CN102678059A - 机械式钻具蓄能保护工具 - Google Patents

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机械式钻具蓄能保护工具，应用于石油天然气钻井领域。在上接头的下端螺纹连接一个内螺纹外套，内螺纹外套的内壁上有向内凸起的环形限位台肩，在内螺纹外套下端内壁上有内螺纹；在内螺纹外套内螺纹连接一个外螺纹心轴，内螺纹外套的外壁上有外螺纹；内螺纹外套的上端穿过限位台肩，在内螺纹外套的顶部外壁上螺纹固定一个限位套。外螺纹心轴中心孔内有一个压缩弹簧，压缩弹簧下端有下弹簧座，压缩弹簧的上端有上弹簧座。效果是：能实现钻头或扩眼器钻进时过载扭矩的平衡。能够降低钻头或者扩眼器的粘滑效应，提高钻井效率及钻井工具的使用寿命。适用于常规钻井、定向钻井、旋转导向钻井及扩眼作业。

Description

机械式钻具蓄能保护工具
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井领域，特别涉及一种连接在钻头上部的专用工具，具体的说是一种机械式钻具蓄能保护工具，能够将钻井过程中对钻头产生的过载扭矩储存起来，起到保护钻具、提高钻井机械钻速的作用，该工具适用于常规钻井、定向钻井、旋转导向钻井及扩眼作业，还可应用于连续管钻修井作业。
背景技术
在钻井过程中，PDC钻头（或扩眼器）钻硬地层或耐磨地层的时候，钻头会瞬间停止转动，直至有足够的扭矩能剪切开岩块后，才能继续转动。由于扭矩能量寄存钻柱中，钻柱会产生扭曲。一旦所需扭矩产生足够多，钻头将会以高于普通钻头的转速轻松破岩。这种猛烈变化动作就称之为“粘-滑”现象（stick-slip），这种现象最终会破坏钻头上嵌入金刚石的完整性，导致钻头切刀受损、钻头失效。同时钻柱聚集大量的扭矩能量后，也容易损坏一些精细的工具，如旋转导向工具、MWD等，还会造成钻柱的粘扣。
目前，国内油田常用“轻吊慢打”的方法实现硬地层或耐磨地层的钻进，这种方法虽减少了钻头的损坏，但是降低了钻井速度。
中国专利公开号为：CN1034242A，提供了一种“插入式弹卡钻杆接头”。由下接头、上接头、筒状弹簧卡套和锁环组成；上接头的连接螺纹公扣插到下接头的连接螺纹母扣中，在重力作用下自动旋紧，再用筒状弹簧卡套将它们自锁并用锁环限位。上接头和下接头各有一端与钻杆相连，它们的另一端即连接螺纹公扣和连接螺纹母扣自动旋紧，借筒状弹簧卡套将两个接头锁紧，并用锁环限位，从而把两根钻杆连接起来。
发明内容
本发明的目的是：提供一种机械式钻具蓄能保护工具，能够将钻井过程中钻头产生的过载扭矩能量储存起来，起到保护钻具、提高钻井机械钻速的作用；克服因“粘-滑”现象导致钻头切刀受损、导致钻头失效的不足。
本发明采用的技术方案是：机械式钻具蓄能保护工具，主要由上接头、内螺纹外套、外螺纹心轴、限位套、上弹簧座、下弹簧座和压缩弹簧组成。上接头为圆柱体形有中心孔，上接头是上端有钻具内螺纹，上接头的下端有外螺纹，其特征在于：在上接头的下端螺纹连接一个内螺纹外套，所述的内螺纹外套为圆筒形，在内螺纹外套的上端有内螺纹，在内螺纹外套的内壁上有向内凸起的环形限位台肩，在内螺纹外套下端内壁上有内螺纹；所述的内螺纹外套的下端内螺纹是右旋矩形螺纹，内螺纹的螺旋角在25～45度之间；螺距在20～24mm之间；在内螺纹外套内螺纹连接一个外螺纹心轴，所述的外螺纹心轴为圆筒状，内螺纹外套的下端有钻具外螺纹，内螺纹外套的外壁上有外螺纹；所述的内螺纹外套外壁上的外螺纹是右旋矩形螺纹，外螺纹的螺旋角在25～45度之间；螺距在20～24mmmm之间；内螺纹外套的上端穿过限位台肩，在内螺纹外套的顶部外壁上螺纹固定一个限位套；限位套为圆环形，限位套在内螺纹外套的限位台肩上部，限位台肩能起到阻挡限位套向下滑动的作用。外螺纹心轴中心孔内有一个压缩弹簧，压缩弹簧的下端有环形下弹簧座，下弹簧座的下端面在外螺纹心轴的内台肩上；在压缩弹簧的上端有环形上弹簧座，上弹簧座在内螺纹外套内并且上弹簧座的上端面与上接头的下端面接触。
为了限制内螺纹外套向下移动的距离（弹簧的压缩距离），所述的外螺纹心轴外壁有环形台肩，外螺纹心轴的环形台肩的上端面与内螺纹外套的下端面之间的距离为200～400mm之间。
简述本发明机械式钻具蓄能保护工具的工作原理。参阅图1。该工具连接到钻柱下端并位于MWD或者旋转导向工具（如果没有旋转导向工具可直接连接到钻头或者扩眼器上面）之上。
机械式钻具蓄能保护工具的初始状态时，压缩弹簧6设计一定的预紧力为1t；压缩弹簧6的预紧力推动外螺纹心轴5，内螺纹外套2内部加工有限位台肩8，限位台肩8和限位套4限定外螺纹心轴5向外伸出的长度。外螺纹心轴5内部的外螺纹9与内螺纹外套2内部的内螺纹10配合。此时，压缩弹簧6的预紧力将外螺纹心轴5与内螺纹外套2相对旋转设定一个扭矩边界:4kNm，该扭矩边界略大于正常钻井扭矩。
常规钻进时，由于钻头扭矩未到达外螺纹心轴5与内螺纹外套2相对旋转的扭矩边界4kNm，机械式钻具蓄能保护工具的外螺纹心轴5与内螺纹外套2之间不旋转。
当钻头遇到硬地层或耐磨地层的时候，钻头或者扩眼器会对钻柱产生较大的反扭矩。一旦该反扭矩大于内螺纹外套2和外螺纹心轴5之间的相对旋转扭矩边界4kNm，外螺纹心轴5与内螺纹外套2之间相对旋转，进一步压缩压缩弹簧6。此时，机械式钻具蓄能保护工具总长度变短，一方面储存过大的反扭矩能量，平衡钻头或者扩眼器上的扭矩；一方面降低了一部分钻压。能够降低钻头或者扩眼器的粘滑效应，提高钻井效率及钻井工具的使用寿命。
当机械式钻具蓄能保护工具承受的反扭矩减少时，压缩弹簧6会适当的伸长，钻头或扩眼器正常钻进。
本发明的有益效果：本发明机械式钻具蓄能保护工具，能实现钻头或扩眼器钻进时过载扭矩的平衡。能够降低钻头或者扩眼器的粘滑效应，提高钻井效率及钻井工具的使用寿命。该工具适用于常规钻井、定向钻井、旋转导向钻井及扩眼作业，还可应用于连续管钻修井作业。
附图说明
图1是本发明机械式钻具蓄能保护工具结构剖面示意图。
图中，1上接头，2-内螺纹外套，3-上弹簧座，4-限位套，5-外螺纹心轴，6-压缩弹簧，7-下弹簧座，8-限位台肩，9-外螺纹，10-内螺纹。
具体实施方式
实施例1：以一个6 3/4”机械式钻具蓄能保护工具的8 1/2”垂直井眼钻井为例，对本发明专利进行详细说明。
参阅图1。本发明机械式钻具蓄能保护工具，主要由上接头1，内螺纹外套2，外螺纹心轴5，限位套4，上弹簧座3，下弹簧座7和压缩弹簧6组成。
上接头1为圆柱体形，外径160mm，上接头1有直径35mm的中心孔（钻井液通道），上接头1是上端有6 3/4”API标准钻具内螺纹，上接头1的下端有连接外螺纹。在上接头1的下端螺纹连接一个内螺纹外套2，所述的内螺纹外套2为圆筒形，在内螺纹外套2的上端有连接内螺纹，在连接内螺纹的下部有直径为91mm的中心孔。在内螺纹外套2的内壁上有向内凸起5mm的环形限位台肩8，环形限位台肩8在内螺纹外套2下端内壁上有内螺纹10；所述的内螺纹外套2的下端内螺纹10是右旋矩形螺纹，内螺纹10的螺旋角为30度；螺距是22mm。在内螺纹外套2内螺纹10连接一个外螺纹心轴5，所述的外螺纹心轴5为圆筒状，内螺纹外套2的下端有6 3/4”API标准钻具连接外螺纹；内螺纹外套2的外壁上有外螺纹9；所述的内螺纹外套2外壁上的外螺纹9是右旋矩形螺纹，外螺纹9的螺旋角为30度；螺距为22mm。内螺纹外套2的上端穿过限位台肩8中心孔。在内螺纹外套2的顶部外壁上螺纹固定一个限位套4；限位套4为圆环形，限位套4的外径90mm。限位套4在内螺纹外套2的限位台肩8上部，限位台肩8能起到阻挡限位套4向下滑动的作用。外螺纹心轴5中心孔内有一个压缩弹簧6，压缩弹簧6的下端有环形下弹簧座7，下弹簧座7的下端面在外螺纹心轴5的内台肩上；在压缩弹簧6的上端有环形上弹簧座3，上弹簧座3在内螺纹外套2内并且上弹簧座3的上端面与上接头1的下端面接触。
所述的外螺纹心轴5外壁有环形台肩，外螺纹心轴5的环形台肩的上端面与内螺纹外套2的下端面之间的距离为300mm。

Claims (2)

1.一种机械式钻具蓄能保护工具，主要由上接头(1)、内螺纹外套(2)、外螺纹心轴(5)、限位套(4)、上弹簧座(3)、下弹簧座(7)和压缩弹簧(6)组成；上接头(1)为圆柱体形有中心孔，上接头(1)是上端有钻具内螺纹，上接头(1)的下端有外螺纹，其特征在于：在上接头(1)的下端螺纹连接一个内螺纹外套(2)，所述的内螺纹外套(2)为圆筒形，在内螺纹外套(2)的上端有内螺纹，在内螺纹外套(2)的内壁上有向内凸起的环形限位台肩(8)，在内螺纹外套(2)下端内壁上有内螺纹(10)；所述的内螺纹外套(2)的下端内螺纹(10)是右旋矩形螺纹，内螺纹(10)的螺旋角在25～45度之间；螺距20～24mm之间；在内螺纹外套(2)内螺纹连接一个外螺纹心轴(5)，所述的外螺纹心轴(5)为圆筒状，内螺纹外套(2)的下端有钻具外螺纹，内螺纹外套(2)的外壁上有外螺纹(9)；所述的内螺纹外套(2)外壁上的外螺纹(9)是右旋矩形螺纹，外螺纹(9)的螺旋角在25～45度之间；螺距20～24mm之间；内螺纹外套(2)的上端穿过限位台肩(8)，在内螺纹外套(2)的顶部外壁上螺纹固定一个限位套(4)；限位套(4)为圆环形，限位套(4)在内螺纹外套(2)的限位台肩(8)上部；外螺纹心轴(5)中心孔内有一个压缩弹簧(6)，压缩弹簧(6)的下端有环形下弹簧座(7)，下弹簧座(7)的下端面在外螺纹心轴(5)的内台肩上；在压缩弹簧(6)的上端有环形上弹簧座(3)，上弹簧座(3)在内螺纹外套(2)内并且上弹簧座(3)的上端面与上接头(1)的下端面接触。
2.根据权利要求1所述的机械式钻具蓄能保护工具，其特征是：所述的外螺纹心轴(5)外壁有环形台肩，外螺纹心轴(5)的环形台肩的上端面与内螺纹外套(2)的下端面之间的距离为200～400mm之间。
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