鉆柱仿生減摩阻方法及自牽引鉆具組合的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鉆柱仿生減摩阻方法及實(shí)施該方法的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，該鉆具組合包括：分為上部鉆柱段和下部鉆柱段的鉆柱；下部鉆柱段的下端鉆具的上方設(shè)有一個(gè)脈沖發(fā)生器，脈沖發(fā)生器上方的下部鉆柱段上設(shè)有若干振動(dòng)器；采用該方法，鉆井流體流過脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖并沿鉆柱內(nèi)部向上傳播，經(jīng)過若干振動(dòng)器時(shí)，激發(fā)每個(gè)振動(dòng)器產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)，下部鉆柱段與井壁之間的靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，減小了鉆柱受到井壁的摩擦力值；利用井壁對(duì)上部鉆柱段的摩擦力推動(dòng)鉆柱下行，實(shí)現(xiàn)了下部鉆柱段鉆具組合的自牽引；在這兩種作用下，解決了滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中的“拖壓”現(xiàn)象，使鉆壓能夠平滑有效的傳遞給鉆頭。
【專利說明】鉆柱仿生減摩阻方法及自牽引鉆具組合

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)井滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中由于井壁摩阻過大導(dǎo)致無法施加鉆壓?jiǎn)栴}的鉆柱仿生減摩阻方法，以及用于實(shí)施該方法的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)展復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)，高效開發(fā)復(fù)雜油氣層、深部油氣藏和海洋油氣資源，符合我國(guó)對(duì)能源的巨大需求，也是我國(guó)能源儲(chǔ)備安全的重要保障。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆探過程中，隨著井眼的延伸和井斜的增加，大部分鉆柱躺在井壁巖石上，使鉆鋌施加的鉆壓大部分消耗在克服井壁對(duì)鉆柱的摩阻上，鉆壓無法有效的傳遞給鉆頭，機(jī)械鉆速顯著降低，尤其是滑動(dòng)定向鉆進(jìn)過程中，井底動(dòng)力鉆具以上的鉆柱不旋轉(zhuǎn)使鉆柱與井壁之間的摩阻系數(shù)較旋轉(zhuǎn)時(shí)顯著增加，產(chǎn)生“拖壓”現(xiàn)象，當(dāng)鉆柱與井壁巖石之間的摩阻等于鉆壓時(shí)，井眼無法繼續(xù)延伸。
[0003]石油鉆井中用到的鉆柱，由井底到井口依次主要由鉆頭、鉆鋌、鉆桿和方鉆桿等組成，下部鉆柱用于施加鉆壓，在鉆進(jìn)過程中承受著井底巖石對(duì)鉆頭的反力，處于壓縮狀態(tài)；上部鉆柱用于連接下部鉆柱和傳遞扭矩，鉆進(jìn)過程中由井口大鉤提拉，處于拉伸狀態(tài)。通過改變鉆桿和鉆鋌的組合形式及加入新的井下鉆具可實(shí)現(xiàn)不同的鉆具組合形式，目前主要有單鐘擺鉆具組合、塔式鉆具組合、滿眼鉆具組合及井下動(dòng)力鉆具組合，其中井下動(dòng)力鉆具組合應(yīng)用范圍最廣，同時(shí)摩阻產(chǎn)生的“拖壓”問題也最突出。
[0004]自然界中，蚯蚓的主要特征是身體由若干體節(jié)組成，體節(jié)呈細(xì)長(zhǎng)圓柱狀，每個(gè)體節(jié)體腔外都生長(zhǎng)有環(huán)狀和縱向兩種肌肉，當(dāng)某一體節(jié)的縱肌收縮時(shí)，這一體節(jié)變得短而粗，當(dāng)環(huán)肌收縮時(shí)，體節(jié)變得細(xì)而長(zhǎng)。蚯蚓通過控制不同體節(jié)的環(huán)肌和縱肌協(xié)調(diào)地收縮和舒張產(chǎn)生沿著身體周期傳遞的倒退波，推動(dòng)蚯蚓身體向前蠕動(dòng)爬行；同時(shí)，蚯蚓除了前端和尾端的體節(jié)外，在其腹部都長(zhǎng)有短粗的剛毛，剛毛由特殊的肌肉控制，伴隨著蚯蚓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以伸出或縮進(jìn)體壁，從而增大或減小體節(jié)與地面之間的摩擦力，有助于控制蚯蚓的運(yùn)動(dòng)。可以發(fā)現(xiàn)，蚯蚓身體的特殊結(jié)構(gòu)使其可以利用地面的摩擦力推動(dòng)其身體向前蠕動(dòng)爬行。
[0005]受此啟發(fā)，本發(fā)明借鑒自然界中蚯蚓的身體結(jié)構(gòu)和爬行原理，提出一種鉆柱仿生減摩阻方法以及用于實(shí)施該方法的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是:針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中由于井壁摩阻過大導(dǎo)致無法施加鉆壓?jiǎn)栴}，提供一種鉆柱仿生減摩阻方法，以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)井滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中的“拖壓”現(xiàn)象，顯著減小鉆柱與井壁巖石之間的摩阻，使鉆壓能夠平滑有效的傳遞給鉆頭，提高機(jī)械鉆速和井眼的極限延伸距離。
[0007]本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是:提供一種專用于實(shí)施本發(fā)明的鉆柱仿生減摩阻方法的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合。
[0008]為解決上述第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種鉆柱仿生減摩阻方法，所述鉆柱仿生減摩阻方法如下:
[0009]S1、在鉆柱上確定一個(gè)分界面，所述分界面將所述鉆柱分為上部鉆柱段和下部鉆柱段；鉆進(jìn)過程中，所述上部鉆柱段處于拉伸狀態(tài)，所述下部鉆柱段處于壓縮狀態(tài)；
[0010]S2、在所述下部鉆柱段的下端并位于井下鉆具的上方設(shè)置一個(gè)脈沖發(fā)生器，當(dāng)鉆井流體流過所述脈沖發(fā)生器時(shí)，產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖并沿所述鉆柱內(nèi)部向上傳播；
[0011]S3、在所述下部鉆柱段上并位于所述脈沖發(fā)生器的上方，間隔設(shè)置若干個(gè)振動(dòng)器，所述高頻連續(xù)波正壓力脈沖自下而上依次經(jīng)過若干所述振動(dòng)器，激發(fā)每個(gè)所述振動(dòng)器產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。
[0012]為解決上述第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，包括:
[0013]鉆柱，所述鉆柱包括上部鉆柱段和下部鉆柱段；
[0014]一個(gè)脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器設(shè)置于所述下部鉆柱段的下端并位于井下鉆具的上方，用于產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖并沿所述鉆柱內(nèi)部向上傳播；
[0015]若干個(gè)振動(dòng)器，若干個(gè)所述振動(dòng)器間隔設(shè)置于所述下部鉆柱段上并位于所述脈沖發(fā)生器的上方，所述高頻連續(xù)波正壓力脈沖自下而上依次經(jīng)過若干所述振動(dòng)器時(shí)，每個(gè)所述振動(dòng)器產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。
[0016]優(yōu)選，所述脈沖發(fā)生器包括:
[0017]套筒組件，所述套筒組件包括固定連接的上接頭和下接頭；
[0018]定子桿，所述定子桿設(shè)于所述套筒組件內(nèi)腔中且其底端與所述下接頭固定連接，所述定子桿的上端設(shè)置有導(dǎo)流盤，所述導(dǎo)流盤上設(shè)有導(dǎo)流盤通孔，所述定子桿的下端設(shè)有沿其軸向延伸的中空的定子桿流道，所述定子桿下端的側(cè)壁上設(shè)有與所述定子桿流道連通的定子桿導(dǎo)流通孔；
[0019]轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子套設(shè)于所述定子桿的外周，可相對(duì)于所述定子桿及所述下接頭轉(zhuǎn)動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子的上端設(shè)有葉片結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子下端的側(cè)壁上設(shè)有轉(zhuǎn)子導(dǎo)流通孔，所述轉(zhuǎn)子導(dǎo)流通孔與所述定子桿導(dǎo)流通孔周期性導(dǎo)通或斷開。
[0020]進(jìn)一步優(yōu)選，所述轉(zhuǎn)子的外周與所述下接頭的內(nèi)周之間設(shè)置有襯套，所述轉(zhuǎn)子的底部外端面與所述下接頭之間設(shè)有底盤。
[0021]優(yōu)選，所述振動(dòng)器包括:
[0022]筒形組件，所述筒形組件包括固定連接的上套筒和下套筒；
[0023]振動(dòng)桿，所述振動(dòng)桿設(shè)于所述筒形組件內(nèi)腔且可相對(duì)于所述筒形組件軸向滑動(dòng)，所述振動(dòng)桿的下端部伸出所述下套筒之外并固定連接有下接頭，所述振動(dòng)桿設(shè)有沿其軸向延伸的貫通的振動(dòng)桿流道，所述振動(dòng)桿的中部外周設(shè)有沿其徑向向外延伸的凸環(huán)部，所述凸環(huán)部上方的所述振動(dòng)桿的側(cè)壁上設(shè)有與所述振動(dòng)桿流道連通的高壓通孔，所述凸環(huán)部的上端面、所述凸環(huán)部上方的所述振動(dòng)桿的外側(cè)面與所述筒形組件的內(nèi)側(cè)面圍成一個(gè)高壓腔；所述凸環(huán)部的下端面、所述凸環(huán)部下方的所述振動(dòng)桿的外側(cè)面與所述筒形組件的內(nèi)側(cè)面圍成一個(gè)低壓腔。
[0024]進(jìn)一步優(yōu)選，所述凸環(huán)部的外周面、所述凸環(huán)部上方的所述振動(dòng)桿的外側(cè)面與所述筒形組件的內(nèi)側(cè)面之間皆設(shè)有密封件。
[0025]進(jìn)一步優(yōu)選，所述振動(dòng)桿的下端與所述下套筒的下端的配合部位為多邊形結(jié)構(gòu)。
[0026]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的鉆柱仿生減摩阻方法及鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，在下部鉆柱段的下端并位于井下鉆具的上方設(shè)置一個(gè)脈沖發(fā)生器，在下部鉆柱段上并位于脈沖發(fā)生器的上方間隔設(shè)置若干個(gè)振動(dòng)器；鉆井流體流過脈沖發(fā)生器時(shí)，產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖并沿鉆柱內(nèi)部向上傳播，高頻連續(xù)波正壓力脈沖自下而上依次經(jīng)過若干振動(dòng)器，激發(fā)每個(gè)振動(dòng)器產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于該若干個(gè)振動(dòng)器處于受壓縮的下部鉆柱段，在伸長(zhǎng)力和壓縮力兩種力的作用下，使處于脈沖發(fā)生器和分界面之間的下部鉆柱段產(chǎn)生類似于蚯蚓式的軸向蠕動(dòng)，使鉆柱與井壁之間的靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，減小了下部鉆柱段與井壁巖石之間的摩阻；同時(shí)由于分界面以上的上部鉆柱段與井壁之間的摩擦力遠(yuǎn)大于下部鉆柱段與井壁之間的摩擦力，上部鉆柱段起到類似于蚯蚓的固定體節(jié)的作用，從而使上部鉆柱段以下的下部鉆柱段產(chǎn)生軸向自牽引，最終消除滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中的“拖壓”現(xiàn)象，使鉆壓和扭矩能平滑有效的傳遞給鉆頭，提高了機(jī)械鉆速和井眼的極限延伸距離，并相應(yīng)縮短鉆井周期、減少鉆井成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1a是本發(fā)明實(shí)施例的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖1b是圖1a的簡(jiǎn)化模型圖；
[0029]圖2是圖1中脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)剖視示意圖；
[0030]圖3是圖2中A-A剖視示意圖；
[0031]圖4是圖2中B-B剖視示意圖；
[0032]圖5是圖1中振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)剖視示意圖(處于復(fù)位狀態(tài))；
[0033]圖6是圖1中振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)剖視示意圖(處于工作狀態(tài))；
[0034]圖7是圖5中C-C剖視示意圖；
[0035]圖中:1-鉆頭；I1-脈沖發(fā)生器；II1-振動(dòng)器；IVa_下部鉆柱段；IVb_分界面；IVc-上部鉆柱段；V-固定體節(jié)；1-上接頭；2_定子桿；201-定子桿導(dǎo)流通孔；202_定子桿流道；3_導(dǎo)流盤；31_導(dǎo)流盤通孔；4_襯套；5_轉(zhuǎn)子；51_葉片結(jié)構(gòu)；52_轉(zhuǎn)子導(dǎo)流通孔；6-底盤；7_下接頭；8_上套筒；9_密封圈；10_振動(dòng)桿；101_振動(dòng)桿流道；102_凸環(huán)部；11-密封圈；12_下套筒；13_下接頭；14_高壓通孔；A-高壓腔；B-低壓腔。

【具體實(shí)施方式】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0037]參照?qǐng)D1a和圖lb，本發(fā)明實(shí)施例的鉆柱仿生減摩阻方法如下:
[0038]S1、在鉆柱上確定一個(gè)分界面IVb，該分界面IVb將整個(gè)鉆柱段分為上部鉆柱段IVc和下部鉆柱段Iva，分界面的位置由鉆進(jìn)所需施加的鉆壓值及分界面下部鉆柱重量確定；在鉆進(jìn)過程中，下部鉆柱段IVa用于施加鉆壓，承受著井底巖石對(duì)鉆頭I的反力，處于壓縮狀態(tài)；上部鉆柱段IVc用于連接下部鉆柱段IVa和傳遞扭矩，鉆進(jìn)過程中由井口大鉤提拉，處于拉伸狀態(tài)；
[0039]S2、在下部鉆柱段IVa的下端并位于井下鉆具的鉆頭I的上方設(shè)置一個(gè)脈沖發(fā)生器II，當(dāng)鉆井流體流過脈沖發(fā)生器II時(shí)，產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖并沿鉆柱內(nèi)部向上傳播；
[0040]S3、在下部鉆柱段IVa上并位于脈沖發(fā)生器II的上方，間隔設(shè)置若干個(gè)振動(dòng)器III，高頻連續(xù)波正壓力脈沖自下而上依次經(jīng)過若干振動(dòng)器III，激發(fā)每個(gè)振動(dòng)器III產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)由于該若干個(gè)振動(dòng)器III處于受壓縮的下部鉆柱段IVa，在伸長(zhǎng)力和壓縮力兩種力的作用下，使處于脈沖發(fā)生器II和分界面IVb之間的下部鉆柱段IVa產(chǎn)生類似于蚯蚓式的軸向蠕動(dòng),使鉆柱與井壁之間的靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦,減小了下部鉆柱段IVa與井壁巖石之間的摩阻；同時(shí)由于上部鉆柱段IVc與井壁之間的摩擦力遠(yuǎn)大于下部鉆柱段IVa與井壁之間的摩擦力，上部鉆柱段IVc起到類似于蚯蚓的固定體節(jié)的作用，從而使上部鉆柱段IVc以下的下部鉆柱段IVa產(chǎn)生軸向自牽引，最終消除滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中的“拖壓”現(xiàn)象，使鉆壓和扭矩能平滑有效的傳遞給鉆頭I，提高了機(jī)械鉆速和井眼的極限延伸距離，并相應(yīng)縮短鉆井周期、減少鉆井成本。
[0041]如圖1a所示，為本發(fā)明實(shí)施例的專用于實(shí)施本發(fā)明的鉆柱仿生減摩阻方法的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合結(jié)構(gòu)示意圖，圖1b是圖1a的簡(jiǎn)化模型圖；為了便于說明，本圖僅提供與本發(fā)明有關(guān)的結(jié)構(gòu)部分。
[0042]本發(fā)明實(shí)施例的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，包括:鉆柱，以分界面IVb為基準(zhǔn)，將鉆柱分為上部鉆柱段IVc和下部鉆柱段IVa 個(gè)脈沖發(fā)生器II，該脈沖發(fā)生器II設(shè)置于下部鉆柱段IVa的下端并位于井下鉆具的鉆頭I的上方，用于產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖并沿鉆柱內(nèi)部向上傳播；若干個(gè)振動(dòng)器III，若干個(gè)振動(dòng)器III間隔設(shè)置于下部鉆柱段IVa上并位于脈沖發(fā)生器II的上方，高頻連續(xù)波正壓力脈沖自下而上依次經(jīng)過若干振動(dòng)器III時(shí)，每個(gè)振動(dòng)器III產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。
[0043]如圖2、圖3和圖4所示，其中，脈沖發(fā)生器II包括:套筒組件，該套筒組件包括螺紋連接的上接頭I和下接頭7 ;定子桿2，定子桿2設(shè)于套筒組件內(nèi)腔中且其底端與下接頭7螺紋連接，在定子桿2的上端螺紋連接有導(dǎo)流盤3，導(dǎo)流盤3上設(shè)有導(dǎo)流盤通孔31，定子桿2的下端設(shè)有沿其軸向延伸的中空的定子桿流道202，定子桿2下端的側(cè)壁上設(shè)有與定子桿流道202連通的定子桿導(dǎo)流通孔201 ;轉(zhuǎn)子5，該轉(zhuǎn)子5套設(shè)于定子桿2的外周，轉(zhuǎn)子5的上端設(shè)有葉片結(jié)構(gòu)51，當(dāng)鉆井流體流過時(shí)可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子5相對(duì)于定子桿2及下接頭7高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子5下端的側(cè)壁上沿周向開有均布的轉(zhuǎn)子導(dǎo)流通孔52 (圖中示意出了三個(gè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)流通孔52，其數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況有所增減)，轉(zhuǎn)子5高速旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子導(dǎo)流通孔52與定子桿導(dǎo)流通孔201周期性地導(dǎo)通或斷開；兩者之間重合、交錯(cuò)或斷開時(shí)，可改變鉆井流體的過流面積，轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖并上傳。
[0044]如圖2所示，還進(jìn)一步在轉(zhuǎn)子5的外周與下接頭7的內(nèi)周之間設(shè)置有襯套4，且襯套4通過上接頭I壓緊；轉(zhuǎn)子5的底部外端面與下接頭7之間設(shè)有底盤6。襯套4內(nèi)表面、定子桿2外周面和底盤6的上表面均經(jīng)過光滑耐磨處理，用以減少與高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子5之間的摩擦，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子5的使用壽命。
[0045]脈沖發(fā)生器的工作原理:高速鉆井流體沿上接頭I流入脈沖發(fā)生器II，由導(dǎo)流盤3上的導(dǎo)流盤通孔31導(dǎo)入轉(zhuǎn)子5的上部葉片結(jié)構(gòu)51，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子5產(chǎn)生相對(duì)于定子桿2的高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子5下端的轉(zhuǎn)子導(dǎo)流通孔52與定子桿2下端的定子桿導(dǎo)流通孔201周期性地導(dǎo)通或斷開；不斷改變鉆井流體的過流面積，產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖，該高頻連續(xù)波正壓力脈沖沿脈沖發(fā)生器II內(nèi)部流道上傳，用于驅(qū)動(dòng)上部鉆柱中的若干個(gè)振動(dòng)器III。
[0046]如圖5所示，其中，振動(dòng)器III包括:筒形組件，該筒形組件包括螺紋連接的上套筒8和下套筒12 ;振動(dòng)桿10，振動(dòng)桿10設(shè)于筒形組件內(nèi)腔且可相對(duì)于筒形組件軸向滑動(dòng)，振動(dòng)桿10的下端部伸出下套筒12之外并螺紋連接有下接頭13，振動(dòng)桿10設(shè)有沿其軸向延伸的貫通的振動(dòng)桿流道101，在振動(dòng)桿10的中部外周設(shè)有沿其徑向向外延伸的凸環(huán)部102，在凸環(huán)部上102方的振動(dòng)桿10的側(cè)壁上設(shè)有與振動(dòng)桿流道101連通的高壓通孔14，由凸環(huán)部102的上端面、凸環(huán)部102上方的振動(dòng)桿10的外側(cè)面與筒形組件的內(nèi)側(cè)面共同圍成一個(gè)高壓腔A ;由凸環(huán)部102的下端面、凸環(huán)部102下方的振動(dòng)桿10的外側(cè)面與筒形組件的內(nèi)側(cè)面共同圍成一個(gè)低壓腔B。
[0047]如圖5所示，其中，凸環(huán)部102的外周面與下套筒12的內(nèi)側(cè)面之間設(shè)有密封圈11，凸環(huán)部102上方的振動(dòng)桿10的外側(cè)面與的上套筒8的內(nèi)側(cè)面之間設(shè)有密封圈9。密封圈9、密封圈11的設(shè)置用于確保振動(dòng)桿10與筒形組件為滑動(dòng)密封配合。
[0048]如圖7所示，振動(dòng)桿10的下端與下套筒12的下端的配合部位優(yōu)選為六邊形結(jié)構(gòu)，以限制兩者之間的周向運(yùn)動(dòng)，用于傳遞扭矩。也可以采用三角形、四邊形或八邊形等其他多邊形結(jié)構(gòu)。
[0049]振動(dòng)器的工作原理:如圖5所示，振動(dòng)器處于復(fù)位狀態(tài)(即不工作狀態(tài))時(shí)，當(dāng)由脈沖發(fā)生器II產(chǎn)生的高頻連續(xù)波正壓力脈沖自下而上傳遞到振動(dòng)器III的高壓通孔14時(shí)，該高頻連續(xù)波正壓力脈沖進(jìn)入高壓腔A作用于振動(dòng)桿10的凸環(huán)部102的上端面和筒形組件的內(nèi)側(cè)面，由于凸環(huán)部102的下端面處于低壓腔B作用著環(huán)空低壓，因此將會(huì)導(dǎo)致高壓腔A膨脹，上套筒8及下套筒12向上運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)桿10向下運(yùn)動(dòng)，使振動(dòng)器III完成軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，如圖6所示；同時(shí)由于所有振動(dòng)器III皆處于受壓的下部鉆柱段IVa中，當(dāng)該高頻連續(xù)波正壓力脈沖消失后，所有振動(dòng)器III又軸向收縮回到復(fù)位狀態(tài)，即圖5所示狀態(tài)。這樣，在脈沖發(fā)生器II連續(xù)工作狀態(tài)下，每個(gè)振動(dòng)器III將產(chǎn)生連續(xù)的高頻軸向伸縮蠕動(dòng)，減小了下部鉆柱段IVa與井壁巖石之間的摩阻。
[0050]本發(fā)明受蚯蚓蠕動(dòng)爬行的啟發(fā)，以蚯蚓的身體結(jié)構(gòu)和蠕動(dòng)爬行為原型，提出一種鉆柱仿生減摩阻方法，以及用于實(shí)施該方法的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合。選取近鉆頭受壓縮的下部鉆柱段IVa為研究對(duì)象，在下部鉆柱段IVa中由下到上依次接入若干個(gè)可以產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)及收縮的振動(dòng)器III，所有振動(dòng)器III的激振能量來自于一個(gè)脈沖發(fā)生器II，該脈沖發(fā)生器II安裝于所有振動(dòng)器III的下部鉆柱中，由該脈沖發(fā)生器I1、若干個(gè)振動(dòng)器III和下部鉆柱段IVa共同組成了仿生自牽引鉆具組合，配合整個(gè)下部鉆柱段IVa所受到的壓縮力，可實(shí)現(xiàn)類似于蚯蚓的軸向伸縮功能。與蚯蚓相對(duì)應(yīng):每個(gè)振動(dòng)器III及其相鄰的鉆柱相當(dāng)于蚯蚓的一個(gè)體節(jié)，脈沖發(fā)生器II產(chǎn)生的高頻連續(xù)波正壓力相當(dāng)于蚯蚓的環(huán)向肌肉，整個(gè)下部鉆柱段IVa所承受的軸向壓力N相當(dāng)于蚯蚓的縱向肌肉。
[0051]雖然盡可能的使本發(fā)明的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合實(shí)現(xiàn)蚯蚓的蠕動(dòng)爬行功能，事實(shí)上該鉆具組合也能夠?qū)崿F(xiàn)蚯蚓的蠕動(dòng)爬行，但仍舊無法完全達(dá)到自然界中的神奇生物的特性，本發(fā)明的鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合仍與蚯蚓存在如下幾點(diǎn)不同:(I)蚯蚓的每個(gè)體節(jié)均可實(shí)現(xiàn)收縮和伸長(zhǎng)功能，但本發(fā)明的鉆具組合中的振動(dòng)器III只能夠?qū)崿F(xiàn)伸長(zhǎng)或收縮單項(xiàng)功能(即高頻連續(xù)波正壓力脈沖自下而上傳遞到振動(dòng)器III時(shí)，實(shí)現(xiàn)軸向伸長(zhǎng)功能；高頻連續(xù)波正壓力脈沖消失后，所有振動(dòng)器III實(shí)現(xiàn)軸向收縮功能)，為了使鉆柱能夠向前蠕動(dòng)爬行，則需要一個(gè)外力使鉆柱的每個(gè)“體節(jié)”在伸長(zhǎng)之后能夠收縮，因此，整個(gè)鉆具組合必須處于受壓縮的下部鉆柱段IVa大環(huán)境中；(2)整個(gè)鉆具有多個(gè)“體節(jié)”組成，要想實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)爬行，需要至少有一個(gè)“體節(jié)”與井壁能夠產(chǎn)生足夠的摩擦力以承受其他“體節(jié)”運(yùn)動(dòng)所需要的反作用力。蚯蚓也一樣，但是不同之處在于蚯蚓可以通過神經(jīng)系統(tǒng)控制任意一個(gè)體節(jié)作為該靜止體節(jié)，且可通過調(diào)節(jié)體節(jié)的內(nèi)壓或控制剛毛的伸縮來實(shí)現(xiàn)所需要的與地面之間的摩擦力，而對(duì)于鉆柱系統(tǒng)來說，對(duì)于一個(gè)確定的鉆具結(jié)構(gòu)該靜止體節(jié)就是確定的，且只能通過該體節(jié)所具有的重量與井壁接觸來獲得驅(qū)動(dòng)其他“體節(jié)”所需要的足夠的摩擦力。本發(fā)明中，由位于最上一級(jí)振動(dòng)器III的上套筒8及與其相連的全部上部鉆柱段IVc組成的“超長(zhǎng)體節(jié)”作為固定體節(jié)V完全可以實(shí)現(xiàn)此功能，對(duì)下部鉆柱段施加軸向壓力N。
[0052]采用本發(fā)明的鉆柱仿生減摩阻方法及鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，有益效果在于:(1)使與井底鉆頭相連接的下部鉆柱段蠕動(dòng)起來，使滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中下部鉆柱段與井壁之間的靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，從而減小了鉆柱受到井壁的摩擦力值；(2)利用井壁對(duì)上部鉆柱段的摩擦力推動(dòng)鉆柱下行，實(shí)現(xiàn)下部鉆柱段鉆具組合的自牽引。在以上兩種作用下，解決了滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中的鉆壓施加難題。
【權(quán)利要求】
1.一種鉆柱仿生減摩阻方法，其特征在于，所述鉆柱仿生減摩阻方法如下: 51、在鉆柱上確定一個(gè)分界面，所述分界面將所述鉆柱分為上部鉆柱段和下部鉆柱段；鉆進(jìn)過程中，所述上部鉆柱段處于拉伸狀態(tài)，所述下部鉆柱段處于壓縮狀態(tài)； 52、在所述下部鉆柱段的下端并位于井下鉆具的上方設(shè)置一個(gè)脈沖發(fā)生器，當(dāng)鉆井流體流過所述脈沖發(fā)生器時(shí),產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖并沿所述鉆柱內(nèi)部向上傳播； 53、在所述下部鉆柱段上并位于所述脈沖發(fā)生器的上方，間隔設(shè)置若干個(gè)振動(dòng)器，所述高頻連續(xù)波正壓力脈沖自下而上依次經(jīng)過若干所述振動(dòng)器，激發(fā)每個(gè)所述振動(dòng)器產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。
2.一種鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，其特征在于，包括: 鉆柱，所述鉆柱包括上部鉆柱段和下部鉆柱段； 一個(gè)脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器設(shè)置于所述下部鉆柱段的下端并位于井下鉆具的上方，用于產(chǎn)生高頻連續(xù)波正壓力脈沖并沿所述鉆柱內(nèi)部向上傳播； 若干個(gè)振動(dòng)器，若干個(gè)所述振動(dòng)器間隔設(shè)置于所述下部鉆柱段上并位于所述脈沖發(fā)生器的上方，所述高頻連續(xù)波正壓力脈沖自下而上依次經(jīng)過若干所述振動(dòng)器時(shí)，每個(gè)所述振動(dòng)器產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，其特征在于，所述脈沖發(fā)生器包括: 套筒組件，所述套筒組件包括固定連接的上接頭和下接頭； 定子桿，所述定子桿設(shè)于所述套筒組件內(nèi)腔中且其底端與所述下接頭固定連接，所述定子桿的上端設(shè)置有導(dǎo)流盤，所述導(dǎo)流盤上設(shè)有導(dǎo)流盤通孔，所述定子桿的下端設(shè)有沿其軸向延伸的中空的定子桿流道，所述定子桿下端的側(cè)壁上設(shè)有與所述定子桿流道連通的定子桿導(dǎo)流通孔； 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子套設(shè)于所述定子桿的外周，可相對(duì)于所述定子桿及所述下接頭轉(zhuǎn)動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子的上端設(shè)有葉片結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子下端的側(cè)壁上設(shè)有轉(zhuǎn)子導(dǎo)流通孔，所述轉(zhuǎn)子導(dǎo)流通孔與所述定子桿導(dǎo)流通孔周期性導(dǎo)通或斷開。
4.如權(quán)利要求3所述的一種鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子的外周與所述下接頭的內(nèi)周之間設(shè)置有襯套，所述轉(zhuǎn)子的底部外端面與所述下接頭之間設(shè)有底盤。
5.如權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)所述的一種鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，其特征在于，所述振動(dòng)器包括: 筒形組件，所述筒形組件包括固定連接的上套筒和下套筒； 振動(dòng)桿，所述振動(dòng)桿設(shè)于所述筒形組件內(nèi)腔且可相對(duì)于所述筒形組件軸向滑動(dòng)，所述振動(dòng)桿的下端部伸出所述下套筒之外并固定連接有下接頭，所述振動(dòng)桿設(shè)有沿其軸向延伸的貫通的振動(dòng)桿流道，所述振動(dòng)桿的中部外周設(shè)有沿其徑向向外延伸的凸環(huán)部，所述凸環(huán)部上方的所述振動(dòng)桿的側(cè)壁上設(shè)有與所述振動(dòng)桿流道連通的高壓通孔，所述凸環(huán)部的上端面、所述凸環(huán)部上方的所述振動(dòng)桿的外側(cè)面與所述筒形組件的內(nèi)側(cè)面圍成一個(gè)高壓腔；所述凸環(huán)部的下端面、所述凸環(huán)部下方的所述振動(dòng)桿的外側(cè)面與所述筒形組件的內(nèi)側(cè)面圍成一個(gè)低壓腔。
6.如權(quán)利要求5所述的一種鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，其特征在于，所述凸環(huán)部的外周面、所述凸環(huán)部上方的所述振動(dòng)桿的外側(cè)面與所述筒形組件的內(nèi)側(cè)面之間皆設(shè)有密封件。
7.如權(quán)利要求5所述的一種鉆柱仿生減摩阻自牽引鉆具組合，其特征在于，所述振動(dòng)桿的下端與所述下套筒的下端的配合部位為多邊形結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】E21B17/10GK104314481SQ201410548756
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】王鵬, 倪紅堅(jiān), 王瑞和, 宋維強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)