CN105484670A - 钻井提速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井提速装置，其用于连接钻具和钻头，其特征在于，该装置集钻柱减振、脉冲和冲击于一体，在钻进时形成减振、脉冲冲击和脉冲射流作用于钻头上。该钻井提速装置能提高钻井装置的破岩效率和机械钻速。

Description

钻井提速装置

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，具体涉及一种钻井提速装置。

背景技术

在石油、天然气、地热、地下水等资源的开采过程中及地质钻探取芯等作业过程中，需要通过钻井的方式不断破碎岩石。而随井深的增大，破岩难度也不断增大，尤其是会导致钻井的速度急剧降低。

为了提高机械钻速，现有技术中提出了通过脉冲射流和冲击破岩来提高机械钻速。脉冲射流是将井底连续喷射的钻井液调制为脉冲喷射，可以改善井底流场，减少液柱对岩石的压持效应，减少岩屑的重复破碎，从而提高破岩效率。

申请号201210027666.7的专利中提出一种脉冲式井下增压射流钻井方法及装置，利用钻柱振动或钻压大小变化作为动力源，将钻柱的动能或钻柱势能转换为液体的压能，达到井下增压、超高压射流破岩。其基本原理是：钻柱由于上下振动(或钻压变化)时，上接头与壳体在外力作用下带动增压缸体相对增压活塞上下运行(工具伸长或缩短)，对进入增压缸体内的工作液进行间断式增压。外力或钻压的变化使增压活塞相对增压缸体上下往复运行。

申请号201310047969.X的专利中提出一种吸振式井下液压脉冲发生装置及其钻井方法，利用钻柱的纵向振动及钻压波动，周期性压缩柱塞缸里面的钻井液从而产生脉冲射流。当钻柱向下振动时，当柱塞头的运动速度大于柱塞缸内钻井液的流速时单向阀关闭，柱塞缸内的钻井液压力增加。当柱塞头的速度小于柱塞缸内钻井液的流速时，单向阀开启，钻井液常压流入钻头。当钻柱向上振动时，单向阀开启，柱塞缸内压力低于正常压力，形成压力周期性增大与降低从而实现脉冲射流。

专利ZL201110147745.7中提出一种谐振脉冲振动钻井装置。其利用钻井液流过涡轮或螺杆时产生的动力带动密封块旋转，实现密封块与导流板上扰流通孔位置的重合与错开，实现周期性的脉冲射流。同时，通过脉冲扰流和改变流体的过流面积形成的压差，实现谐振脉冲传扭腔带动钻头轴向往复振动。但此装置对钻头可施加的冲击功较少，而且该装置需要涡轮或螺杆井下动力钻具提供旋转动能。

总之，现有技术的钻井装置的破岩效率和机械钻速还有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能提高钻井装置的破岩效率和机械钻速的钻井提速装置。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的钻井提速装置，其用于连接钻具和钻头，该装置集钻柱减振、脉冲和冲击于一体，在钻进时形成减振、脉冲冲击和脉冲射流作用于钻头上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。本发明中的钻井提速装置集中了减振、脉冲和冲击多种功能，在不影响正常钻井作业的同时，通过减振、脉冲和冲击能比较显著地提高破岩效率和机械钻速。

在一个实施例中，该装置包括钻柱减振组件、脉冲冲击组件和脉冲射流组件，这三部分通过外筒和接头实现相互连接以及与钻具和钻头的连接。实现钻具的纵向减振和纵向钻压传递。

在一个实施例中，所述脉冲冲击组件包括：

所述脉冲冲击组件包括：

中心轴，该中心轴为上端外径比中下端外径大的柱状结构，其上端与用于连接钻具的上接头连接，其中部与钻柱减振组件连接，其下端与脉冲射流组件连接；

下端连接钻头的受冲击体，设在钻柱减振组件的下方并通过下接头、下部外筒与中接头连接，其内设有容纳中心轴的下端的空腔；和

冲击锤，其设在钻柱减振组件、中心轴、下部外筒、受冲击体形成的冲击腔内，随着中心轴运动并将冲击作用经受冲击体传递给钻头。中心轴下移时通过冲击锤作用在受冲击体上，将冲击作用经受冲击体传递给钻头，辅助钻头破岩。

在一个优选的实施例中，所述冲击锤为内径比中心轴小端的外径大的环状结构，且其内侧设有与中心轴上的带动块配合的带动槽。冲击锤与中心轴为滑动连接。而且冲击锤可在冲击腔内做纵向振动。另外，冲击腔的开口与流通通道连通。

在一个实施例中，所述中心轴的上端外侧连接上部外筒，所述上部外筒位于钻柱减振组件的上方。在一个优选的实施例中，上部外筒的下端设有滑槽，中心轴通过花键结构以及密封件与上部外筒连接，所述花键结构与滑槽配合且位于密封件的下方。上部外筒内侧的滑槽与中心轴外周面的花键结构配合，不仅能允许中心轴沿着滑槽上下移动，而且能将扭矩传递给上部外筒，最终将扭矩传递给钻头。

在一个实施例中，所述钻柱减振组件包括承压环和缓冲件；其中：

承压环套接在中心轴的中部，其上端面抵接在中心轴的大端与小端连接的台肩上；

缓冲件，上端抵在承压环的下端面，其下端抵接在中接头上；

所述承压环和缓冲件的外侧均设在中部外筒内。由于在钻头破碎岩石的过程中会引起钻柱的振动，而井下钻柱振动是引起钻具失效的主要原因，会导致钻压不能均匀地加在钻头上，使钻头的寿命和机械钻速都大为降低。为了减少钻柱振动带来的危害，现有技术中提出了多种结构的减振器，例如通过液压或弹簧等部件来抵消钻柱纵向振动的能量，改变钻柱的固有频率。虽然钻柱减振器可以在一定程度上减少振动对钻具的损坏，但振动的能量也未得到有效的利用，造成能量的浪费。本发明不仅能减少钻柱振动带来的危害，同时将钻柱振动能量转化为脉冲射流和冲击作用，较好的辅助钻头破岩，提高机械钻速。

在一个实施例中，所述脉冲射流组件包括设在中心轴下端内侧的阻流动块和设在受冲击体的上端内侧的阻流静块；当中心轴下移到下限位置时，阻流动块与阻流静块合并从而封闭中部的流通通道。在一个优选的实施例中，阻流动块和阻流静块均为半圆形结构，且靠近中心轴的轴线的一侧比远离中心轴的轴线的一侧薄。中心轴向下运动时，阻流静块和阻流动块合并封堵流通通道。中心轴向上运动时，阻流静块和阻流静块错开，流通通道被打开，钻井液能顺利通过流通通道进入钻头。随着中心轴的上下运动，流通通道被反复地打开和关闭，从而在流通通道内形成脉冲射流，脉冲射流能提高井底岩屑的清理效率，减少重复破碎，提高机械钻速。

在一个实施例中，所述外筒包括上部外筒、中部外筒和下部外筒，所述接头包括上接头、中接头和下接头，所述上部外筒、中部外筒、中接头、下部外筒和下接头依次固定连接。在一个优选的实施例中，所述上接头、上部外筒、中部外筒、中接头、下部外筒和下接头均具有相同的外径。这样的连接结构连接牢固，而且由于各部件的外形尺寸基本相同，能够方便安装和使用。

在一个实施例中，所述工具可与牙轮钻头以及PDC钻头配合使用。本发明的钻井提速装置不仅能与牙轮钻头配合使用，而且可与PDC钻头配合使用，从而满足不同工况下的钻井需求。适用范围更广。

在一个实施例中，在钻进过程中，在钻压的作用下，中心轴向下移动，压缩钻柱减振组件，并将钻压和扭矩向下传递直至传递到钻头上。

附图说明

图1所示为本发明的钻井提速装置的一种具体实施例。

图2所示为图1中的A-A剖视图。

图3所示为图1中的B-B剖视图。

图4所示为图1中的中心轴的结构示意图。

图5所示为图1的钻井提速装置中的冲击锤冲击受冲击体时的结构示意图。

图6所示为图1中的钻井提速装置钻井液流通通道关闭时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的钻井提速装置的一种具体实施例。该钻井提速机构用于连接钻具和钻头，其能用于缓冲及降低钻具传递的振动，并将振动作为动力，形成脉冲冲击和脉冲射流作用于钻头上。

在一个实施例中，该钻井提速机构主要包括减振组件、脉冲冲击组件和脉冲射流组件。这三部分通过外筒和接头实现相互连接以及与钻具和钻头的连接。外筒主要由上部外筒3、中部外筒7和下部外筒13这三部分构成。接头主要包括上接头1、中接头9和下接头19。其中，上接头1的上端设有与钻具连接的螺纹。

在一个实施例中，脉冲冲击组件主要包括中心轴2、受冲击体17和冲击锤12。中心轴2的上端与上接头1的下端通过螺纹固定连接。中心轴2为上端外径大于下端外径的上端大下端小的结构，如图4所示。其中，受冲击体17设在钻柱减振组件的下方，其通过多方结构16与下接头19的内侧面配合。多方结构16例如采用六方或八方，如图3所示。多方结构16主要起到在下接头19与受冲击体17之间传递扭矩的作用。

在一个优选的实施例中，受冲击体17的外表面上端设有凹槽环，凹槽环内安装有两个半圆卡环18。半圆卡环18的外径大于受冲击体17的外径而小于下接头19的内径，用于防止起下钻过程中因压力过大造成受冲击体17的脱落。

另外，下接头19的外侧面与下部外筒13的下端固定连接，下部外筒13的上端与中接头9固定连接。此外，冲击锤12设在中心轴2、下部外筒13和受冲击体13形成的冲击腔内，该冲击腔与流通通道连通。

在一个优选的实施例中，中心轴2的大端通过密封件5和花键结构4与上部外筒3滑动连接，如图2所示。也就是说，中心轴2大端的下部外侧为花键，上部外筒3的下部内侧设有配合的滑槽。因此，当中心轴2上下运动时，中心轴2的花键在上部外筒3的滑槽内上下滑动。设在中心轴2与上部外筒3之间的密封件5起到动密封作用。

在一个优选的实施例中，冲击锤12的内径大于中心轴2小端的外径。中心轴2的外周面上通过焊接或螺纹连接等方式固定设有带动块10，相应地冲击锤12朝向中心轴2的一侧设有与带动块10配合的带动槽11。当中心轴2向下运动时，带动冲击锤12向下冲击受冲击件17。随着中心轴2上下往复运动，冲击锤12对受冲击件17形成脉冲冲击和钻压，受冲击件17与钻头连接，从而将这种脉冲冲击和钻压传递给钻头。

在一个实施例中，减振组件主要包括承压件6和缓冲件8。其中，缓冲件8例如碟簧。该缓冲件8套接在中心轴2上，且设在承压件6和中接头9之间。承压件6则设在中心轴2的大端与小端连接处的台肩处。因此，当中心轴2向下运动时，中心轴2的台肩压着承压件6向下运动压缩缓冲件8。

因此，在一个实施例中，在未施加钻压前，碟簧处于自然状态，中心轴2通过带动块10使得冲击锤12距离受冲击体17的上端面有一定距离，如图1所示。半圆卡环18与下接头19的上端面接触，保证受冲击体17不滑落。此处，由于冲击体17与下接头19之间没有螺纹连接，若是没有半圆卡环18，在重力作用下冲击体17会从下接头19内滑落。但本发明的一个实施例中，由于将半圆卡环18镶嵌在冲击体17内，在自由状态下，半圆卡环18位于下接头19的上端面使得冲击体17不至于从下接头19内滑落。另外，加钻压钻进时，中心轴2通过承压环6压缩碟簧向下移动到一定位置，此时，冲击锤12仍位于受冲击体17的上端，两者不接触。

在一个实施例中，脉冲射流组件主要包括设在中心轴2的下端内侧的阻流动块14和设在受冲击体17的上端内侧的阻流静块15。

在一个优选的实施例中，阻流动块14和阻流静块15均为半圆形结构，且靠近中心轴2的轴线的一侧比远离中心轴2的轴线的一侧薄。如图1所示，纵向剖视图中，阻流动块14和阻流静块15在厚度方向上为梯形结构。该梯形结构的下底一侧为相对厚度大的一侧，即厚侧。该梯形结构的上底一侧为相对厚度小的一侧，即薄侧。这样的结构使得钻井液更容易顺着阻流动块14和阻流静块15的表面流动，而不用担心钻井液积聚在阻流动块14和阻流静块15的表面上。

另外，由于阻流动块14和阻流静块15均为半圆形结构，当阻流动块14运动到与阻流静块15位于同一高度位置时，两个半圆形结构合并形成一个密封的圆形结构，从而封闭钻井液的流通通道。

在钻进过程中，钻柱发生纵向振动，钻压产生波动。当钻压增大时，中心轴2压缩碟簧向下运动，并带动冲击锤12对受冲击体17产生冲击作用，此时，钻井液的流通通道仍处于打开状态，如图5所示。

当冲击作用发生后，波动钻压使得中心轴2继续向下运动。此时，冲击锤12的位置不动，带动块10在带动槽11内向下滑动，当阻流动块14运动到与阻流静块15位于同一高度位置时，将钻井液流通通道关闭，如图6所示。

当钻柱纵向振动导致钻压减少时，中心轴2向上运动，阻流动块14与阻流静块15不位于同一平面，钻井液流通通道打开。伴随着中心轴2反复的上下运动，流通通道被反复地打开和关闭，从而产生脉冲射流。

因此，在本发明的实施例中，钻柱的纵向振动导致钻压减少或者增大，从而形成中心轴2的上下往复运动。并且在中心轴2的上下往复运动过程中，中心轴2带动冲击锤12对受冲击体17产生冲击作用，并通过受冲击体17将冲击功传递到钻头上，实现辅助破岩。另外，由于中心轴2的上下往复运动过程中，伴随着反复关闭和打开钻井液流通通道，因此带来了脉冲射流，而脉冲射流能有效地提高井底岩屑的清洁效率。

此外，本发明的实施例中扭矩的传递过程为：通过中心轴2上的花键4将工具上部转盘或井下动力钻具转动产生的扭矩传递给上部外筒3，上部外筒3与中部外筒7、中部外筒7与中接头9、中接头9与下部外筒13、下部外筒13下接头19之间均采用螺纹连接传递扭矩，扭矩传递到下接头19后，通过多方结构16将扭矩传递到受冲击体17，受冲击体17与钻头之间采用螺纹连接，最终将扭矩传递到钻头上。

而钻压的传递过程为：钻压通过中心轴2与碟簧配合完成。钻压通过上接头1传递到中心轴2，中心轴2向下运动时通过承压环6压缩碟簧，碟簧受压缩后将钻压传递到中接头9的上端面，然后通过连接螺纹依次传递至下部外筒13和下接头19，下接头19的下端面与受冲击体17接触后，将钻压传递至钻头。

说明的是，本发明的钻井提速装置由于不是通过换向机构、井下动力工具等部件来实现中心轴的往复运动，因此结构更简单，易损件更少，使用寿命更长。尤其是在井下易冲蚀、磨损的环境下，提高了该钻井提速装置工作时的可靠性和稳定性。另外，适应高温、高温等环境的应用要求。此外，维修、保养也更方便。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种钻井提速装置，其用于连接钻具和钻头，其特征在于，该装置集钻柱减振、脉冲和冲击于一体，在钻进时形成减振、脉冲冲击和脉冲射流作用于钻头上。

2.根据权利要求1所述的钻井提速装置，其特征在于，该装置包括钻柱减振组件、脉冲冲击组件和脉冲射流组件，这三部分通过外筒和接头实现相互连接以及与钻具和钻头的连接。

3.根据权利要求2所述的钻井提速装置，其特征在于，所述外筒包括上部外筒、中部外筒和下部外筒，所述接头包括上接头、中接头和下接头，所述上部外筒、中部外筒、中接头、下部外筒和下接头依次固定连接，所述上接头位于上部外筒的上方。

4.根据权利要求3所述的钻井提速装置，其特征在于，所述脉冲冲击组件包括：

中心轴，该中心轴为上端外径比中下端外径大的柱状结构，其上端与用于连接钻具的上接头连接，其中部与钻柱减振组件连接，其下端与脉冲射流组件连接；

下端连接钻头的受冲击体，设在钻柱减振组件的下方并通过下接头、下部外筒与中接头连接，其内设有容纳中心轴下端的空腔；和

冲击锤，其设在钻柱减振组件、中心轴、下部外筒、受冲击体形成的冲击腔内，随着中心轴运动并将冲击作用经受冲击体传递给钻头。

5.根据权利要求4所述的钻井提速装置，其特征在于，所述冲击锤为内径比中心轴小端的外径大的环状结构，且其内侧设有与中心轴上的带动块配合的带动槽。

6.根据权利要求4或5所述的钻井提速装置，其特征在于，所述中心轴的上端外侧连接上部外筒，所述上部外筒位于钻柱减振组件的上方；优选地，上部外筒的下端设有滑槽，中心轴通过花键结构以及密封件与上部外筒连接，所述花键结构与滑槽配合且位于密封件的下方。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的钻井提速装置，其特征在于，所述钻柱减振组件包括承压环和缓冲件；其中：

承压环套接在中心轴的中部，其上端面抵接在中心轴的大端与小端连接的台肩上；

缓冲件，上端抵在承压环的下端面，其下端抵接在中接头上；

所述承压环和缓冲件的外侧均设在中部外筒内。

8.根据权利要求4～7中任一项所述的钻井提速装置，其特征在于，所述脉冲射流组件包括设在中心轴下端内侧的阻流动块和设在受冲击体的上端内侧的阻流静块；当中心轴下移到下限位置时，阻流动块与阻流静块合并从而封闭中部的流通通道；优选地，阻流动块和阻流静块均为半圆形结构，且靠近中心轴的轴线的一侧比远离中心轴的轴线的一侧薄。

9.根据权利要求4～8中任一项所述的钻井提速装置，其特征在于，所述上接头、上部外筒、中部外筒、中接头、下部外筒和下接头均具有相同的外径。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的钻井提速装置，其特征在于，所述工具可与牙轮钻头以及PDC钻头配合使用；优选地，在钻进过程中，在钻压的作用下，中心轴向下移动，压缩钻柱减振组件，并将钻压向下传递直至传递到钻头上。