CN104018779A - 一种具有周向冲击功能的井下动力钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油钻井、矿山开采、地质钻井等领域中的具有周向冲击功能的井下动力钻具，解决了深井超深井中钻头产生粘滑振动的现象。其技术方案是：防掉帽与金属马达转子通过螺纹连接，金属马达定子内为金属隔离棒和金属马达转子；涡轮定子和涡轮转子装在涡轮传动轴上，涡轮转子通过平键固定在涡轮传动轴上，撞击发生器偏心环通过传动销固定在涡轮传动轴上；撞击发生器外筒与花键传动块上端通过花键连接，花键传动块下端与内花键传动块通过花键连接，内花键传动块通过外侧台肩卡在撞击发生器传动轴上。本发明可以产生提高周向高频单向冲击，带动钻头旋转，提高钻头的破岩效率和机械钻速，进而降低钻井成本。

Description

一种具有周向冲击功能的井下动力钻具

技术领域

本发明涉及一种用于石油钻井、矿山开采、地质钻井等领域中的具有周向冲击功能的井下动力钻具。

背景技术

随着储存较好的浅层油气资源日趋枯竭，目前世界钻井逐渐向深井、超深井等，井深增加后，岩石在地层围压的作用下其强度和硬度都会明显增加，岩石破碎的难度也大大增加。这样就会导致钻头的破岩效率不高，寿命大大降低，机械钻速大幅下降。同时在打深井超深井常出现粘滑振动，粘滑振动易造成钻具失效，并导致机械钻速下降。现有轴向旋冲钻井工具无法缓解下部钻具粘滑振动现象，现场实验和理论均表明，对钻头施加高频扭转振动可以有效减小其粘滑振动，大幅提高机械钻速，降低钻井成本。

现有专利US6742609B2采用涡轮驱动冲击机构，专利CN101463709B采用螺杆马达驱动冲击机构，这两种工具均能产生高频扭转冲击，并传递到钻头，但其缺点是易损件多，失效快。申请号为201310014444.6的一种扭转冲击钻井提速工具可以周向往复振动冲击，这种冲击易造成工具在交变应力的作用下产生疲劳失效。

发明内容

本发明的目的是：为了解决在打深井超深井粘滑振动导致的钻具失效和机械钻速不高的问题，特提供一种具有周向冲击功能的井下动力钻具。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有周向冲击功能的井下动力钻具，由外筒体、防掉帽、金属马达定子上盖、金属马达转子封盖、金属马达定子、金属马达隔离棒、金属马达转子、涡轮定子、涡轮转子、平键、撞击发生器外筒、涡轮传动轴、花键传动块、内花键传动块、撞击发生器传动轴、撞击发生器偏心环、传动销、金属马达定子下盖、径向轴承d、轴承端盖、螺钉、定位挡圈、下接头等组成，其特征在于在外筒体内，防掉帽与金属马达转子通过螺纹连接，防掉帽外径大于外筒体内的台肩直径；外筒体内的台肩下端为金属马达定子上盖，径向轴承a和径向轴承b固定在金属马达定子上盖的内台肩和金属马达上端的外台肩中；金属马达定子上盖向下为金属马达转子封盖和金属马达定子，金属马达定子内为金属隔离棒和金属马达转子，金属隔离棒通过金属马达定子内台肩和金属马达封盖进行轴向定位；径向轴承c固定在金属马达转子上端内台肩的凹槽和涡轮传动轴上端的台肩中，涡轮定子和涡轮转子装在涡轮传动轴上，涡轮转子通过平键固定在涡轮传动轴上，涡轮转子上端通过螺帽固定，下端通过涡轮传动轴上的外台肩固定，涡轮定子上端通过金属马达转子内台肩固定，下端通过撞击发生器外筒固定；涡轮传动轴中间台肩与撞击发生器外筒相接触，组合轴承a装在涡轮传动轴和撞击发生器外筒之间，撞击发生器外筒与花键传动块上端通过花键连接，花键传动块下端与内花键传动块通过花键连接，内花键传动块通过外侧台肩卡在撞击发生器传动轴上，径向轴承d通过撞击发生器外筒和花键传动块上的台肩固定在两者之间；撞击发生器偏心环通过传动销固定在涡轮传动轴上，撞击发生器偏心环和传动销下端通过组合轴承b定位，组合轴承b卡在撞击发生器传动轴的内槽和涡轮传动轴的台肩上；撞击发生器外筒下端通过由壬结构卡在金属马达转子内，组合轴承c卡在撞击发生器外筒和撞击发生器传动轴上，撞击发生器传动轴下端通过与下接头通过螺纹连接；止推轴承a卡在金属马达转子和金属马达定子下盖的台肩之间，轴承端盖周向通过多个螺钉固定在金属马达定子下盖上，并将止推轴承b卡在其中；定位挡圈通过螺纹固定在外筒体上，并将通过螺钉固定的轴承端盖固定在外筒体内，止推轴承b卡在定位挡圈和下接头之间。

所述的组合轴承a、组合轴承b和组合轴承c均为滚针和推力组合球轴承；所述的外筒体内台肩、金属马达转子内台肩和下接头上周向有多个均布通孔，金属马达定子上盖外侧周向有多个流道，金属马达定子和金属马达转子壁面两侧轴向分布有多个通孔，撞击发生器外筒上端周向分布有多个通孔，撞击发生器是两瓣结构。

本发明的有益效果是：(1)该工具可以产生提高周向高频单向冲击，并通过下接头传递给钻头，提高了钻头的破岩效率；(2)由于钻头可以产生高频周向振动，可以有效避免钻头的粘滑振动现象；(3)该工具可以同时提供旋转和周向单次冲击运动。

附图说明

图1为本发明一种具有周向冲击功能的井下动力钻具的结构示意图。

图中：1.外筒体，2.防掉帽，3.金属马达定子上盖，4.径向轴承a，5.径向轴承b，6.金属马达转子封盖，7.金属马达定子，8.径向轴承c(8)，9.螺帽，10.金属马达隔离棒，11.金属马达转子，12.涡轮定子，13.涡轮转子，14.平键，15.撞击发生器外筒，16.涡轮传动轴，17.组合轴承a，18.花键传动块，19.径向轴承d，20.内花键传动块，21.撞击发生器传动轴，22.撞击发生器偏心环，23.传动销，24.止推轴承a，25.组合轴承b，26.组合轴承c，27.金属马达定子下盖，28.径向轴承e，29.轴承端盖，30.螺钉，31.定位挡圈，32.止推轴承b，33.下接头。

图2为本发明图1的A-A剖面图。

图3为本发明图1的B-B剖面图。

图4为本发明图1的C-C剖面图。

图5为本发明图1的D-D剖面图。

图6为本发明图1的E-E剖面图。

图7为本发明图1的F-F剖面图。

图8为本发明图1的G-G剖面图。

图9～12为本发明撞击发生器工作一个周期的过程，图9为偏心环与传动轴碰撞面未接触；图10为偏心环与传动轴的两碰撞面刚接触；图11为偏心环与传动轴处于碰撞过程中；图12为偏心环与传动轴两接触面刚脱离。

具体实施方式

根据附图所示，一种具有周向冲击功能的井下动力钻具，由外筒体1、防掉帽2、金属马达定子上盖3、金属马达转子封盖6、金属马达定子7、金属马达隔离棒10、金属马达转子11、涡轮定子12、涡轮转子13、平键14、撞击发生器外筒15、涡轮传动轴16、花键传动块18、内花键传动块20、撞击发生器传动轴21、撞击发生器偏心环22、传动销23、金属马达定子下盖27、径向轴承d28、轴承端盖29、螺钉30、定位挡圈31、下接头33等组成，其特征在于在外筒体1内，防掉帽2与金属马达转子10通过螺纹连接，防掉帽2外径大于外筒体1内的台肩直径；外筒体1内的台肩下端为金属马达定子上盖3，径向轴承a4和径向轴承b5固定在金属马达定子上盖3的内台肩和金属马达上端的外台肩中；金属马达定子上盖3向下为金属马达转子封盖6和金属马达定子7，金属马达定子内为金属隔离棒10和金属马达转子11，金属隔离棒10通过金属马达定子7内台肩和金属马达封盖6进行轴向定位；径向轴承c8固定在金属马达转子11上端内台肩的凹槽和涡轮传动轴16上端的台肩中，涡轮定子12和涡轮转子13装在涡轮传动轴16上，涡轮转子通过平键14固定在涡轮传动轴16上，涡轮转子13上端通过螺帽9固定，下端通过涡轮传动轴上的外台肩固定，涡轮定子12上端通过金属马达转子11内台肩固定，下端通过撞击发生器外筒15固定；涡轮传动轴16中间台肩与撞击发生器外筒15相接触，组合轴承a17装在涡轮传动轴16和撞击发生器外筒15之间，撞击发生器外筒15与花键传动块18上端通过花键连接，花键传动块18下端与内花键传动块20通过花键连接，内花键传动块18通过外侧台肩卡在撞击发生器传动轴21上，径向轴承d19通过撞击发生器外筒15和花键传动块18上的台肩固定在两者之间；撞击发生器偏心环22通过传动销23固定在涡轮传动轴16上，撞击发生器偏心环22和传动销23下端通过组合轴承b25定位，组合轴承b25卡在撞击发生器传动轴21的内槽和涡轮传动轴16的台肩上；撞击发生器外筒15下端通过由壬结构卡在金属马达转子11内，组合轴承c26卡在撞击发生器外筒15和撞击发生器传动轴21上，撞击发生器传动轴21下端通过与下接头33通过螺纹连接；止推轴承a24卡在金属马达转子11和金属马达定子下盖27的台肩之间，轴承端盖29周向通过多个螺钉30固定在金属马达定子下盖27上，并将止推轴承b32卡在其中；定位挡圈31通过螺纹固定在外筒体1上，并将通过螺钉30固定的轴承端盖29固定在外筒体内，止推轴承b32卡在定位挡圈26和下接头33之间。

所述的组合轴承a17、组合轴承b25和组合轴承c26均为滚针和推力组合球轴承；所述的外筒体1内台肩、金属马达转子11内台肩和下接头33上周向有多个均布通孔，金属马达定子上盖3外侧周向有多个流道，金属马达定子7和金属马达转子11壁面两侧轴向分布有多个通孔，撞击发生器外筒15上端周向分布有多个通孔，撞击发生器15是两瓣结构。

工作时，钻井液经钻具接头内的通孔进入工具外筒体1上方空间，一部分钻井液经外筒体1内台肩的孔流入金属马达定子上盖3边缘的流道，并进入金属马达定子7与外筒体1内壁形成的环空；环空中的钻井液从金属马达定子7上轴向通孔进入金属马达转子11与金属马达定子7之间环空，金属马达隔离棒10在钻井液压力的作用下把环空严格地分隔成两个空间；与金属马达定子7相通空间不断有钻井液进入，压力不断升高形成高压区，另一空间为低压区，高压区压力升到一定值时，金属马达转子11在钻井液压力的作用下开始顺时针转动。低压区的空间随着金属马达转子11转动不断缩小，其中的钻井液通过金属马达转子轴向的通孔排出，一直向下进入到钻头接头上方的空间，最后通过钻头接头上的孔流入到钻头中。另一部分钻井液流进防掉帽2的内孔，并经金属马达转子11内台肩上的通孔进入金属马达转子11内部，进而流入涡轮定子12和涡轮转子13，带动涡轮传动轴16转动。钻井液从涡轮转子13中流出后，再经撞击发生器外筒15上端周向分布的孔与金属马达转子11内流出的钻井液汇合，并流向下接头33，经下接头33内台肩周向分布的通孔流出。金属马达转子11转动会带动撞击发生器外筒15转动，进而带动花键传动块18转动，带动撞击发生器传动轴21转动，进而带动下接头33转动；涡轮传动轴16通过传动销23带动撞击发生器偏心环22绕涡轮涡轮传动轴16轴线旋转。由于涡轮马达的转速高于金属马达，因此撞击发生器偏心环22的转速也会高于撞击发生器传动轴21，撞击发生器偏心环22的锤面会在某个时刻与撞击发生器传动轴21的铁砧发生碰撞，并通过撞击发生器传动轴21将周向碰撞产生的扭转振动传递到下接头33。如图9～12所示，两者发生碰撞后，撞击发生器偏心环22在惯性力的作用下向右下方做偏心运动，传动销23在槽内向左上方滑动，在两者的相互作用下撞击锤与铁砧的碰撞面分离，撞击发生装置偏心环与传动轴继续以不同的转速做同向转动，准备下一次碰撞。这样撞击发生器偏心环22的锤面与撞击发生器传动轴21的铁砧会不断出现周期性的周向碰撞，由此形成高频单向周向冲击。工具产生的转动和冲击经下接头33传递到钻头，实现为钻头提供动力，并使钻头产生高频单向周向冲击的目的。

Claims (7)

1.一种具有周向冲击功能的井下动力钻具，由外筒体(1)、防掉帽(2)、金属马达定子上盖(3)、金属马达转子封盖(6)、金属马达定子(7)、金属马达隔离棒(10)、金属马达转子(11)、涡轮定子(12)、涡轮转子(13)、平键(14)、撞击发生器外筒(15)、涡轮传动轴(16)、花键传动块(18)、内花键传动块(20)、撞击发生器传动轴(21)、撞击发生器偏心环(22)、传动销(23)、金属马达定子下盖(27)、径向轴承d(28)、轴承端盖(29)、螺钉(30)、定位挡圈(31)、下接头(33)等组成，其特征在于在外筒体(1)内，防掉帽(2)与金属马达转子(10)通过螺纹连接，防掉帽(2)外径大于外筒体(1)内的台肩直径；外筒体(1)内的台肩下端为金属马达定子上盖(3)，径向轴承a(4)和径向轴承b(5)固定在金属马达定子上盖(3)的内台肩和金属马达上端的外台肩中；金属马达定子上盖(3)向下为金属马达转子封盖(6)和金属马达定子(7)，金属马达定子内为金属隔离棒(10)和金属马达转子(11)，金属隔离棒(10)通过金属马达定子(7)内台肩和金属马达封盖(6)进行轴向定位；径向轴承c(8)固定在金属马达转子(11)上端内台肩的凹槽和涡轮传动轴(16)上端的台肩中，涡轮定子(12)和涡轮转子(13)装在涡轮传动轴(16)上，涡轮转子通过平键(14)固定在涡轮传动轴(16)上，涡轮转子(13)上端通过螺帽(9)固定，下端通过涡轮传动轴上的外台肩固定，涡轮定子(12)上端通过金属马达转子(11)内台肩固定，下端通过撞击发生器外筒(15)固定；涡轮传动轴(16)中间台肩与撞击发生器外筒(15)相接触，组合轴承a(17)装在涡轮传动轴(16)和撞击发生器外筒(15)之间，撞击发生器外筒(15)与花键传动块(18)上端通过花键连接，花键传动块(18)下端与内花键传动块(20)通过花键连接，内花键传动块(18)通过外侧台肩卡在撞击发生器传动轴(21)上，径向轴承d(19)通过撞击发生器外筒(15)和花键传动块(18)上的台肩固定在两者之间；撞击发生器偏心环(22)通过传动销(23)固定在涡轮传动轴(16)上，撞击发生器偏心环(22)和传动销(23)下端通过组合轴承b(25)定位，组合轴承b(25)卡在撞击发生器传动轴(21)的内槽和涡轮传动轴(16)的台肩上；撞击发生器外筒(15)下端通过由壬结构卡在金属马达转子(11)内，组合轴承c(26)卡在撞击发生器外筒(15)和撞击发生器传动轴(21)上，撞击发生器传动轴(21)下端通过与下接头(33)通过螺纹连接；止推轴承a(24)卡在金属马达转子(11)和金属马达定子下盖(27)的台肩之间，轴承端盖(29)周向通过多个螺钉(30)固定在金属马达定子下盖(27)上，并将止推轴承b(32)卡在其中；定位挡圈(31)通过螺纹固定在外筒体(1)上，并将通过螺钉(30)固定的轴承端盖(29)固定在外筒体内，止推轴承b(32)卡在定位挡圈(26)和下接头(33)之间。

2.根据权利要求1所述的一种具有周向冲击功能的井下动力钻具，其特征在于组合轴承a(17)、组合轴承b(25)和组合轴承c(26)均为滚针和推力组合球轴承。

3.根据权利要求1所述的一种具有周向冲击功能的井下动力钻具，其特征在于外筒体(1)内台肩、金属马达转子(11)内台肩和下接头(33)上周向有多个均布通孔。

4.根据权利要求1所述的一种具有周向冲击功能的井下动力钻具，其特征在于金属马达定子上盖(3)外侧周向有多个流道。

5.根据权利要求1所述的一种具有周向冲击功能的井下动力钻具，其特征在于金属马达定子(7)和金属马达转子(11)壁面两侧轴向分布有多个通孔。

6.根据权利要求1所述的一种具有周向冲击功能的井下动力钻具，其特征在于撞击发生器外筒(15)上端周向分布有多个通孔。

7.根据权利要求1所述的一种具有周向冲击功能的井下动力钻具，其特征在于撞击发生器(15)是两瓣结构。