專利名稱：高頻脈沖射流共振鉆井裝置及其鉆井方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及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，是利用共振現(xiàn)象快速破碎深部地層巖石并提高機(jī)械鉆速的鉆井技術(shù)，具體地說是高頻脈沖射流共振鉆井裝置及其鉆井方法。
背景技術(shù)：
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國家對油氣資源的需求逐年增多。油氣勘探力度不斷增加，開采難度日益增大。井深從淺層向深層、超深層轉(zhuǎn)變。深部地層高效鉆井破巖技術(shù)的難點(diǎn)主要包括一是復(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越低；二是現(xiàn)有鉆頭機(jī)械破巖加射流輔助的破巖技術(shù)在深部地層中存在技術(shù)瓶頸。
現(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，尤其是在中硬、硬等難鉆地層，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。
針對傳統(tǒng)破巖工藝機(jī)械鉆速越來越慢，費(fèi)用越來越高的問題，亟需發(fā)展新一代高效鉆井破巖技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供高頻脈沖射流共振鉆井裝置，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，成本高的問題；本發(fā)明的另一個目的是提供這種高頻脈沖射流共振鉆井裝置的鉆井方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是這種高頻脈沖射流共振鉆井裝置包括有外鋼套，外鋼套一端與上轉(zhuǎn)換接頭連接，另一端與下轉(zhuǎn)換接頭連接，上轉(zhuǎn)換接頭通過螺紋與鉆鋌相連接，下轉(zhuǎn)換接頭通過螺紋與鉆頭連接；外鋼套內(nèi)從上到下依次安裝小型水輪發(fā)電機(jī)、密度測井儀、聲波測井儀、控制器、超聲換能器；小型水輪發(fā)電機(jī)由葉片和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，葉片安裝在發(fā)電機(jī)上方，超聲換能器包括固定端、換能器、變幅桿，外鋼套與變幅桿相對應(yīng)的部位有一個縮徑段；密度測井儀、聲波測井儀、控制器通過墊塊彼此之間分隔開，密度測井儀、聲波測井儀、控制器連接后，它們的內(nèi)腔相通，形成鉆井液通道。
上述方案中的小型水輪發(fā)電機(jī)為通用液動發(fā)電機(jī)，用于為測井、信號接收器、超聲換能器提供電能。
上述方案中密度測井儀為中子密度測井儀器，用于測定當(dāng)前地層巖石密度。
上述方案中聲波測井儀為普通單發(fā)雙收聲波測井儀器，用于測定當(dāng)前地層巖石聲波時差。
上述方案中的變幅桿為指數(shù)形或懸鏈形變幅桿，材料可以為鋼制或銅質(zhì)，把壓電換能器產(chǎn)生的機(jī)械振動振幅或速度放大，或?qū)⒛芰考性谳^小的面積上，起到聚能作用。
上述高頻脈沖射流共振鉆井裝置的鉆井方法為1)在室內(nèi)通過高壓大排量泵組檢查高頻脈沖射流共振鉆井裝置工作是否正常，并下入井底；2)循環(huán)鉆井液，并旋轉(zhuǎn)鉆柱，通過調(diào)整鉤載并給鉆頭施加鉆壓，循環(huán)鉆井液后小型水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，設(shè)備開始工作；3)控制器給密度測井儀和聲波測井儀分配工作電流，密度測井儀測試當(dāng)前鉆井地層的巖石密度，聲波測井儀測試當(dāng)前地層聲波時差數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最終反饋到控制器；4)控制器分析密度測井儀和聲波測井儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對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)控制器在當(dāng)前地層巖石材料共振頻率范圍中，選擇一個低于最大值的點(diǎn)作為最佳共振頻率；6)控制器為換能器分配高頻激勵電信號，換能器和和變幅桿將高頻激勵電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并傳遞給鉆井液；7)鉆井液通過鉆頭形成高頻脈沖射流沖擊井底，使井底巖石達(dá)到共振狀態(tài)，8)當(dāng)?shù)貙訋r性改變時，其共振頻率發(fā)生改變，密度測井儀和聲波測井儀測試數(shù)據(jù)也會發(fā)生改變，控制器根據(jù)密度測井儀和聲波測井儀提供的數(shù)據(jù)重新給換能器分配高頻激勵電信號，再次使高頻脈沖射流頻率達(dá)到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)本發(fā)明充分利用巖石材料共振條件下強(qiáng)度大幅度降低和共振促進(jìn)內(nèi)部裂縫擴(kuò)展的性質(zhì)。深部地層巖石埋藏深、圍壓大、巖石壓實(shí)程度高，深部地層巖石機(jī)械鉆速較慢，使用巖石共振屬性可以大幅提高機(jī)械鉆速，提高幅度達(dá)1到2倍，有效降低鉆井成本。
2)本發(fā)明利用鉆井液和小型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電能，可以安全穩(wěn)定地為測井儀和超聲換能器提高動力來源，有效解決鉆井過程中無法傳遞電能的問題。利用鉆井液傳遞超聲振動使巖石產(chǎn)生共振，降低超聲換能器的輸出功率，提高鉆頭破巖效率。
四

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1中A-A結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖3為圖1中B-B結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖4為本發(fā)明安裝位置示意圖。
1上轉(zhuǎn)換接頭；2葉片；3發(fā)電機(jī)；4固定柱；5密度測井儀；6上墊塊；7聲波測井儀； 8下墊塊；9控制器；10鉆井液通道；11換能器固定端；12換能器固定柱；13換能器；14鉆井液收縮通道；15變幅桿；16外鋼套；17下轉(zhuǎn)換接頭；18上部鉆柱；19鉆鋌；20高頻脈沖射流共振鉆井裝置；21鉆頭。
五具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明結(jié)合圖1、圖2、圖3所示，這種高頻脈沖射流共振鉆井裝置包括有外鋼套16，外鋼套16 一端與上轉(zhuǎn)換接頭1連接，另一端與下轉(zhuǎn)換接頭17連接，上轉(zhuǎn)換接頭1通過螺紋與鉆鋌19 相連接，下轉(zhuǎn)換接頭17通過螺紋與鉆頭21連接；外鋼套16內(nèi)從上到下依次安裝小型水輪發(fā)電機(jī)、密度測井儀5、聲波測井儀7、控制器9、超聲換能器；小型水輪發(fā)電機(jī)由葉片2和發(fā)電機(jī)3構(gòu)成，葉片2安裝在發(fā)電機(jī)3上方，超聲換能器包括換能器固定端11、換能器13、變幅桿15，外鋼套16與變幅桿15相對應(yīng)的部位有一個縮徑段，該縮徑段為鉆井液收縮通道 14 ；密度測井儀5、聲波測井儀7、控制器9通過墊塊彼此之間分隔開，密度測井儀5、聲波測井儀7、控制器9之間的中心相互對應(yīng)并形成鉆井液通道10。
發(fā)電機(jī)3通過固定柱4固定在外鋼套16上，密度測井儀5、聲波測井儀7、控制器 9通過螺釘固定在外鋼套16上；密度測井儀5、聲波測井儀7通過上墊塊6分離，聲波測井儀7、控制器9通過下墊塊8分離；換能器固定端11通過換能器固定柱12固定在外鋼套16 上，換能器固定端11將換能器13和變幅桿15固定在一起。
本發(fā)明中控制器9為超聲換能器提供需要的激勵信號，用于密度、聲波信號分析和超聲換能器幅頻信號輸入部件。
本發(fā)明中超聲換能器為振動激發(fā)裝置，用于產(chǎn)生高頻小振幅振動，并將其超聲振動傳遞給鉆井液，使鉆井液具有高頻脈沖射流的特點(diǎn)。
本發(fā)明中超聲換能器包括換能器固定端11、換能器13、變幅桿15等三個部分，通過換能器固定端11與外鋼套16連接。換能器13為大功率壓電陶瓷片或磁致伸縮材料，為縱振換能器，換能器13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。變幅桿15 的主要作用是把壓電換能器產(chǎn)生的機(jī)械振動振幅或速度放大，或?qū)⒛芰考性谳^小的面積上，起到聚能作用。換能器13與變幅桿15的超聲振動傳遞給鉆井液，通過鉆頭高壓噴嘴最終形成高頻微幅脈沖射流，射流沖擊井底巖石傳遞超聲脈沖振動，其振動頻率接近地層巖石固有頻率，產(chǎn)生巖石的共振。
鉆井液沖擊葉片2，通過發(fā)電機(jī)3產(chǎn)生電流，發(fā)電機(jī)3直接為密度測井儀5、聲波測井儀7、控制器9和換能器13供電，供電大小及頻率通過控制器9控制，控制器9用于分析地層共振頻率，并為換能器13提供需要的激勵信號，鉆井液通過鉆井液通道10和鉆井液收縮通道14流入到鉆頭21，鉆井液收縮通道14有一個喇叭狀的內(nèi)腔，喇叭口向上。
密度測井儀5、聲波測井儀7測試當(dāng)前地層巖石的密度、聲波時差數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)反饋到控制器9，控制器9分析數(shù)據(jù)后，確定換能器13激勵電流電壓、頻率等參數(shù)，換能器 13根據(jù)控制器9提供激勵信號，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率振動，通過變幅桿15將振幅放大，換能器 13和變幅桿15產(chǎn)生的振動傳遞給鉆井液收縮通道14中的鉆井液，最終通過鉆頭21形成高頻脈沖射流沖擊井底，使井底巖石達(dá)到共振狀態(tài)，鉆頭21通過旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)一步破碎地層巖石。這種破巖過程中鉆頭21的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和巖石超聲振動運(yùn)動是同步的。這樣就可以在鉆頭前產(chǎn)生一個一直存在的局部動態(tài)裂紋擴(kuò)展區(qū)。在確定的鉆壓和鉆速下，通過高頻脈沖射流產(chǎn)生并維持射流沖擊區(qū)巖石材料的共振。
如圖4所示，這種高頻脈沖射流共振鉆井裝置安裝在鉆鋌19和鉆頭21之間，各部分部件通過螺紋連接。近鉆頭鉆具組合從上到下由、高頻脈沖射流共振鉆井裝置20和鉆頭 21構(gòu)成，鉆鋌19與上部鉆柱18連接。
上述高頻脈沖射流共振鉆井裝置鉆井的方法1)在室內(nèi)通過高壓大排量泵組檢查高頻脈沖射流共振鉆井裝置20工作是否正常，并將上述各部件依次圖4連接，下入井底；2)循環(huán)鉆井液，并旋轉(zhuǎn)鉆柱，通過調(diào)整鉤載并給鉆頭21施加鉆壓，循環(huán)鉆井液后小型水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，設(shè)備開始工作；3)控制器9給密度測井儀5和聲波測井儀7分配工作電流，密度測井儀5測試當(dāng)前鉆井地層的巖石密度，聲波測井儀7測試當(dāng)前地層聲波時差數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最終反饋到控制器9 ；4)控制器9分析密度測井儀5和聲波測井儀7產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對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)控制器9在當(dāng)前地層巖石材料共振頻率范圍中，選擇一個低于最大值的點(diǎn)作為最佳共振頻率；6)控制器9為換能器13分配高頻激勵電信號，換能器13和和變幅桿15將高頻激勵電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并傳遞給鉆井液；7)鉆井液通過鉆頭21形成高頻脈沖射流沖擊井底，使井底巖石達(dá)到共振狀態(tài)，8)當(dāng)?shù)貙訋r性改變時，其共振頻率發(fā)生改變，密度測井儀5和聲波測井儀7測試數(shù)據(jù)也會發(fā)生改變，控制器9根據(jù)密度測井儀5和聲波測井儀7提供的數(shù)據(jù)重新給換能器13分配高頻激勵電信號，再次使高頻脈沖射流頻率達(dá)到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。超過這個極限，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)選擇一個較小的頻率范圍作為驅(qū)動頻率。 當(dāng)巖石共振并產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展后，其共振頻率會降低。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)動頻率，巖石的共振能繼續(xù)下去。
權(quán)利要求
1.一種高頻脈沖射流共振鉆井裝置，其特征在于這種高頻脈沖射流共振鉆井裝置包括有外鋼套(16)，外鋼套(16)—端與上轉(zhuǎn)換接頭(1)連接，另一端與下轉(zhuǎn)換接頭(17)連接， 上轉(zhuǎn)換接頭(1)通過螺紋與鉆鋌(19)相連接，下轉(zhuǎn)換接頭(17)通過螺紋與鉆頭(21)連接； 外鋼套(16)內(nèi)從上到下依次安裝小型水輪發(fā)電機(jī)、密度測井儀(5)、聲波測井儀(7)、控制器(9)、超聲換能器；小型水輪發(fā)電機(jī)由葉片(2)和發(fā)電機(jī)(3)構(gòu)成，葉片(2)安裝在發(fā)電機(jī) (3)上方，超聲換能器包括固定端(11)、換能器(13)、變幅桿(15)，外鋼套與變幅桿(15)相對應(yīng)的部位有一個縮徑段；密度測井儀(5)、聲波測井儀(7)、控制器(9)連接后，它們的內(nèi)腔相通，形成鉆井液通道(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻脈沖射流共振鉆井裝置，其特征在于所述的小型水輪發(fā)電機(jī)為通用液動發(fā)電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻脈沖射流共振鉆井裝置，其特征在于所述的密度測井儀(5)為中子密度測井儀器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻脈沖射流共振鉆井裝置，其特征在于所述的聲波測井儀(7)為普通單發(fā)雙收聲波測井儀器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻脈沖射流共振鉆井裝置，其特征在于所述的變幅桿 (15)為指數(shù)形或懸鏈形變幅桿，材料可以為鋼制或銅質(zhì)。
6.一種權(quán)利要求1所述的高頻脈沖射流共振鉆井裝置的鉆井方法，其特征在于這種高頻脈沖射流共振鉆井裝置的鉆井方法如下，1)在室內(nèi)通過高壓大排量泵組檢查高頻脈沖射流共振鉆井裝置(20)工作是否正常，并下入井底；2)循環(huán)鉆井液，并旋轉(zhuǎn)鉆柱，通過調(diào)整鉤載并給鉆頭(21)施加鉆壓，循環(huán)鉆井液后小型水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，設(shè)備開始工作；3)控制器(9)給密度測井儀(5)和聲波測井儀(7)分配工作電流，密度測井儀(5)測試當(dāng)前鉆井地層的巖石密度，聲波測井儀(7)測試當(dāng)前地層聲波時差數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最終反饋到控制器(9)；4)控制器(9)分析密度測井儀(5)和聲波測井儀(7)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對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)控制器(9)在當(dāng)前地層巖石材料共振頻率范圍中，選擇一個低于最大值的點(diǎn)作為最佳共振頻率；6)控制器(9)為換能器(13)分配高頻激勵電信號，換能器(13)和變幅桿(15)將高頻激勵電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并傳遞給鉆井液；7)鉆井液通過鉆頭(21)形成高頻脈沖射流沖擊井底，使井底巖石達(dá)到共振狀態(tài)，8)當(dāng)?shù)貙訋r性改變時，其共振頻率發(fā)生改變，密度測井儀(5)和聲波測井儀(7)測試數(shù)據(jù)也會發(fā)生改變，控制器(9)根據(jù)密度測井儀(5)和聲波測井儀(7)提供的數(shù)據(jù)重新給換能器(13)分配高頻激勵電信號，再次使高頻脈沖射流頻率達(dá)到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)明涉及的是高頻脈沖射流共振鉆井裝置及其鉆井方法，這種高頻脈沖射流共振鉆井裝置包括有外鋼套，外鋼套一端與上轉(zhuǎn)換接頭連接，另一端與下轉(zhuǎn)換接頭連接，上轉(zhuǎn)換接頭通過螺紋與鉆鋌相連接，下轉(zhuǎn)換接頭通過螺紋與鉆頭連接；外鋼套內(nèi)從上到下依次安裝小型水輪發(fā)電機(jī)、密度測井儀、聲波測井儀、控制器、超聲換能器；小型水輪發(fā)電機(jī)由葉片和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，葉片安裝在發(fā)電機(jī)上方，超聲換能器包括固定端、換能器、變幅桿，外鋼套與變幅桿相對應(yīng)的部位有一個縮徑段；密度測井儀、聲波測井儀、控制器通過墊塊彼此之間分隔開，密度測井儀、聲波測井儀、控制器連接后，它們的內(nèi)腔相通，形成鉆井液通道。本發(fā)明可以大幅提高機(jī)械鉆速，提高幅度達(dá)1到2倍，有效降低鉆井成本。
文檔編號E21B7/24GK102493768SQ20111039471
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者李瑋, 畢雪亮, 閆鐵 申請人:東北石油大學(xué)