超声波高频冲击钻井装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声波高频冲击钻井装置，该超声波高频冲击钻井装置包括：中空的外壳体，其下部连接有外部钻头；设置在所述外部钻头中的超声波变幅杆；固定在所述超声波变幅杆下端的内部钻头；设置在所述超声波变幅杆上端的超声波换能器；所述外壳体的内侧至所述外部钻头之间形成有钻井液通道；动力机构，其包括：设置在所述钻井液通道中的涡轮，由所述涡轮驱动的交流发电机，与所述超声波换能器电性连接的变频器；所述涡轮能被所述钻井液通道中的钻井液驱动并带动所述内部钻头旋转，所述内部钻头的旋转方向与所述外部钻头的旋转方向相反。本发明专利技术能够提高钻井速度，降低钻井成本。

Ultrasonic high frequency shock drilling device

The invention discloses an ultrasonic high frequency shock drilling device. The ultrasonic high frequency impact drilling device consists of a hollow shell body, an external bit connected to the lower part of the body, an ultrasonic amplitude lever arranged in the external bit, an internal bit fixed at the lower end of the ultrasonic amplitude lever, and the ultrasonic wave change. An ultrasonic transducer on the upper end of the horn to form a drilling fluid channel between the inside of the outer bit, which comprises a turbine set in the drilling fluid channel, an AC generator driven by the turbine, an inverter electrically connected with the ultrasonic transducer, and the turbine energy. The drilling fluid in the drilling fluid channel drives and drives the internal bit to rotate, and the rotation direction of the internal bit is opposite to the rotation direction of the external bit. The invention can improve drilling speed and reduce drilling cost.

【技术实现步骤摘要】
超声波高频冲击钻井装置
本专利技术涉及石油钻井
，特别涉及一种超声波高频冲击钻井装置。
技术介绍
钻井提速和高效破岩是油气井领域的核心，尤其是在石油天然气勘探开发逐渐向深部地层发展，硬地层钻遇越来越多的背景下，高效破岩显得尤为重要。针对于此，国内外专家、学者提出了一大批钻井提速新技术和新理念，高频冲击振动破岩就是其中一个较为可行的提速技术。高频冲击振动破岩的提速机理为：高频振动发生器所产生的循环冲击力加载给钻头，钻头紧接着把周期性变化的动载作用于岩石，岩石在不同频率的冲击力作用下，会相应地产生不同程度的疲劳破坏、微裂纹扩展或者共振破碎。目前专家学者提出的高频冲击器大多属于液力直接驱动，虽然设备简单，可操作性强，但提速效果不明显。因此，有必要提供一种新的钻井装置，以克服现有技术中的缺陷。
技术实现思路
从高频冲击钻井的机理可知，冲击器的冲击频率、冲击力峰值和冲击力幅值对破岩效果有密切的关系。目前冲击钻井工具的冲击频率非常低，远远小于岩石的固有频率。超声波高频振动发生器利用压电效应的原理可以产生高频机械振动(振动频率高达30KHz(千赫兹)以上)，在医疗、地外星球钻探、焊接等领域发挥了极大的作用。如何将超声波高频发生器与传统的石油钻井PDC钻头相结合，组成一体化井下钻井装置，充分发挥超声波高频发生器的优势，以及内部钻头和外部钻头的相对剪切作用，提高钻井速度，降低钻井成本是目前亟待解决的问题。为了把高频机械振动引入到石油钻井中，本专利技术提供了一种超声波高频冲击钻井装置，将超声波高频发生器与传统的石油钻井PDC钻头相结合，能够克服现有技术中的缺陷，从而提高钻井速度，降低钻井成本。本专利技术的上述目的可采用下列技术方案来实现：一种超声波高频冲击钻井装置，其包括：中空的外壳体，其下部连接有外部钻头；设置在所述外部钻头中的超声波变幅杆；固定在所述超声波变幅杆下端的内部钻头；设置在所述超声波变幅杆上端的超声波换能器；所述外壳体的内侧至所述外部钻头之间形成有钻井液通道；动力机构，其包括：设置在所述钻井液通道中的涡轮，由所述涡轮驱动的交流发电机，与所述超声波换能器电性连接的变频器；所述涡轮能被所述钻井液通道中的钻井液驱动并带动所述内部钻头旋转，所述内部钻头的旋转方向与所述外部钻头的旋转方向相反。在一个优选的实施方式中，所述变频器能将所述交流电动机产生的交流电的频率提高到30千赫兹；所述动力机构还包括：导线、集电环；所述导线将所述交流发电机和所述集电环电性连接，以将所述交流发电机产生的交流电传递给所述集电环；所述集电环与所述超声波换能器电性连接，所述集电环将所述交流电对应的电能传递给所述超声波换能器，所述超声波换能器将所述电能转换为机械能，并产生高频机械振动，所述超声波变幅杆将所述高频机械振动放大。在一个优选的实施方式中，所述超声波变幅杆的振动频率与岩石的固有频率相同或相接近。在一个优选的实施方式中，所述外壳体包括自上而下依次连接的：上接头、过渡接头和下接头，所述上接头上端用于连接钻铤，所述下接头上的下端与所述外部钻头相连接，其中，所述过渡接头的中部设置有中心孔，在围绕所述中心孔的周向设置有多个液流孔。在一个优选的实施方式中，还包括与所述过渡接头的中心孔相配合的滚动轴承，所述滚动轴承包括：外圈、内圈、滚动体和保持架；其中，所述外圈与所述过渡接头通过螺纹配合；所述内圈连接有钻杆，所述钻杆的下端与所述超声波换能器相连接。在一个优选的实施方式中，所述涡轮的外围设置有保护壳，所述保护壳的上端固定在所述过渡接头上，所述保护壳与所述下接头之间形成环形腔体，所述保护壳的侧壁上设置有与所述环形腔体连通的开口。在一个优选的实施方式中，所述钻井液通道由：所述上接头的中空部分、所述过渡接头的液流孔、所述开口、所述下接头与所述保护壳形成的环形腔体、所述外部钻头的钻头水眼形成。在一个优选的实施方式中，所述保护壳在与所述钻杆相配合的位置设置有第一密封件，所述保护壳与所述超声波变幅杆配合的位置设置有第二密封件。在一个优选的实施方式中，所述内部钻头的刀翼数少于外部钻头的刀翼数。在一个优选的实施方式中，所述内部钻头的位置比所述外部钻头的位置更靠近井底，所述内部钻头与所述外部钻头之间的位置差在2毫米至5毫米之间。本专利技术的特点和优点是：本申请所提供的新型超声波高频冲击钻井装置相对于现有技术具有如下优点：(1)本申请所提供的超声波高频冲击钻井装置可以产生高频振动冲击，其涵盖了岩石的固有频率，当设备提供的高频振动冲击频率与岩石的固有频率相同或相接近时，能够产生共振，从而能够大大提高对岩石损伤程度。实际操作时，内部钻头的冲击力集中在井底岩石中心，这种应力集中式的冲击对岩石损伤程度更大；(2)内部钻头不仅能产生高频轴向冲击，还能产生高速的逆向旋转，与外部钻头的相对剪切作用使岩石更容易发生剪切破碎；(3)可以通过调整变频器的变频参数，使换能器产生不同频率的振动效应，以适应于不同的地层岩石，可以使该设备适用于各种地层。参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。附图说明图1是本申请实施方式中一种超声波高频冲击钻井装置的结构示意图；图2是本申请实施方式中一种超声波高频冲击钻井装置过渡接头位置的A-A剖视图。附图标记说明：1-上接头、2-过渡接头、21-中心孔、22-液流孔、3-滚动轴承、4-涡轮、41-开口、5-下接头、6-交流发电机、7-导线、8-集电环、9-变频器、10-超声波换能器、11-保护壳、12-第一密封件、13-超声波变幅杆、14-钻头水眼、15-外部钻头、16-内部钻头、17-第二密封件。具体实施方式下面将结合附图和具体实施方式，对本专利技术的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。本专利技术提供一种超声波高频冲击钻井装置，将超声波高频发生器与传统的石油钻井PDC钻头相结合，能够克服现有技术中的缺陷，从而提高钻井速度，降低钻井成本。请参阅图1至图2，本申请实施方式中提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波高频冲击钻井装置，其特征在于，包括：中空的外壳体，其下部连接有外部钻头；设置在所述外部钻头中的超声波变幅杆；固定在所述超声波变幅杆下端的内部钻头；设置在所述超声波变幅杆上端的超声波换能器；所述外壳体的内侧至所述外部钻头之间形成有钻井液通道；动力机构，其包括：设置在所述钻井液通道中的涡轮，由所述涡轮驱动的交流发电机，与所述超声波换能器电性连接的变频器；所述涡轮能被所述钻井液通道中的钻井液驱动并带动所述内部钻头旋转，所述内部钻头的旋转方向与所述外部钻头的旋转方向相反。

【技术特征摘要】
1.一种超声波高频冲击钻井装置，其特征在于，包括：中空的外壳体，其下部连接有外部钻头；设置在所述外部钻头中的超声波变幅杆；固定在所述超声波变幅杆下端的内部钻头；设置在所述超声波变幅杆上端的超声波换能器；所述外壳体的内侧至所述外部钻头之间形成有钻井液通道；动力机构，其包括：设置在所述钻井液通道中的涡轮，由所述涡轮驱动的交流发电机，与所述超声波换能器电性连接的变频器；所述涡轮能被所述钻井液通道中的钻井液驱动并带动所述内部钻头旋转，所述内部钻头的旋转方向与所述外部钻头的旋转方向相反。2.如权利要求1所述的超声波高频冲击钻井装置，其特征在于，所述变频器能将所述交流电动机产生的交流电的频率提高到30千赫兹；所述动力机构还包括：导线、集电环，所述导线将所述交流发电机和所述集电环电性连接，以将所述交流发电机产生的交流电传递给所述集电环；所述集电环与所述超声波换能器电性连接，所述集电环将所述交流电对应的电能传递给所述超声波换能器，所述超声波换能器将所述电能转换为机械能，并产生高频机械振动，所述超声波变幅杆将所述高频机械振动放大。3.如权利要求2所述的超声波高频冲击钻井装置，其特征在于，所述超声波变幅杆的振动频率与岩石的固有频率相同或相接近。4.如权利要求1所述的超声波高频冲击钻井装置，其特征在于，所述外壳体包括自上而下依次连接的：上接头、过渡接头和下接头，所述上接头上端用于连接钻铤，所述下接头上的下...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋恒宇，李根生，史怀忠，陈振良，纪照生，赵贺谦，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11