CN204326969U - 将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，纵向振动总成包括传振轴，传振轴连接有限位套和花健体，传振轴的底部连接有起振器，起振器上设置有冲耳；复位传扭总成包括有花键外壳、弹簧、过渡接头、冲击器外壳，弹簧的上部、下部分别于限位套的下部和过渡接头的上部相接触；扭力发生传递总成包括有冲击锤，冲击锤设置在钻头座内，冲击锤内设置有螺旋槽，冲耳与螺旋槽相配合；花键外壳内设置有内花键，花键体与内花键相配合；冲击器外壳的下端设有壳体花键，钻头座的下端设有座体花键，壳体花键和座体花键相配合。本实用新型能够将钻井过程中有害的钻柱纵向振动转化为作用于钻头的周向高频扭转冲击振动，提高了机械钻速。

Description

将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置

技术领域

本实用新型属于钻井工程领域，尤其涉及一种应用于石油、天然气钻井作业中的将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置。

背景技术

现代能源开发战略对钻井速度与质量的要求越来越高。在钻进深部具有高研磨性的地层时，依靠改变破岩效率、节省起下钻时间来提高钻井效率的主力钻头——PDC钻头钻进时存在严重的“粘滑”（stick-slip）振动现象，该现象使得钻柱配套部件及井下工具组合受力工况恶劣，疲劳寿命低，从而限制甚至阻碍了深井、超深井的进一步发展。

围绕钻进过程中，由于粘滑现象导致的钻具失效及机械钻速下降的问题，国内外通过现场应用和研究表明，可以通过在钻头上周期性地施加小幅高频扭转冲击来降低钻头的失效率和提高钻进速度，由此设计了多种扭力冲击器来实现为PDC钻头施加周向高频冲击载荷的目的，主要包括：美国阿特拉公司的扭力冲击器（专利号：US6742609B2）、美国哈里伯顿能源服务公司的扭转冲击***（专利号：US7096980B2）、西南石油大学的扭转冲击钻井工具(申请号：200910058083.9)、中国石化集团胜利工程有限公司钻井工艺研究院的扭冲工具(申请号：201010511421.2)和中国石油大学（华东）的射流式扭转冲击钻井工具（申请号：201010511421.2）等。虽然这些装置的结构各异，但具有共同的特点：扭力冲击的工作能量来源于钻井循环介质。

实践表明：随着井深的增加，钻井循环介质压耗增大，当井深很大时，可能出现循环介质仅能满足循环携岩的要求，上述装置工作状态会大受影响，极可能出现无法正常工作甚至影响钻井作业进行的可能；当钻井循环介质为空气或者充气钻井液等可压缩系数较大的介质时，上述装置均难以正常工作。因此，研发利用新能源的井下扭力冲击发生装置对于深井、超深井扭力冲击钻井提速非常有意义。

钻柱的振动现象是在直井钻井中经常遇到的复杂情况，而钻柱振动中纵向振动是危害最明显、发生最频繁的振动形式，它不仅影响到钻井施工的效率，还会造成钻柱的断裂破坏等事故，影响了钻井作业的进程。减轻钻柱的振动尤其是直井中的纵向振动其意义就变得不容忽视。如果能将钻柱纵向振动这种有害能量转化为驱动井下扭力冲击发生装置新能源，对于减轻由于钻柱振动造成的损失提高钻井速度都会具有积极的意义。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，通过装置内部发生结构，将钻井过程中有害的钻柱纵向振动转化为作用于钻头的周向高频扭转冲击振动，从而提高机械钻速。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，包括有纵向振动总成、复位传扭总成和扭力发生传递总成；

纵向振动总成包括传振轴，所述传振轴连接有限位套和花健体，所述传振轴的底部连接有起振器，所述起振器上设置有冲耳；

所述复位传扭总成包括有花键外壳、弹簧、过渡接头、冲击器外壳，所述弹簧的上部与限位套的下部相接触，所述弹簧的下部与过渡接头的上部相接触；

所述扭力发生传递总成包括有冲击锤，所述冲击锤设置在钻头座内，所述冲击锤内设置有螺旋槽，所述起振器的冲耳与冲击锤的螺旋槽相配合；

所述花键外壳内设置有内花键，花键体与内花键相配合；

所述冲击器外壳的下端设有壳体花键，所述钻头座的下端设有座体花键，壳体花键和座体花键相配合。

进一步地，所述复位传扭总成还包括有密封压盖和弹簧外壳；

所述花键外壳的顶端安装有密封压盖， 所述弹簧外壳的外径与紧扣圆柱面的外径相同；所述弹簧外壳的上部与花键外壳螺纹联接，弹簧外壳的中部还开有排气孔；弹簧外壳的下部与过渡接头的上部螺纹联接，所述过渡接头的下部与冲击器外壳螺纹联接；所述弹簧设置在弹簧外壳内，所述弹簧为复位弹簧，所述复位弹簧的上部、下部分别与限位套的下平面、过渡接头的上平面相接触。

进一步地，所述扭力发生传递总成还包括有止推轴承限位套、上止推轴承下止推轴承和防掉块；

 所述冲击器外壳与钻头座相固定并在内部形成空腔，所述空腔的内部由上到下依次为止推轴承限位套、上止推轴承、冲击锤和下止推轴承。

进一步地，所述冲击器外壳上设有四个壳体防掉槽和四个螺栓孔；

所述钻头座上设有四个座体防掉槽，防掉块能够压缩于座体防掉槽内，所述座体防掉槽内设有小弹簧并与防掉块连接；

在座体防掉槽移动到壳体防掉槽处形成空腔时，小弹簧释放并将防掉块推向壳体防掉槽内。

进一步地，所述止推轴承定位套的上部顶紧过渡接头的轴肩，止推轴承定位套的下部压紧上止推轴承。

进一步地，起振器的外部上端设有冲耳，起振器的外部下端设有密封槽，冲耳的上端面到密封槽的长度大于冲击锤的高度。

进一步地，所述冲击锤的外部设置有锤头，所述螺旋槽为两个左旋的螺旋槽，所述螺旋槽为冲耳的滑道。

进一步地，所述冲击锤的高度与传振轴的冲程相同，螺旋槽的螺旋角与冲击锤的旋转角度相同。

本实用新型具有的有益效果是：

（1）实现了由钻柱轴向振动到钻头周向高频振动的转化，并且振动频率可根据现场需要调节转盘转速得到，这样就能使钻柱的扭矩保持基本稳定和平衡，降低了钻柱的扭转震荡，延长了钻头、钻柱等配套部件的使用寿命；

（2）该装置产生的高频扭转冲击直接作用于PDC钻头，大大消除了PDC钻头的粘滑现象，既保护了钻头又提高了机械钻速；

（3）该装置的工作能量来源于钻柱振动，能量随着井深的增加而增加，且装置减小了钻柱纵向振动产生的危害；

（4）该装置的工作对钻井液的循环不构成影响，即使工具失效，钻进作业及钻井液循环亦可继续进行；

（5）该装置可应用于各种钻井作业之中，包括：欠平衡钻井、空气钻井及平衡钻井等；

（6）该装置结构简单、性能稳定，使用过程不会为钻井作业带来附加风险。

附图说明

图1是将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置初始位置图；

图2是将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，承受最大下冲击力时状态图；

图3是图1的局部图；

图4是图2的局部图；

图5是传振轴示意图；

图6是图1中的A-A剖面示意图；

图7是图1中的B-B剖面示意图；

图8是图2中的E-E剖面示意图；

图9是冲击锤的剖面示意图；

图10是冲击锤的俯视图；

图11是图1中的C-C剖面示意图；

图12是图1中的D-D剖面示意图；

图13是起振器的剖面示意图。

图中：1、传振轴，101、紧扣圆柱面，102、滑动密封面，103、花键体，104、限位螺纹，105、弹簧内支撑圆柱面，106、连接螺纹，2、密封压盖，3、花键腔密封总成，4、花键外壳，5、限位套，6、弹簧外壳，7、弹簧，8、弹簧腔密封总成，9、过渡接头，10、分隔密封，11、冲击器外壳，12、止推轴承限位套，13、密封圈，14、上止推轴承，15、起振器，1501、冲耳，1502、密封槽，16、冲击锤，1601、锤头，1602、螺旋槽，17、下止推轴承，18、起振器密封圈，19、钻头座，20、钻头座密封圈，21、防掉块，22、壳体花键，23、座体花键，24、小弹簧，25、螺栓孔，26、正冲击面，27、反冲击面，28、壳体防掉槽，29、座体防掉槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

如图1-4所示， 本实用新型提供一种将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，包括有纵向振动总成、复位传扭总成和扭力发生传递总成。

纵向振动总成包括传振轴1，所述传振轴1连接有限位套5和花健体103，所述传振轴1的底部连接有起振器15，所述起振器15上设置有冲耳1501。

所述复位传扭总成包括有花键外壳4、弹簧7、过渡接头9、冲击器外壳11，所述弹簧7的上部与限位套5的下部相接触，所述弹簧7的下部与过渡接头9的上部相接触。传振轴1可以在复位传扭总成的内部腔室中，轴向移动一定距离，其向上移动的距离受限位套5的限制，其向下移动的距离受弹簧7压缩量的限制。

所述扭力发生传递总成包括有冲击锤16，所述冲击锤16设置在钻头座19内，所述冲击锤16内设置有螺旋槽1602，所述起振器15的冲耳1501与冲击锤16的螺旋槽1602相配合。

所述花键外壳4内设置有内花键，花键体103与内花键相配合，将传振轴1的旋转扭矩传递给复位传扭总成，所述冲击器外壳11的下端设有壳体花键22，所述钻头座19的下端设有座体花键23，壳体花键22和座体花键23相配合，将旋转扭矩传递给钻头座19，进一步作用于钻头。

当钻柱向下振动时，起振器15相对于复位传扭总成和扭力发生传递总成向下运动，由于起振器15上的冲耳1501位于冲击锤16上的螺旋槽1602中，当起振器15带动冲耳1501向下运动时压迫冲击锤螺旋槽1602，从而促使冲击锤16在有限的空间内产生顺时针旋转。

当冲耳1501运行到一定位置时，此时冲击锤16的正冲击面26冲击钻头座19，钻头座19承受转盘扭矩的同时还产生周向扭力冲击振动。

当钻柱在弹簧7作用下，向上振动时，起振器15相对于复位传扭总成和扭力发生传递总成向上运动，起振器15上的冲耳1501促使冲击锤16在有限的空间内产生逆时针旋转，此时冲击锤16的反冲击面27冲击钻头座19。

通过钻柱的上下周期性振动，实现了由起振器15的上下运动到冲击锤16的旋转运动，从而产生扭转冲击，达到了缓解PDC钻头钻进高研磨地层时的粘滑现象，减轻了由于钻柱纵向振动产生的危害，提高了机械钻速。

如图5所示，所述传振轴1沿其轴线方向设有通长的圆孔，该圆孔用于钻井液过流；传振轴1顶端带有钻铤扣，用于连接上部的钻具组合；所述传振轴1的外部由顶端到底端依次为紧扣圆柱面101、滑动密封面102、花键体103、用于连接限位套的限位螺纹104、弹簧内支撑圆柱面105、用于连接起振器的连接螺纹106，本实施例中，为了满足工具的强度，所述滑动密封面102为镀铬圆柱面， 滑动密封面102的直径小于紧扣圆柱面101的直径；花键体103的齿顶圆直径与滑动密封面102外径相等，花键体103的齿根圆直径大于限位螺纹104的大径；限位螺纹104的小径大于弹簧内支撑圆柱面105的直径；连接螺纹106的外径小于弹簧内支撑圆柱面105的直径。

如图1-2所示，所述复位传扭总成包括有密封压盖2、花键外壳4、弹簧外壳6、弹簧7、过渡接头9、冲击器外壳11，密封压盖2安装在花键外壳4的顶端，本实施例中，花键外壳4与密封压盖2为螺纹联接。

本实施例中，所述的花键外壳4为圆柱壳体，花键外壳4外侧的上部为密封压盖连接外螺纹、中部为圆柱面、下部为弹簧外壳连接外螺纹；花键外壳4内侧的上部为扶正圆筒、下部为内花键，扶正圆筒的内径略大于滑动密封面102的外径；

如图6所示，内花键与传振轴1的花键体103相配合，形成花键润滑液腔，并将传振轴1的旋转扭矩传递给复位传扭总成，传振轴1可相对于花键外壳4上下滑动；花键外壳4中部开有注油孔，注油孔用于向花键润滑液腔内注入润滑液，注油孔内安装注油孔堵头，用于防止润滑液流出。

花键外壳4的顶端内侧设有花键腔密封总成3，花键腔密封总成3用于防止花键润滑液腔内的润滑油流入环空。

密封压盖2的外径与紧扣圆柱面101的外径相等，密封压盖2的顶端开有圆孔，该圆孔的直径略大于滑动密封面102的外径，该圆孔与滑动密封面102形成密封允许的间隙。

密封压盖2的侧壁内侧设有端盖螺纹，密封压盖2通过端盖螺纹与花键外壳4的外螺纹联接；密封压盖2可以将花键腔密封总成3压紧于花键外壳4内，防止花键润滑液腔内的润滑油将花键腔密封总成3推出。

如图1-2所示，本实施例中，所述的弹簧外壳6为圆柱壳体，所述弹簧7设置在弹簧外壳6内，所述弹簧外壳6的外径与紧扣圆柱面101的外径相同。

弹簧外壳6内侧的上部为上螺纹、中部为弹簧外支撑面、下部为下螺纹；所述弹簧外壳6的上部与花键外壳4螺纹联接，弹簧外壳6的下部与过渡接头9螺纹联接，弹簧外支撑面的内径大于弹簧直径2-6mm；弹簧外壳6中部开有排气孔，在向花键润滑液腔内注入润滑液时，排气孔用于将花键润滑液腔内部的空气排出，排气孔内安装排气孔堵头，排气孔堵头用于防止润滑液流出。

所述弹簧7为复位弹簧，所述复位弹簧的上部、下部分别与限位套5的下平面、过渡接头9的上平面相接触，复位弹簧用于装置整体的复位；弹簧7采用螺旋弹簧与液体弹簧的组合或者碟形弹簧与液体弹簧的组合。

如图1-2所示，本实施例中，所述过渡接头9为圆柱壳体，其外侧的上部为弹簧外壳连接螺纹、中部为接头圆柱面、下部为冲击器外壳连接螺纹，内侧为接头内圆柱面，所述过渡接头9的上部与弹簧外壳6螺纹联接，过渡接头9的下部与冲击器外壳11螺纹联接。

接头内圆柱面的直径略大于弹簧内支撑圆柱面105的外径，接头圆柱面的直径与紧扣圆柱面101外径相等，接头内圆柱面上下两端分别设有两道密封槽，上端密封槽内设有弹簧腔密封总成8，下端密封槽内设有分隔密封10。

如图1-2所示，限位套5的外径略小于弹簧外壳6弹簧外支撑面的内径，限位套5的外径大于花键外壳4花键基圆(即花键齿底圆)的直径，在起钻过程中限位套5为花键外壳4提供向上的力，限位套5的底面为弹簧7的上支撑面。

所述扭力发生传递总成包括有止推轴承限位套12、上止推轴承14、冲击锤16、下止推轴承17、钻头座19、防掉块21；

如图1-4所示，本实施例中，所述的冲击器外壳11为圆柱壳体，冲击器外壳11的外径与紧扣圆柱面101外径相等；其上部与过渡接头9螺纹联接。如图8所示，所述冲击器外壳11下端周向均布4个壳体花键22，钻头座19下端外侧均布4个座体花键23，壳体花键22和座体花键23轴肩定位间隙配合，用于传递转盘扭矩给钻头，壳体花键22与座体花键23的配合由防掉块21定位。

如图7、8所示，冲击器外壳11上部圆周设有通孔，用于加注润滑油和加注润滑油时排出空腔内的空气，通孔内安装通孔堵头，通孔堵头用于防止润滑油流出；冲击器外壳11和钻头座19两者固定以后内部形成空腔，空腔内由上到下依次为止推轴承限位套12、上止推轴承14、冲击锤16和下止推轴承17。

如图1-4所示，所述止推轴承定位套12的外径略小于冲击器外壳11内径，其内径大于弹簧内支撑圆柱面105的圆筒；所述止推轴承定位套12的上部顶紧过渡接头9的轴肩，止推轴承定位套12的下部压紧上止推轴承14，止推轴承限位套12用于固定上止推轴承14。

如图7所示，所述冲击器外壳11上设有四个壳体防掉槽28和四个螺栓孔25；所述钻头座19上设有四个座体防掉槽29，防掉块21能够压缩于座体防掉槽29内，所述座体防掉槽29内设有小弹簧24并与防掉块21连接；在座体防掉槽29移动到壳体防掉槽28处形成空腔时，小弹簧24释放并将防掉块21推向壳体防掉槽28内。当拆卸工具时，通过螺栓孔25将防掉块21压缩至完全位于座体防掉槽29内，同时将冲击器外壳11和钻头座19轴向错开达到拆卸的目的。

如图9所示，起振器15的外部上端设有冲耳1501，起振器15的外部下端设有密封槽，冲耳1501的上端面到密封槽的长度大于冲击锤16的高度，以保证起振器15、钻头座19、冲击器外壳11和过渡接头9组成空腔的密闭性。

如图10、11所示，所述冲击锤16的外部设置有锤头1601，所述冲击锤16的内部布置有两个左旋的螺旋槽1602，所述螺旋槽1602为冲耳1501的滑道。所述冲击锤16的高度与传振轴1的冲程相同，螺旋槽1602的螺旋角与冲击锤16的旋转角度相同。

冲击锤16设于上止推轴承14、钻头座19和下止推轴承17组成的空腔中，并能绕中心轴旋转一定角度。

装置安装时，冲耳1501上端面与上止推轴承14下端面接触并与冲击锤16的上端面处于同一平面；装置工作时，仅能轴向运动的起振器15上下运动，起振器15上冲耳1501压迫冲击锤螺旋槽1602促使冲击锤16在有限的空间内产生周向旋转。

如图1、3所示，装置初始状态时，起振器15的冲耳1501上端面与冲击锤16的上端面接触；如图2、4所示，装置在受最大下冲击力时，起振器15冲耳1501下端面与冲击锤16的下端面平行。

如图1-4所示，所述钻头座19置于冲击器外壳11的内部，钻头座19内部为上下联通的中空结构，上部有与冲击锤16外形相应的空腔，空腔内从上到下设有冲击锤16和下止推轴承17；钻头座19顶部置有上止推轴承14，下部螺纹联接钻头；上止推轴承14在上，钻头座19在下，两者固定后形成空腔，如图12、13所示，空腔内部由内到外依次有起振器15和冲击锤16；钻头座19下部有密封槽，密封槽内设有钻头座密封圈20，起振器15上设置有起振器密封圈18。

本实用新型其工作原理如下：

如图1-5所示，转盘扭矩通过传振轴1的花键体103、花键外壳4内花键、花键外壳4、弹簧外壳6、过渡接头9、冲击器外壳11、钻头座19传输至钻头。

当钻柱向下振动时，起振器15相对于复位传扭总成和扭力发生传递总成向下运动，由于起振器15上的冲耳1501位于冲击锤16上的左旋螺旋槽1602中，当起振器15带动冲耳1501向下运动时压迫冲击锤螺旋槽1602，从而促使冲击锤16在有限的空间内产生顺时针旋转。

当冲耳1501下端面运动至下止推轴承17上端面时，冲击锤16刚好由图12所示状态运动到图13所示状态，此时冲击锤16的正冲击面26冲击钻头座19，该运动使得钻头座19在承受转盘扭矩的同时还产生周向扭力冲击振动。

当钻柱向上振动时，起振器15相对于复位传扭总成和扭力发生传递总成向上运动，由于止推轴承限位套12和上止推轴承14的作用，冲击锤16并不能向上运动，此时起振器15上的冲耳1501在左旋螺旋槽1602中相对于高频振动传输总成向上运动并压迫冲击锤螺旋槽1602，从而促使冲击锤16在有限的空间内产生逆时针旋转。当冲耳1501上端面运动至上止推轴承14下端面时，冲击锤16刚好由图8所示状态运动到图7所示状态，此时冲击锤16的反冲击面27冲击钻头座19。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，其特征在于，包括有纵向振动总成、复位传扭总成和扭力发生传递总成；

纵向振动总成包括传振轴，所述传振轴连接有限位套和花健体，所述传振轴的底部连接有起振器，所述起振器上设置有冲耳；

所述复位传扭总成包括有花键外壳、弹簧、过渡接头、冲击器外壳，所述弹簧的上部与限位套的下部相接触，所述弹簧的下部与过渡接头的上部相接触；

所述扭力发生传递总成包括有冲击锤，所述冲击锤设置在钻头座内，所述冲击锤内设置有螺旋槽，所述起振器的冲耳与冲击锤的螺旋槽相配合；

所述花键外壳内设置有内花键，花键体与内花键相配合；

所述冲击器外壳的下端设有壳体花键，所述钻头座的下端设有座体花键，壳体花键和座体花键相配合。

2.根据权利要求1所述的将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，其特征在于，所述复位传扭总成还包括有密封压盖和弹簧外壳；所述花键外壳的顶端安装有密封压盖；所述弹簧外壳的上部与花键外壳螺纹联接，弹簧外壳的中部还开有排气孔；弹簧外壳的下部与过渡接头的上部螺纹联接，所述过渡接头的下部与冲击器外壳螺纹联接；所述弹簧设置在弹簧外壳内，所述弹簧为复位弹簧，所述复位弹簧的上部、下部分别与限位套的下平面、过渡接头的上平面相接触。

3.根据权利要求2所述的将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，其特征在于，所述扭力发生传递总成还包括有止推轴承限位套、上止推轴承下止推轴承和防掉块；所述冲击器外壳与钻头座相固定并在内部形成空腔，所述空腔的内部由上到下依次为止推轴承限位套、上止推轴承、冲击锤和下止推轴承。

4.根据权利要求3所述的将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，其特征在于，所述冲击器外壳上设有四个壳体防掉槽和四个螺栓孔；

所述钻头座上设有四个座体防掉槽，防掉块能够压缩于座体防掉槽内，所述座体防掉槽内设有小弹簧并与防掉块连接；

在座体防掉槽移动到壳体防掉槽处形成空腔时，小弹簧释放并将防掉块推向壳体防掉槽内。

5.根据权利要求4所述的将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，其特征在于，所述止推轴承定位套的上部顶紧过渡接头的轴肩，止推轴承定位套的下部压紧上止推轴承。

6.根据权利要求5所述的将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，其特征在于，起振器的外部上端设有冲耳，起振器的外部下端设有密封槽，冲耳的上端面到密封槽的长度大于冲击锤的高度。

7.根据权利要求6所述的将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，其特征在于，所述冲击锤的外部设置有锤头，所述螺旋槽为两个左旋的螺旋槽，所述螺旋槽为冲耳的滑道。

8.根据权利要求7所述的将钻柱纵向振动转化为钻头扭转冲击的装置，其特征在于，所述冲击锤的高度与传振轴的冲程相同，螺旋槽的螺旋角与冲击锤的旋转角度相同。