CN112576186B - 一种复合冲击钻井提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合冲击钻井提速工具，包括：用于转换总成，其包括存在转速差的第一外筒和传递轴；用于产生冲击力的冲击总成，其包括与第一外筒固定连接的第二外筒、设置在第二外筒内的中心轴和冲击体，中心轴与传递轴固定连接；套设在中心轴上的扭力蓄能体，扭力蓄能体能够压缩蓄能并释放能量以形成冲击；其中，扭力蓄能体的上端与中心轴固定连接，冲击体与第二外筒周向固定连接，从而使扭力蓄能体与冲击体在转速差的作用下相对转动，以对冲击体产生径向扭转冲击，扭力蓄能体和冲击体构造成能够在相对转动作用下，使扭力蓄能体对冲击体形成周期性的轴向冲击，从而使扭力蓄能体能够对冲击体产生周期性的轴向和径向复合冲击，并传递给钻头。

Description

一种复合冲击钻井提速工具

技术领域

本发明属于油气钻井工程技术领域，具体地涉及油气钻井工程中的井下工具，尤其是一种复合冲击钻井提速工具。

背景技术

钻井提速技术是油气井工程中的重要话题。随着油气田的开采，油气勘探逐步向深层迈进，油气井工程对钻井提速技术及工具的需求更加迫切。油气钻井过程中，导致钻井的机械钻速低的因素复杂而多样，其中钻进过程中破岩能量不足及出现粘滑振动是导致机械钻速低的重要原因。当PDC钻头钻遇坚硬地层时，由于破岩能量不足，钻头瞬间停止转动，此时，钻柱内发生能量聚集，当能量聚集到一定程度时，破岩能量瞬间释放，钻头超速转动，导致钻头周期性地发生粘滑振动，从而损害钻头寿命，严重影响了机械钻速。

为了提高钻具钻速，出现了许多旋转冲击工具和扭力冲击工具以实现钻井提速。例如，冲击旋转工具有液动射流式冲击器、水力脉冲冲击器、机械式冲击器等。其中，液动射流式冲击器利用射流元件通过改变井下钻井流体的方向，驱动冲击锤而产生冲击载荷。水力脉冲冲击器利用阀盘截流或水力振荡腔在工具内产生水力脉冲振荡，利用水力冲击载荷驱动冲击机构产生冲击载荷。机械式冲击器以螺杆或涡轮等为旋转动力源，利用定转子间的转速差，驱动冲锤产生冲击载荷。而扭矩冲击工具主要利用射流元件，驱动摆锤产生径向冲击，从而实现扭力冲击。

然而，目前的用于井下钻井的提速工具仍然存在一些问题。例如，现有的钻井提速工具的功能相对单一，提速效果不明显，这些钻井提速工具只能产生轴向冲击或径向冲击中的某一种功能，在难钻坚硬硬地层中提速效果受限。此外，现有的钻井提速工具故障率较高，使用寿命较短，可靠性差。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种复合冲击钻井提速工具，该提速工具能够在旋转动力源的带动下产生转速差，并能够产生径向扭转冲击，以对钻头产生周向冲击。同时，该提速工具能够进行蓄能并释放能量，以产生轴向冲击力，从而对钻头形成轴向冲击。并且，该提速工具能够对钻头产生周期性的轴向与周向复合冲击，显著提高了钻井的机械转速，并且能够显著延长钻头的使用寿命。

为此，根据本发明提供了一种复合冲击钻井提速工具，包括：用于与钻具的旋转动力源连接以提供旋转动力的转换总成，其包括第一外筒，在所述第一外筒内同心布置有用于传递扭矩的传递轴，所述第一外筒和所述传递轴之间存在转速差；用于产生冲击力的冲击总成，其包括与所述第一外筒固定连接的第二外筒、同心设置在所述第二外筒内且与所述传递轴固定连接的中心轴和冲击体，所述中心轴的下端部分与所述冲击体形成动密封连接；以及套设在所述中心轴上的扭力蓄能体，所述扭力蓄能体能够压缩蓄能并释放能量以形成冲击；其中，所述扭力蓄能体的上端与所述中心轴固定连接，所述冲击体与所述第二外筒周向固定连接，使得所述扭力蓄能体与所述冲击体能够在所述转速差的作用下相对转动，以对所述冲击体产生径向扭转冲击，所述扭力蓄能体和所述冲击体构造成能够在相对转动作用下，使所述扭力蓄能体周期性地压缩蓄能与释放能量以对所述冲击体形成轴向冲击，从而使所述扭力蓄能体能够对所述冲击体产生周期性的轴向和径向复合冲击，并传递给钻头。

在一个优选的实施例中，所述扭力蓄能体的上端部分通过止旋销钉与所述中心轴形成周向固定连接。

在一个优选的实施例中，所述扭力蓄能体的下端面设有周向均布的第一台阶齿，所述冲击体的上端面设有能够与所述第一台阶齿适配的第二台阶齿，所述扭力蓄能体通过所述第一台阶齿和所述第二台阶齿与所述冲击体形成接触配合，并在相对转动的作用下对所述冲击体产生周期性的轴向冲击。

在一个优选的实施例中，所述第一台阶齿和所述第二台阶齿的轴向齿高均设置成处于5-10mm的范围内，且齿形的周向啮合面的倾斜角度均设置为处于10°-20°的范围内。

在一个优选的实施例中，在所述第一台阶齿和所述第二台阶齿的外表面设有耐磨层，所述耐磨层的厚度设置成处于3-5mm的范围内。

在一个优选的实施例中，所述扭力蓄能体的轴向刚度处于0.5-4kN/mm的范围内，径向弹性刚度处于0.1-1kN/°的范围内。

在一个优选的实施例中，所述冲击体的部分外表面构造成正棱柱形，所述第二外筒的对应的内壁区域设置成能与所述正棱柱形表面相适配，从而使所述冲击体与所述第二外筒形成周向固定连接，以能够将所述转换总成的扭矩通过所述第二外筒传递给所述冲击体。

在一个优选的实施例中，所述传递轴通过推力轴承同心安装在所述第一外筒内，所述推力轴承用于对所述传递轴进行扶正。

在一个优选的实施例中，在所述传递轴和所述冲击体的轴向与所述中心轴与所述第二外筒的径向之间形成有环形的密闭腔体，所述扭力蓄能体设置在所述密闭腔体内，且在所述密闭腔体内充满密封油。

在一个优选的实施例中，所述冲击体末端固定连接有用于连接钻头的转换接头。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的复合冲击钻井提速工具的结构。

图2显示了沿图1中线A-A的剖视图。

图3显示了图1所示提速工具中的扭力蓄能体的结构。

图4显示了沿图1中线B-B的剖视图。

图5显示了图1所示提速工具中的冲击体的结构。

图6至图10示意性地显示了扭力蓄能体与冲击体之间的齿形的平面展开图以及齿形的啮合过程。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

在本申请中，需要说明的是，将根据本发明的复合冲击钻井提速工具下放到井筒中靠近井口的一端定义为上端或相似用语，将远离井口的一端定义为下端或相似用语。

图1显示了根据本发明的复合冲击钻井提速工具100的结构。如图1所示，提速工具100包括转换总成110和冲击总成120。转换总成110用于与钻具的旋转动力源(未示出)固定连接，以将旋转动力源的产生的旋转动力传递给冲击总成120。旋转动力源包含但不限于螺杆钻具或涡轮钻具。冲击总成120与转换总成110连接，用于将旋转动力源的旋转动力转换成对钻头的冲击动力。冲击总成120构造成能够周期性地产生轴向冲击与周向冲击，并传递给钻头，从而对钻头形成轴向与周向复合多维冲击。由此，来提高钻井的机械转速，从而提高钻井的破岩施工效率，增强破岩效果。

根据本发明，转换总成110包括第一外筒130。如图1所示，第一外筒130的两端分别构造成正锥形连接扣和负锥形连接扣。第一外筒130分别通过正锥形连接扣和负锥形连接扣与其他零部件形成连接。第一外筒130的这种结构便于安装连接，且能够保证第一外筒130与其他零部件之间连接的稳定性。

如图1所示，在第一外筒130内设有传递轴140，传递轴140同心布置在第一外筒130内。传递轴140用于传递旋转动力源产生的扭矩。传递轴140构造为中空圆柱体，且传递轴140的一端(图1中的上端)构造成梯形连接扣，且在外壁面上形成有台阶部分。在传递轴140上套设有推力轴承150，传递轴140通过推力轴承150安装到第一外筒130内，从而使传递轴140与第一外筒130之间能够相对转动。在工作过程中，推力轴承150能够对传递轴140进行扶正居中，从而保证传递轴140传递平稳。同时，传递轴140能够实现轴向压力传递，从而将上部钻压从上到下传递给下部钻头。

在本实施例中，在推力轴承150的轴向两端分别安装有调整环。推力轴承150上端的调整环的一端与推力轴承150的轴端接触，另一端坐落在传递轴140的台阶部分上从而形成轴向固定。在第一外筒130的下端内壁上设有第一台肩部分，推力轴承150下端的调整环的一端与推力轴承150接触，另一端坐落在第一台肩部分上。调整环采用黄铜或硬质塑料制成。调整环能够调节推力轴承150的轴向安装长度，从而保证提速工具100的稳定性。

如图1所示，在第一外筒130的上端连接有圆筒状的外壳101。外壳101的两端构造成钻杆扣，外壳101通过下端钻杆扣与第一外筒130上端的负锥形连接扣配合连接，从而与第一外筒130形成固定连接。在外壳101内设有水帽102，水帽102同心布置在外壳101内，水帽102用于钻井液的分流。水帽102的下端与传递轴140上端的梯形连接扣配合而形成固定连接。转换总成110通过外壳101及水帽102与旋转动力源形成连接。其中，外壳101的上端与旋转动力源(未示出)的外壳体固定连接，使外壳101与旋转动力源中的定子的转速一致，而水帽102的上端与旋转动力源中的万向轴(未示出)固定连接，使水帽102与旋转动力源中的转子的转速一致。

根据本发明，冲击总成120包括第二外筒160，如图1所示，第二外筒160与第一外筒130固定连接。在一个实施例中，第二外筒160的上端构造成负锥形连接扣，第二外筒160的上端的负锥形连接扣与第一外筒130下端的正锥形连接扣配合安装，从而形成固定连接。

如图1所示，冲击总成120还包括中心轴170。中心轴170同心布置在第二外筒160内，且大致呈中空圆柱体形。中心轴170的上端构造成丝扣接头，在中心轴170的上端内壁上设有第二台肩部分。传递轴140的下端面坐落在第二台肩部分上，并通过中心轴170的端部的丝扣接头与中心轴170形成固定连接。

根据本发明，在中心轴170上套设有扭力蓄能体190。在一个实施例中，扭力蓄能体190采用矩形扭簧。扭力蓄能体190在轴向方向及径向方向均具有弹性刚度。扭力蓄能体190的轴向刚度处于0.5-4kN/mm的范围内，径向弹性刚度处于0.1-1kN/°的范围内。遇压遇扭后，扭力蓄能体190的长度会收缩并蓄能。在扭力蓄能体190的上端部分及中心轴170的上端部分分别对应设有止旋销钉孔192(见图3)，止旋销钉孔192用于安装止旋销钉191。扭力蓄能体190的上端部分与中心轴170通过止旋销钉191形成周向固定连接。如图2所示，在周向上均匀间隔开设有4个止旋销钉191。止旋销钉191能够有效保证扭力蓄能体190与中心轴170之间的稳定连接，从而保证扭力蓄能体190与中心轴170同步旋转。由此，使得扭力蓄能体190与旋转动力源中的转子的转速一致。

根据本发明，在扭力蓄能体190的下端面设有第一台阶齿193。如3所示，第一台阶齿193周向均布设置，且齿形的呈流线型设计。第一台阶齿193的轴向齿高设置成处于5-10mm的范围内，且齿形的轴向延伸曲线的倾斜角度设置为处于10°-20°的范围内。第一台阶齿193的齿数设有4-6个，根据实际需要，通过设计不同的齿数能够调整扭力蓄能体190与冲击体180相对转动一周时的轴向压缩频率，从而实现调节轴向冲击频率。第一台阶齿193的作用将在下文进行介绍。

根据本发明，在传递轴130和冲击体180(见下文介绍)的轴向之间与中心轴170与第二外筒160的径向之间形成有环形的密闭腔体，扭力蓄能体190设置在密闭腔体内，且在密闭腔体内充满密封油。密封油能够对扭力蓄能体190和冲击体180的关键冲击部位进行润滑降磨，从而能够有效降低扭力蓄能体190和冲击体180之间的冲击磨损，显著延长了提速工具100的使用寿命。为了保证密闭腔体的密封性能，在冲击体180与第二外筒160及中心轴170之间均设有密封件。例如，在冲击体180的外壁面与第二外筒160的内壁面之间设有第一密封圈，在冲击体180的内壁面与中心轴170的下端外壁面之间设有第二密封圈。

根据本发明，冲击总成120还包括冲击体180，冲击体180设置在第二外筒160内。冲击体180构造成为中空圆柱体形，且中心轴170的下端与冲击体180配合连接，中心轴170与冲击体180能够在轴向上相对运动，。由此，中心轴170与冲击体180之间通过密封件形成动密封连接。如图4所示，冲击体180的部分外表面构造成正棱柱形，第二外筒160的对应的内壁区域设置成能与冲击体180的正棱柱形表面相适配，从而使冲击体180与第二外筒160形成周向固定连接，从而使冲击体180与旋转动力源中的定子的转速一致。在图4所示实施例中，冲击体180的部分外表面构造成正六棱柱形。由此，上部钻压及扭矩通过第二外筒160传递给冲击体180，进而通过冲击体180传递给钻头，从而将冲击总成120产生的轴向和径向复合的多维冲击传递给钻头，以提高钻头的机械转速。

如图5所示，在冲击体180的上端面设有能够与第一台阶齿193适配连接的第二台阶齿193。扭力蓄能体190与冲击体180通过第一台阶齿193与第二台阶齿183形成连接。由此，通过第一台阶齿193和第二台阶齿183的配合连接，扭力蓄能体190能够在相对转动的作用下产生周期性的轴向运动，进而对冲击体180形成轴向冲击。

为了提高第一台阶齿193和第二台阶齿183的耐磨强度和抗冲击性能，在第一台阶齿193和第二台阶齿183外表面设有耐磨层，耐磨层的厚度设置成处于3-5mm的范围内。在一个实施例中，耐磨层采用硬质合金制成。硬质合金优选喷涂在第一台阶齿193和第二台阶齿183的冲击部位，从而提高了关键冲击部位的耐磨性及耐冲击性，增强了提速工具100的可靠性显著提高了提速工具100的使用寿命。

在本实施例中，在冲击体180的下端外部设有台阶部。冲击体180设置在第二外筒160内，并在第二外筒160的端部安装防掉螺母181以防止冲击体180掉落。在正常钻进过程中，冲击体180的台阶部与防掉螺母181之间的间隙为处于5-20mm的范围内。而在起下钻等钻头处无钻压的工况下，冲击体180的台阶部与防掉螺母181接触配合，用于防止冲击体180掉落。

如图1所示，在冲击体180的下端连接有转换接头200，转换接头200用于连接钻头。在一个实施例中，冲击体180与转换接头200通过丝扣固定连接。转换接头200能够有效保证冲击体180与钻头之间的连接，从而将提速工具100产生的轴向和径向复合冲击传递给钻头。

在实际工作过程中，扭力蓄能体190在旋转动力源的带动下高速旋转，从而对冲击体180产生周向扭转冲击。扭力蓄能体190周向扭转冲击后轴向收缩，此时，扭力蓄能体190与冲击体180通过第一台阶齿193与第二台阶齿183的接触配合，形成流线型滑面接触。由此，在相对转动过程中，扭力蓄能体190受压蓄能直至扭力蓄能体190与冲击体180脱离而释放能量以对冲击体180产生轴向冲击，从而周期性地对冲击体180产生轴向和径向冲击，由此，形成了轴向和径向复合的多维冲击。

下面简述根据本发明的复合冲击钻井提速工具100的工作过程。首先，将提速工具100下放到井筒施工地层，当钻井液流入钻具后，在旋转动力源的驱动下，水帽102、传递轴140、中心轴170与旋转动力源中的转子同步旋转，并带动扭力蓄能体190转动，从而使扭力蓄能体190的转速与旋转动力源中的转子的转速一致。外壳101、第一外筒130、第二外筒160以及冲击体180与旋转动力源中的定子外壳体连接为一体而同步转动，从而使冲击体180的转速与旋转动力源中的定子的转速一致。由此，在转子和定子的转速差的作用下，扭力蓄能体190与冲击体180之间发生冲击接触。扭力蓄能体190在旋转动力源的带动下，对冲击体180产生径向扭转冲击，从而为钻头提供了径向扭转冲击能量。在发生扭转冲击的同时，扭力蓄能体190在反向扭矩的作用下缩短并蓄能。此时，扭力蓄能体190下端面的流线型第一台阶齿193与冲击体180上端面的流线型第二台阶齿183逐渐啮合并发生相对转动，使扭力蓄能体190被轴向压缩，当扭力蓄能体190与冲击体180转动至脱离的瞬间，扭力蓄能体190集聚的能量瞬间释放，对冲击体180产生轴向冲击，从而对钻头提供轴向冲击能量。由此，在相对旋转的作用下，扭力蓄能体190周期性地对冲击体180产生轴向及径向冲击，从而对钻头形成了轴向和径向复合的多维冲击，显著提高了钻头的机械转速，大大提高了钻具的施工效率。

图6到图10示意性地显示了第一台阶齿193与第二台阶齿183的齿形的展开线，从而显示了第一台阶齿193与第二台阶齿183的齿形的转动啮合过程。如图6到图10所示，假定图6显示为提速工具100处于某一时刻时的初始状态。随着扭力蓄能体190与冲击体180之间的相对转动，如图7所示，第一台阶齿193与第二台阶齿183的啮合面完全啮合，此时，扭力蓄能体190对冲击体180产生径向冲击。继续相对转动，如图8所示，扭力蓄能体190受扭收缩上提，此时，第一台阶齿193与第二台阶齿183的啮合面部分啮合。如图9所示，当扭力蓄能体190收缩上到一定程度后，此时，第一台阶齿193与第二台阶齿183啮合面为齿顶相对啮合，使扭力蓄能体190轴向运动到最高点。之后，如图10所示，在转速差的作用下扭力蓄能体190与冲击体180继续相对旋转，直至扭力蓄能体190的齿顶与冲击体180的齿底啮合，此时，扭力蓄能体190对冲击体180产生轴向冲击。在工作过程中，扭力蓄能体190和冲击体180在旋转动力源的作用下不断地相对转动，从而使扭力蓄能体190对冲击体180产生周期性的扭转冲击和轴向冲击，由此，使提速钻具100对钻头形成了轴向和径向复合的多维冲击。

根据本发明的复合冲击钻井提速工具100能够在旋转动力源的带动下产生径向扭转冲击，以对钻头产生径向冲击。同时，提速工具100能够通过扭力蓄能体190缩短蓄能并释放而产生轴向冲击力，以对钻头形成轴向冲击，从而对钻头产生周期性轴向与径向冲击，以实现复合多维冲击，从而显著提高了钻具的机械转速。提速工具100采用机械式冲击，其产生的冲击频率以及冲击功率的输出稳定，并能够满足深井超深井井底高温环境下的工作要求，其适用性强。此外，在内部冲击总成120内设有充满密封油的密闭腔体，并且在冲击面上设有耐磨层，从而大大提高了扭力蓄能体190与冲击体180的关键冲击部位的耐磨性及耐冲击性能，有效提升了提速工具100的可靠性，显著延长了提速工具100的使用寿命。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合冲击钻井提速工具，包括：

用于与钻具的旋转动力源连接以提供旋转动力的转换总成(110)，其包括第一外筒(130)，在所述第一外筒内同心布置有用于传递扭矩的传递轴(140)，所述第一外筒和所述传递轴之间存在转速差；

用于产生冲击力的冲击总成(120)，其包括与所述第一外筒固定连接的第二外筒(160)、同心设置在所述第二外筒内且与所述传递轴固定连接的中心轴(170)和冲击体(180)，所述中心轴的下端部分与所述冲击体形成动密封连接；以及

套设在所述中心轴上的扭力蓄能体(190)，所述扭力蓄能体能够压缩蓄能并释放能量以形成冲击；

其中，所述扭力蓄能体的上端与所述中心轴固定连接，所述冲击体与所述第二外筒周向固定连接，使得所述扭力蓄能体与所述冲击体能够在所述转速差的作用下相对转动，以对所述冲击体产生径向扭转冲击，

所述扭力蓄能体和所述冲击体构造成能够在相对转动作用下，使所述扭力蓄能体周期性地压缩蓄能与释放能量以对所述冲击体形成轴向冲击，所述扭力蓄能体的下端面设有周向均布的第一台阶齿(193)，所述冲击体的上端面设有能够与所述第一台阶齿适配的第二台阶齿(183)，所述扭力蓄能体通过所述第一台阶齿和所述第二台阶齿与所述冲击体形成接触配合，在相对旋转的作用下，第一台阶齿与第二台阶齿逐渐啮合并发生相对转动，从而使所述扭力蓄能体能够对所述冲击体产生周期性的轴向和径向复合冲击，并传递给钻头。

2.根据权利要求1所述的提速工具，其特征在于，所述扭力蓄能体的上端部分通过止旋销钉(191)与所述中心轴形成周向固定连接。

3.根据权利要求1所述的提速工具，其特征在于，所述第一台阶齿和所述第二台阶齿的轴向齿高均设置成处于5-10mm的范围内，且齿形的周向啮合面的倾斜角度均设置为处于10°-20°的范围内。

4.根据权利要求3所述的提速工具，其特征在于，在所述第一台阶齿和所述第二台阶齿的外表面设有耐磨层，所述耐磨层的厚度设置成处于3-5mm的范围内。

5.根据权利要求1或2所述的提速工具，其特征在于，所述扭力蓄能体的轴向刚度处于0.5-4kN/mm的范围内，径向弹性刚度处于0.1-1kN/°的范围内。

6.根据权利要求1或2所述的提速工具，其特征在于，所述冲击体的部分外表面构造成正棱柱形，所述第二外筒的对应的内壁区域设置成能与所述正棱柱形表面相适配，从而使所述冲击体与所述第二外筒形成周向固定连接，以能够将所述转换总成的扭矩通过所述第二外筒传递给所述冲击体。

7.根据权利要求1所述的提速工具，其特征在于，所述传递轴通过推力轴承(150)同心安装在所述第一外筒内，所述推力轴承用于对所述传递轴进行扶正。

8.根据权利要求1所述的提速工具，其特征在于，在所述传递轴和所述冲击体的轴向与所述中心轴与所述第二外筒的径向之间形成有环形的密闭腔体，所述扭力蓄能体设置在所述密闭腔体内，且在所述密闭腔体内充满密封油。

9.根据权利要求1所述的提速工具，其特征在于，所述冲击体末端固定连接有用于连接钻头的转换接头(200)。

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