CN105041201A - 液力柔振提速钻具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于提高钻头钻进速度的液力柔振提速钻具。该工具通过对钻头施加具有一定频率的温和脉动载荷，改善钻头动态特性进而提高钻进效率。其技术方案是：工具由上接头、动力组件、调流阀组件、传力组件组成。动力组件的外壳体上端通过螺纹与上接头连接，下端为八方孔结构内台阶并对下接头实施限位；下接头中段为外八方结构，下端通过螺纹与转换接头连接；动力组件采用涡轮组或螺杆马达结构，在液力作用下产生驱动力，带动上转轴转动。上转轴安装在承载环上，下端通过螺纹与下转轴连接。调流阀组件由下转轴和调流阀座组成，调流阀座安装在下接头上端。本发明可有效改善钻头动态特性，延长钻头寿命，提高钻头钻进效率。

Description

液力柔振提速钻具
技术领域
本发明涉及一种钻井作业中用于改善钻头动态特性和提高钻头钻进速度的液力柔振提速钻具。该工具通过对钻头施加具有一定频率的温和脉动载荷，改善钻头动态特性，提高钻头钻进速率。
背景技术
钻头是钻井作业中必不可少的工具，受井底作业环境和钻进要求的影响，钻头的纵向和横向振动均较为剧烈，特别是钻遇含砾石地层、深部硬地层，钻头振动尤为严重，甚至引发钻头过早失效，降低了钻头的使用寿命和钻进效率，而更换钻头的起下钻作业会导致整个钻井作业的非效率工作时间增加，进而增加钻井成本。
液力柔振提速钻具直接安装在钻头上方，在钻井液的作用下，产生具有一定频率的温和脉动载荷，在保证正常钻压和扭矩传递，以及不产生明显附加钻压的情况下，改善钻头的动态特性，提高钻头工作效率与使用寿命。该发明对推动钻井提速技术的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的：改善钻头动态特性，保护钻头安全，提高单位钻头钻进效率和使用寿命，进一步降低钻井作业成本。
为达到上述目的，本发明特提供一种液力柔振提速钻具，所采用的技术方案是：液力柔振提速钻具由上接头、动力组件、调流阀组件、传力组件组成。上接头下端通过螺纹与动力组件的外壳体连接，上接头上端通过接头螺纹实现与其它钻具的连接；动力组件采用涡轮组结构或螺杆马达结构，在内环空钻井液作用下产生驱动力，带动上转轴转动；外壳体通过限位台阶对承载环实现限位，承载环上开有承载环常通流道；上转轴台阶面压在推力轴承1上，推力轴承1安装在承载环上并配合挡环、推力轴承2、深沟球轴承和锁环实现对上转轴的限位安装。上转轴下端通过螺纹与下转连接；调流阀组件由下转轴和调流阀座组成。下转轴开有旁通孔，调流阀座安装在下接头上端，并在与旁通孔对应位置开有引流道，调流阀座还开有调流阀座常通流道；传力组件包括下接头和转换接头。下接头上部设有安装台阶，中段为外八方结构与外壳体下端的八方孔结构内台阶实现配合安装，下端通过螺纹与转换接头连接。
当动力组件采用涡轮组驱动结构时，上转轴开设有中心流道，上部安装有涡轮转子和涡轮定子组成的涡轮组，通过转子压头压紧在上转轴上；涡轮定子在压环和上接头的作用下，压紧在承载环上；下转轴开有中心流道，并与上转轴的中心流道、旁通孔和引流道一起组成钻井液中央流道。孔塞用于封堵加工引流道时产生的刀位孔；
当动力组件采用螺杆马达驱动结构时，外壳体由外壳体上段和外壳体下段组成。螺杆定子固定安装在外壳体上段内壁上，螺杆转子安装在螺杆定子中。螺杆转子通过螺纹与万向节上端连接，万向节下端通过螺纹与上转轴连接。外壳体上段和外壳体下端通过螺纹连接，薄壁压环在外壳体上段的作用下紧压在承载环上。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：（1）该工具产生的压降较小，不会明显降低井底水力作用能量，能保证钻井液对井底的清洗能力。（2）产生的脉动载荷较为温和，不会对钻头产生明显的附加钻压效应。（3）该工具可保证钻压与扭矩顺利传递至钻头，不产生能量传递的损失。（4）该工具可有效改善钻头动态特征，进而保护钻头，延长钻头使用寿命。（5）该工具结构简单，便于维护与制造且成本较低，可实现在不大幅增加投入与改变现有钻井作业技术的情况下，实现钻井提速。
附图说明
图1是本发明采用涡轮组驱动结构时的液力柔振提速钻具结构示意图；
图2是本发明采用螺杆马达驱动结构时的液力柔振提速钻具结构示意图；
图3是由横剖面A-A得到的液力柔振提速钻具承载环横截面示意图；
图4是由横剖面B-B得到的液力柔振提速钻具调流阀座横截面示意图；
图5是本发明液力柔振提速钻具采用涡轮组驱动结构时的下转轴结构示意图；
图6是本发明液力柔振提速钻具采用螺杆马达驱动结构时的下转轴结构示意图；
图中：1上接头；2外壳体；2（1）外壳体上段；2（2）外壳体下段；3压环；4转子压头；5涡轮转子；6涡轮定子；7承载环；8推力轴承1；9深沟球轴承；10挡环；11推力轴承2；12锁环；13孔塞；14下转轴；15调流阀座；16下接头；17转换接头；18上转轴安装孔；19上转轴；20转子压头安装孔；21引流道；22调流阀座常通流道；23承载环常通流道；24旁通孔；25薄壁压环；26万向节；27螺杆转子；28螺杆定子。
具体实施方式
由图1所示，本发明涉及的液力柔振提速钻具由上接头（1）、动力组件、调流阀组件、传力组件组成。上接头（1）下端通过螺纹与动力组件的外壳体（2）连接，上接头（1）上端通过接头螺纹实现与其它钻具的连接；动力组件采用涡轮组结构或螺杆马达结构，在内环空钻井液作用下产生驱动力，带动上转轴（19）转动；外壳体（2）通过限位台阶对承载环（7）实现限位，承载环（7）上开有承载环常通流道（23）；上转轴（19）台阶面压在推力轴承1（8）上，推力轴承1（8）安装在承载环（7）上并配合挡环（10）、推力轴承2（11）、深沟球轴承（9）和锁环（12）实现对上转轴（19）的限位安装。上转轴（19）下端通过螺纹与下转轴（14）连接；调流阀组件由下转轴（14）和调流阀座（15）组成。下转轴（14）开有旁通孔（24），调流阀座（15）安装在下接头（16）上端，并在与旁通孔（24）对应位置开有引流道（21），调流阀座（15）还开有调流阀座常通流道（22）；传力组件包括下接头（16）和转换接头（17）。下接头（16）上部设有安装台阶，中段为外八方结构与外壳体（2）下端的八方孔结构内台阶实现配合安装，下端通过螺纹与转换接头（17）连接。
当动力组件采用涡轮组驱动结构时，上转轴（19）开设有中心流道，上部安装有涡轮转子（5）和涡轮定子（6）组成的涡轮组，通过转子压头（4）压紧在上转轴（19）上；涡轮定子（5）在压环（3）和上接头（1）的作用下，压紧在承载环（7）上；下转轴（14）开有中心流道，并与上转轴（19）的中心流道、旁通孔（24）和引流道（21）一起组成钻井液中央流道。孔塞（13）用于封堵加工引流道（21）时产生的刀位孔；
当动力组件采用螺杆马达驱动结构时，外壳体（2）由外壳体上段（2（1））和外壳体下段（2（2））组成。螺杆定子（28）固定安装在外壳体上段（2（1））内壁上，螺杆转子（27）安装在螺杆定子（28）中。螺杆转子（27）通过螺纹与万向节（26）上端连接，万向节（26）下端通过螺纹与上转轴（19）连接。外壳体上段（2（1））和外壳体下段（2（2））通过螺纹连接，薄壁压环（25）在外壳体上段（2（1））的作用下紧压在承载环（7）上。
当使用该工具时，将工具直接安装在钻头上方，调整大钩载荷对钻头施加预定钻压，此时在钻压的作用下，外壳体（2）下端面紧压在转换接头（17）上端面上，下接头（16）上部的安装台阶与外壳体（2）下端的八方孔结构内台阶上端面之间的间隙达到最大。内环空钻井液流经动力组件，带动上转轴（19）与下转轴（14）旋转，当钻井液中央流道连通或旁通孔（24）与引流道（21）形成间隙时，部分钻井液经引流道（21）流过调流阀座（15），对钻井液进行分流，此时过流面积增大，工具腔内钻井液压力降低。当下转轴（14）转过一定角度，旁通孔（24）与引流道（21）相对错开，钻井液中央流道断开或当旁通孔（24）与引流道（21）形成的间隙消失时，由于对钻井液分流作用消失，钻井液过流面积减小，导致工具腔内钻井液压力升高，钻井液对调流阀座（15）作用力增加，由于该过程发生时间很短，于是产生一次具有一定幅值的作用力，经下接头（16）传递至转换接头（17）后传递至钻头。随着下转轴（14）的不断旋转，以上过程重复发生，便形成具有一定频率的作用力。
安装涡轮转子（6）与涡轮定子（5）组成的涡轮组时，将直径10mm的圆柱形钢条插入上转轴安装孔（18）与转子压头安装孔（20）以产生力臂作用，旋转转子压头（4）将涡轮转子（6）压紧在上转轴（19）上。

Claims (4)

1.一种钻井作业中用于改善钻头动态特性和提高钻头钻进效率的液力柔振提速钻具由上接头（1）、动力组件、调流阀组件、传力组件组成；上接头（1）下端通过螺纹与动力组件的外壳体（2）连接，上接头（1）上端通过接头螺纹实现与其它钻具的连接；动力组件采用涡轮组结构或螺杆马达结构，在内环空钻井液作用下产生驱动力，带动上转轴（19）转动；外壳体（2）通过限位台阶对承载环（7）实现限位，承载环（7）上开有承载环常通流道（23）；上转轴（19）台阶面压在推力轴承1（8）上，推力轴承1（8）安装在承载环（7）上并配合挡环（10）、推力轴承2（11）、深沟球轴承（9）和锁环（12）实现对上转轴（19）的限位安装；上转轴（19）下端通过螺纹与下转轴（14）连接；调流阀组件由下转轴（14）和调流阀座（15）组成；下转轴（14）开有旁通孔（24），调流阀座（15）安装在下接头（16）上端，并在与旁通孔（24）对应位置开有引流道（21），调流阀座（15）还开有调流阀座常通流道（22）；传力组件包括下接头（16）和转换接头（17）；下接头（16）上部设有安装台阶，中段为外八方结构与外壳体（2）下端的八方孔结构内台阶实现配合安装，下端通过螺纹与转换接头（17）连接；
当动力组件采用涡轮组驱动结构时，上转轴（19）开设有中心流道，上部安装有涡轮转子（5）和涡轮定子（6）组成的涡轮组，通过转子压头（4）压紧在上转轴（19）上；涡轮定子（5）在压环（3）和上接头（1）的作用下，压紧在承载环（7）上；下转轴（14）开设中心流道并与上转轴（19）的中心流道、旁通孔（24）和引流道（21）一起组成钻井液中央流道；孔塞（13）用于封堵加工引流道（21）时产生的刀位孔；
当动力组件采用螺杆马达驱动结构时，外壳体（2）由外壳体上段（2（1））和外壳体下段（2（2））组成；螺杆定子（28）固定安装在外壳体上段（2（1））内壁上，螺杆转子（27）安装在螺杆定子（28）中；螺杆转子（27）通过螺纹与万向节（26）上端连接，万向节（26）下端通过螺纹与上转轴（19）连接；外壳体上段（2（1））和外壳体下段（2（2））通过螺纹连接，薄壁压环（25）在外壳体上段（2（1））的作用下紧压在承载环（7）上。
2.根据权利要求1所述的液力柔振提速钻具，其特征是：下接头（16）上部的安装台阶面与外壳体（2）下端的八方孔结构内台阶上端面之间存在距离小于10mm的间隙；下接头（16）与调流阀座（15）可在间隙范围内沿轴向上下滑动；外壳体（2）与下接头（16）通过八方孔结构向下传递扭矩。
3.根据权利要求1所述的液力柔振提速钻具，其特征是：当动力组件采用涡轮组驱动结构时，旁通孔（24）为圆形组合孔；钻井液流经涡轮组后，带动下转轴（14）与调流阀座（15）发生相对转动，当下转轴（14）上的旁通孔（24）与引流道（21）对齐后，钻井液中央流道形成通路，对流过调流阀座（15）的钻井液进行分流；当旁通孔（24）相对引流道（21）转过一定角度后，钻井液中央流道形成断路。
4.根据权利要求1所述的液力柔振提速钻具，其特征是：当动力组件采用螺杆马达驱动结构时，旁通孔（24）为矩形切孔；当下转轴（14）上的旁通孔（24）转到与引流道（21）对齐后，部分钻井液经旁通孔（24）与引流道（21）形成的间隙，从引流道（21）流过调流阀座（15），对钻井液形成分流。
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