一種超聲波鉆井裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供了一種超聲波鉆井裝置，能安裝在鉆鋌和鉆頭之間的鉆柱的一側半圓上。鉆井裝置包括本體以及設置在本體上的壓電驅動器。鉆井裝置還包括設置于壓電驅動器的下端，用于傳播并擴大壓電驅動器產生的機械振動的幅度的調幅器，以及設置于調幅器的下端并與本體固定連接的沖擊部，用于將機械振動所產生的沖擊作用傳遞給本體和鉆頭。本發明專利技術的超聲波鉆井裝置提高了機械鉆速，節約了鉆井成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及油氣田勘探與開發
，尤其涉及一種超聲波鉆井裝置及方法。
技術介紹
鉆井是指通過鉆井工具和技術建立地面與地下油藏的通道。目前主要應用于石油、天然氣、地熱、地下水、井鹽等資源的開采。隨著油氣勘探開發的深入，鉆井深度越來越深難度越來越大，特別是深井、超深井存在著機械鉆速低、鉆井周期長、鉆井費用高等問題，對鉆井技術本身提出了更高的要求。傳統鉆井方式的能量傳輸、轉換、分配和利用效率等問題一直未能解決，能量綜合利用效率很低。世界各國的石油專家不斷地探索研究新的鉆井方法，研究和試驗表明，通過水力旋轉沖擊技術來提高鉆井速度是一種行之有效的方法。目前，國內外對旋轉沖擊技術技術進行過研究，主要不足為：旋轉沖擊鉆井技術屬于機械沖擊，單次沖擊功、力較大，射流元件工作時間長易沖蝕等問題，造成工具使用壽命不長，限制了其開展和應用。因此，需要一種新的鉆井裝置及方法，以滿足資源開采需求。
技術實現思路
本專利技術的目的，在于提供一種超聲波鉆井裝置及方法，將超聲波振動技術應用于鉆井
根據本專利技術的一個方面，提供了一種超聲波鉆井裝置，能安裝在鉆鋌和鉆頭之間的鉆柱的一側半圓上，包括本體以及設置在本體上的壓電驅動器；還包括設置于壓電驅動器的下端，用于傳播并擴大壓電驅動器產生的機械振動的幅度的調幅器，以及設置于調幅器的下端并與本體固定連接的沖擊部，用于將機械振動所產生的沖擊作用傳遞給本體和鉆頭。在這種情況下，通過壓電驅動器將高頻，例如大于10000Hz的電能轉換為相同頻率的機械振動，隨后機械振動通過調整器放大后傳遞到沖擊部，沖擊部將機械振動所產生的沖擊作用傳遞給鉆頭進行鉆井。進一步地，在沖擊部的內部設有自由腔，在調幅器的下端連接有自由塊，自由塊位于自由腔內。由此，自由塊可以在自由腔內振動，將調幅器傳播并放大的機械振動傳遞至沖擊部。進一步地，壓電驅動器通過能限制其發生徑向變形的固定壁固定在鉆柱的一側半圓上。由此，壓電驅動器在通電后僅產生軸向的機械振動。進一步地，在壓電驅動器上設有接入高頻電流的電源接口。由此，可用于為壓電驅動器提供高頻電流。進一步地，調幅器的母線形狀為階梯、指數、圓錐、高斯、傅里葉、余弦或上述任意組合。根據本專利技術的另一個方面，提供了一種應用上述超聲波鉆井裝置的超聲波鉆井方法。主要包括如下步驟：首先，通過電源接口為壓電驅動器提供高頻電流。隨后，通過壓電驅動器把高頻電流轉化為機械振動。然后，調幅器將機械振動傳播擴大，并作用于自由塊上。最后，自由塊在沖擊部的自由腔內振動，并將沖擊動作傳遞給鉆頭進行鉆井。進一步地，壓電驅動器轉化的機械振動的頻率與自由塊的固有頻率相等。由此，自由塊將在自由腔內產生共振效應。當自由塊向下振動接觸到沖擊部時，即完成一次沖擊動作。進一步地，高頻電流的供應方式為：通過電纜或智能鉆桿從地面直接供給；或使用井下直流電池通過超聲波發生器轉化為與壓電驅動器相匹配的高頻電流；或利用鉆井液流動的能量，通過井下發電機發電，再通過超聲波發生器轉化為與壓電驅動器相匹配的高頻電流。進一步地，高頻電流的頻率大于等于10000Hz。由此，壓電驅動器將相同頻率的電能轉化為機械振動，機械振動以振動波的方式向下傳播，經調幅器傳至自由塊，自由塊在沖擊部內的自由腔中發生共振效應，每秒可對沖擊部產生10000次以上的沖擊作用。與現有技術相比，本專利技術通過提供一種超聲波鉆井裝置及方法，利用壓電驅動器將高頻電流轉換為相同頻率的機械振動。機械振動通過調幅器放大后傳遞到自由塊上端，使自由塊在沖擊盤內產生共振效應，進而產生向下的高頻沖擊動作，達到提高機械鉆速的效果。本專利技術的超聲波鉆井裝置的沖擊頻率較高，可達每秒10000次以上，提高了機械鉆速，節約了鉆井成本。且裝置的單次沖擊強度小于機械沖擊方式，具有更長的使用壽命。超聲波鉆井裝置的結構簡單，性能可靠，應用性較強。附圖說明在下文中將基于實施例并參考附圖來對本專利技術進行更詳細的描述。其中：圖1為本專利技術實施例的超聲波鉆井裝置的結構示意圖；圖2為本專利技術實施例的超聲波鉆井方法的流程圖。在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標記。附圖并未按照實際的比例。具體實施方式下面將結合附圖對本專利技術作進一步說明。如圖1所示，一種超聲波鉆井裝置10，安裝在鉆鋌和鉆頭之間的鉆柱的一側半圓上。在超聲波鉆井裝置10的下方連接有鉆頭，在超聲波鉆井裝置10的上方連接有鉆鋌或動力鉆具。超聲波鉆井裝置10包括本體1以及設置在本體1上的壓電驅動器3，在壓電驅動器3的下方設有調幅器4，在調幅器4的下方設有沖擊部6。沖擊部6與本體1固定連接。即，本體1為其它部件的承載結構，在本體內從上至下依次布置有壓電驅動器3、調幅器4和沖擊部6。在本體1上端布置有用于連接鉆鋌或動力鉆具的公接頭，在本體1的下端布置有用于連接鉆頭的母接頭。在這種情況下，壓電驅動器3能將電能轉化為機械振動，機械振動通過調幅器4擴大并傳播至沖擊部6，沖擊部6將機械振動所產生的沖擊作用傳遞給本體1和鉆頭進行鉆井。在本專利技術的一個具體實施例中，如圖1所示，在沖擊部6的內部設有自由腔(未視出)，在調幅器4的下端連接有自由塊5，自由塊5裝入自由腔內。自由塊5與自由腔的形狀為圓形或多面體形等多種形狀，只要兩者相適應即可。優選地，自由塊5為圓柱體狀。自由塊5可以在自由腔內振動，將調幅器4傳播并放大的機械振動傳遞至沖擊部6。在本專利技術的一個具體實施例中，壓電驅動器3是指利用壓電材料的正逆壓電效應，即，將機械能轉化為電能或者將電能轉換為機械能的效應，制成的換能器。壓電驅動器3可以把高頻電流轉化為相同頻率的機械振動。優選地，壓電驅動器3設計為圓柱體狀，在壓電驅動器3上設有固定壁，固定壁將其固定在本體1上。在這種情況下，固定壁可以限制壓電驅動器3發生徑向變形，使壓電驅動器3只能發生軸向機械振動，振動波可以向下傳播。優選地，壓電驅動器3布置在鉆柱一側半圓上，這樣另一半圓可以為鉆井液提供流動通道。在本專利技術的一個具體實施例中，如圖1所示，壓電驅動器3上設有電能接頭2用于連接高頻電流供應裝置。高頻電流的供應方式可以包括以下幾種：(1)通過電纜或智能鉆桿從地面直接供給。(2)使用井下直流電池通過超聲電源轉化為與壓電驅動器相匹配的高頻電流。(3)利用鉆井液流動的能量，通過井下發電機發電，再通過超聲電源轉化為與壓電驅動器相匹配的高頻電流。在本專利技術的一個具體實施例中，調幅器4置于壓電驅動器3的下端，自由塊5的上端。調幅器4的主要作用是：傳播壓電驅動器3產生的機械振動并將其擴大，然后作用于自由塊5上。調幅器4布置在鉆柱一側半圓上，另一側半圓可以為鉆井液提供流動通道。調幅器4按母線形狀又可分為階梯、指數、圓錐、高斯、傅里葉、余弦等類型，也可以將這些單一形狀的調幅器組合起來進行設計，設計成復合型調幅器。下面將對應用了上述超聲波鉆井裝置的使用方法與工作過程進行相關說明。如圖2所示，包括以下步驟：S1將鉆井裝置連接于鉆頭上部，鉆鋌的下部，通過電源接口為壓電驅動器提供高頻電流。S2壓電驅動器把高頻電流轉化為相同頻率的機械振動。S3調幅器將機械振動傳播擴大，并作用于自由塊上。S4自由塊在沖擊部的自由腔內振動，并將沖擊動作傳遞給鉆頭進行鉆井。當壓電驅動器3輸出的機械振動頻率與本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種超聲波鉆井裝置，能安裝在鉆鋌和鉆頭之間的鉆柱的一側半圓上，其特征在于，包括：本體；壓電驅動器，設置在所述本體上；調幅器，設置于所述壓電驅動器的下端，用于調整所述壓電驅動器產生的機械振動的幅度；以及沖擊部，設置于所述調幅器的下端并與所述本體固定連接，用于傳遞調幅后的所述機械振動所產生的沖擊作用。

【技術特征摘要】
1.一種超聲波鉆井裝置，能安裝在鉆鋌和鉆頭之間的鉆柱的一側半圓上，其特征在于，包括：本體；壓電驅動器，設置在所述本體上；調幅器，設置于所述壓電驅動器的下端，用于調整所述壓電驅動器產生的機械振動的幅度；以及沖擊部，設置于所述調幅器的下端并與所述本體固定連接，用于傳遞調幅后的所述機械振動所產生的沖擊作用。2.根據權利要求1所述的超聲波鉆井裝置，其特征在于，在所述沖擊部的內部設有自由腔，在所述調幅器的下端連接有自由塊，所述自由塊位于所述自由腔內。3.根據權利要求1所述的超聲波鉆井裝置，其特征在于，在所述壓電驅動器上設有接入高頻電流的電源接口。4.根據權利要求1所述的超聲波鉆井裝置，其特征在于，所述調幅器的母線形狀包括階梯、指數、圓錐、高斯、傅里葉或余弦，或者所述階梯、指數、圓錐、高斯、傅里葉以及余弦中的至少兩者的組合。5.一種超聲波鉆井方法，應用了如權利要求1至4中任一項所述的超聲波鉆井裝置，其特征在于，包括以下步驟：為壓電驅動器提供高頻電流；將...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬東軍，范紅康，胡彥峰，孫明光，王果，郭瑞昌，劉衛東，劉曉丹，王磊，張建龍，劉建華，周號博，
申請(專利權)人：中國石油化工股份有限公司，中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11