CN105484670B - 钻井提速装置 - Google Patents

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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
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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,减少岩肩的重复破碎,从而提高破岩效率。
[0004]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。
[000S]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。
[0006]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。冋时,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。
[0007]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
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011] 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。
[0012]在一个实施例中,所述脉冲冲击组件包括:
[0013]所述脉冲冲击组件包括:
[0014]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;
[0015]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
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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:
[0020] 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;
[0021] 缓冲件,上端抵在承压环的下端面,其下端抵接在中接头上;
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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roc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。
[0026] 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
[0027]图1所示为本发明的钻井提速装置的一种具体实施例。
[0028]图2所示为图1中的A-A剖视图。
[0029]图3所示为图1中的B-B剖视图。
[0030]图4所示为图1中的中心轴的结构示意图。
[0031]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。
[0032]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
[0033]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0034]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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 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。
[0038] 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I3和受冲击体I3形成的冲击腔内, 该冲击腔与流通通道连通。
[0039] 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。
[0040] 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1〇,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I7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。
[0041] 在一个实施例中,减振组件主要包括承压件6和缓冲件S。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。
[0042] 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I8与下接头I9 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。
[0043] 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。
[0044] 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I5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。
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047] 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1〇在带动槽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。
[0048]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小 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。
[0049]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。
[0050]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。
[0051] 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。
[0052]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。
[0053]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 (8)

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, 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, 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, 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。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求1或2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。
4.根据权利要求3所述的钻井提速装置,其特征在于,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。
5. 根据权利要求1或2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。
6. 根据权利要求1或2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。
7.根据权利要求6所述的钻井提速装置,其特征在于,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。
8.根据权利要求1或2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。
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