CN103075097A - 一种扭转冲击钻井提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭转冲击钻井提速工具，由壳体、座体、导流单元、冲击单元和防掉单元组成，工具上端设有与钻铤相连的公扣，下端设有与钻头相连的母扣，壳体与座体通过花键连接,工具工作时扭矩与钻压通过花键传递；导流单元包括密封盖、除砂套和筛管，密封盖上端设有流体上返的侧向通道以及放置除砂套用的台阶；冲击单元包括定位套、冲击锤和轴承，冲击锤设有两个启动锤头和两个冲击锤头；防掉单元包括防掉块、螺栓、弹簧和防掉槽。本发明可给钻进中的钻头提供一种低幅高频扭转冲击，用于减缓钻进过程中下部钻具组合的粘滑振动，从而提高机械钻速并减少钻具失效。

Description

一种扭转冲击钻井提速工具

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发中的钻井提速工具，具体地讲是一种通过减缓下部钻具粘滑振动以提高破岩能量利用率并减少钻具失效从而提高机械钻速的扭转冲击钻井提速工具。

背景技术

随着国家对油气需求量的大幅增加，石油天然气的勘探开发力度不断加大。深井超深井的钻井数量日益增多，钻井难度也在不断加大。粘滑振动是钻深井超深井过程中常见的易造成钻具失效并导致机械钻速下降的重要因素，在钻进深部硬地层时尤为明显。现有的轴向旋冲钻井无法有效缓解下部钻具的粘滑振动（下部钻具扭矩周期性地积聚与释放），甚至由于增大钻头的吃入量而可能加剧粘滑振动。最近的理论和试验研究表明，施加于下部钻具的高频扭转冲击可用于抑制其粘滑振动。

现有专利US6742609B2采用涡轮驱动冲击机构，形成高频扭转冲击直接传至钻头，专利CN101463709B采用螺杆马达驱动冲击机构，这两种工具均能达到形成高频扭转冲击的目的，但其缺点是几何结构为棘轮的冲击件的磨损较快。

专利201010511421.1采用另一种结构形成高频扭转冲击，其不足之处主要包括：（1）钻井液中含有多种添加剂和重晶石等，该工具未设置除砂装置，易导致因砂粒沉积而使冲击单元无法正常运转；（2）单冲击锤冲击座体容易加剧下部钻具的涡动行为，进而影响井身质量；（3）根据所批露的结构，无法实现对连接锤座和壳体的球形连接体的安装与拆卸；钻井作业过程中可能存在钻头卡钻的情况，联接体需承受钻柱数十吨甚至更大的上提力，其安全性较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种扭转冲击钻井提速工具，用以产生低幅高频扭转冲击。通过借助砂粒与液体密度不同的特点，设置除砂套使上返至导流盖侧向通道的钻井液为除去砂粒的钻井液；通过结合钻柱动力学理论，提出设置对称分布的双冲击锤的结构，以避免加剧下部钻具的涡动，同时使得在产生同等冲击功的条件下降低冲击元件的磨损；通过分析防掉单元结构操作可行性并对其进行力学分析，设置易于装配且安全性高的防掉单元。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种扭转冲击钻井提速工具，包括壳体、座体、导流单元、冲击单元和防掉单元，其特征在于：所述壳体上端设有连接钻铤的公扣，下端设有与座体花键配合的壳体花键，壳体内部包含导流单元、冲击单元和防掉单元；所述座体上端设有用于与冲击锤配合的内腔，下端设有用于连接钻头的母扣和用于与壳体花键作用的座体花键；所述导流单元包括除砂套、密封盖和筛管；所述冲击单元包括定位套、冲击锤、上滚针轴承、上深沟球轴承、下深沟球轴承和下滚针轴承，冲击锤设有启动锤头和冲击锤头，启动锤头与定位套形成启动腔，启动锤头作用于启动腔内冲击锤头作用于座体的冲击腔内，冲击锤的上下两端分别通过上深沟球轴承和下滚针轴承与座体连接，定位套上下两端分别通过上滚针轴承和下深沟球轴承与筛管连接；防掉单元包括防掉块、螺栓、弹簧、壳体防掉槽和座体防掉槽。

所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于壳体下端周向均布4个45o的壳体花键，座体下端外侧均布4个50o的花键槽，壳体花键与座体花键槽存在间隙用于将冲击能量完全传至钻头。

所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于壳体设有2个壳体防掉槽和2个螺栓孔，螺栓孔作为防掉装置拆卸的通道，螺栓用于密封螺栓孔；座体设有2个座体防掉槽，防掉块的径向厚度小于座体防掉槽深度，防掉块压缩于座体防掉槽内；座体防掉槽移动到壳体防掉槽处形成腔体时，弹簧释放并将防掉块推向壳体防掉槽，紧贴壳体防掉槽壁面。

所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于：所述座体冲击腔的数量为2个，座体泄流槽的数量为2个，座体和密封盖上均设有4条导流槽；冲击锤上的启动锤头、冲击锤头、启动腔正击排液槽、启动腔反击排液槽、冲击腔反击排液槽和冲击腔正击排液槽的数量全部为2个；定位套上的定位套正击流道和定位套反击流道的数量全部为2个。

所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于：所述导流单元的密封盖用于密封冲击单元的上端面，密封盖上端设有流体上返的侧向通道以及用于放置除砂套的台阶，筛管固定于座体内部。

所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于筛管中部设有沿周向均匀分布的侧流槽，筛管下部设有排液孔。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：（1）导流单元中设有除砂套，流经密封盖侧向通道流入导流槽的为除去添加剂和重晶石等砂粒的钻井液，可避免冲击单元因砂粒沉积而失效；（2）双冲击锤冲击座体，在产生同等冲击功的条件下可提高冲击元件的使用寿命；（3）双冲击锤对称分布，同时冲击座体，可避免加剧下部钻具的涡动，而单冲击锤冲击容易加剧下部钻具的涡动行为；（4）工具所带的防掉单元易于装配且安全性高。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为图1的B-B冲击锤顺转完成时刻剖面图；

图4为图1的B-B定位套顺转完成时刻剖面图；

图5为图1的B-B冲击锤逆转完成时刻剖面图；

图6为图1的B-B定位套逆转完成时刻剖面图；

图7为图1的C-C剖面图；

图8为图1的D-D剖面图；

图9为本发明装置中筛管的结构图；

图10为本发明装置中冲击锤的结构图；

图11为图10的E-E剖面图；

图12为本发明装置中定位套的结构图；

图13为图12的左视图；

图14为图12的F-F剖面图；

图中：1.壳体，2.除砂套，3.密封盖，4.上滚针轴承，5.上深沟球轴承，6.筛管，7.定位套，8.冲击锤，9.下深沟球轴承，10.下滚针轴承，11.防掉块，12.螺栓，13.弹簧，14.座体，15.公扣，16.壳体花键，17.壳体防掉槽，18.螺栓孔，19.母扣，20座体花键，21.座体防掉槽，22.导流槽，23.反击启动流道，24.正击启动流道，25.冲击腔，26.泄流槽，27.启动锤头，28.冲击锤头，29.启动腔正击排液槽，30.启动腔反击排液槽，31.冲击腔反击排液槽，32.冲击腔正击排液槽，33.启动腔，34.定位套正击流道，35.定位套反击流道，36.正冲击面，37.反冲击面，38.侧流槽，39.排液孔。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种扭转冲击钻井提速工具，包括壳体1、座体14、导流单元、冲击单元和防掉单元；其特征在于：所述壳体1上端设有连接钻铤的公扣15，下端设有与座体花键20配合的壳体花键16，壳体1内部包含导流单元、冲击单元和防掉单元；所述座体14上端设有用于与冲击锤8配合的内腔，下端设有用于连接钻头的母扣19和用于与壳体花键16作用的座体花键20；所述导流单元包括除砂套2、密封盖3和筛管6；所述冲击单元包括定位套7、冲击锤8、上滚针轴承4、上深沟球轴承5、下深沟球轴承9和下滚针轴承10，冲击锤8设有启动锤头27和冲击锤头28，启动锤头27与定位套7形成启动腔33，启动锤头27作用于启动腔33内，冲击锤头28作用于座体14的冲击腔25内，冲击锤8的上下两端分别通过上深沟球轴承5和下滚针轴承10与座体14连接，定位套7上下两端分别通过上滚针轴承4和下深沟球轴承9与筛管6连接；防掉单元包括防掉块11、螺栓12、弹簧13、壳体防掉槽17和座体防掉槽21。

如图8所示，所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于壳体1下端周向均布4个45o的壳体花键16，座体14下端外侧均布4个50o的花键槽，壳体花键16与座体花键槽存在间隙用于将冲击能量完全传至钻头。

如图7所示，所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于壳体1设有2个壳体防掉槽17和2个螺栓孔18，螺栓孔18作为防掉装置拆卸的通道，螺栓12用于密封螺栓孔18；座体14设有2个座体防掉槽21，防掉块11的径向厚度小于座体防掉槽21深度，防掉块11压缩于座体防掉槽21内；座体防掉槽21移动到壳体防掉槽17处形成腔体时，弹簧13释放并将防掉块11推向壳体防掉槽17，紧贴壳体防掉槽17壁面。当拆卸工具时，通过螺栓孔18将防掉块11压缩至完全位于座体防掉槽21内，同时将壳体1和座体14轴向错开达到拆卸目的。

如图2-6所示，所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于：所述座体冲击腔的数量为2个，座体14和密封盖3上均设有4条导流槽22。如图10-14所示，所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于：冲击锤8上的启动锤头27、冲击锤头28、启动腔正击排液槽29、启动腔反击排液槽30、冲击腔反击排液槽31和冲击腔正击排液槽32的数量全部为2个；定位套7上的定位套正击流道34和定位套反击流道35的数量全部为2个。

所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于：所述导流单元的密封盖3用于密封冲击单元的上端面，密封盖3上端设有流体上返的侧向通道以及用于放置除砂套2的台阶，筛管6固定于座体14内部。

如图9所示，所述扭转冲击钻井提速工具，其特征在于筛管6中部设有沿周向均匀分布的侧流槽38，筛管6下部设有排液孔39。

在本发明的操作过程中，工具上端连接钻铤或其他动力钻具，下端直接连接钻头。井口转盘经钻柱输送的扭矩和钻压通过壳体花键16和座体花键20的配合而传递。流入工具的钻井液一部分直接流经筛管6的中空通道流至钻头；一部分通过导流槽22流入正击启动流道24或反击启动流道23，进入启动腔33后流至泄流槽26并由排液孔39排出；另一部分通过侧流槽38流经定位套正击流道34或定位套反击流道35，进入冲击腔25后由排液孔39排出。

图3为冲击锤8正转完成时刻即冲击锤8正面冲击座体14初始时刻的剖面图。在转动过程中定位套7随冲击锤8一起转动，一方面当冲击锤头28冲击座体14停止顺转时定位套7由于惯性作用继续顺转；另一方面，启动腔33逐渐转移至启动锤头27另一侧，高压流体由导流槽22通过反击启动流道23，再经启动腔反击排液道30进入新形成的启动腔33，加速定位套7的顺转。启动腔33中的流体由于定位套7的顺转而压缩，由启动腔正击排液槽29排至泄流槽26。待定位套7顺转完成，工具进入图4所示的工作状态。此时冲击锤8和定位套7均无法顺转，由反击启动流道23进入新形成的启动腔33的高压流体推动冲击锤8开始逆转。正冲击面36开始与座体14脱离并形成冲击腔25，此时由定位套反击流道35经冲击腔正击排液槽32的流体进入冲击腔25并加速冲击锤8的逆转；冲击锤头28另一侧由反冲击面37和座体14形成的冲击腔25则不断缩小，内部流体由冲击腔反击排液槽31排出。待冲击锤8逆转完成，工具进入图5所示的工作状态。在冲击锤8逆转过程中，冲击锤8带动定位套7一起转动，一方面当冲击锤头28冲击座体14停止逆转时定位套7由于惯性作用继续逆转；另一方面，启动腔33转移至启动锤头27另一侧，高压流体由导流槽22通过正击启动流道24，再经启动腔正排液槽29进入启动腔33，加速定位套7的逆转。启动腔33中的流体由于定位套7的逆转而压缩，由启动腔反击排液槽30排至泄流槽22。待定位套7逆转完成，工具进入图6所示的工作状态。此时冲击锤8和定位套7均无法逆转，由正击启动流道24进入启动腔33的高压流体推动冲击锤8开始逆转。反冲击面37开始与座体14脱离并形成冲击腔25，此时由定位套正击流道34经冲击腔反击排液槽31的流体进入冲击腔25并加速冲击锤8的顺转。待冲击锤8顺转完成，工具进入图3所示的工作状态。

上述操作过程为扭转冲击钻井提速工具的一个完整工作周期，工具将重复上述操作不断循环，由此形成高频冲击。工具产生的冲击将由座体直接传至钻头，实现向钻头提供高频扭转冲击的目的。

Claims (3)

1.一种扭转冲击钻井提速工具，包括壳体（1）、座体（14）、导流单元、冲击单元和防掉单元，其特征在于：所述壳体（1）上端设有连接钻铤的公扣（15），下端设有与座体花键（20）配合的壳体花键（16），壳体（1）内部包含导流单元、冲击单元和防掉单元；所述座体（14）上端设有用于与冲击锤（8）配合的内腔，下端设有用于连接钻头的母扣（19）和用于与壳体花键（16）作用的座体花键（20）；所述导流单元包括除砂套（2）、密封盖（3）和筛管（6）；所述冲击单元包括定位套（7）、冲击锤（8）、上滚针轴承（4）、上深沟球轴承（5）、下深沟球轴承（9）和下滚针轴承（10），冲击锤（8）设有启动锤头（27）和冲击锤头（28），启动锤头（27）与定位套（7）形成启动腔（33），启动锤头（27）作用于启动腔（33）内，冲击锤头（28）作用于座体（14）的冲击腔（25）内，冲击锤（8）的上下两端分别通过上深沟球轴承（5）和下滚针轴承（10）与座体（14）连接，定位套（7）上下两端分别通过上滚针轴承（4）和下深沟球轴承（9）与筛管（6）连接；防掉单元包括防掉块（11）、螺栓（12）、弹簧（13）、壳体防掉槽（17）和座体防掉槽（21）。

2.根据权利要求1所述的一种扭转冲击钻井提速工具，其特征在于：所述座体（14）冲击腔（25）的数量为2个；冲击锤（8）上的启动锤头（27）、冲击锤头（28）、启动腔正击排液槽（29）、启动腔反击排液槽（30）、冲击腔反击排液槽（31）和冲击腔正击排液槽（32）的数量全部为2个；定位套（7）上的定位套正击流道（34）和定位套反击流道（35）的数量全部为2个。

3.根据权利要求1所述的一种扭转冲击钻井提速工具，其特征在于：所述导流单元的密封盖（3）用于密封冲击单元的上端面，密封盖（3）上端设有流体上返的侧向通道以及用于放置除砂套（2）的台阶，筛管（6）固定于座体（14）内部。

Images