一种自动调频的井下冲击工具、冲击频率预测及控制方法与流程

本发明涉及钻井工程，尤其涉及一种自动调频的井下冲击工具、冲击频率预测及控制方法。

背景技术：

1、随着油气资源逐渐向深层拓展，深层钻井数量增多，但是在深层钻井过程中，钻井面临的难题越来越多，越来越复杂，井深增加导致岩石硬度不断增加，可钻性逐渐变差，钻头的机械钻速和工作寿命表现都不太理想。研究表明，通过对钻头施加一定的冲击作用，可有效提高钻头的冲击破岩能量，同时降低钻头粘滑振动现象的发生，可有效提高钻头的破岩效率与钻头寿命。

2、但是，现有井下冲击工具的冲击频率等参数在入井后基本上是固定的，无法实时自动调整，对于复杂地层条件，不同的地层岩性需要最优冲击频率不同，固定的冲击频率往往无法使钻头达到最优的破岩效果，钻头的破岩效率和钻头工作寿命较低。

3、针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本说明书实施例提供了一种自动调频的井下冲击工具、冲击频率预测及控制方法，以解决现有的井下冲击工具无法实时自动调整其冲击频率，导致钻头无法达到最优的破岩效果的问题。

2、为解决上述技术问题，本说明书实施例提供了一种自动调频的井下冲击工具，从上到下依次包括：

3、旋转头、主动挤压换向器、从动挤压换向器、移动块、频率自执行系统，所述移动块内部设置控制块，所述控制块连接伸缩头；

4、所述频率自执行系统用于生成控制信号并将所述控制信号传输至控制块；所述控制块用于控制伸缩头的伸缩；所述伸缩头用于通过伸缩调节从动挤压换向器的工作数量；所述主动挤压换向器在旋转头带动下旋转，在从动挤压换向器的工作数量增加时，所述主动挤压换向器与多个从动挤压换向器配合将旋转运动转换为高频轴向冲击运动并传递至移动块。

5、在一些实施例中，所述的井下冲击工具还包括：

6、信号线、控制器、电源和频率自决策系统；

7、所述频率自执行系统连接频率自决策系统；所述频率自决策系统位于所述控制器的下部，用于生成频率改变信号，并将所述频率改变信号发送至频率自执行系统；所述频率自执行系统位于所述电源的下部；所述电源设置在移动块下部，用于为控制块、控制器、频率自决策系统和频率自执行系统供电；所述信号线位于控制块与控制器中间，用于将控制器接收到的控制信号传输至控制块；

8、相应地，所述频率自执行系统用于生成控制信号并将所述控制信号传输至控制块，包括：

9、所述频率自执行系统用于将频率改变信号转换成控制信号，将控制信号传输至控制器，以使控制器在被电源供电时，通过所述信号线将控制信号传输至控制块。

10、在一些实施例中，所述的井下冲击工具还包括：

11、外套、螺杆、换向轴、连接盘和连接盘流道；

12、所述螺杆设置在外套内部，用于在钻井液流经外套和螺杆之间的环空时，与外部外套配合，在钻井液的驱动下开始旋转运动；所述换向轴设置在所述螺杆下部，用于将螺杆的不同心旋转运动转换为同心旋转运动；所述连接盘设置在换向轴下部，用于连接旋转头和换向轴；所述连接盘流道设置在连接盘上，用于流通钻井液；所述旋转头设置在所述连接盘下部，用于传递换向轴的同心旋转运动。

13、在一些实施例中，所述的井下冲击工具还包括：

14、过滤网筒、限位螺母、过滤网和支撑筒；

15、所述过滤网筒设置在井下冲击工具的最上部，用于支撑内部零件；所述限位螺母连接到过滤网筒上，用于固定下部的过滤网；所述过滤网安装在过滤网筒的内部台阶上，通过限位螺母限位，用于过滤钻井液中的大颗粒；所述支撑筒设置在过滤网筒下部，用于支撑内部零件；所述外套设置在支撑筒内表面，所述外套表面呈波浪状，材料为弹性或金属材料。

16、在一些实施例中，所述的井下冲击工具还包括：

17、第一轴承、第二轴承和旋转头流道；

18、所述第一轴承设置在旋转头外部与支撑筒内部，用于扶正旋转头，使旋转头能自由旋转；所述第二轴承设置在第一轴承下部，旋转头外部与支撑筒内部，用于扶正旋转头，使旋转头能自由旋转；所述旋转头流道设置在旋转头内部，用于接收连接盘流道流通的钻井液，并继续向下传输。

19、在一些实施例中，所述的井下冲击工具还包括：

20、所述主动挤压换向器在旋转头带动下旋转，在从动挤压换向器的工作数量减少时，所述主动挤压换向器与所述从动挤压换向器配合将旋转运动转换为低频轴向冲击运动并传递至移动块。

21、在一些实施例中，所述主动挤压换向器和所述从动挤压换向器为四分之一球结构。

22、在一些实施例中，所述的井下冲击工具还包括：

23、固定套、螺旋槽和花键；

24、所述固定套设置在支撑筒内部，用于固定内部各零件；所述移动块设置在所述固定套内部，用于传递冲击运动；所述螺旋槽设置在固定套内部，用于与移动块的螺旋结构相配合，实现移动块的螺旋运动；所述花键设置在移动块外部，与固定套上的花键槽配合，实现移动块自由上下冲击运动。

25、在一些实施例中，所述的井下冲击工具还包括：

26、传动轴、万向轴、支撑弹簧、冲击轴和大弹簧；

27、所述传动轴设置在所述频率自决策系统下部，用于将移动块的冲击运动传递至万向轴；所述万向轴设置在传动轴与冲击轴中间，用于在传动轴和冲击轴不同心时，避免传动轴和冲击轴的损伤；所述支撑弹簧设置在传动轴与冲击轴之间，用于为从动挤压换向器提供回弹动力并对传动轴进行缓冲；所述冲击轴设置在万向轴下部，与钻头本体连接，用于将冲击运动传递至钻头；所述大弹簧设置在冲击轴下部，用于为冲击轴提供回弹动力并对冲击轴进行缓冲。

28、在一些实施例中，所述的井下冲击工具还包括：

29、密封筒、盘根、o型圈和组合密封；

30、所述密封筒设置在支撑筒下部，用于安装内部的密封结构并支撑上部结构；所述盘根设置在密封筒与冲击轴之间；所述o型圈设置在盘根下部，以及密封筒与冲击轴之间；所述组合密封设置在所述o型圈下部，以及密封筒与冲击轴之间；所述盘根、o型圈和组合密封均用于密封井下冲击工具内外的钻井液。

31、本说明书实施例提供了一种自动调频的井下冲击工具，从上到下依次包括：旋转头、主动挤压换向器、从动挤压换向器、移动块、频率自执行系统，所述移动块内部设置控制块，所述控制块连接伸缩头；所述频率自执行系统用于生成控制信号并将所述控制信号传输至控制块；所述控制块用于控制伸缩头的伸缩；所述伸缩头用于通过伸缩调节从动挤压换向器的工作数量；所述主动挤压换向器在旋转头带动下旋转，在从动挤压换向器的工作数量增加时，所述主动挤压换向器与多个从动挤压换向器配合将旋转运动转换为高频轴向冲击运动并传递至移动块。通过在移动块内部设置控制块，控制块连接伸缩头，移动块下部设置频率自执行系统，频率自执行系统可以根据生成的控制信号控制控制块，进而控制伸缩头的伸缩，进而控制从动挤压换向器的工作数量，最终实现井下冲击工具冲击频率的实时自动控制，可以使钻头到最优的破岩效果，显著的提高钻头破岩效率，增加钻头工作寿命，并提高井下冲击工具的适用性，降低钻井成本。

32、本说明书实施例还提供了一种冲击频率预测方法，基于上述井下冲击工具，所述方法包括：将当前钻进地层的钻井敏感性参数输入至冲击频率预测模型，输出井下冲击工具在当前钻进地层的目标冲击频率，所述目标冲击频率大于预设冲击频率阈值，所述目标冲击频率用于输入至频率自决策系统，所述频率自决策系统用于根据所述目标冲击频率判断井下冲击工具的冲击频率是否需要改变，在需要改变时，根据所述目标冲击频率生成频率改变信号并发送至频率自执行系统，所述频率自执行系统用于根据频率改变信号生成控制信号，控制井下冲击工具的冲击频率；其中，所述钻井敏感性参数包括钻压、钻杆转速、地层岩性、岩石强度、井眼直径、泥浆密度、当前冲击器频率、摩擦系数、岩石破碎效率，所述冲击频率预测模型利用预处理后的钻井敏感性参数样本训练bp神经网络模型得到。通过训练bp神经网络模型，得到训练好的冲击频率预测模型，可以基于冲击频率预测模型处理当前钻进地层的钻井敏感性参数，准确、高效地预测当前钻进地层的目标冲击频率，从而使频率自决策系统及时处理该信号、频率自执行系统及时生成控制信号，最终实现井下冲击工具的冲击频率的自动实时控制。

33、本说明书实施例还提供了一种冲击频率控制方法，基于上述井下冲击工具，所述方法包括：频率自决策系统在确定井下冲击工具的冲击频率需要改变时，在井口、井下、临井处根据预测的对应目标冲击频率，生成对应级别的频率改变信号并发送至频率自执行系统；频率自执行系统根据频率改变信号的不同级别，确定执行的优先级，基于执行的优先级，利用控制算法，确定伸缩头伸缩的数量并根据伸缩头伸缩的数量生成控制信号；根据控制信号，调节从动挤压换向器的工作数量，根据调节后的从动挤压换向器的工作数量，控制井下冲击工具的冲击频率。通过生成多级频率改变信号，按照频率改变信号并基于控制算法，确定伸缩头伸缩的数量，可以提高控制方法的适用性，从而提高冲击工具的适用性，降低钻井成本。