CN102747957B - 一种激发钻柱振动的钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激发钻柱振动的钻井工具，包括：上壳体，上壳体的上端安装有转换接头，转换接头的下方滑动设置有活塞杆，活塞杆上设有中空的活塞杆流道；下壳体，下壳体的上端与活塞杆的下端之间固定连接，在下壳体内设有导流驱动装置，以及位于导流驱动装置下方的盘阀装置。将本发明的激发钻柱振动的钻井工具接入钻柱进行钻进时，利用钻井液驱动特殊的阀门系统，产生水力冲击，带动下部钻柱在轴向上进行周期性振动，可以消除高摩扭井段钻进过程中产生的“拖压”及“粘滑”现象，改善钻柱与井壁之间的接触状态，将上部钻压和扭矩有效的传递到钻头，提高机械钻速。

Description

一种激发钻柱振动的钻井工具

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井的配套装置技术领域，尤其涉及一种激发钻柱振动的钻井工具。

背景技术

在利用钻柱进行石油或天然气钻井过程中，钻柱与井壁之间的接触及摩擦将消耗部分钻压，这种现象随着井斜的增大、岩屑床的形成和井眼内液柱压力和地层压力之间差值的增大而逐渐显现，严重时钻柱将完全停止运动，造成卡钻事故。因此，如何减少钻柱与井壁之间的接触和摩擦，是将上部钻柱的部分重量向下顺利传递至钻头，确保钻头高效破岩钻进的关键。一般的做法是优化井身结构和泥浆性能，减少或避免岩屑床的形成，提高泥饼质量，采用旋转导向钻井和欠平衡或近平衡钻井方式等。但是上述技术措施均存在一定的局限性，难以普遍推广使用。

研究表明：振动能够改变摩擦副之间的摩擦状态，使摩擦副之间的摩擦系数降低，振动减阻技术已经广泛应用于各个工程领域。振动减阻技术属于可控的主动减阻技术，如何将其应用于钻柱与井壁减阻，以克服常规减摩阻扭矩技术的局限性，是高摩阻井钻井减阻理论研究及工具研制的一个重要发展方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种激发钻柱振动的钻井工具，使钻柱在轴向上产生周期性振动，以减少钻柱与井壁之间的接触和摩擦，提高机械钻速。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种激发钻柱振动的钻井工具，包括：一个筒状的上壳体，所述上壳体的上端安装有转换接头，所述转换接头的下方滑动设置有活塞杆，所述活塞杆的下端伸出所述上壳体的下端，所述活塞杆上设有沿其轴向延伸的中空的活塞杆流道；一个筒状的下壳体，所述下壳体的上端与所述活塞杆的下端固定连接，所述下壳体内设有位于所述活塞杆下方的导流驱动装置，以及位于所述导流驱动装置下方的盘阀装置，用于周期性接通或者阻断钻井液。

作为优选，所述导流驱动装置包括转动设置的心轴，所述心轴沿所述下壳体的轴向延伸；导流头，所述导流头固定设置于所述心轴的上端，所述导流头上设置有倾斜的导流头流道。

作为优选，所述盘阀装置包括动阀盘，所述动阀盘固定设置于所述心轴的下端，所述动阀盘上设有与其轴向一致的动阀盘流道；静阀盘，所述静阀盘固定设置于所述下壳体的下端，所述静阀盘上设有与其轴向一致的静阀盘流道，所述静阀盘流道与所述动阀盘流道位置相对应。

作为优选，所述上壳体与所述下壳体之间还设置有中间接头，所述中间接头的下端与所述下壳体的上端螺纹连接，所述中间接头的上端与所述活塞杆的下端螺纹连接。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：由于本发明的激发钻柱振动的钻井工具包括：一个筒状的上壳体，上壳体的上端安装有转换接头，转换接头的下方滑动设置有活塞杆，活塞杆的下端伸出上壳体的下端，活塞杆上设有中空的活塞杆流道；一个筒状的下壳体，下壳体的上端与活塞杆的下端之间固定连接，在下壳体内设有位于活塞杆下方的导流驱动装置，以及位于导流驱动装置下方的盘阀装置；本发明的钻井工具在使用时，转换接头与上部钻柱连接，下壳体的下端与下部钻柱连接，钻井液自上部钻柱进入转换接头，流经活塞杆流道后，冲击导流驱动装置，导流驱动装置在钻井液的冲击作用下转动，从而带动盘阀装置周期性接通或者阻断钻井液，当钻井液的流动被瞬间截止时，由于水击效应，盘阀装置上部钻井液压力急剧上升，致使作用在活塞杆上端的压力相应急剧增大，活塞杆与下壳体向下运动，冲击作用于连接在下壳体下端的下部钻柱；当钻井液的流动通道打开时，盘阀装置上部被压缩的钻井液得以向下释放，水击效应消除，作用在活塞杆上端的压力相应减小，钻井液驱使导流驱动装置带动盘阀装置使钻井液流道周期性重合和错开，如此交替往复，形成周期性作用力作用于连接在下壳体下端的下部钻柱上，激发钻柱在轴向上周期性振动，使得钻柱与井壁之间的静止接触及摩擦得以消除，上部钻柱的重力可以向下顺利传递，形成作用在钻头的有效钻压，使得钻头的破岩钻进效率提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

附图是本发明实施例的结构剖视示意图；

图中：1-转换接头；2-上壳体；3-活塞杆；31-活塞杆流道；4-中间接头；5-下壳体；6-导流头；61-导流头流道；7-内筒；8-心轴；9-轴承；10-动阀盘；11-静阀盘；12-动阀盘流道；13-静阀盘流道。

具体实施方式

以下为本发明的激发钻柱振动的钻井工具的具体实施例，用以解释而非限制本发明。

如附图所示，一种激发钻柱振动的钻井工具，包括：一个筒状的上壳体2，在上壳体2的上端安装有转换接头1，在上壳体2内位于转换接头1的下方滑动设置有活塞杆3，其中，上壳体2下端的配合通孔和活塞杆3中部的配合段加工成多边形，活塞杆3的下端伸出上壳体2的下端，活塞杆3上设有沿其轴向延伸的中空的活塞杆流道31；一个筒状的下壳体5，下壳体5与上壳体2之间设置有中间接头4，其中，中间接头4的下端与下壳体5的上端螺纹连接，中间接头4的上端与活塞杆3的下端螺纹连接；在下壳体5内设有位于活塞杆3下方的导流驱动装置，以及位于导流驱动装置下方的盘阀装置，该盘阀装置用于周期性接通或者阻断钻井液。

本实施例中，上述导流驱动装置包括：转动设置的心轴8，心轴8沿下壳体5的轴向延伸，心轴8的两端安装有轴承9，心轴8通过轴承9支撑于一个内筒7上，内筒7固定于下壳体5内；导流头6，导流头6固定于心轴8的上端，导流头6的外表面上设置有多个倾斜的导流头流道61。

本实施例中，上述盘阀装置包括：一个动阀盘10，该动阀盘10固定于心轴8的下端，在动阀盘10上设有与其轴向一致的动阀盘流道12；静阀盘11，该静阀盘11固定于下壳体5内的下端，在静阀盘11上设有与其轴向一致的静阀盘流道13，静阀盘流道13与动阀盘流道11的位置相对应，周期性重合或错开。

本发明的激发钻柱振动的钻井工具组装时：将静盘阀11固定在下壳体5内部的下端，轴承9装在心轴8的两端，心轴8和轴承9一起装入内筒7，导流头6固定在心轴8的上端，动盘阀10与心轴8的下端固定连接，然后把内筒7整体装入下壳体5内，并与下壳体5固定，使动盘阀10和静盘阀11位置相对应；将中间接头4与下壳体5螺纹连接；将活塞杆3装入上壳体2，活塞杆3的下端伸出上壳体2的下端并与中间接头4的上端螺纹连接；转换接头1螺纹连接在上壳体2的上端。

将本发明的激发钻柱振动的钻井工具接入钻柱进行钻进时：将转换接头1的上端与上部钻柱相连接，下壳体5的下端与下部钻柱相连接；钻井液流过转换接头1、活塞杆流道31和中间接头4的中心通道后，冲击导流头6外表面的倾斜的导流头流道61，驱使导流头6旋转并带动心轴8和动盘阀10旋转，当动盘阀10上的动阀盘流道12和静盘阀11上的静阀盘流道13错开时，钻井液的流动被瞬间截止，由于水击效应，动盘阀10上部钻井液压力急剧上升，致使作用在活塞杆3上端的钻井液压力急剧增大，活塞杆3沿上壳体2向下滑动并带动中间接头4与下壳体5向下运动，钻井液经活塞杆流道31、中间接头4和下壳体5的中心通道，冲击作用于连接在下壳体5下端的下部钻柱上；钻井液驱使导流头6带动心轴8和动盘阀10继续旋转，当动盘阀10上的动阀盘流道12和静盘阀11的静阀盘流道13重合时，钻井液的流动通道打开，动盘阀10上部被压缩的钻井液得以向下释放，水击效应消除，作用在活塞杆3上端的压力相应减小，钻井液驱使导流头6带动心轴8和动盘阀10连续旋转，动盘阀10上的动阀盘流道12和静盘阀11的静阀盘流道13周期性重合和错开，如此交替往复，形成周期性作用力作用于连接在下壳体5下端的下部钻柱上，激发钻柱在轴向上进行周期性振动，使得钻柱与井壁之间的静止接触及摩擦得以消除，消除了高摩扭井段钻进过程中产生的“拖压”及“粘滑”现象，上部钻柱的重力得以向下顺利传递，形成作用在钻头上的有效钻压，使得钻头的破岩钻进效率提高。其中，钻柱振动频率、峰值和幅值可以通过调整钻井液流量、钻井液性能、导流头6的水力结构尺寸、活塞杆3的结构尺寸等参数来获得。

本发明是基于现有技术发展状况和摩扭发生机理的分析，为满足高摩扭井段钻进对主动、适时减摩扭、打快等实际需求而设计的，本发明利用钻井液驱动盘阀开关装置，产生作用于下部钻柱的冲击振动，显著减少钻柱与井壁之间的摩阻和扭矩，使得钻压和扭矩传输更有效，同时扰动岩屑床，提高井眼净化效率，降低卡钻风险，最大限度提高机械钻速。本发明具有结构简单、使用方便、安全可靠、压耗低、不影响钻具结构、适用于多种钻井平台、加工制造和使用维护的成本较低等特点，对于提高高摩阻井段钻井速度、降低生产成本具有重要的实际意义。

本发明针对高摩阻井段钻进过程中存在的“拖压”及“粘滑”现象，利用振动能够对摩擦副之间的摩擦系数产生影响的特性，创新性的将振动减阻技术引入钻井工程中，突破常规减阻措施的局限性，可有效减小钻柱与井壁之间的摩阻和扭矩，具有有效、可控的特点，具有广泛的应用前景。

以上所述仅是本发明较佳实施方式的举例，并不用以限制本发明，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种激发钻柱振动的钻井工具，其特征在于，包括：

一个筒状的上壳体，所述上壳体的上端安装有转换接头，所述转换接头的下方滑动设置有活塞杆，所述活塞杆的下端伸出所述上壳体的下端，所述活塞杆上设有沿其轴向延伸的中空的活塞杆流道；

一个筒状的下壳体，所述上壳体与所述下壳体之间连接有中间接头，所述中间接头的下端与所述下壳体的上端螺纹连接，所述中间接头的上端与所述活塞杆的下端螺纹连接，所述下壳体内设有位于所述活塞杆下方的导流驱动装置，以及位于所述导流驱动装置下方的盘阀装置，用于周期性接通或者阻断钻井液；

所述导流驱动装置包括

转动设置的心轴，所述心轴沿所述下壳体的轴向延伸；

导流头，所述导流头固定设置于所述心轴的上端，所述导流头上设置有倾斜的导流头流道；

所述盘阀装置包括

动阀盘，所述动阀盘固定设置于所述心轴的下端，所述动阀盘上设有与其轴向一致的动阀盘流道；

静阀盘，所述静阀盘固定设置于所述下壳体的下端，所述静阀盘上设有与其轴向一致的静阀盘流道，所述静阀盘流道与所述动阀盘流道位置相对应。