基于钻井液脉冲冲击的激振器、激振方法及钻井冲击方法

本发明属于钻井，具体涉及一种基于钻井液脉冲冲击的激振器、激振方法及钻井冲击方法。

背景技术：

1、坚硬地层可钻性差、机械钻速低、钻井周期长成为目前高效钻井的挑战。高围压高应力环境下井底岩面局部应力增大，岩石强度增加，常规钻井技术钻进硬岩地层过程中，造成破岩效率低、钻井效率低，由此冲击钻井技术应运而生。但是现有的冲击钻井工具大都为冲锤，由于冲锤与砧体间采用的金属硬性接触，容易形成冲击疲劳失效。

2、另外，对于水平井，水平井钻进过程中若采用滑动钻进方式，钻杆不旋转，钻杆与井壁之间的摩阻由钻柱轴向力和周向力克服，钻杆摩阻增大，从而影响钻井效率。

3、基于以上问题，本申请提出一种基于钻井液脉冲冲击的激振器、激振方法及钻井冲击方法，该激振器应用于水平井钻进时，能够带动与第一接头相连的钻杆产生轴向振动，从而改善井眼内钻杆与井壁之间的摩擦条件，将钻杆的静摩擦状态变为动摩擦状态，显著降低钻杆与井壁的摩擦阻力，提升钻井效率；该激振器应用于冲击钻井时，能够带动钻头产生轴向振动冲击，提升钻头破岩效率、钻井效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于钻井液脉冲冲击的激振器、激振方法及钻井冲击方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于钻井液脉冲冲击的激振器，包括外壳体，所述外壳体内沿轴向设置有轴向振动组件、旋转动力组件；

4、所述轴向振动组件包括沿轴向依次同轴固定连接的第一接头、芯轴、活塞，所述芯轴与外壳体内壁进行轴向方向的滑动配合；所述第一接头远离芯轴的一端伸出外壳体，所述活塞位于外壳体内部且与外壳体的内壁进行轴向密封滑动配合；所述芯轴外壁与外壳体内壁之间设置有动力弹簧，所述动力弹簧的弹力方向与外壳体的轴向方向相平行；

5、所述活塞与旋转动力组件之间的外壳体内腔形成激振腔，所述旋转动力组件远离激振腔一侧的外壳体内腔形成流通腔；

6、所述第一接头、芯轴、活塞的中部设置有贯通的钻井液流道，所述钻井液流道与激振腔相连通；

7、所述旋转动力组件包括与外壳体的内壁固定连接的壳体，所述壳体的内部设置有沿轴向延伸的动力腔，所述动力腔中转动配合有动力杆，所述动力杆的外壁上配合有螺旋绞龙；

8、所述动力杆面向激振腔的一端伸出壳体之后与叶轮相连；

9、所述壳体上设置有能够连通激振腔、流通腔的孔道，所述壳体远离叶轮的一端设置有连通至动力腔的动力输入孔道，所述动力腔远离动力输入孔道的一端设置有泄流孔道，所述泄流孔道沿径向方向贯通壳体以及外壳体。

10、优选的，所述外壳体包括沿轴向依次同轴固定连接的传动壳体、第一外接壳体、第二外接壳体；

11、所述传动壳体的内壁面上设置有沿轴向延伸的孔槽，所述第一接头的外壁面上设置有与孔槽进行轴向方向滑动配合的花键；

12、所述芯轴外壁与第一外接壳体内壁之间设置有用来放置动力弹簧的环形空间，所述动力弹簧靠近第一接头的一端与芯轴固定连接，所述动力弹簧的另一端与第一外接壳体固定连接；

13、所述活塞的外壁面上设置有密封圈；

14、所述壳体与第二外接壳体固定连接。

15、优选的，所述叶轮远离壳体的一端设置有叶轮端座，所述动力杆的端部与叶轮端座进行转动配合；

16、所述叶轮端座面向叶轮的端面上设置有引流坡道，所述引流坡道的径向内端与叶轮的径向外端之间留有间隙；

17、所述叶轮端座上设置有沿轴向贯通的孔道。

18、优选的，所述动力弹簧靠近第一接头的一端与预紧器固定连接，所述预紧器的内壁面与芯轴的外壁面之间进行螺纹连接；

19、所述动力弹簧的另一端与限位挡圈固定连接，所述限位挡圈与第一外接壳体固定连接。

20、优选的，所述孔道呈弧形孔结构。

21、优选的，所述叶轮端座与第二外接壳体之间、壳体与第二外接壳体之间均通过固定销进行定位连接。

22、优选的，所述动力输入孔道与动力输入管道的一端相连，所述动力输入管道的另一端穿过壳体、叶轮端座后与激振腔相连通。

23、优选的，所述动力输入孔道与流通腔相连通。

24、本发明还提供一种水平井钻进中基于钻井液脉冲冲击的激振方法。

25、一种水平井钻进中基于钻井液脉冲冲击的激振方法，采用基于钻井液脉冲冲击的激振器进行实施，激振器一端的第一接头与钻杆或钻铤相连，激振器另一端的第二外接壳体与钻杆或者钻铤或者钻头相连；

26、所述激振方法为：

27、在钻进过程中，钻井液沿钻井液流道进入到激振器，一部分钻井液沿激振腔、贯通叶轮端座的孔道、贯通壳体的孔道持续流动至流通腔；另一部分钻井液沿动力输入管道、动力输入孔道进入动力腔，进入动力腔内的钻井液流动时促使动力杆及螺旋绞龙发生转动，进而带动叶轮转动；叶轮的转动使激振腔内的钻井液压力发生波动，形成具有脉冲特性的液动能量，生成的液动能量作用到活塞上；与第一接头相连的钻杆或钻铤的钻进能量、生成的液动能量、动力弹簧的弹性势能相互耦合，形成具有往复轴向振动特性的振荡载荷，从而实现轴向振动组件的往复轴向振动。

28、本发明还提供一种基于钻井液脉冲冲击的钻井冲击方法。

29、一种基于钻井液脉冲冲击的钻井冲击方法，采用基于钻井液脉冲冲击的激振器进行实施，激振器一端的第一接头与钻头相连，激振器另一端的第二外接壳体与钻杆或者钻铤相连；

30、所述钻井冲击方法为：

31、在钻进过程中，钻井液沿流通腔进入到激振器，一部分钻井液沿贯通壳体的孔道、贯通叶轮端座的孔道、激振腔、钻井液流道到达钻头发挥正常作用；另一部分钻井液沿动力输入孔道进入动力腔，进入动力腔内的钻井液流动时促使动力杆及螺旋绞龙发生转动，进而带动叶轮转动；叶轮的转动使激振腔内的钻井液压力发生波动，形成具有脉冲特性的液动能量，生成的液动能量作用到活塞上；与第二外接壳体相连的钻杆或钻铤的钻进能量、生成的液动能量、动力弹簧的弹性势能相互耦合，形成具有往复轴向振动特性的振荡载荷，从而实现轴向振动组件带动钻头的往复轴向振动。

32、本发明的有益效果是：

33、本发明激振器应用于水平井钻进时，能够带动与第一接头相连的钻杆产生轴向振动，从而改善井眼内钻杆与井壁之间的摩擦条件，将钻杆的静摩擦状态变为动摩擦状态，显著降低钻杆与井壁的摩擦阻力，提升钻井效率；该激振器应用于冲击钻井时，能够带动钻头产生轴向振动冲击，提升钻头破岩效率、钻井效率。

技术特征：

1.基于钻井液脉冲冲击的激振器，其特征在于，包括外壳体，所述外壳体内沿轴向设置有轴向振动组件、旋转动力组件；

2.如权利要求1所述的基于钻井液脉冲冲击的激振器，其特征在于，所述外壳体包括沿轴向依次同轴固定连接的传动壳体、第一外接壳体、第二外接壳体；

3.如权利要求2所述的基于钻井液脉冲冲击的激振器，其特征在于，所述叶轮远离壳体的一端设置有叶轮端座，所述动力杆的端部与叶轮端座进行转动配合；

4.如权利要求3所述的基于钻井液脉冲冲击的激振器，其特征在于，所述动力弹簧靠近第一接头的一端与预紧器固定连接，所述预紧器的内壁面与芯轴的外壁面之间进行螺纹连接；

5.如权利要求3所述的基于钻井液脉冲冲击的激振器，其特征在于，所述孔道呈弧形孔结构。

6.如权利要求3所述的基于钻井液脉冲冲击的激振器，其特征在于，所述叶轮端座与第二外接壳体之间、壳体与第二外接壳体之间均通过固定销进行定位连接。

7.如权利要求3~6任一项所述的基于钻井液脉冲冲击的激振器，其特征在于，所述动力输入孔道与动力输入管道的一端相连，所述动力输入管道的另一端穿过壳体、叶轮端座后与激振腔相连通。

8.如权利要求3~6任一项所述的基于钻井液脉冲冲击的激振器，其特征在于，所述动力输入孔道与流通腔相连通。

9.一种水平井钻进中基于钻井液脉冲冲击的激振方法，采用如权利要求7所述的基于钻井液脉冲冲击的激振器进行实施，其特征在于，激振器一端的第一接头与钻杆或钻铤相连，激振器另一端的第二外接壳体与钻杆或者钻铤或者钻头相连；

10.一种基于钻井液脉冲冲击的钻井冲击方法，采用如权利要求8所述的基于钻井液脉冲冲击的激振器进行实施，其特征在于，激振器一端的第一接头与钻头相连，激振器另一端的第二外接壳体与钻杆或者钻铤相连；

技术总结本发明公开了一种基于钻井液脉冲冲击的激振器、激振方法及钻井冲击方法，属于钻井技术领域，包括外壳体，外壳体内设置轴向振动组件、旋转动力组件；轴向振动组件包括第一接头、芯轴、活塞，芯轴外壁与外壳体内壁之间设置动力弹簧；第一接头、芯轴、活塞的中部设置钻井液流道；旋转动力组件包括壳体、动力腔、动力杆、螺旋绞龙、叶轮，壳体上设置孔道、动力输入孔道、泄流孔道。本发明激振器应用于水平井钻进时，能够带动与第一接头相连的钻杆产生轴向振动，将钻杆的静摩擦状态变为动摩擦状态，显著降低钻杆与井壁的摩擦阻力，提升钻井效率；该激振器应用于冲击钻井时，能够带动钻头产生轴向振动冲击，提升钻头破岩效率、钻井效率。技术研发人员：廖华林,牛文龙,史玉才,牛继磊,廖云涛,王华健,石芳受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：技术公布日：2024/7/23