CN103174380B - 一种弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，尤其涉及一种通过井下马达、旋转轴和冲振套件相互配合产生快速连续冲击的弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置。包括井下马达和与该井下马达连接的钻管，在该钻管下端设有钻头，其特征在于：在所述钻管内设有冲击机构，该冲击机构包括井下马达、设置在该井下马达下端的旋转轴和套设在该旋转轴下部的冲振套件。本发明采用冲击机构的设计，通过井下马达、旋转轴和冲振套件相互配合，产生快速连续的冲击，使钻压在钻进过程中大幅度、高频率地振动，在钻头扭矩的配合下，加快钻进过程，提高钻进效率。

Description

一种弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置

技术领域

本发明涉及一种弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，尤其涉及一种通过井下马达、旋转轴和冲振套件相互配合产生快速连续冲击的弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置。

背景技术

随着石油及天然气的勘探与钻采不断向地球深部地层发展，在实际勘探及钻采过程中遇到的硬质地层逐渐增多，这种地层的岩石随着硬度的增加，可钻性较差。迫切需要一种新型钻井工具和方法来提高钻井速度。实践表明，冲击旋转钻井技术利用岩石在冲击载荷作用下易于破碎的特点，能够大幅度提高破岩效率和钻速。该技术已经开始应用于油气钻井、地热钻井、采矿工程等难钻地层的施工过程中来提高钻速。目前该项技术的核心工具冲击旋转装置主要分为两种：一种是，利用射流元件周期性改变钻井流体的流动方向，带动冲锤上下运动，产生冲击载荷的液动射流式冲击器；另一种是，利用水力脉冲产生振荡，从而产生冲击载荷的水力脉冲诱发井下振动钻井方式。这两种冲击旋转装置目前还存在着机构容易发生故障、使用寿命不够长、冲击载荷幅值较小等问题。

为此，发明了一种利用弹簧蓄能激发的新型弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，该装置通过井下马达、旋转轴和冲振套件相互配合产生快速连续冲击，以实现提高钻进效率的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，包括井下马达和与该井下马达连接的钻管，在该钻管下端设有钻头，在所述钻管内设有冲击机构，该冲击机构包括井下马达、设置在该井下马达下端的旋转轴和套设在该旋转轴下部的冲振套件。

所述冲振套件由上至下依次设有蓄能弹簧、冲击锤套和砧套；在所述蓄能弹簧上端设有限位凸台，该限位凸台外壁与所述钻管连接，该限位凸台内壁与所述旋转轴外壁对应设置。

所述蓄能弹簧上端通过止推轴承与所述限位凸台连接；该蓄能弹簧下端与所述冲击锤套连接。

所述冲击锤套套设在所述旋转轴上，并与所述旋转轴滑动连接；所述砧套与所述钻管固定；所述冲击锤套底端设有上环状齿头，所述砧套顶端设有与所述上环状齿头相对应的下环状齿头。

所述上环状齿头包括多个沿冲击锤套圆周方向首尾相接顺序设置的下凸沿，所述下环状齿头包括多个沿砧套圆周方向首尾相接顺序设置的上凸沿；所述下凸沿与上凸沿呈交错对应设置。

所述砧套包括锤击部和设置在该锤击部下端的安装部，所述旋转轴底端插装在所述锤击部内，所述锤击部外壁呈圆筒形设置并与所述钻管内壁相适应。

所述钻管底端设有转换接头，该转换接头上端通过螺纹与所述砧套底端连接，该转换接头底端通过螺纹与所述钻头连接。

在所述砧套底部套设有提拉短节，该提拉短节上端与所述钻套底端连接，该提拉短节下端与所述转换接头上端端面接触。

在所述旋转轴上部套设有限位轴承，所述旋转轴通过该限位轴承与所述钻管连接。

在所述钻管上端设有连接套，该连接套下端与所述钻管螺纹连接，该连接套上端设有用于与所述旋转钻进马达螺纹连接的接头。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

1、本发明采用冲击机构的设计，通过井下马达、旋转轴和冲振套件相互配合，产生快速连续的冲击，使钻管在钻进过程中对地下岩层进行振动并使岩石碎裂，从而加快钻进过程，减小钻进阻力，提高钻进效率；本发明的弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置采用全机械结构的设计，使装置的各部件安装更加合理、紧凑，有效保证了装置的使用寿命，且节省了制造成本。

2、本发明采用蓄能弹簧的设计，当所述冲击锤套随旋转轴开始转动时，所述下倾面沿与其对应的上倾面滑动，在下倾面与上倾面的配合作用下，所述冲击锤套被不断向上推升，直至最高点（当下倾面和下立面之间的夹角与上倾面和上立面之间的夹角相对应时），此时蓄能弹簧被充分压缩并蓄能；随着所述旋转轴继续转动，所述蓄能弹簧向下释放能量并产生冲击载荷；在蓄能弹簧的激发作用下，所述冲击锤套的下立面沿砧套的上立面垂直落下并使所述下倾面锤击在砧套的上倾面上，锤击所产生的冲击载荷通过砧套下端的转换接头传递至钻头实现振动破岩的目的；也就是说蓄能弹簧可以将冲击锤套因旋转而产生的势能进行压缩蓄势，并转换成动能进行释放，释放所产生的冲击载荷作用于钻头对岩石进行冲振，提高破岩能力。

3、本发明采用冲砧套件的设计，所述冲击锤套在蓄能弹簧作用下每下落一次，就对砧套实施一次锤击，砧套将锤击所产生的冲击载荷通过转换接头传导至钻头，从而以此实现全机械式的旋转冲击钻井的目的；也就是在钻管旋转钻进的过程中通过所述冲击机构不断向钻头施加冲击，以达到钻压大幅度波动的目的，在冲击力的作用下使岩石易于破碎，从而大大提高钻进速度。

4、本发明采用上稳定套和下稳定套的设计，可将所述限位轴承限制在钻管内，以进一步防止旋转轴在冲击过程中因振动而产生上下移位，使旋转轴的转动更加稳定。

5、本发明采用锤击部的设计可保证所述冲击锤套底端的锤击面与所述砧套顶端的砧面相适应，是两者的契合更加完全，以此提高冲击锤套的锤击效果，保证了冲击力稳定均匀的传导。

6、本发明依然采用在钻头上施加钻压加扭矩的传统钻进方式，只是增加了钻压波动的幅度与频率，本装置对地质条件、施工操作条件的要求与常规钻井并无区别，有利于技术的全面推广应用。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图（主剖视图）；

图2是本发明的结构示意图（图1中A-A的剖视图）；

图3是本发明的结构示意图（图1中B-B的剖视图）；

图4是本发明的结构示意图（图1中C-C的剖视图）；

图5是本发明中冲击锤套的结构示意图（立体图）；

图6是本发明中砧套的结构示意图（立体图）；

图7是本发明中冲击锤套与砧套的装配示意图（立体图）。

具体实施方式

参见图1、图2、图3、图4所示，本发明的弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，包括井下马达（属于现有技术，图中未显示）和与该井下马达连接的钻管1，在该钻管下端设有钻头2，本实施例中所述钻管垂直设置在所述井下马达下端，并通过螺纹与该旋转钻进马达连接，所述钻头通过螺纹与所述钻管呈可拆卸连接，在所述钻管内设有冲击机构，该冲击机构与所述钻管整体呈同轴心设置，该冲击机构包括井下马达3、设置在该井下马达下端的旋转轴4和套设在该旋转轴下部的冲振套件。本实施例中所述的井下马达通过万向轴与所述旋转轴连接，所述旋转轴呈中空设置。本发明采用冲击机构的设计，通过井下马达、旋转轴和冲振套件相互配合，产生快速连续的冲击，使钻管在钻进过程中对地下岩层进行振动,并在钻头扭矩的辅助下使岩石碎裂，从而加快钻进过程，减小钻进阻力，提高钻进效率；本发明的弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置采用全机械结构的设计，使装置的各部件安装更加合理、紧凑，有效保证了装置的使用寿命，且节省了制造成本。

本实施例中所述冲振套件由上至下依次设有蓄能弹簧5、冲击锤套6和砧套7；在所述蓄能弹簧上端设有限位凸台8，该限位凸台外壁与所述钻管连接，该限位凸台内壁与所述旋转轴外壁对应设置。本实施例中所述限位凸台采用双公接头的设计，所述的钻管也相对应的采用分段式连接的设计，也就是说所述的钻管由上管段和下管段组装而成，所述限位凸台上端外壁通过螺纹与第一管段9下端内壁连接，所述限位凸台下端外壁通过螺纹与第二管段10上端内壁连接；采用这样的设计是为了便于钻管的安装和拆卸以及便于钻管内的冲击机构的安装和拆卸；所述限位凸台也可采用双母接头（属现有技术、图中未显示）的设计。所述限位凸台内壁呈圆筒形设置，该限位凸台与所述旋转轴的圆筒形外壁对应设置，两者之间留有可供旋转轴旋转之用的间隙；为保证钻管内整体的气密性，本实施例在所述限位凸台与旋转轴之间设置多个密封件。

本实施例中所述蓄能弹簧上端通过止推轴承11与所述限位凸台下端转动连接；该蓄能弹簧下端与所述冲击锤套上端连接。本实施例中所述止推轴承的上环与所述限位凸台下端固定，所述止推轴承的下环与所述蓄能弹簧上端固定，且该止推轴承的下环的内壁与所述旋转轴的筒形外壁固定。本实施例中所述蓄能弹簧可采用弹簧、碟簧等，本实施例中的蓄能弹簧采用碟形弹簧设置。

本实施例中所述冲击锤套套设在所述旋转轴上，并与所述旋转轴滑动连接；所述砧套外壁与所述钻管内壁沿周向固定；所述冲击锤套底端设有上环状齿头，所述砧套顶端设有与所述上环状齿头相对应的下环状齿头。本实施例中所述砧套内壁呈圆筒形设置，该砧套与所述旋转轴的圆筒形外壁对应设置，两者之间留有可供旋转轴旋转之用的间隙；为保证钻管内整体的气密性，本实施例在所述砧套与旋转轴之间设置密封件。本实施例中所述砧套呈中空设置，并分别与所述旋转轴和钻头对应导通；以此形成完整的钻井液通道12，在钻进过程中实现了钻井液水力能量的转移，将其转化为钻压，提高破岩效率提高了钻速。

参见图5、图6、图7所示，本实施例中所述上环状齿头包括多个沿冲击锤套圆周方向首尾相接顺序设置的下凸沿13，所述下环状齿头包括多个沿砧套圆周方向首尾相接顺序设置的上凸沿14；所述下凸沿与上凸沿呈交错对应设置。本实施例中所述的下凸沿包括与水平面呈角度向下倾斜设置的下倾面15，在该下倾面的倾斜端设有与水平面呈垂直设置的下立面16；所述的上凸沿包括与水平面呈角度向上倾斜设置的上倾面17，在该上倾面的倾斜端设有与水平面呈垂直设置的上立面18；当所述冲击锤套随旋转轴开始转动时，所述下倾面沿与其对应的上倾面滑动，在下倾面与上倾面的配合作用下，所述冲击锤套被不断向上推升，直至最高点（当下倾面和下立面之间的夹角与上倾面和上立面之间的夹角相对应时），此时蓄能弹簧被充分压缩并蓄能；随着所述旋转轴继续转动，所述蓄能弹簧向下释放能量并产生冲击载荷；在蓄能弹簧的激发作用下，所述冲击锤套的下立面沿砧套的上立面垂直落下并使所述下倾面锤击在砧套的上倾面上，锤击所产生的冲击载荷通过砧套下端的转换接头传递至钻头实现振动破岩的目的；随着旋转轴继续转动，所述下倾面再次沿上倾面滑动；随着旋转轴持续转动，所述冲击锤套与所述砧套不断重复上述过程，所述冲击锤套每下落一次，就对砧套实施一次锤击，砧套将锤击所产生的载荷通过转换接头传导至钻头，从而以此实现蓄能弹簧持续蓄能激发冲击钻井的目的；也就是在钻管旋转钻进的过程中通过所述冲击机构不断向钻头施加冲击，以达到对地下岩层持续冲振的目的，在冲击力的作用下使岩石易于破碎，从而大大提高钻进速度。因此本发明中利用蓄能弹簧蓄能和释放能量的功能以使冲击锤套和砧套相互配合完成冲击的过程，是本发明相对于现有技术做出贡献的关键点。

本实施例中所述的弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置在钻进施工过程中，所述钻管旋转方向与所述旋转轴旋转方向保持一致；且控制旋转轴旋转的速度远大于钻管的转速；所述冲击机构所产生的冲击频率是通过井下马达及转盘转速加以控制的；冲击频率为旋转轴转速与转盘转速差值与上凸沿或下凸沿数量的乘积。

参见图1、图2所示，本实施例中所述冲击锤套的内方与所述旋转轴的外方对应穿装；所述冲击锤套的内方与所述旋转轴的外方均采用正六边形设置，也可根据实际施工需要自由选取；本实施例中所述冲击锤套还可以通过花键与所述旋转轴连接。本发明采用上述两种连接形式，可进一步保证在旋转轴转动时冲击锤套随其同步转动，使装置的整体传动效果更好。

参见图1、图3所示，本实施例中所述砧套包括锤击部19和设置在该锤击部下端的安装部20，所述旋转轴底端插装在所述锤击部内，并可沿锤击部内腔圆周方向自由旋转，所述锤击部外壁呈圆筒形设置并与所述钻管内壁相适应。采用该种设计可保证所述冲击锤套底端的锤击面与所述砧套顶端的砧面相适应，是两者的契合更加完全，以此提高冲击锤套的锤击效果，保证了冲击力稳定均匀的传导。

参见图1、图4所示，本实施例中所述安装部的外方与所述钻套的内方对应设置；所述安装部的外方与所述钻套的内方均采用正六边形设置，也可根据实际施工需要自由选取。本发明采用该种连接形式，可进一步保证在钻管转动时，砧套随其同步转动，使装置的整体传动效果更好，以此保证钻进效率。

本实施例中所述钻管底端设有转换接头21，该转换接头上端通过螺纹与所述砧套底端连接，该转换接头底端通过螺纹与所述钻头连接。本实施例中所述转换接头采用双母接头的设计，采用这样的设计是为了便于冲振套件的安装和拆卸以及便于钻头的安装和拆卸；同时也可保证装置各部件之间的安装更加牢靠稳定；所述转换接头也可采用双公接头（属现有技术、图中未显示）的设计。本实施例中所述转换接头呈中空设置，并与所述砧套对应导通。

本实施例中为防止砧套在锤击过程中产生下滑，并便于在需要将装置整体提升时通过钻管将冲击机构一并带出，在所述砧套底部套设有提拉短节22，该提拉短节上端与所述钻套底端连接，该提拉短节下端与所述转换接头端面接触。本实施例中在所述提拉短节内设有用于止挡砧套下滑的止挡台23，所述砧套底部外壁上设有与该止挡台相对应的台座24；同时，出于对装置加工方面的考虑，采用提拉短节的设计还可以方便加工钻管的内方。为进一步防止砧套下滑，本实施例中在所述钻管底部内壁上也设有止挡台，所述砧套底部外壁上也设有与该止挡台相对应的台座，且该台座设置在所述锤击部底端外边沿上。

本实施例中在所述旋转轴上部套设有限位轴承25，所述旋转轴通过该限位轴承与所述钻管转动连接。本实施例中所述限位轴承的内环与所述旋转轴外壁固定，该限位轴承的外环与所述钻管上部的内壁固定；本发明采用限位轴承的设计，可防止旋转轴在冲击过程中因振动而产生上下移位，使旋转轴的转动更加稳定。

本实施例中在所述限位轴承上端设有上稳定套26，在该限位轴承下端设有下稳定套27。本实施例中所述上稳定套的上端与设置在其上的压台28底端对应，下端与所述限位轴承的外环上端对应；所述下稳定套的下端与所述限位凸台上端对应，上端与所述限位轴承的外环下端对应；本实施例中所述的压台设置在所述钻管内，该压台内壁与所述旋转轴上端外壁对应设置；本发明采用上稳定套和下稳定套的设计，可将所述限位轴承限制在钻管内，以进一步防止旋转轴在冲击过程中因振动而产生上下移位，使旋转轴的转动更加稳定。

本实施例中为便于钻管与所述井下马达连接，并方便旋转轴及井下马达安装，在所述钻管上端设有连接套29，该连接套下端与所述钻管螺纹连接，该连接套上端设有用于与所述旋转钻进马达螺纹连接的接头30；所述井下马达设置在所述连接套内。

Claims (9)

1.一种弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，包括井下马达和与该井下马达连接的钻管，在该钻管下端设有钻头，其特征在于：在所述钻管内设有冲击机构，该冲击机构包括井下马达、设置在该井下马达下端的旋转轴和套设在该旋转轴下部的冲振套件；所述冲振套件由上至下依次设有蓄能弹簧、冲击锤套和砧套；在所述蓄能弹簧上端设有限位凸台，该限位凸台外壁与所述钻管连接，该限位凸台内壁与所述旋转轴外壁对应设置。

2.如权利要求1所述弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，其特征在于：所述蓄能弹簧上端通过止推轴承与所述限位凸台连接；该蓄能弹簧下端与所述冲击锤套连接。

3.如权利要求2所述弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，其特征在于：所述冲击锤套套设在所述旋转轴上，并与所述旋转轴滑动连接；所述砧套与所述钻管固定；所述冲击锤套底端设有上环状齿头，所述砧套顶端设有与所述上环状齿头相对应的下环状齿头。

4.如权利要求3所述弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，其特征在于：所述上环状齿头包括多个沿冲击锤套圆周方向首尾相接顺序设置的下凸沿，所述下环状齿头包括多个沿砧套圆周方向首尾相接顺序设置的上凸沿；所述下凸沿与上凸沿呈交错对应设置。

5.如权利要求4所述弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，其特征在于：所述砧套包括锤击部和设置在该锤击部下端的安装部，所述旋转轴底端插装在所述锤击部内，所述锤击部外壁呈圆筒形设置并与所述钻管内壁相适应。

6.如权利要求5所述弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，其特征在于：所述钻管底端设有转换接头，该转换接头上端通过螺纹与所述砧套底端连接，该转换接头底端通过螺纹与所述钻头连接。

7.如权利要求6所述弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，其特征在于：在所述砧套底部套设有提拉短节，该提拉短节上端与所述钻套底端连接，该提拉短节下端与所述转换接头上端端面接触。

8.如权利要求7所述弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，其特征在于：在所述旋转轴上部套设有限位轴承，所述旋转轴通过该限位轴承与所述钻管连接。

9.如权利要求8所述弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置，其特征在于：在所述钻管上端设有连接套，该连接套下端与所述钻管螺纹连接，该连接套上端设有用于与所述旋转钻进马达螺纹连接的接头。

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