一种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油天然气工程领域中用于冲击破碎岩石的钻井装置，具体涉及一种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合。
【背景技术】
[0002]随着油气勘探的不断深入，勘探难度日益增加，井深从中浅层向深层、超深层延伸，破岩难度加大。目前，西部地区有73%石油资源储量埋藏在深部地层，东部地区有53亿吨的石油储量埋藏在深部地层，中部地区有52%的天然气资源量埋藏在深部地层。但深部地层钻井破岩主要存在以下技术难点:一是现有破岩技术在深部地层中机械钻速较慢；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，需要高效破岩技术支持；三是现有各种高效破岩技术国外发展水平相对较高，购买、学习国外先进技术设备的费用投入庞大。
[0003]在本发明做出之前，常规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。但钻进深部难钻地层时，钻井效果十分不理想，机械钻速低下，钻井事故频发，成本高。另一方面，共振原理在岩石破碎方面的应用主要体现在路面改造工程，在钻井破岩方面并没有很好的应用。本发明提供一种可以使井底岩石产生共振的底部钻具组合，使共振技术应用于钻井成为可能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合，这种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合用于解决深部难钻地层机械钻速低，钻井成本高的问题。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:这种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合包括钻柱、钻头、传动单元、振动传感器，传动单元自钻柱内腔一直延伸至钻头内，且传动单元的冲击末端从钻头的中心裸露出来并超出钻头的工作平面，传动单元附近至少安装一个喷嘴；传动单元包括电动马达、螺纹销钉、硬质金属块、插孔单元、硬质合金单元、冲击末端，电动马达安装在钻柱内，电动马达连接螺纹销钉，螺纹销钉的下端固定硬质金属块，螺纹销钉与硬质金属块形成倒T型，上螺旋弹簧上端抵于硬质金属块，上螺旋弹簧下端固定在插孔单元的顶面上，插孔单元为T型的，插孔单元的下端从钻头的中心裸露出来，硬质合金单元镶嵌于插孔单元下部，冲击末端镶嵌于硬质合金单元下部；下螺旋弹簧环绕在插孔单元外，下螺旋弹簧上端固定在插孔单元的顶面下，振动传感器安装在插孔单元上。
[0006]上述方案中插孔单元由硬度大于60HRc的金属材料制作，用于传递弹簧弹力作用于硬质合金单元。
[0007]上述方案中冲击末端由超硬材料制作，其形状为非对称的尖的或钝的几何形状，用于作用井底岩石，使井底岩石产生共振。
[0008]上述方案中电动马达为微型电动马达，用来旋转螺纹销钉。
[0009]本发明具有以下有益效果: 1、本发明可以解决深部难钻地层钻井难题，大幅度提高机械钻速。
[0010]本发明利用共振原理破碎深部地层难钻岩石，使岩石自身在共振频率作用下产生剧烈振动，然后在钻头的切削作用下轻易达到破碎效果。与常规钻井方法相比，钻井速度快，岩石破碎效果好，因此大大提高了机械钻速。
[0011]2、本发明可以减少钻头磨损，节约钻井成本。
[0012]本发明以引起井底岩石产生共振为主，PDC钻头切削破岩为辅，因此大大减少了PDC钻头切削齿脱落、断齿等磨损问题，延长了钻头寿命，节约了钻井成本。同时传动单元中的组成部件均为常用材料，制造成本低廉。
【附图说明】
[0013]图1是本发明的结构示意图。
[0014]图2是本发明的剖面图。
[0015]图中钻柱2钻头3传动单元4电动马达5螺纹销钉6硬质金属块7上螺旋弹簧8插孔单元9硬质合金单元10冲击末端11振动传感器12喷嘴13钻头工作平面14下螺旋弹簧。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明作进一步的说明:
结合图1、图2所示，这种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合包括钻柱1、钻头2、传动单元3、振动传感器11，传动单元3自钻柱I内腔一直延伸至钻头2内，且传动单元3的冲击末端10从钻头2的中心裸露出来并超出钻头2的工作平面，传动单元3附近至少安装一个喷嘴12。钻柱I为常规钻井钻柱，包括钻杆、钻铤等组件，用于传递钻压、传输钻井液等。钻头2为钻井常规钻头，如PDC钻头等，用于辅助切削破碎井底岩石。
[0017]传动单元3为轴向的传动单元，独立于钻头2旋转，用于产生轴向的冲击振动。传动单元3由上到下依次为电动马达4、螺纹销钉5、硬质金属块6、上螺旋弹簧7、插孔单元8、硬质合金单元9、冲击末端10，其中电动马达4、螺纹销钉5、硬质金属块6和上螺旋弹簧7位于钻柱I内腔，下螺旋弹簧14、插孔单元8、硬质合金单元9以及冲击末端10位于钻头2内部。
[0018]传动单元3具体连接关系为:电动马达4连接螺纹销钉5，螺纹销钉5的下端固定硬质金属块6，螺纹销钉5与硬质金属块6形成倒T型，螺纹销钉5用于推进或收回硬质金属块6，硬质金属块6用于压缩和释放上螺旋弹簧7，改变上螺旋弹簧7弹力；上螺旋弹簧7上端抵于硬质金属块6，但上螺旋弹簧7与硬质金属块6不相连，上螺旋弹簧7下端固定在插孔单元8的顶面上，用于向插孔单元8施加作用力；插孔单元8为T型的，插孔单元8的下端从钻头2的中心裸露出来，硬质合金单元9镶嵌于插孔单元8下部，冲击末端10镶嵌于硬质合金单元9下部；下螺旋弹簧14环绕在插孔单元8外，下螺旋弹簧14上端固定在插孔单元8的顶面下，要保证插孔单元8至少与两根螺旋弹簧相连，振动传感器11安装在插孔单元8上。
[0019]电动马达4为微型电动马达，用来旋转螺纹销钉5。插孔单元8由硬度大于60HRc的金属材料制作，用于传递弹簧弹力作用于硬质合金单元9。冲击末端10由超硬材料制作，其形状为非对称的尖的或钝的几何形状，用于作用井底岩石，使井底岩石产生共振。
[0020]本发明在进行共振钻井时，电动马达4旋转螺纹销钉5，螺纹销钉5伸出推动中间单元6压缩上螺旋弹簧7，上螺旋弹簧7产生弹力作用于插孔单元8，插孔单元8通过硬质合金单元9将弹力传递到冲击末端10作用于井底岩石，井底岩石产生反作用力作用于冲击末端10。在作用力与反作用力共同作用下，传动单元3以一定频率产生振动，并通过振动传感器11将振动声波反射回地面。当振动频率接近井底岩石的共振频率时，井底岩石产生共振。在钻头2的切削辅助作用下，完成岩石破碎过程，此时机械钻速急剧增加。当机械钻速降低，通过电动马达4旋转螺纹销钉5，推动或回拉中间单元6，压缩或释放上螺旋弹簧7改变弹力，从而改变传动单元3的振动频率，使传动单元3再次达到井底岩石的共振频率，实现共振钻井。
【主权项】
1.一种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合，其特征在于:这种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合包括钻柱(I)、钻头(2)、传动单元(3)、振动传感器(11)，传动单元(3)自钻柱内腔一直延伸至钻头⑵内，且传动单元⑶的冲击末端(10)从钻头⑵的中心裸露出来并超出钻头(2)的工作平面，传动单元(3)附近至少安装一个喷嘴(12);传动单元(3)包括电动马达(4)、螺纹销钉(5)、硬质金属块(5)、插孔单元(8)、硬质合金单元(9)、冲击末端(10)，电动马达⑷安装在钻柱⑴内，电动马达⑷连接螺纹销钉(5)，螺纹销钉(5)的下端固定硬质金属块(5)，螺纹销钉(5)与硬质金属块(5)形成倒T型，上螺旋弹簧(7)上端抵于硬质金属块(5)，上螺旋弹簧(7)下端固定在插孔单元(8)的顶面上，插孔单元(8)为T型的，插孔单元(8)的下端从钻头(2)的中心裸露出来，硬质合金单元(9)镶嵌于插孔单元(8)下部，冲击末端(10)镶嵌于硬质合金单元(9)下部；下螺旋弹簧(14)环绕在插孔单元(8)外，下螺旋弹簧(14)上端固定在插孔单元(8)的顶面下，振动传感器(11)安装在插孔单元(8)上。
2.根据权利要求1所述的用于实现井底岩石共振的底部钻具组合，其特征在于:所述的插孔单元⑶由硬度大于60HRc的金属材料制作。
3.根据权利要求1所述的用于实现井底岩石共振的底部钻具组合，其特征在于:所述的冲击末端(10)由超硬材料制作，其形状为非对称的尖的或钝的几何形状。
4.根据权利要求1所述的用于实现井底岩石共振的底部钻具组合，其特征在于:所述的电动马达(4)为微型电动马达。
【专利摘要】本发明涉及的是一种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合，这种用于实现井底岩石共振的底部钻具组合包括钻柱、钻头、传动单元、振动传感器，传动单元自钻柱内腔一直延伸至钻头内，且传动单元的冲击末端超出钻头的工作平面；传动单元的电动马达安装在钻柱内，电动马达连接螺纹销钉，螺纹销钉的下端固定硬质金属块，螺纹销钉与硬质金属块形成倒T型，上螺旋弹簧上端抵于硬质金属块，上螺旋弹簧下端固定在插孔单元的顶面上，插孔单元为T型的，插孔单元的下端从钻头的中心裸露出来，硬质合金单元镶嵌于插孔单元下部，冲击末端镶嵌于硬质合金单元下部；下螺旋弹簧环绕在插孔单元外，下螺旋弹簧上端固定在插孔单元的顶面下，振动传感器安装在插孔单元上。本发明可以解决深部难钻地层钻井难题，大幅度提高机械钻速。
【IPC分类】E21B7-24
【公开号】CN104763337
【申请号】CN201510094125
【发明人】李玮, 李思琪, 闫铁, 孙士慧, 李卓伦, 李悦
【申请人】东北石油大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月3日