具有流体柱共振器的钻进装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种钻进装置。该装置包括至少一个钻杆，该钻杆或每个钻杆具有第一圆柱形壁，第一圆柱形壁限定细长腔室，该细长腔室用于接收工作流体以形成流体柱，流体柱的长度等于该钻杆或每个钻杆的细长腔室的总长度。该装置还包括位移激励装置，该位移激励装置布置在流体柱的近侧端部处，并被配置成激励流体柱以使流体柱中的工作流体振荡，其中该激励装置被配置成以激励频率激励流体柱，该激励频率为流体柱的固有频率或在流体柱的固有频率

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有流体柱共振器的钻进装置


[0001]本专利技术涉及钻进装置，在钻进装置中，流体柱共振用于生成脉冲力。

技术介绍

[0002]常规的旋转钻进装置包括布置在钻柱的端部处的诸如三锥旋转钻进钻头的旋转钻进钻头，钻柱由机器旋转以使钻进钻头穿透待钻进的岩石。穿透率以及因此钻进速度取决于钻柱的旋转速率和应用到钻进钻头的钻头上的重量。
[0003]已经提出了撞击辅助旋转钻进布置，诸如在美国专利申请公开No.US 2013/0098684中公开的撞击辅助旋转钻进布置。在这种布置中，旋转钻进由气动潜孔钻进辅助，以改进钻进速度。然而，为了延长三锥旋转钻进钻头的寿命，锤的输出功率必须限制到非常低的值，因为由潜孔锤生成的高冲击力会导致钻头上的显著磨损。
[0004]在国际专利申请No.WO 2007/042618中公开了另一种布置，其包括撞击装置和具有三锥旋转钻进钻头的旋转马达，其中旋转马达旋转钻杆和钻进钻头，并且撞击装置经由钻杆和钻进钻头以高频提供低振幅的应力脉冲。然而，生成高频应力脉冲所需的脉冲装置是复杂的。
[0005]希望提供一种克服与现有装置相关联的许多缺点的钻进装置。特别地，希望提供一种钻进装置，其产生可以单独使用的钻进动作，或者提高旋转钻进的钻进速度。

技术实现思路

[0006]本专利技术涉及一种钻进装置，该钻进装置包括：
[0007]至少一个钻杆，该钻杆或每个钻杆具有第一圆柱形壁，该第一圆柱形壁限定细长腔室，该细长腔室用于接收工作流体以形成流体柱，该流体柱的长度等于该钻杆或每个钻杆的细长腔室的总长度；
[0008]位移激励装置，该位移激励装置布置在该流体柱的近侧端部处，并被配置成激励流体柱以使流体柱中的工作流体振荡，其中激励装置被配置成以激励频率激励该流体柱，该激励频率为流体柱的固有频率或在所述流体柱的固有频率
±
所述固有频率的10％的范围内，该固有频率基于在其近侧端部处具有固定边界条件的流体柱来确定；以及
[0009]可移动地安装在流体柱的远侧端部处的工具活塞和连接到该工具活塞的钻进工具，使得流体柱中的工作流体的振荡向钻进工具施加振荡力。
[0010]在优选实施例中，激励频率为流体柱的固有频率或在该固有频率
±
所述固有频率的5％的范围内。理想情况下，激励频率在流体柱固有频率
±
所述固有频率的1％的范围内。激励频率越接近流体柱的固有频率，装置的操作就越接近共振。在所述流体柱的固有频率
±
所述固有频率的10％范围内的激励频率引起流体柱中流体的移位，移位的振幅大到足以允许足够的力被施加到钻进工具以产生或增强钻进作用。
[0011]钻进装置可以被认为是潜孔钻进装置，因为在钻进期间工具活塞被布置在钻孔中。
[0012]流体柱具有多个固有频率，这些固有频率根据流体的性质、柱的长度和应用于柱的边界条件而变化。在本情况下，基于在其近侧端部处具有固定边界条件的流体柱来确定固有频率；也就是说，在流体柱的近侧或驱动器端部处(相对于柱的端部壁)没有发生流体的位移或流动。
[0013]通常，在流体的刚度低于岩石
‑
工具相互作用的刚度的情况下，流体柱的远侧端部也可以被认为具有基本固定的边界条件。假设固定
‑
固定边界条件，流体柱的固有频率可以使用以下方程式来确定：
[0014][0015]其中，f
n
是固有频率，k是固有频率的阶数，L是流体柱的长度，B
流体
是流体体积模量，并且ρ
流体
是流体密度。图3和图4分别示出了对于k＝1、2和3，对于固定
‑
固定边界条件，沿着流体柱长度的位移和压力。如图3中所示，根据所应用的固定
‑
固定边界条件，在流体柱的每一端部处都可以看到位移节点。如图4中所示，在流体柱的近侧端部处看到压力波腹。
[0016]在岩石
‑
工具相互作用的刚度具有非常低的值以至于它不对应于柱的远侧端部处的固定边界条件的情况下，这可以使用下文讨论的频率控制机制来解释。
[0017]为了引起流体柱中工作流体的振荡，必须引入激励。根据本专利技术，位移激励装置布置在流体柱的近侧端部处，并被配置成激励流体柱以使流体柱中的工作流体振荡。位移激励装置可以通过使(钻杆或最近侧钻杆)的腔室的近侧端部壁在腔室的纵向方向上往复移位来引入激励，或者以其他方式以往复方式改变流体柱的体积来引入激励。
[0018]当激励频率与流体柱的固有频率重合时，在流体柱中发生共振。因此，为流体柱的固有频率或接近流体柱的固有频率的激励频率激励流体柱允许系统以共振或接近共振操作，使得流体柱中流体的位移振幅将显著增长。同样，流体柱中的压力振荡将具有高振幅。这允许与施加到钻进工具的力相关联的脉冲最大化。
[0019]已经提出了用于撞击工具的脉冲发生器，其中系统的固有频率使用在流体柱的近侧端部处的自由边界条件来确定。在这种系统中，通过在流体腔室的近侧端部处的力或压力激励来引入激励。在腔室的近侧端部处的小振幅压力激励在近侧端部处产生大的流体位移(位移波腹)和在远侧端部处产生大的压力振幅(压力波腹)。近侧端部处的大流体位移导致非常高的流量要求，因为需要大量的流体移动进出流体柱。因此，这种系统只需要小的压力变化，但必须能够输送高流速。
[0020]本专利技术的钻进装置是有利的，因为它包括位移激励装置。这种类型的激励装置在流体柱的近侧端部处(并且对应地在远侧端部处)产生高压振幅，但是需要低得多的峰值流体流速。因此，与在近侧端部处具有自由边界条件的系统相比，本专利技术允许更紧凑和更便宜的系统，并且经历低得多的流体流动相关的功率损失。
[0021]通常，腔室用于接收液体以形成流体柱；即，流体柱中的工作流体是液体。所用液体的类型对钻进装置的性能没有显著影响，因为流体柱的固有频率是基于所用液体的性质。在某些实施例中，液体是液压油。液压油适合用于单程钻进应用；也就是说，在钻孔时不添加或移除钻杆。通常，在远侧端部处对装置的密封有利于避免工作流体的泄漏。在单程装置中使用油的情况下，由于液压油的高粘度和良好的润滑性质，可以容易地在装置的远侧
端部处实施径向密封件。然而，对于延伸钻进，当孔变得更深时，在附加的钻杆被添加到钻进装置或钻柱的情况下，当添加新的杆时，存在从流体柱泄漏油的风险。为防止油泄漏而为单个钻杆引入阀布置将会干扰流体柱的振荡。
[0022]在其他实施例中，液体是水。水特别适合用于延伸钻进应用，因为它对环境无害，并且因此添加或移除钻杆时的泄漏不令人担忧。然而，由于围绕工具活塞的密封可能具有挑战性，经由第一圆柱形壁与该装置的远侧端部处的工具活塞之间的间隙的水泄漏可能是一个问题。
[0023]钻进装置还可以包括在流体柱的远侧端部处的用于水的至少一个出口和用于以输入流速将水泵入流体柱中的构件，使得水在第一圆柱形壁与工具活塞之间沿着泄漏流体路径流动，并以等于输入流速的泄漏流速流出至少一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种钻进装置，所述钻进装置包括：至少一个钻杆，所述钻杆或每个钻杆具有第一圆柱形壁，所述第一圆柱形壁限定细长腔室，所述细长腔室用于接收工作流体以形成流体柱，所述流体柱的长度等于所述钻杆或每个钻杆的细长腔室的总长度；位移激励装置，所述位移激励装置布置在所述流体柱的近侧端部处，并且被配置成激励所述流体柱以使所述流体柱中的所述工作流体振荡，其中所述位移激励装置被配置成以激励频率激励所述流体柱，所述激励频率为所述流体柱的固有频率或在所述流体柱的固有频率
±
所述固有频率的10％的范围内，所述固有频率基于在所述流体柱的近侧端部处具有固定边界条件的所述流体柱确定；以及可移动地安装在所述流体柱的远侧端部处的工具活塞和连接到所述工具活塞的钻进工具，使得所述流体柱中的所述工作流体的振荡向所述钻进工具施加振荡力。2.根据权利要求1所述的钻进装置，其中，所述钻杆或每个钻杆在使用期间设置在钻孔中。3.根据权利要求1或2所述的钻进装置，其中，所述钻进工具是旋转三锥钻头，并且其中，所述钻进装置能够绕纵向轴线旋转。4.根据前述权利要求中任一项所述的钻进装置，其中，所述工作流体是液体。5.根据权利要求4所述的钻进装置，其中，所述液体是液压油。6.根据权利要求4所述的钻进装置，其中，所述液体是水。7.根据权利要求6所述的钻进装置，还包括：在所述流体柱的远侧端部处的用于水的至少一个出口；用于以输入流速将水泵入所述流体柱中的构件；使得所述水在所述第一圆柱形壁与所述工具活塞之间沿着泄漏流体路径流动并以等于所述输入流速的泄漏流速流出所述至少一个出口。8.根据权利要求7所述的钻进装置，其中：所述钻杆或每个钻杆包括第二圆柱形壁，所述第二圆柱形壁布置在所述第一圆柱形壁的至少一部分的外部，使得环形冲洗通道限定在所述第一圆柱形壁与所述第二圆柱形壁之间，并且所述环形冲洗通道被配置成在其近侧端部处接收冲洗流体并在其远侧端部处排放所述冲洗流体；并且用于水的所述至少一个出口设置在邻近所述冲洗通道的所述远侧端部处。9.根据权利要求7所述的钻进装置，其中：所述至少一个出口设置在所述钻进工具的远侧面处。10.根据权利要求1至7中任一项所述的钻进装置，其中：所述钻杆或每个钻杆包括布置在所述第一圆柱形壁内部的第二圆柱形壁，使得所述细长腔室是限定在所述第一圆柱形壁与所述第二圆柱形壁之间的环形细长腔室，并且冲洗通道限定在所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：敏康国际有限公司，
类型：发明
国别省市：