù)诙}沖與第一脈沖相耦合時，在諧振腔內將產(chǎn)生流體共振，形成駐波，以擴大脈沖射流的能量，進而可以為水力脈沖鉆井裝置提速。

進一步地，旋轉組件包括：導流體、圓盤固定座、圓盤旋轉體以及轉軸。圓盤旋轉體通過轉軸固定于圓盤固定座內；導流體設置于圓盤旋轉體的上游，且導流體的出口對準圓盤旋轉體。由此，鉆井液可以在導流體的引導下沖擊旋轉體，使旋轉體旋轉并周期性地改變鉆井液的過流面積而產(chǎn)生第一脈沖。

進一步地，圓盤旋轉體為兩個直徑相同的圓盤相互垂直而組成。圓盤旋轉體的結構與流體機械中的四葉片型擺動馬達相似，因此，可以利用擺動馬達的速度特征表達式來近似計算圓盤旋轉體的旋轉頻率，進而計算第一脈沖的頻率。

進一步地，在導流體的內部設有斜坡流道，斜坡流道從導流體的入口截面朝出口截面向下傾斜。優(yōu)選地，斜坡流道與導流體的軸線的夾角為10°至45°。導流體的出口截面為半圓形且與圓盤半圓對準。優(yōu)選地，出口截面的面積與圓盤半圓的面積相等。由此，鉆井液經(jīng)過斜坡流道的引導具有更大的沖擊力，鉆井液從半圓形的導流體的出口沖到圓盤半圓上，沖擊面積與圓盤半圓的面積相等，能更好地推動圓盤旋轉體旋轉。

進一步地，圓盤固定座為兩側各設置有轉軸安裝孔的圓管體。由此，圓盤旋轉體通過轉軸穿過圓盤固定座上的安裝孔固定于圓盤固定座內。圓盤旋轉體可以在圓盤固定座內繞轉軸旋轉。

進一步地，諧振腔為風琴管自激振蕩噴嘴結構。由于風琴管諧振腔的尺寸以及加工難度都比較低，因此可以更好地滿足井下施工環(huán)境的要求。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種上述脈沖鉆井裝置的設計方法。

采用四葉片型擺動馬達的速度特征表達式近似計算圓盤旋轉體的旋轉頻率，得到圓盤旋轉體所產(chǎn)生的脈沖頻率；然后根據(jù)所述脈沖頻率及所述諧振腔的固有頻率，獲得所述諧振腔的長度。更具體地：

首先，采用四葉片型擺動馬達的速度特征表達式近似計算圓盤旋轉體的旋轉頻率，得到圓盤旋轉體所產(chǎn)生的脈沖頻率：

其中，f—脈沖頻率，Hz；Q—流量，L/min，D_y—圓盤直徑，m；d_z—圓盤軸寬度，m；Z—葉片數(shù)；b—圓盤軸向當量寬度等于m；η_V—容積效率， 多葉片通常小于90％。

然后，根據(jù)風琴管諧振腔的固有頻率表達式：

其中，f—固有頻率，Hz；K_N—模數(shù)系數(shù)；c—聲音在流體中的傳播速度，m/s；L—風琴管諧振腔的長度,m；

建立等式(1)＝(2)，求得風琴管諧振腔的長度L。

進一步地，模數(shù)系數(shù)K_N的表達式為：

其中，N—為大于0的自然數(shù)；(Ds/D)²—諧振腔入口收縮端面參數(shù)；(D/d)²—諧振腔出口收縮端面參數(shù)；e—可以由實驗確定的參數(shù)。

進一步地，參數(shù)d為諧振腔下部直徑、Ds為諧振腔入口直徑以及D為諧振腔本體直徑；且均為受井眼直徑和鉆井液過流面積所限制的設計參數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)通過流體鉆井液沖擊圓盤旋轉體旋轉，產(chǎn)生脈沖效應。通過諧振腔將脈沖效應進一步放大，即，經(jīng)過圓盤旋轉體產(chǎn)生的脈沖的頻率與諧振腔的固有頻率相匹配時，在諧振腔內產(chǎn)生流體共振，形成駐波，進一步擴大脈沖射流的能量，提高鉆速。(2)給出了圓盤旋轉體和諧振腔兩種脈沖效應耦合的理論設計方法，可以對諧振腔的具體設計參數(shù)進行計算。(3)本發(fā)明的水力脈沖鉆井裝置結構簡單，性能可靠，應用性較強。

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)明實施例的水力脈沖鉆井裝置的整體結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的導流體的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的圓盤固定座的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的圓盤旋轉體的結構示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例的諧振腔的結構示意圖。

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

下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，水力脈沖鉆井裝置的本體1為其它部件的承載結構。在本體1的上端布置公接頭，在本體1的下端布置母接頭。在本體1內部從上至下依次布置導流體2、圓盤固定座3、圓盤旋轉體4、轉軸5、諧振腔6和壓環(huán)7等，布置完上述各部件后用壓環(huán)7旋緊，以將上述部件固定于本體1內，并最終安裝擋圈8。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，導流體2、圓盤固定座3、圓盤旋轉體4以及轉軸5共同組成旋轉組件。如圖1所示，圓盤旋轉體4通過轉軸5固定于圓盤固定座3內。導流體2設置于圓盤旋轉體4的上游，且導流體2的出口對準圓盤旋轉體4。具體地，轉軸5垂直于本體1的軸線布置，圓盤旋轉體4可以繞轉軸5在本體1內旋轉。導流體2的出口截面為半圓形且其上邊緣位于本體1的軸線上。在這種情況下，轉軸5與出口截面的上邊緣均垂直相交于本體1的軸線，并呈平行布置，由此，可以保證出口截面與圓盤半圓對準。優(yōu)選地，出口截面的面積等于圓盤半圓的面積。鉆井液經(jīng)過導流體2導流后直接沖擊在圓盤旋轉體4的下半部半圓上，使其旋轉。旋轉組件可以作為脈沖發(fā)生源，周期性地改變鉆井液的過流面積而產(chǎn)生第一脈沖。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，如圖2所示，導流體2的內部設有斜坡流道21，斜坡流道21從導流體2的入口截面朝出口截面向下傾斜。斜坡流道21與導流體2的軸線的夾角a的范圍為10°至45°。優(yōu)選地，導流體2的入口截面的直徑長度L2為出口截面的直徑長度L1的兩倍，夾角a為20°。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，如圖3和圖4所示，圓盤固定座3為兩側各設置有轉軸安裝孔32的圓管體31。圓盤旋轉體4為兩個直徑相同的圓盤42、43相互垂直而組成。在圓盤42和43的相交軸線上設有轉軸貫穿通道41。在這種情況下，轉軸5可以穿過圓盤旋轉體4的貫穿通道41將其固定在圓盤固定座3的圓管體31內部。轉軸5的兩端分別安裝在圓盤固定座3的轉軸安裝孔32中。在這里需要說明的是，圓盤旋轉體4的結構由兩個相互垂直的圓盤42、43組成，一方面可以防止一個圓盤與工具位置水平時達到穩(wěn)定狀態(tài)，不能連續(xù)旋轉的問 題。另一方面，兩個相互垂直的圓盤結構與流體機械中的四葉片型擺動馬達相似，因此，可以利用擺動馬達的速度特征表達式來近似計算圓盤旋轉體4的旋轉頻率，進而計算鉆井液流經(jīng)圓盤旋轉體4后產(chǎn)生的第一脈沖的頻率。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，如圖5所示，諧振腔為風琴管自激振蕩噴嘴結構。風琴管諧振腔是用一個長度為L、直徑為D的諧振腔，其可作為振蕩放大器。諧振腔入口與直徑為Ds的來流管相連，(Ds/D)²構成諧振腔的入口收縮斷面。諧振腔的下部與直徑為d的出口斷面相連，(D/d)²構成諧振腔的出口收縮斷面。出口收縮斷面是壓力反饋機構。

根據(jù)瞬態(tài)流理論，如果上游流體壓力波動頻率和風琴管諧振腔的固有頻率相匹配，反饋的壓力振蕩就能得到放大，從而在諧振腔內產(chǎn)生流體共振，形成駐波，進一步擴大脈沖射流的能量。在本發(fā)明的技術方案中，旋轉的圓盤是脈沖產(chǎn)生源。根據(jù)水聲學原理，共振駐波頻率應與圓盤產(chǎn)生的脈沖頻率相近。因此，風琴管諧振腔的參數(shù)設計，需要根據(jù)四葉片型擺動馬達的速度特征表達式近似計算出圓盤所產(chǎn)生的第一脈沖頻率。將計算得到的第一脈沖頻率與諧振腔的固有頻率計算表達式相結合(建立等式)，再結合井下工具尺寸限制設計出合適的諧振腔尺寸。

下面對本發(fā)明的水力脈沖鉆井裝置的設計方法進行舉例說明。

該設計方法中，采用四葉片型擺動馬達的速度特征表達式近似計算圓盤旋轉體的旋轉頻率，得到圓盤旋轉體所產(chǎn)生的脈沖頻率；然后根據(jù)所述脈沖頻率及所述諧振腔的固有頻率，獲得所述諧振腔的長度。

首先，采用四葉片型擺動馬達的速度特征表達式近似計算圓盤旋轉體的旋轉頻率，得到圓盤旋轉體所產(chǎn)生的脈沖頻率：

其中，f—脈沖頻率，Hz；Q—流量，L/min，D_y—圓盤直徑，m；d_z—圓盤軸寬度，m；Z—葉片數(shù)；b—圓盤軸向當量寬度等于m；η_V—容積效率，多葉片通常小于90％。

假設鉆井液排量Q為1620L/min，圓盤直徑D_y為0.06m，圓盤軸寬度d為0.015m，η_V選取75％，Z為4，把以上數(shù)據(jù)代入式(1)中，得：f＝164Hz。

為了可以產(chǎn)生共振駐波，則圓盤旋轉體所產(chǎn)生的脈沖頻率與風琴管諧振腔的 固有頻率應相近。由于風琴管諧振腔的固有頻率表達式：

其中，f—固有頻率，Hz；K_N—模數(shù)系數(shù)；c—聲音在流體中的傳播速度，v/m；L—風琴管諧振腔的長度；

建立等式(1)＝(2)，由于圓盤旋轉體產(chǎn)生的脈沖頻率已經(jīng)求出大約等于164Hz，實際設計時再根據(jù)具體需要考慮鉆具外徑及最小過流面積等限制因素，取Ds＝0.08m，D＝0.06m，d＝0.04m，c＝1400m/s，取N＝1，則最終可以求得諧振腔的長度L＝2.13m。

本發(fā)明的水力脈沖鉆井裝置的使用過程如下：

(1)把水力脈沖鉆井裝置連接于鉆頭上部，鉆鋌下部，進行正常鉆進。

(2)當鉆井液流入水力脈沖鉆井裝置后，首先流經(jīng)導流體，鉆井液經(jīng)過導流體導流后直接沖擊在圓盤旋轉體上。

(3)當鉆井液沖擊圓盤旋轉體時圓盤會發(fā)生連續(xù)的旋轉，當圓盤旋轉時本體內鉆井液過流面積會發(fā)生不斷的改變，進而使鉆井液產(chǎn)生有規(guī)律的脈沖效應。

(4)當具有脈沖效應的鉆井液流入諧振腔，諧振腔會進一步擴大鉆井液的脈沖效應。

(5)鉆井液從水力脈沖鉆井裝置流出后，直接經(jīng)鉆頭噴嘴作用于井底，具有脈沖效應的鉆井液可改善井底流場及井底巖石應力場，減少“壓持效應”，達到提高機械鉆速的目的。

綜上所述，本發(fā)明的水力脈沖鉆井裝置為在本體內從上至下依次布置導流體、圓盤固定座、圓盤旋轉體、轉軸、諧振腔以及壓環(huán)。鉆井液經(jīng)導流體的引導流經(jīng)圓盤旋轉體，圓盤旋轉體旋轉時使鉆井液的過流面積發(fā)生改變可產(chǎn)生第一脈沖。鉆井液后又流經(jīng)諧振腔時可產(chǎn)生第二次脈沖，兩次脈沖耦合后經(jīng)鉆頭噴嘴射出直接作用于井底。本發(fā)明的水力脈沖鉆井裝置可改善井底流場及井底巖石應力場，減少“壓持效應”，提高機械鉆速。

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，只要不存在結構沖突，各個實施例中所提到的各項技術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，而是包括落入權利要求的范圍內的所有技術方案。