[發(fā)明專利]共振增強型旋轉鉆探

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080043909.5
• 申請日: 2010-09-08
• 公開（公告）號: CN102575498A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設計）人: 馬里安·威爾士格里奇
• 申請（專利權）人: ITI蘇格蘭有限公司
• 主分類號: E21B7/24
• 分類號: E21B7/24;E21B28/00
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 蘇蕾;李冬梅

發(fā)明領域

本發(fā)明涉及沖擊增強型旋轉鉆探，具體地涉及共振增強型旋轉鉆探。本發(fā)明的實施方案是針對用于控制共振增強型旋轉鉆探以提高鉆探性能的方法和裝置。在此說明的其他實施方案是針對根據這些方法和裝置可以是可控制的共振增強型旋轉鉆探設備。本發(fā)明的某些實施方案適用于任何尺寸的鉆頭或有待鉆探的材料。某些更具體的實施方案是針對通過巖石構造進行鉆探的，特別是在石油、天然氣和采礦行業(yè)中深孔鉆探應用中可以會遇到的那些不同成分的巖石構造。

發(fā)明背景

沖擊增強型旋轉鉆探本身是已知的。沖擊增強型旋轉鉆頭包括一個旋轉鉆頭尖和用于向該旋轉鉆頭尖施加振蕩負荷的一個振蕩器。該振蕩器正在被鉆探的材料上提供沖擊力以便使材料破碎，這就輔助該旋轉鉆頭尖切割通過這種材料。

共振增強型旋轉鉆探是一種特殊類型的沖擊增強型旋轉鉆探，在共振增強型旋轉鉆探中振蕩器是以高頻率振動的，從而實現與正在被鉆探的材料的共振。與標準的沖擊增強型旋轉鉆探相比，這導致了施加到該旋轉鉆頭尖上的壓力的放大，因此提高了鉆探效率。

美國3,990,522披露了一種沖擊增強型旋轉鉆頭，該沖擊增強型旋轉鉆頭使用了一個安裝在旋轉鉆頭中的液壓錘用于鉆探栓孔(bolt?hole)。披露的是一個可變沖程(storke)和頻率的沖擊循環(huán)可以被施加并且調整到正在被鉆探的材料的自然頻率以便對施加在該鉆頭尖的尖緣處的壓力產生一個放大。一個伺服閥維持沖擊控制，并且在順序上由一名操作者通過一個電子控制模塊進行控制，該電子控制模塊通過一個導電體被連接到該伺服閥上。這位操作者可以通過控制加壓流體去到或者來自一個致動器的流動來選擇性地使沖擊頻率改變在每分鐘0次循環(huán)至2500次循環(huán)(即0Hz至42Hz)，并且選擇性地使該鉆頭尖的沖程改變在0英寸至1/8英寸(即0mm至3.175mm)。在此說明的是，通過選擇具有一個頻率等于正在被鉆探的巖層的自然頻率或共振頻率的沖擊沖程，由這些沖擊力儲存在該巖層中的能量將導致被施加在該鉆頭尖的尖緣處的壓力放大，使得這種固體材料會崩裂和挪移，并且允許鉆頭速度在每分鐘3英尺至4英尺的范圍內。

通過上述安排有關若干問題已經被確定并且將在下面進行討論。

使用美國3,990,522的裝置(該裝置使用頻率相對低的液壓振蕩器)是不能獲得高頻率的。因此，雖然美國3,990,522討論了共振的可以性，將出現的是通過其振蕩器可獲得的這些低頻率不足以實現穿過許多堅硬材料的共振增強型鉆探。

不論上面討論的頻率問題如何，在任何使用美國3,990,522的安排的情況下都不能輕松地實現和維持共振，特別是如果鉆頭穿過具有不同共振特性的不同材料。這是因為在美國3,990,522的安排中沖擊的頻率和沖程的控制是由操作者手動實現的。這樣，就很難隨著鉆頭穿過不同類型的材料來控制該裝置以便連續(xù)地調整沖擊力的頻率和沖程以維持共振。如在美國3,990,522所說明的，這對于鉆探淺的栓孔而言可以不是一個主要問題。一位操作者可以僅針對其中有待鉆探一個栓孔的材料選擇一個合適的頻率和沖程，并且然后操作該鉆頭。但是，對于穿過許多不同的巖石層的深層鉆探而言，該問題被惡化。一個位于深鉆孔上方的操作者不能夠看到正在被鉆探的巖石是何種類型，并且不能夠隨著鉆頭從一種巖石類型穿到另一種巖石類型，特別是在巖石類型頻繁改變的區(qū)域，來輕易實現和維持共振。

上述某些問題已經被本發(fā)明人所解決如在WO?2007/141550中說明的。WO?2007/141550說明了一種共振增強型旋轉鉆頭，該共振增強型旋轉鉆頭包括一個自動反饋和控制機構，該自動反饋和控制機構可以在鉆頭穿過不同類型的巖石時連續(xù)地調整沖擊力的頻率和沖程以維持共振。該鉆頭配有一個調節(jié)裝置和在井下位置的一個控制裝置，該調節(jié)裝置是響應于該鉆頭正從中穿過的材料的狀況，并且該控制裝置包括用于對材料特性進行井下測量的多個傳感器，由此該裝置在井下是可操作在閉環(huán)實時控制狀態(tài)下。

盡管在WO?2007/141550中說明了這些解決方案，仍希望對其中所述的這些方法和裝置作進一步的改進。本發(fā)明的實施方案的目的是作出此類改進，以便在限制該裝置上的磨損和斷裂的同時提高鉆探效率，從而提高該裝置的使用壽命。進一步的目的是更加精確地控制共振增強型鉆探，特別是在快速地鉆探穿過改變的巖石類型時。

發(fā)明概述