CN109750977A - 一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，主要由上接头、太阳轮，行星齿轮、行星齿轮轴、行星架，齿轮圈，复位弹簧，液气减震器，下接头等组成。上接头上部连接钻铤，接受动力输入扭矩，通过太阳轮将扭矩传递给行星齿轮及行星架，在齿轮圈的约束下，行星齿轮自转，驱动并与行星架围绕太阳轮公转，将增大的扭矩传递给下接头，再由下接头输出到钻头。本发明的液气减震器是重新设计，将液压油与惰性气体组合应用，根据受压力的范围，计算、测量出加注液压油的容积，活塞上下浮动，承受纵向、横向和扭矩方向的震动，以及这几种振动的组合，达到保护和延长钻头的寿命。本发明操作简单，钻井作业效率高，也保证钻井作业人员的安全。

Description

一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具

技术领域

本发明涉及油井、天然气井、地热井、页岩气井等油气田、矿井中钻井工程技术领域，尤其是涉及一种钻井提速技术。

背景技术

钻井提速技术是提高钻井效率、降低钻井成本，获得更大的经济利益，实现效益最大化的重要手段之一。在油气田开发的过程中，钻井工程是一个投入高、风险大、技术密集的环节，投资占勘探开发的50％以上，实践表明：钻井速度提高一倍，总的钻井费用可以降低约25％。

钻井提速技术可以较好地实现更经济环保、更清洁高效地开采地下油气。近几年来经济与时代的进步，环境保护意识增强，要求更经济环保、更清洁高效地开采地下油气已经成为亟待解决的难题，钻井提速技术不仅是目前主要新钻井技术发展方向，而且还是目前钻井科研的主要目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新钻井提速技术，以解决现有技术中存在的钻井作业过程中的机械钻速效率低，无法大幅提高钻井速度的困境，在钻井过程中可重复、多次下井使用。

本发明提供的钻井增扭矩消颤除振动工具，包括：

上接头：所述结构，包括与钻铤或钻杆连接的母扣；中间部分是太阳轮，底部连接锁紧圈的丝扣；太阳轮向行星齿轮传递扭矩，行星齿轮及行星架将增大的扭矩传递到下接头，再输出到钻头。

下接头：所述结构，包括与钻头连接的母扣；上部是密封圈，中间部分是行星齿轮、行星架、行星齿轮轴，下部是内密封圈、外密封圈以及连接钻头的母扣；行星齿轮、行星架将太阳轮传递的扭矩增大后传递到下接头，再输出到钻头。

齿轮圈：所述结构，上部由密封圈与上接头密封，上部有注油孔，靠注油孔镙栓拧紧封闭；齿轮圈被复位弹簧约束牵连，与太阳轮、行星齿轮、行星架配合增大扭矩后，扭矩增大后传递到下接头，再输出到钻头。

滚柱轴承：所述结构，安装在行星架与液气减震器之间，起到旋转运动过程中承受轴向负荷，同时减少旋转滚动摩擦阻力的作用；将地面钻压的变化传递输出到钻头切削岩石，同时，钻头切削岩石产生的纵向、横向和扭矩方向的振动，由行星架通过滚柱轴承传递给液气减震器。

液气减震器：所述结构，液气减震器是由液压油与惰性气体组合构成的减震器，根据受压力的范围，计算、测量出加注液压油的容积，加注惰性气体，液压油和惰性气体在浮动活塞中运动，在钻头旋转切削岩石时，承受钻头切削岩石产生的消减纵向、横向和扭矩方向的振动，以及这几种振动的组合，达到消颤，除震动保护和延长钻头的使用寿命。

锁紧圈：所述结构，利用丝扣连接在上接头的底部，圈定下接头，使得上接头与下接头能够互相上下浮动，确保下接头围绕太阳轮公转并输出扭矩。

太阳轮、行星齿轮、行星架、行星齿轮轴、齿轮圈、复位弹簧：所述结构，是一组齿轮旋转运动的主要元件。

相较于现有技术，本发明提供的钻井增扭矩消颤除振动工具，具有如下优点：

1、钻井增扭矩消颤除振动工具的上部母扣连接钻铤或钻杆的公扣，现场安装、操作简单的优点；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用。

2、钻井增扭矩消颤除振动工具的下部母扣连接钻头的公扣，现场安装、操作简单的优点；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用。

3、本发明的太阳轮、行星齿轮、行星架、行星齿轮轴、齿轮圈、复位弹簧，在旋转过程中，上接头与太阳轮是一个运动的整体，太阳轮驱动行星齿轮自转，行星齿轮自转的同时驱动并与行星架共同围绕太阳轮公转；上接头与齿轮圈靠密封圈密封；齿轮圈下部的锯齿结构与下接头的锯齿结构之间放置的复位弹簧，在复位弹簧被压缩后弹簧力重新将下接头与齿轮圈分离复位。

4、本发明的液气减震器，由液压油与惰性气体组合构成的减震器，根据受压力的范围，计算、测量出加注液压油的容积，加注惰性气体，液压油和惰性气体在浮动活塞中运动，在钻头旋转切削岩石时，承受钻头切削岩石产生的消减纵向、横向和扭矩方向的振动，以及这几种振动的组合，达到消颤，除震动保护和延长钻头的使用寿命。

5、本发明的复位弹簧，在齿轮圈则开始反转后，复位弹簧的弹簧受到压缩后反作用力不断加大，行星齿轮、行星架就开始增大输出扭矩，在一定的角度或距离内旋转，增大扭矩输出，扭矩一直上升达到按齿数比的函数关系的最大输出扭矩值，完成一次切削岩石。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明上接头及太阳轮的结构剖视图；

图3为本发明下接头、行星齿轮、行星齿轮轴及行星架的结构剖视图；

图4为本发明的齿轮圈的结构剖视图；

图5为本发明的液气减震器结构剖视图；

图6为本发明的下接头的锯齿结构与齿轮圈下部的锯齿结构及复位弹簧的部分结构剖视图；

附图标记：

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是2个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供的一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，包括：

1、上接头1，上部母扣3连接钻铤或钻杆的公扣，现场安装、操作简单；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用，上扣扭矩上到行业标准的最优扭矩值。

所述上接头1的上部外圆设置有密封圈4与齿轮圈13的上部内圆密封；上接头1的下部设有丝扣与锁紧圈17连接；中间部分是太阳轮13的齿轮部分，工具的内径与通用的钻杆或钻铤的内径一致。

2、下接头2，下部母扣3连接钻头的公扣，现场安装、操作简单的优点；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用，上扣扭矩上到行业标准的最优扭矩值。

3、本发明的上接头1中间部分是太阳轮12的齿轮部分；将上接头1 输入的扭矩传递给行星齿轮9，行星齿轮9开始自转的同时，驱动并与行星架10共同围绕太阳轮公转；在行星齿轮轴11与齿轮圈13、复位弹簧 16的共同约束下，行星齿轮9、行星齿轮轴11、行星架10，按齿数比的函数关系增大扭矩，一直上升达到最大输出扭矩值，扭矩通过行星架10 传递到达下接头2，再输出给钻头。

4、本发明的齿轮圈13与上接头1通过密封圈4密封，齿轮圈13与下接头2通过外密封圈15密封，齿轮圈13下部的锯齿结构与下接头2的锯齿结构之间放置复位弹簧16；齿轮圈13提供反向扭矩给行星齿轮9，使得行星齿轮9、行星架10、行星齿轮轴11按齿数比的函数关系增大扭矩，一直上升达到输出最大扭矩值，输出到钻头完成一次切削岩石；钻头完成切削岩石后所受的岩石阻力突然释放后，复位弹簧16被压缩后在弹簧力反作用下使齿轮圈13与下接头2迅速分离并复位。

6、本发明的液气减震器5，由液压油与惰性气体组合构成的减震器，根据受压力的范围，计算、测量出加注液压油的容积，加注惰性气体，液压油和惰性气体在浮动活塞中运动，在钻头旋转切削岩石时，承受消减纵向、横向和扭矩方向的振动，以及这几种振动的组合，达到消颤，除震动保护和延长钻头的使用寿命。

7、本发明的滚柱轴承7，安装在行星架10与液气减震器5之间，旋转运动过程中承受轴向负荷，同时减少旋转滚动摩擦阻力的作用，将地面钻压的变化传递到行星架10、下接头2，再输出到钻头切削岩石，同时，钻头切削岩石产生的纵向、横向和扭矩方向的振动，由行星架10通过滚柱轴承7传递给液气减震器5。

8、本发明的内密封圈14与外密封圈15，安装在下接头2的底部的内圆面与外圆面，起到密封机油空腔8内机油的作用。从注油孔中注入的机油，圈闭在机油空腔8中，润滑滚柱轴承7的旋转滚动摩擦，以及冷却太阳轮与行星齿轮，行星齿轮与行星齿轮轴间的摩擦生热，在注油孔镙栓 6上紧后，密闭整个机油空腔8。

9、本发明的锁紧圈17，连接在上接头1的底部，限制下接头2的上下运动位置与活动距离，使得下接头2、行星齿轮9、行星架10、行星齿轮轴11与下接头2一起上下浮动，同时围绕着太阳轮12公转，平稳输出钻压及传递增大后的扭矩输出到钻头，平稳高效切削岩石，保护和延长钻头的寿命。

10、本发明的一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，连接在钻杆、钻铤与钻头中间位置，下入井中。

本发明中的一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，将船舶行业，汽车行业的变速箱原理，升级、改造，除去了太阳轮12、行星齿轮9、齿轮圈 13这叁者中必须的一个固定不能同时旋转运动的元件，创新改造发明后应用到石油钻井行业，将太阳轮12、行星齿轮9、齿轮圈13这叁者创新发明为一体化，互动互锁的结构；起到钻井增扭矩消颤除振动钻井提速的效果，从而降低钻井劳动的强度，提高钻井效率，降低作业成本的目的。

相较于现有技术，本发明提供的一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，具有如下优点：

1、一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，利用了行星齿轮机构传递并增大扭矩的特点。

2、一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，利用了齿轮圈、复位弹簧只能在一定的旋转角度范围内反复周期性旋转、复位的特点。

3、一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，如果复位弹簧失效，工具也只是相当于一个钻杆短节，不影响继续钻井。

4、一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，利用了行星齿轮机构中任意 2个元件互相被锁定后，所有元件象一个元件一样整体以相同的角速度、相同的转速一起与钻杆、钻铤同速旋转的特点。

5、一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，利用了行星齿轮、行星架、行星齿轮轴、下接头只能在一定的旋转角度范围内反复周期性旋转、复位，按齿数比的函数关系增大扭矩输出，但是，受到齿轮圈下部的锯齿结构与下接头锯齿结构及复位弹簧的约束，不能连续旋转，最后没有按齿数比的函数关系连续减少旋转圈数，即没有减速。

本发明的工作原理如下：

每当行星架作为行星齿轮机构的输出元件时，行星齿轮机构就会起降速增扭矩的作用。本发明的一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具与钻杆、钻铤一起下入井中，地面钻机输入的扭矩通过钻杆、钻铤，上接头1、太阳轮12输入扭矩，扭矩再传递到行星齿轮9、行星齿轮轴11、行星架 10，按齿数比的函数关系增大扭矩；齿轮圈13被复位弹簧16与锯齿结构共同约束下在一定的角度范围内旋转，实现降速传动；这时行星齿轮9开始自转，并与行星架10共同围绕太阳轮12开始公转，行星架10的转速降低，这导致行星架10的扭矩增大，增大后的扭矩传递到下接头2，再输出到钻头。

由于存在复位弹簧16、锯齿结构的约束，齿轮圈13只能在一定的旋转角度范围内反复周期性旋转、复位；在这个范围内，输出的扭矩是按齿数比的函数关系增大扭矩输出；但是，由于受到复位弹簧16、锯齿结构的约束，齿轮圈13不能连续减速旋转：即只能在一定的角度内减速旋转。

钻头完成一次切削岩石的过程，也是一次开始增大扭矩，输出最大扭矩值，钻头完成切削岩石，所受的岩石阻力突然释放后，输出扭矩又归零的过程。

在输出最大扭矩值后，如果钻头还未能完成第一次切削岩石：钻杆、钻铤的旋转惯性动能，将继续输出到上接头1，太阳轮12继续驱动行星齿轮9、行星架10、行星齿轮轴11旋转，促使在下接头2的锯齿结构与齿轮圈13下部的锯齿结构之间放置的复位弹簧16被继续压缩，直到下接头2的锯齿端面与齿轮圈13的锯齿端面相互撞击重合，撞击力加上最大扭矩，合力传递到下接头2，再输出给钻头第二次切削岩石。

如果钻头还未能完成第二次切削岩石：在下接头2的锯齿端面与齿轮圈13的锯齿端面相互撞击重合后，这两件元件被锁定，结果：上接头1，太阳轮12、行星齿轮9、行星架10、行星齿轮轴11、齿轮圈13、复位弹簧16、下接头2全体元件被互相锁定后，行星齿轮机构中所有元件象一个元件一样整体与钻杆、钻铤全部以相同的角速度、相同的转速一起同速旋转，最后，钻杆、钻铤与钻井增扭矩消颤除振动工具构成一件整体，全体的旋转惯性动能转换为势能，再输出给钻头完成第三次切削岩石。。

本发明中的一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，大大地提高了钻井速度，节省了钻井作业费用，保证对石油，天然气、煤层气或页岩气岩石的钻井提速起到关键的作用，极大地丰富、实现多次、几十次、几百次重复入井钻井提速作业的可能性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (19)

1.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，包括：它的外径与现有标准的同尺寸的类似工具的外径一致或相当；它的上部和下部有丝扣，分别与现有标准的同尺寸的钻杆或钻铤丝扣一致。

2.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，包括：它的内径与现有标准的同尺寸的类似工具，及与钻柱的钻杆、钻铤内径一致或相当；无节流位置，不产生节流，不产生流体压降，不加大流体的流动摩阻，也不产生紊流，提高了井底净化能力，提高水力破岩效率，达到稳定流体流速的目的。

3.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，包括：行星架被作为行星齿轮机构的增大扭矩、输出扭矩的元件，行星齿轮机构起到降速增扭矩的作用。

4.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，包括：它的上接头与太阳轮是一整体；上接头与齿轮圈靠密封圈密封；太阳轮驱动行星齿轮自转，行星齿轮自转的同时驱动并与行星架共同围绕太阳轮公转。

5.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，包括：它的行星齿轮、行星架只能在一定的旋转角度范围内反复周期性旋转、复位；在这个范围内，输出的扭矩是按齿数比的函数关系增大扭矩输出，但是，受到复位弹簧、锯齿结构的约束，不能连续旋转减少转速，即不能连续减速：只能在一定的角度内减速旋转；太阳轮驱动行星齿轮、行星架公转，接着行星齿轮驱动齿轮圈开始反向旋转，并增大扭矩输出，但随后齿轮圈被复位弹簧约束牵连，扭矩输出达到一定值时，与复位弹簧的反向弹簧力达到平衡值，行星齿轮首先被太阳轮、齿轮圈锁定，结果：行星齿轮、行星齿轮轴、行星架、齿轮圈与太阳轮全部元件被锁定，一起以相同的转速共同旋转。

6.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，包括：3个一组行星齿轮或4个一组行星齿轮，行星齿轮轴放置在行星架中，受力被均匀分散了，扭矩分散到多个行星齿轮及行星架上。

7.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：行星齿轮自转同时在行星齿轮轴与齿轮圈、复位弹簧的共同约束下，行星齿轮自转的同时，驱动并与行星架共同围绕太阳轮公转，并将增大的扭矩通过下接头，最后输出到钻头。

8.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：行星架与下接头是一整体，行星架顺时针围绕太阳轮公转时，将增大的扭矩通过下接头，最后输出到钻头。

9.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：施力方：上接头、太阳轮；受力方：行星齿轮、行星齿轮轴、行星架、下接头；支点：齿轮圈、复位弹簧；三方连续相对旋转运动，行星齿轮机构的齿轮传动实际上是一种杠杆原理的连续作用。

10.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：钻头在下井过程中中没有遇阻前：上接头、太阳轮顺时针旋转，太阳轮传递扭矩并驱动行星齿轮自转，行星齿轮自转的同时，驱动并与行星架共同围绕太阳轮公转，下接头同时围绕太阳轮公转，扭矩不断增大，齿轮圈反转随后被复位弹簧约束，扭矩输出达到一定扭矩值时，与复位弹簧的反向弹簧力达到平衡扭矩值，行星齿轮首先被太阳轮、齿轮圈两元件锁定，结果：行星齿轮、行星齿轮轴、行星架、齿轮圈与太阳轮全部元件被锁定，一起以相同的转速共同旋转。

11.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：钻头开始遇阻后：钻头受到岩石阻力，太阳轮开始继续旋转增大输出扭矩，驱动行星齿轮继续自转并与行星架继续共同公转并逐步增大输出扭矩，继续旋转一角度后，齿轮圈受到复位弹簧的进一步压缩约束，扭矩值又从与复位弹簧的平衡扭矩值开始继续增大，扭矩按齿数比的函数关系继续增大到最大输出扭矩；下接头同时获得最大输出扭矩并输出到钻头，钻头获得最大扭矩后剪切遇阻点岩石。

12.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：齿轮和齿轮之间的持续啮合设计，可实现较大冲击负载能力以及较小齿隙，力被均匀分散到了整个齿轮组，可提供更大扭矩，具有更强的耐冲击能力。

13.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：滚柱轴承，旋转运动过程中承受轴向负荷，同时减少旋转滚动摩擦阻力的作用；将地面钻压的变化传递输出到钻头切削岩石，同时，钻头切削岩石产生的纵向、横向和扭矩方向的振动，由行星架通过滚柱轴承传递给液气减震器。

14.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：液气减震器是由液压油与惰性气体组合构成的减震器，根据受压力的范围，计算、测量出加注液压油的容积，加注惰性气体，液压油和惰性气体在浮动活塞中运动，在钻头旋转切削岩石时，承受钻头切削岩石产生的消减纵向、横向和扭矩方向的振动，以及这几种振动的组合，达到消颤，除震动保护和延长钻头的使用寿命。

15.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：液气减震器，将地面钻压有效地传递给钻头，使钻头始终保持平稳恒定的钻压，保持钻头均衡吃入岩石的深度，自适应不同岩层，连续旋转切削岩石，提高破岩效率。

16.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：上接头、太阳轮、齿轮圈、密封件、下接头、内密封件、外密封件组成了一个机油空腔；注满机油后，润滑滚柱轴承的旋转滚动摩擦，以及冷却太阳轮与行星齿轮，行星齿轮与行星齿轮轴间，行星齿轮与齿轮圈之间的摩擦生热，保证使用。

17.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：行星齿轮、行星架只能在一定的旋转角度范围内反复周期性旋转、复位；在这个范围内，输出的扭矩是按齿数比的函数关系增大扭矩输出，但是，受到复位弹簧、锯齿结构的约束，不能连续旋转减少转速，即不能连续减速：只能在一定的角度内减速旋转。

18.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：行星齿轮、行星架、行星齿轮轴、下接头，从切削岩石遇阻开始到完成切削，反复在一定的旋转角度范围内旋转复位；从输入扭矩，逐步增大扭矩到达最大扭矩值，完成切削岩石后又释放扭矩归零，不断重复这一过程，完成一次又一次切削岩石的过程。

19.一种新型钻井增扭矩消颤除振动工具，其特征在于，所述的：如果复位弹簧失效，由于设计了齿轮圈下部的锯齿结构与下接头的锯齿结构的特征，两部分的锯齿结构重合，那么，工具也就转换为相当于一个钻杆短节，不影响继续钻井。