CN105239922A - 局部往复式液动冲击钻井提速工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了局部往复式液动冲击钻井提速工具，属于地质探矿工程及石油钻井领域。其技术方案是：工具由内置冲击器、接头、锤杆和钻头组成，内置冲击器包括上支撑导流盘、上推力球轴承、叶轮、下推力球轴承、下支撑导流盘、轴向定位圈、机械阀板、缸体和活塞冲锤。工作时，叶轮带动机械阀板周期性转动，钻井液周期性的进入缸体内腔冲击活塞冲锤，将能量传至锤杆用于使井底岩石产生微缝隙，辅助钻头高效破岩。本发明运用一种新的破岩理论，增加一个轴向辅助破岩机构，有助于延长钻头寿命并提高破岩效率，特别适用于硬地层的钻进。
Description
技术领域
本发明属于地质探矿工程及石油钻井领域，具体涉及局部往复式液动冲击钻井提速工具。
背景技术
伴随石油工业的油气勘探开发，石油行业所钻井愈来愈深，地层年代愈来愈久远，岩石愈来愈硬，提高深井钻速的问题成为钻井界研究的重要课题之一。
近几年，随着油气钻井向深部的发展，硬地层钻进的难题日益突出，传统的牙轮钻头和PDC钻头已不能很好的满足钻进的需要，当钻遇硬地层时，钻井效率低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高，冲击旋转钻井技术是解决硬岩钻进难题最有效的方法之一。
旋冲钻井技术是石油行业独具特色的、能显著提高钻速的工艺技术方法。传统的冲击钻井是直接将冲击器产生的冲击力作用在钻头上，这样钻头齿在周期性冲击力的作用下极易被损伤，严重影响钻头的使用寿命。本发明运用一种新的冲击旋转破岩理论，将冲击破岩与钻头的旋转破岩相对分开，避免了钻头齿受到周期性的冲击动载荷作用，既满足了冲击破岩的提速效果，又保证了钻头的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供局部往复式液动冲击钻井提速工具，以减小钻井效率低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高等问题，提高钻井效率。
本发明通过以下技术方案实现：局部往复式液动冲击钻井提速工具，主要由内置冲击器、接头、锤杆和钻头组成。其特征在于：所述内置冲击器包括上支撑导流盘、上推力球轴承、叶轮、下推力球轴承、下支撑导流盘、轴向定位圈、机械阀板、缸体、活塞冲锤；上支撑导流盘通过上推力球轴承安装在叶轮上；下支撑导流盘通过下推力球轴承安装在叶轮上；机械阀板通过螺纹连接在叶轮上；上支撑导流盘通过接头内壁的轴向定位台肩进行轴向定位，缸体通过螺纹固定在接头的内壁，下支撑导流盘与缸体之间通过轴向定位圈进行轴向定位；活塞冲锤安装在缸体内；钻头中心开一个安装锤杆的正六边形的通孔；接头与钻头通过摩擦焊焊接为一个整体。
所述的上推力球轴承通过上支撑导流盘和叶轮接触式动密封，下推力球轴承通过下支撑导流盘和叶轮接触式动密封；所述的上支撑导流盘和下支撑导流盘的过流面积应大于钻头水眼的总过流面积；所述的缸体上部开一个阻尼孔；所述的叶轮通过改变叶片的翼型参数改变局部冲击器的冲击频率；所述的锤杆与钻头通过正六边形间隙装配，使得锤杆和钻头一起转动，提高冲击效率；所述的机械阀板和缸体两者的端面均为扇形截面且平面配合，机械阀板与缸体内腔的错开与重合对应活塞冲锤的冲程与回程，缸体上的阻尼孔允许液流通过；所述的活塞冲锤的冲程主要在水击力的作用下完成，活塞冲锤的回程在压力差的作用下完成；所述的钻井液在通过缸体时，大部分钻井液不经过缸体内腔直接从缸体外侧流道流过，避免了在冲击器发生故障的情况下蹩压现象的发生，从而保证在冲击器失效的情况下钻头也能正常钻进。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：（1）采用叶轮作为旋转运动的动力源，通过改变叶轮叶片翼型的参数满足不同钻进地层岩石对冲击频率的要求；（2）支撑导流盘过流面积的设计保证内置冲击器不会改变钻头的水力参数；（3）缸体上部设置阻尼孔，保证冲锤活塞的顺利回程；（4）局部冲击器的设置，既能保证井底被冲击产生微缝隙，使井底岩石发生预损伤，便于钻头的高效破岩，又避免了钻头的齿受到冲击，保证了钻头的使用寿命；（5）整个装置采用机械结构，避免了使用寿命短的弹簧，提高了工具的有效性和安全性。
附图说明
本发明附图说明如下：
图1是本发明局部往复式液动冲击钻井提速工具冲程时的内部结构示意图；
图2是本发明局部往复式液动冲击钻井提速工具冲程时机械阀板与缸体内腔错开时的结构示意图；
图3是本发明局部往复式液动冲击钻井提速工具回程时的内部结构示意图；
图4是本发明局部往复式液动冲击钻井提速工具回程时机械阀板与缸体内腔重合时的结构示意图；
图中：1.上支撑导流盘，2.上推力球轴承，3.叶轮，4.下推力球轴承，5.下支撑导流盘，6.轴向定位圈，7.机械阀板，8.阻尼孔，9.缸体，10.活塞冲锤，11.接头，12.锤杆，13.钻头，14.缸体内腔，15.缸体外侧流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1、3所示：局部往复式液动冲击钻井提速工具包括上支撑导流盘1、上推力球轴承2、叶轮3、下推力球轴承4、下支撑导流盘5、轴向定位圈6、机械阀板7、缸体9、活塞冲锤10、接头11、锤杆12、钻头13，上支撑导流盘1通过上推力球轴承2安装在叶轮3上；下支撑导流盘5通过下推力球轴承4安装在叶轮3上；机械阀板7通过螺纹连接在叶轮3上；上支撑导流盘1通过接头11内壁的轴向定位台肩进行轴向定位，缸体9通过螺纹固定在接头11的内壁，下支撑导流盘5与缸体9之间通过轴向定位圈6进行轴向定位；活塞冲锤10安装在缸体9内；钻头13中心开一个安装锤杆12的正六边形的通孔；接头11与钻头13通过摩擦焊焊接为一个整体。
局部往复式液动冲击钻井提速工具入井时，直接通过接头11的锥形螺纹与钻铤相连，无需外加辅助连接工具。
正常工作状态下，钻井液经钻杆流入工具的接头11内腔，经过上支撑导流盘1的过流面冲击叶轮3的叶片，使得叶片周期性转动，从而带动机械阀板7周期性转动，使得机械阀板7和缸体9的内腔端面周期性的错开与重合，同时钻井液通过下支撑导流盘5连续向下流动。如图1、2所示，当机械阀板7和缸体9内腔错开时，大部分钻井液直接从缸体9外侧流道15流经缸体9，到达钻头13水眼处，另一部分钻井液进入缸体内腔14，冲击活塞冲锤10，活塞冲锤10在水击力的作用下向下加速运动，直至碰撞锤杆12，将能量传递给锤杆12，进入缸体内腔14的钻井液一部分通过阻尼孔8从缸体内腔14流出，与缸体外侧流道15的钻井液一同流向钻头水眼，另一部分跟随活塞冲锤10一起向下流动；如图3、4所示，当机械阀板7在叶轮13的带动下与缸体内腔14重合时，钻井液直接从缸体外侧流道15流向钻头水眼，同时，活塞冲锤10在压力差的作用下向上完成回程运动，此时缸体内腔14中的钻井液通过阻尼孔8流出，与缸体外侧流道15的钻井液一同流向钻头水眼。机械阀板7在叶轮13的带动下与缸体内腔14周期性的错开与重合，活塞冲锤10周期性的碰撞锤杆12。
锤杆12在活塞冲锤10的碰撞下冲击井底岩石，使岩石产生微缝隙，由于锤杆12与钻头13通过正六边形孔槽相连，锤杆12将和钻头13一起转动，钻头13施加给锤杆12一个周向力，因而锤杆12在轴向力和周向力的合力的作用下斜向冲击井底岩石，增加冲击效果，使得被冲击岩石更容易产生微缝隙而发生预损伤，当岩石发生预损伤后，钻头13的破岩变得相对容易，从而提高钻进效率，达到钻井提速的目的。
对于不同的地层，使岩石发生预损伤的冲击频率存在一定的差异，可以通过改变叶轮3叶片翼型的参数，得到满足冲击相应地层的最佳冲击频率。
Claims (9)
1.局部往复式液动冲击钻井提速工具，主要由内置冲击器、接头（11）、锤杆（12）和钻头（13）组成；其特征在于：所述内置冲击器包括上支撑导流盘（1）、上推力球轴承（2）、叶轮（3）、下推力球轴承（4）、下支撑导流盘（5）、轴向定位圈（6）、机械阀板（7）、缸体（9）、活塞冲锤（10）；上支撑导流盘（1）通过上推力球轴承（2）安装在叶轮（3）上；下支撑导流盘（5）通过下推力球轴承（4）安装在叶轮（3）上；机械阀板（7）通过螺纹连接在叶轮（3）上；上支撑导流盘（1）通过接头（11）内壁的轴向定位台肩进行轴向定位，缸体（9）通过螺纹固定在接头（11）的内壁，下支撑导流盘（5）与缸体（9）之间通过轴向定位圈（6）进行轴向定位；活塞冲锤（10）安装在缸体（9）内；钻头（13）中心开一个安装锤杆（12）的正六边形的通孔；接头（11）与钻头（13）通过摩擦焊焊接为一个整体。
2.根据权利要求1所述的局部往复式液动冲击钻井提速工具，其特征在于：所述的上推力球轴承（2）通过上支撑导流盘（1）和叶轮（3）接触式动密封；下推力球轴承（4）通过下支撑导流盘（5）和叶轮（3）接触式动密封。
3.根据权利要求1所述的局部往复式液动冲击钻井提速工具，其特征在于：所述的上支撑导流盘（1）和下支撑导流盘（5）的过流面积应大于钻头水眼的总过流面积。
4.根据权利要求1所述的局部往复式液动冲击钻井提速工具，其特征在于：所述的缸体（9）上部开一个阻尼孔（8）。
5.根据权利要求1所述的局部往复式液动冲击钻井提速工具，其特征在于：所述的叶轮（3）通过改变叶片的翼型参数改变局部冲击器的冲击频率。
6.根据权利要求1所述的局部往复式液动冲击钻井提速工具，其特征在于：所述的锤杆（12）与钻头（13）通过正六边形间隙装配，使得锤杆（12）和钻头（13）一起转动，提高冲击效率。
7.根据权利要求1所述的局部往复式液动冲击钻井提速工具，其特征在于：所述的机械阀板（7）和缸体（9）两者的端面均为扇形截面且平面配合，机械阀板（7）与缸体内腔（14）的错开与重合对应活塞冲锤（10）的冲程与回程，缸体（9）上的阻尼孔（8）允许液流通过。
8.根据权利要求1或7所述的局部往复式液动冲击钻井提速工具，其特征在于：所述的活塞冲锤（10）的冲程主要在水击力的作用下完成；活塞冲锤（10）的回程在压力差的作用下完成。
9.根据权利要求1所述的局部往复式液动冲击钻井提速工具，其特征在于：所述的钻井液在通过缸体（9）时，大部分钻井液不经过缸体内腔（14）直接从缸体外侧流道（15）流过，避免了在冲击器发生故障的情况下蹩压现象的发生，从而保证在冲击器失效的情况下钻头也能正常钻进。
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