CN102287137A - 自激共振钻井装置及其钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是自激共振钻井装置及其钻井方法，其中的自激共振钻井装置从上到下包括上部钻杆、钻铤、减震器、上短接、自激共振器、下短接、钻头，钻铤通过其螺纹与上部钻杆连接，减震器通过螺纹与钻铤连接，上短接通过螺纹与减震器连接，自激共振器通过螺纹与上短接连接，自激共振器另一端连接下短接，钻头通过螺纹与下短接连接。本发明充分利用钻柱纵向振动，变害为利，有效减少钻柱失效，提高钻柱使用寿命；另外，本发明将钻头与钻铤产生的纵向冲击、振动的机械能转化为介质动能，达到岩石裂缝共振条件，提高钻井速度。

Description

自激共振钻井装置及其钻井方法

一、     技术领域：

本发明涉及一种利用共振现象快速破碎深部地层岩石并提高机械钻速的一种钻井方式，属于石油钻井破岩工艺领域，主要应用在石油工程、采矿工程、岩土工程等领域，具体地说是自激共振钻井装置及其钻井方法。

二、背景技术：  

深部地层高效破岩钻井技术的难点主要包括：一是现有高效破岩技术在深部地层中存在技术瓶颈；二是复杂地层、难钻地层所占比例逐年增大，传统钻井方式的钻速越来越低。针对我国当前钻井工程的实际情况及深部地层钻井难点，亟需发展新一代高效破岩技术，研发具有自主知识产权的高效破岩技术。

共振是指一个物理***在特定频率下，以最大振幅做振动的情形。其重要的特性是它有一种频率，即固有振动频率，当受到外界的干扰而被激励时，它相应的振动规律则依赖于干扰振动频率是否和它的固有频率一致，这就是人们常说的共振效应。

自激共振钻井是利用钻进过程中钻柱的自身振动来激发近钻头共振器，使其冲击频率达到正常钻进条件下地层裂缝扩展的“自然频率”，产生岩石共振，来实现高速破岩的钻井提速技术。在国内外，并未检索到有关自激共振钻井任意一种形式（如专利、文章、论著等）的公开的研究成果，申请保护内容具有一定超前性。

现代钻井技术是在钻头加水射流的旋转钻井的基础上发展起来的，是当前应用最多、技术最为完善的高效钻井技术。在深部地层，尤其是一些复杂难钻地层，旋转钻井的钻井效果十分不理想，机械钻速低下，钻井事故频发，成本高。

三、发明内容：

本发明的一个目的是提供自激共振钻井装置，它用于解决现有技术钻井效果十分不理想，机械钻速低下，钻井事故频发，成本高的问题；本发明的另一个目的是提供这种自激共振钻井装置的钻井方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种自激共振钻井装置，从上到下包括上部钻杆、钻铤、减震器、上短接、自激共振器、下短接、钻头，钻铤通过其螺纹与上部钻杆连接，减震器通过螺纹与钻铤连接，上短接通过螺纹与减震器连接，自激共振器通过螺纹与上短接连接，自激共振器另一端连接下短接，钻头通过螺纹与下短接连接。

上述方案中钻杆为通用标准各尺寸钻杆，用于延长钻柱、传递扭矩、传输钻井液等。

上述方案中钻铤为通用标准各尺寸钻铤，用于提供钻压、传输钻井液，连接钻头等。

上述方案中减震器为通用标准各尺寸减震器，用于降低来自于自激共振器和钻头的各种振动。

上述方案中短接为通用标准各尺寸短钻铤或接头，用于合理控制减震器、自激共振器、钻头之间的距离。

上述方案中钻头为通用刮刀、牙轮钻头、PDC等，用于直接破碎地层岩石。

上述方案中自激共振器为减震超声波驱动器，用于将钻头破岩时产生的随机低频大振幅振动的机械能转换为电能，起到减震换能的作用，同时产生高频小振幅振动，使井底岩石振动达到共振钻井所需要的频率和振幅。该自激共振器包括上螺纹柱、第一换能器、控制器、第二换能器、变幅杆、自由质量、下螺纹柱，通过上、下螺纹柱与钻柱其他结构连接。自激共振器产生超声频率的纵向共振，并通过超声变幅杆将振幅放大。

上述方案中的换能器为通用压电陶瓷片或磁致伸缩材料，用于产生钻头的超声纵向振动。

上述方案中的变幅杆为指数形或悬链形变幅杆，把压电陶瓷片产生的机械振动振幅或速度放大，或将能量集中在较小的面积上，起到聚能作用。

上述方案中的自由质量为标准尺寸的具有一定质量的钢套，自由质量依靠驱动器的激励和振动耦合作用，在钻头和钻铤之间产生声波频率的往复碰撞，用于增加振动的冲击动能，并通过下短接传递到钻头与岩石接触界面上，产生岩石的共振。

上述自激共振钻井装置钻井的方法：

1）检查自激共振器工作是否正常，并将上述各部件依次连接，下入井底；

2）循环钻井液，并旋转钻柱，通过调整钩载并给钻头施加钻压；

3）在初始钻井参数下，钻头破碎地层岩石产生纵向冲击和振动，通过短接传递到自激共振器；

4）控制器对地层岩石材料的幅频特征进行扫描，确定岩石材料的共振频率；

5）为加载钻头估算适当的振动频率范围，需要确定钻头的振幅范围；

 6）在当前地层岩石材料共振频率范围中，选择一个低于最大值的点作为最佳共振频率；

7）根据这个最佳共振频率驱动钻头振动；

8）进一步调节钻压、转速等机械参数，改变钻头产生的纵向冲击和振动情况，使自激共振器放大冲击和振动的频率达到或接近地层岩石共振的共振频率，实现共振破岩；

9）当地层岩性改变时，其共振频率发生改变，上一层调节的共振频率在当前地层无法发生共振现象，需要重新调节钻压、转速等机械参数，使自激共振器放大冲击和振动的频率达到或接近地层岩石共振的共振频率，再一次实现共振破岩。

有益效果：

1）充分利用钻柱纵向振动，变害为利，有效减少钻柱失效，提高钻柱使用寿命。钻头破岩过程钻头与钻铤产生的纵向冲击、振动一直是一个困扰钻井技术人员的技术难题，由于振动会造成钻头掉齿、掉牙轮和钻柱失效断裂等复杂的井下事故，耽误钻井工期，增加钻井成本。本发明正是利用钻头与钻铤产生的纵向冲击和振动，并进一步放大来促进钻头破岩效果。

2）在以往钻井中，钻头与钻铤产生的纵向冲击、振动将消失于减震器和上部钻柱中，造成钻柱失效和钻头破坏等井下事故，本发明将钻头与钻铤产生的纵向冲击、振动的机械能转化为介质动能，达到岩石裂缝共振条件，提高钻井速度。

四、附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中自激共振器结构示意图。

1钻杆； 2钻铤； 3减震器； 4上短接； 5自激共振器； 6下短接；7 钻头； 8上螺纹柱； 9第一换能器； 10控制器； 11第二换能器； 12变幅杆内腔； 13变幅杆； 14自由质量； 15下螺纹柱。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种自激共振钻井装置从上到下由上部钻杆1、钻铤2、减震器3、自激共振器5、钻头7顺次连接构成，钻铤2通过其螺纹与上部钻杆1连接，减震器3通过螺纹与钻铤2连接；自激共振器5通过螺纹与上短接4连接，上短接4通过螺纹与减震器3连接；钻头7通过螺纹与下短接6连接，下短接6的另一端与自激共振器5连接。自激共振器5为减震超声波驱动器。

本发明中钻杆2为通用标准各尺寸钻杆，用于延长钻柱、传递扭矩、传输钻井液等；钻铤2为通用标准各尺寸钻铤，用于提供钻压、传输钻井液，连接钻头等；减震器3为通用标准各尺寸减震器，用于降低来自于自激共振器5和钻头7的各种振动；上、下短接为通用标准各尺寸短钻铤或接头，用于合理控制减震器3、自激共振器5、钻头7之间的距离；钻头7为通用刮刀、牙轮钻头等，用直接破碎地层岩石。

如图2所示，本发明中自激共振器包括上螺纹柱8、第一换能器9、控制器10、第二换能器11、变幅杆13、自由质量14、下螺纹柱15，上螺纹柱8、下螺纹15柱均有外螺纹，上螺纹柱8有一个喇叭状的内腔，喇叭口向上；第一换能器9、控制器10、第二换能器11、自由质量14、下螺纹柱15均有一个筒形内腔；变幅杆13也有内腔，变幅杆内腔12呈喇叭状，喇叭口向下；上螺纹柱8、第一换能器9、控制器10、第二换能器11、变幅杆13、自由质量14、下螺纹柱15连接后，它们的内腔相通，形成油路。自激共振器5通过上、下螺纹柱分别与上短接4、下短接6连接。换能器为压电陶瓷片或磁致伸缩材料，为纵振换能器，第一换能器9利用压电材料的压电效应将振动机械能转换为电能，具有减震效果，控制器10为地层岩石共振特性扫描装置，用于分析地层共振频率及控制第二换能器11的工作属性，第二换能器11利用压电材料逆压电效应可以将电能转变为纵向振动。变幅杆12的主要作用是把压电陶瓷片产生的机械振动振幅或速度放大，或将能量集中在较小的面积上，起到聚能作用。自激共振器5产生超声频率的纵向共振，并通过超声变幅杆将振幅放大。自由质量14依靠驱动器的激励和振动耦合作用，在钻头7和钻铤2之间产生声波频率的往复碰撞，并通过下短接6传递到钻头7与岩石接触界面上，产生岩石的共振。

这种自激共振器5首先吸收来自于钻头破岩过程中产生的振动，将钻头7上的随机规律振动转换为电能，并存在于控制器10中，供控制器10工作和下部分的减震超声波驱动器的部件工作。

使用控制器10，根据当前钻井地层条件，可以自动运行并调整具有振动载荷的钻头7，提高钻井速度。控制钻头7冲击岩石材料产生初始裂纹，在钻头旋转载荷的作用下使初始裂纹进一步扩展。这种破岩过程中钻头7的旋转运动和超声振动运动是同步的。这样就可以在钻头前产生一个一直存在的局部动态裂纹扩展区。 

在确定的钻压下，产生并维持钻头与岩石材料的共振。

上述自激共振钻井装置钻井的方法：

1）检查自激共振器5工作是否正常，并将上述各部件依次连接，下入井底；

2）循环钻井液，并旋转钻柱，通过调整钩载并给钻头7施加钻压；

3）在初始钻井参数下，钻头7破碎地层岩石产生纵向冲击和振动，通过短接传递到自激共振器5；

4）控制器10对地层岩石材料的幅频特征进行扫描，确定岩石材料的共振频率；

5）为加载钻头估算适当的振动频率范围，需要确定钻头的振幅范围；

 6）在当前地层岩石材料共振频率范围中，选择一个低于最大值的点作为最佳共振频率；

7）根据这个最佳共振频率驱动钻头振动；

8）进一步调节钻压、转速等机械参数，改变钻头产生的纵向冲击和振动情况，使自激共振器5放大冲击和振动的频率达到或接近地层岩石共振的共振频率，实现共振破岩；

9）当地层岩性改变时，其共振频率发生改变，上一层调节的共振频率在当前地层无法发生共振现象，需要重新调节钻压、转速等机械参数，使自激共振器放大冲击和振动的频率达到或接近地层岩石共振的共振频率，再一次实现共振破岩。

关于选择钻头振幅上限值这一方面，在此值前钻头产生的共振是不具有破坏性的。超过这个极限，共振将有可能引起破坏。

估算合适的频率覆盖范围，在这范围内选择一个较小的频率范围作为驱动频率。当岩石共振并产生裂纹扩展后，其共振频率会降低。之前，频率范围内较高频率的岩石在产生裂纹后，其共振频率降低并逐渐接近驱动频率，岩石的共振能继续下去。

Claims (7)

1.一种自激共振钻井装置，其特征在于：这种自激共振钻井装置由上部钻杆（1）、钻铤（2）、减震器（3）、自激共振器（5）、钻头（7）顺次连接构成，钻铤（2）通过其螺纹与上部钻杆（1）连接，减震器（3）通过螺纹与钻铤（2）连接，上短接（4）通过螺纹与减震器（3）连接，自激共振器（5）通过螺纹与上短接（4）连接，自激共振器（5）另一端连接下短接（6），钻头（7）通过螺纹与下短接（6）连接。

2.根据权利要求1所述的自激共振钻井装置，其特征在于：所述的自激共振器包括上螺纹柱（8）、第一换能器（9）、控制器（10）、第二换能器（11）、变幅杆（12）、自由质量（14）、下螺纹柱（15）。

3.根据权利要求2所述的自激共振钻井装置，其特征在于：所述的上螺纹柱（8）、下螺纹柱（15）均有外螺纹，上螺纹柱（8）有一个喇叭状的内腔，喇叭口向上；第一换能器（9）、控制器（10）、第二换能器（11）、自由质量（14）、下螺纹柱（15）均有一个筒形内腔；变幅杆（13）也有内腔，变幅杆内腔（14）呈喇叭状，喇叭口向下；上螺纹柱（8）、第一换能器（9）、控制器（10）、第二换能器（11）、变幅杆（12）、自由质量（14）、下螺纹柱（15）连接后，它们的内腔相通，形成油路。

4.根据权利要求2所述的自激共振钻井装置，其特征在于：所述的第一换能器（9）、第二换能器（11）均为通用压电陶瓷片或磁致伸缩材料，用于产生钻头的超声纵向振动。

5.根据权利要求2所述的自激共振钻井装置，其特征在于：所述的变幅杆（12）为指数形或悬链形变幅杆。

6.根据权利要求2所述的自激共振钻井装置，其特征在于：所述的自由质量（14）为标准尺寸的具有一定质量的钢套。

7.一种权利要求1或2所述的自激共振钻井装置的钻井方法，其特征在于：这种自激共振钻井装置钻井的方法如下，

1）检查自激共振器（5）工作是否正常，并将上述各部件依次连接，下入井底；

2）循环钻井液，并旋转钻柱，通过调整钩载并给钻头（7）施加钻压；

3）在初始钻井参数下，钻头破碎地层岩石产生纵向冲击和振动，通过短接传递到自激共振器（5）；

4）控制器（10）对地层岩石材料的幅频特征进行扫描，确定岩石材料的共振频率；

5）为加载钻头估算适当的振动频率范围，需要确定钻头的振幅范围；

 6）在当前地层岩石材料共振频率范围中，选择一个低于最大值的点作为最佳共振频率；

7）根据这个最佳共振频率驱动钻头振动；

8）进一步调节钻压、转速等机械参数，改变钻头产生的纵向冲击和振动情况，使自激共振器（5）放大冲击和振动的频率达到或接近地层岩石共振的共振频率，实现共振破岩；

9）当地层岩性改变时，其共振频率发生改变，上一层调节的共振频率在当前地层无法发生共振现象，需要重新调节钻压、转速等机械参数，使自激共振器放大冲击和振动的频率达到或接近地层岩石共振的共振频率，再一次实现共振破岩。

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