[发明专利]超声波高频冲击钻井装置

说明书

本发明公开了一种超声波高频冲击钻井装置，该超声波高频冲击钻井装置包括：中空的外壳体，其下部连接有外部钻头；设置在所述外部钻头中的超声波变幅杆；固定在所述超声波变幅杆下端的内部钻头；设置在所述超声波变幅杆上端的超声波换能器；所述外壳体的内侧至所述外部钻头之间形成有钻井液通道；动力机构，其包括：设置在所述钻井液通道中的涡轮，由所述涡轮驱动的交流发电机，与所述超声波换能器电性连接的变频器；所述涡轮能被所述钻井液通道中的钻井液驱动并带动所述内部钻头旋转，所述内部钻头的旋转方向与所述外部钻头的旋转方向相反。本发明能够提高钻井速度，降低钻井成本。

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种超声波高频冲击钻井装置。

背景技术

钻井提速和高效破岩是油气井领域的核心，尤其是在石油天然气勘探开发逐渐向深部地层发展，硬地层钻遇越来越多的背景下，高效破岩显得尤为重要。针对于此，国内外专家、学者提出了一大批钻井提速新技术和新理念，高频冲击振动破岩就是其中一个较为可行的提速技术。高频冲击振动破岩的提速机理为：高频振动发生器所产生的循环冲击力加载给钻头，钻头紧接着把周期性变化的动载作用于岩石，岩石在不同频率的冲击力作用下，会相应地产生不同程度的疲劳破坏、微裂纹扩展或者共振破碎。

目前专家学者提出的高频冲击器大多属于液力直接驱动，虽然设备简单，可操作性强，但提速效果不明显。

因此，有必要提供一种新的钻井装置，以克服现有技术中的缺陷。

发明内容

从高频冲击钻井的机理可知，冲击器的冲击频率、冲击力峰值和冲击力幅值对破岩效果有密切的关系。目前冲击钻井工具的冲击频率非常低，远远小于岩石的固有频率。

超声波高频振动发生器利用压电效应的原理可以产生高频机械振动(振动频率高达30KHz(千赫兹)以上)，在医疗、地外星球钻探、焊接等领域发挥了极大的作用。如何将超声波高频发生器与传统的石油钻井PDC钻头相结合，组成一体化井下钻井装置，充分发挥超声波高频发生器的优势，以及内部钻头和外部钻头的相对剪切作用，提高钻井速度，降低钻井成本是目前亟待解决的问题。

为了把高频机械振动引入到石油钻井中，本发明提供了一种超声波高频冲击钻井装置，将超声波高频发生器与传统的石油钻井PDC钻头相结合，能够克服现有技术中的缺陷，从而提高钻井速度，降低钻井成本。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种超声波高频冲击钻井装置，其包括：

中空的外壳体，其下部连接有外部钻头；

设置在所述外部钻头中的超声波变幅杆；

固定在所述超声波变幅杆下端的内部钻头；

设置在所述超声波变幅杆上端的超声波换能器；所述外壳体的内侧至所述外部钻头之间形成有钻井液通道；

动力机构，其包括：设置在所述钻井液通道中的涡轮，由所述涡轮驱动的交流发电机，与所述超声波换能器电性连接的变频器；

所述涡轮能被所述钻井液通道中的钻井液驱动并带动所述内部钻头旋转，所述内部钻头的旋转方向与所述外部钻头的旋转方向相反。

在一个优选的实施方式中，所述变频器能将所述交流电动机产生的交流电的频率提高到30千赫兹；所述动力机构还包括：导线、集电环；

所述导线将所述交流发电机和所述集电环电性连接，以将所述交流发电机产生的交流电传递给所述集电环；

所述集电环与所述超声波换能器电性连接，所述集电环将所述交流电对应的电能传递给所述超声波换能器，所述超声波换能器将所述电能转换为机械能，并产生高频机械振动，所述超声波变幅杆将所述高频机械振动放大。