CN102733756B - 一种振动加压钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动加压钻井工具，在套筒的上端安装有上接头及喷嘴，在下端滑动安装有驱动杆，驱动杆的下端固定连接有下接头，套筒内位于喷嘴与驱动杆之间设置有多级活塞分隔环结构，每级活塞分隔环结构包括一个大致呈T形结构的活塞，活塞的导向杆部的下端设有与活塞流道相通的活塞传压孔，一个固定安装于套筒内且套装在活塞导向杆部的分隔环，该分隔环上设有相通的分隔环径向孔及分隔环轴向孔，套筒上对应于分隔环径向孔的位置设有套筒导流孔。本发明创新性的将冲击振动引入到解决钻头的“粘滑”振动中来，消除了PDC钻头钻进过程中的“粘滑”现象，使PDC钻头对其下部岩石产生高频低幅的冲击作用，改善了岩石的应力状况，提高了破岩效率。

Description

一种振动加压钻井工具

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井的配套装置技术领域，尤其涉及一种振动加压钻井工具。

背景技术

PDC钻头（即Polycrystalline Diamond Compact的英文缩写，聚晶金刚石复合片钻头）是一种钻井速度快、使用寿命长、工作稳定性好的高效破岩工具，但随着石油勘探开发向深部地层的推进，硬地层、复杂地层的增多和钻具结构的复杂度增加，加速了PDC钻头的破坏和失效，钻柱的“粘滑”振动（即钻柱扭矩的持续积累和瞬间释放现象）是导致PDC钻头失效的最主要原因；常规消除PDC钻头“粘滑”振动的措施主要包括：增大钻柱转速、优化钻具结构、增大钻井液阻尼和顶部扭矩负反馈等，但是上述技术措施均存在一定的局限性，难以从根本上解决问题。

研究表明：在钻进过程中，通过对岩石施加动载冲击力，结合钻头齿静载切向压力，动静载联合作用，可以改变岩石的破碎机理，在提高破岩效率的同时，能显著消除PDC钻头的“粘滑”振动现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种振动加压钻井工具，用于消除PDC钻头在钻进过程中的“粘滑振动”现象，改善岩石的应力状况，提高破岩效率。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种振动加压钻井工具，包括套筒，所述套筒的上端安装有上接头，所述套筒内位于所述上接头的下端安装有喷嘴；所述套筒的下端滑动安装有驱动杆，所述驱动杆的下端伸出所述套筒的下端，所述驱动杆的下端固定连接有下接头，所述驱动杆沿其轴向设有中空的驱动杆流道；所述套筒内位于所述喷嘴与所述驱动杆之间设置有至少一级活塞分隔环结构，每级所述活塞分隔环结构包括一个滑动设置的活塞，所述活塞沿其轴向设有中空的活塞流道，所述活塞呈T形结构，所述活塞具有上端面、下端面以及自所述下端面向下延伸的导向杆部，所述导向杆部的下端设有沿其径向设置的活塞传压孔，所述活塞传压孔与所述活塞流道相通，一个固定安装于所述套筒内的分隔环，所述分隔环套装在所述活塞的导向杆部，所述分隔环上设有分隔环径向孔及与所述分隔环径向孔相通的分隔环轴向孔，所述套筒上对应于所述分隔环径向孔的位置设有套筒导流孔。

作为优选，所述套筒内位于所述喷嘴与所述驱动杆之间设置有多级活塞分隔环结构；第一级活塞分隔环结构的活塞的上端面、所述喷嘴的下端面与所述套筒的内壁之间围成一个压力波动腔。

作为优选，所述套筒的下端还安装有驱动短节，所述驱动杆与所述驱动短节的内壁之间为多边形轮廓配合。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：由于本发明的一种振动加压钻井工具在套筒的上端安装有上接头及喷嘴，在下端滑动安装有驱动杆，驱动杆的下端固定连接有下接头，套筒内位于喷嘴与驱动杆之间设置有至少一级活塞分隔环结构，每级活塞分隔环结构包括一个滑动设置大致呈T形结构的活塞，该活塞具有上端面、下端面以及导向杆部，导向杆部的下端设有沿其径向设置且与活塞流道相通的活塞传压孔，一个固定安装于套筒内且套装在活塞的导向杆部的分隔环，该分隔环上设有相通的分隔环径向孔及分隔环轴向孔，套筒上对应于分隔环径向孔的位置设有套筒导流孔；工作时，定常流动的钻井液通过上接头的中心孔流经喷嘴后变为高速紊流流动，并在喷嘴后产生剧烈的紊流压力波动，直接作用于第一级活塞的上端面，第一级活塞的下端面受到分隔环轴向孔、分隔环径向孔和套筒导流孔连通后引入的井筒环空低压钻井液的作用，这样，在第一级活塞的上下端面之间形成压力差，并且该压力差值随着紊流流动高频变化，形成作用于第一级活塞的向下的高频变化的作用力，使第一级活塞向下滑动；同时，该紊流压力波动沿着第一级活塞中心的活塞流道向下传播，并通过第一级活塞下端的活塞传压孔最终作用于于驱动杆，驱动杆沿轴向向下滑动，将该高频变化的合力通过下接头传递给与下接头直接连接的PDC钻头，从而使PDC钻头对其下部岩石产生高频低幅的冲击作用，消除PDC钻头钻进过程中的“粘滑”现象，改善岩石的应力状况，提高破岩效率。

当在喷嘴与驱动杆之间设置有多级活塞分隔环结构时，钻井液的紊流压力波动沿着第一级活塞中心的活塞流道向下传播，并通过第一级活塞下端的活塞传压孔作用于第二级活塞上端面，与第二级活塞配合的分隔环上的导流孔与套筒导流孔将井筒环空内的低压钻井液引入，产生作用于第二级活塞下端面的低压作用，形成作用于第二级活塞上端面的向下的高频变化的作用力；同理，该紊流压力波动沿第二级活塞中心的活塞流道向下传播，形成作用于下部各级活塞分隔环结构中活塞两端的压力差值，产生作用于各级活塞上向下的高频变化的合力，并通过最后一级活塞直接作用于驱动杆，驱动杆将该高频变化的合力通过下接头传递给与下接头直接连接的PDC钻头，从而使PDC钻头对其下部岩石产生高频低幅的冲击作用，消除了PDC钻头钻进过程中的“粘滑”现象，改善了岩石的应力状况，提高了破岩效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

附图是本发明实施例的结构剖视示意图；

图中：1-上接头；2-喷嘴；23-压力波动腔；3-活塞；31-上端面；32-下端面；33-导向杆部；34-活塞流道；4-分隔环；5-套筒导流孔；61-分隔环径向孔；62-分隔环轴向孔；7-活塞传压孔；8-驱动杆；81-驱动杆流道；9-套筒；10-驱动短节；11-下接头。

具体实施方式

以下为本发明的一种振动加压钻井工具的具体实施例，用以解释而非限制本发明；以下定义进钻井液处为“上”，出钻井液处为“下”。

如附图所示，一种振动加压钻井工具，包括套筒9，套筒9的上端安装有上接头1，在套筒9内位于上接头1的下端安装有喷嘴2，喷嘴2具有中空的喷嘴通道，其中喷嘴通道的入口大于其出口，分为上部的锥形段和下部的柱形端；在套筒9的下端螺纹连接有驱动短节10，套筒9及驱动短节10内滑动安装有驱动杆8，驱动杆8与驱动短节10的内壁之间为多边形轮廓配合，便于周向定位，驱动杆8的下端伸出驱动短节10的下端，驱动杆8的伸出段固定连接有下接头11，驱动杆8沿其轴向设有中空的驱动杆流道81；在套筒9内位于喷嘴2与驱动杆8之间设置有至少一级活塞分隔环结构。

本实施例中，每级活塞分隔环结构包括一个滑动设置的大致呈T形结构的活塞3，活塞3沿其轴向设有中空的活塞流道34，活塞3具有上端面31、下端面32以及自下端面32向下延伸的导向杆部33，在导向杆部33的下端设有沿其径向设置的活塞传压孔7，该活塞传压孔7与活塞流道34相通；一个固定安装于套筒9内的分隔环4，且分隔环4套装在活塞3的导向杆部33上，该分隔环4上设有分隔环径向孔61及与分隔环径向孔61相通的分隔环轴向孔62，在套筒9上对应于分隔环径向孔61的位置设有套筒导流孔5。

本实施例中，在套筒9内位于喷嘴2与驱动杆8之间设置有多级结构相同的活塞分隔环结构；其中，位于最上面的第一级活塞分隔环结构的活塞3的上端面31、喷嘴2的下端面与套筒9的内壁之间围成一个压力波动腔23。

本发明的一种振动加压钻井工具组装时：将驱动杆8穿过驱动短节10的配合通孔，驱动杆8的下端与下接头11的上端直接连接，驱动短节10的上端与套筒9的下端通过螺纹连接；套筒9内部的驱动杆8上方从上到下依次安装有若干级结构完全相同的“活塞分隔环”结构，活塞3中心加工有活塞流道34，下端加工有活塞传压孔7，用于传递钻柱内的高压钻井液；分隔环4固定于套筒9内并与活塞3下部的导向杆部33配合，分隔环4上有分隔环径向孔61和分隔环轴向孔62，分隔环径向孔61与套筒9上的套筒导流孔5相连通，直接与井筒环空的低压钻井液连通；套筒9内最上面一级活塞即第一级活塞3上面安装有喷嘴2，喷嘴2固定于套筒9上；上接头1与套筒9的上端螺纹连接。

将本发明的一种振动加压钻井工具接入钻柱进行钻进时：将上接头1的上端与上部钻柱相连接，下接头11的下端与PDC钻头相连接；定常流动的钻井液通过上接头1的中心孔，流经喷嘴2后产生剧烈的紊流压力波动，在压力波动腔23内变为高速紊流流动，直接作用于第一级活塞3的上端面31，第一级活塞3的下端面32受到分隔环轴向孔62、分隔环径向孔61和套筒导流孔5连通后引入的井筒环空低压钻井液的作用，这样，在第一级活塞3的上端面31与下端面32之间形成压力差，并且该压力差值随着紊流流动高频变化，形成作用于第一级活塞3的向下的高频变化的作用力，使第一级活塞3向下滑动；同时，该紊流压力波动沿着第一级活塞3中心的活塞流道34向下传播，并通过第一级活塞3下端的活塞传压孔7作用于第二级活塞的上端面，与第二级活塞配合的分隔环上的分隔环轴向孔、分隔环径向孔与套筒9上相对应的套筒导流孔5将井筒环空内的低压钻井液引入，产生作用于第二级活塞下端面的低压作用，形成作用于第二级活塞上的向下的高频变化的作用力；同理，该紊流压力波动沿第二级活塞中心的活塞流道向下传播，形成作用于下部各级“活塞分隔环”结构中活塞两端的压力差值，产生作用于各级活塞上向下的高频变化的合力，并通过最后一级活塞直接作用于驱动杆8，驱动杆沿轴向向下滑动，驱动杆8将该高频变化的合力通过下接头11传递给与其直接连接的PDC钻头，消除PDC钻头钻进过程中的“粘滑”现象，从而使PDC钻头对其下部岩石产生高频低幅的冲击作用，改善岩石的应力状况，提高破岩效率。该振动作用力的频率、峰值和幅值通过调节钻井液流量、喷嘴2的尺寸和流道形状、喷嘴2与第一级活塞3以及套筒9之间围成的压力波动腔23的形状及尺寸和“活塞分隔环”的级数等参数来实现。

本发明针对PDC钻头钻进过程中存在的“粘滑”现象，创新性的将冲击振动引入到解决钻头的“粘滑”振动中来，突破常规降粘滑措施的局限性，可有效提高PDC钻头在复杂地层和复杂钻柱结构中的钻进效率和钻头寿命，具有广泛的应用前景。本发明具有结构简单、使用方便、安全可靠、压耗低、不影响钻具结构、适用于多种钻井平台、加工制造和使用维护的成本较低等特点，对于“粘滑”多发井段钻井速度、降低生产成本具有重要的实际意义。

以上所述仅是本发明较佳实施方式的举例，并不用以限制本发明，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种振动加压钻井工具，包括套筒，其特征在于：

所述套筒的上端安装有上接头，所述套筒内位于所述上接头的下端安装有喷嘴；

所述套筒的下端滑动安装有驱动杆，所述驱动杆的下端伸出所述套筒的下端，所述驱动杆的下端固定连接有下接头，所述驱动杆沿其轴向设有中空的驱动杆流道；

所述套筒内位于所述喷嘴与所述驱动杆之间设置有至少一级活塞分隔环结构，每级所述活塞分隔环结构包括

一个滑动设置的活塞，所述活塞沿其轴向设有中空的活塞流道，所述活塞呈T形结构，所述活塞具有上端面、下端面以及自所述下端面向下延伸的导向杆部，所述导向杆部的下端设有沿其径向设置的活塞传压孔，所述活塞传压孔与所述活塞流道相通，

一个固定安装于所述套筒内的分隔环，所述分隔环套装在所述活塞的导向杆部，所述分隔环上设有分隔环径向孔及与所述分隔环径向孔相通的分隔环轴向孔，所述套筒上对应于所述分隔环径向孔的位置设有套筒导流孔。

2.如权利要求1所述的一种振动加压钻井工具，其特征在于：所述套筒内位于所述喷嘴与所述驱动杆之间设置有多级活塞分隔环结构；第一级活塞分隔环结构的活塞的上端面、所述喷嘴的下端面与所述套筒的内壁之间围成一个压力波动腔。

3.如权利要求1或2所述的一种振动加压钻井工具，其特征在于：所述套筒的下端还安装有驱动短节，所述驱动杆与所述驱动短节的内壁之间为多边形轮廓配合。

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