钻井装置及钻井方法与流程

1.本发明涉及石油工程钻井技术领域，特别地涉及一种钻井装置钻井方法。


背景技术：

2.气体(包括空气、氮气、天然气等)钻井是以高压气体替代普通钻井液，把钻井过程中产生的岩屑携带到地面同时对钻头进行冷却降温，然后经过专用排砂管线排人至废砂坑的一种钻井模式。气体钻井技术能最大程度的提高机械钻速，钻速可达常规泥浆钻井的3-8倍，同时也是解决井漏，保护和发现油气层最有效的方法之一，在油气田勘探开发中发挥了积极作用。
3.但是，采用气体钻井技术也具有一定的局限性。例如地层一旦出水，环空中粉尘和岩屑遇到地层水时相互结块，形成大的岩屑团，当岩屑团无法被气体带出井筒时便在井筒某处粘附聚集，继而形成泥饼圈，并粘附在井壁和钻具上，堵塞环空通道，如不及时采取措施，最终将导致卡钻或其它井下复杂事故。
4.当气体钻井地层出水时，现有技术中采用的方法是，采用增大气体排量、转换雾化钻井、泡沫钻井等措施，以提高对地层出水的适应性，或者在循环气体中添加吸水剂等措施来降低地层出水影响，上述方法的适用范围有限，尤其是当地层出水量较大时，只能转换回常规的泥浆钻井方式，因此也就失去了气体钻井的优点。
5.因此针对气体钻井过程中地层出水，岩屑粉尘遇到地层水时相互结块，并粘附在井壁和钻具上，堵塞环空通道，导致卡钻等井下复杂问题，需要一种新的钻井装置和/或方法。


技术实现要素：

6.本发明提供一种钻井装置，用于至少解决上述一个技术问题。
7.根据本发明的第一个方面，本发明提供一种钻井装置，包括用于设置在井筒中的钻具，所述钻具中设置有第一通道，所述钻具的第一端和第二端分别为所述第一通道的入口和出口；
8.所述钻具的外壁和所述井筒的内壁形成第二通道，所述井筒的上端为所述第二通道的出口，所述第一通道的出口和所述第二通道的入口相连通；
9.流体从所述钻具的第一端进入所述第一通道，并从所述钻具的第二端排出第一通道至所述第二通道时，将钻井过程中产生的岩屑同时排出至所述第二通道，并且流体带动岩屑从所述第二通道的出口排出所述井筒；
10.还包括设置在所述钻具上的振动装置，所述振动装置与所述第一通道相连通，当流体流过所述振动装置时，所述振动装置产生振动从而使所述钻具和/或所述井筒上粘附的附着物脱落。
11.在一个实施方式中，所述振动装置为声波振动发生器。
12.在一个实施方式中，所述振动装置为喷注式声波发生器或帕尔曼声波发生器。
13.在一个实施方式中，所述喷注式声波发生器包括主体、设置在所述主体内部的喷嘴以及设置在所述喷嘴的出口处的谐振元件，所述谐振元件具有谐振腔，所述谐振腔与所述喷嘴的出口相对设置，且与所述喷嘴共轴线。
14.在一个实施方式中，所述喷嘴的出口喷射出的流体的射流频率与所述谐振腔的本征频率一致。
15.在一个实施方式中，所述喷注式声波发生器还包括调节支座，所述调节支座分别与所述喷嘴和所述谐振元件相连，以将所述谐振元件固定在所述喷嘴的出口处。
16.在一个实施方式中，所述调节支座包括可调节连接部，所述谐振元件上远离所述谐振腔的一端与所述可调节连接部相连，所述可调节连接部使所述谐振腔与所述喷嘴的出口之间的距离可调节。
17.在一个实施方式中，所述可调节连接部中设置有螺纹孔，所述谐振元件上远离所述谐振腔的一端与所述螺纹孔形成螺纹连接，所述谐振元件上远离所述谐振腔的一端调节其旋入所述螺纹孔的深度，从而使所述谐振腔与所述喷嘴的出口之间的距离可调节。
18.在一个实施方式中，所述调节支座还包括支腿，所述支腿的其中一端设置在所述可调节连接部的外侧，另一端设置与所述喷嘴相连，所述支腿的数量至少为两个，至少两个所述支腿环绕所述谐振元件的周向设置。
19.在一个实施方式中，所述钻具包括钻杆以及设置在所述钻杆末端的钻头，所述钻杆的数量至少为两节，每一节所述钻杆上至少设置一个所述喷注式声波发生器。
20.在一个实施方式中，所述喷注式声波发生器还包括设置在所述主体一端的第一连接头以及设置在所述主体另一端的第二连接头，所述第一连接头伸入其中一节所述钻杆中并与其固定连接，所述第二连接头容纳另一节所示钻杆并与其固定连接。
21.根据本发明的第二个方面，本发明提供一种钻井用钻具，包括钻杆以及设置在所述钻杆末端的钻头，所述钻杆的数量至少为两节，至少在一个所述钻杆上设置振动装置，所述振动装置用于产生振动以使所述钻具上粘附的附着物脱落。
22.根据本发明的第三个方面，本发明提供一种钻井用振动装置，所述振动装置设置在所述钻井用钻具上，用于产生振动以使所述钻井用钻具上粘附的附着物脱落。
23.根据本发明的第四个方面，本发明提供一种钻井方法，包括以下操作步骤：
24.s1：将钻具设置在井筒中，其中，所述钻具中设置有第一通道，所述钻具的第一端和第二端分别为所述第一通道的入口和出口，所述钻具的外壁和所述井筒的内壁形成第二通道，所述井筒的上端为所述第二通道的出口，所述第一通道的出口和所述第二通道的入口相连通；
25.s2：在所述钻具上设置振动装置，其中，所述振动装置用于产生振动以使所述钻具和/或所述井筒上粘附的附着物脱落；
26.s3：使流体从所述钻具的第一端进入所述第一通道，并从所述钻具的第二端排出第一通道至所述第二通道，流体离开所述第一通道时将钻井过程中产生的岩屑同时排出至所述第二通道，并且流体带动岩屑从所述第二通道的出口排出所述井筒；当流体流过所述振动装置时，所述振动装置产生振动从而使所述钻具和/或所述井筒上粘附的附着物脱落。
27.与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在钻具上安装振动装置，利用注入的气体使振动装置产生高频振动，从而使使粘附在钻具和/或井筒上的泥团脱落，能够避免形成
泥饼圈造成钻具卡钻等事故，并大大降低了地层出水对气体钻井的影响。
附图说明
28.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。
29.图1是本发明的实施例中钻井装置的结构示意图；
30.图2是图1所示的喷注式声波发生器的剖视图；
31.图3是图1所示的喷注式声波发生器的立体剖视图；
32.图4是图2所示的调节支座的立体结构示意图；
33.图5是喷注式声波发生器产生的共振原理图；
34.图6和图7是帕尔曼声波发生器的结构示意图。
35.附图标记：
36.1-井筒；2-钻具；3-第一通道；4-第二通道；5-振动装置；
37.21-钻杆2；22-钻头；
38.51-主体；511-第一连接头；512-第二连接头；
39.52-喷嘴；521-喷嘴的出口；
40.53-谐振元件；531-谐振腔；
41.54-调节支座；541-可调节连接部；542-螺纹孔；543-支腿；
42.55-具有高速喷腔的喷嘴；56-支点式簧片；57-悬臂式簧片。
具体实施方式
43.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
44.如图1所示，本发明提供一种钻井装置，尤其适用于气体钻井。本发明的钻井装置包括用于设置在井筒1中的钻具2，钻具2中设置有第一通道3，钻具2的第一端和第二端分别为第一通道3的入口和出口；钻具2的外壁和井筒1的内壁形成第二通道4，井筒1的上端为第二通道4的出口，第一通道3的出口和第二通道4的入口相连通。
45.在使用钻井装置时，流体从钻具2的第一端进入第一通道3，并从钻具2的第二端排出，即从第一通道3排出至第二通道4时，将钻井过程中产生的岩屑同时排出至第二通道4，从而流体可带动岩屑从第二通道4的出口排出井筒1。
46.其中，本发明所述的流体可以是空气、氮气或天然气，或者气体混合物，此外，本发明的流体可以处于高压状态。图1中的箭头表示流体的流向。
47.本发明的钻井装置，还包括设置在钻具2上的振动装置5，振动装置5与第一通道3相连通，当流体从钻具2的第一端进入第一通道3，并流过振动装置5时，振动装置5产生振动从而使钻具2和/或井筒1上粘附的附着物脱落。
48.其中，附着物为岩屑和水混合形成泥团或泥饼圈。
49.实施例1
50.振动装置5为声波振动发生器，通过声波振动发生器产生振动和高频声波，高频声波和振动对粘附在钻具2和/或井筒1上的泥饼圈或泥团进行机械振动作用和空化作用，从而促使泥团和泥饼圈从钻具2和/或井筒1上脱落，并被粉碎成小颗粒，从而及时被气体携带出地面，以避免泥饼圈的形成而造成的卡钻等事故。
51.实施例2
52.振动装置5为喷注式声波发生器，即哈特曼(hartmann)声波发生器。其原理是以高速流体为动力源，在机械装置中产生振动同时激发声波。
53.下面对喷注式声波发生器的结构进行详细地说明。
54.喷注式声波发生器包括主体51、设置在主体51内部的喷嘴52以及设置在喷嘴的出口521处的谐振元件53，谐振元件53具有谐振腔531，谐振腔531与喷嘴的出口521相对设置，且与喷嘴52共轴线。
55.喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率f1与谐振腔531的本征频率f2一致，即f1＝f2。
56.如图2-4所示，主体51为圆柱结构，其内部设置有空腔，以容纳喷嘴52和谐振元件53。喷嘴52为声波激发源，其构造为锥形构件，喷嘴52的轴线与主体51的轴线共线。谐振腔531是一种机械式的共振腔，用来反射高速流体，达到与来流相碰撞目的，属于能量反馈系统。
57.喷嘴的出口521朝向谐振元件53的谐振腔531，以向谐振腔531喷射流体。喷嘴521和谐振腔531构成了喷注式声波发生器的基本振动单元。流体进入喷嘴521后从喷嘴的出口521高速射出，喷出的流体在喷嘴的出口521前形成一个扩散区域。如图5所示，该扩散区域可以分为流体压力变化区域、流体碰撞区域和流体反冲区域。由于该扩散区域内流体压力呈周期性的变化，因此在该扩散区域中放置具有谐振腔531的谐振元件53，即可形成一个谐振系统。当呈周期性压力变化的流体进入谐振腔531后，会使谐振腔531的压力逐渐升高并最终反馈出来，从而形成声波振荡。当喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率与谐振腔531的本征频率一致时，就会发生共振，继而产生高强度的声波和超声波。高频声波和振动对粘附在钻具2和井筒1上的泥饼圈或泥团有机械振动作用和空化作用，从而促使泥团和泥饼圈从钻具2和井筒1上脱落，并被粉碎成小颗粒，从而及时被气体携带出地面，以避免泥饼圈的形成而造成的卡钻等事故。
58.需要说明的是，图5所示的箭头为流体的流动方向。
59.进一步地，喷注式声波发生器还包括调节支座54，调节支座54分别与喷嘴52和谐振元件53相连，以将谐振元件53固定在喷嘴的出口521处。此外，为了便于安装，可将调节支座54设置为与主体51、喷嘴52即谐振元件53共轴线。
60.调节支座54包括可调节连接部541，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与可调节连接部541相连，可调节连接部541使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
61.具体地，可调节连接部541中设置有螺纹孔542，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与螺纹孔542形成螺纹连接，谐振元件53上远离谐振腔531的一端调节其旋入螺纹孔542的深度，从而使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
62.调节支座54还包括支腿543，支腿543的其中一端设置在可调节连接部541的外侧，另一端设置与喷嘴52相连，支腿543的数量至少为两个，至少两个支腿543环绕谐振元件53的周向设置。
63.如图4所示，支腿543的数量为3个，因此调节支座54又可称为3瓣结构，其围绕谐振元件53的周向等间距设置，从而可以使气体向下流动(向下流动是指流体沿着如图5中所示的向下的箭头流动)。
64.实施例3
65.本实施例的钻具2包括钻杆21以及设置在钻杆21末端的钻头22，其中，钻杆21的数量至少为两节，钻头22设置在最下游的钻杆21的末端。并且每一节钻杆21上至少设置一个喷注式声波发生器。
66.喷注式声波发生器包括主体51、设置在主体51内部的喷嘴52以及设置在喷嘴的出口521处的谐振元件53，谐振元件53具有谐振腔531，谐振腔531与喷嘴的出口521相对设置，且与喷嘴52共轴线。
67.喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率f1与谐振腔531的本征频率f2一致，即f1＝f2。
68.如图2-4所示，主体51为圆柱结构，其内部设置有空腔，以容纳喷嘴52和谐振元件53。喷嘴52为声波激发源，其构造为锥形构件，喷嘴52的轴线与主体51的轴线共线。谐振腔531是一种机械式的共振腔，用来反射高速流体，达到与来流相碰撞目的，属于能量反馈系统。
69.喷嘴的出口521朝向谐振元件53的谐振腔531，以向谐振腔531喷射流体。喷嘴521和谐振腔531构成了喷注式声波发生器的基本振动单元。流体进入喷嘴521后从喷嘴的出口521高速射出，喷出的流体在喷嘴的出口521前形成一个扩散区域。如图5所示，该扩散区域可以分为流体压力变化区域、流体碰撞区域和流体反冲区域。由于该扩散区域内流体压力呈周期性的变化，因此在该扩散区域中放置具有谐振腔531的谐振元件53，即可形成一个谐振系统。当呈周期性压力变化的流体进入谐振腔531后，会使谐振腔531的压力逐渐升高并最终反馈出来，从而形成声波振荡。当喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率与谐振腔531的本征频率一致时，就会发生共振，继而产生高强度的声波和超声波。高频声波和振动对粘附在钻具2和井筒1上的泥饼圈或泥团有机械振动作用和空化作用，从而促使泥团和泥饼圈从钻具2和井筒1上脱落，并被粉碎成小颗粒，从而及时被气体携带出地面，以避免泥饼圈的形成而造成的卡钻等事故。
70.需要说明的是，图5所示的箭头为流体的流动方向。
71.进一步地，喷注式声波发生器还包括调节支座54，调节支座54分别与喷嘴52和谐振元件53相连，以将谐振元件53固定在喷嘴的出口521处。此外，为了便于安装，可将调节支座54设置为与主体51、喷嘴52即谐振元件53共轴线。
72.调节支座54包括可调节连接部541，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与可调节连接部541相连，可调节连接部541使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
73.具体地，可调节连接部541中设置有螺纹孔542，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与螺纹孔542形成螺纹连接，谐振元件53上远离谐振腔531的一端调节其旋入螺纹孔542的深度，从而使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
74.调节支座54还包括支腿543，支腿543的其中一端设置在可调节连接部541的外侧，另一端设置与喷嘴52相连，支腿543的数量至少为两个，至少两个支腿543环绕谐振元件53的周向设置。
75.如图4所示，支腿543的数量为3个，因此调节支座54又可称为3瓣结构，其围绕谐振元件53的周向等间距设置，从而可以使气体向下流动(向下流动是指流体沿着如图5中所示的向下的箭头流动)。
76.此外，喷注式声波发生器还包括设置在主体51一端的第一连接头511以及设置在主体51另一端的第二连接头512，第一连接头511伸入钻杆21其中一端并与其固定连接，钻杆21的另一端伸入第二连接头512中并与其固定连接。
77.如图3所示，钻杆21有8节，每节钻杆21上均设置有一个喷注式声波发生器。在将钻杆21与喷注式声波发生器相连时，由于第一连接头511的外壁上设置有外螺纹，第二连接头512中设置有内容螺纹，因此将第一连接头511伸入第一节钻杆21中并与其形成螺纹连接，并使第二连接头512容纳第二节钻杆21(位于第一节钻杆21的下游)并与其形成螺纹连接，随后依次进行连接，即可将钻杆伸入裸眼(地层)中。
78.换言之，在本实施例中，喷注式声波发生器分别与其上游的一节钻杆21以及其下游的一节钻杆21相连。
79.实施例4
80.振动装置5为帕尔曼声波发生器。
81.帕尔曼声波发生器包括具有高速喷腔的喷嘴55和设置在高速喷腔的喷嘴55的出口处的弹性簧片，如图6和7所示，高速喷腔-簧片系统是帕尔曼声波发生器的基本振动系统。高速喷腔的喷嘴55的出口为长方形的窄缝喷口，其与弹性簧片保持正对位置。
82.喷嘴55的高速喷腔是流体激发源，属动力系统。弹性簧片是一种机械式共振器，属能量反馈系统。弹性簧片可由黄铜或不锈钢制成。这种声波发生器是1948年由r pohlmann和w janovsky首先发明并应用于工业中的，所以也称之为pohlmann-janovsky哨。
83.可选地，如图6所示，弹性簧片为支点式簧片56。支点式簧片56由四个支撑点支撑固定，因此又称为四支点簧片哨。
84.可选地，如图7所示，性簧片为悬臂式簧片57，悬臂式簧片57的一端固定，另一端可自由振动。
85.帕尔曼声波发生器的振动过程为：喷嘴55喷射出的高速流体冲击在迎面固定的弹性簧片上，射流因本身摆动使弹性簧片受到激振。弹性簧片有其本身的本征频率，射流液片也有其本身的本征频率。通过改变入射液体的压力，液体射流的流速也随之改变。当射流液片的本征频率和弹性簧片的本征频率吻合时，产生共振，就会导致声波的产生。
86.此外，射流液片除本征频率外还存在着多次谐频，同样弹性簧片也存在着本征频率和多次谐频，射流液片与弹性簧片间任意一次谐频的吻合都能产生共振，优选地，二者基频相等，此时吻合时效率最高。
87.实施例5
88.本实施例提供一种钻井方法，具体来说为一种气体钻井方法，其包括以下操作步骤：
89.第一步：将钻具2设置在井筒1中。其中，钻具2中设置有第一通道3，钻具2的第一端和第二端分别为第一通道3的入口和出口；钻具2的外壁和井筒1的内壁形成第二通道4，井筒1的上端为第二通道4的出口，第一通道3的出口和第二通道4的入口相连通。
90.第二步：在钻具2上设置振动装置5。其中，振动装置5与第一通道3相连通。
91.第三步：使流体从钻具1的第一端进入第一通道3，并从钻具2的第二端排出第一通道3至第二通道4，流体离开第一通道3时将钻井过程中产生的岩屑同时排出至第二通道4，并且流体带动岩屑从第二通道4的出口排出井筒1。
92.由于振动装置5与第一通道3相连通，因此当流体流过入第一通道3后，会流过振动装置5，当流体流过振动装置5时，振动装置5产生振动从而使钻具2和/或井筒1上粘附的附着物脱落。
93.本实施例中的流体可以是空气、氮气或天然气，或者气体混合物，此外，本实施例中的流体可以处于高压状态。
94.其中，附着物为岩屑和水混合形成泥团或泥饼圈。
95.进一步地，振动装置5为喷注式声波发生器。钻具2包括钻杆21以及设置在钻杆21末端的钻头22，其中，钻杆21的数量至少为两节，钻头22设置在最下游的钻杆21的末端。并且每一节钻杆21上至少设置一个喷注式声波发生器。
96.具体地，喷注式声波发生器包括主体51、设置在主体51内部的喷嘴52以及设置在喷嘴的出口521处的谐振元件53，谐振元件53具有谐振腔531，谐振腔531与喷嘴的出口521相对设置，且与喷嘴52共轴线。
97.喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率f1与谐振腔531的本征频率f2一致，即f1＝f2。
98.如图2-4所示，主体51为圆柱结构，其内部设置有空腔，以容纳喷嘴52和谐振元件53。喷嘴52为声波激发源，其构造为锥形构件，喷嘴52的轴线与主体51的轴线共线。谐振腔531是一种机械式的共振腔，用来反射高速流体，达到与来流相碰撞目的，属于能量反馈系统。
99.喷嘴的出口521朝向谐振元件53的谐振腔531，以向谐振腔531喷射流体。喷嘴521和谐振腔531构成了喷注式声波发生器的基本振动单元。流体进入喷嘴521后从喷嘴的出口521高速射出，喷出的流体在喷嘴的出口521前形成一个扩散区域。如图5所示，该扩散区域可以分为流体压力变化区域、流体碰撞区域和流体反冲区域。由于该扩散区域内流体压力呈周期性的变化，因此在该扩散区域中放置具有谐振腔531的谐振元件53，即可形成一个谐振系统。当呈周期性压力变化的流体进入谐振腔531后，会使谐振腔531的压力逐渐升高并最终反馈出来，从而形成声波振荡。当喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率与谐振腔531的本征频率一致时，就会发生共振，继而产生高强度的声波和超声波。高频声波和振动对粘附在钻具2和井筒1上的泥饼圈或泥团有机械振动作用和空化作用，从而促使泥团和泥饼圈从钻具2和井筒1上脱落，并被粉碎成小颗粒，从而及时被气体携带出地面，以避免泥饼圈的形成而造成的卡钻等事故。
100.需要说明的是，图5所示的箭头为流体的流动方向。
101.进一步地，喷注式声波发生器还包括调节支座54，调节支座54分别与喷嘴52和谐振元件53相连，以将谐振元件53固定在喷嘴的出口521处。此外，为了便于安装，可将调节支座54设置为与主体51、喷嘴52即谐振元件53共轴线。
102.调节支座54包括可调节连接部541，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与可调节连接部541相连，可调节连接部541使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
103.具体地，可调节连接部541中设置有螺纹孔542，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与螺纹孔542形成螺纹连接，谐振元件53上远离谐振腔531的一端调节其旋入螺纹孔542的深度，从而使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
104.调节支座54还包括支腿543，支腿543的其中一端设置在可调节连接部541的外侧，
另一端设置与喷嘴52相连，支腿543的数量至少为两个，至少两个支腿543环绕谐振元件53的周向设置。
105.如图4所示，支腿543的数量为3个，因此调节支座54又可称为3瓣结构，其围绕谐振元件53的周向等间距设置，从而可以使气体向下流动(向下流动是指流体沿着如图5中所示的向下的箭头流动)。
106.此外，喷注式声波发生器还包括设置在主体51一端的第一连接头511以及设置在主体51另一端的第二连接头512，第一连接头511伸入钻杆21其中一端并与其固定连接，钻杆21的另一端伸入第二连接头512中并与其固定连接。
107.如图3所示，钻杆21有8节，每节钻杆21上均设置有一个喷注式声波发生器。在将钻杆21与喷注式声波发生器相连时，由于第一连接头511的外壁上设置有外螺纹，第二连接头512中设置有内容螺纹，因此将第一连接头511伸入第一节钻杆21中并与其形成螺纹连接，并使第二连接头512容纳第二节钻杆21(位于第一节钻杆21的下游)并与其形成螺纹连接，随后依次进行连接，即可将钻杆伸入裸眼(地层)中。
108.换言之，在本实施例中，喷注式声波发生器分别与其上游的一节钻杆21以及其下游的一节钻杆21相连。
109.实施例6
110.本实施例提供一种钻井方法，具体来说为一种雾化钻井方法，其包括以下操作步骤：
111.第一步：将钻具2设置在井筒1中。其中，钻具2中设置有第一通道3，钻具2的第一端和第二端分别为第一通道3的入口和出口；钻具2的外壁和井筒1的内壁形成第二通道4，井筒1的上端为第二通道4的出口，第一通道3的出口和第二通道4的入口相连通。
112.第二步：在钻具2上设置振动装置5。其中，振动装置5与第一通道3相连通。
113.第三步，采用雾化钻井的方式进行钻井，当流体流过振动装置5时，振动装置5产生振动从而使钻具2和/或井筒1上粘附的附着物脱落。
114.进一步地，振动装置5为喷注式声波发生器。钻具2包括钻杆21以及设置在钻杆21末端的钻头22，其中，钻杆21的数量至少为两节，钻头22设置在最下游的钻杆21的末端。并且每一节钻杆21上至少设置一个喷注式声波发生器。
115.具体地，喷注式声波发生器包括主体51、设置在主体51内部的喷嘴52以及设置在喷嘴的出口521处的谐振元件53，谐振元件53具有谐振腔531，谐振腔531与喷嘴的出口521相对设置，且与喷嘴52共轴线。
116.喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率f1与谐振腔531的本征频率f2一致，即f1＝f2。
117.如图2-4所示，主体51为圆柱结构，其内部设置有空腔，以容纳喷嘴52和谐振元件53。喷嘴52为声波激发源，其构造为锥形构件，喷嘴52的轴线与主体51的轴线共线。谐振腔531是一种机械式的共振腔，用来反射高速流体，达到与来流相碰撞目的，属于能量反馈系统。
118.喷嘴的出口521朝向谐振元件53的谐振腔531，以向谐振腔531喷射流体。喷嘴521和谐振腔531构成了喷注式声波发生器的基本振动单元。流体进入喷嘴521后从喷嘴的出口521高速射出，喷出的流体在喷嘴的出口521前形成一个扩散区域。如图5所示，该扩散区域
可以分为流体压力变化区域、流体碰撞区域和流体反冲区域。由于该扩散区域内流体压力呈周期性的变化，因此在该扩散区域中放置具有谐振腔531的谐振元件53，即可形成一个谐振系统。当呈周期性压力变化的流体进入谐振腔531后，会使谐振腔531的压力逐渐升高并最终反馈出来，从而形成声波振荡。当喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率与谐振腔531的本征频率一致时，就会发生共振，继而产生高强度的声波和超声波。高频声波和振动对粘附在钻具2和井筒1上的泥饼圈或泥团有机械振动作用和空化作用，从而促使泥团和泥饼圈从钻具2和井筒1上脱落，并被粉碎成小颗粒，从而及时被气体携带出地面，以避免泥饼圈的形成而造成的卡钻等事故。
119.需要说明的是，图5所示的箭头为流体的流动方向。
120.进一步地，喷注式声波发生器还包括调节支座54，调节支座54分别与喷嘴52和谐振元件53相连，以将谐振元件53固定在喷嘴的出口521处。此外，为了便于安装，可将调节支座54设置为与主体51、喷嘴52即谐振元件53共轴线。
121.调节支座54包括可调节连接部541，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与可调节连接部541相连，可调节连接部541使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
122.具体地，可调节连接部541中设置有螺纹孔542，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与螺纹孔542形成螺纹连接，谐振元件53上远离谐振腔531的一端调节其旋入螺纹孔542的深度，从而使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
123.调节支座54还包括支腿543，支腿543的其中一端设置在可调节连接部541的外侧，另一端设置与喷嘴52相连，支腿543的数量至少为两个，至少两个支腿543环绕谐振元件53的周向设置。
124.如图4所示，支腿543的数量为3个，因此调节支座54又可称为3瓣结构，其围绕谐振元件53的周向等间距设置，从而可以使气体向下流动(向下流动是指流体沿着如图5中所示的向下的箭头流动)。
125.此外，喷注式声波发生器还包括设置在主体51一端的第一连接头511以及设置在主体51另一端的第二连接头512，第一连接头511伸入钻杆21其中一端并与其固定连接，钻杆21的另一端伸入第二连接头512中并与其固定连接。
126.如图3所示，钻杆21有8节，每节钻杆21上均设置有一个喷注式声波发生器。在将钻杆21与喷注式声波发生器相连时，由于第一连接头511的外壁上设置有外螺纹，第二连接头512中设置有内容螺纹，因此将第一连接头511伸入第一节钻杆21中并与其形成螺纹连接，并使第二连接头512容纳第二节钻杆21(位于第一节钻杆21的下游)并与其形成螺纹连接，随后依次进行连接，即可将钻杆伸入裸眼(地层)中。
127.换言之，在本实施例中，喷注式声波发生器分别与其上游的一节钻杆21以及其下游的一节钻杆21相连。
128.实施例7
129.本实施例提供一种钻井方法，具体来说为一种泡沫钻井方法，其包括以下操作步骤：
130.第一步：将钻具2设置在井筒1中。其中，钻具2中设置有第一通道3，钻具2的第一端和第二端分别为第一通道3的入口和出口；钻具2的外壁和井筒1的内壁形成第二通道4，井筒1的上端为第二通道4的出口，第一通道3的出口和第二通道4的入口相连通。
131.第二步：在钻具2上设置振动装置5。其中，振动装置5与第一通道3相连通。
132.第三步，采用泡沫钻井的方式进行钻井，当流体流过振动装置5时，振动装置5产生振动从而使钻具2和/或井筒1上粘附的附着物脱落。
133.进一步地，振动装置5为喷注式声波发生器。钻具2包括钻杆21以及设置在钻杆21末端的钻头22，其中，钻杆21的数量至少为两节，钻头22设置在最下游的钻杆21的末端。并且每一节钻杆21上至少设置一个喷注式声波发生器。
134.具体地，喷注式声波发生器包括主体51、设置在主体51内部的喷嘴52以及设置在喷嘴的出口521处的谐振元件53，谐振元件53具有谐振腔531，谐振腔531与喷嘴的出口521相对设置，且与喷嘴52共轴线。
135.喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率f1与谐振腔531的本征频率f2一致，即f1＝f2。
136.如图2-4所示，主体51为圆柱结构，其内部设置有空腔，以容纳喷嘴52和谐振元件53。喷嘴52为声波激发源，其构造为锥形构件，喷嘴52的轴线与主体51的轴线共线。谐振腔531是一种机械式的共振腔，用来反射高速流体，达到与来流相碰撞目的，属于能量反馈系统。
137.喷嘴的出口521朝向谐振元件53的谐振腔531，以向谐振腔531喷射流体。喷嘴521和谐振腔531构成了喷注式声波发生器的基本振动单元。流体进入喷嘴521后从喷嘴的出口521高速射出，喷出的流体在喷嘴的出口521前形成一个扩散区域。如图5所示，该扩散区域可以分为流体压力变化区域、流体碰撞区域和流体反冲区域。由于该扩散区域内流体压力呈周期性的变化，因此在该扩散区域中放置具有谐振腔531的谐振元件53，即可形成一个谐振系统。当呈周期性压力变化的流体进入谐振腔531后，会使谐振腔531的压力逐渐升高并最终反馈出来，从而形成声波振荡。当喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率与谐振腔531的本征频率一致时，就会发生共振，继而产生高强度的声波和超声波。高频声波和振动对粘附在钻具2和井筒1上的泥饼圈或泥团有机械振动作用和空化作用，从而促使泥团和泥饼圈从钻具2和井筒1上脱落，并被粉碎成小颗粒，从而及时被气体携带出地面，以避免泥饼圈的形成而造成的卡钻等事故。
138.需要说明的是，图5所示的箭头为流体的流动方向。
139.进一步地，喷注式声波发生器还包括调节支座54，调节支座54分别与喷嘴52和谐振元件53相连，以将谐振元件53固定在喷嘴的出口521处。此外，为了便于安装，可将调节支座54设置为与主体51、喷嘴52即谐振元件53共轴线。
140.调节支座54包括可调节连接部541，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与可调节连接部541相连，可调节连接部541使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
141.具体地，可调节连接部541中设置有螺纹孔542，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与螺纹孔542形成螺纹连接，谐振元件53上远离谐振腔531的一端调节其旋入螺纹孔542的深度，从而使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
142.调节支座54还包括支腿543，支腿543的其中一端设置在可调节连接部541的外侧，另一端设置与喷嘴52相连，支腿543的数量至少为两个，至少两个支腿543环绕谐振元件53的周向设置。
143.如图4所示，支腿543的数量为3个，因此调节支座54又可称为3瓣结构，其围绕谐振
元件53的周向等间距设置，从而可以使气体向下流动(向下流动是指流体沿着如图5中所示的向下的箭头流动)。
144.此外，喷注式声波发生器还包括设置在主体51一端的第一连接头511以及设置在主体51另一端的第二连接头512，第一连接头511伸入钻杆21其中一端并与其固定连接，钻杆21的另一端伸入第二连接头512中并与其固定连接。
145.如图3所示，钻杆21有8节，每节钻杆21上均设置有一个喷注式声波发生器。在将钻杆21与喷注式声波发生器相连时，由于第一连接头511的外壁上设置有外螺纹，第二连接头512中设置有内容螺纹，因此将第一连接头511伸入第一节钻杆21中并与其形成螺纹连接，并使第二连接头512容纳第二节钻杆21(位于第一节钻杆21的下游)并与其形成螺纹连接，随后依次进行连接，即可将钻杆伸入裸眼(地层)中。
146.换言之，在本实施例中，喷注式声波发生器分别与其上游的一节钻杆21以及其下游的一节钻杆21相连。
147.实施例8
148.本实施例提供一种钻井方法，具体来说为一种添加吸水剂的气体钻井方法，其包括以下操作步骤：
149.第一步：将钻具2设置在井筒1中。其中，钻具2中设置有第一通道3，钻具2的第一端和第二端分别为第一通道3的入口和出口；钻具2的外壁和井筒1的内壁形成第二通道4，井筒1的上端为第二通道4的出口，第一通道3的出口和第二通道4的入口相连通。
150.第二步：在钻具2上设置振动装置5。其中，振动装置5与第一通道3相连通。
151.第三步：使流体从钻具1的第一端进入第一通道3，并在流体中添加吸水剂。
152.添加有吸水剂的流体从钻具2的第二端排出第一通道3至第二通道4，流体离开第一通道3时将钻井过程中产生的岩屑同时排出至第二通道4，并且流体带动岩屑从第二通道4的出口排出井筒1。
153.由于振动装置5与第一通道3相连通，因此当流体流过入第一通道3后，会流过振动装置5，当流体流过振动装置5时，振动装置5产生振动从而使钻具2和/或井筒1上粘附的附着物脱落。
154.本实施例中的流体可以是空气、氮气或天然气，或者气体混合物，此外，本实施例中的流体可以处于高压状态。
155.其中，附着物为岩屑和水混合形成泥团或泥饼圈。
156.进一步地，振动装置5为喷注式声波发生器。钻具2包括钻杆21以及设置在钻杆21末端的钻头22，其中，钻杆21的数量至少为两节，钻头22设置在最下游的钻杆21的末端。并且每一节钻杆21上至少设置一个喷注式声波发生器。
157.具体地，喷注式声波发生器包括主体51、设置在主体51内部的喷嘴52以及设置在喷嘴的出口521处的谐振元件53，谐振元件53具有谐振腔531，谐振腔531与喷嘴的出口521相对设置，且与喷嘴52共轴线。
158.喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率f1与谐振腔531的本征频率f2一致，即f1＝f2。
159.如图2-4所示，主体51为圆柱结构，其内部设置有空腔，以容纳喷嘴52和谐振元件53。喷嘴52为声波激发源，其构造为锥形构件，喷嘴52的轴线与主体51的轴线共线。谐振腔
531是一种机械式的共振腔，用来反射高速流体，达到与来流相碰撞目的，属于能量反馈系统。
160.喷嘴的出口521朝向谐振元件53的谐振腔531，以向谐振腔531喷射流体。喷嘴521和谐振腔531构成了喷注式声波发生器的基本振动单元。流体进入喷嘴521后从喷嘴的出口521高速射出，喷出的流体在喷嘴的出口521前形成一个扩散区域。如图5所示，该扩散区域可以分为流体压力变化区域、流体碰撞区域和流体反冲区域。由于该扩散区域内流体压力呈周期性的变化，因此在该扩散区域中放置具有谐振腔531的谐振元件53，即可形成一个谐振系统。当呈周期性压力变化的流体进入谐振腔531后，会使谐振腔531的压力逐渐升高并最终反馈出来，从而形成声波振荡。当喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率与谐振腔531的本征频率一致时，就会发生共振，继而产生高强度的声波和超声波。高频声波和振动对粘附在钻具2和井筒1上的泥饼圈或泥团有机械振动作用和空化作用，从而促使泥团和泥饼圈从钻具2和井筒1上脱落，并被粉碎成小颗粒，从而及时被气体携带出地面，以避免泥饼圈的形成而造成的卡钻等事故。
161.需要说明的是，图5所示的箭头为流体的流动方向。
162.进一步地，喷注式声波发生器还包括调节支座54，调节支座54分别与喷嘴52和谐振元件53相连，以将谐振元件53固定在喷嘴的出口521处。此外，为了便于安装，可将调节支座54设置为与主体51、喷嘴52即谐振元件53共轴线。
163.调节支座54包括可调节连接部541，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与可调节连接部541相连，可调节连接部541使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
164.具体地，可调节连接部541中设置有螺纹孔542，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与螺纹孔542形成螺纹连接，谐振元件53上远离谐振腔531的一端调节其旋入螺纹孔542的深度，从而使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
165.调节支座54还包括支腿543，支腿543的其中一端设置在可调节连接部541的外侧，另一端设置与喷嘴52相连，支腿543的数量至少为两个，至少两个支腿543环绕谐振元件53的周向设置。
166.如图4所示，支腿543的数量为3个，因此调节支座54又可称为3瓣结构，其围绕谐振元件53的周向等间距设置，从而可以使气体向下流动(向下流动是指流体沿着如图5中所示的向下的箭头流动)。
167.此外，喷注式声波发生器还包括设置在主体51一端的第一连接头511以及设置在主体51另一端的第二连接头512，第一连接头511伸入钻杆21其中一端并与其固定连接，钻杆21的另一端伸入第二连接头512中并与其固定连接。
168.如图3所示，钻杆21有8节，每节钻杆21上均设置有一个喷注式声波发生器。在将钻杆21与喷注式声波发生器相连时，由于第一连接头511的外壁上设置有外螺纹，第二连接头512中设置有内容螺纹，因此将第一连接头511伸入第一节钻杆21中并与其形成螺纹连接，并使第二连接头512容纳第二节钻杆21(位于第一节钻杆21的下游)并与其形成螺纹连接，随后依次进行连接，即可将钻杆伸入裸眼(地层)中。
169.换言之，在本实施例中，喷注式声波发生器分别与其上游的一节钻杆21以及其下游的一节钻杆21相连。
170.实施例9
171.下面以四川盆地须家河地层为例，对本发明的方法进行详细地说明。须家河地层为致密性砂岩储层，物性差，水敏严重，岩石可钻性性差，采用泥浆钻井机械钻速极低，地层易污染，严重影响产能。采用气体钻井可极大提高钻井速度，并避免储层污染。
172.但须家河地层在钻进过程常常出水，地层出水混合岩屑形成泥团，粘附在钻具和井壁上，阻塞环空，造成岩屑无法上返，引起卡钻等事故。现有的措施是，当如果地层的出水量小于0.48m3/h,可加大气量排水；如果出水量在0.48～7.9m3/h范围内，可采用雾化钻井或泡沫钻井方法；当出水量更高时，则需转为钻井液钻井，则会失去气体钻井的优点。
173.本实施例中将本发明的钻井方法和钻井装置应用于须家河地层进行实施。
174.本实施例的钻具2包括多节钻杆21以及设置在钻杆21末端的钻头22，并且每一节钻杆21上至少设置一个喷注式声波发生器。钻杆21的数量可以根据实际需要进行选择。
175.喷注式声波发生器包括主体51、设置在主体51内部的喷嘴52以及设置在喷嘴的出口521处的谐振元件53，谐振元件53具有谐振腔531，谐振腔531与喷嘴的出口521相对设置，且与喷嘴52共轴线。
176.喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率f1与谐振腔531的本征频率f2一致，即f1＝f2。
177.如图2-4所示，主体51为圆柱结构，其内部设置有空腔，以容纳喷嘴52和谐振元件53。喷嘴52为声波激发源，其构造为锥形构件，喷嘴52的轴线与主体51的轴线共线。谐振腔531是一种机械式的共振腔，用来反射高速流体，达到与来流相碰撞目的，属于能量反馈系统。
178.喷嘴的出口521朝向谐振元件53的谐振腔531，以向谐振腔531喷射流体。喷嘴521和谐振腔531构成了喷注式声波发生器的基本振动单元。流体进入喷嘴521后从喷嘴的出口521高速射出，喷出的流体在喷嘴的出口521前形成一个扩散区域。如图5所示，该扩散区域可以分为流体压力变化区域、流体碰撞区域和流体反冲区域。由于该扩散区域内流体压力呈周期性的变化，因此在该扩散区域中放置具有谐振腔531的谐振元件53，即可形成一个谐振系统。当呈周期性压力变化的流体进入谐振腔531后，会使谐振腔531的压力逐渐升高并最终反馈出来，从而形成声波振荡。当喷嘴的出口521喷射出的流体的射流频率与谐振腔531的本征频率一致时，就会发生共振，继而产生高强度的声波和超声波。高频声波和振动对粘附在钻具2和井筒1上的泥饼圈或泥团有机械振动作用和空化作用，从而促使泥团和泥饼圈从钻具2和井筒1上脱落，并被粉碎成小颗粒，从而及时被气体携带出地面，以避免泥饼圈的形成而造成的卡钻等事故。
179.需要说明的是，图5所示的箭头为流体的流动方向。
180.进一步地，喷注式声波发生器还包括调节支座54，调节支座54分别与喷嘴52和谐振元件53相连，以将谐振元件53固定在喷嘴的出口521处。此外，为了便于安装，可将调节支座54设置为与主体51、喷嘴52即谐振元件53共轴线。
181.调节支座54包括可调节连接部541，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与可调节连接部541相连，可调节连接部541使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
182.具体地，可调节连接部541中设置有螺纹孔542，谐振元件53上远离谐振腔531的一端与螺纹孔542形成螺纹连接，谐振元件53上远离谐振腔531的一端调节其旋入螺纹孔542的深度，从而使谐振腔531与喷嘴的出口521之间的距离可调节。
183.调节支座54还包括支腿543，支腿543的其中一端设置在可调节连接部541的外侧，另一端设置与喷嘴52相连，支腿543的数量至少为两个，至少两个支腿543环绕谐振元件53的周向设置。
184.如图4所示，支腿543的数量为3个，因此调节支座54又可称为3瓣结构，其围绕谐振元件53的周向等间距设置，从而可以使气体向下流动(向下流动是指流体沿着如图5中所示的向下的箭头流动)。
185.此外，喷注式声波发生器还包括设置在主体51一端的第一连接头511以及设置在主体51另一端的第二连接头512，第一连接头511伸入钻杆21其中一端并与其固定连接，钻杆21的另一端伸入第二连接头512中并与其固定连接。
186.如图3所示，钻杆21有8节，每节钻杆21上均设置有一个喷注式声波发生器。在将钻杆21与喷注式声波发生器相连时，由于第一连接头511的外壁上设置有外螺纹，第二连接头512中设置有内容螺纹，因此将第一连接头511伸入第一节钻杆21中并与其形成螺纹连接，并使第二连接头512容纳第二节钻杆21(位于第一节钻杆21的下游)并与其形成螺纹连接，随后依次进行连接，即可将钻杆伸入裸眼(地层)中。
187.换言之，在本实施例中，喷注式声波发生器分别与其上游的一节钻杆21以及其下游的一节钻杆21相连。
188.当气体从钻具1的第一端进入第一通道3时，会流过喷注式声波发生器，从而产生声波高频振动，使粘附在钻具2和/或井筒1上的附着物脱落，并被气体携带出来，从而大大降低了气体钻井时地层出水的影响。
189.综上所述，本发明通过在气体钻井的钻具2上安装振动装置，利用注入的气体使振动装置产生高频振动，从而使使粘附在钻具2和/或井筒1上的泥团脱落，能够避免形成泥饼圈造成钻具卡钻等事故，并大大降低了地层出水对气体钻井的影响，其施工工艺简单方便可靠。
190.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。