扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及油氣勘探開發(fā)或地質(zhì)鉆探作業(yè)領(lǐng)域的井下工具，尤其涉及一種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆井是通過建立井筒將地面與地層深部連接起來的工藝方法。鉆頭是鉆井過程中最重要的破巖工具。當(dāng)鉆遇硬巖層時(shí)，鉆頭破碎巖石的能力將大打折扣，機(jī)械鉆速因此大幅降低，可能由數(shù)十米每小時(shí)降至一米每小時(shí)甚至更低。為提高機(jī)械鉆速，尤其是鉆遇硬巖層時(shí)的機(jī)械鉆速，近幾年來，研究人員根據(jù)共振的物理原理提出了通過產(chǎn)生共振頻率誘導(dǎo)巖石部分破碎，從而輔助鉆頭破巖，提高機(jī)械鉆速的方法。
[0003]共振頻率是指一物理系統(tǒng)在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅進(jìn)行振動(dòng)的情形，這些特定頻率稱為共振頻率。在該頻率下，很小的周期驅(qū)動(dòng)力便可產(chǎn)生很大幅度的振動(dòng)。通常一個(gè)系統(tǒng)具有多個(gè)共振頻率，在這些頻率上振動(dòng)比較容易，在其它頻率上振動(dòng)比較困難。若系統(tǒng)受到復(fù)雜振動(dòng)的作用，一般會(huì)選擇其共振頻率隨此頻率振動(dòng)，如同將其它頻率過濾掉一般。
[0004]英國阿伯丁大學(xué)1998年提出將共振破巖技術(shù)用于石油鉆井，并經(jīng)多年持續(xù)研究，形成了以壓電材料為振動(dòng)源的共振破巖工具樣機(jī)。該樣機(jī)裝備有特殊研制的鉆頭。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這套樣機(jī)在硬巖層中鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)械鉆速較傳統(tǒng)工具大幅提高。
[0005]美國NASA的推進(jìn)器研究所提出一種超聲振動(dòng)輔助取芯的工具，即取芯鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)受到壓電材料所引發(fā)的高頻振動(dòng)，巖石同時(shí)受到旋轉(zhuǎn)剪切和高頻沖擊作用，破碎得更快。使用這種方法取芯時(shí)，消耗的功率更少，鉆頭工作壽命更長(zhǎng)，且不需要使用鉆井液。
[0006]國內(nèi)北京航空航天大學(xué)、沈陽自動(dòng)化研究所均就振動(dòng)破巖鉆頭進(jìn)行了初步研究，以壓電材料為核心器件試制了超微振動(dòng)破巖鉆頭。其原理是采用超聲波激勵(lì)變幅桿發(fā)生高頻振動(dòng)，該振動(dòng)經(jīng)與變幅桿相連的質(zhì)量塊進(jìn)一步放大，放大后的振動(dòng)傳遞到鉆頭上，鉆頭高頻沖擊巖石，從而形成孔洞。
[0007]綜合看來，目前國內(nèi)外的研究集中于通過壓電材料產(chǎn)生高頻軸向振動(dòng)，并將振動(dòng)傳遞到鉆頭上，使鉆頭發(fā)生軸向振動(dòng)，這種振動(dòng)最終作用于巖石，從而提高破巖效果。
[0008]由于常規(guī)PDC鉆頭切削齒為金剛石復(fù)合片，質(zhì)地硬脆，通常難以承受高頻的軸向沖擊；另外壓電材料在不斷伸縮變形過程中自身溫度將急劇升高，短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到200或300°C，不宜與常規(guī)井下工具共同使用。
[0009]由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，提出一種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的鉆頭切削齒易損壞、壓電材料不宜與常規(guī)井下工具共同使用的問題，通過鉆頭對(duì)巖石施加高頻的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，輔助鉆頭破碎巖石，提高機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。
[0011]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具，所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具的底部連接有鉆頭，其特征在于:包括一測(cè)控短節(jié)，所述測(cè)控短節(jié)下方連接有能扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振動(dòng)短節(jié)，所述振動(dòng)短節(jié)內(nèi)部設(shè)置有振動(dòng)裝置，所述振動(dòng)短節(jié)下方連接有加速度測(cè)量短節(jié)，所述加速度測(cè)量短節(jié)的底部連接所述鉆頭。
[0012]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述振動(dòng)裝置包括一電機(jī)，所述電機(jī)下方連接有齒輪組，所述齒輪組下方連接有能旋轉(zhuǎn)接觸所述振動(dòng)短節(jié)的振動(dòng)凸輪。
[0013]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述振動(dòng)短節(jié)上部設(shè)置有過渡接頭，所述過渡接頭下方連接有能相對(duì)所述過渡接頭扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、且內(nèi)部與所述過渡接頭的內(nèi)部上下貫通的振動(dòng)下接頭，所述振動(dòng)下接頭下方能扭轉(zhuǎn)地連接所述加速度測(cè)量短節(jié)。
[0014]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述過渡接頭內(nèi)設(shè)有上下貫通的第一通孔，所述第一通孔底部固定連接有一電機(jī)支座，所述電機(jī)支座內(nèi)設(shè)有上下貫通的電機(jī)支座過孔，所述電機(jī)支座上設(shè)置所述電機(jī)，所述電機(jī)上設(shè)置有電機(jī)控制器，所述電機(jī)下方連接有一聯(lián)軸器，所述聯(lián)軸器下端穿過所述電機(jī)支座連接所述齒輪組。
[0015]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述振動(dòng)下接頭內(nèi)側(cè)上部設(shè)有第一盲孔，所述振動(dòng)下接頭內(nèi)側(cè)下部設(shè)有第二盲孔，所述第一盲孔與所述第二盲孔之間形成有振動(dòng)座，所述振動(dòng)座內(nèi)設(shè)置有側(cè)壁能被所述振動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)接觸的凸輪容納槽，所述振動(dòng)座內(nèi)還設(shè)置有能上下貫通所述第一盲孔和所述第二盲孔的振動(dòng)座通孔。
[0016]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述齒輪組包括與所述電機(jī)連接的主動(dòng)齒輪，所述齒輪組還包括與所述主動(dòng)齒輪嚙合的從動(dòng)齒輪，所述從動(dòng)齒輪內(nèi)部連接有固定所述振動(dòng)凸輪的安裝軸的一端，所述安裝軸的另一端穿過所述凸輪容納槽槽底設(shè)置的圓弧透槽、且能轉(zhuǎn)動(dòng)地連接于一安裝軸支撐座上，所述安裝軸支撐座固定設(shè)置于所述加速度測(cè)量短節(jié)的內(nèi)部上端，所述安裝軸支撐座上還設(shè)置有上下貫通的支撐座通孔。
[0017]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述振動(dòng)座內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器。
[0018]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述過渡接頭的外壁下部設(shè)置有第一臺(tái)階部，所述第一臺(tái)階部下方設(shè)置有直徑減小的第一連接部，所述過渡接頭位于所述第一臺(tái)階部上方的外壁上周向均勻設(shè)置有第一花鍵槽，所述振動(dòng)下接頭的側(cè)壁上端設(shè)置有與所述第一花鍵槽匹配、且與所述第一花鍵槽的兩側(cè)側(cè)壁之間設(shè)置有第一緩沖墊的第一花鍵結(jié)構(gòu)，所述第一連接部的外壁與所述第一盲孔的上端側(cè)壁之間設(shè)置有軸向定位的第一卡環(huán)；
[0019]所述加速度測(cè)量短節(jié)的外壁上部設(shè)置有第二臺(tái)階部，所述第二臺(tái)階部上方設(shè)置有直徑減小的第二連接部，所述加速度測(cè)量短節(jié)位于所述第二臺(tái)階部下方的外壁上周向均勻設(shè)置有第二花鍵槽，所述振動(dòng)下接頭的側(cè)壁下端設(shè)置有與所述第二花鍵槽匹配、且與所述第二花鍵槽的兩側(cè)側(cè)壁之間存在間隙的第二花鍵結(jié)構(gòu)，所述第二連接部的外壁與所述第二盲孔的下端側(cè)壁之間設(shè)置有軸向定位的第二卡環(huán)。
[0020]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述測(cè)控短節(jié)內(nèi)部設(shè)置有上下貫通的第二通孔，所述測(cè)控短節(jié)的側(cè)壁上設(shè)置有用于安裝固定井下電源的第一安裝槽和用于安裝固定控制器的第二安裝槽，所述控制器包括信號(hào)收發(fā)器、微處理器和電機(jī)控制器。
[0021 ] 在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述加速度測(cè)量短節(jié)內(nèi)部設(shè)置有上下貫通的第三通孔，所述第三通孔內(nèi)部設(shè)置有加速度計(jì)，所述加速度測(cè)量短節(jié)的側(cè)壁上設(shè)置有能安裝固定加速度控制器的第三安裝槽。
[0022]由上所述，本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具具有如下有益效果:
[0023](1)該扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具能產(chǎn)生高頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，引起巖石的共振，輔助鉆頭破巖，同時(shí)減輕對(duì)鉆頭的軸向沖擊，提高鉆頭使用壽命；
[0024](2)該扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具能夠根據(jù)鉆頭的振動(dòng)情況，鉆遇不同巖石時(shí)的相互作用情況及時(shí)調(diào)整振動(dòng)頻率，具有較強(qiáng)適應(yīng)性；
[0025](3)該扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具采用電機(jī)、齒輪組、振動(dòng)凸輪等常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，成本較低；
[0026](4)該扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具設(shè)置有溫度控制系統(tǒng)，保證整套系統(tǒng)安全可靠、持久運(yùn)行。
【附圖說明】
[0027]以下附圖僅旨在于對(duì)本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中:
[0028]圖1:為本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助破巖工具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2:為圖1中A-A處剖視圖。
[0030]圖3a:為圖1中B-B處剖視圖。
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