CN104499936A - 扭力旋冲钻具 - Google Patents
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Abstract
本装置属于石油钻井领域，特别涉及一种扭力旋冲钻具，包括上部接头、外筒、扭力旋冲发生装置及传动接头，上部接头和传动接头分别位于外筒的两端，扭力旋冲发生装置包括设置在传动接头上端的工作仓，工作仓内设置下分流器，下分流器两端均通过内、外轴承安装液动锤，液动锤与工作仓的顶部设置上盖，液动锤与上盖之间设置束环，束环和液动锤之间固定换向器，下分流器顶部设置上分流器，上分流器固定在上部接头内。该钻具结构简单、无密封元件、螺旋叶片等易损部件所以钻具寿命更高，水压转换装置不作整圆运动，利用水击和水压两重能量，所以效率更高、工作状态更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种扭力旋冲钻具，属于石油钻井领域。
背景技术
PDC是靠镶嵌在钻头上面的PDC复合片来破碎岩石的，在理想状态下PDC钻头在井下应该是均匀的剪切破碎岩石，而现实中钻头在井底的运动是极其无序的、这种运动包括横向振动、纵向振动、扭向振动和这几种振动的组合。这些振动和涡动的冲击载荷极易使钻头上的PDC复合片崩齿，使钻头过早的失去切削能力，而引起钻头振动的原因大部分来自于过长的钻杆组合导致不足以为PDC钻头提供切削时所需要的均匀的扭力。当PDC钻在切削岩石时由于扭力的不足钻头暂时停顿，钻头不动而钻盘仍在继续旋转，扭矩的能量就积蓄在整个钻杆上，这时的钻杆处于扭曲状态，当钻杆积蓄的扭力足以达到钻头切削所需要的扭力时钻杆上积蓄的扭力应力突然释放钻头会突然加速而导致钻头损坏和加快钻杆的疲劳损坏。因此如果能为PDC钻头额外提供一个高频的、均匀的扭向的力很有必要。
目前国内扭力冲击钻具类的钻具不多，而且结构比较复杂、制造有一定难度、成本较高、工作原理都是单一的液体的压力转换，效果都不明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种高频率而且均匀、大幅度改善PDC钻头对钻杆扭矩的依赖性、避免了钻头因扭力不足而导致的粘滑现象、保护钻头的PDC复合片、大幅度增加钻头的使用寿命和机械钻速的扭力旋冲钻具。
本发明所述的扭力旋冲钻具，包括上部接头、外筒、扭力旋冲发生装置及传动接头，上部接头和传动接头分别位于外筒的两端，扭力旋冲发生装置包括设置在传动接头上端的工作仓，工作仓内设置下分流器，下分流器两端均通过内、外轴承安装液动锤，液动锤与工作仓的顶部设置上盖，液动锤与上盖之间设置束环，束环和液动锤之间固定换向器，下分流器顶部设置上分流器，上分流器固定在上部接头内。
上分流器内部的空腔为分流器内部高压腔；上分流器外部和上部接头之间的形成的空腔为分流器外部高压腔，上分流器、外筒和上盖之间形成的空腔为分流高压腔；上部接头内腔为进水腔，高压钻井液通过钻具进水腔向下流；工作仓的作用是和外筒一起形成高压腔，液动锤和换向器在工作仓内由于高压水流的作用顺时针或者逆时针转动，使水流完成扭力旋冲的动作，提供高频率，且均匀的水流；换向器的作用是改变水流的方向，使液动锤做不同方向的旋转。
所述的上分流器内部中空，上部环形分布过滤水口，过滤水口设置为长条形，底部为压力调节口。压力调节口和过滤水口的作用是，可将泥浆中的大颗粒泥沙继续向下流，此处压降的产生迫使一部分比较干净的泥浆通过上分流器进入分流器外部高压腔和相通的分流高压腔中。
所述的下分流器内部中空，下部环形分布排水口，底部横截面设置为多边形。排水口起到排水分流的作用，多边形可起到固定作用，防止下分流器随液动锤转动。
所述的上盖内对称设置两缺口，缺口与外筒之间形成动力进水口。进水口成为上分流器和工作仓内流体的通道，形成高压流体。
所述的工作仓外壁上对称设置两组凹槽，每组凹槽设置为两个，一组凹槽对应一动力进水口的下方设置，工作仓内壁上对称设置转动腔，转动腔位于两组凹槽之间，转动腔与凹槽之间通过水道连通，工作仓底部设置与下分流器相对应的多边形，工作仓与下分流器通过相对应的多边形连接，液动锤上对应转动腔设置转动翼，转动翼的横截面设置为扇形。工作时，高速流动的钻井液经过动力进水口进入凹槽与外筒形成的高压腔内，因为高速液流的进口突然变小，钻井液在进入高压腔的同时在上盖的上端面产生水击，强大的水击能量和钻井液的高压能量通过高压腔和水道里的高压流体推动液压锤逆时针或顺时针转动完成一次扭力冲击过程，液压锤关闭一组凹槽内的其中一个的水道，同时打开另一个水道，同时换向器在液压锤的带动下转动，关闭部分动力进水口；当再次有高压流体进入时，高压流体从未关闭的进水口进入，推动液动锤反方向转动，最终完成扭力旋流的过程。
所述的换向器设置为两个，换向器包括相互垂直的固定段和工作段，工作段的横截面设置为扇形，其大小对应凹槽的横截面设置，换向器的固定段对称固定在液动锤的顶部，且两换向器中心的连线与液动锤上两转动翼中心之间的连线垂直。换向器起到关闭打开动力进水口的作用，动力进水口对应两个凹槽，换向器在打开其中一个的同时关闭另外一个，实现从不同凹槽推动液动锤工作的功能，进而实现液动锤往复转动。
所述的上部接头和传动接头均为API石油螺纹，上部接头与外筒之间通过API石油螺纹连接，传动接头与外筒之间通过键与止推块连接。
所述的上分流器和下分流器通过细牙螺纹连接。
所述的内轴承与下分流器过盈装配，外轴承与液动锤过盈装配，上盖与工作仓上端过盈装配。
所述的液压锤上部对称开有两个带有角度的槽，换向器通过束环和带有角度的槽紧紧的装在液压锤上。
上述连接关系和装配方式，使结构稳定，安装牢固，提高使用寿命。
本发明的有益效果是：
该钻具结构简单、无密封元件、螺旋叶片等易损部件所以钻具寿命更高，水压转换装置不作整圆运动，利用水击和水压两重能量，所以效率更高、工作状态更稳定。使用该钻具不影响其他钻具组合的使用性能，钻具长时间使用失效后可作为常规钻柱使用，不用紧急起钻为钻井节省时间。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中上分流器的结构示意图。
图3是图2中E-E的截面示意图。
图4是图1中上盖的结构示意图。
图5是图1中工作仓的结构示意图。
图6是图1中下分流器的结构示意图。
图7是图1中换向器的结构示意图。
图8是图7的F-F的截面示意图。
图9是图1中A-A的截面示意图。
图10是图1中B-B的截面示意图。
图11是图1中C-C的截面示意图。
图12是图1中D-D的截面示意图。
图中：1、上部接头 2、上分流器 3、外筒 4、上盖 5、下分流器 6、液动锤 7、工作仓 8、传动接头 9、外轴承 10、内轴承 11、过滤水口 12、压力调节口 13、缺口 14、水道 15、转动腔 16、凹槽 17、工作仓定位多边形 18、排水口 19、多边形 20、工作段 21、固定段 22、键 23、束环 24、转动翼 25、止推块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1～图12所示，本发明所述的扭力旋冲钻具，包括上部接头1、外筒3、扭力旋冲发生装置及传动接头8，上部接头1和传动接头8分别位于外筒3的两端，扭力旋冲发生装置包括设置在传动接头8上端的工作仓7，工作仓7内设置下分流器5，下分流器5两端均通过内轴承10、外轴承9安装液动锤6，液动锤6与工作仓7的顶部设置上盖4，液动锤6与上盖4之间设置束环23，下分流器5顶部设置上分流器2，上分流器2固定在上部接头1内。上分流器2内部中空，上分流器2的上部环布有过滤水口11，过滤水口11设置为长条形，底部为压力调节口12。下分流器5内部中空，下分流器5下部环布排水口18，下分流器5底部横截面设置为多边形19。上盖4内对称设置两缺口13，缺口13与外筒3之间形成动力进水口。工作仓7外壁上对称设置两组凹槽16，每组凹槽16设置为两个，一组凹槽对应一动力进水口的下方设置，工作仓内壁上对称设置转动腔15，转动腔15位于两组凹槽之间，转动腔15与凹槽16之间通过水道14连通，工作仓7底部设置与下分流器5相对应的工作仓定位多边形17，工作仓7与下分流器5通过相对应的多边形连接，液动锤6上对应转动腔15设置转动翼24，转动翼24的横截面设置为扇形。束环23和液动锤6之间固定换向器，换向器设置为两个，换向器包括相互垂直的固定段21和工作段20，工作段20的横截面设置为扇形，其大小对应凹槽的横截面设置，换向器的固定段21对称固定在液动锤6的顶部，且两换向器中心的连线与液动锤6上两转动翼中心之间的连线垂直。上部接头1和传动接头8均为API石油螺纹，上部接头1与外筒3之间通过API石油螺纹连接，传动接头8与外筒3之间通过键22与止推块25连接。上分流器2和下分流器5通过细牙螺纹连接。内轴承10与下分流器5过盈装配，外轴承9与液动锤6过盈装配，上盖4与工作仓7上端过盈装配。液压锤6上部对称开有两个带有角度的槽，换向器的固定段21通过束环23和带有角度的槽紧紧的装在液压锤6上。
上分流器2内部的空腔为分流器内部高压腔；上分流器2外部和上部接头1之间的形成的空腔为分流器外部高压腔，上分流器2、外筒3和上盖4之间形成的空腔为分流高压腔；上部接头1内腔为进水腔，高压钻井液通过钻具进水腔向下流；工作仓7的作用是和外筒3一起形成高压腔，液动锤6和换向器在工作仓7内由于高压水流的作用顺时针或者逆时针转动，使水流完成扭力旋冲的动作，提供高频率，且均匀的水流；换向器的作用是改变水流的方向，使液动锤6做不同方向的旋转。两转动翼24呈180度设置，两转动翼24在转动腔15内同时顺时针转动或者逆时针转动，由于换向器固定在液动锤6上，液动锤6带动转动翼24转动的同时，带动换向器转动，流体进入时，由于换向器可随液动锤6同时转动，当液动锤6转动时，换向器可在打开位置相对的凹槽的进口的同时，关闭另一对位置相对的凹槽的口，阻止流体进入，形成流体的高压腔和低压腔，使液动锤6在高压流体的带动下向低压腔的方向转动。
工作时，高速流动的钻井液经过动力进水口进入凹槽16与外筒3形成的高压腔内，因为高速液流的进口突然变小，钻井液在进入高压腔的同时在上盖的上端面产生水击，强大的水击能量和钻井液的高压能量通过高压腔和水道里的高压流体推动液压锤6逆时针或顺时针转动完成一次扭力冲击过程，液压锤关闭一组水道，同时打开另组水道，同时换向器在液压锤的带动下转动，关闭部分动力进水口；当再次有高压流体进入时，高压流体从未关闭的进水口进入，推动液动锤6反方向转动，最终完成扭力旋流的过程。
Claims (10)
1.一种扭力旋冲钻具，其特征在于：包括上部接头(1)、外筒(3)、扭力旋冲发生装置及传动接头(8)，上部接头(1)和传动接头(8)分别位于外筒(3)的两端，扭力旋冲发生装置包括设置在传动接头(8)上端的工作仓(7)，工作仓(7)内设置下分流器(5)，下分流器(5)两端均通过内、外轴承安装液动锤(6)，液动锤(6)与工作仓(7)的顶部设置上盖(4)，液动锤(6)与上盖(4)之间设置束环(23)，束环(23)和液动锤(6)之间固定换向器，下分流器(5)顶部设置上分流器(2)，上分流器(2)固定在上部接头(1)内。
2.根据权利要求1所述的扭力旋冲钻具，其特征在于：上分流器(2)内部中空，上部环形分布过滤水口(11)，过滤水口(11)设置为长条形，底部为压力调节口(12)。
3.根据权利要求1所述的扭力旋冲钻具，其特征在于：下分流器(5)内部中空，下部环形分布排水口(18)，底部横截面设置为多边形(19)。
4.根据权利要求3所述的扭力旋冲钻具，其特征在于：上盖(4)内对称设置两缺口(13)，缺口(13)与外筒(3)之间形成动力进水口。
5.根据权利要求4所述的扭力旋冲钻具，其特征在于：工作仓(7)外壁上对称设置两组凹槽(16)，每组凹槽(16)设置为两个，一组凹槽(16)对应一动力进水口的下方设置，工作仓(7)内壁上对称设置转动腔(15)，转动腔(15)位于两组凹槽(16)之间，转动腔(15)与凹槽(16)之间通过水道(14)连通，工作仓(7)底部设置与下分流器(5)相对应的多边形，工作仓(7)与下分流器(5)通过相对应的多边形连接，液动锤(6)上对应转动腔(15)设置转动翼(24)，转动翼(24)的横截面设置为扇形。
6.根据权利要求5所述的扭力旋冲钻具，其特征在于：换向器设置为两个，换向器包括相互垂直的固定段(21)和工作段(20)，工作段(20)的横截面设置为扇形，其大小对应凹槽的横截面设置，换向器的固定段(21)对称固定在液动锤(6)的顶部，且两换向器中心的连线与液动锤(6)上两转动翼中心之间的连线垂直。
7.根据权利要求1所述的扭力旋冲钻具，其特征在于：上部接头(1)和传动接头(8)均为API石油螺纹，上部接头(1)与外筒(3)之间通过API石油螺纹连接，传动接头(8)与外筒(3)之间通过键(22)与止推块(25)连接。
8.根据权利要求1所述的扭力旋冲钻具，其特征在于：上分流器(2)和下分流器(5)通过细牙螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的扭力旋冲钻具，其特征在于：内轴承(10)与下分流器(5)过盈装配，外轴承(9)与液动锤(6)过盈装配，上盖(4)与工作仓(7)上端过盈装配。
10.根据权利要求1所述的扭力旋冲钻具，其特征在于：液压锤(6)上部对称开有两个带有角度的槽，换向器通过束环(23)和带有角度的槽紧紧的装在液压锤(6)上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Torque rotary drilling tool Granted publication date: 20160629 Pledgee: Zibo Zichuan District sub branch of China Post Savings Bank Co.,Ltd. Pledgor: SHANDONG GUOYUE DIAMOND PRODUCTS CO.,LTD. Registration number: Y2024980003892 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |