鉆井裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種油氣田勘探與開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用高頻沖擊來輔助鉆井的鉆井裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆井工程是通過鉆井工具和鉆井技術(shù)建立地面與地下油藏的通道。目前鉆井工程主要應(yīng)用于石油、天然氣、地?zé)帷⒌叵滤?、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(jī)械鉆速低、鉆井周期長、鉆井費(fèi)用高等問題，對(duì)鉆井技術(shù)本身提出了更高的要求。
[0003]針對(duì)以上問題，提出了旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)。它是在常規(guī)鉆井基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)鉆井新技術(shù)，其通過液動(dòng)射流式?jīng)_擊器來實(shí)現(xiàn)旋沖鉆井。旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的原理是在鉆頭上部增加一個(gè)液動(dòng)沖擊器，在鉆進(jìn)過程中，鉆頭在一定鉆壓下隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還受到來自液動(dòng)沖擊器的沖擊力，在旋轉(zhuǎn)和沖擊聯(lián)合作用下破碎巖石，因此可以大幅度提高鉆井速度。但是由于該旋轉(zhuǎn)沖擊屬于機(jī)械沖擊，單次沖擊功和沖擊力均較大，容易導(dǎo)致射流元件的沖蝕，同時(shí)活動(dòng)部件易損壞，造成工具的使用壽命縮短，因此在一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問題是，提供一種不僅能夠提高鉆速而且能夠延長工具的使用壽命的鉆井裝置。
[0005]針對(duì)該問題的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下結(jié)構(gòu)的鉆井裝置，包括鉆頭和與鉆頭連接的高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)，所述高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)每秒至少產(chǎn)生10000次的高頻低幅沖擊動(dòng)作以輔助鉆頭鉆井。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的鉆井裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)。通過高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的高頻低幅沖擊動(dòng)作輔助鉆頭進(jìn)行鉆井，不僅能達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的，而且由于高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的高頻低幅沖擊對(duì)鉆頭等鉆井工具的影響比較小，因此能夠延長工具的使用壽命。說明的是，本發(fā)明中的高頻低幅沖擊中的“高頻”是相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中比較低的沖擊頻次(例如每秒幾十次或幾百次以下)而且是結(jié)合不同的鉆井環(huán)境和地層的效果而言，能夠達(dá)到本發(fā)明的技術(shù)效果?！暗头敝饕窍鄬?duì)現(xiàn)有技術(shù)中“單次沖擊功和沖擊力均較大”來說，“低幅”沖擊的單次沖擊屬于小幅度的沖擊動(dòng)作，單次沖擊功和沖擊力均較小。因此，本發(fā)明中的高頻低幅沖擊屬于高頻次、小幅度的沖擊，作用在鉆頭上時(shí)既能達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的，單次沖擊力小又能保證工具例如鉆頭有較長的使用時(shí)間。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)包括與鉆頭連接的連接筒，所述連接筒內(nèi)設(shè)有高頻振動(dòng)發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器將高頻振動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生的高頻機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為高頻低幅沖擊后傳遞給鉆頭。由于鉆井的井下環(huán)境比較復(fù)雜，因此采用連接筒能夠?qū)ζ鋬?nèi)的高頻振動(dòng)發(fā)生器以及轉(zhuǎn)換器起到保護(hù)作用。另外，該高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)的零部件相對(duì)比較少，結(jié)構(gòu)比較簡單，不容易出現(xiàn)故障，方便用于井下。
[0008]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述高頻沖擊每秒至少產(chǎn)生20000次的沖擊動(dòng)作。20000次以上的沖擊相當(dāng)于超聲波的振動(dòng)范圍，這樣高頻次的沖擊能夠很好地提高鉆井速度。
[0009]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)為超聲波輔助鉆井機(jī)構(gòu)，其包括與鉆頭連接的連接筒，所述連接筒內(nèi)設(shè)有超聲波驅(qū)動(dòng)電源、高頻振動(dòng)發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過超聲波驅(qū)動(dòng)電源、高頻振動(dòng)發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換后的高頻低幅沖擊傳遞給鉆頭。由于目前對(duì)超聲波的研究比較多，對(duì)于超聲波的設(shè)備和技術(shù)相對(duì)比較熟悉，將超聲波應(yīng)用于鉆井更容易實(shí)現(xiàn)提高鉆速的目的和達(dá)到更方便控制的技術(shù)效果。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)換器包括調(diào)幅器、自由塊和沖擊盤，其中，所述調(diào)幅器為上端有效面積大于下端的有效面積的環(huán)狀體，其上端連接高頻振動(dòng)發(fā)生器，其下端連接沖擊盤，所述沖擊盤的下端和調(diào)幅器形成一個(gè)振蕩區(qū)或共振區(qū)，所述自由塊在振蕩區(qū)或共振區(qū)內(nèi)上下振蕩。調(diào)幅器在傳播高頻振動(dòng)發(fā)生器的機(jī)械振動(dòng)時(shí)，其上大下小的結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ω哳l振動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)大。開始時(shí)自由塊不動(dòng)，調(diào)幅器將擴(kuò)大的機(jī)械振動(dòng)作用于自由塊，然后在調(diào)幅器傳遞的高頻機(jī)械振動(dòng)下自由塊在振蕩區(qū)內(nèi)做上下往復(fù)振動(dòng)，自由塊向下振動(dòng)沖擊到?jīng)_擊盤上，通過沖擊盤將高頻振動(dòng)傳遞給鉆頭。
[0011]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，當(dāng)調(diào)幅器傳遞的機(jī)械振動(dòng)頻率與自由塊的固有頻率相匹配時(shí)，所述自由塊在振蕩區(qū)或共振區(qū)內(nèi)產(chǎn)生共振效應(yīng)；當(dāng)自由塊向下振動(dòng)接觸沖擊盤時(shí)，完成一次沖擊動(dòng)作。由于產(chǎn)生共振效應(yīng)時(shí)，自由塊對(duì)沖擊盤的沖擊力和沖擊作用比較大，而沖擊盤又與鉆頭連接，因此能夠?qū)︺@頭起到更好的沖擊效果，使得鉆頭能更好地克服鉆進(jìn)中的阻力。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，所述調(diào)幅器為中空的環(huán)狀體，所述調(diào)幅器為采用的母線的形狀為內(nèi)階梯、內(nèi)指數(shù)、內(nèi)圓臺(tái)、內(nèi)高斯、內(nèi)傅里葉和內(nèi)余弦中的一種的單一調(diào)幅器或多種單一調(diào)幅器組合成的復(fù)合型調(diào)幅器。不同形狀的母線形成不同的單一調(diào)幅器，不同的調(diào)幅器對(duì)于機(jī)械振動(dòng)的擴(kuò)大效果有差異，從而導(dǎo)致對(duì)鉆頭的沖擊也不相同。實(shí)際中，可以根據(jù)不同的需要來選擇單一調(diào)幅器和復(fù)合型調(diào)幅器。
[0013]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述自由塊為環(huán)狀體，所述沖擊盤設(shè)有向上開口的、與環(huán)狀體的外形相配的環(huán)形腔，所述環(huán)形腔與沖擊盤的底面形成振蕩區(qū)或共振區(qū)。所述自由塊在振蕩區(qū)或共振區(qū)內(nèi)上下振動(dòng)，當(dāng)調(diào)幅器傳遞的機(jī)械振動(dòng)頻率與自由塊在振蕩區(qū)或共振區(qū)內(nèi)振動(dòng)的固有頻率相匹配時(shí)，自由塊在振蕩區(qū)或共振區(qū)內(nèi)產(chǎn)生共振效應(yīng)。自由塊向下振動(dòng)接觸到?jīng)_擊盤，即完成一次沖擊動(dòng)作。由于高頻振動(dòng)發(fā)生器每秒至少產(chǎn)生10000次機(jī)械振動(dòng)，調(diào)幅器將該機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)大傳遞給自由塊，因此每秒沖擊盤能夠?qū)︺@頭起到至少10000次的沖擊作用。這種沖擊作用是沿軸向方向的，有利于鉆頭克服鉆井阻力而快速鉆進(jìn)。
[0014]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述環(huán)形腔的軸向的高度為自由塊的高度的1.0?1.8倍。由于自由塊需要在環(huán)形腔內(nèi)做上下振動(dòng)，因此環(huán)形腔的軸向的高度(即從調(diào)幅器的底面到環(huán)形腔的底面之間的距離)肯定稍大于自由塊的高度，大的數(shù)值可以很小，例如幾十微米。同時(shí)，要形成高頻低幅振動(dòng)，自由塊的行程不能太大，即環(huán)形腔的軸向的高度值不能太大。優(yōu)選地，環(huán)形腔的軸向的高度為自由塊的高度的1.0?1.8倍。
[0015]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述調(diào)幅器的上端有效面積為下端有效面積的1.5?3倍。調(diào)幅器要起到將高頻振動(dòng)發(fā)生器的高頻機(jī)械振動(dòng)擴(kuò)大的作用，因此需要調(diào)幅器的上端有效面積大于下端有效面積。設(shè)置環(huán)形腔的軸向的高度為自由塊的高度的1.0?1.8倍和/或調(diào)幅器的上端有效面積為下端有效面積的1.5?3倍，高頻振動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)過這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換再作用到鉆頭上，能夠很好地提高鉆頭的機(jī)械鉆速，同時(shí)又使機(jī)械鉆速不至于過快而導(dǎo)致鉆頭加速磨損。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻振動(dòng)發(fā)生器包括電能接口和環(huán)狀壓電驅(qū)動(dòng)器，所述環(huán)狀壓電驅(qū)動(dòng)器設(shè)置成與轉(zhuǎn)換器配合以允許鉆井液從中流過。由于該高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)一般使用在地下環(huán)境，例如鉆井和勘探中，這種工作環(huán)境一般都會(huì)有水、油或腐蝕性的氣體等，因此為了保護(hù)零部件能正常工作以及延長使用壽命，其中的電能接口、環(huán)狀壓電驅(qū)動(dòng)器、調(diào)幅器和沖擊盤等都會(huì)進(jìn)行防腐蝕或防沖蝕的處理，例如對(duì)電能接口、環(huán)狀壓電驅(qū)動(dòng)器、調(diào)幅器和沖擊盤增設(shè)保護(hù)罩等。這樣，鉆井液能夠從高頻振動(dòng)發(fā)生器和環(huán)狀壓電驅(qū)動(dòng)器的中部空腔流過，在使用時(shí)不僅環(huán)狀壓電驅(qū)動(dòng)器、調(diào)幅器等部件不會(huì)另外承受鉆井液的壓力作用，而且基本不會(huì)影響鉆井液的流動(dòng)。
【附圖說明】
[0017]圖1所示是本發(fā)明的鉆井裝置中的高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)的一種具體實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019]在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，本發(fā)明的鉆井裝置主要包括兩部分:鉆頭和與鉆頭連接的高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)7。如圖1所示，為該高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)7的一種具體實(shí)施例。在該實(shí)施例中，該高頻沖擊輔助鉆井機(jī)構(gòu)7主要包括連接筒1、高頻振動(dòng)發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器，且高頻振動(dòng)發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器均設(shè)在連接筒2內(nèi)。轉(zhuǎn)換器將高頻振動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生的高頻機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為高頻低幅沖擊后傳遞給鉆頭。連接筒1上下設(shè)置，其上端設(shè)有用于連接鉆鋌或動(dòng)力鉆具的螺紋接頭，其下端設(shè)有用于連接鉆頭的螺紋接頭。在圖1中，公接頭通過設(shè)在連接筒1的內(nèi)壁上端的傾斜部來表示。而母接頭通過設(shè)在連接筒1的內(nèi)壁下端的傾斜部來表示。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，高頻振動(dòng)發(fā)生器主要包括電能接口 2和壓電驅(qū)動(dòng)器3。壓電驅(qū)動(dòng)器3固定連接在連接筒1的內(nèi)壁上。該高頻振動(dòng)發(fā)生器與設(shè)置在地面上的超聲波驅(qū)動(dòng)電源連接以產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)，電能接口 2與壓電驅(qū)動(dòng)器3連接為壓電驅(qū)動(dòng)器3提供高頻電能。該高頻電能有三種供應(yīng)方式:通過電纜(例如無鉆機(jī)獾式鉆井技術(shù)中)或智能鉆桿從地面直接供給；2)井下直流電池通過超聲波驅(qū)動(dòng)電源轉(zhuǎn)化為與壓電驅(qū)動(dòng)器3相匹配的高頻電能；3)利用鉆井液在鉆柱內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量，通過井下發(fā)電機(jī)發(fā)電，再通過超