[发明专利]高频脉冲射流共振钻井装置及其钻井方法

说明书

一、     技术领域：

本发明涉及石油钻井破岩工艺领域，主要应用在石油工程、采矿工程、岩土工程等领域，是利用共振现象快速破碎深部地层岩石并提高机械钻速的钻井技术，具体地说是高频脉冲射流共振钻井装置及其钻井方法。

二、背景技术：  

随着我国国民经济的高速发展，国家对油气资源的需求逐年增多。油气勘探力度不断增加，开采难度日益增大。井深从浅层向深层、超深层转变。深部地层高效钻井破岩技术的难点主要包括：一是复杂地层、难钻地层所占比例逐年增大，传统钻井方式的钻速越来越低；二是现有钻头机械破岩加射流辅助的破岩技术在深部地层中存在技术瓶颈。

现代钻井技术是在钻头加水射流的旋转钻井的基础上发展起来的，是当前应用最多、技术最为完善的高效钻井技术。在深部地层，尤其是在中硬、硬等难钻地层，旋转钻井的钻井效果十分不理想，机械钻速低下，钻井事故频发，成本高。

针对传统破岩工艺机械钻速越来越慢，费用越来越高的问题，亟需发展新一代高效钻井破岩技术。

三、发明内容：

本发明的目的是提供高频脉冲射流共振钻井装置，它用于解决现有技术钻井效果十分不理想，机械钻速低下，成本高的问题；本发明的另一个目的是提供这种高频脉冲射流共振钻井装置的钻井方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种高频脉冲射流共振钻井装置包括有外钢套，外钢套一端与上转换接头连接，另一端与下转换接头连接，上转换接头通过螺纹与钻铤相连接，下转换接头通过螺纹与钻头连接；外钢套内从上到下依次安装小型水轮发电机、密度测井仪、声波测井仪、控制器、超声换能器；小型水轮发电机由叶片和发电机构成，叶片安装在发电机上方，超声换能器包括固定端、换能器、变幅杆，外钢套与变幅杆相对应的部位有一个缩径段；密度测井仪、声波测井仪、控制器通过垫块彼此之间分隔开，密度测井仪、声波测井仪、控制器连接后，它们的内腔相通，形成钻井液通道。

上述方案中的小型水轮发电机为通用液动发电机，用于为测井、信号接收器、超声换能器提供电能。

上述方案中密度测井仪为中子密度测井仪器，用于测定当前地层岩石密度。

上述方案中声波测井仪为普通单发双收声波测井仪器，用于测定当前地层岩石声波时差。

上述方案中的变幅杆为指数形或悬链形变幅杆，材料可以为钢制或铜质，把压电换能器产生的机械振动振幅或速度放大，或将能量集中在较小的面积上，起到聚能作用。

上述高频脉冲射流共振钻井装置的钻井方法为：

1）在室内通过高压大排量泵组检查高频脉冲射流共振钻井装置工作是否正常，并下入井底；

2）循环钻井液，并旋转钻柱，通过调整钩载并给钻头施加钻压，循环钻井液后小型水轮发电机发电，设备开始工作；

3）控制器给密度测井仪和声波测井仪分配工作电流，密度测井仪测试当前钻井地层的岩石密度，声波测井仪测试当前地层声波时差数据，这些数据最终反馈到控制器；

4）控制器分析密度测井仪和声波测井仪产生的数据，对岩石材料的幅频特征进行扫描，确定岩石材料的共振频率；

5）控制器在当前地层岩石材料共振频率范围中，选择一个低于最大值的点作为最佳共振频率； 

 6）控制器为换能器分配高频激励电信号，换能器和和变幅杆将高频激励电信号转换为超声波信号，并传递给钻井液；

7）钻井液通过钻头形成高频脉冲射流冲击井底，使井底岩石达到共振状态，

8）当地层岩性改变时，其共振频率发生改变，密度测井仪和声波测井仪测试数据也会发生改变，控制器根据密度测井仪和声波测井仪提供的数据重新给换能器分配高频激励电信号，再次使高频脉冲射流频率达到地层岩石共振的共振频率，再一次实现共振破岩。

有益效果：

1）本发明充分利用岩石材料共振条件下强度大幅度降低和共振促进内部裂缝扩展的性质。深部地层岩石埋藏深、围压大、岩石压实程度高，深部地层岩石机械钻速较慢，使用岩石共振属性可以大幅提高机械钻速，提高幅度达1到2倍，有效降低钻井成本。

2）本发明利用钻井液和小型水轮发电机转换电能，可以安全稳定地为测井仪和超声换能器提高动力来源，有效解决钻井过程中无法传递电能的问题。利用钻井液传递超声振动使岩石产生共振，降低超声换能器的输出功率，提高钻头破岩效率。

四、附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A-A结构剖面图；

图3为图1中B-B结构剖面图；

图4为本发明安装位置示意图。