CN101463709B - 一种扭转冲击钻井工具 - Google Patents

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本发明是一种用于在钻井过程中给钻头施加低幅高频扭转冲击的扭转冲击钻井工具。它能提高钻头钻进效率和寿命，减少起下钻、降低钻进成本。其技术方案是：壳体与近钻头钻柱短节用花键连接，由轴肩定位；螺杆马达转子与螺杆马达定子组成螺杆马达，螺杆马达转子通过万向轴和两个轴承偏心连接在传动轴上，传动轴上有四个导流孔；传动轴下端与空腔运载器连接；滑动冲击器放置在空腔内，靠销钉固定，滑动冲击器内有冲击锤；防掉圈用螺纹与壳体连接；近钻头钻柱短节上的承撞轴肩与滑动冲击器的冲击锤配合形成棘轮结构。本发明结构简单，适用于深井硬地层中，由于长度短，该工具同样适用于造斜作业和弯曲井眼中，可减少钻头的粘滑现象、提高机械钻速。

Description

一种扭转冲击钻井工具
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气钻井在钻进过程中给PDC钻头施加低幅高频扭转冲击的扭转冲击钻井工具，同时也适用于在旋转钻井、顶驱-泥浆马达复合钻井、定向钻井以及旋转导向钻井中。
背景技术
PDC钻头钻硬或研磨性地层时，通常没有足够的扭矩来破碎地层，从而使钻头瞬间停止转动。这时，扭转能量储存在钻柱中，钻柱会像发条一样扭紧，一旦产生了剪切破碎地层所需的扭矩，钻柱能量便会释放开来，在PDC齿上施加比平常高得多的冲击载荷，最终使金刚石齿破碎并导致钻头失效。在钻井过程中，起下钻和更换失效的PDC钻头是造成钻井成本增加的一个重要因素。
围绕钻进过程中由于钻头或BHA的粘滑现象造成钻头失效的问题，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。在该理论的指导下，发明了扭转冲击钻井工具。该工具可直接安装在旋转钻井或定向钻井总成中PDC钻头的上方。该工具能给钻头施加小幅高频扭转冲击，当与钻柱稳态扭矩相结合时，能对钻头产生高效的破岩扭矩，从而大大降低钻头的粘滑现象，大幅提高机械钻速，延长钻头寿命，降低钻进成本。该工具的长度短，所以对底部钻具组合的影响很小，可以在旋转钻井、顶驱-泥浆马达复合钻井、定向钻井以及旋转导向钻井中应用。
发明内容
本发明的目的是：针对硬或研磨性地层中因钻头瞬时破岩能量不足导致粘滑振动或卡钻现象，以及为了提高钻头钻进效率和寿命，减少起下钻和降低钻进成本，特提供一种扭转冲击钻井工具。
为了达到上述目的，本发明解决此技术问题所采用的技术方案是：一种扭转冲击钻井工具，是由壳体、螺杆马达定子、螺杆马达转子、万向轴、传动轴、空腔运载器、滑动冲击器和近钻头钻柱短节组成，其结构特征是：壳体与近钻头钻柱短节用花键连接，由轴肩定位；螺杆马达定子固定在壳体内，用内壁定位，螺杆马达转子与螺杆马达定子配合组成螺杆马达，螺杆马达有一个密封腔，螺杆马达转子是中空右旋的；螺杆马达转子与万向轴用螺纹连接，万向轴是中空的，通过滚针轴承和推力球轴承与传动轴的偏心孔连接，传动轴上布置有四个导流孔和一个引流孔，导流孔为传动轴外部流体的流通通道，螺杆马达转子的中心孔、万向轴的中心孔和引流孔是连通的，它们形成液体的另一个流通通道；传动轴下端内孔中安置有辅助止推轴承，传动轴与下端的空腔运载器用螺纹连接，由两个连接端面定位；空腔运载器上端安置止动套，止动套与近钻头钻柱短节上端用螺纹连接，止动套上端安置止推轴承；滑动冲击器安置在空腔运载器的空腔内，靠两个销钉固定，滑动冲击器内部有冲击锤；两个销钉分别安置在空腔运载器内的两个槽与滑动冲击器的环形切口和长条形切口配合形成的孔内；防掉圈用螺纹与壳体连接，空腔运载器与防掉圈之间安置推力滚柱轴承，环形弹簧安置在防掉圈与近钻头钻柱短节轴肩之间；近钻头钻柱短节上的承撞轴肩与滑动冲击器上的冲击锤配合形成棘轮结构，近钻头钻柱短节下端接头连接PDC钻头或其它工具；壳体下端均布有四个40°的壳体花键，形成四个50°的环空间隙；近钻头钻柱短节有四个40°的近钻头钻柱短节花键环绕排列在近钻头钻柱短节端面上，形成四个50°的环空间隙。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：(1)该工具用螺杆马达提供动力，结构简单，长度短，有利于在造斜作业和弯曲井眼中应用；(2)可以给钻头施加一种低幅高频扭转冲击力，从而大大降低钻头的粘滑现象，大幅提高机械钻速；(3)通过给钻头周期性的提供扭转冲击力，可以稳定从近钻头钻柱短节传递给钻头的扭矩，降低卡钻致使钻头失效的可能性，减少起下钻和操作费用，提高综合技术经济效益。
附图说明
图1是本发明一种扭转冲击钻井工具的结构示意图。
图2是本扭转冲击钻井工具的部分剖面示意图。
图3是由横剖面B-B得到的滑动冲击器25与空腔运载器27配合的剖面示意图。
图4是由横剖面A-A得到的壳体1的花键32与近钻头钻柱短节8的花键23配合的剖面示意图。
图中：1.壳体，2.螺杆马达定子，3.螺杆马达转子，4.万向轴，5.传动轴，6.止动套，7.环形弹簧，8.近钻头钻柱短节，9.接头，10.滚针轴承，11.推力球轴承，12.接头，13.防掉圈，14.推力滚柱轴承，15.环空间隙，16.环空间隙，17.辅助止推轴承，18.止推轴承，19.导流孔，20.连接端面，21.连接端面，22.引流孔，23.近钻头钻柱短节花键，24.冲击锤，25.滑动冲击器，26.承撞轴肩，27.空腔运载器，28.销钉，29.销钉，30.环形切口，31.长条形切口，32.壳体花键，33.空腔。
具体实施方式
按照图1、图2所示，本发明扭转冲击钻井工具是由壳体1、螺杆马达定子2、螺杆马达转子3、万向轴4、传动轴5、空腔运载器27、滑动冲击器25和近钻头钻柱短节8等组成，其中壳体1和近钻头钻柱短节8用花键连接，由轴肩定位，壳体1上端的接头9用于连接其它工具，壳体1被驱动时，壳体1和近钻头钻柱短节8通过花键23和花键32配合，以驱动近钻头钻柱短节8；螺杆马达定子2固定在壳体1内，用内壁定位；螺杆马达转子3与螺杆马达定子2配合组成螺杆马达，螺杆马达由钻井液驱动，提供动力驱动滑动冲击锤25间歇转动；螺杆马达转子3与万向轴4用螺纹连接；万向轴4是中空的，通过滚针轴承10和推力球轴承11与传动轴5的偏心孔连接，传动轴5上均布有四个导流孔19和一个引流孔22，导流孔19为传动轴外部流体的流通通道，螺杆马达转子3的中心孔、万向轴4的中心孔与引流孔22是连通的，它们形成液体的另一个流通通道；传动轴5下端内孔中安置有辅助止推轴承17，传动轴5与下端的空腔运载器27用螺纹连接，由连接端面20和连接端面21定位；空腔运载器27上端安置止动套6，止动套6与近钻头钻柱短节8上端用螺纹连接；滑动冲击器25安置在空腔运载器27的空腔33内，靠销钉28和销钉29固定，滑动冲击器25内部有冲击锤24，销钉28和销钉29分别安置在空腔运载器27内的两个槽与滑动冲击器25的环形切口30和长条形切口31配合形成的孔内；防掉圈13用螺纹与壳体1连接，空腔运载器27与防掉圈13之间安置推力滚柱轴承14；环形弹簧7安置在防掉圈13与近钻头钻柱短节8轴肩之间；近钻头钻柱短节8上的承撞轴肩26与滑动冲击器25上的冲击锤24配合形成棘轮结构，近钻头钻柱短节8下端接头12连接PDC钻头或其它工具。
按照图2、图3所示，近钻头钻柱短节8的轴间有一个径向外凸的承撞轴肩26。当传动轴5转动空腔运载器27时，空腔运载器27带动滑动冲击器25周期性的冲击承撞轴肩26，并且把扭矩传递给近钻头钻柱短节8。
滑动冲击器25安置在空腔运载器27的空腔33内，靠销钉28和销钉29固定，它有一个径向内凸的冲击锤24；滑动冲击器25的一边有一个环形切口30，相对的一边有一个长条形切口31，销钉28和销钉29分别安置在空腔运载器27内的两个槽与滑动冲击器25的环形切口30和长条形切口31配合形成的孔内；环形切口30和长条形切口31的尺寸是确定的，以便滑动冲击器25能以销钉28为轴转动，并通过第二销钉29在长条形切口31上滑动，从而使滑动冲击器25能够围绕承撞轴肩26周期性的做同心和偏心转动。
空腔运载器27下端安置有推力滚柱轴承14，推力滚柱轴承14下端是防掉圈13，它用螺纹与壳体1连接，可以起到防掉作用。
在壳体1和近钻头钻柱短节8内孔中有钻井液流通通道。导流孔19为传动轴5外部流体的流通通道；螺杆马达转子3的中心孔、万向轴4的中心孔和引流孔22是连通的，它们形成液体的另一个流通通道；钻井液最后都流经近钻头钻柱短节8的内孔，然后流至钻头。
当工具钻进地层时，近钻头钻柱短节8向上压缩环形弹簧7；当工具停止钻进时，环形弹簧7恢复到原状态，致使近钻头钻柱短节花键23与壳体花键32分开，此时止动套6的下端面与空腔运载器27上端面连接，以阻止近钻头钻柱短节8下落；环形弹簧7在防掉圈13和近钻头钻柱短节8的一个端面之间起作用。
按照图4所示，该工具壳体1下端均布有四个40°的壳体花键32，形成四个50°的环空间隙15；近钻头钻柱短节8也有四个40°的近钻头钻柱短节花键23环绕排列在近钻头钻柱短节8端面上，形成四个50°的环空间隙16。

Claims (3)

1.一种扭转冲击钻井工具，是由壳体、螺杆马达定子、螺杆马达转子、万向轴、传动轴、空腔运载器、滑动冲击器和近钻头钻柱短节组成，其特征是：壳体(1)和近钻头钻柱短节(8)用花键连接，由轴肩定位；螺杆马达转子(3)与螺杆马达定子(2)配合组成螺杆马达，螺杆马达转子(3)与万向轴(4)用螺纹连接；万向轴(4)是中空的，通过滚针轴承(10)和推力球轴承(11)与传动轴(5)的偏心孔连接，传动轴(5)上布置有四个导流孔(19)和一个引流孔(22)；螺杆马达转子(3)的中心孔、万向轴(4)的中心孔与引流孔(22)是连通的；传动轴(5)下端内孔中安置有辅助止推轴承(17)，传动轴(5)与下端的空腔运载器(27)用螺纹连接，由第一连接端面(20)和第二连接端面(21)定位；空腔运载器(27)上端安置止动套(6)，止动套(6)与近钻头钻柱短节(8)上端用螺纹连接，止动套(6)上端安置止推轴承(18)；滑动冲击器(25)安置在空腔运载器(27)的空腔(33)内，靠第一销钉(28)和第二销钉(29)固定，滑动冲击器(25)内部有冲击锤(24)，第一销钉(28)安置在空腔运载器(27)内的半圆槽与滑动冲击器(25)上的环形切口(30)配合形成的孔内，第二销钉(29)安置在空腔运载器(27)内的另一个半圆槽与滑动冲击器(25)上的长条形切口(31)配合形成的孔内；防掉圈(13)用螺纹与壳体(1)连接；空腔运载器(27)与防掉圈(13)之间安置推力滚柱轴承(14)；环形弹簧(7)是在防掉圈(13)与近钻头钻柱短节(8)轴肩之间；近钻头钻柱短节(8)上的承撞轴肩(26)与滑动冲击器(25)上的冲击锤(24)配合形成棘轮结构，近钻头钻柱短节(8)下端接头(12)连接PDC钻头。
2.根据权利要求1所述的扭转冲击钻井工具，其特征是：螺杆马达转子(3)与螺杆马达定子(2)组成的螺杆马达有一个密封腔，螺杆马达转子(3)是中空右旋的。
3.根据权利要求1所述的扭转冲击钻井工具，其特征是：壳体(1)下端均布有四个40°的壳体花键(32)，形成四个50°的环空间隙(15)；近钻头钻柱短节(8)有四个40°的近钻头钻柱短节花键(23)环绕排列在近钻头钻柱短节(8)端面上，形成四个50°的环空间隙(16)。
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