[发明专利]井下振荡设备

说明书

井下振荡工具包括Moineau型正排量脉冲马达以及用于钻柱(100)中的阀组件。脉冲马达包括被配置为在定子(114)的孔洞内章动的转子。转子具有延伸为转子的长度的至少两个螺旋形凸叶部，并且定子孔洞限定延伸为定子的长度的至少三个螺旋形凸叶部。阀组件包括第一阀板(132)，所述第一阀板(132)连接到转子的底部端部，并且邻接第二阀板(138)，以形成滑动密封。第二阀板固定地联接到定子，并且保持静止。第一阀端口轴向延伸通过第一阀板，并且第二阀端口轴向延伸通过第二阀板。

技术领域

本公开总体上涉及井下振荡设备。更特别地，但不排他地，本公开涉及钻探设备和钻探方法，并且涉及用于钻柱的流动脉冲方法和流动脉冲设备。

背景技术

在石油和天然气勘探和开采行业中，形成钻井孔洞常规地涉及使用钻柱，以钻削孔到地下地层或基底中。钻柱（其总体上包括钻头，所述钻头附接在管状构件的下端部处，例如，钻铤、钻杆以及可选的钻探马达以及其它井下钻探工具）可从井的表面延伸数千英尺或数千米到井的底部，其中，钻头旋转，以穿透地下地层。定向井可包括从表面延伸的竖直或近似竖直区段以及从近似竖直区段开始的水平或近似水平区段。钻井孔洞和钻柱之间的摩擦（特别是在开始点附近和井的近似水平区段中）可减小钻柱施加在钻头上的轴向力，有时被称为钻压。在确定钻头穿透地下地层的速率的情况下，钻压可为重要因素。

产生振荡或振动以激发钻柱可用于减少钻柱和钻井孔洞之间的摩擦。轴向振荡还可提供敲击或锤击作用，当通过硬岩钻探孔洞时，这可增加可实现的钻探速率。在此类钻探操作中，钻探液体或泥浆从表面泵送通过钻柱，以从被提供在钻头上的喷嘴离开。来自喷嘴的流体流动帮助从切割面逐出和清除材料，并且用于携带所逐出的材料通过钻探孔洞到表面。

然而，由已知系统产生的振荡可不足以减小钻柱的某些区段中的摩擦，并且如果应用于钻柱的其它区段中，则可导致问题。钻井孔洞的竖直区段中的摩擦总体上不如开始点处和近似水平区段中的一样大。在由摩擦产生的小衰减的情况下，在钻柱和钻井孔洞的近似竖直区段中产生的振荡可损坏钻机和其它表面设施，或对于钻机和其它表面设施产生问题。此外，振荡可与钻柱的谐波频率（其可取决于钻柱的结构和组成）一致，并且相长干涉，以产生损坏性谐波。

而且，定向井的近似水平区段可非常长，并且在某些情况下，显著比竖直区段更长。随着钻柱在井的水平部分中进一步穿透，钻柱中的激发器工具可进一步远离开始点和附近水平区段处的钻井孔洞的高摩擦区域移动。水平区段中的高摩擦可衰减由远距离激发器工具产生的振荡。

在非常规页岩钻探最近急剧增加的情况下，许多挑战随之而来，因为这些井通常包括延长范围侧向区段。这些挑战包括但不限于：低穿透速率(ROP)、粘滑以及沿着钻柱的不良钻压(WOB)传递。市场中对于可解决这些挑战的钻探工具存在有强烈期望。因此，需要的是已改进的井下振荡设备和方法。

发明内容

本发明提供了可解决和改进现有技术的缺陷中的一些的各种实施例。例如，一个实施例提供了用于钻柱的井下振荡工具，井下振荡工具包括脉冲马达，所述脉冲马达具有：转子，沿着转子的长度具有至少两个螺旋形凸叶部；以及定子，环绕定子孔洞。定子沿着定子的长度具有至少三个螺旋形凸叶部。转子位于定子孔洞中，并且被配置为在定子内章动。工具还包括位于脉冲马达下游的脉冲阀组件。脉冲阀组件优选地具有：第一阀板，被配置为与转子章动，第一阀板包括多个第一端口；第二阀板，位于第一阀板下游，第二阀板包括多个第二端口。优选地，第二阀固定地联接到定子，并且板邻接第一阀板，以形成滑动密封。第一端口中的至少一个通过第一阀板相对于第二阀板的所有章动位置而与第二端口中的至少一个流体连通。

根据一个选项，多个第一端口可包括：至少一个第一径向外轴向端口，被限定在第一阀板中；以及至少一个第一径向内轴向端口，被限定在第一阀板中。多个第二端口可包括：至少一个第二径向外轴向端口，被限定在第二阀板中；以及多个第二径向内轴向端口，被限定在第二阀板中。