CN109555471A - 一种旋冲式扭力冲击发生装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋冲式扭力冲击发生装置及其工作方法，它解决了现有技术中冲击频率较低、冲击力较小、结构复杂、易损件较多的问题，具有能够提高单次冲击力、提升能量利用效率、在提高稳定性的同时大大降低对正常钻井作业的不利影响的效果；其技术方案为：包括用于初步分流除砂的导流除砂组件、为转动轴提供旋转动力的涡轮马达动力组件、提供扭向冲击的冲击组件，所述冲击组件安装于传动轴末端，包括能够随传动轴转动的冲击锤体、与所述冲击锤体相配合的砧座；冲击锤体通过周期性的冲击砧座以产生高频扭向冲击。

Description

一种旋冲式扭力冲击发生装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及石油钻井辅助破岩工具领域，尤其涉及一种旋冲式扭力冲击发生 装置及其工作方法。

背景技术

在高研磨性地层及软硬交错地层的钻进过程中，钻头粘滑振动频繁、机械钻 速低、钻头易损坏、井眼质量差是当前面临的主要技术问题，其根源是切削钻头 的剪切力不足以破碎岩石从而导致扭矩在钻柱集聚，当钻头所传递的扭矩达到岩 石的破碎强度时，钻柱内的能量瞬间释放导致钻头剧烈振动，产生粘滞-滑动问 题。为此相关技术人员开始探索一种在难钻地层中能够抑制粘滑振动、保护钻具 以及提高机械钻速和井眼质量的方法。已有的研究表明，扭力冲击工具的使用可 以大幅减少在粘滑振动、保护钻具的同时提高机械钻速。

目前扭力冲击工具还存在以下问题：

(1)现有工具结构复杂，易损件较多，在恶劣的井下工作环境中有效工作 时间较短；

(2)现有工具的主要运动能量来源于钻井液，而其较低的能量利用效率大 幅提高了钻井液压降，为正常钻井施工带来负面影响；

(3)现有工具冲击频率较低、冲击力较小，难以达到理想的工作效能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种旋冲式扭力冲击发生装置及其 工作方法，其具有能够提高单次冲击力、提升能量利用效率、在提高稳定性的同 时大大降低对正常钻井作业的不利影响的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种旋冲式扭力冲击发生装置，包括：

导流除砂组件，用于初步分流除砂；

涡轮马达动力组件，为转动轴提供旋转动力；

冲击组件，安装于传动轴末端，包括能够随传动轴转动的冲击锤体、与所述 冲击锤体相配合的砧座；冲击锤体通过周期性的冲击砧座以产生高频扭向冲击。

进一步的，所述砧座通过定位套与钻头套筒相连，定位套用于将扭向冲击传 递至钻头套筒以辅助破岩。

进一步的，所述冲击锤体为双锤头锤体，锤体对称分布于传动轴两侧；锤体 外侧安装砧座。

进一步的，所述砧座为环形砧座，环形砧座内侧具有用于承受锤头撞击的凸 起。

进一步的，所述环形砧座通过定位销与定位套相连；

环形砧座外侧两端分别设有定位孔及定位槽，定位套内部两侧设有定位孔， 通过定位销约束环形砧座运动。

进一步的，所述涡轮马达动力组件包括多级涡轮定子和涡轮转子，且涡轮定 子、涡轮转子交替布置，所述涡轮转子安装于传动轴周向外侧。

进一步的，所述传动轴通过定位轴承安装于壳体内部，壳体一端与转换接头 螺纹连接，壳体另一端安装钻头套筒；

所述导流除砂组件设于转换接头内侧且一端与传动轴接触。

进一步的，所述钻头套筒通过花键与壳体相连，所述壳体内侧设有与花键配 合的键槽，所述花键与键槽形成设定角度的间隙。

进一步的，所述导流除砂组件为侧面开设多个方形侧流道的导流滤管。

旋冲式扭力冲击发生装置的工作方法为：

钻井液从转换接头进入导流除砂组件进行初步除砂分流，分流后的钻井液经 第一级涡流定子进入涡流转子中推动涡流转子转动；

涡流转子带动传动轴转动，双锤头锤体随传动轴转动，双锤头锤体与环形砧 座的凸起接触时，对环形砧座产生冲击，即冲击运动阶段；

同时双锤头锤体将环形砧座推向外侧以便继续旋转，当双锤头锤体运动至与 环形砧座再次接触时将环形砧座复位以便再次冲击，即复位运动阶段；

双锤头锤体周期性冲击环形砧座产生的高频扭向冲击经定位套传递至钻头 套筒，钻头套筒将扭向冲击传递至钻头以辅助破岩。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的导流除砂组件能够对钻井液进行初步分流除砂，减少流经涡 轮马达动力组件的钻井液固相颗粒物含量，减少固相颗粒对装置内部零件的冲 蚀，延长使用寿命，同时保证合理分流，提高能量利用效率；

(2)本发明的涡轮马达动力组件包括交替布置的涡轮定子、涡轮转子，能 够保证装置的高效运转；且采用五次多项式方法对涡轮叶片型线进行优化，保障 涡轮马达具有较好的工作性能，进一步提升能量利用效率；

(3)本发明的冲击组件可以为钻井提供较大的瞬时扭向冲击力，提升PDC 钻头破岩能力；冲击组件包括双锤头锤体，提高了装置单次冲击力，提升了工具 的平稳性，减少工作过程中对钻杆产生的不稳定振动，在提高稳定性的同时大大 降低装置对正常钻井作业的不利影响。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请 的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为本发明的外部结构示意图；

图3为本发明图1的A-A视图；

图4为本发明图1的B-B视图；

图5为本发明的转换接头结构示意图；

图6为本发明的导流除砂组件结构示意图；

图7为本发明的涡轮叶栅结构示意图；

图8为本发明的冲击组件结构示意图；

图9-图10为本发明的双锤头锤体结构示意图；

图11-图13为本发明的环形砧座结构示意图；

图14-图15为本发明的定位套结构示意图；

图16为本发明的壳体结构示意图；

图17为本发明的钻头套筒结构示意图；

图18为本发明的冲击组件运动过程示意图；

图19为本发明的涡轮叶片型线优化图；

其中，1-转换接头，2-导流除砂组件，3-壳体，4-涡轮定子，5-涡轮转子， 6-传动轴，7-定位轴承，8-双锤头锤体，9-环形砧座，10-定位套，11-定位销，12- 钻头套筒，13-间隙，14-第一圆柱段，15-第二圆柱段，16-方形侧流道，17-锤头，18-定位孔，19-凸起，20-定位槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普 通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限 制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出， 否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使 用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件 和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在冲击频率较低、冲击力较小、结构 复杂、易损件较多的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种旋冲式 扭力冲击发生装置及其工作方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图19所示，提供了一种旋冲式扭 力冲击发生装置包括壳体3、转换接头1、导流除砂组件2、传动轴6、涡轮马达 动力组件、冲击组件和钻头套筒12。

壳体3一端与转换接头1螺纹连接，壳体3另一端与钻头套筒12通过花键 连接；由于钻头套筒12最主要作用是连接钻头并将冲击组件产生的扭力冲击传 递给钻头，冲击组件产生的扭冲能量十分宝贵，钻头套筒12应将尽量多的能量 传递下去，因此要充分考虑钻头套筒12的结构对能量传递效率的影响，在保证 强度的前提下，减少能量损耗。

本申请钻头套筒12与壳体3之间通过花键形成间隙配合，为钻头套筒12 预留足够的扭力冲击运动空间，从而减少能量损耗。

在一些实施方式中，所述钻头套筒12端部设有四个花键，键槽为52°，壳 体3与之相配合的花键为38°，形成14°的间隙13。

所述传动轴6穿过设于壳体3内部的定位轴承7，传动轴6一端与转换接头 1之间设有导流粗砂组件2。

所述导流粗砂组件2用于初步除砂分流，减少流经涡轮马达动力组件的钻井 液固相颗粒物含量，减少固相颗粒对装置内部零件的冲蚀，延长使用寿命，同时 保证合理分流，提高能量利用效率。

所述导流粗砂组件2为侧面开设多个方形侧流道16的导流滤管，如图6所 示；导流粗砂组件2包括内部连通的第一圆柱段14和第二圆柱段15，其中，第 二圆柱段15套设于第一圆柱段14一端，且第二圆柱段15的外径大于第一圆柱 段14外径。

第一圆柱段14侧面开设多个方形侧流道16，用于钻井液流通；第二圆柱段 14表面开设有贯通的弧形流道。

在一些实施方式中，所述导流粗砂组件2侧面开设八个方形侧流道16。

所述涡轮马达动力组件包括多级涡轮定子4和涡轮转子5，且涡轮定子4、 涡轮转子5交替布置，所述涡轮转子5安装于传动轴6周向外侧，所述涡轮定子 4与壳体3内侧固定。

在一些实施方式中，所述涡轮马达动力组件采用三级涡轮提供动力。

采用五次多项式方法对涡轮叶片型线进行设计优化，如图7和图19所示， 能够保障涡轮马达动力组件具有较好的工作性能，进一步提升能量利用效率。

涡轮叶片型线曲线不同其工作性能会有较大差异，因此合理的涡轮叶栅设计 可以显著提高扭力冲击工具工作性能，从叶片型线与几何关系出发研究叶片型线 的造型，叶片型线的选取原则之一是叶片型线应具有连续曲率。

五次多项式作为叶片压力面和吸力面型线方程式，结合计算机辅助设计可以 很好的完成叶片造型，利用数值模拟可以校核涡轮叶型具体设计情况。

多项式拟合曲线(polynomial fitting curve)，就是根据已有数据点选择合适的函数对其拟合，借助于拟合的曲线方程来表达数据之间的关系。叶片叶型截面构 成主要有两种数据类型：圆弧直线数据和离散点数据，使用离散点来描绘叶型截 面越来越广泛。

本申请借助于形式为的函数多项式对叶型截面曲线 进行拟合和描述，其存在如下优点：

(1)因为高阶多项式形式相对简单，改变高阶多项式中与形状相关的系数 值，可以获得定义形状丰富的不同曲线，具有很好的扩展性和自动生成能力；

(2)因为高阶多项式高次可微，所以其曲线光滑连续，可以改善叶型表面 的流速分布，减小摩擦损失；

(3)高阶多项式各阶导数值意义明确，型线的调整灵活高效且计算简单； 采用n＝5-7的多项式，对于涡轮钻具叶片来说是满足曲率变化规律。

考虑到设计过程中尽可能的计算简化，采用五次多项式进行叶片的型线构 造，在前、后缘处以圆弧连接，连接点处具有二阶连续导数，故所得叶片型线不 存在多余拐点，满足设计要求。

设叶片的压力面y_p和吸力面y_s型线方程分别为：

y_p＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴+a₅x⁵ (1)

y_s＝b₀+b₁x+b₂x²+b₃x³+b₄x⁴+b₅x⁵ (2)

设压力面坐标：第一点(x_p1，y_p1)，最后一点(x_pn，y_pn)；

吸力面坐标：第一点(x_s1，y_s1)，最后一点(x_sn，y_sn)；

求坐标的一阶导数y′_p1、y′_pn、y′_s1、y′_sn和二阶导数y″_p1、y″_pn、y″_s1、y″_sn

将以上参数代入式(1)和式(2)，通过MATLAB软件来求解，确定叶片 压力面和吸力面型线方程。

然后根据型线方程生成得到的叶型，拉伸构造出叶片。

最终得到的叶栅参数为：

然后通过ANSYS软件对内部主要流场进行分析，通过涡轮叶片的速度场和 压力云图来分析，证明了涡轮叶片的设计合理，最后排列的涡轮叶栅可以充分利 用钻井液能量，满足设计要求。

所述冲击组件安装于传动轴6周向外侧，且靠近钻头套筒12一端安装，包 括冲击锤体、砧座、定位销11和定位套10，所述冲击锤体安装于传动轴6一侧， 冲击锤体的周向外侧设有砧座，砧座通过定位销11与定位套10相连。

所述冲击锤体为双锤头锤体8，双锤头锤体8结构如图9-图10所示，包括 锤体和两个锤头17，两个锤头17分布于锤体两侧，且两个锤头17沿锤体的轴 向间隔一定距离设置。

双锤头锤体8的设计提高了单次冲击力，提升了工具的平稳性，减少工作过 程中对钻杆产生的不稳定振动，在提高稳定性的同时大大降低对正常钻井作业的 不利影响。

所述砧座为环形砧座9，环形砧座9内侧具有用于承受锤头撞击的凸起19。

环形砧座9外侧两端分别设有定位孔18及定位槽20，定位套10内部两侧 设有定位孔，环形砧座9一侧的定位孔18与定位套对应位置的定位孔中设置定 位销11，环形砧座9另一侧的定位槽20与定位套对应位置的定位孔中同样设置 定位销11，通过定位销11约束环形砧座9运动。

本申请扭力冲击发生装置的工作过程如下：

工作时，钻井液流经转换接头1进入导流除砂组件2，导流除砂组件2对钻 井液进行初步除砂分流。

分流除砂后的钻井液进入第一级涡轮定子4之后进入涡轮转子5中，钻井液 推动涡轮转子5转动，涡轮转子5带动传动轴6转动，转动轴6将能量传递至双 锤头锤体8，双锤头锤体8随传动轴6快速转动，当双锤头锤体8与上下两个环 形砧座9的凸起接触时，对环形砧座9产生冲击，即冲击运动阶段。

同时双锤头锤体8将环形砧座9推向外侧以便继续旋转，当双锤头锤体8 运动到另一侧与环形砧座9再次接触时会将环形砧座9复位以便再次冲击，即复 位运动阶段。

双锤头锤体8周期性的冲击环形砧座9以产生高频扭向冲击，环形砧座9 通过定位销11约束在定位套10内侧，定位销11将双锤头锤体8冲击环形砧座 9产生的扭向冲击传递至定位套10，而定位套10与钻头套筒12相连，定位套 10将扭向冲击继续传递至钻头套筒12，钻头套筒12将该扭向冲击传递给钻头以 辅助破岩。

本申请工作效能好、能力利用效率高、使用寿命长，为PDC高效破岩提供 了有力支撑，该技术的使用可以显著降低钻井成本。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域 的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋冲式扭力冲击发生装置，其特征在于，包括：

导流除砂组件，用于初步分流除砂；

涡轮马达动力组件，为转动轴提供旋转动力；

冲击组件，安装于传动轴末端，包括能够随传动轴转动的冲击锤体、与所述冲击锤体相配合的砧座；冲击锤体通过周期性的冲击砧座以产生高频扭向冲击。

2.根据权利要求1所述的一种旋冲式扭力冲击发生装置，其特征在于，所述砧座通过定位套与钻头套筒相连，定位套用于将扭向冲击传递至钻头套筒以辅助破岩。

3.根据权利要求1所述的一种旋冲式扭力冲击发生装置，其特征在于，所述冲击锤体为双锤头锤体，锤体对称分布于传动轴两侧；锤体外侧安装砧座。

4.根据权利要求3所述的一种旋冲式扭力冲击发生装置，其特征在于，所述砧座为环形砧座，环形砧座内侧具有用于承受锤头撞击的凸起。

5.根据权利要求4所述的一种旋冲式扭力冲击发生装置，其特征在于，所述环形砧座通过定位销与定位套相连；

环形砧座外侧两端分别设有定位孔及定位槽，定位套内部两侧设有定位孔，通过定位销约束环形砧座运动。

6.根据权利要求1所述的一种旋冲式扭力冲击发生装置，其特征在于，所述涡轮马达动力组件包括多级涡轮定子和涡轮转子，且涡轮定子、涡轮转子交替布置，所述涡轮转子安装于传动轴周向外侧。

7.根据权利要求1所述的一种旋冲式扭力冲击发生装置，其特征在于，所述传动轴通过定位轴承安装于壳体内部，壳体一端与转换接头螺纹连接，壳体另一端安装钻头套筒；

所述导流除砂组件设于转换接头内侧且一端与传动轴接触。

8.根据权利要求7所述的一种旋冲式扭力冲击发生装置，其特征在于，所述钻头套筒通过花键与壳体相连，所述壳体内侧设有与花键配合的键槽，所述花键与键槽形成设定角度的间隙。

9.根据权利要求1所述的一种旋冲式扭力冲击发生装置，其特征在于，所述导流除砂组件为侧面开设多个方形侧流道的导流滤管。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种旋冲式扭力冲击发生装置的工作方法，其特征在于，钻井液从转换接头进入导流除砂组件进行初步除砂分流，分流后的钻井液经第一级涡流定子进入涡流转子中推动涡流转子转动；

涡流转子带动传动轴转动，双锤头锤体随传动轴转动，双锤头锤体与环形砧座的凸起接触时，对环形砧座产生冲击，即冲击运动阶段；

同时双锤头锤体将环形砧座推向外侧以便继续旋转，当双锤头锤体运动至与环形砧座再次接触时将环形砧座复位以便再次冲击，即复位运动阶段；

双锤头锤体周期性冲击环形砧座产生的高频扭向冲击经定位套传递至钻头套筒，钻头套筒将扭向冲击传递至钻头以辅助破岩。