CN106593306A - 一种多维冲击器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油天然气钻井配套设备技术领域，涉及一种多维冲击器，套筒上端与上接头连接；套筒内从上到下依次设置有喷嘴、上冲击块和下冲击块，上冲击块和下冲击块斜面接触，上冲击块和下冲击块与套筒之间分别设置有上冲击块密封圈和下冲击块密封圈；下冲击块的下端穿出套筒底端，并与设置在套筒下端的下接头连接；其结构简单，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成本较低。
Description
技术领域：
本发明属于石油天然气钻井配套设备技术领域，涉及一种多维冲击器，特别是一种深井硬地层提高机械钻速的钻井工具。
背景技术：
随着老油田常规油气资源的勘探开发进入中后期，为满足我国对油气资源的巨大需求，加大了对深层、薄油层、断块油层等复杂油层以及非常规油气资源的开发力度。在这些油气资源的钻探过程中，深部坚硬地层、强非均质性和软硬交互性地层、可钻性差地层的机械钻速低，延长了钻井周期，增加了资金的投入。因此，发展出能够提高深部地层和复杂油气藏钻探效率的新技术及其配套工具，是提高这类井钻探效率和我国油气资源开发效率的必要途径，也是应对国内外石油钻探市场激烈竞争的重要手段。
为了解决钻进过程中机械钻速低的问题，石油工作者们分别从影响机械钻速的各个因素(包括钻压、转速、钻头选型、井底水力能量、破岩方式、钻头扭矩等)的角度出发，提出并发展了垂直钻井技术、水力加压器、水力振荡器、井下动力钻具、高效PDC钻头和新型复合钻头、分流负压钻头、水力脉动钻井工具和自激空化射流钻井工具、旋冲工具，扭力冲击器等多种提速技术及钻井工具，在一定程度上解决了机械钻速低、钻井周期长和资金投入大的问题。
大量现场试验表明，对于深部坚硬地层，旋冲钻井和扭转冲击钻井取得了更好的提速效果，其主要原因是，随着井深的增加，地层压实程度更高变得更加坚硬，同时井底水力能量减弱，机械钻速对转速和水力能量的敏感程度降低，而旋冲钻井能够产生作用于井底岩石的高频轴向冲击，不仅能够使井底岩石产生初始裂纹并扩展形成体积破碎提高破岩效率，同时能够使钻头周期性的吃入地层，从而提高钻头每转一圈的岩石破碎量，另一方面，扭转冲击工具能够产生作用于井底岩石的扭转冲击振动，将PDC钻头对井底岩石的剪切破碎变为冲击剪切破碎，补充钻头破岩扭矩的不足，消除钻头的粘滑效应，提高机械钻速和PDC钻头使用寿命，对坚硬地层的提速效果较好。
鉴于旋冲工具和扭转冲击工具在深井硬地层取得的较好提速效果，国内外各科研院所和石油公司研制了多种原理、结构和冲击参数各不相同的冲击器，但大部分旋冲工具过分强调冲击功对破岩效率的影响，因此导致冲击频率较低，同时由于过大的轴向冲击可能导致钻头吃入地层过深，在提高机械钻速的同时增加了破岩扭矩，进一步加剧了钻头的粘滑振动，另外，冲击工具普遍存在井下的安全性差和使用寿命低的问题。扭转冲击工具在保证钻头对地层有一定吃入深度的前提下，通过扭转方向上的高频冲击实现提速，但现场应用中存在以下不足：首先是容易引发钻头泥包，这就要求在钻进过程中要经常性的将钻头提离井底，开泵并高转速甩动钻柱，从而消除钻头泥包现象，显著增加了钻进辅助时间；其次是容易引发井斜，主要是因为扭力冲击器提速的前提是钻头要有一定的吃深，这就要求要施加比常规钻进更大的钻压，否则扭转冲击无法有效的作用于切削齿前方的岩石上，钻压的增加则常常导致井斜增加，因此，对井身质量控制的要求在一定程度上限制了扭力冲击器提速潜力的发挥；再次是扭力冲击器只能和常规钻具配合使用，现场试验表明扭力冲击器与螺杆钻具配合使用时由于频率相互干扰导致扭力冲击器提速效果显著降低，扭力冲击器只能够在常规钻井基础上进行提速；最后是为保证提速效果扭力冲击器要配合专门的PDC钻头使用，导致工具租赁和钻头费用高，难以在提速的同时提高效益，使其推广应用受到限制。由此可见，旋冲工具和扭转冲击工具虽然在硬地层提速中效果初现，但是在应用过程中尚存在大量的问题。因此，在我国石油资源勘探开发需求迫切和钻井市场化的大形势下，提出一种切实可行的，能够进一步提高深部硬地层和复杂地层机械钻速和钻探效率的钻井技术及其配套工具十分必要。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种多维冲击器，使钻头同时产生对井底岩石的轴向和扭转冲击，提高破岩效率、钻头寿命，消除钻头泥包，从而提高机械钻速，降低钻井资金投入。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括上接头、喷嘴、套筒、上冲击块密封圈、上冲击块、下冲击块、下冲击块密封圈和下接头；套筒上端设置具有中空流道的上接头，上接头和套筒之间通过螺纹连接；套筒内从上到下依次设置有喷嘴、上冲击块和下冲击块，上冲击块和下冲击块斜面接触，上冲击块在套筒内部沿着轴向移动的距离小于15mm，下冲击块在套筒内部沿着轴向移动的距离小于上冲击块的移动距离，绕轴线转动的角度小于30°；上冲击块和下冲击块与套筒之间分别设置有上冲击块密封圈和下冲击块密封圈；下冲击块的下端穿出套筒底端，并与设置在套筒下端的下接头通过螺纹连接；下冲击块与套筒下端的收缩部分为圆柱面配合；套筒内壁上设置有半圆柱形突起，套筒的底端设置有第一花键，相邻的两个第一花键之间形成第一键槽，下接头的上端设置有分别与套筒下端第一花键和第一键槽相配合的第二键槽和第二花键；上冲击块的轴线上设置有第一中空流道，上冲击块的外壁上设置有与套筒内壁半圆柱形突起相配合的半圆柱形凹槽，上冲击块的下端设置有第一梯形齿，上冲击块的上端外壁上设置有第一密封圈凹槽，上冲击块密封圈安装在第一密封圈凹槽内；下冲击块轴线上设置有第二中空流道，下冲击块的上端设置有与第一梯形齿形状尺寸相同且相啮合的第二梯形齿，下冲击块的外壁上设置有第二密封圈凹槽，第二密封圈凹槽内安装有下冲击块密封圈。
本发明工作时，外接的转盘或顶驱带动上接头和套筒绕轴线顺时针(俯视)转动，套筒通过第一花键和第二花键的配合带动下接头产生与其完全相同的顺时针转动，与此同时，钻井液从上接头的中空流道流入并进入喷嘴，进入喷嘴的钻井液产生压力脉动作用在上冲击块的上端面，使上冲击块产生沿其轴线向下的冲击振动，由于上冲击块和下冲击块之间为斜面接触，上冲击块沿其轴线向下的冲击使下冲击块同时产生沿着其轴线方向向下的位移振动和绕着其轴线的扭转振动，下冲击块带动下接头和外部与之相连的钻头产生冲击振动，实现多维冲击钻井。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是通过钻头对井底岩石施加轴向冲击，可以在不增加钻压的前提下增加钻头切削齿吃入地层的深度，同时，通过钻头对井底岩石施加扭转冲击，补充转盘所提供的破岩扭矩的不足，增加钻头每转一圈的岩石破碎量，防止井斜，消除粘滑振动，提高钻头使用寿命；二是将旋转冲击和扭转冲击结合，有效的解决扭转冲击工具在应用过程中由于钻头泥包所导致的钻井辅助时间增加的难题；三是采用高频冲击，将冲击频率和钻头牙齿切削井底同一点的频率拉开，能配合螺杆钻具一起使用，在复合钻井提速的基础上进一步提高机械钻速和钻探效率；四是消除提速效果对钻头的依赖性，只依靠常规钻头选型，不再使用专用钻头，极大的降低资金投入，有利于推广应用；其结构简单，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成本较低。
附图说明：
图1是本发明的主体结构剖视结构原理示意图。
图2为本发明主体结构的B-B剖面结构原理示意图。
图3为本发明主体结构的C-C剖面结构原理示意图。
图4为本发明主体结构的D-D剖面结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例的主体结构包括上接头1、喷嘴2、套筒3、上冲击块密封圈4、上冲击块5、下冲击块6、下冲击块密封圈7和下接头8；套筒3上端设置具有中空流道的上接头1，上接头1和套筒3之间通过螺纹连接；套筒3内从上到下依次设置有喷嘴2、上冲击块5和下冲击块6，上冲击块5和下冲击块6斜面接触，上冲击块5在套筒3内部沿着轴向移动的距离小于15mm，下冲击块6在套筒3内部沿着轴向移动的距离小于上冲击块5的移动距离，绕轴线转动的角度小于30°；上冲击块5和下冲击块6与套筒3之间分别设置有上冲击块密封圈4和下冲击块密封圈7；下冲击块6的下端穿出套筒3底端，并与设置在套筒3下端的下接头8通过螺纹连接；下冲击块6与套筒3下端的收缩部分为圆柱面配合；套筒3内壁上设置有半圆柱形突起31，套筒3的底端设置有第一花键32，相邻的两个第一花键32之间形成第一键槽(受图形限制，图中未标示)，下接头8的上端设置有分别与套筒3下端第一花键32和第一键槽相配合的第二键槽(受图形限制，图中未标示)和第二花键81；上冲击块5的轴线上设置有第一中空流道53，上冲击块5的外壁上设置有与套筒3内壁半圆柱形突起31相配合的半圆柱形凹槽51，上冲击块5的下端设置有第一梯形齿52，上冲击块5的上端外壁上设置有第一密封圈凹槽(受图形限制，图中未标示)，上冲击块密封圈4安装在第一密封圈凹槽内；下冲击块6轴线上设置有第二中空流道62，下冲击块6的上端设置有与第一梯形齿52形状尺寸相同且相啮合的第二梯形齿61，下冲击块6的外壁上设置有第二密封圈凹槽(受图形限制，图中未标示)，第二密封圈凹槽内安装有下冲击块密封圈7。
本实施例工作时，外接的转盘或顶驱带动上接头1和套筒3绕轴线顺时针(俯视)转动，套筒3通过第一花键32和第二花键81的配合带动下接头8产生与其完全相同的顺时针转动，与此同时，钻井液从上接头1的中空流道流入并进入喷嘴2，进入喷嘴2的钻井液产生压力脉动作用在上冲击块5的上端面，使上冲击块5产生沿其轴线向下的冲击振动，由于上冲击块5和下冲击块6之间为斜面接触，上冲击块5沿其轴线向下的冲击使下冲击块6同时产生沿着其轴线方向向下的位移振动和绕着其轴线的扭转振动，即三维冲击振动；下冲击块6带动下接头8和外部与之相连的钻头产生三维冲击振动，实现多维冲击钻井。
本实施例针对深井硬地层破岩效率低、机械钻速低和资金投入大高的难题，创新性地提出利用斜面啮合结构激发钻头对井底岩石的多维冲击，从而提高破岩效率、消除钻头泥包，从而最终提高机械钻速的思路，具有广泛的应用前景，所采用的装置具有结构简单、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，对于深井、超深井和复杂结构井的安全快速钻进具有重要的实际意义。
Claims (2)
1.一种多维冲击器，其特征在于主体结构包括上接头、喷嘴、套筒、上冲击块密封圈、上冲击块、下冲击块、下冲击块密封圈和下接头；套筒上端设置具有中空流道的上接头，上接头和套筒之间通过螺纹连接；套筒内从上到下依次设置有喷嘴、上冲击块和下冲击块，上冲击块和下冲击块斜面接触，上冲击块在套筒内部沿着轴向移动的距离小于15mm，下冲击块在套筒内部沿着轴向移动的距离小于上冲击块的移动距离，绕轴线转动的角度小于30°；上冲击块和下冲击块与套筒之间分别设置有上冲击块密封圈和下冲击块密封圈；下冲击块的下端穿出套筒底端，并与设置在套筒下端的下接头通过螺纹连接；下冲击块与套筒下端的收缩部分为圆柱面配合；套筒内壁上设置有半圆柱形突起，套筒的底端设置有第一花键，相邻的两个第一花键之间形成第一键槽，下接头的上端设置有分别与套筒下端第一花键和第一键槽相配合的第二键槽和第二花键；上冲击块的轴线上设置有第一中空流道，上冲击块的外壁上设置有与套筒内壁半圆柱形突起相配合的半圆柱形凹槽，上冲击块的下端设置有第一梯形齿，上冲击块的上端外壁上设置有第一密封圈凹槽，上冲击块密封圈安装在第一密封圈凹槽内；下冲击块轴线上设置有第二中空流道，下冲击块的上端设置有与第一梯形齿形状尺寸相同且相啮合的第二梯形齿，下冲击块的外壁上设置有第二密封圈凹槽，第二密封圈凹槽内安装有下冲击块密封圈。
2.根据权利要求1所述多维冲击器，其特征在于工作时，外接的转盘或顶驱带动上接头和套筒绕轴线顺时针转动，套筒通过第一花键和第二花键的配合带动下接头产生与其完全相同的顺时针转动，与此同时，钻井液从上接头的中空流道流入并进入喷嘴，进入喷嘴的钻井液产生压力脉动作用在上冲击块的上端面，使上冲击块产生沿其轴线向下的冲击振动，由于上冲击块和下冲击块之间为斜面接触，上冲击块沿其轴线向下的冲击使下冲击块同时产生沿着其轴线方向向下的位移振动和绕着其轴线的扭转振动，下冲击块带动下接头和外部与之相连的钻头产生冲击振动，实现多维冲击钻井。
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