一種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油天然氣工程領域中用于沖擊破碎巖石的鉆井裝置，具體涉及一種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合。
【背景技術】
[0002]隨著油氣勘探的不斷深入，勘探難度日益增加，井深從中淺層向深層、超深層延伸，破巖難度加大。目前，西部地區有73%石油資源儲量埋藏在深部地層，東部地區有53億噸的石油儲量埋藏在深部地層，中部地區有52%的天然氣資源量埋藏在深部地層。但深部地層鉆井破巖主要存在以下技術難點:一是現有破巖技術在深部地層中機械鉆速較慢；二是復雜地層、難鉆地層所占比例逐年增大，傳統鉆井方式的鉆速越來越低，需要高效破巖技術支持；三是現有各種高效破巖技術國外發展水平相對較高，購買、學習國外先進技術設備的費用投入龐大。
[0003]在本發明做出之前，常規鉆井技術是在鉆頭加水射流的旋轉鉆井的基礎上發展起來的，是當前應用最多、技術最為完善的高效鉆井技術。但鉆進深部難鉆地層時，鉆井效果十分不理想，機械鉆速低下，鉆井事故頻發，成本高。另一方面，共振原理在巖石破碎方面的應用主要體現在路面改造工程，在鉆井破巖方面并沒有很好的應用。本發明提供一種可以使井底巖石產生共振的底部鉆具組合，使共振技術應用于鉆井成為可能。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合，這種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合用于解決深部難鉆地層機械鉆速低，鉆井成本高的問題。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:這種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合包括鉆柱、鉆頭、傳動單元、振動傳感器，傳動單元自鉆柱內腔一直延伸至鉆頭內，且傳動單元的沖擊末端從鉆頭的中心裸露出來并超出鉆頭的工作平面，傳動單元附近至少安裝一個噴嘴；傳動單元包括電動馬達、螺紋銷釘、硬質金屬塊、插孔單元、硬質合金單元、沖擊末端，電動馬達安裝在鉆柱內，電動馬達連接螺紋銷釘，螺紋銷釘的下端固定硬質金屬塊，螺紋銷釘與硬質金屬塊形成倒T型，上螺旋彈簧上端抵于硬質金屬塊，上螺旋彈簧下端固定在插孔單元的頂面上，插孔單元為T型的，插孔單元的下端從鉆頭的中心裸露出來，硬質合金單元鑲嵌于插孔單元下部，沖擊末端鑲嵌于硬質合金單元下部；下螺旋彈簧環繞在插孔單元外，下螺旋彈簧上端固定在插孔單元的頂面下，振動傳感器安裝在插孔單元上。
[0006]上述方案中插孔單元由硬度大于60HRc的金屬材料制作，用于傳遞彈簧彈力作用于硬質合金單元。
[0007]上述方案中沖擊末端由超硬材料制作，其形狀為非對稱的尖的或鈍的幾何形狀，用于作用井底巖石，使井底巖石產生共振。
[0008]上述方案中電動馬達為微型電動馬達，用來旋轉螺紋銷釘。
[0009]本發明具有以下有益效果: 1、本發明可以解決深部難鉆地層鉆井難題，大幅度提高機械鉆速。
[0010]本發明利用共振原理破碎深部地層難鉆巖石，使巖石自身在共振頻率作用下產生劇烈振動，然后在鉆頭的切削作用下輕易達到破碎效果。與常規鉆井方法相比，鉆井速度快，巖石破碎效果好，因此大大提高了機械鉆速。
[0011]2、本發明可以減少鉆頭磨損，節約鉆井成本。
[0012]本發明以引起井底巖石產生共振為主，PDC鉆頭切削破巖為輔，因此大大減少了PDC鉆頭切削齒脫落、斷齒等磨損問題，延長了鉆頭壽命，節約了鉆井成本。同時傳動單元中的組成部件均為常用材料，制造成本低廉。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的結構示意圖。
[0014]圖2是本發明的剖面圖。
[0015]圖中鉆柱2鉆頭3傳動單元4電動馬達5螺紋銷釘6硬質金屬塊7上螺旋彈簧8插孔單元9硬質合金單元10沖擊末端11振動傳感器12噴嘴13鉆頭工作平面14下螺旋彈簧。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明作進一步的說明:
結合圖1、圖2所示，這種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合包括鉆柱1、鉆頭2、傳動單元3、振動傳感器11，傳動單元3自鉆柱I內腔一直延伸至鉆頭2內，且傳動單元3的沖擊末端10從鉆頭2的中心裸露出來并超出鉆頭2的工作平面，傳動單元3附近至少安裝一個噴嘴12。鉆柱I為常規鉆井鉆柱，包括鉆桿、鉆鋌等組件，用于傳遞鉆壓、傳輸鉆井液等。鉆頭2為鉆井常規鉆頭，如PDC鉆頭等，用于輔助切削破碎井底巖石。
[0017]傳動單元3為軸向的傳動單元，獨立于鉆頭2旋轉，用于產生軸向的沖擊振動。傳動單元3由上到下依次為電動馬達4、螺紋銷釘5、硬質金屬塊6、上螺旋彈簧7、插孔單元8、硬質合金單元9、沖擊末端10，其中電動馬達4、螺紋銷釘5、硬質金屬塊6和上螺旋彈簧7位于鉆柱I內腔，下螺旋彈簧14、插孔單元8、硬質合金單元9以及沖擊末端10位于鉆頭2內部。
[0018]傳動單元3具體連接關系為:電動馬達4連接螺紋銷釘5，螺紋銷釘5的下端固定硬質金屬塊6，螺紋銷釘5與硬質金屬塊6形成倒T型，螺紋銷釘5用于推進或收回硬質金屬塊6，硬質金屬塊6用于壓縮和釋放上螺旋彈簧7，改變上螺旋彈簧7彈力；上螺旋彈簧7上端抵于硬質金屬塊6，但上螺旋彈簧7與硬質金屬塊6不相連，上螺旋彈簧7下端固定在插孔單元8的頂面上，用于向插孔單元8施加作用力；插孔單元8為T型的，插孔單元8的下端從鉆頭2的中心裸露出來，硬質合金單元9鑲嵌于插孔單元8下部，沖擊末端10鑲嵌于硬質合金單元9下部；下螺旋彈簧14環繞在插孔單元8外，下螺旋彈簧14上端固定在插孔單元8的頂面下，要保證插孔單元8至少與兩根螺旋彈簧相連，振動傳感器11安裝在插孔單元8上。
[0019]電動馬達4為微型電動馬達，用來旋轉螺紋銷釘5。插孔單元8由硬度大于60HRc的金屬材料制作，用于傳遞彈簧彈力作用于硬質合金單元9。沖擊末端10由超硬材料制作，其形狀為非對稱的尖的或鈍的幾何形狀，用于作用井底巖石，使井底巖石產生共振。
[0020]本發明在進行共振鉆井時，電動馬達4旋轉螺紋銷釘5，螺紋銷釘5伸出推動中間單元6壓縮上螺旋彈簧7，上螺旋彈簧7產生彈力作用于插孔單元8，插孔單元8通過硬質合金單元9將彈力傳遞到沖擊末端10作用于井底巖石，井底巖石產生反作用力作用于沖擊末端10。在作用力與反作用力共同作用下，傳動單元3以一定頻率產生振動，并通過振動傳感器11將振動聲波反射回地面。當振動頻率接近井底巖石的共振頻率時，井底巖石產生共振。在鉆頭2的切削輔助作用下，完成巖石破碎過程，此時機械鉆速急劇增加。當機械鉆速降低，通過電動馬達4旋轉螺紋銷釘5，推動或回拉中間單元6，壓縮或釋放上螺旋彈簧7改變彈力，從而改變傳動單元3的振動頻率，使傳動單元3再次達到井底巖石的共振頻率，實現共振鉆井。
【主權項】
1.一種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合，其特征在于:這種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合包括鉆柱(I)、鉆頭(2)、傳動單元(3)、振動傳感器(11)，傳動單元(3)自鉆柱內腔一直延伸至鉆頭⑵內，且傳動單元⑶的沖擊末端(10)從鉆頭⑵的中心裸露出來并超出鉆頭(2)的工作平面，傳動單元(3)附近至少安裝一個噴嘴(12);傳動單元(3)包括電動馬達(4)、螺紋銷釘(5)、硬質金屬塊(5)、插孔單元(8)、硬質合金單元(9)、沖擊末端(10)，電動馬達⑷安裝在鉆柱⑴內，電動馬達⑷連接螺紋銷釘(5)，螺紋銷釘(5)的下端固定硬質金屬塊(5)，螺紋銷釘(5)與硬質金屬塊(5)形成倒T型，上螺旋彈簧(7)上端抵于硬質金屬塊(5)，上螺旋彈簧(7)下端固定在插孔單元(8)的頂面上，插孔單元(8)為T型的，插孔單元(8)的下端從鉆頭(2)的中心裸露出來，硬質合金單元(9)鑲嵌于插孔單元(8)下部，沖擊末端(10)鑲嵌于硬質合金單元(9)下部；下螺旋彈簧(14)環繞在插孔單元(8)外，下螺旋彈簧(14)上端固定在插孔單元(8)的頂面下，振動傳感器(11)安裝在插孔單元(8)上。
2.根據權利要求1所述的用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合，其特征在于:所述的插孔單元⑶由硬度大于60HRc的金屬材料制作。
3.根據權利要求1所述的用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合，其特征在于:所述的沖擊末端(10)由超硬材料制作，其形狀為非對稱的尖的或鈍的幾何形狀。
4.根據權利要求1所述的用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合，其特征在于:所述的電動馬達(4)為微型電動馬達。
【專利摘要】本發明涉及的是一種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合，這種用于實現井底巖石共振的底部鉆具組合包括鉆柱、鉆頭、傳動單元、振動傳感器，傳動單元自鉆柱內腔一直延伸至鉆頭內，且傳動單元的沖擊末端超出鉆頭的工作平面；傳動單元的電動馬達安裝在鉆柱內，電動馬達連接螺紋銷釘，螺紋銷釘的下端固定硬質金屬塊，螺紋銷釘與硬質金屬塊形成倒T型，上螺旋彈簧上端抵于硬質金屬塊，上螺旋彈簧下端固定在插孔單元的頂面上，插孔單元為T型的，插孔單元的下端從鉆頭的中心裸露出來，硬質合金單元鑲嵌于插孔單元下部，沖擊末端鑲嵌于硬質合金單元下部；下螺旋彈簧環繞在插孔單元外，下螺旋彈簧上端固定在插孔單元的頂面下，振動傳感器安裝在插孔單元上。本發明可以解決深部難鉆地層鉆井難題，大幅度提高機械鉆速。
【IPC分類】E21B7-24
【公開號】CN104763337
【申請號】CN201510094125
【發明人】李瑋, 李思琪, 閆鐵, 孫士慧, 李卓倫, 李悅
【申請人】東北石油大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月3日