一种超声波钻井装置及方法与流程

本发明涉及油气田勘探与开发技术领域，尤其涉及一种超声波钻井装置及方法。

背景技术：

钻井是指通过钻井工具和技术建立地面与地下油藏的通道。目前主要应用于石油、天然气、地热、地下水、井盐等资源的开采。随着油气勘探开发的深入，钻井深度越来越深难度越来越大，特别是深井、超深井存在着机械钻速低、钻井周期长、钻井费用高等问题，对钻井技术本身提出了更高的要求。

传统钻井方式的能量传输、转换、分配和利用效率等问题一直未能解决，能量综合利用效率很低。世界各国的石油专家不断地探索研究新的钻井方法，研究和试验表明，通过水力旋转冲击技术来提高钻井速度是一种行之有效的方法。目前，国内外对旋转冲击技术技术进行过研究，主要不足为：旋转冲击钻井技术属于机械冲击，单次冲击功、力较大，射流元件工作时间长易冲蚀等问题，造成工具使用寿命不长，限制了其开展和应用。

因此，需要一种新的钻井装置及方法，以满足资源开采需求。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种超声波钻井装置及方法，将超声波振动技术应用于钻井技术领域。

根据本发明的一个方面，提供了一种超声波钻井装置，能安装在钻铤和钻头之间的钻柱的一侧半圆上，包括本体以及设置在本体上的压电驱动器；还包括设置于压电驱动器的下端，用于传播并扩大压电驱动器产生的机械振动的幅度的调幅器，以及设置于调幅器的下端并与本体固定连接的冲击部，用于将机械振动所产生的冲击作用传递给本体和钻头。

在这种情况下，通过压电驱动器将高频，例如大于10000Hz的电能转换为相同频率的机械振动，随后机械振动通过调整器放大后传递到冲击部，冲击部将机 械振动所产生的冲击作用传递给钻头进行钻井。

进一步地，在冲击部的内部设有自由腔，在调幅器的下端连接有自由块，自由块位于自由腔内。由此，自由块可以在自由腔内振动，将调幅器传播并放大的机械振动传递至冲击部。

进一步地，压电驱动器通过能限制其发生径向变形的固定壁固定在钻柱的一侧半圆上。由此，压电驱动器在通电后仅产生轴向的机械振动。

进一步地，在压电驱动器上设有接入高频电流的电源接口。由此，可用于为压电驱动器提供高频电流。

进一步地，调幅器的母线形状为阶梯、指数、圆锥、高斯、傅里叶、余弦或上述任意组合。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述超声波钻井装置的超声波钻井方法。主要包括如下步骤：首先，通过电源接口为压电驱动器提供高频电流。随后，通过压电驱动器把高频电流转化为机械振动。然后，调幅器将机械振动传播扩大，并作用于自由块上。最后，自由块在冲击部的自由腔内振动，并将冲击动作传递给钻头进行钻井。

进一步地，压电驱动器转化的机械振动的频率与自由块的固有频率相等。由此，自由块将在自由腔内产生共振效应。当自由块向下振动接触到冲击部时，即完成一次冲击动作。

进一步地，高频电流的供应方式为：通过电缆或智能钻杆从地面直接供给；或使用井下直流电池通过超声波发生器转化为与压电驱动器相匹配的高频电流；或利用钻井液流动的能量，通过井下发电机发电，再通过超声波发生器转化为与压电驱动器相匹配的高频电流。

进一步地，高频电流的频率大于等于10000Hz。由此，压电驱动器将相同频率的电能转化为机械振动，机械振动以振动波的方式向下传播，经调幅器传至自由块，自由块在冲击部内的自由腔中发生共振效应，每秒可对冲击部产生10000次以上的冲击作用。

与现有技术相比，本发明通过提供一种超声波钻井装置及方法，利用压电驱动器将高频电流转换为相同频率的机械振动。机械振动通过调幅器放大后传递到自由块上端，使自由块在冲击盘内产生共振效应，进而产生向下的高频冲击动作，达到提高机械钻速的效果。本发明的超声波钻井装置的冲击频率较高，可达每秒 10000次以上，提高了机械钻速，节约了钻井成本。且装置的单次冲击强度小于机械冲击方式，具有更长的使用寿命。超声波钻井装置的结构简单，性能可靠，应用性较强。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明实施例的超声波钻井装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的超声波钻井方法的流程图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种超声波钻井装置10，安装在钻铤和钻头之间的钻柱的一侧半圆上。在超声波钻井装置10的下方连接有钻头，在超声波钻井装置10的上方连接有钻铤或动力钻具。超声波钻井装置10包括本体1以及设置在本体1上的压电驱动器3，在压电驱动器3的下方设有调幅器4，在调幅器4的下方设有冲击部6。冲击部6与本体1固定连接。即，本体1为其它部件的承载结构，在本体内从上至下依次布置有压电驱动器3、调幅器4和冲击部6。在本体1上端布置有用于连接钻铤或动力钻具的公接头，在本体1的下端布置有用于连接钻头的母接头。在这种情况下，压电驱动器3能将电能转化为机械振动，机械振动通过调幅器4扩大并传播至冲击部6，冲击部6将机械振动所产生的冲击作用传递给本体1和钻头进行钻井。

在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，在冲击部6的内部设有自由腔(未视出)，在调幅器4的下端连接有自由块5，自由块5装入自由腔内。自由块5与自由腔的形状为圆形或多面体形等多种形状，只要两者相适应即可。优选地，自由块5为圆柱体状。自由块5可以在自由腔内振动，将调幅器4传播并放大的机械振动传递至冲击部6。

在本发明的一个具体实施例中，压电驱动器3是指利用压电材料的正逆压电效应，即，将机械能转化为电能或者将电能转换为机械能的效应，制成的换能器。压电驱动器3可以把高频电流转化为相同频率的机械振动。优选地，压电驱动器3设计为圆柱体状，在压电驱动器3上设有固定壁，固定壁将其固定在本体1上。 在这种情况下，固定壁可以限制压电驱动器3发生径向变形，使压电驱动器3只能发生轴向机械振动，振动波可以向下传播。优选地，压电驱动器3布置在钻柱一侧半圆上，这样另一半圆可以为钻井液提供流动通道。

在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，压电驱动器3上设有电能接头2用于连接高频电流供应装置。高频电流的供应方式可以包括以下几种：(1)通过电缆或智能钻杆从地面直接供给。(2)使用井下直流电池通过超声电源转化为与压电驱动器相匹配的高频电流。(3)利用钻井液流动的能量，通过井下发电机发电，再通过超声电源转化为与压电驱动器相匹配的高频电流。

在本发明的一个具体实施例中，调幅器4置于压电驱动器3的下端，自由块5的上端。调幅器4的主要作用是：传播压电驱动器3产生的机械振动并将其扩大，然后作用于自由块5上。调幅器4布置在钻柱一侧半圆上，另一侧半圆可以为钻井液提供流动通道。调幅器4按母线形状又可分为阶梯、指数、圆锥、高斯、傅里叶、余弦等类型，也可以将这些单一形状的调幅器组合起来进行设计，设计成复合型调幅器。

下面将对应用了上述超声波钻井装置的使用方法与工作过程进行相关说明。如图2所示，包括以下步骤：S1将钻井装置连接于钻头上部，钻铤的下部，通过电源接口为压电驱动器提供高频电流。S2压电驱动器把高频电流转化为相同频率的机械振动。S3调幅器将机械振动传播扩大，并作用于自由块上。S4自由块在冲击部的自由腔内振动，并将冲击动作传递给钻头进行钻井。

当压电驱动器3输出的机械振动频率与自由块5的固有频率相匹配时，自由块5产生共振效应。当自由块5向下振动接触到冲击部6时，即完成一次冲击动作。在输入到压电驱动器3的高频电流的频率大于10000Hz时，自由块5每秒可产生10000次以上的冲击作用。冲击部6与本体5固定连接，当冲击作用作用于冲击部6时，冲击部6将冲击作用最终传递给本体1及钻头，进而进行钻井。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。