CN103953279B - 一种往复冲击潜孔锤钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于在钻井工程中提供往复冲击的潜孔锤钻井工具，主要由上部接头、止回阀、套筒、外壳、外部小套筒、锤、锤套筒等组成。其技术方案是：钻杆接头、上部接头、外壳、传动卡盘和钻头从上至下依次连接；上部接头内安装有套筒，止回阀安装在套筒上部，套筒中间安装有梁，梁两端贯穿套筒并安置在上部接头中；套筒中部开有周向均布的圆孔，下端有套筒上部壁孔；套筒外侧安装有外部小套筒，外部小套筒上开有外部小套筒壁孔；套筒下端靠螺纹与锤连接；锤下端能够与锤套筒内的钻头上端凸起形成密封；钻头键与传动卡盘配合，传动卡盘外部靠螺纹与外壳连接。该发明结构简单，可用于钻井作业，提供冲击功，提高钻井效率，降低钻井成本。

Description

一种往复冲击潜孔锤钻井工具

技术领域

本发明涉及一种在钻井过程中能够提供往复冲击的潜孔锤钻井工具，适用于石油天然气钻井工程以及修井服务中，也可用于地质勘探孔洞钻进工程。

背景技术

液动潜孔锤(简称液动锤或冲击器)钻探是对现有回转钻探的重大改革,是继现代金刚石钻探之后的钻探新方法。它较好地利用了坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击力的弱点,是解决坚硬岩层和某些复杂岩层钻探效率低、钻孔质量差的有效钻探技术。

我国是目前世界上开展液动锤技术研究和应用工作做得最好的国家之一。勘探所在该领域处于领先,主要体现在以下几个方面。

1、工作原理和结构型式

(1)正作用式：阀和冲锤的回程运动依靠各自弹簧,而冲程依靠水击驱动冲锤下行产生冲击能量；

(2)反作用式：利用冲洗液的压力增高推动冲锤上行压缩工作弹簧储存能量,当阀门打开,液流畅通工作室压力降低,工作弹簧释放储存能量驱动冲锤下行产生冲击；

(3)双作用式：冲锤的回程及冲程运动均依靠冲洗液的压力驱动,当冲锤下行时产生冲击能量；

(4)复合作用式：综合以上3种作用形式中的任2种研发的新产品。

(5)中空贯通式：配合气举、水力中心反循环钻进研发,它与普通液动锤的区别在于沿其轴线从上到下设有一个贯通的柱状孔,在钻进中构成反循环连续输送岩心(样)通道；因此心部的全部零件都是贯通的,如逆止阀、缸座、活塞及钻头等都是筒状；

(6)与其他技术结合的派生产品(如绳索取心式、液气两用式等)。

2、直径规格

钻具直径从43~580mm六个系列近40种规格产品。

3、应用领域广泛、效果显著

从小口径岩心钻探,正在向水文水井、锚固施工、水下炸礁、廊道施工、科学钻探等领域拓展。已取得良好的经济效益和社会效益。

液动锤钻探技术的创新与突破，主要体现在：

(1)首次实现了在液动锤的工作过程中采用容积式工作原理,大幅度提高了液动锤冲击功,扩展了液动锤的应用领域满足不同钻进要求(取心或全面钻进)；

(2)设计中运用计算机技术,对液动锤的内部动力过程和工作性能进行模拟电算,根据确定的结构编制计算机计算程序,总结出各个参数的相互关系,合理选择确定液动锤的参数匹配;并在上述工作的基础上研究开发出液动锤图纸CAD专用绘图软件；

(3)液动锤性能测试采用微机无损检测技术,具有随机、实时、快速、准确的特点,水平居国内领先；

(4)液动锤结构简单、且对泥浆的要求低,与国外近年的液动锤相比具有更好的实用性；

(5)通过设置的减压结构解决了由于液动锤的直径增加后导致工作钻压增加的问题,使液动锤可应用在小钻压钻进工艺中；采用的分流方式使得液动锤的流量可适应不同的钻进工艺需求；

(6)配套牙轮钻头、球齿钎头进行全面钻进,实现体积破碎,时效与纯回转相比效率提高126%；通过较深钻井证明阀式液动锤对背压的敏感性并不高,从而验证了室内试验和理论分析的结果,为否定“阀式液动潜孔锤受背压影响在深孔难以应用”的论点提供了有力的证明。

但是，目前所用的往复冲击潜孔锤，多半是利用弹簧驱动锤进行冲击或是复位，这样，由于弹簧容易在频繁的伸缩中失效，故工具寿命普遍不是太高；而且，由于冲击面受力很大，且受力频繁，故容易在冲击面处产生失效；而且锤在上升行程开始时启动缓慢，频繁冲击和复位时，十分耗时。而所述本发明冲击工作部分没有弹簧，冲击面处有密封结构形成的液垫缓冲冲击对钻头的伤害，同时液垫在锤进入上升形成时能提供一定的上推力，节省了上升行程所花的时间，故同时解决了这三个问题，具有较广泛的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于为石油天然气开发钻井、非石油资源勘查开采钻井提供一种往复冲击潜孔锤钻井工具，该工具可以大幅提高钻头破岩效率和钻井机械钻速，且长度短，结构简单，具有广泛的应用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种往复冲击潜孔锤钻井工具，其结构主要包括钻杆接头、上部接头、止回阀、梁、外部小套筒、套筒、锤、锤套筒、钻头键、圆头螺钉、传动卡盘、外壳；其特征是：该工具外部为钻杆接头、上部接头、外壳、传动卡盘和钻头从上至下通过螺纹依次连接；上部接头内安装有套筒，止回阀安装在套筒上部，套筒中间安装有梁，梁两端贯穿套筒并安置在上部接头中，起到支撑作用；套筒开有周向均布的套筒上部壁孔和套筒下部壁孔,套筒中下部有台阶，台阶下部直径小于台阶上部直径，套筒下部壁孔处用法兰结构；套筒外侧安装有外部小套筒，外部小套筒上开有外部小套筒壁孔；外部小套筒下端靠螺纹与锤连接；锤安置在外壳内部，锤的锤下端能够与安置在其下面的锤套筒内的钻头上端及钻头上端凸起形成密封；钻头靠钻头上端卡在钻头卡环上端，起到限位作用，钻头卡环安置在锤套筒和传动卡盘之间；对于实例1，在钻头上端和钻头卡环之间设置碟簧，钻头通过圆头螺钉与传动卡盘配合，传动卡盘内壁是扭矩传递导槽；对于实例2，钻头通过钻头键与传动卡盘配合，传动卡盘内壁是与钻头键互补的花键。往复冲击钻井工具工作特征是：钻井液从钻杆接头进入到上部接头中，靠其液压力冲开止回阀进入到上部接头与套筒之间的环空中，然后钻井液一部分从套筒底部的液孔流入锤中心孔，从钻头中心孔流出后用于冲洗岩屑；其余部分通过套筒上的进液孔和套筒上部壁孔，以及外部小套筒上的外部小套筒壁孔进入锤上腔，通过液压推动锤向下运动，锤向下运动冲击钻头上端，锤下端与其下面的锤套筒、钻头上端及钻头上端凸起形成密封，此时一部分钻井液被密封在形成的密闭空间中，形成液垫，能对锤冲击钻头上端时产生一定的缓冲作用，减小冲击对钻头上端造成的损伤；此时对于实例1，锤向下运动冲击钻头，钻头向下产生小幅轴向位移，此时传动卡盘内壁的扭矩传递导槽通过与之配合的在钻头外壁上的圆头螺钉向钻头施加额外扭矩，之后锤通过碟簧复位；同时套筒上的套筒下部壁孔与锤中流道连通，钻井液进入锤下腔，通过液压推动锤向上运动，而外部小套筒壁孔与套筒和外部小套筒之间的环空连通，锤上腔中的钻井液通过外部小套筒壁孔和环空被排出到锤的中心孔中；当锤运动到其行程上端时，外部小套筒壁孔和套筒上部壁孔再次连通，行程一个工作循环；外部小套筒通过螺纹连接于锤上部，随锤一起上下往复运动。

一种往复冲击潜孔锤钻井工具，其特征是：套筒沿周向分别开有2-6均匀分布的外部小套筒壁孔、套筒上部壁孔、进液孔、套筒下部壁孔；套筒中下部有台阶，台阶下部直径小于台阶上部直径，套筒下部壁孔处用法兰结构；外部小套筒上端与进液孔对应的部分沿轴向有贯穿的槽，使外部小套筒在上下运动时不会堵塞进液孔，且贯穿槽在上下运动时始终在上部接头内部，不会使上部接头中的钻井液从槽与上部接头下端之间的间隙漏入锤上腔中；对于实例1，碟簧设置在钻头上端和钻头卡环之间，使钻头在锤冲击下沿轴向方向有小幅的位移，使扭矩传递导槽通过圆头螺钉对钻头施加额外的扭矩；钻头沿周向均匀分布有2-6个圆头螺钉，圆头螺钉的圆头始终与扭矩传递导槽相配合，扭矩传递导槽是周向均布于传动卡盘内壁的斜槽。

本发明的有益效果是:(1)该工具可以将钻井液的流体能量转化为轴向冲击载荷，并直接作用于钻头上，大大提高了破岩效率；(2)冲击面附近的密封结构能有效缓解锤对钻头上端的冲击，增加了锤和钻头的使用寿命；(3)该工具结构简单，长度短，可以在造斜作业和弯曲井眼中使用。

附图说明

图1是本发明一种往复冲击潜孔锤钻井工具锤处于行程下止点的示意图。

图2是本发明一种往复冲击潜孔锤钻井工具锤处于行程上止点的示意图。

图3是本发明套筒和外部小套筒工作状态示意图（锤处于行程下止点）。

图4是本发明套筒和外部小套筒工作状态示意图（锤处于行程上止点）。

图5是本发明冲击平面处的局部放大图。

图6是钻头壁圆头螺钉处的局部放大图。

图中：1.钻杆接头，2.上部接头，3.止回阀，4.锤，5.锤下端，6.锤套管内凹，7.钻头卡环，8.钻头键，9.传动卡盘，10.钻头，11.钻头中心孔，12.外部小套筒壁孔，13.套筒上部壁孔，14.进液孔，15.梁，16.出液孔，17.锤套筒，18.外壳，19.锤上腔，20.锤下腔，21.外部小套筒，22.钻头上端凸起，23.钻头上端，24.套筒，25.套筒下部壁孔，26.碟簧，27.扭矩传递导槽，28.圆头螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-图6所示，一种往复冲击潜孔锤钻井工具，其结构主要包括钻杆接头1、上部接头2、止回阀3、梁15、外部小套筒21、套筒24、锤4、锤套筒17、钻头键8、圆头螺钉28、传动卡盘9、外壳18；其特征是：该工具外部为钻杆接头1、上部接头2、外壳18、传动卡盘9和钻头10从上至下通过螺纹依次连接；上部接头2内安装有套筒24，止回阀3安装在套筒24上部，套筒24中间安装有梁15，梁15两端贯穿套筒24并安置在上部接头2中，起到支撑作用；套筒24开有周向均布的套筒上部壁孔13和套筒下部壁孔25,套筒24中下部有台阶，台阶下部直径小于台阶上部直径，套筒下部壁孔25处用法兰结构；套筒24外侧安装有外部小套筒21，外部小套筒21上开有外部小套筒壁孔12；外部小套筒21下端靠螺纹与锤4连接；锤4安置在外壳18内部，锤4的锤下端5能够与安置在其下面的锤套筒17内的钻头上端23及钻头上端凸起22形成密封；钻头10靠钻头上端23卡在钻头卡环7上端，起到限位作用，钻头卡环7安置在锤套筒17和传动卡盘9之间；对于实例1，在钻头上端23和钻头卡环7之间设置碟簧26，钻头10通过圆头螺钉28与传动卡盘9配合，传动卡盘9内壁是扭矩传递导槽27；对于实例2，钻头10通过钻头键8与传动卡盘9配合，传动卡盘9内壁是与钻头键8互补的花键。往复冲击钻井工具工作特征是：钻井液从钻杆接头1进入到上部接头2中，靠其液压力冲开止回阀3进入到上部接头2与套筒24之间的环空中，然后钻井液一部分从套筒24底部的液孔16流入锤4中心孔，从钻头中心孔11流出后用于冲洗岩屑；其余部分通过套筒24上的进液孔14和套筒上部壁孔13，以及外部小套筒21上的外部小套筒壁孔12进入锤上腔19，通过液压推动锤4向下运动，锤4向下运动冲击钻头上端23，锤下端5与其下面的锤套筒17、钻头上端23及钻头上端凸起22形成密封，此时一部分钻井液被密封在形成的密闭空间中，形成液垫，能对锤4冲击钻头上端23时产生一定的缓冲作用，减小冲击对钻头上端23造成的损伤；此时对于实例1，锤4向下运动冲击钻头10，钻头10向下产生小幅轴向位移，此时传动卡盘9内壁的扭矩传递导槽27通过与之配合的在钻头10外壁上的圆头螺钉28向钻头10施加额外扭矩，之后锤4通过碟簧26复位；同时套筒24上的套筒下部壁孔25与锤4中流道连通，钻井液进入锤下腔20，通过液压推动锤4向上运动，而外部小套筒壁孔12与套筒24和外部小套筒21之间的环空连通，锤上腔19中的钻井液通过外部小套筒壁孔12和环空被排出到锤4的中心孔中；当锤4运动到其行程上端时，外部小套筒壁孔12和套筒上部壁孔13再次连通，行程一个工作循环；外部小套筒21通过螺纹连接于锤4上部，随锤4一起上下往复运动。

一种往复冲击潜孔锤钻井工具，其特征是：套筒24沿周向分别开有2-6均匀分布的外部小套筒壁孔12、套筒上部壁孔13、进液孔14、套筒下部壁孔25；套筒24中下部有台阶，台阶下部直径小于台阶上部直径，套筒下部壁孔25处用法兰结构；外部小套筒21上端与进液孔14对应的部分沿轴向有贯穿的槽，使外部小套筒21在上下运动时不会堵塞进液孔14，且贯穿槽在上下运动时始终在上部接头2内部，不会使上部接头2中的钻井液从槽与上部接头2下端之间的间隙漏入锤上腔19中；对于实例1，碟簧26设置在钻头上端23和钻头卡环7之间，使钻头10在锤4冲击下沿轴向方向有小幅的位移，使扭矩传递导槽27通过圆头螺钉28对钻头10施加额外的扭矩；钻头10沿周向均匀分布有2-6个圆头螺钉28，圆头螺钉28的圆头始终与扭矩传递导槽27相配合，扭矩传递导槽27是周向均布于传动卡盘9内壁的斜槽。

往复冲击钻井工具实现了往复上下运动和对钻头的不断高频冲击，大大提升了钻井效率。对于实例1，在钻头10的中部，有沿周向均布的圆头螺钉28与传动卡盘9配合，传动卡盘9内表面也有与圆头螺钉28相配的沿周向均布的扭矩传递导槽27，可产生额外扭矩并传递给钻头10；对于实例2，在钻头10的中部，有沿周向均布的键8与传动卡盘9配合，传动卡盘9内表面也有与钻头相配的沿周向均布的补充键，传动卡盘9外部通过螺纹与外壳18螺纹连接，用于将钻杆的扭矩传递给钻头。

本发明结构简单，长度短，可以在造斜作业和弯曲井眼中使用，能够大大提高了破岩效率。

Claims (2)

1.一种往复冲击潜孔锤钻井工具，其结构主要包括钻杆接头（1）、上部接头（2）、止回阀（3）、梁（15）、外部小套筒（21）、套筒（24）、锤（4）、锤套筒（17）、钻头键（8）、圆头螺钉（28）、传动卡盘（9）、外壳（18）；其特征是：该工具外部为钻杆接头（1）、上部接头（2）、外壳（18）、传动卡盘（9）和钻头（10）从上至下通过螺纹依次连接；上部接头（2）内安装有套筒（24），止回阀（3）安装在套筒（24）上部，套筒（24）中间安装有梁（15），梁（15）两端贯穿套筒（24）并安置在上部接头（2）中，起到支撑作用；套筒（24）开有周向均布的套筒上部壁孔（13）和套筒下部壁孔（25）,套筒（24）中下部有台阶，台阶下部直径小于台阶上部直径，套筒下部壁孔（25）处用法兰结构；套筒（24）外侧安装有外部小套筒（21），外部小套筒（21）上开有外部小套筒壁孔（12）；外部小套筒（21）下端靠螺纹与锤（4）连接；锤（4）安置在外壳（18）内部，锤（4）的锤下端（5）能够与安置在其下面的锤套筒（17）内的钻头上端（23）及钻头上端凸起（22）形成密封；钻头（10）靠钻头上端（23）卡在钻头卡环（7）上端，起到限位作用，钻头卡环（7）安置在锤套筒（17）和传动卡盘（9）之间；对于需要在工作时向钻头（10）施加额外扭矩的情况，使用结构1，即使用在钻头上端（23）和钻头卡环（7）之间设置碟簧（26），钻头（10）通过圆头螺钉（28）与传动卡盘（9）配合，传动卡盘（9）内壁是扭矩传递导槽（27）的结构；对于工作时不对钻头（10）施加额外扭矩的情况，使用结构2，即使用钻头（10）通过钻头键（8）与传动卡盘（9）配合，传动卡盘（9）内壁是与钻头键（8）互补的花键的结构；往复冲击钻井潜孔锤工具工作特征是：钻井液从钻杆接头（1）进入到上部接头（2）中，靠其液压力冲开止回阀（3）进入到上部接头（2）与套筒（24）之间的环空中，然后钻井液一部分从套筒（24）底部的液孔（16）流入锤（4）中心孔，从钻头中心孔（11）流出后用于冲洗岩屑；其余部分通过套筒（24）上的进液孔（14）和套筒上部壁孔（13），以及外部小套筒（21）上的外部小套筒壁孔（12）进入锤上腔（19），通过液压推动锤（4）向下运动，锤（4）向下运动冲击钻头上端（23），锤下端（5）与其下面的锤套筒（17）、钻头上端（23）及钻头上端凸起（22）形成密封，此时一部分钻井液被密封在形成的密闭空间中，形成液垫，能对锤（4）冲击钻头上端（23）时产生一定的缓冲作用，减小冲击对钻头上端（23）造成的损伤；此时对于结构1，锤（4）向下运动冲击钻头（10），钻头（10）向下产生小幅轴向位移，此时传动卡盘（9）内壁的扭矩传递导槽（27）通过与之配合的在钻头（10）外壁上的圆头螺钉（28）向钻头（10）施加额外扭矩，之后锤（4）通过碟簧（26）复位；同时套筒（24）上的套筒下部壁孔（25）与锤（4）中流道连通，钻井液进入锤下腔（20），通过液压推动锤（4）向上运动，而外部小套筒壁孔（12）与套筒（24）和外部小套筒（21）之间的环空连通，锤上腔（19）中的钻井液通过外部小套筒壁孔（12）和环空被排出到锤（4）的中心孔中；当锤（4）运动到其行程上端时，外部小套筒壁孔（12）和套筒上部壁孔（13）再次连通，行程一个工作循环；外部小套筒（21）通过螺纹连接于锤（4）上部，随锤（4）一起上下往复运动。

2.根据权利要求1所述的一种往复冲击潜孔锤钻井工具，其特征是：套筒（24）沿周向分别开有2-6个均匀分布的外部小套筒壁孔（12）、套筒上部壁孔（13）、进液孔（14）、套筒下部壁孔（25）；套筒（24）中下部有台阶，台阶下部直径小于台阶上部直径，套筒下部壁孔（25）处用法兰结构；外部小套筒（21）上端与进液孔（14）对应的部分沿轴向有贯穿的槽，使外部小套筒（21）在上下运动时不会堵塞进液孔（14），且贯穿槽在上下运动时始终在上部接头（2）内部，不会使上部接头（2）中的钻井液从槽与上部接头（2）下端之间的间隙漏入锤上腔（19）中；对于结构1，碟簧（26）设置在钻头上端（23）和钻头卡环（7）之间，使钻头（10）在锤（4）冲击下沿轴向方向有小幅的位移，使扭矩传递导槽（27）通过圆头螺钉（28）对钻头（10）施加额外的扭矩；钻头（10）沿周向均匀分布有2-6个圆头螺钉（28），圆头螺钉（28）的圆头始终与扭矩传递导槽（27）相配合，扭矩传递导槽（27）是周向均布于传动卡盘（9）内壁的斜槽。