CN103375132A - 井下旋转冲击式钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下旋转冲击式钻井工具，其特征在于在外壳中，依次安装有过流套(1)、上传动主轴(6)、花键套(8)、承冲座(16)和下传动主轴(22)；在上传动主轴(6)外，依次安装有上TC径向轴承(4)、滚动球轴承组(5)；在承冲座(16)和下传动主轴(22)外，依次安装有碟形弹簧(10)、振动套(12)、启振座(13)、冲击头(15)、PDC轴承(18)、下TC径向轴承动环(19)和下TC径向轴承静环(20)；冲击头(15)与承冲座(16)通过平键连接，振动套(12)的下端面与启振座(13)的上端面通过平键连接，启振座(13)用来产生轴向位移，并将轴向位移传递给振动套(12)和承冲座(16)。本发明通过给钻头施加低幅高频扭转冲击力，实现由高频率周期性的冲击力与静压旋转联合作用破碎岩石，有效提高了硬质地层的机械钻速，降低了钻井成本，提高了钻井工程的综合技术经济效益。

Description

井下旋转冲击式钻井工具

技术领域：

本发明涉及一种井下旋转冲击式钻井工具，属石油钻井工具设计技术领域。

背景技术：

传统的钻井方式主要是采用单纯的旋转方式破岩。采用传统的旋转钻井方式钻进硬质地层时，通常没有足够的扭矩来破碎岩石，从而使钻头瞬间停止转动。这时的扭转能量储存在钻柱中，一旦产生剪切破碎地层所需的扭矩，钻柱能量便会释放出来，在钻头齿上会产生比平常大得多的冲击载荷，以至最终导致钻头失效；另一方面，采用传统的旋转钻井方式，岩石基本是被研磨破碎的，由于排渣速度有限，在钻头上容易形成偏斜力矩，造成硬岩以及复杂地层钻井时的井斜情况发生。此外，旋转钻井方式钻进硬质地层时需要较高的转速，从而增加了钻具与井眼孔壁的碰撞机会，因此容易出现孔壁坍塌等事故。

发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种井下旋转冲击式钻井工具，通过给钻头施加低幅高频扭转冲击力，实现由高频率周期性的冲击力与静压旋转联合作用破碎岩石，可以稳定地给钻头传递扭矩，具有提高硬质地层的机械钻速，降低钻井成本，提高钻井工程综合技术经济效益的特点。

本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。

在井下旋转冲击式钻井工具的结构中，设置有过流套、上外壳、主轴锁紧螺母、上TC径向轴承、滚动球轴承组、上传动主轴、中间接头、花键套、喷嘴、碟形弹簧、中间外壳、振动套、启振座、连接套、冲击头、承冲座、分隔套、PDC轴承、下TC径向轴承动环、下TC径向轴承静环、下接头、下传动主轴；上外壳的下端与中间接头的上端通过螺纹相联接；中间接头的下端与中间外壳的上端通过螺纹相联接；中间外壳的下端与下接头通过螺纹相联接；在外壳中，从上至下，依次安装有过流套、上传动主轴、花键套、承冲座和下传动主轴；过流套的下端与上传动主轴的上端通过螺纹相联接；上传动主轴的下端与花键套的上端通过螺纹相联接；花键套的下端与承冲座的上端通过花键相联接；承冲座的下端与下传动主轴的上端通过螺纹相联接；上传动主轴、承冲座、下传动主轴中间是环空结构，用来输送从过流套流入的泥浆；喷嘴安装在承冲座的上端口上；在上传动主轴外，从上至下沿着上传动主轴的轴向依次安装有主轴锁紧螺母、上TC径向轴承、滚动球轴承组；在承冲座和下传动主轴外，从上至下沿着承冲座和下传动主轴的轴向依次安装有碟形弹簧、振动套、启振座、冲击头、PDC轴承、下TC径向轴承动环和下TC径向轴承静环；PDC轴承安装在承冲座的轴肩上；碟形弹簧安装在中间接头和振动套之间的端面上；振动套和冲击头通过连接套连接，沿着承冲座的轴向安装；冲击头与承冲座通过平键连接；振动套的下端面与启振座的上端面通过平键连接，下TC径向轴承静环安装在下接头上，下TC径向轴承动环安装在下传动主轴上；下TC径向轴承动环和下TC径向轴承静环套在一起，相互之间可以相对滑动；启振座用来产生轴向位移，并将轴向位移传递给振动套和承冲座；启振座由上启振体、下启振体和滚珠组成，滚珠在上启振体和下启振体内运动，滚珠运动的槽节圆展开线具有一定的曲线规律；可以是具有正弦或余弦谐波槽型、锯齿槽型、矩形槽型、梯形槽型、自由曲线或多项式槽型等结构。

本发明与现有的技术相比，通过给钻头施加低幅高频扭转冲击力，实现由高频率周期性的冲击力与静压旋转联合作用破碎岩石，可以稳定地给钻头传递扭矩，从而大大降低了钻头的粘滑现象，降低了卡钻致使钻头失效的可能性，有效提高了硬质地层的机械钻速，降低了钻井成本，提高了钻井工程的综合技术经济效益。

附图说明：

图1为本发明的总体结构示意图。

在图中：1.过流套、2.上外壳、3.主轴锁紧螺母、4.上TC径向轴承、5.滚动球轴承组、6.上传动主轴、7.中间接头、8.花键套、9.喷嘴、10.碟形弹簧、11.中间外壳、12.振动套、13.启振座、14.连接套、15.冲击头、16.承冲座、17.分隔套、18.PDC轴承、19.下TC径向轴承动环、20.下TC径向轴承静环、21.下接头、22.下传动主轴。

具体实施方式：

本发明井下旋转冲击式钻井工具由过流套1、上外壳2、主轴锁紧螺母3、上TC径向轴承4、滚动球轴承组5、上传动主轴6、中间接头7、花键套8、喷嘴9、碟形弹簧10、中间外壳11、振动套12、启振座13、连接套14、冲击头15、承冲座16、分隔套17、PDC轴承18、下TC径向轴承动环19、下TC径向轴承静环20、下接头21、下传动主轴22组成；上外壳2的上端连接在涡轮马达、螺杆马达或电动马达等的外壳上；上外壳2的下端与中间接头7的上端通过螺纹相联接；中间接头7的下端与中间外壳11的上端通过螺纹相联接；中间外壳11的下端与下接头21通过螺纹相联接；外壳用来进行轴向和径向定位，能够经受由于轴向载荷和横向应力产生的挠曲和纵向弯曲；在外壳中，从上至下，依次安装有过流套1、上传动主轴6、花键套8、承冲座16和下传动主轴22；过流套1的下端与上传动主轴6的上端通过螺纹相联接；过流套1的上端通过螺纹与井下动力马达的主轴相联接；井下动力马达可以是涡轮马达、螺杆马达和电动马达等；上传动主轴6的下端与花键套8的上端通过螺纹相联接；花键套8的下端与承冲座16的上端通过花键相联接；承冲座16的下端与下传动主轴22的上端通过螺纹相联接；下传动主轴22的下端与钻头相联接；上传动主轴6、承冲座16、下传动主轴22中间是环空结构，用来输送从过流套1流入的泥浆；喷嘴9安装在承冲座16的上端口上，并用弹性挡圈将其固定；在上传动主轴6外，从上至下沿着上传动主轴6的轴向依次安装有主轴锁紧螺母3、上TC径向轴承4、滚动球轴承组5；上TC径向轴承4、滚动球轴承组5安装在上传动主轴6上，用来起支撑上传动主轴6的作用；主轴锁紧螺母3用来锁紧安装在上传动主轴6上的上TC径向轴承4和滚动球轴承组5；滚动球轴承组5使用泥浆进行润滑，可减少多级球轴承的磨损；泥浆主要通过下传动主轴22传递给钻头，下传动主轴22能在轴向方向上按一定的频率上下振动，并将这种振动冲击传递给钻头；在承冲座16和下传动主轴22外，从上至下沿着承冲座16和下传动主轴22的轴向依次安装有碟形弹簧10、振动套12、启振座13、冲击头15、PDC轴承18、下TC径向轴承动环19和下TC径向轴承静环20；PDC轴承18安装在承冲座16的轴肩上，用来起支撑承冲座16的作用，并能承受轴向载荷；PDC轴承18的动环和承冲座16一起旋转，PDC轴承18的静环保持静止；碟形弹簧10安装在中间接头7和振动套12之间的端面上；碟形弹簧通过不断的伸长、压缩来存储和释放能量，并且产生轴向冲击力；振动套12和冲击头15通过连接套14连接，沿着承冲座16的轴向安装，并能够传递碟形弹簧10产生的冲击力；冲击头15与承冲座16通过平键连接，将冲击头15的冲击力传递给承冲座16；振动套12的下端面与启振座13的上端面通过平键连接，将启振座13的轴向位移传递给振动套12；在振动套12和冲击头15的外侧安装有滚珠和导向键，用来支撑振动套12和冲击头15，并使振动套12和冲击头15只能沿轴向滑动；振动套12和承冲座16连接在一起，能够和承冲座16一起旋转；连接套14和振动套12连接在一起，将冲击力传递给冲击头15；冲击头15对承冲座16产生冲击；承冲座16通过花键套8与上传动主轴6连在一起，将上传动主轴6的旋转运动传递给下传动主轴22；下TC径向轴承静环20安装在下接头21上，下TC径向轴承动环19安装在下传动主轴22上；下TC径向轴承动环19和下TC径向轴承静环20套在一起，相互之间可以相对滑动；下接头21与中间外壳11的下端通过螺纹相联接，对下传动主轴22和中间外壳11之间形成密封；启振座13用来产生轴向位移，并将轴向位移传递给振动套12和承冲座16；启振座13由上启振体、下启振体和滚珠组成，滚珠在上启振体和下启振体内运动，滚珠运动的槽节圆展开线具有一定的曲线规律；可以是具有正弦或余弦谐波槽型、锯齿槽型、矩形槽型、梯形槽型、自由曲线或多项式槽型等结构。

当井下动力马达(涡轮马达、螺杆马达或电动马达等)转动时，会通过过流套1带动上传动主轴6、承冲座16、下传动主轴22转动，并由与下传动主轴22连接的钻头对地层施加压力，从而来破碎岩石。

启振座13在键的连接作用下和上传动主轴6、承冲座16一起旋转。启振座13在旋转过程中产生轴向位移，带动承冲座16在轴向方向上产生上下周期性的移动。当启振座13轴向位移增加时，将位移递给连接套14，并且连接套14在轴向方向上移动，带动振动套12沿轴向方向上移动。振动套12压缩碟形弹簧10，使碟形弹簧10能够储存能量，承冲座16和花键套8连接更紧密。当启振座13轴向位移减小时，带动承冲座16在轴向方向上向下移动，并且碟形弹簧10中储存的能量不断的释放。由于启振座13里面的滚珠的径向位移速度不是均匀的，使得碟形弹簧10在释放能量时碟形弹簧10并不是均匀的伸长，于是对振动套12产生周期性的冲击；振动套12将冲击通过连接套14传递给冲击头15，接着冲击头15对承冲座16再产生冲击。承冲座16再将冲击传递给钻头，使得钻头作用在岩石层上的冲击力周期性的变化。

在钻进过程中，泥浆一部分沿过流套1、上传动主轴6、承冲座16、下传动主轴22的轴心方向运动来带动钻头破碎岩石，另一部分润滑上TC径向轴承4与滚动球轴承组5，还有一部分泥浆直接和碟形弹簧10一起对振动套12产生冲击。

主轴锁紧螺母3用来限制上TC径向轴承4和滚动球轴承组5在上传动主轴6上的位置。上外壳2上部用来连接涡轮马达、螺杆马达或电动马达等形式的马达外壳。

上外壳2、中间接头7、中间外壳11用来轴向和径向定位钻具，能够经受由于轴向载荷和横向应力产生的挠曲和纵向弯曲，是由高质量的锻钢棒料加工而成的，热处理并且精磨内孔。

Claims (3)

1.井下旋转冲击式钻井工具，由过流套(1)、上外壳(2)、主轴锁紧螺母(3)、中间接头(7)、中间外壳(11)、下接头(21)组成，其特征在于在其结构中设置有上TC径向轴承(4)、滚动球轴承组(5)、上传动主轴(6)、花键套(8)、喷嘴(9)、碟形弹簧(10)、振动套(12)、启振座(13)、连接套(14)、冲击头(15)、承冲座(16)、分隔套(17)、PDC轴承(18)、下TC径向轴承动环(19)、下TC径向轴承静环(20)、下传动主轴(22)；上外壳(2)的下端与中间接头(7)的上端通过螺纹相联接；中间接头(7)的下端与中间外壳(11)的上端通过螺纹相联接；中间外壳(11)的下端与下接头(21)通过螺纹相联接；在外壳中，从上至下，依次安装有过流套(1)、上传动主轴(6)、花键套(8)、承冲座(16)和下传动主轴(22)；过流套(1)的下端与上传动主轴(6)的上端通过螺纹相联接；上传动主轴(6)的下端与花键套(8)的上端通过螺纹相联接；上传动主轴(6)、承冲座(16)、下传动主轴(22)中间是环空结构，用来输送从过流套(1)流入的泥浆；喷嘴(9)安装在承冲座(16)的上端口上；在上传动主轴(6)外，从上至下沿着上传动主轴(6)的轴向依次安装有主轴锁紧螺母(3)、上TC径向轴承(4)、滚动球轴承组(5)；在承冲座(16)和下传动主轴(22)外，从上至下沿着承冲座(16)和下传动主轴(22)的轴向依次安装有碟形弹簧(10)、振动套(12)、启振座(13)、冲击头(15)、PDC轴承(18)、下TC径向轴承动环(19)和下TC径向轴承静环(20)；PDC轴承(18)安装在承冲座(16)的轴肩上；碟形弹簧(10)安装在中间接头(7)和振动套(12)之间的端面上；振动套(12)和冲击头(15)通过连接套(14)连接，沿着承冲座(16)的轴向安装；下TC径向轴承静环(20)安装在下接头(21)上，下TC径向轴承动环(19)安装在下传动主轴(22)上；下TC径向轴承动环(19)和下TC径向轴承静环(20)套在一起，相互之间可以相对滑动；启振座(13)用来产生轴向位移，并将轴向位移传递给振动套(12)和承冲座(16)。

2.根据权利要求1所述的井下旋转冲击式钻井工具，其特征在于花键套(8)的下端与承冲座(16)的上端通过花键相联接，承冲座(16)的下端与下传动主轴(22)的上端通过螺纹相联接。

3.根据权利要求2所述的井下旋转冲击式钻井工具，其特征在于冲击头(15)与承冲座(16)通过平键连接，振动套(12)的下端面与启振座(13)的上端面通过平键连接。