一种谐振脉冲振动钻井装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种谐振脉冲振动钻井装置，属于钻井装置技术领域。该装置包括外壳体，置于外壳体内的系统，以及下部接头，该装置的上部与钻井管柱相连接，该装置的下部通过下部接头与钻头相连接，外壳体内部设有供置于外壳体内的系统装设的通孔，置于外壳体内的系统包括动力系统，脉冲调制系统，谐振脉冲与往复振动系统，下部接头连接于谐振脉冲与往复振动系统。该装置有效地解决了传统钻头破岩效率低、钻井成本高的问题，特别适用于深部硬度高、研磨性地层的钻井提速。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钻井装置
，特别涉及一种能够提高钻井速度的谐振脉冲振动钻井装置。
技术介绍
钻井是通过一系列的工具和技术开凿出通往地下的通道。目前，钻井主要是用于石油、天然气、地热和地下水等资源的开采，此外，钻井也被用于核废料处理、CO2深层储存等一些前沿科学领域。随着钻井深度和难度的增加，对钻井技术本身也提出了新的要求。特别是对于深井和超深井而言，主要难点是所使用的钻井装置钻速低、钻井周期长、钻井费用高。因此，在钻井过程中，提高钻头的破岩效率从而提高钻井速度、缩短钻井周期是钻井过程中一直追求的目标。钻井过程中最重要的步骤是破碎岩石，破碎岩石所需要的能量来自地表，能量通过钻井液、钻杆传递到下部钻头，由钻头直接破岩。旋冲钻井工具和脉冲射流钻井短接都能有效地提高钻井速度。旋冲钻井工具的上端与钻铤或钻杆相连接，下端与钻头相连接，旋冲钻井工具将钻井液部分能量转化为往复运动，使旋冲钻井工具下端与钻头连接部分往复运动，钻头一边随钻杆旋转，一边做往复运动。旋冲钻井工具使钻头能够做往复冲击运动，钻头的往复冲击运动能够提高钻头破岩效率，特别是对深部硬、研磨地层的破岩速度提高显著。脉冲射流钻井短接能够将钻井液的连续流动转换成一定频率的间歇流动。这种转换使得钻井液在钻头水眼的出口速度大幅提高，这种速度的提高直接带来射流冲击效率的提高，使得水力破岩效率得到提高；脉冲射流钻井短接的脉冲射流效应能够改变井底岩屑床的分布，提高井底钻头部岩屑上返速度，避免岩屑被重复破碎；脉冲射流钻井短接能够周期性地降低井底压力，从而减小井底岩石的压持效应，使钻井速度得到提高。脉冲射流钻井短接能够有效地提高钻井装置的机械钻速。旋冲钻井工具和脉冲射流钻井短接都能够在不提高地面机泵功率的情况下提高井下钻头的破岩效率。但是，旋冲钻井工具的内部元件的磨损冲蚀严重，致使其使用寿命短；脉冲射流钻井短接则对深部硬度高、研磨性地层的钻井提速效果十分有限。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种能够将连续流动的钻井液调制成具有一定频率的脉冲射流，脉冲射流经谐振放大后脉冲幅值增大，增大后脉冲幅值使装置下部与钻头连接部分产生往复振动，同时使钻头水眼出口处的连续流体转换成脉冲射流的谐振脉冲振动钻井装置。为了实现上述目的，本专利技术提供的谐振脉冲振动钻井装置的技术方案如下本专利技术提供的谐振脉冲振动钻井装置包括外壳体，置于所述外壳体内的系统，以及下部接头，所述谐振脉冲振动钻井装置的上部与钻井管柱相连接，所述谐振脉冲振动钻井装置的下部通过所述下部接头与钻头相连接；所述外壳体内部设有供置于所述外壳体内的系统装设的通孔； 置于所述外壳体内的系统包括旋转动力系统、脉冲调制系统及谐振脉冲与往复振动系统；所述旋转动力系统控制下使连续流动的钻井液变成具有一定周期的脉冲射流；所述谐振脉冲与往复振动系统对所述脉冲射流的脉冲幅值进行放大从而进行周期性上下往复振动；所述下部接头连接于所述谐振脉冲与往复振动系统。作为优选，所述外壳体内部设有直径或者当量值递减的阶梯状通孔，所述通孔供置于所述外壳体内的系统装设，所述通孔分为I段通孔、II段通孔、III段通孔和IV段通孔； 所述I段通孔装设所述旋转动力系统，所述II段通孔装设所述脉冲调制系统，所述III段通孔和所述IV段通孔装设所述谐振脉冲与往复振动系统。作为优选，所述I段通孔、II段通孔和IV段通孔为多边形，所述III段通孔为圆形或者多边形。作为优选，所述旋转动力系统为涡轮或者螺杆。作为优选，所述涡轮动力系统包括轴承、上固定孔板、下固定孔板、导流叶片、配合筒和中心轴，所述上固定孔板和所述下固定孔板分别利用所述轴承与所述中心轴活动连接，所述中心轴的长度大于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间的距离，从而使得所述中心轴的下端面向下伸出于所述下固定孔板一段距离，所述导流叶片装设于所述中心轴位于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间的部位上，所述上固定孔板和所述下固定孔板上对应设置有供钻井液流通的流道；所述配合筒安装于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间，所述配合筒的外表面与所述I段通孔相配合，所述配合筒中心具有直径大于所述安装后所述导流叶片转动半径的通孔。作为优选，所述中心轴的上端面与所述上固定孔板的上端面同平面。作为优选，所述流道的数量范围是3 15。作为优选，所述脉冲调制系统包括转动密封块、用于固定连接所述转动密封块和固定连接所述涡轮动力系统的中心轴的偏心轴和周期导流板，所述周期导流板上设有以所述周期导流板为中心对称分布的扰流通孔，所述扰流通孔的半径小于所述扰流通孔的中心与所述周期导流板中心的距离，所述转动密封块的数量大于或者等于所述扰流通孔的数量，所述转动密封块的下表面能够与所述周期导流板的上表面密封接触，使得当所述转动密封块未旋转到与所述扰流通孔重合的位置时，所述扰流通孔处于最大流动截面状态，而当所述转动密封块旋转到与所述扰流通孔完全重合的位置时，所述扰流通孔处于被完全密封状态。作为优选，所述扰流通孔的数量范围是1 10。作为优选，所述谐振脉冲与往复振动系统包括具有谐振腔的谐振脉冲传扭腔，用于使所述谐振脉冲传扭腔与所述III段通孔密封的密封件和置于所述III段通孔的肩部、用于使所述谐振脉冲传扭腔复位的弹性部件，所述谐振脉冲传扭腔中心设有在不改变脉冲频率的情况下使脉冲幅值被放大谐振腔。作为优选，所述谐振脉冲传扭腔上部为圆形，中部为截面为正多边形的柱体，下部有螺纹，所述谐振腔为阶梯圆形或者多边形通孔，直径或者当量值递减，所述谐振脉冲传扭腔的中部外表面与所述IV段通孔相配合。作为优选，所述弹性部件为弹簧。作为优选，所述下部接头为内部具有用于钻井液循环的通孔，所述下部接头上部具有用于与所述谐振脉冲传扭腔下部具有的螺纹相连接的螺纹，所述下部接头下部具有用于连接钻头的螺纹。本专利技术提供的谐振脉冲振动钻井装置的有益效果在于本专利技术提供的谐振脉冲振动钻井装置相对于传统钻头旋转破岩增加了轴向往复振动和对井底的脉冲射流，钻头的轴向往复振动和脉冲射流的引入大幅提高了钻头的破岩效率，有效地解决了传统钻头破岩效率低、钻井成本高的问题，特别适用于深部硬度高、研磨性地层的钻井提速。附图说明图1为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置装配剖视图； 图2为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置外壳体剖视图； 图3为图2的A-A向剖视图4为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的固定孔板的示意图； 图5为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的配合筒的示意图； 图6为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的周期导流板示意图； 图7 (a)为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置扰流通孔与转动密封块处于开启状态的示意图7 (b)为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置扰流通孔与转动密封块处于关闭状态的示意图8为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的转动密封块处于扰流通孔不同位置时产生的脉冲压力值变化示意图9为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的谐振脉冲传扭腔的剖视图； 图10为图9的B-B向剖视图11为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的转动密封块处于扰流通孔不同位置时产生的脉冲压力值变化被谐振腔放大前后对比示意图12为本专利技术实施例提供的谐振脉冲振动钻井装置的下部接头剖视图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种谐振脉冲振动钻井装置，包括外壳体，置于所述外壳体内的系统，以及下部接头，所述谐振脉冲振动钻井装置的上部与钻井管柱相连接，所述谐振脉冲振动钻井装置的下部通过所述下部接头与钻头相连接，其特征在于：所述外壳体内部设有供置于所述外壳体内的系统装设的通孔；置于所述外壳体内的系统包括旋转动力系统、脉冲调制系统及谐振脉冲与往复振动系统；所述旋转动力系统控制下使连续流动的钻井液变成具有一定周期的脉冲射流；所述谐振脉冲与往复振动系统对所述脉冲射流的脉冲幅值进行放大从而进行周期性上下往复振动；所述下部接头连接于所述谐振脉冲与往复振动系统。

【技术特征摘要】
1.一种谐振脉冲振动钻井装置，包括外壳体，置于所述外壳体内的系统，以及下部接头，所述谐振脉冲振动钻井装置的上部与钻井管柱相连接，所述谐振脉冲振动钻井装置的下部通过所述下部接头与钻头相连接，其特征在于所述外壳体内部设有供置于所述外壳体内的系统装设的通孔；置于所述外壳体内的系统包括旋转动力系统、脉冲调制系统及谐振脉冲与往复振动系统；所述旋转动力系统控制下使连续流动的钻井液变成具有一定周期的脉冲射流；所述谐振脉冲与往复振动系统对所述脉冲射流的脉冲幅值进行放大从而进行周期性上下往复振动；所述下部接头连接于所述谐振脉冲与往复振动系统。2.根据权利要求1所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于所述外壳体内部设有直径或者当量值递减的阶梯状通孔，所述通孔供置于所述外壳体内的系统装设，所述通孔分为I段通孔、II段通孔、III段通孔和IV段通孔；所述I段通孔装设所述旋转动力系统，所述II段通孔装设所述脉冲调制系统，所述III段通孔和所述IV段通孔装设所述谐振脉冲与往复振动系统。3.根据权利要求2所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于所述I段通孔、II段通孔和IV段通孔为多边形，所述III段通孔为圆形或者多边形。4.根据权利要求2所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于所述旋转动力系统为涡轮或者螺杆。5.根据权利要求4所述的谐振脉冲振动钻井装置，其特征在于所述涡轮包括轴承、 上固定孔板、下固定孔板、导流叶片、配合筒和中心轴，所述上固定孔板和所述下固定孔板分别利用所述轴承与所述中心轴活动连接，所述中心轴的长度大于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间的距离，从而使得所述中心轴的下端面向下伸出于所述下固定孔板一段距离，所述导流叶片装设于所述中心轴位于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间的部位上，所述上固定孔板和所述下固定孔板上对应设置有供钻井液流通的流道；所述配合筒安装于所述上固定孔板和所述下固定孔板之间，所述配合筒的外表面与所述I段通孔相配合，所述配合筒中心具有直径大于所述安装后所述导流叶片转动半径的通孔。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔龙连，张富成，汪海阁，卓鲁斌，查永进，陈志学，刘力，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油集团钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：11