CN103375133A

CN103375133A - 一种井下位移冲击式钻井工具

Info

Publication number: CN103375133A
Application number: CN2012101072597A
Authority: CN
Inventors: 易先中; 高德利; 张军锋; 李永和
Original assignee: China University of Petroleum Beijing; Yangtze University
Current assignee: China University of Petroleum Beijing; Yangtze University
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-30

Abstract

本发明涉及一种井下位移冲击式钻井工具，其特征在于在外壳中，依次安装有过流套(2)、上传动主轴(3)和下传动主轴(23)；在上传动主轴(3)外依次安装有套筒(4)、上TC径向轴承(5)、滚动球轴承组(6)；在下传动主轴(23)外依次安装有启振座(11)、振动套(13)、碟形弹簧(15)、冲击头(17)、滚动轴承(18)、PDC推力轴承(19)、下TC径向轴承(22)；启振座(11)和下传动主轴(23)通过键的形式连接，用来产生轴向位移，碟形弹簧(15)将轴向位移转化为冲击力。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

一种井下位移冲击式钻井工具

技术领域：

本发明涉及一种井下位移冲击式钻井工具，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位移冲击式钻井工具，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。

在一种井下位移冲击式钻井工具的结构中，设置有连接外壳、过流套、上传动主轴、套筒、上TC径向轴承、滚动球轴承组、上外壳、喷嘴、中间外壳、上连接套、启振座、滚珠、振动套、锁紧球、碟形弹簧、锁紧螺母、冲击头、滚动轴承、PDC推力轴承、下连接套、下接头、下TC径向轴承、下传动主轴、扶正叶片、花键；上外壳的上端与连接外壳的下端通过螺纹相联接；上外壳的下端与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下传动主轴的上端通过花键相联接，来传递井下动力马达的扭矩；喷嘴安装在下传动主轴的上端面上；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套筒、上TC径向轴承、滚动球轴承组；上TC径向轴承和滚动球轴承组对上传动主轴起支撑作用；套筒支撑在上TC径向轴承的内圈上；在下传动主轴外，从上至下沿着下传动主轴的轴向依次安装有启振座、滚珠、振动套、锁紧球、碟形弹簧、锁紧螺母、冲击头、滚动轴承、PDC推力轴承、下连接套、下TC径向轴承；启振座和下传动主轴通过键的形式连接，一起旋转；启振座用来产生轴向位移，并且碟形弹簧将轴向位移转化为冲击力；碟形弹簧安装在振动套和冲击头之间；上连接套、振动套、冲击头沿着下传动主轴的轴向安装，并能够传递碟形弹簧产生的冲击；上连接套用来定位碟形弹簧，并且防止滚动球轴承组的轴向移动；锁紧球用来锁紧上连接套和振动套在下传动主轴上的位置；锁紧螺母对振动套和冲击头起锁紧作用；滚动轴承和下TC径向轴承对下传动主轴起支撑作用；PDC推力轴承固定在下传动主轴的轴肩上，能够承载大部分的下传动轴的轴向载荷；下连接套安装在PDC推力轴承和下TC径向轴承之间，并且用来支撑下TC径向轴承的内圈；上传动主轴和下传动主轴中间是环空结构，用来输送从连接外壳和过流套流入的泥浆；扶正叶片安装在中间外壳的外侧，3个扶正叶片空间上呈3×120°的对称分布，扶正叶片有螺旋叶片和直叶片两种形式。

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.连接外壳、2.过流套、3.上传动主轴、4.套筒、5.上TC径向轴承、6.滚动球轴承组、7.上外壳、8.喷嘴、9.中间外壳、10.上连接套、11.启振座、12.滚珠、13.振动套、14.锁紧球、15.碟形弹簧、16.锁紧螺母、17.冲击头、18.滚动轴承、19.PDC推力轴承、20.下连接套、21.下接头、22.下TC径向轴承、23.下传动主轴、24.扶正叶片、25.花键。

具体实施方式：

本发明一种井下位移冲击式钻井工具由连接外壳1、过流套2、上传动主轴3、套筒4、上TC径向轴承5、滚动球轴承组6、上外壳7、喷嘴8、中间外壳9、上连接套10、启振座11、滚珠12、振动套13、锁紧球14、碟形弹簧15、锁紧螺母16、冲击头17、滚动轴承18、PDC推力轴承19、下连接套20、下接头21、下TC径向轴承22、下传动主轴23、扶正叶片24、花键25组成；上外壳7的上端与连接外壳1的下端通过螺纹相联接；上外壳7的下端与与中间外壳9的上端通过螺纹相联接；中间外壳9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2、上传动主轴3和下传动主轴23；过流套2的下端与上传动主轴3的上端通过螺纹相联接；上传动主轴3的下端与下传动主轴23的上端通过花键25相联接，来传递井下动力马达的扭矩；喷嘴8安装在下传动主轴23的上端面上，能够用于调节泥浆的流入速度；在上传动主轴3外，从上至下沿着上传动主轴3的轴向依次安装有套筒4、上TC径向轴承5、滚动球轴承组6；上TC径向轴承5和滚动球轴承组6对上传动主轴3起支撑作用；套筒4支撑在上TC径向轴承5的内圈上；在下传动主轴23外，从上至下沿着下传动主轴23的轴向依次安装有启振座11、滚珠12、振动套13、锁紧球14、碟形弹簧15、锁紧螺母16、冲击头17、滚动轴承18、PDC推力轴承19、下连接套20、下TC径向轴承22；启振座11和下传动主轴23通过键的形式连接，一起旋转；启振座11由上启振体、下启振体和滚珠12组成，滚珠12在上启振体和下启振体内运动，滚珠12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；启振座11用来产生轴向位移，并且碟形弹簧15将轴向位移转化为冲击力；碟形弹簧15安装在振动套13和冲击头17之间；上连接套10、振动套13、冲击头17沿着下传动主轴23的轴向安装，并能够传递碟形弹簧15产生的冲击；上连接套10用来定位碟形弹簧15，并且防止滚动球轴承组6的轴向移动；锁紧球14用来锁紧上连接套10和振动套13在下传动主轴23上的位置；锁紧螺母16对振动套13和冲击头17起锁紧作用；滚动轴承18和下TC径向轴承22对下传动主轴23起支撑作用；PDC推力轴承19固定在下传动主轴23的轴肩上，能够承载大部分的下传动轴23的轴向载荷；下连接套20安装在PDC推力轴承19和下TC径向轴承22之间，并且用来支撑下TC径向轴承22的内圈；上传动主轴3和下传动主轴23中间是环空结构，用来输送从连接外壳1和过流套2流入的泥浆；扶正叶片24安装在中间外壳9的外侧，3个扶正叶片24空间上呈3×120°的对称分布，扶正叶片24有螺旋叶片和直叶片两种形式。

当井下动力马达(涡轮马达、螺杆马达或电动马达等)转动时，通过过流套2带动上传动主轴3和下传动主轴23转动，并由与下传动主轴23连接的钻头对地层施加压力，从而来破碎岩石。启振座11和下传动主轴23通过键的形式连接，一起旋转。启振座11在旋转过程中产生轴向位移，带动振动套13在轴线方向上下周期性的移动。当启振座11轴向位移增加时，将位移通过振动套13传递给碟形弹簧15，接下来蝶形弹簧15将储存的能量释放，并将产生的柔性冲击传递给冲击头17，然后冲击头17将一定频率的冲击力和冲击能量传递给钻头。当启振座11轴向位移减小时，由于对钻头施加的钻压存在，从而冲击头17和下传动主轴23一起向上运动，蝶形弹簧15在冲击头17的推力下不断的压缩，从而储存下一次冲击所需的能量。在钻进过程中，泥浆一部分沿过流套2、上传动主轴3、下传动主轴23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5、滚动球轴承组6、滚动轴承18、下TC径向轴承22。连接外壳1的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7、中间外壳9、下接头21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，并且上外壳7、中间外壳9、下接头21是由高质量的锻钢棒料加工而成的，热处理并且精磨内孔。中间外壳9上安装有扶正叶片24，相当于稳定器的作用，喷嘴8安装在下传动主轴23的上端面上，能够适当的调节泥浆的流入的速度。

Claims

1.一种井下位移冲击式钻井工具，由连接外壳(1)、过流套(2)、上传动主轴(3)、套筒(4)、中间外壳(9)、上连接套(10)、锁紧球(14)、锁紧螺母(16)、下连接套(20)、下接头(21)、下传动主轴(23)组成，其特征在于在其结构中设置有上TC径向轴承(5)、滚动球轴承组(6)、上外壳(7)、喷嘴(8)、启振座(11)、滚珠(12)、振动套(13)、碟形弹簧(15)、冲击头(17)、滚动轴承(18)、PDC推力轴承(19)、下TC径向轴承(22)、扶正叶片(24)、花键(25)；上外壳(7)的上端与连接外壳(1)的下端通过螺纹相联接；上外壳(7)的下端与与中间外壳(9)的上端通过螺纹相联接；中间外壳(9)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(2)、上传动主轴(3)和下传动主轴(23)；在上传动主轴(3)外，从上至下沿着上传动主轴(3)的轴向依次安装有套筒(4)、上TC径向轴承(5)、滚动球轴承组(6)；上TC径向轴承(5)和滚动球轴承组(6)对上传动主轴(3)起支撑作用；套筒(4)支撑在上TC径向轴承(5)的内圈上；在下传动主轴(23)外，从上至下沿着下传动主轴(23)的轴向依次安装有启振座(11)、滚珠(12)、振动套(13)、锁紧球(14)、碟形弹簧(15)、锁紧螺母(16)、冲击头(17)、滚动轴承(18)、PDC推力轴承(19)、下连接套(20)、下TC径向轴承(22)；启振座(11)和下传动主轴(23)通过键的形式连接，一起旋转；启振座(11)用来产生轴向位移，并且碟形弹簧(15)将轴向位移转化为冲击力；碟形弹簧(15)安装在振动套(13)和冲击头(17)之间；上连接套(10)、振动套(13)、冲击头(17)沿着下传动主轴(23)的轴向安装，并能够传递碟形弹簧(15)产生的冲击；PDC推力轴承(19)固定在下传动主轴(23)的轴肩上；下连接套(20)安装在PDC推力轴承(19)和下TC径向轴承(22)之间，并且用来支撑下TC径向轴承(22)的内圈；上传动主轴(3)和下传动主轴(23)中间是环空结构，用来输送从连接外壳(1)和过流套(2)流入的泥浆。

2.根据权利要求1所述的一种井下位移冲击式钻井工具，其特征在于过流套(2)的下端与上传动主轴(3)的上端通过螺纹相联接；上传动主轴(3)的下端与下传动主轴(23)的上端通过花键(25)相联接，来传递井下动力马达的扭矩。

3.根据权利要求2所述的一种井下位移冲击式钻井工具，其特征在于喷嘴(8)安装在下传动主轴(23)的上端面上。

4.根据权利要求3所述的一种井下位移冲击式钻井工具，其特征在于扶正叶片(24)安装在中间外壳(9)的外侧，3个扶正叶片(24)空间上呈3×120°的对称分布，扶正叶片(24)有螺旋叶片和直叶片两种形式。