[发明专利]扭转振动辅助破岩工具

说明书

技术领域

本发明涉及油气勘探开发或地质钻探作业领域的井下工具，尤其涉及一种扭转振动辅助破岩工具。

背景技术

钻井是通过建立井筒将地面与地层深部连接起来的工艺方法。钻头是钻井过程中最重要的破岩工具。当钻遇硬岩层时，钻头破碎岩石的能力将大打折扣，机械钻速因此大幅降低，可能由数十米每小时降至一米每小时甚至更低。为提高机械钻速，尤其是钻遇硬岩层时的机械钻速，近几年来，研究人员根据共振的物理原理提出了通过产生共振频率诱导岩石部分破碎，从而辅助钻头破岩，提高机械钻速的方法。

共振频率是指一物理系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅进行振动的情形，这些特定频率称为共振频率。在该频率下，很小的周期驱动力便可产生很大幅度的振动。通常一个系统具有多个共振频率，在这些频率上振动比较容易，在其它频率上振动比较困难。若系统受到复杂振动的作用，一般会选择其共振频率随此频率振动，如同将其它频率过滤掉一般。

英国阿伯丁大学1998年提出将共振破岩技术用于石油钻井，并经多年持续研究，形成了以压电材料为振动源的共振破岩工具样机。该样机装备有特殊研制的钻头。室内实验证实这套样机在硬岩层中钻进时，机械钻速较传统工具大幅提高。

美国NASA的推进器研究所提出一种超声振动辅助取芯的工具，即取芯钻头旋转时，同时受到压电材料所引发的高频振动，岩石同时受到旋转剪切和高频冲击作用，破碎得更快。使用这种方法取芯时，消耗的功率更少，钻头工作寿命更长，且不需要使用钻井液。

国内北京航空航天大学、沈阳自动化研究所均就振动破岩钻头进行了初步研究，以压电材料为核心器件试制了超微振动破岩钻头。其原理是采用超声波激励变幅杆发生高频振动，该振动经与变幅杆相连的质量块进一步放大，放大后的振动传递到钻头上，钻头高频冲击岩石，从而形成孔洞。

综合看来，目前国内外的研究集中于通过压电材料产生高频轴向振动，并将振动传递到钻头上，使钻头发生轴向振动，这种振动最终作用于岩石，从而提高破岩效果。

由于常规PDC钻头切削齿为金刚石复合片，质地硬脆，通常难以承受高频的轴向冲击；另外压电材料在不断伸缩变形过程中自身温度将急剧升高，短时间内即可达到200或300℃，不宜与常规井下工具共同使用。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种扭转振动辅助破岩工具，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扭转振动辅助破岩工具，克服现有技术中存在的钻头切削齿易损坏、压电材料不宜与常规井下工具共同使用的问题，通过钻头对岩石施加高频的扭转振动，辅助钻头破碎岩石，提高机械钻速，延长钻头使用寿命。

本发明的目的是这样实现的，一种扭转振动辅助破岩工具，所述扭转振动辅助破岩工具的底部连接有钻头，其特征在于：包括一测控短节，所述测控短节下方连接有能扭转振动的振动短节，所述振动短节内部设置有振动装置，所述振动短节下方连接有加速度测量短节，所述加速度测量短节的底部连接所述钻头。

在本发明的一较佳实施方式中，所述振动装置包括一电机，所述电机下方连接有齿轮组，所述齿轮组下方连接有能旋转接触所述振动短节的振动凸轮。

在本发明的一较佳实施方式中，所述振动短节上部设置有过渡接头，所述过渡接头下方连接有能相对所述过渡接头扭转振动、且内部与所述过渡接头的内部上下贯通的振动下接头，所述振动下接头下方能扭转地连接所述加速度测量短节。

在本发明的一较佳实施方式中，所述过渡接头内设有上下贯通的第一通孔，所述第一通孔底部固定连接有一电机支座，所述电机支座内设有上下贯通的电机支座过孔，所述电机支座上设置所述电机，所述电机上设置有电机控制器，所述电机下方连接有一联轴器，所述联轴器下端穿过所述电机支座连接所述齿轮组。

在本发明的一较佳实施方式中，所述振动下接头内侧上部设有第一盲孔，所述振动下接头内侧下部设有第二盲孔，所述第一盲孔与所述第二盲孔之间形成有振动座，所述振动座内设置有侧壁能被所述振动凸轮旋转接触的凸轮容纳槽，所述振动座内还设置有能上下贯通所述第一盲孔和所述第二盲孔的振动座通孔。