CN102454364B - 一种扭转冲击钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种扭转冲击钻井工具，钻井工程中能给钻头施加高频扭转冲击。其技术方案：主要由钻铤短节、扭转冲击发生器和联接体组成；钻铤短节与扭转冲击发生器间以联接体间隙联接，花键定位；导流盖固定在锤座上，内部形成空腔由内到外依次为截流喷嘴、筛管、定位套、冲击锤；筛管与锤座固定；冲击锤、定位套、筛管和锤座圆周方向有通孔；冲击锤上加工有冲击锤头和启动锤头。该工具安装于钻铤与钻头间，钻头接收钻柱旋转扭矩同时，接收冲击锤在流体驱动下产生的高频扭转冲击。本发明与其它钻井工具相比，能产生高频扭转冲击，消除钻头粘-滑现象，提高较硬或研磨性地层机械钻速，延长钻头等钻柱配套部件使用寿命，提高钻井效率，降低钻井成本。

Description

一种扭转冲击钻井工具

技术领域

本发明涉及钻井工程中井下工具领域。 

技术背景

钻头在使用过程存在以下几方面的问题： 

(1)钻进过程中，钻头通常有粘-滑、卡钻现象，钻柱总是像发条一样拧紧，待扭矩积聚，又快速释放，这种工程问题较为严重，钻柱扭转震荡，使整个钻井过程不稳定，对钻头、钻柱配套部件的使用寿命产生不利影响。 

(2)对于较硬地层或研磨性地层，钻头的吃入深度不够，机械钻速有待提高。 

目前钻井作业中使用的各类旋冲或冲旋工具只能产生轴向冲击力，不但不会解决钻头粘-滑、卡钻现象，加剧的不稳定钻进反而会缩短钻头寿命。美国的TorkBuster扭转冲击发生器(专利号：US 6742609B2)采用涡轮驱动冲击锤产生高频扭转冲击，西南石油大学的扭转冲击钻井工具(专利申请号：200910058083.9)利用螺杆钻具驱动冲击锤，这两种钻井工具易损件多、消耗的压降大。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种扭转冲击钻井工具，目前旋转钻井中，一方面，对于较硬地层或研磨性地层的机械钻速有待提高；另一方面，作为石油钻井的钻头——钻头的粘-滑现象亟待解决。因此，迫切需要一种能够提高较硬或研磨性地层的机械钻速、解决PDC 钻头粘-滑现象的井下工具。在现有钻井体系工况下，该工具巧妙地将部分钻井液的流体能量转换成高频的、周向扭转的、冲击型的井底机械破岩功率并直接作用钻头上，这种能够产生高频小幅度扭转冲击的钻井工具能够使钻头稳定的钻进，工具内部无涡轮或螺杆等其它钻具，易损件少，消耗的压降少，使用寿命长。本发明的目的就是为了提高较硬地层或研磨性地层的机械钻速，消除钻头的粘-滑现象提供一种扭转冲击钻井工具。 

为达到上述目的，该发明采用了以下技术方案：一种扭转冲击钻井工具，主要由钻铤短节、扭转冲击发生器和联接体组成，其特征在于：所述扭转冲击发生器主要由导流盖、轴环、冲击锤、定位套、扶正圈、截流喷嘴、筛管、锤座、支撑环和封盖环组成；钻铤短节在外，扭转冲击发生器在内，二者以联接体间隙联接，以花键定位；导流盖在上，锤座在下，二者固定后内部形成空腔，空腔内由内到外依次为截流喷嘴、筛管、定位套、冲击锤；冲击锤、定位套、筛管和锤座圆周方向有通孔；冲击锤上加工有冲击锤头和启动锤头，冲击锤头封闭在主要由锤座、冲击锤和导流盖组成的冲击仓内并能转动，启动锤头封闭在主要由冲击锤、定位套和封盖环组成的启动仓中并能转动；冲击锤上、下安装有轴环；定位套由安装于筛管上的支撑环支撑，定位套与筛管之间安装有扶正圈；钻铤短节为圆管状，上端有螺纹，下端与锤座外侧有花键相互扣合形成的环状间隙；锤座外形为圆柱状，上部有锤座导流道，下部有与钻铤短节扣合的花键，锤座内部为上下联通的中空结构，上部有与冲击锤外形相应的空腔，下部有内螺纹；定 位套中空结构，外侧有U形结构，与启动锤头外形相应，沿圆周方向有通孔；筛管为圆管状，与锤座固定，筛管上部圆周方向有过流槽，下部圆周方向有泄流通道；截流喷嘴为圆管状，下部有螺纹，固定在筛管内过流槽与泄流通道之间；封盖环位于定位套与冲击锤之间，并在导流盖下面；导流盖上分流槽；联接体、轴环、扶正圈、支撑环、封盖环为滚动体组合，或为环状体或环状体组合； 

该发明具有以下优点： 

利用流体驱动能够产生高频扭转冲击能使钻柱的扭矩保持基本稳定和平衡，减少钻柱扭转震荡、延长钻头、钻柱等配套部件的使用寿命。 

该钻井工具产生的高频扭转冲击直接作用在钻头上，提高机械钻速的同时，消除了钻头的粘-滑、卡钻现象，使钻头稳定的钻进。 

该钻井工具内部运动部件少，易损件少，结构简单、可打捞。 

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。 

图1为扭转冲击钻井工具结构剖面图 

图2为扭转冲击钻井工具结构剖面图 

图3为图1、2中的A-A截面图 

图4为图1、2中的B-B冲击锤顺时针敲击截面图 

图5为图1、2中的B-B冲击锤逆时针敲击截面图 

图6为图1、2中的C-C截面图 

1-钻铤短节；2-导流盖；3-轴环；4-冲击锤；5-定位套；6-扶正圈；7-截流喷嘴；8-联接体；9-筛管；10-锤座；11-支撑环；12-封盖环；13-导流通孔；14-分流槽；15-花键；16-泄流通道；17-过流槽；18-环状间隙；19-冲击仓；20-冲击仓出口流道；21-冲击锤头；22-冲击仓入口流道；23-正敲击面；24-启动仓出口流道；25-反定位面；26-启动锤头；27-启动仓入口流道；28-启动仓；29-反敲击面；30-正定位面；31-锤座导流道 

具体实施方式

图1所示，扭转冲击钻井工具主要由钻铤短节1、扭转冲击发生器和联接体8组成，所述扭转冲击发生器主要由导流盖2、轴环3、冲击锤4、定位套5、扶正圈6、截流喷嘴7、筛管9、锤座10、支撑环11和封盖环12组成；图1、2所示，钻铤短节1在外，扭转冲击发生器在内，二者以联接体8间隙联接，以花键15定位；联接体8由20个滚珠组成；参见图1、2、4、5、6，钻铤短节1为圆管状，上端有螺纹，下端与锤座10外侧有花键15相互扣合形成的环状间隙18；锤座10外形为圆柱状，上部有锤座导流道31，下部有与钻铤短节1扣合的花键15，锤座10内部为上下联通的中空结构，上部有与冲击锤4外形相应的空腔，下部有内螺纹；导流盖2在上，锤座10在下，二者固定后内部形成空腔，空腔内由内到外依次为截流喷嘴7、筛管9、定位套5、冲击锤4；冲击锤4、定位套5、筛管9和锤座10圆周方向有通孔；冲击锤4上加工有1个冲击锤头21和1个启动锤头26，冲击锤头21封闭在主要由锤座10、冲击锤4和导流盖2组成的冲击仓19内并能转动，启动锤头26封闭在主要由冲击锤4、定位套5和封盖环12组成的启动仓28中并能转动；冲击锤4上、下安装有1个轴环3；定位套5由安装于筛管9上的支撑环11支撑，定位套5与筛管9之间上、下各安装有1个扶正圈6；定位套5中空结构，外侧有1个U形结构，与启动锤头26外形相应，沿圆周方向2个通孔；筛管9为圆管状，与锤座10固定，筛管9上部圆周方向有过流槽17，下部圆周方向有8个泄流通道16；截流喷嘴7为圆管状，下部有螺纹，固定在筛管9内过流槽17与泄流通道16之间；封盖环12位于定位套5与冲击锤4之间，并在导流盖2下面；上分流槽14；轴环3、扶正圈6、支撑环11、封盖环12都为环状体。钻铤短节1上部螺纹连接钻柱；锤座10下部内螺纹连接钻头。

工作时，旋转钻柱驱动钻铤短节1转动，由扣合的花键15带动与锤座10相连的钻头旋转；流体由导流通孔13经截流喷嘴7分流成三部分：一部分直接到达钻头；一部分流体经分流槽14到锤座导流道31，由启动仓入口流道27流入启动仓28，推动启动锤头26贴合反定位面25，使冲击锤4和定位套5以相同角速度逆时针转动，当冲击锤头21由正敲击面23到达反敲击面29时，冲击锤4停止转动，定位套5仍继续逆时针转动，直至启动锤头26与正定位面30贴合，使启动仓28中的流体由启动仓出口流道24流出，经泄流通道16到达钻头；就在冲击锤4和定位套5一同逆时针旋转使冲击锤头21刚刚离开正敲击面23时，另一部分流体经筛管9上开有的过流槽17，由冲击仓入口流道22流入冲击仓19，此时冲击仓19由冲击锤头21分隔成两个空间，与正敲击面23相邻的空间因冲击仓入口流道22涌入流体而不断扩大，与反敲击面29相邻的空间流体因冲击仓出口流道20流出而不断缩小，冲击锤头21两边产生压差，推动冲击锤头21继续逆时针旋转，直到反敲击面29，由冲击仓出口流道20流出的流体经泄流通道16，最后也到达钻头。每当冲击锤头21与反敲击面29贴合、启动锤头26与正定位面30贴合时，启动仓入口流道27和冲击仓入口流道22开启，流体驱动冲击锤4与定位套5顺时针旋转，直至冲击锤4与正敲击面23贴合、定位套5与反定位面25贴合，而此时启动仓入口流道27和冲击仓入口流道22又开启，冲击锤4与定位套5又开始进行上述的逆时针旋转的过程，这样在流体驱动下，冲击锤4顺时针冲击过程与逆时针冲击过程交替进行。 

以上仅是实现本发明的一种方法，基于此发明原理的其它实现形式在本发明的范围之内。 

Claims (5)

1.一种扭转冲击钻井工具，主要由钻铤短节(1)、扭转冲击发生器和联接体(8)组成，其特征在于：所述扭转冲击发生器主要由导流盖(2)、轴环(3)、冲击锤(4)、定位套(5)、扶正圈(6)、截流喷嘴(7)、筛管(9)、锤座(10)、支撑环(11)和封盖环(12)组成；钻铤短节(1)在外，扭转冲击发生器在内，二者以联接体(8)间隙联接，以花键(15)定位；导流盖(2)在上，锤座(10)在下，二者固定后内部形成空腔，空腔内由内到外依次为截流喷嘴(7)、筛管(9)、定位套(5)、冲击锤(4)；冲击锤(4)、定位套(5)、筛管(9)和锤座(10)圆周方向有通孔；冲击锤(4)上加工有冲击锤头(21)和启动锤头(26)，冲击锤头(21)封闭在主要由锤座(10)、冲击锤(4)和导流盖(2)组成的冲击仓(19)内并能转动，启动锤头(26)封闭在主要由冲击锤(4)、定位套(5)和封盖环(12)组成的启动仓(28)中并能转动；冲击锤(4)上、下安装有轴环(3)；定位套(5)由安装于筛管(9)上的支撑环(11)支撑，定位套(5)与筛管(9)之间安装有扶正圈(6)。 

2.根据权利要求1所述的一种扭转冲击钻井工具，其特征为：钻铤短节(1)为圆管状，上端有螺纹，下端与锤座(10)外侧有花键(15)相互扣合形成的环状间隙(18)；锤座(10)外形为圆柱状，上部有锤座导流道(31)，下部有与钻铤短节(1)扣合的花键(15)，锤座(10)内部为上下联通的中空结构，上部有与冲击锤(4)外形相应的空腔，下部有内螺纹。 

3.根据权利要求1所述的一种扭转冲击钻井工具，其特征为： 定位套(5)中空结构，外侧有U形结构，与启动锤头(26)外形相应，沿圆周方向有通孔。 

4.根据权利要求1所述的一种扭转冲击钻井工具，其特征为：筛管(9)为圆管状，与锤座(10)固定，筛管(9)上部圆周方向有过流槽(17)，下部圆周方向有泄流通道(16)；截流喷嘴(7)为圆管状，下部有螺纹，固定在筛管(9)内过流槽(17)与泄流通道(16)之间。 

5.根据权利要求1所述的一种扭转冲击钻井工具，其特征为：封盖环(12)位于定位套(5)与冲击锤(4)之间，并在导流盖(2)下面；导流盖(2)有分流槽(14)。 

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