用于改进地下钻井的井下振动的制作方法

本公开大体上涉及油田设备，并且更确切地涉及用于在地下钻井筒的井下工具、钻井系统和钻井技术。再更确切地说，本公开涉及用于改进钻头的钻进速率的方法和系统。

发明背景

钻井系统可以使用通过从地表泵送的钻井流体提供动力的井下马达，以旋转钻头。最常见地，采用利用螺旋转子的莫瓦诺型容积式马达，所述螺旋转子由在转子与定子之间传递的流体压力进行驱动。然而，也可以酌情使用其它马达类型，包括涡轮马达。井下马达和钻头可能是受到延伸至井表面的钻柱支撑的井底钻具组件的一部分。

钻井的成本可能受到随钻有效钻进速率("ROP")的显著影响。随着井深度增加，地层岩石强度可能增加，并且所述不断增加的岩石强度可能导致钻进速率下降。因此，可能合乎需要的是，提高岩石切割效率和/或减小所需要的岩石切割力。减小的切割力可能会引起较低的钻头磨损和破损、不太常见的粘滑条件、较小的剪断钻柱的可能性以及伴随的更高的有效钻进速率。

附图简述

下文参考附图详细描述实施方案，在附图中：

图1是根据实施方案的采用具有井底钻具组件、钻头和用于轴向振动钻头的井下振荡工具的钻柱的钻井系统的部分截面正视图；

图2是根据实施方案的井下振荡工具的轴向截面视图，示出：外壳；轴，其可在外壳内旋转和轴向平移且携载钻头；以及通用可互换模块化致动器组件，其用于相对于外壳轴向振动所述轴；

图3是图2的井下振荡工具的分解透视图；

图4是根据实施方案的具有夏德联轴器的井下振荡工具的部分截面分解透视图，示出配备机械模块化致动器；

图5是根据实施方案的具有花键接头的井下振荡工具的部分截面分解透视图，示出配备图4的机械模块化致动器；

图6是根据一些实施方案的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面视图，示出轴被移除以揭示具有发电机子组件的模块化致动器的细节；

图7是沿图6的线7-7得到的图6的井下振荡工具的横断截面视图；

图8是沿图6的线8-8得到的图6的井下振荡工具的横断截面视图；

图9是图6的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面视图，示出所述轴相对于发电机子组件的轴向对准；

图10是根据一些实施方案的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面视图，被示出配备界定环形液压缸的液压模块化致动器组件；

图10A是图10的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面视图，其中右半面示出所述轴通过液压模块化致动器组件相对于所述外壳轴向移位；

图11是根据一些实施方案的液压模块化致动器组件的阀门子组件的放大轴向截面视图；

图12是根据一些实施方案的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面视图，被示出配备具有独立液压缸的环形布置的液压模块化致动器组件；

图12A是图12的井下振荡工具的一部分的放大轴向截面视图，其中右半面示出所述轴通过液压模块化致动器组件相对于所述外壳轴向移位；

图13是根据一些实施方案的压电模块化致动器组件的轴向截面透视图，示出环形膨胀构件堆叠；

图14是根据实施方案的压电模块化致动器组件的环形膨胀构件的平面视图，示出若干弯张致动机构；

图15是图14的被示出呈收缩状态的弯张致动机构的透视图；

图16是图14的被示出呈膨胀状态的弯张致动机构的透视图；

图17是根据实施方案的用于轴向振动井下钻头的方法的流程图；并且

图18是根据另一实施方案的用于轴向振动井下钻头的方法的流程图。

具体实施方式

前述公开可能会在各种实例中重复参考数字和/或字母。这种重复是出于简化和清楚的目的，并且本身并不表示各种实施方案和/或所讨论的构造之间的关系。另外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…上方”、“上部”、“井上”、“井下”、“上游”、“下游”等空间相对术语可能会在本文中使用以便于描述，从而描述如图中所图示的一个要素或特征与另一要素或特征的关系。所述空间相对术语意在包含设备在使用中或操作中的不同取向，另外还包含附图中所绘示的取向。

图1是根据实施方案的包括井底钻具组件90的钻井系统20的部分截面正视图。钻井系统20可能包括钻机22，诸如图1中示出的陆地钻机。然而，本公开的教示可以与部署在海上平台、半潜式平台、钻井船或用于形成井筒的任何其它钻井系统上的钻机22结合使用。

钻机22可能定位靠近井口24或相互分开。钻机22可能包括旋转台38、旋转驱动马达40和与井筒60内的钻柱32的旋转相关联的其它设备。环带66形成在钻柱32的外部与井筒60的内径之间。对于一些应用，钻柱22还可能包括顶部驱动马达或顶部驱动单元42。防喷器(未明确示出)以及与钻探井筒相关联的其它设备也可能提供在井口24处。

钻柱32的下端可能包括底部钻井组件90，所述底部钻井组件90的远端处可能携载旋转钻头80。可以通过一个或多个钻井流体泵48经由导管34将钻井流体46从容器30泵送至钻柱32的延伸到井口24外部的上端。然后钻井流体46可以流动通过钻柱32的纵向内部33，通过井底钻具组件90，并且从形成在旋转钻头80中的喷嘴离开。在井筒60的底端62处，钻井流体46可能会与地层岩屑以及其它井下流体和杂质混合。钻井流体混合物然后可能会向上流动通过环带66，以将地层岩屑和其它井下杂质送回至地表。虽然导管36可以将流体返回至容器30，但是在将钻井流体返回至容器30之前，可以提供各种类型的筛网、过滤器和/或离心机(未明确示出)，以移除地层岩屑和其它井下杂质。可以使用各种类型的管线、管道和/或软管以形成导管34和36。

根据实施方案，井底钻具组件90可能包括井下泥浆马达82。井底钻具组件90还可能包括各种其它工具91，诸如提供测井或测量结果数据以及来自井筒60的底部的其它信息的那些工具。可以使用随钻测量技术从井筒60的端部62传达测量结果数据和其它信息，并在井表面处将其转换成电气信号，以尤其监测钻柱32、井底钻具组件90和相关联的旋转钻头80的性能。然而，有时候测量结果数据和其它信息的转换和/或处理可能在井下发生。

根据一个或多个实施方案，钻井系统20可能包括井下振荡工具100。井下振荡工具100可以操作以随着钻头100旋转施加轴向振荡至旋转钻头80，如下文中所描述。井下振荡工具100可能定位在井底钻具组件90内。

图2和图3是根据实施方案的井下振荡工具100的轴向截面视图和分解透视图。参考图2和图3，井下振荡工具100可能包括外壳110，所述外壳110可能是诸如像钻孔杆环、厚壁钻管或井底钻具组件90等钻柱构件的一部分。因此，外壳110可能包括用于进行机械连接至所述钻柱构件的上部连接器112，或者可能一体形成为所述钻柱构件的一部分。上部连接器112可能是例如螺纹连接器。

轴130可能旋转地设置在所述外壳110内。在实施方案中，轴130可能被布置以便与例如井下泥浆马达82(图1)机械连接，所述井下泥浆马达82可能是井底钻具组件90的一部分。因此，轴130的上端可能包括花键座132，所述花键座132用于在泥浆马达的驱动轴92的下端处滑动连接至互补花键座134。如图所示，花键座132可能是外部花键座，所述外部花键座用于滑动配合插入到内部花键座134中。然而，也可以使用相反的构造。花键座132可以提供扭矩传递，其中泥浆马达83的驱动轴92与轴130之间具有受限的允许轴向移动。虽然图示了花键座132，但是也可以视需要使用键接头、槽销接头、细齿、具有一个或多个平面的滑动连接和/或其它替代连接代替花键座132。

驱动轴92和轴130可能是中空的，并且流体地耦接至钻柱32(图1)的内部33以便提供钻井流体。轴130的下端可能包括用于连接至钻头80的连接器136。上部旋转花键密封150可能提供在驱动轴92与外壳110之间，位于花键座134上方，以便防止钻井流体泄漏经过花键座134。上部花键密封150可能由驱动轴92携载。同样地，下部旋转花键密封152可能提供在轴130与外壳110之间，位于花键座132下方。下部花键密封152被布置以动态地密封，同时允许轴130在外壳110内的旋转和受限的轴向移动。下部花键密封152可能由轴130携载。上部花键密封150和下部花键密封152可能例如是金属的、陶瓷的、弹性体的或者聚合体的。

在实施方案中，外壳110可能包括定位围绕外壳110的内圆周的内部肩部118。肩部118可能与外壳110形成整体，或者其可能形成为一个或多个离散的区段并且安装至外壳110。允许旋转和受限的轴向移动二者的旋转肩部密封154可能提供在轴130与肩部118的内壁之间。肩部密封154可能由肩部118携载。肩部密封154可能例如是金属的、陶瓷的、弹性体的或者聚合体的。

类似地，轴130可能包括定位围绕轴130的外圆周的外部法兰138。法兰138可能与轴130形成整体，或者其可能形成为一个或多个离散的区段并且安装至外壳130。允许旋转和受限的轴向移动二者的旋转法兰密封156可能提供在法兰138的外壁与外壳110的内壁之间。法兰密封156可能由法兰138携载。法兰密封156可能例如是金属的、陶瓷的、弹性体的或者聚合体的。

如下文中更加详细地描述，井下振荡工具100可能包括可互换的模块化致动器组件170，可以对所述模块化致动器组件170进行布置，以随着轴130相对于外壳110旋转，以呈振动或振荡方式相对于外壳110轴向移位轴130。模块化致动器组件170可能包括贯穿其形成的轴向孔172，轴130可能穿过所述轴向孔172。在实施方案中，模块化致动器组件170可能定位在外壳110内，可能顶住肩部118，并且可能在法兰138上操作。模块化致动器组件170可能是机械、液压、电气或者电子性质的；可能特征在于相对较低的、中等的或高频率的振动；并且可能被布置以在工作现场快速且容易地互换，以适应各种地层类型和钻井需要。

轴130可能通过线性运动轴承组件190可旋转地且可平移地支撑在外壳110内。在实施方案中，轴承组件190可能是包括外部圆柱形保持架191的密封式滚珠轴承组件，所述外部圆柱形保持架191界定：围绕圆周的若干细长椭圆循环轨道，定位在轨道内的多个滚珠192，内部圆柱形滚珠保持器193和端部环194、195。滚珠192可能啮合并且抵靠轴130的外表面滚动。可选地，可以将平面线性运动衬套或另一合适的轴承构造用作线性运动轴承组件190。

在实施方案中，井下振荡工具100可能包括推动法兰138抵靠模块化致动器组件170的弹簧140。在该实施方案中，模块化致动器组件170可用于对抗弹簧140轴向移位法兰138。弹簧140可能例如是螺旋弹簧、波形弹簧或盘形弹簧。在可选实施方案中，可以使用第二模块化致动器组件(未图示)代替弹簧140，所述第二模块化致动器组件与模块化致动器组件170在相位上相差180度操作。

弹簧140可以被外壳端部盖罩114固持在外壳110内的适当位置处。外壳端部盖罩114可能包括贯穿形成的中心孔116，以容纳轴130。允许旋转和受限的轴向移动二者的端部盖罩密封158可能提供在轴130与孔116的内壁之间。端部盖罩密封158可能由端部盖罩114携载。端部盖罩密封158可能例如是金属的、陶瓷的、弹性体的或者聚合体的。端部盖罩114可能螺纹连接至外壳110。

轴130可能包括贯穿其壁形成的一个或多个细长流体端口220，所述端口220在轴130的内部与外部之间提供开口。可以视需要提供任何合适数量的端口220。在一些实施方案中，端口220可以用于从钻柱32(图1)的内部33提供加压钻井流体流源，以便液压地对模块化致动器组件170(图10至图12)提供动力，如下文中更加详细地描述。上内部致动器密封224和下内部致动器密封226可能提供在轴130与模块化致动器170的轴向孔172之间的端口220上方和下方。内部致动器密封224、226可能被布置以抵靠孔172的内壁进行密封，同时允许轴130在孔172内的旋转和受限的轴向移动。内部致动器密封224、226可能由轴130携载，并且可能例如是金属的、陶瓷的、弹性体的或者聚合体的。

外壳110可能同样包括贯穿其壁形成的一个或多个流体端口222，所述端口222在外壳110的内部与外部之间提供开口。可以视需要提供任何合适数量的端口222。在一些实施方案中，端口222可以用于从模块化致动器组件170(图10至图12)提供对加压钻井流体的传递，以降低井筒60(图1)的环压66，如下文中更加详细地描述。上外部致动器密封424和下外部致动器密封426可能被提供围绕模块化致动器170的外部圆柱形壁，以便定位在端口222的上方和。外部致动器密封424、426可能被布置以抵靠外壳110的内壁进行密封。外部致动器密封424、426可能例如是金属的、陶瓷的、弹性体的或者聚合体的。

在一些实施方案中，轴130可能包括形成在其中的围绕圆周且沿所述轴的轴向长度的多个凹部或凹槽。在每一凹部内，可能会粘附永磁体210以便生成电力，如下文中更加详细地描述。

图4是根据一个或多个实施方案的具有夏德联轴器的井下振荡工具的部分截面分解透视图。参考图4，外壳110的肩部118可能包括具有径向齿230的面，所述径向齿230可以啮合，并且可以与形成在模块化致动器组件170的肩部啮合面上的互补齿232旋转地锁定。与夏德联轴器一样，此种连接对于机械领域技术人员而言是已知的，并且能够传送高旋转载荷。虽然图示了齿形径向齿，但是也可以视需要使用锯齿或曲线径向齿。可选地，可以使用纵向插销和插孔或者其它合适的布置(未图示)以将模块化致动器170旋转地固定在外壳110内。

类似地，根据一个或多个实施方案，轴130的法兰138可能包括具有径向夏德齿234的面，所述径向夏德齿234可以啮合，并且可以与定位在模块化致动器组件170的正面法兰啮合面上的互补夏德齿236旋转地锁定。虽然图示了齿形径向齿，但是也可以视需要使用锯齿或曲线径向齿。可选地，可以使用纵向插销和插孔或者其它合适的布置(未图示)以将模块化致动器170旋转地固定至轴130。

图5是根据一个或多个实施方案的具有花键接头的井下振荡工具的部分截面分解透视图。参考图5，外壳110可能包括其中的内部花键座240，所述内部花键座240可以啮合，并且可以与围绕模块化致动器组件170的圆周形成的互补的外部花键座242旋转地锁定。花键座240、242可以被设定尺寸以实现滑动配合。可选地，可以使用细齿、键接头、一个或多个平面或其它合适的布置(未图示)以将模块化致动器170旋转地固定在外壳110内。

类似地，根据一个或多个实施方案，轴130可能包括外部花键座244，所述外部花键座244可以啮合，并且可以与定位在模块化致动器组件170的轴向孔172内的互补的内部花键座246旋转地锁定。花键座244、246可以被设定尺寸以实现滑动配合。可选地，可以使用细齿、键接头、一个或多个平面或其它合适的布置(未图示)以将模块化致动器170旋转地固定至轴130。

根据一些实施方案，可以从若干不同的可互换致动器组件选择模块化致动器组件170，取决于地层、钻头和操作人员的需要。例如，图4和图5公开根据实施方案的机械致动器组件170。机械致动器组件170可能包括第一套筒600和第二套筒602。第一套筒600可以被布置，以便利用夏德齿230、232(图4)、花键240、242(图5)或其它合适的布置相对于外壳110旋转地固定。类似地，第二套筒602可以被布置，以便利用夏德齿234、236(图4)、花键座244、246(图5)或其它合适的布置相对于轴130旋转地固定。

当组装井下振荡工具100时，第一套筒600可能顶着外壳110的肩部118，并且第二套筒602可能顶着轴130的法兰138。第一套筒600和第二套筒602可能各自分别具有成型端604、606和至少一个峰部或至少一个谷部，以及优选地被多个纵向谷间隔开的多个纵向峰。在一个或多个实施方案中，成型端可以形成对应的起伏状或波浪形剖面，而在其它实施方案中，成型端可以形成对应锯齿剖面。然而，只要实现本文所描述的振动或振荡运动，本公开就并不限于特定剖面。弹簧140可能推动法兰138抵靠机械致动器组件170，以使得两个成型端604彼此啮合。然后，轴130相对于外壳110的旋转可能会引起第二套筒602的成型端606抵靠第一套筒600的成型端604旋转，从而在峰谷对准(图5)与峰峰对准之间交替地变化。峰峰对准可以利用法兰138轴向移位轴130，以进一步挤压弹簧140。以此方式，轴130和钻头80(图1至图3)可能随着轴130相对于外壳110旋转而轴向振荡。应注意，虽然可以利用沿端部604、606的完整周界的均匀轮廓实现均匀振荡或均匀振动频率，但是在其它实施方案中，端部604、606可以被成型以便产生非均匀振荡，即非均匀振动频率。就这一点而言，可以视需要相应地操纵本文所描述的模块化致动器中的任何一个，以提供均匀或非均匀振荡。

机械致动器组件170可能特征在于较低的振荡频率。可以改变峰与谷之间的纵向幅度以及成型端604、606的圆周峰峰波长间隔，以提供所需的振荡移位和频率。另外，成型端604、606可能酌情具有锯齿或由峰与谷所界定的其它剖面。

图6至图9图示根据一些实施方案的模块化致动器组件170。每一图的右半面绘示图4的实施方案的旋转锁定特征。每一图的左半面绘示图5的实施方案的旋转锁定特征。参考图6至图9，如上面简要提及，可以从若干不同的可互换致动器选择模块化致动器组件170，取决于地层、钻头和操作人员的需要。一些所述致动器可能需要电力源来运作，并且因此可能包括发电机子组件300。

因此，根据一些实施方案，轴130可能包括形成在其中的围绕圆周且沿所述轴的轴向长度的多个凹部或凹槽。在每一凹部内，可能粘附永磁体210。永磁体210可以随着轴130相对于定位在模块化致动器组件170的发电机子组件300内的电气绕组308旋转而提供交变磁场，以便生成电力。

永磁体210可以被布置，以便创建围绕轴130的圆周的任何偶数数量的交变磁极。如在图9的右半面中所示的第一实例中(也在图4中示出)，可以提供圆盘形磁体210的细长纵向列，其中每一磁体位于离散的圆形凹部中，并且其北磁极和南磁极径向定向。轴向列可能围绕轴130的圆周均匀分布。给定的纵向列中的所有磁体210可能共用相同的径向磁体取向，并且纵列可以界定围绕轴130的圆周的交变北磁极和南磁极。

在如图9的右半面中所示的第二实例中(也在图5中示出)，若干圆周凹槽可能沿轴130的长度形成。在每一圆周凹槽内，可能定位有若干弧形磁体210。弧形磁体210可能具有径向或近似径向磁体取向，或者其可能具有圆周或近似圆周磁体取向。无论如何，弧形磁体210可能被定位以便界定围绕轴130的圆周的纵向细长交变北磁极和南磁极。

磁体210可以界定围绕轴130的圆周的任何偶数数量的交变磁极。较大数量的磁极，例如十二个磁极，可能允许在轴130的较低旋转速度下的有效电压生成。另外，磁体210的仔细选择和取向可以将嵌齿效应降至最低。在实施方案中，可以使用钕铁硼磁体210，因为钕铁硼磁体是目前商业化生成的磁体材料中最强大的。然而，也可以酌情使用其它类型的磁体。

发电机子组件300可以形成模块化致动器组件170的一部分，以便提供电力和/或测速信号，以用于对模块化致动器组件170进行振荡控制的目的。发电机子组件300可能包括具有外直径的圆柱形发电机主体302，以便滑动地接收在外壳110内。发电机子组件300可能被布置成相对于外壳110旋转地固定。例如，发电机主体302的第一端可能包括用于与肩部118的夏德齿230啮合的夏德齿232(在图6至图9的右半面中图示)，或者发电机主体302的外圆周可能包括用于与外壳110的内部花键座240啮合的外部花键座242(在图6至图9的左半面中图示)。发电机主体302可能包括贯穿形成的轴向孔172，以容纳轴130。

环形电气电枢绕组组件308可能被提供围绕轴向孔172的圆周以便轴向对准，并且因此当组装井下振荡工具100时与磁体210磁性耦接。因此，在所述实施方案中，发电机子组件300可能更加特定地被归类为永磁体交流发电机，因为永磁场在定子电枢绕组内旋转。磁体210可能分布在轴130上，以使得磁极的有效轴向长度比绕组组件308长并且向上延伸超过所述绕组组件308。因此，随着轴130通过模块化致动器组件170相对于外壳110轴向向下移位，可以维持转子磁极与绕组组件308之间的磁通量耦接。

虽然未详细地明确图示，但是电枢绕组组件308可能包括界定面向内的径向槽口的叠层铁芯，导电体缠绕在所述槽口中。可以酌情改变电枢磁极的数量以及铁芯和绕组的布置，以产生所需的发电特征。

发电机302可能包括或界定用于进入电枢绕组组件308的电气端子的一个或多个隔间312。整流器、调压器以及其它电路系统、组件和/或用于互连和控制的连接器314以及模块化致动器组件170可以安装在隔间312内。虽然图示了两个所述圆形隔间312，但是也可以酌情使用其它形状和数量的隔间312。

在一些实施方案中，模块化致动器组件170可能包括发动机子组件300和可交换的致动器子组件174，所述可交换的致动器子组件174是液压、电气或电子致动器子组件，如下面更加详细地描述。发电机子组件300可能与致动器子组件174电气连接，以便为致动器子组件174提供动力和/或控制。出于这个原因，致动器子组件174相对于发电机子组件300旋转地固定可能有利的。因此，发电机主体302的配合端还可能包括与致动器子组件174的夏德齿322啮合的夏德齿320。可选地，虽然未明确图示，但是可以提供致动器区段174与外壳110之间的花键接合点、纵向插销和插孔、细齿、键接头等，以防止发电机子组件300与致动器子组件174之间的相对旋转。

与图4和图5中下部套筒602必须保持与轴130旋转地锁定的机械致动器组件170不同，包括发电机子组件300和可互换的致动器子组件174的模块化致动器组件170可能不需要与轴旋转地锁定。因此，所述模块化致动器组件170可能包括可以促进法兰138与模块化致动器组件170之间的自由旋转的法兰轴承或衬套组件180。

在一些实施方案中，模块化致动器组件170可以液压方式操作。大体而言，返回参考图1至图3，来自钻柱32的内部33的加压钻井流体可以流到轴130的中空内部。然后，该钻井流体可以经由轴130中的细长端口220选择性地进入模块化致动器组件170，并且可以在液压缸内轴向移位活塞，这反过来可以相对于外壳110移位法兰138。此后，液压缸内的加压流体可以经由贯穿外壳110形成的端口222通风至较低压力井筒环带66，从而允许弹簧140将法兰138返回至初始位置。可以重复该循环，以振荡钻头80。

图10图示根据实施方案的具有液压提供动力式可互换致动器子组件174的模块化致动器组件170。图10的右半面绘示图4的实施方案的旋转锁定特征。图10的左半面绘示图5的实施方案的旋转锁定特征。图10A图示图10的具有图4的实施方案的旋转锁定特征的模块化致动器组件170。图10A的左半面绘示呈收缩状态的井下振荡工具100，其中弹簧140推动法兰138抵靠模块化致动器组件170。图10A的右半面绘示呈轴向膨胀状态的井下振荡工具100，其中模块化致动器组件170推动法兰138挤压弹簧140。

致动器子组件174可能包括阀门子组件176。图11更加详细地图示阀门子组件176。参考图10、图10A和图11，阀门子组件176可能包括圆柱形阀门主体402，所述阀门主体402具有外直径以便滑动地接收在外壳110内。阀门子组件176可能被布置成相对于发电机子组件300旋转地固定。出于这个原因，阀门主体402的第一配合端可能包括用于与肩部发电机子组件300的夏德齿320啮合的夏德齿322，或者阀门主体402的外圆周可能包括用于啮合并且将阀门主体402旋转地锁定在外壳110内的外部花键座(未图示)。也可以使用其它锁定布置，包括细齿、键接头、纵向插销和插孔等。阀门主体402可能包括贯穿形成的轴向孔172以容纳轴130。

阀门主体402可能包括形成在其中的一个或多个安装空腔410，换向液压阀412可以接收在所述空腔410中。在实施方案中，提供两个所述安装空腔410，尽管也可以使用不同的数量。在实施方案中，每一阀412可能是三个端口、两个位置的阀，所述阀或者液压耦接普通端口414，或者至供应端口415，或者至通风端口416。然而，也可以使用单独的两个端口的阀(未图示)来提供该三个端口功能性。阀门412可能是滑阀或提升阀。在实施方案中，阀门412可以由螺线管413操作，并且由发电机子组件300提供动力和控制。然而，在另一实施方案中(未图示)，阀门子组件176可以使用完全液压或机械控制和致动的阀门来代替螺线管操作的阀门。在该实施方案中，发电机子组件300可能是不必要的。

对于每一安装空腔410，纵向导管417可能形成在阀门主体402内，以将普通端口414流体地连接至一个或多个液压缸，如下面更加详细地描述。内部径向导管418可能形成在阀门主体402中，位于支撑端口415与轴向孔172之间。内部径向导管418可以被定位，以使得当组装井下振荡工具100时，导管418轴向对准并且与轴130中的细长端口220流体地耦接。端口220的纵向可能是细长的，以允许轴130相对于阀门主体402的受限的轴向移位，同时维持与导管418的流体连通。上内部致动器密封224和下内部致动器密封226可能提供在轴130与模块化致动器170的轴向孔172之间的端口220上方和下方。内部致动器密封224、226可能被布置以抵靠孔172的内壁进行密封，同时允许轴130在孔172内的旋转和受限的轴向移动。

类似地，外部径向导管419可以形成在阀门主体402中，位于阀门主体402的通风端口416与外部圆柱形壁之间。外部径向导管419可以被定位，以使得当组装井下振荡工具100时，导管419轴向对准并且与外壳110中的端口222流体地耦接。上外部致动器密封424和下外部致动器密封426可能被提供围绕阀门主体402的外部圆柱形壁，位于外部径向导管419的上方和下方。外部致动器密封424、426可能被布置以抵靠外壳110的内壁进行密封。外部致动器密封424、426可能例如是金属的、陶瓷的、弹性体的或者聚合体的。

在实施方案中，如图10中所示，液压致动器子组件174可以界定单个环形液压缸440。具体地说，阀门主体402可以界定液压缸440的第一端，其中纵向导管417打开至缸440中。轴130的外壁可以界定缸440的内壁，并且外壳110的内壁可以界定缸440的外壁。法兰138可以直接充当活塞，并且由此界定液压缸440的第二可移动端。间隔环430可能提供在阀门主体402与法兰138之间，并且提供最小缸容积。

在另一实施方案中，如图12和图12A中所示，液压致动器子组件174可能包括若干离散的液压缸441，所述若干离散的液压缸441成圆形地定位且纵向地连接在环形液压歧管442与环形载板444之间。图12的右半面绘示图4的实施方案的旋转锁定特征。图12的左半面绘示图5的实施方案的旋转锁定特征。图12A图示图12的具有图4的实施方案的旋转锁定特征的模块化致动器组件170。图12A的左半面绘示呈收缩状态的井下振荡工具100，其中弹簧140推动法兰138抵靠模块化致动器组件170。图12A的右半面绘示呈轴向膨胀状态的井下振荡工具100，其中模块化致动器组件170推动法兰138挤压弹簧140。

歧管442可能包括将每一液压缸441与纵向导管417流体地耦接的循环流路径。当组装井下振荡工具100时，载板444可能被定位且抵靠法兰轴承或衬套组件180作用以将法兰138移位。

虽然已经描述液压致动器子组件174，所述液压致动子组件174可能包括若干离散的液压缸441，所述若干离散的液压缸441成圆形地定位且纵向地连接在上部环形构件与下部环形构件之间，但是在另一实施方案中(未图示)，所述液压致动器可能被诸如螺线管等电线性致动器的循环阵列所代替。在该实施方案中，可以使用发电机子组件300，但是可能不需要阀门子组件176。

图13是图示根据实施方案的可互换压电致动器子组件174的轴向截面透视图，所述可互换压电致动器子组件174可以与发电机子组件300(图6至图9)结合使用以形成电子模块化致动器组件170。与上面图10和图12的液压致动器子组件174一样，压电致动器子组件174可能由发电机子组件300提供动力和控制。因此，压电致动器子组件174的第一端可能包括用于与发电机子组件300的夏德齿320啮合的夏德齿322，或者压电致动器子组件174的外圆周可能包括用于啮合且旋转地锁定在外壳110内的外部花键座(未图示)。也可以使用其它锁定布置，包括细齿、键接头、纵向插销和插孔等。压电致动器子组件174可能包括贯穿形成的轴向孔172以容纳轴130。

在一些实施方案中，压电致动器子组件174可能包括一个或多个垫圈形或套筒形膨胀构件500，所述构件500可能共同地被轴向、径向或圆周堆叠。图13中图示轴向堆叠。每一环形膨胀构件500可能包括一个或多个压电元件510。在图13中图示的实施方案中，每一膨胀构件500可能包括一个环形压电元件510。然而，也可以酌情使用其它布置。

可以改变膨胀构件500和压电元件510的特定形状、尺寸和布置，以获得所需的共振频率。共振频率范围可能在例如200kHz与10MHz之间，以提供钻头80(图1)的超声振动。

每一压电元件510可能由诸如钛酸钡(BaTiO₃)或锆钛酸铅(PZT)等铁电陶瓷材料形成。可以在市场上买到所述陶瓷材料的许多变化形式和构造。另外，压电元件510可能掺杂有诸如镍、铋、镧、钕和/或铌等离子，以优化压电和介电性质。

当跨压电元件510施加电压时，压电元件510可以操作以通过反压电效应沿预确定的方向膨胀。铁电陶瓷压电材料中的膨胀方向由陶瓷的微晶体内的铁电畴的宏观取向确定。铁电畴的宏观取向可以在压电元件510的制造期间通过强电场下的铁电极化过程设置，以使得压电致动器子组件174在外壳110(例如，图6)内轴向膨胀以将法兰138移位。

每一压电元件510可能包括沿陶瓷材料的膨胀轴线定位在相对端处的正电极502和负电极504。压电元件510可能还包括介电层506，以允许多个压电元件510的相邻定位。正电极502和负电极504可以通过导电体508连接至发电机子组件300(图6)内的控制电路系统314。

图14是根据另一实施方案的环形膨胀构件500的平面视图。每一环形膨胀构件500可能包括若干弯张致动机构512。若干膨胀构件500可能与对准的弯张致动机构512堆叠，以形成压电致动器子组件174。

图15是呈收缩状态的弯张致动机构512的透视图，且图16是呈膨胀状态的弯张致动机构512的透视图。参考图15和图16，每一弯张致动机构512可能包括定位在金属运动学放大框架522内的一个或多个压电元件510。放大框架522可能包括通过金属弯曲腹板526连接的端块524。弯曲腹板526可以充当被设计以在设计的疲劳应力极限内弯曲的无摩擦铰链。弹簧钢丝528可以耦接在端块524之间，以将压电元件510保持在压缩预加载荷下。如图16中所示，当压电元件510在由箭头530指示的纵向方向上施加的电场下膨胀时，框架522如由箭头532所指示在横向上膨胀。然而，可以视需要对弯张致动机构512进行布置，以实现压电元件收缩下的框架膨胀。

图17是根据实施方案的用于轴向振动井下钻头的方法700的流程图。参考图3和图17，在步骤704中，可以将第一模块化致动组件170安装在外壳110与轴130之间。模块化致动器组件170可能要求外壳110内的特定径向取向，以实现端口的对准等。可以借助于例如加标夏德齿、花键座、钥匙、标记或其它戳记的使用确保正确的径向对准。

此后，如图3的分解视图中所图示，重新组装井下振荡工具100。在特定图示的实施方案中，轴130可以插入穿过模块化致动器组件170的孔172，直到花键座132滑动地接收在驱动轴92的花键座134内为止。接着，可以将弹簧140插入到外壳110中，并且外壳端部盖罩114连接至外壳110。

在步骤708中，可以在连接器136处将钻头80安装至轴130。然后，可以将井下振荡工具100运送到井筒60(图1)中。钻井期间，在步骤712中，轴向力可以利用钻柱32、外壳110、第一模块化致动器组件170和轴130施加在钻头80上。如步骤716中所示，轴130可以利用例如泥浆马达驱动轴92相对于外壳110旋转。在步骤720中，随着轴130相对于外壳110旋转，轴130可以通过第一模块化致动器组件170在第一频率下振荡。

随着钻井继续，可以监测与钻井相关联的各种参数。这些参数可能与以下中的一个或多个相关：钻柱、井筒流体、井筒钻屑、地层流体、井筒和地层组成物。基于这些参数中的一个或多个，或者这些参数的变化，可以确定应当使用不同的模块化致动器。例如，井筒的底部处的岩壁的变化可能指示需要可以在不同频率下操作模块化致动器，以便将钻井过程期间的ROP最大化。前述监测可能就地发生或者在地表发生，并且并不限于任何特定类型的监测装置。在任何情况下，基于需要不同模块化致动器的确定，分别在步骤724和728中，可以将井下振荡工具100从井筒60移除并拆开。可以使用第二模块化致动器组件170代替第一模块化致动器组件170，并且可以重新组装井下振荡工具并重新回到井筒60(图1)中。此后，随着轴130相对于外壳110旋转，轴130可以通过第二模块化致动器组件170在第二频率下振荡。

可选地，在模块化致动器组件170的一些实施方案的情况下，诸如电气、压电和液压布置，控制电路系统314(例如，图6)可以允许振动频率的就地调整，无需使井下振荡工具100离开井筒13(图1)。可以使用各种遥测技术，包括泥浆脉冲遥测、管道中电线等，以从地表与控制电路系统314通信。

图18是根据另一实施方案的用于轴向振动井下钻头的方法750的流程图。参考图3和图18，在步骤754中，可以将压电元件510提供在外壳110与轴130之间。压电元件510的设计不必是模块化的或者可互换的。在一些实施方案中，可以提供呈一个或多个垫圈形或套筒形膨胀构件500形式的多个压电元件，所述构件500可能共同地被轴向、径向或圆周堆叠。图13中图示轴向堆叠。每一环形膨胀构件500可能包括一个或多个压电元件510。在图13中图示的实施方案中，每一膨胀构件500可能包括一个环形压电元件510。然而，也可以酌情使用其它布置。

可以改变膨胀构件500和压电元件510的特定形状、尺寸和布置，以获得所需的共振频率。共振频率范围可能在例如200kHz与10MHz之间，以提供钻头80的超声振动。

每一压电元件510可能由诸如钛酸钡(BaTiO₃)或锆钛酸铅(PZT)等铁电陶瓷材料形成。可以在市场上买到所述陶瓷材料的许多变化形式和构造。另外，压电元件510可能掺杂有诸如镍、铋、镧、钕和/或铌等离子，以优化压电和介电性质。

图14是根据另一实施方案的环形膨胀构件500的平面视图。每一环形膨胀构件500可能包括若干弯张致动机构512。若干膨胀构件500可能与对准的弯张致动机构512堆叠，以形成压电致动器子组件174。

图15是呈收缩状态的弯张致动机构512的透视图，且图16是呈膨胀状态的弯张致动机构512的透视图。参考图15和图16，每一弯张致动机构512可能包括定位在金属运动学放大框架522内的一个或多个压电元件510。放大框架522可能包括通过金属弯曲腹板526连接的端块524。弯曲腹板526可以充当被设计以在设计的疲劳应力极限内弯曲的无摩擦铰链。弹簧钢丝528可以耦接在端块524之间，以将压电元件510保持在压缩预加载荷下。如图16中所示，当压电元件510在由箭头530指示的纵向方向上施加的电场下膨胀时，框架522如由箭头532所指示在横向上膨胀。然而，可以视需要对弯张致动机构512进行布置，以实现压电元件收缩下的框架膨胀。

回头参考图3和图18，在步骤758中，可以在连接器136处将钻头80安装至轴130。此后，可以将井下振荡工具100下降到井筒13(图1)中。此后，可以跨压电元件510施加电场，以相对于外壳110轴向移位轴130。更确切地说，可以施加振荡电场以振荡钻头80。

当跨压电元件510施加电压时，压电元件510可以操作以通过反压电效应沿预确定的方向膨胀。铁电陶瓷压电材料中的膨胀方向由陶瓷的微晶体内的铁电畴的宏观取向确定。铁电畴的宏观取向可以在压电元件510的制造期间通过强电场下的铁电极化过程设置，以使得压电元件510引起轴向膨胀从而将法兰138移位。

每一压电元件510可能包括沿陶瓷材料的膨胀轴线定位在相对端处的正电极502和负电极504。压电元件510可能还包括介电层506，以允许多个压电元件510的相邻定位。正电极502和负电极504可以通过导电体508连接至发电机子组件300(例如，图6)内的控制电路系统314。然而，也可以使用用于提供电力的其它布置，包括电池、管道内电线等。

随着钻井继续，可以监测与钻井相关联的各种参数。这些参数可能与以下中的一个或多个相关：钻柱、井筒流体、井筒钻屑、地层流体、井筒和地层组成物。基于这些参数中的一个或多个，或者这些参数的变化，可以确定应当使用振动频率。例如，井筒的底部处的岩壁的变化可能指示需要可以在不同频率下操作模块化致动器，以便将钻井过程期间的ROP最大化。前述监测可能就地发生或者在地表发生，并且并不限于任何特定类型的监测装置。控制电路系统314(例如，图6)可以允许振动频率的就地调整，无需使井下振荡工具100离开井筒13(图1)。可以使用各种遥测技术，包括泥浆脉冲遥测、管道中电线等，以从地表与控制电路系统314通信。

总之，已经描述了用于轴向振动井下钻头的井下振荡工具、系统和方法。振荡工具的实施方案可能大体上具有：管状外壳；轴，其部分设置在所述外壳内并且延伸超过所述外壳的底端，所述轴可旋转地且轴向地相对于外壳移动；以及模块化致动器组件，其可互换地携载在所述外壳内并且被设置以随着轴相对于外壳旋转而相对于外壳轴向振荡所述轴。系统的实施方案可能大体上具有：管状外壳；轴，其部分设置在所述外壳内并且延伸超过所述外壳的底端，所述轴可旋转地且轴向地相对于外壳移动；以及多个可互换模块化致动器组件，每一可互换模块化致动器组件可互换地固定在所述外壳内并且当被如此固定时，被设置以随着轴相对于外壳旋转而相对于外壳轴向振荡所述轴。方法的实施方案可能大体上包括：在外壳与轴之间安装可互换的第一模块化致动器组件；将钻头连接至轴的远端；利用外壳、第一模块化致动器和轴在钻头上施加轴向力；相对于外壳旋转所述轴；以及随着轴相对于外壳旋转，通过第一模块化致动器组件相对于外壳以第一频率轴向振动所述轴。

前述实施方案中的任何一个可能包括以下要素或特征中的任何一个，单独或彼此组合：围绕外壳的内圆周形成的环形肩部；围绕轴的外圆周形成的法兰，所述法兰定位在所述外壳内；设置在外壳内的弹簧以便将法兰偏置朝向所述肩部；模块化致动器组件可互换地携载在肩部与法兰之间，并且被设置以随着轴相对于外壳旋转而相对于肩部抵靠弹簧轴向振荡活塞；所述模块化致动器组件包括贯穿形成的轴向孔；所述轴穿过所述孔；所述模块化致动器组件的至少一部分通过由至少夏德接头、花键、细齿和键接头组成的组中的一者相对于外壳旋转地固定；发电机，其设置在外壳内并且被耦接以便为模块化致动器组件提供动力；发电机的绕组设置的模块化致动器组件内；所述轴携载至少一个磁体；所述模块化致动器组件包括至少一个线圈，所述线圈相对于外壳旋转地固定并且与所述至少一个磁体电感耦接，以便通过轴相对于外壳的旋转生成电势；所述模块化致动器组件是由至少机械致动器组件、液压致动器组件和压电致动器组件组成的组中的一者；第一套筒，其被布置以便相对于外壳旋转地固定并且具有成型端，所述成型端具有由多个纵向谷间隔开的多个纵向峰；第二套筒，其被布置以便相对于轴旋转地固定并且具有成型端，所述成型端具有由多个纵向谷间隔开的多个纵向峰，所述第二套筒的成型端啮合所述第一套筒的成型端；由将第二套筒旋转地固定至轴的至少夏德接头、花键、细齿和键接头组成的组中的一者；所述轴是中空的并且界定内部；所述液压致动器组件包括或至少部分界定液压缸、第一流径和第二流径，所述液压缸可操作以相对于外壳在轴上施加轴向力，所述第一流径液压地耦接在轴的内部与液压缸之间，且所述第二流径液压地耦接在液压缸与外壳的外部之间；所述液压缸包括围绕轴的外圆周形成并且动态地密封抵靠外壳的内壁的活塞；所述液压缸包括围绕外壳内的轴设置的多个离散液压缸；阀门，其可操作地设置在第一流径和第二流径的至少一个中，以便控制液压缸中的压力；压电致动器包括具有至少一个压电元件的至少一个环形膨胀构件；所述至少一个压电元件是环形的，并且特征在于在施加的电场下轴向膨胀；所述至少一个环形膨胀构件包括弯张机构；所述至少一个压电元件可操作地耦接在弯张机构内；环形肩部，其围绕外壳的内圆周形成；围绕轴的外圆周形成的法兰，所述法兰定位在外壳内；弹簧，其设置在外壳内以便将法兰偏置朝向所述肩部；所述多个模块化致动器组件被设定尺寸，并且被布置成可互换地设置在肩部与法兰之间，以便随着轴相对于所述外壳旋转相对于所述肩部抵靠弹簧轴向振荡所述法兰；所述轴携载磁体；所述多个模块化致动器组件中的至少一个包括与磁体磁通信的绕组以形成发电机；所述多个模块化致动器组件包括由机械致动器组件、液压致动器组件和压电致动器组件组成的组中的一者或多者；所述多个模块化致动器组件包括由低频致动器组件、中频致动器组件和高频致动器组件组成的组中的一者或多者；所述机械致动器组件包括第一套筒、第二套筒和所述第一套筒与第二套筒之间的成型界面，所述第一套筒被布置以便相对于所述外壳旋转地固定，所述第二套筒被布置以便相对于所述轴旋转地固定，且所述成型界面界定由多个纵向谷间隔开的多个纵向峰；液压致动器组件包括或至少部分界定液压缸和至少一个阀门，所述阀门用于交替地将液压缸流体耦接在轴的内部与外壳的外部之间；压电致动器组件包括至少一个压电元件；用第二模块化致动器组件代替第一模块化致动器组件；随着轴相对于外壳旋转，通过第二模块化致动器组件以第二频率相对于外壳轴向振动所述轴；在外壳与轴之间安装机械模块化致动器组件；将机械模块化致动器组件的第一套筒旋转地固定至所述外壳；将机械模块化致动器组件的第二套筒旋转地固定至所述轴；随着轴相对于外壳旋转，相对于第一套筒轴向振荡第二套筒；将液压模块化致动器组件安装在外壳与轴之间；利用来自轴的内部的钻井流体对液压模块化致动器组件的液压缸加压，以便轴向移位活塞；通过活塞相对于外壳将轴移位；将加压的液压缸通风至外壳的外部；将压电模块化致动器组件安装在外壳与轴之间；跨压电模块化致动器组件的压电元件选择性地施加电场，以便沿尺寸膨胀压电元件；监测与钻井相关联的参数；当监测的参数变化时，使用第二模块化致动器组件代替第一模块化致动器组件，并且随着轴相对于外壳旋转，通过第二模块化致动器组件以第一频率相对于外壳轴向振动所述轴；监测与钻井相关联的参数；并且当监测的参数变化时，随着轴相对于外壳旋转，通过第一模块化致动器组件以第一第二相对于外壳轴向振动所述轴。

本公开的摘要仅用于提供用以通过粗略阅读快速确定技术公开的性质和要点的方法，并且其仅代表一个或多个实施方案。

虽然已经详细图示各种实施方案，但是本公开并不限于示出的实施方案。本领域技术人员可以想到以上实施方案的修改和调整。所述修改和调整在本公开的精神和范围内。