CN107100541B - 一种通过产生钻压扰动的冲击式钻井工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过产生钻压扰动的冲击式钻井工具，包括上接头、本体和下传动轴，上接头与本体的上端连接，下传动轴安装在本体的中心，本体与下传动轴之间采取滑键配合方式，在本体与下传动轴之间形成有环形空腔，在环形空腔内设置有碟形弹簧，在上接头的内部依次安装有导流体、叶轮座和上振荡体，叶轮座内设置有叶轮，在导流体、叶轮座和上振荡体的中心设置有贯通的液体流道，在下传动轴的上端设置有防滑脱扣，所述上接头的下端、本体的上端、上振荡体以及防滑脱扣之间形成有连通液体流道的增压环形空间。本发明通过叶轮转动或钻柱振动产生扰动钻压，同时与钻头本身的旋转相配合，对地层产生剪切破坏作用，可有效提高钻头的破岩效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过产生钻压扰动的冲击式钻井工具，属于石油钻井工具设计技术领域。
背景技术
传统钻井方式主要是采用单纯的旋转方式破岩，面临油气勘探开发向深部地层发展的趋势，由于钻柱振动剧烈，或深井钻柱弯曲无法通过钻铤施加高的机械钻压，导致钻头破岩效率低，影响了钻进施工进度以及钻井成本。当前钻井冲击钻井提速工具存在以下几个问题：(1)寿命难以与钻头寿命匹配；由于材料本身的性能的限制，现有冲击工具在高冲击力下由于冲锤与砧体间的金属冲击接解，容易疲劳失效；(2)工具结构复杂；为获得高冲击功，钻井提速工具设计复杂，制造成本上升，稳定性下降。(3)工具地层匹配性不高；由于不同类型的岩石，需要在钻头上施加不同特征的载荷，难以满足对多个不同地层的适应性，不利于工具的推广使用。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供通一种通过产生钻压扰动的冲击式钻井工具。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种通过产生钻压扰动的冲击式钻井工具，包括上接头、钻井工具本体和下传动轴，上接头的下端与钻井工具本体的上端螺纹连接，下传动轴安装在钻井工具本体的中心，钻井工具本体与下传动轴之间采取滑键配合方式，在钻井工具本体与下传动轴之间形成有环形空腔，在环形空腔内设置有蓄能复位元件，在上接头的内部依次安装有导流体、叶轮座和上振荡体，叶轮座内设置有叶轮，上振荡体与上接头内部通过螺纹连接，在导流体、叶轮座和上振荡体的中心设置有贯通的液体流道，在下传动轴的上端设置有防滑脱扣，所述防滑脱扣的中心设置有孔道，液体流道通过孔道与下传动轴中心的流体通道连通，所述上接头的下端、钻井工具本体的上端、上振荡体以及防滑脱扣之间形成有与液体流道连通的增压环形空间，在钻井工具本体的底端设置有锁紧螺母，在下传动轴的下端设置有下接头。
优选的，所述防滑脱扣位于液体流道的下方，在防滑脱扣的顶部设置有承压水平面。
优选的，滑键设置在下传动轴上，在钻井工具本体的内侧竖向设置有与滑键相配合的滑键槽，下传动轴可相对于钻井工具本体上下移动、钻井工具本体可带动下传动轴转动。
优选的，所述滑键的上端形成下传动轴上台阶面，下端形成下传动轴下台阶面，所述滑键槽的顶端形成钻井工具本体上台阶面，所述蓄能复位元件连接在下传动轴上台阶面与钻井工具本体上台阶面之间，所述下传动轴下台阶面与锁紧螺母相互配合。
优选的，所述蓄能复位元件为蝶形弹簧。
本发明的有益技术效果是：
本发明钻井工具通过对钻头施加一个适当的周期性变化的冲击力，同时与钻头本身的旋转相配合，对地层产生剪切破坏作用，可有效提高钻头的破岩效率。
本发明通过钻井液流经叶轮产生波动压力，同时钻柱振动压缩碟形弹簧将波动压力传递至钻头，在钻头已有钻压的基础上再增加脉冲扰动钻压，可使钻头在应力扰动作用下破岩。将不利于钻井作业的钻柱振动转化为有利因素，有效提高硬质地层的破岩速率，降低钻井成本，提高钻井的综合经济效益。
与现有技术相比，本发明结构简单，可以在深井中给钻头提供周期性变化的扰动钻压，无冲锤与砧体间的金属面硬冲击，冲击频率和幅度可通过调节叶轮叶片数、叶片与本体间隙及排量大小，形成不同特征的冲击载荷应对不同类型岩石，能够实现以一定频率的周期性冲击力与旋转作用的岩石破碎，进而提高机械钻速，大幅度降低钻井作业成本，提高钻井工程经济效益。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构原理示意图。
图中：1.上接头，2.导流体，3.叶轮座，4.叶轮，5.上振荡体，6.防滑脱扣，7.碟形弹簧，8.下传动轴，9.滑键，10.锁紧螺母，11.钻井工具本体，12.下接头，13.液体流道，14.孔道，15.流体通道。
具体实施方式
结合附图，一种通过产生钻压扰动的井下冲击式钻井工具，包括沿着轴向依次安装的上接头1、钻井工具本体11和下传动轴8，上接头1用以与钻柱连接，上接头1的下端与钻井工具本体11的上端螺纹连接，下传动轴8安装在钻井工具本体11的中心，钻井工具本体11与下传动轴8之间采取滑键配合方式，用以传递扭矩。滑键9设置在下传动轴8上，在钻井工具本体11的内侧竖向设置有与滑键相配合的滑键槽，下传动轴8可相对于钻井工具本体11上下移动、钻井工具本体11可带动下传动轴8转动。在钻井工具本体11与下传动轴8之间形成有环形空腔，在环形空腔内设置有碟形弹簧7，用以缓冲上部钻柱的振动冲击，并将上部钻压通过压缩碟形弹簧传递至钻头。蝶形弹簧7可起到传递上部钻压以及调节钻柱振幅的作用。在上接头1的内部依次安装有导流体2、叶轮座3和上振荡体5，叶轮座3内设置有叶轮4，上振荡体5与上接头1内部通过螺纹连接，导流体2和叶轮座3固定在上接头1和上振荡体5之间。在导流体2、叶轮座3和上振荡体5的中心设置有贯通的液体流道13，在下传动轴8的上端螺纹连接有防滑脱扣6，所述防滑脱扣6的中心设置有孔道14，液体流道13通过孔道14与下传动轴中心的流体通道15连通。所述防滑脱扣6位于液体流道13的下方，在防滑脱扣6的顶部设置有承压水平面。防滑脱扣6还可用以限制钻井工具本体11的轴向位移来保护碟形弹簧7。所述上接头1的下端、钻井工具本体11的上端、上振荡体5以及防滑脱扣6之间形成有与液体流道连通的增压环形空间。在钻井工具本体11的底端设置有锁紧螺母10，在下传动轴8的下端设置有下接头12，下接头12用以与钻头连接。
作为对本发明的进一步设计，所述滑键9的上端形成下传动轴上台阶面，下端形成下传动轴下台阶面，所述滑键槽的顶端形成钻井工具本体上台阶面，所述碟形弹簧7连接在下传动轴上台阶面与钻井工具本体上台阶面之间。所述下传动轴下台阶面与锁紧螺母10相互配合，用以防止下传动轴8掉落。锁紧螺母10还可以限制钻井工具本体11的轴向位移来保护碟形弹簧7。
更进一步的，叶轮4与叶轮座3可拆卸，叶轮4的大小以及叶片数可调换，用以调节产生压力变化的频率。钻井液流经叶轮4时，推动其转动，在叶轮座3内部直径产生周期性变化来改变流道截面积，进而产生周期性的压力变化，并作用于防滑脱扣6上端承压水平面，进而通过下传动轴8传递至钻头。
本发明的工作过程大致如下：
当上接头1随着钻柱往复振动时，上振荡体5压缩由上接头1下端、钻井工具本体11上端、上振荡体5与防滑脱扣6组成的增压环形空间内的钻井液，使之增压，进而通过钻井工具本体11压缩碟形弹簧7将上部钻压经下传动轴8传递至钻头。当钻井液流经上接头1内部叶轮4时，推动叶轮4转动，使叶轮座5内流道截面积产生周期性变化，下传动轴8将产生的波动压力传递至钻头，并且可通过调整叶轮4大小及叶轮叶片数来改变波动压力的频率和振动幅值；通过叶轮4产生的波动压力和钻柱振动由上振荡体5压缩增压环形空间内的钻井液产生的压力同时作用于钻头，对钻头起保护作用，再结合钻头本身的旋转，可提高深井中钻压，进而提高机械钻速，有效提高钻头的破岩效率，大幅度降低钻井作业成本，提高钻井工程经济效益。
总体来说，本发明是流经叶轮4的钻井液推动叶轮转动，改变流道截面积，产生周期性变化的压力波动。通过碟形弹簧7对钻柱振动幅度放大，同时压缩增压环形空间内的钻井液使之增压，使上部周期性变化的液压软作用于钻头，对钻头起保护作用。本发明具有提高深井中钻压进而提高机械钻速，降低钻井成本，提高钻井工程经济效益的特点。
上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所做出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种通过产生钻压扰动的冲击式钻井工具，其特征在于：包括上接头、钻井工具本体和下传动轴，上接头的下端与钻井工具本体的上端螺纹连接，下传动轴安装在钻井工具本体的中心，钻井工具本体与下传动轴之间采取滑键配合方式，在钻井工具本体与下传动轴之间形成有环形空腔，在环形空腔内设置有蓄能复位元件，在上接头的内部依次安装有导流体、叶轮座和上振荡体，叶轮座内设置有叶轮，上振荡体与上接头内部通过螺纹连接，在导流体、叶轮座和上振荡体的中心设置有贯通的液体流道，在下传动轴的上端设置有防滑脱扣，所述防滑脱扣的中心设置有孔道，液体流道通过孔道与下传动轴中心的流体通道连通，所述上接头的下端、钻井工具本体的上端、上振荡体以及防滑脱扣之间形成有与液体流道连通的增压环形空间，在钻井工具本体的底端设置有锁紧螺母，在下传动轴的下端设置有下接头；
所述防滑脱扣位于液体流道的下方，在防滑脱扣的顶部设置有承压水平面；
滑键设置在下传动轴上，在钻井工具本体的内侧竖向设置有与滑键相配合的滑键槽，下传动轴可相对于钻井工具本体上下移动、钻井工具本体可带动下传动轴转动；
所述滑键的上端形成下传动轴上台阶面，下端形成下传动轴下台阶面，所述滑键槽的顶端形成钻井工具本体上台阶面，所述蓄能复位元件连接在下传动轴上台阶面与钻井工具本体上台阶面之间，所述下传动轴下台阶面与锁紧螺母相互配合；
所述蓄能复位元件为蝶形弹簧。
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