CN109930987A - 一种多载荷耦合的机液式破岩工具、钻柱 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多载荷耦合的机液式破岩工具、钻柱，该机液式破岩工具包括上传动轴(5)、下传动轴(11)、钻头接头(21)，以及与上传动轴(5)可转动连接的壳体，上传动轴(5)与壳体之间设有轴向止推结构；上传动轴(5)设有第一液流通道，下传动轴(11)设有自激振荡腔，钻头接头(21)设有第二液流通道；下传动轴(11)的上端套接在上传动轴(5)的第一传动面(22)上，且上端的外表面具有用于连接下滚轮座(9)的第二传动面(23)；壳体的内部安装有与下滚轮座(9)相对应的上滚轮座(7)，上滚轮座(7)位于下滚轮座(9)的上方。本发明提供的机液式破岩工具能够实现多载荷耦合，有利于钻具获得较高的破岩能量。

Description

一种多载荷耦合的机液式破岩工具、钻柱

技术领域

本发明涉及钻井作业技术领域，特别是涉及一种多载荷耦合的机液式破岩工具、钻柱。

背景技术

随着油气勘探开发进程的逐渐加快，勘探区域不断扩大，钻井深度不断增加，岩石在深部地层围压作用下硬度和强度均会明显增大，造成钻头破岩效率随着深度增加而降低，钻井时效不断下降，钻头寿命不断缩短。

单一的旋转钻井由于普遍存在钻头破岩能量不足、破岩阻力大等问题，已不能满足深部硬地层及软硬交错地层钻井时效要求，而旋冲钻井技术利用了硬地层岩石脆性大、抗剪抗拉强度低、不耐冲击等弱点，在钻头上端加接一个轴向冲击工具，在钻头旋转破岩的同时对岩石施加一定频率的往复冲击力，从而起到提高破岩能量、加速岩石损伤破碎的目的。

目前，旋冲钻井技术中应用的冲击工具类型很多，但是一般都只能提供单一的破岩冲击载荷，通常为机械冲击载荷、水力冲击载荷或者水力脉冲射流，单一的破岩冲击载荷所能提供的破岩能量较为有限，因此，如何提供一种能够实现多载荷耦合的冲击工具，从而提高破岩能量，以使深井、超深井的钻井施工提速提效、缩短钻井周期，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多载荷耦合的机液式破岩工具、钻柱，所述钻柱包括所述机液式破岩工具，该机液式破岩工具能够实现多载荷耦合钻进，有利于钻具获得较高的破岩能量和钻井时效。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多载荷耦合的机液式破岩工具，包括：

其内部设有第一液流通道的上传动轴，所述上传动轴的外表面的下端部分具有第一传动面；

其内部设置有自激振荡腔的下传动轴，所述下传动轴的上端套接在所述第一传动面上，所述自激振荡腔与所述第一液流通道连通，所述下传动轴的外表面的上端具有第二传动面；

套接在所述第二传动面上的下滚轮座，所述下滚轮座上的下滚轮高出所述下滚轮座的上表面；

套在所述上传动轴的外部、与所述上传动轴可转动连接的壳体，所述壳体的内部安装有与所述下滚轮座相对应的上滚轮座，所述上滚轮座位于所述下滚轮座的上方，所述上滚轮座上的上滚轮低于所述上滚轮座的下表面，所述上传动轴与所述壳体之间设置有轴向止推结构；

与所述下传动轴的下端固定连接的钻头接头，所述钻头接头的内部开设有与所述自激振荡腔连通的第二液流通道。

优选地，在上述机液式破岩工具中，所述壳体包括上壳体、中接头、下壳体，所述中接头的两端设置有外螺纹，所述上壳体和所述下壳体与所述中接头螺纹连接，所述上传动轴上设置有与所述上传动轴螺纹连接的锁母，所述中接头的上表面与所述锁母的下表面配合形成所述轴向止推结构。

优选地，在上述机液式破岩工具中，所述中接头的下端部分具有用于连接所述上滚轮座的内螺纹。

优选地，在上述机液式破岩工具中，所述上壳体内安装有径向滑动轴承和球轴承串，所述球轴承串位于所述径向滑动轴承与所述锁母之间，所述上传动轴的上端部分具有用于连接所述径向滑动轴承的内圈的外螺纹。

优选地，在上述机液式破岩工具中，所述径向滑动轴承的材质为硬质合金。

优选地，在上述机液式破岩工具中，所述自激振荡腔包括一级振荡腔和二级振荡腔，所述一级振荡腔的上方安装有上喷嘴，所述一级振荡腔的的底部具有中喷嘴，所述二级振荡腔的底部具有下喷嘴。

优选地，在上述机液式破岩工具中，所述钻头接头的外表面的上端部分具有第三传动面，所述第三传动面上套接有与所述下传动轴螺纹连接的传动接头，所述钻头接头的上端安装有用于止挡所述钻头接头掉落的防掉螺母。

优选地，在上述机液式破岩工具中，所述下传动轴与所述传动接头连接的部分为锥形。

优选地，在上述机液式破岩工具中，所述第一传动面为正六边形传动面，所述第二传动面为花键传动面。

一种钻柱，所述钻柱包括如上述任意一项所公开的机液式破岩工具。

根据上述技术方案可知，本发明提供的机液式破岩工具中，下传动轴的上端与上传动轴通过第一传动面连接，下端固定连接有钻头接头，而且，上传动轴内部的第一液流通道、下传动轴内部的自激振荡腔以及钻头接头内部的第二液流通道是相连通的，因此通过自激振荡腔选频、放大等一系列调制作用可以使钻井液形成高频脉冲射流，还可以使钻井液形成周期性变化的低压涡环和高压聚能区，迫使原本在低压环境下溶于钻井液的气体逸出形成气泡，利用气泡在高压环境下收缩、破裂的瞬间产生的冲击波形成液力冲击。

同时，本发明提供的机液式破岩工具中，下传动轴通过第二传动面连接下滚轮座，壳体的内部安装有与下滚轮座相对应的上滚轮座，由于下滚轮座上的下滚轮高出下滚轮座的上表面，上滚轮座上的上滚轮低于上滚轮座的下表面，所以在上传动轴带动下传送轴及下滚轮座一起转动时，下滚轮与上滚轮周期性地接触和分离，并周期性地提升壳体，而上传动轴与壳体之间设置有轴向止推结构，因此钻压通过壳体传递给上传动轴形成机械冲击。

综上所述，本发明提供的机液式破岩工具能够产生液力冲击、机械冲击及脉冲射流三种载荷，从而具有多载荷耦合功能，有利于钻具获得较高的破岩能量，因此应用本发明提供的机液式破岩工具可以使深井、超深井的钻井施工提速提效、缩短钻井周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种多载荷耦合的机液式破岩工具的示意图；

图2是图1中的A-A截面示意图；

图3是图1中的B-B截面示意图；

图4是图1中件8和件9的示意图；

图5是使用本发明提供的破岩工具进行破岩作业的机理示意图。

图中标记为：

1、上壳体；2、径向滑动轴承；3、球轴承串；4、锁母；5、上传动轴；6、中接头；7、上滚轮座；8、上滚轮；9、下滚轮座；10、下滚轮；11、下传动轴；12、下壳体；13、下接头；14、上喷嘴；15、一级振荡腔；16、中喷嘴；17、二级振荡腔；18、下喷嘴；19、防掉螺母；20、传动接头；21、钻头接头；22、第一传动面；23、第二传动面；24、第三传动面；I、第一液流通道；II、第二液流通道；H、提升高度。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例一

参见图1～图4，图1是本发明实施例一提供的一种多载荷耦合的机液式破岩工具的示意图；图2是图1中的A-A截面示意图；图3是图1中的B-B截面示意图；图4是图1中件8和件9的示意图。

实施例一提供的一种多载荷耦合的机液式破岩工具包括上传动轴5、下传动轴11、钻头接头21和套在上传动轴5的外部、与上传动轴5可转动连接的壳体。

其中，上传动轴5的内部设有第一液流通道I，上传动轴5的外表面的下端部分具有第一传动面22；

下传动轴11的上端套接在第一传动面22上，下传动轴11的内部设置有自激振荡腔，自激振荡腔与第一液流通道I连通，下传动轴11的外表面的上端具有第二传动面23，第二传动面23上套接有下滚轮座9，下滚轮座9上的下滚轮10高出下滚轮座9的上表面；

壳体的内部安装有与下滚轮座9相对应的上滚轮座7，上滚轮座7位于下滚轮座9的上方，上滚轮座7上的上滚轮8低于上滚轮座7的下表面，上传动轴5与壳体之间设置有轴向止推结构；

钻头接头21与下传动轴11的下端固定连接，钻头接头21的内部开设有与自激振荡腔连通的第二液流通道II。

本发明提供的机液式破岩工具能产生以下三种载荷：液力冲击、机械冲击和脉冲射流，下面对其工作原理进行介绍：

(一)液力冲击工作原理

钻井液经过上传动轴5内部的第一液流通道I形成连续射流，进入下传动轴11内部的自激振荡腔后经过选频和放大等一系列过程，形成周期性变化的低压涡环和高压聚能区，迫使原本在低压环境下溶于钻井液的气体逸出形成气泡，气泡在高压环境下收缩、破裂，破裂瞬间产生的冲击波经过钻头接头21向下传递至钻头。

(二)机械冲击工作原理

壳体本身不转动，安装在壳体内部的上滚轮座7也不转动，而上传动轴5旋转，并通过第一传动面22带动下传动轴11一起旋转，下传动轴11通过第二传动面23带动下滚轮座9一起旋转，在下滚轮座9旋转过程中，下滚轮10与上滚轮8接触并产生滚动摩擦，迫使上滚轮8向上提升，上滚轮8在提升同时带动上滚轮座7和壳体一起克服钻压和自重提升，由于上传动轴5与壳体之间设置有轴向止推结构，所以上传动轴5也会一起提升。当上滚轮8与下滚轮10分离后，钻压通过壳体传递给上传动轴5，并驱动上传动轴5向下加速冲击下传动轴11，从而将钻压转化为机械冲击力。冲击产生的应力波通过下传动轴11和钻头接头21向下传递至钻头。

具体实际应用中，机械冲击力的调节可以通过改变上滚轮8沿下滚轮10表面的提升高度H来实现，提升高度H越高，上传动轴5在钻压作用下冲击行程越长，产生的冲击力越大，反之则越小。提升高度H可以根据不同地层岩石可钻性级值大小(5～10级)设定为3mm～10mm。

机械冲击频率的调节可以通过改变上滚轮8和下滚轮10的数量来实现，上滚轮8和下滚轮10数量越多，单位圈数内上滚轮8沿着下滚轮10表面提升的次数越多，产生的冲击频率越高，反之则越小。上滚轮8和下滚轮10的数量可以根据不同地层岩石可钻性级值大小(5～10级)设定为2个～8个。

(三)脉冲射流工作原理

钻井液在经过自激振荡腔选频、放大等一系列调制作用后从下传动轴11喷出，形成高频脉冲射流，并通过钻头水眼喷出后，一部分作用于井底岩石微裂隙，另一部分作用于破碎的岩屑表面。

参见图5，为使用本发明提供的破岩工具进行破岩作业的机理示意图，实施破岩作业时，首先通过高频(大于40Hz)低幅(5～20kN)液力冲击载荷高频次地往复作用于井底，加速岩石裂纹扩展和损伤断裂，降低岩石固有强度，产生如图5的(a)部分所示的效果；

然后，通过低频(8～14Hz)高幅(150J～650J)机械冲击载荷弥补液力冲击载荷能量较弱的不足，迫使钻头切削齿侵入早已产生大量损伤裂纹的岩石表面，并开凿出大面积体积破碎坑，从而实现跃进式进尺效果，如图5的(b)部分所示；

最后，再辅以高频(大于40Hz)脉冲射流，一部分作用于井底岩石微裂纹，产生水楔效应，促进裂纹扩展，加速岩石破裂，另一部分作用于破碎下的岩屑表面，增大岩屑运移动能，改善岩屑受力状态和流场环境，从而达到提高破岩清岩效果，如图5的(c)部分所示。

钻进过程中，应当根据钻具组合及钻头类型，注意控制钻压(40～120kN)、转速(50～65rpm)和钻井液排量(35～60L/s)，使破岩工具产生高频低幅液力冲击载荷、低频高幅机械冲击载荷及高频脉冲射流，配合钻头实现多载荷耦合作用下的破岩钻进。

例如，在钻遇岩石可钻性级值为5～7级中硬-硬地层时，可以选择螺杆钻具和PDC钻头，将破岩工具的上传动轴5与螺杆钻具的动力端万向轴相连，将破岩工具的上壳体1与螺杆钻具的外壳相连，上滚轮8和下滚轮10的数量设定为6～8个，提升高度H设定为6～10mm，钻压控制在80～120kN，转速控制在50～60rpm，钻井液排量控制在50～60L/s，使破岩工具的机械冲击性能参数达到频率9～15Hz、冲击功480～1200J，再配合高频(大于40Hz)低幅(10～20kN)液力冲击载荷和高频脉冲射流(大于40Hz)，从而实现PDC钻头在多载荷耦合作用下的破岩钻进。

再例如，在钻遇岩石可钻性级值为8～10级硬-坚硬地层时，可以选择涡轮钻具和孕镶金刚石钻头，将破岩工具的上传动轴5与涡轮钻具的动力端转子相连，将破岩工具的上壳体1与涡轮钻具的外壳相连，上滚轮8和下滚轮10的数量设定为2～3个，提升高度H设定为3～5mm，钻压控制在40～60kN，转速控制在55～65rpm，钻井液排量控制在35～40L/s，使破岩工具的机械冲击性能参数达到频率16～24Hz、冲击功120～300J，再配合高频(大于30Hz)低幅(5～15kN)液力冲击载荷和高频脉冲射流(大于30Hz)，从而实现孕镶金刚石钻头在多载荷耦合作用下的破岩钻进。

应用本发明提供的机液式破岩工具能够获得以下有益效果：

①产生高频低幅液力冲击载荷、低频高幅机械冲击载荷和高频脉冲射流共同作用于井底岩石，形成多载荷作用下的联合破岩。

②壳体产生轴向振荡有助于降摩减阻，减少井底托压及钻头横向涡动、周向粘滑现象。

③可根据不同地层岩石力学参数，调节不同钻压和排量即可得到所需冲击载荷和冲击频率。

如图1所示，实施例一中，壳体包括上壳体1、中接头6、下壳体12，中接头6的两端设置有外螺纹，上壳体1和下壳体12与中接头6螺纹连接，上传动轴5上设置有与上传动轴5螺纹连接的锁母4，中接头6的上表面与锁母4的下表面配合形成轴向止推结构，下壳体12的下端部分具有内螺纹，并与下接头13的外螺纹连接。

为了固定安装上滚轮座7，实施例一中，中接头6的下端部分具有用于连接上滚轮座7的内螺纹。

为了实现壳体与上传动轴5可转动连接，实施例一中，上壳体1内安装有径向滑动轴承2和球轴承串3，球轴承串3位于径向滑动轴承2与锁母4之间，上传动轴5的上端部分具有用于连接径向滑动轴承2的内圈的外螺纹。

具体实际应用中，径向滑动轴承2的材质可以选用硬质合金。

如图1所示，实施例一中，自激振荡腔包括一级振荡腔15和二级振荡腔17，一级振荡腔15的上方安装有上喷嘴14，一级振荡腔15的的底部具有中喷嘴16，二级振荡腔17的底部具有下喷嘴18。

参见图1和图3，为了将钻头接头21安装到下传动轴11上，实施例一中，钻头接头21的外表面的上端部分具有第三传动面24，第三传动面24上套接有与下传动轴11螺纹连接的传动接头20，钻头接头21的上端安装有用于止挡钻头接头21掉落的防掉螺母19，由图1可见，钻头接头21通过传动接头20和防掉螺母19安装到下传动轴11上，防掉螺母19的外径尺寸比传动接头20的通孔尺寸大，从而可以防止钻头接头21从下传动轴11上掉落下来。

具体实际应用中，第三传动面24可以为正八边形传动面。为了连接牢靠，可以将下传动轴11与传动接头20连接的部分设计为锥形。

实施例二

如图2所示，实施例一中，第一传动面22为正六边形传动面，第二传动面23为花键传动面。实施例二与实施例一的区别仅在于，第一传动面22的形状不同，在实施例二中，第一传动面22为正方形传动面。

本发明还提供一种钻柱，该钻柱包括上述实施例公开的机液式破岩工具。由于上述实施例公开的机液式破岩工具具有上述技术效果，因此具有该机液式破岩工具的钻柱同样具有上述技术效果，本文在此不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多载荷耦合的机液式破岩工具，其特征在于，包括：

其内部设有第一液流通道(I)的上传动轴(5)，所述上传动轴(5)的外表面的下端部分具有第一传动面(22)；

其内部设置有自激振荡腔的下传动轴(11)，所述下传动轴(11)的上端套接在所述第一传动面(22)上，所述自激振荡腔与所述第一液流通道(I)连通，所述下传动轴(11)的外表面的上端具有第二传动面(23)；

套接在所述第二传动面(23)上的下滚轮座(9)，所述下滚轮座(9)上的下滚轮(10)高出所述下滚轮座(9)的上表面；

套在所述上传动轴(5)的外部、与所述上传动轴(5)可转动连接的壳体，所述壳体的内部安装有与所述下滚轮座(9)相对应的上滚轮座(7)，所述上滚轮座(7)位于所述下滚轮座(9)的上方，所述上滚轮座(7)上的上滚轮(8)低于所述上滚轮座(7)的下表面，所述上传动轴(5)与所述壳体之间设置有轴向止推结构；

与所述下传动轴(11)的下端固定连接的钻头接头(21)，所述钻头接头(21)的内部开设有与所述自激振荡腔连通的第二液流通道(II)。

2.根据权利要求1所述的机液式破岩工具，其特征在于，所述壳体包括上壳体(1)、中接头(6)、下壳体(12)，所述中接头(6)的两端设置有外螺纹，所述上壳体(1)和所述下壳体(12)与所述中接头(6)螺纹连接，所述上传动轴(5)上设置有与所述上传动轴(5)螺纹连接的锁母(4)，所述中接头(6)的上表面与所述锁母(4)的下表面配合形成所述轴向止推结构。

3.根据权利要求2所述的机液式破岩工具，其特征在于，所述中接头(6)的下端部分具有用于连接所述上滚轮座(7)的内螺纹。

4.根据权利要求3所述的机液式破岩工具，其特征在于，所述上壳体(1)内安装有径向滑动轴承(2)和球轴承串(3)，所述球轴承串(3)位于所述径向滑动轴承(2)与所述锁母(4)之间，所述上传动轴(5)的上端部分具有用于连接所述径向滑动轴承(2)的内圈的外螺纹。

5.根据权利要求4所述的机液式破岩工具，其特征在于，所述径向滑动轴承(2)的材质为硬质合金。

6.根据权利要求1所述的机液式破岩工具，其特征在于，所述自激振荡腔包括一级振荡腔(15)和二级振荡腔(17)，所述一级振荡腔(15)的上方安装有上喷嘴(14)，所述一级振荡腔(15)的的底部具有中喷嘴(16)，所述二级振荡腔(17)的底部具有下喷嘴(18)。

7.根据权利要求1所述的机液式破岩工具，其特征在于，所述钻头接头(21)的外表面的上端部分具有第三传动面(24)，所述第三传动面(24)上套接有与所述下传动轴(11)螺纹连接的传动接头(20)，所述钻头接头(21)的上端安装有用于止挡所述钻头接头(21)掉落的防掉螺母(19)。

8.根据权利要求7所述的机液式破岩工具，其特征在于，所述下传动轴(11)与所述传动接头(20)连接的部分为锥形。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的机液式破岩工具，其特征在于，所述第一传动面(22)为正六边形传动面，所述第二传动面(23)为花键传动面。

10.一种钻柱，其特征在于，所述钻柱包括如权利要求1～9中任意一项所述的机液式破岩工具。