专利名称：高频脉冲射流共振钻井装置及其钻井方法
技术领域：
本发明涉及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，是利用共振现象快速破碎深部地层岩石并提高机械钻速的钻井技术，具体地说是高频脉冲射流共振钻井装置及其钻井方法。
背景技术：
随着我国国民经济的高速发展，国家对油气资源的需求逐年增多。油气勘探力度不断增加，开采难度日益增大。井深从浅层向深层、超深层转变。深部地层高效钻井破岩技术的难点主要包括一是复杂地层、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；二是现有钻头机械破岩加射流辅助的破岩技术在深部地层中存在技术瓶颈。
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，尤其是在中硬、硬等难钻地层，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。
针对传统破岩工艺机械钻速越来越慢，费用越来越高的问题，亟需发展新一代高效钻井破岩技术。
发明内容
本发明的目的是提供高频脉冲射流共振钻井装置，它用于解决现有技术钻井效果十分不理想，机械钻速低下，成本高的问题；本发明的另一个目的是提供这种高频脉冲射流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高频脉冲射流共振钻井装置包括有外钢套，外钢套一端与上转换接头连接，另一端与下转换接头连接，上转换接头通过螺纹与钻铤相连接，下转换接头通过螺纹与钻头连接；外钢套内从上到下依次安装小型水轮发电机、密度测井仪、声波测井仪、控制器、超声换能器；小型水轮发电机由叶片和发电机构成，叶片安装在发电机上方，超声换能器包括固定端、换能器、变幅杆，外钢套与变幅杆相对应的部位有一个缩径段；密度测井仪、声波测井仪、控制器通过垫块彼此之间分隔开，密度测井仪、声波测井仪、控制器连接后，它们的内腔相通，形成钻井液通道。
上述方案中的小型水轮发电机为通用液动发电机，用于为测井、信号接收器、超声换能器提供电能。
上述方案中密度测井仪为中子密度测井仪器，用于测定当前地层岩石密度。
上述方案中声波测井仪为普通单发双收声波测井仪器，用于测定当前地层岩石声波时差。
上述方案中的变幅杆为指数形或悬链形变幅杆，材料可以为钢制或铜质，把压电换能器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。
上述高频脉冲射流共振钻井装置的钻井方法为1)在室内通过高压大排量泵组检查高频脉冲射流共振钻井装置工作是否正常，并下入井底；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，循环钻井液后小型水轮发电机发电，设备开始工作；3)控制器给密度测井仪和声波测井仪分配工作电流，密度测井仪测试当前钻井地层的岩石密度，声波测井仪测试当前地层声波时差数据，这些数据最终反馈到控制器；4)控制器分析密度测井仪和声波测井仪产生的数据，对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)控制器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；6)控制器为换能器分配高频激励电信号，换能器和和变幅杆将高频激励电信号转换为超声波信号，并传递给钻井液；7)钻井液通过钻头形成高频脉冲射流冲击井底，使井底岩石达到共振状态，8)当地层岩性改变时，其共振频率发生改变，密度测井仪和声波测井仪测试数据也会发生改变，控制器根据密度测井仪和声波测井仪提供的数据重新给换能器分配高频激励电信号，再次使高频脉冲射流频率达到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)本发明充分利用岩石材料共振条件下强度大幅度降低和共振促进内部裂缝扩展的性质。深部地层岩石埋藏深、围压大、岩石压实程度高，深部地层岩石机械钻速较慢，使用岩石共振属性可以大幅提高机械钻速，提高幅度达1到2倍，有效降低钻井成本。
2)本发明利用钻井液和小型水轮发电机转换电能，可以安全稳定地为测井仪和超声换能器提高动力来源，有效解决钻井过程中无法传递电能的问题。利用钻井液传递超声振动使岩石产生共振，降低超声换能器的输出功率，提高钻头破岩效率。
四
图1为本发明的结构示意图； 图2为图1中A-A结构剖面图； 图3为图1中B-B结构剖面图； 图4为本发明安装位置示意图。
1上转换接头；2叶片；3发电机；4固定柱；5密度测井仪；6上垫块；7声波测井仪； 8下垫块；9控制器；10钻井液通道；11换能器固定端；12换能器固定柱；13换能器；14钻井液收缩通道；15变幅杆；16外钢套；17下转换接头；18上部钻柱；19钻铤；20高频脉冲射流共振钻井装置；21钻头。
五具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的说明结合图1、图2、图3所示，这种高频脉冲射流共振钻井装置包括有外钢套16，外钢套16 一端与上转换接头1连接，另一端与下转换接头17连接，上转换接头1通过螺纹与钻铤19 相连接，下转换接头17通过螺纹与钻头21连接；外钢套16内从上到下依次安装小型水轮发电机、密度测井仪5、声波测井仪7、控制器9、超声换能器；小型水轮发电机由叶片2和发电机3构成，叶片2安装在发电机3上方，超声换能器包括换能器固定端11、换能器13、变幅杆15，外钢套16与变幅杆15相对应的部位有一个缩径段，该缩径段为钻井液收缩通道 14 ；密度测井仪5、声波测井仪7、控制器9通过垫块彼此之间分隔开，密度测井仪5、声波测井仪7、控制器9之间的中心相互对应并形成钻井液通道10。
发电机3通过固定柱4固定在外钢套16上，密度测井仪5、声波测井仪7、控制器 9通过螺钉固定在外钢套16上；密度测井仪5、声波测井仪7通过上垫块6分离，声波测井仪7、控制器9通过下垫块8分离；换能器固定端11通过换能器固定柱12固定在外钢套16 上，换能器固定端11将换能器13和变幅杆15固定在一起。
本发明中控制器9为超声换能器提供需要的激励信号，用于密度、声波信号分析和超声换能器幅频信号输入部件。
本发明中超声换能器为振动激发装置，用于产生高频小振幅振动，并将其超声振动传递给钻井液，使钻井液具有高频脉冲射流的特点。
本发明中超声换能器包括换能器固定端11、换能器13、变幅杆15等三个部分，通过换能器固定端11与外钢套16连接。换能器13为大功率压电陶瓷片或磁致伸缩材料，为纵振换能器，换能器13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15 的主要作用是把压电换能器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。换能器13与变幅杆15的超声振动传递给钻井液，通过钻头高压喷嘴最终形成高频微幅脉冲射流，射流冲击井底岩石传递超声脉冲振动，其振动频率接近地层岩石固有频率，产生岩石的共振。
钻井液冲击叶片2，通过发电机3产生电流，发电机3直接为密度测井仪5、声波测井仪7、控制器9和换能器13供电，供电大小及频率通过控制器9控制，控制器9用于分析地层共振频率，并为换能器13提供需要的激励信号，钻井液通过钻井液通道10和钻井液收缩通道14流入到钻头21，钻井液收缩通道14有一个喇叭状的内腔，喇叭口向上。
密度测井仪5、声波测井仪7测试当前地层岩石的密度、声波时差数据，并将数据反馈到控制器9，控制器9分析数据后，确定换能器13激励电流电压、频率等参数，换能器 13根据控制器9提供激励信号，产生相应的频率振动，通过变幅杆15将振幅放大，换能器 13和变幅杆15产生的振动传递给钻井液收缩通道14中的钻井液，最终通过钻头21形成高频脉冲射流冲击井底，使井底岩石达到共振状态，钻头21通过旋转方式进一步破碎地层岩石。这种破岩过程中钻头21的旋转运动和岩石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。在确定的钻压和钻速下，通过高频脉冲射流产生并维持射流冲击区岩石材料的共振。
如图4所示，这种高频脉冲射流共振钻井装置安装在钻铤19和钻头21之间，各部分部件通过螺纹连接。近钻头钻具组合从上到下由、高频脉冲射流共振钻井装置20和钻头 21构成，钻铤19与上部钻柱18连接。
上述高频脉冲射流共振钻井装置钻井的方法1)在室内通过高压大排量泵组检查高频脉冲射流共振钻井装置20工作是否正常，并将上述各部件依次图4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21施加钻压，循环钻井液后小型水轮发电机发电，设备开始工作；3)控制器9给密度测井仪5和声波测井仪7分配工作电流，密度测井仪5测试当前钻井地层的岩石密度，声波测井仪7测试当前地层声波时差数据，这些数据最终反馈到控制器9 ；4)控制器9分析密度测井仪5和声波测井仪7产生的数据，对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)控制器9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；6)控制器9为换能器13分配高频激励电信号，换能器13和和变幅杆15将高频激励电信号转换为超声波信号，并传递给钻井液；7)钻井液通过钻头21形成高频脉冲射流冲击井底，使井底岩石达到共振状态，8)当地层岩性改变时，其共振频率发生改变，密度测井仪5和声波测井仪7测试数据也会发生改变，控制器9根据密度测井仪5和声波测井仪7提供的数据重新给换能器13分配高频激励电信号，再次使高频脉冲射流频率达到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。
权利要求
1.一种高频脉冲射流共振钻井装置，其特征在于这种高频脉冲射流共振钻井装置包括有外钢套(16)，外钢套(16)—端与上转换接头(1)连接，另一端与下转换接头(17)连接， 上转换接头(1)通过螺纹与钻铤(19)相连接，下转换接头(17)通过螺纹与钻头(21)连接； 外钢套(16)内从上到下依次安装小型水轮发电机、密度测井仪(5)、声波测井仪(7)、控制器(9)、超声换能器；小型水轮发电机由叶片(2)和发电机(3)构成，叶片(2)安装在发电机 (3)上方，超声换能器包括固定端(11)、换能器(13)、变幅杆(15)，外钢套与变幅杆(15)相对应的部位有一个缩径段；密度测井仪(5)、声波测井仪(7)、控制器(9)连接后，它们的内腔相通，形成钻井液通道(14)。
2.根据权利要求1所述的高频脉冲射流共振钻井装置，其特征在于所述的小型水轮发电机为通用液动发电机。
3.根据权利要求2所述的高频脉冲射流共振钻井装置，其特征在于所述的密度测井仪(5)为中子密度测井仪器。
4.根据权利要求2所述的高频脉冲射流共振钻井装置，其特征在于所述的声波测井仪(7)为普通单发双收声波测井仪器。
5.根据权利要求2所述的高频脉冲射流共振钻井装置，其特征在于所述的变幅杆 (15)为指数形或悬链形变幅杆，材料可以为钢制或铜质。
6.一种权利要求1所述的高频脉冲射流共振钻井装置的钻井方法，其特征在于这种高频脉冲射流共振钻井装置的钻井方法如下，1)在室内通过高压大排量泵组检查高频脉冲射流共振钻井装置(20)工作是否正常，并下入井底；2)循环钻井液，并旋转钻柱，通过调整钩载并给钻头(21)施加钻压，循环钻井液后小型水轮发电机发电，设备开始工作；3)控制器(9)给密度测井仪(5)和声波测井仪(7)分配工作电流，密度测井仪(5)测试当前钻井地层的岩石密度，声波测井仪(7)测试当前地层声波时差数据，这些数据最终反馈到控制器(9)；4)控制器(9)分析密度测井仪(5)和声波测井仪(7)产生的数据，对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)控制器(9)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；6)控制器(9)为换能器(13)分配高频激励电信号，换能器(13)和变幅杆(15)将高频激励电信号转换为超声波信号，并传递给钻井液；7)钻井液通过钻头(21)形成高频脉冲射流冲击井底，使井底岩石达到共振状态，8)当地层岩性改变时，其共振频率发生改变，密度测井仪(5)和声波测井仪(7)测试数据也会发生改变，控制器(9)根据密度测井仪(5)和声波测井仪(7)提供的数据重新给换能器(13)分配高频激励电信号，再次使高频脉冲射流频率达到地层岩石共振的共振频率，再一次实现共振破岩。
全文摘要
本发明涉及的是高频脉冲射流共振钻井装置及其钻井方法，这种高频脉冲射流共振钻井装置包括有外钢套，外钢套一端与上转换接头连接，另一端与下转换接头连接，上转换接头通过螺纹与钻铤相连接，下转换接头通过螺纹与钻头连接；外钢套内从上到下依次安装小型水轮发电机、密度测井仪、声波测井仪、控制器、超声换能器；小型水轮发电机由叶片和发电机构成，叶片安装在发电机上方，超声换能器包括固定端、换能器、变幅杆，外钢套与变幅杆相对应的部位有一个缩径段；密度测井仪、声波测井仪、控制器通过垫块彼此之间分隔开，密度测井仪、声波测井仪、控制器连接后，它们的内腔相通，形成钻井液通道。本发明可以大幅提高机械钻速，提高幅度达1到2倍，有效降低钻井成本。
文档编号E21B7/24GK102493768SQ20111039471
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者李玮, 毕雪亮, 闫铁 申请人:东北石油大学