[发明专利]共振增强钻探的方法和设备

说明书

本申请是于2007年6月11日提交的名称为“共振增强钻探的方法和设备”的中国专利申请200780025852.4的分案申请。

技术领域

本发明涉及钻探装置，并具体涉及用于在如岩层的材料内钻探的钻探装置。

背景技术

在岩石和其它材料上钻探的领域促成了钻探技术中的许多发展。在这一点上，这类钻探涉及到恶劣严酷的条件以及钻探成本和相关的环境问题，由于这些原因，对钻探方法的有效性、可靠性以及安全性有严格的要求。

因而，如石油工业等采用井下钻探的工业热衷于研发满足这些需求并能够增加钻探速度且减小工具磨损的钻探装置和方法。

关于这一点，石油工业越来越需要钻探偏斜的或水平的长距离油井（long-reach well）以获取新的石油储备。然而，这种钻探进一步引入挑战现有钻探技术的几个问题，如需要低钻压、减小的功率可用性、沿油井长度的岩石条件的可变性、井眼坍塌/裂纹的危险、增加的升降成本以及增加的工具磨损与故障。

已知的是，当钻头经过要被钻探的材料时，可以通过对钻头施加往复的轴向运动来提高在具体状况下的钻探速度，这被称为冲击钻探。这是因为这些轴向运动的冲击促进被钻探材料的破裂，并由此使后续的钻探和材料的移除更加容易。

在传统冲击钻探中，侵彻机理（penetration mechanism）是基于通过由钻头施加的大的低频非控冲击来破裂井眼内材料。与标准旋转钻探相比，这种方式可增加对中等或硬岩石的钻探速率。然而，这种方式的缺点在于，这些冲击危害井眼的稳定性，降低井眼质量并引起加速的、有时是灾难性的工具磨损和/或故障。

钻探技术的另一个重要发展是对旋转钻头施加超声波轴向振动。通过这种方式，使用超声波振动而非单纯的高载荷冲击来促使破裂传播。与采用较低载荷的传统冲击钻探相比，这种方式可提供显著的进步，并允许低钻压钻探。然而，超声波钻探展现的改进不总是一致的，并且不总是可直接适用于井眼钻探。

因此，本发明的目的是提供试图缓解上述问题的钻探设备和方法。

发明内容

依照本发明的第一方面，提供了一种钻探设备，其包含：钻头，该钻头能够旋转并承受高频振荡载荷；以及控制装置，其用于控制钻头的应用的旋转载荷和/或振荡载荷，该控制装置具有用于改变所述应用的旋转载荷和/或振荡载荷的调节装置，所述调节装置响应钻机经过的材料的条件；其中控制装置在使用时被提供在位于井下位置的设备上，并且包括用于对材料特性进行井下测量的传感器，其中该设备在闭环实时控制下可在井下操作。

通过这种方式，该钻探设备可以响应当前钻探条件来自主实现功能并调节旋转载荷和/或振荡载荷，从而优化钻探机理并获得改善的钻探速度。

优选地，控制装置控制钻头冲击材料，从而产生第一组大（macro）裂纹，控制装置进一步控制钻头旋转并在另一个时机冲击材料，从而产生另一组大裂纹，其中控制装置使钻头的旋转运动和振荡运动同步，用以促使由此产生的裂纹相互连接，从而在钻头前面建立局部动态裂纹传播区域。

传统地，调节装置控制所述钻头的应用的旋转载荷和振荡载荷，从而实现并保持钻头和与钻头接触的被钻材料之间的共振。在包含钻头和被钻材料的系统中的这种共振使驱动钻头所需的能量输入最小化。

这样，在钻头前面的材料内的裂纹传播被加强，这使钻探动作更加简单并由此增加了钻探速率。

依照本发明的第二方面，提供了一种连同钻探设备一起使用的钻头控制方法，所述钻探设备包含：钻头，该钻头能够应用振荡载荷和旋转载荷；控制装置，其用于控制钻头的应用的旋转载荷和/或振荡载荷，该控制装置具有用于改变所述应用的旋转载荷和/或振荡载荷的调节装置，所述调节装置响应钻机经过的材料的条件；所述调节装置进一步控制钻头的所述应用的旋转载荷和振荡载荷，从而实现并保持钻头和与钻头接触的被钻材料之间的共振。

优选地，为了实现并保持钻头和与钻头接触的被钻材料之间的共振，所述方法进一步包括依照下列步骤为钻头确定适当的载荷参数：

A）当钻头与被钻材料共振并交互作用时，确定钻头的振幅极限；

B）估计适当的频率扫描范围以加载所述钻头；

C）估计共振曲线的形状；

D）在共振曲线上的一点处选择最优共振频率，该最优共振频率小于共振曲线上的最大值；以及

E）基于这一最优共振频率驱动钻头。

在这种连接下，在钻头的振幅上限选择在钻头的共振不会变得有破坏性的数值处。超过这一极限，存在一种可能性，即钻头将开始具有毁坏作用。