CN105604489A - 液压高频正反冲击钻头能量发生器及应用方法 - Google Patents
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Abstract
一种液压高频正反冲击钻头能量发生器，包括连接体、壳体、旋流管、循环推力轴承、节流喷嘴、换向器、冲击器、密封推力轴承和流量分配器，在壳体内腔上部设有与壳体螺纹连接的流量分配器，在壳体的下部设有插入壳体内的且与壳体下部通过悬挂滚珠滑动连接的连接体，连接体上端面与流量分配器下端面相对，在流量分配器中部内端面至连接体中部内端面设有旋流管，在流量分配器下端中端面与旋流管之间设有密封推力轴承，在旋流管下上部外周设有循环推力轴承，在密封推力轴承与循环推力轴承之间的旋流管外周设有换向器，在密封推力轴承与循环推力轴承之间的换向器外周设有冲击器，在旋流管下上部内周设有螺纹连接的节流水嘴。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种液压高频正反冲击钻头能量发生器及应用方法，具有消除PDC钻头和钻具的弹跳、粘滑和回转。主要用于硬地层和研磨性地层在深井、超深井，水平井、定向井和大斜度井等特殊工艺井领域。
背景技术
随着油气勘探逐步向深部地层及深海海域发展，钻井操作面临越来越复杂的地质环境及钻井工艺难题，勘探开采难度不断加大。在深井超深井的钻进过程中，地层起伏变化较大，岩性多变，非均质严重。随着井深的增加，井身结构变复杂且井眼尺寸变小，地层软硬交错，岩石硬度及塑性加大，研磨性增强，导致地层可钻性变差，下部钻具粘滑振动剧烈。钻头在钻进过程中有横向、纵向和扭向的振动，具体表现为钻头回转、钻头弹跳和粘滑运动。回转是一种非常麻烦的不规则的运动，缺点是钻头围绕一个非钻头几何中心的点运动。反回转运动中钻头旋转中心绕井眼运动的方向与钻头旋转方向相反。反回转运动将降低钻头性能、损害PDC切削齿和产生叶瓣状井底。稳定钻头进行同心圆切削。粘滑是一种钻头速度降慢或停止、扭矩上升和当恢复自由旋转后产生加速的趋势。当钻头上下接触井底时会产生弹跳，这些是我们最不愿意看到的。
PDC钻头的粘滑振动导致PDC钻头由于破岩扭矩不足而停止运转，转盘的持续转动使钻柱扭曲而积蓄能量；钻柱积蓄的能量使PDC钻头足以打破岩石的阻碍，PDC钻头突然释放而高速绕钻柱轴线振动。在驱动力及阻尼作用下上述过程将不断循环。钻具的粘滑振动现象不但造成钻井机械钻速降低，还可能造成井下事故的发生，严重影响油气勘探开发的进行。
由于PDC钻头复合片属于超硬材料，抗冲击能力差，钻具的弹跳、粘滑和回转这三种运动形式会使复合片承受较大的冲击载荷。因此，复合片易出现不正常磨损，导致PDC钻头先期破坏，同时损伤钻具，增加了钻井施工成本。
发明内容
本发明的目的是提供了一种液压高频正反冲击钻头能量发生器及应用方法，克服上述已有技术存在的缺陷。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的：
本发明的液压高频正反冲击钻头能量发生器包括连接体1、壳体2、旋流管6、循环推力轴承7、节流喷嘴8、换向器9、冲击器10、密封推力轴承11、密封圈4、5、12、13和流量分配器14，其特征在于：壳体设为圆柱形，上端部设有钻杆公螺纹，在壳体内腔上部设有与壳体螺纹连接的流量分配器，在壳体的下部设有插入壳体内的且与壳体下部通过悬挂滚珠滑动连接的连接体，连接体上端面与流量分配器下端面相对，在流量分配器中部内端面至连接体中部内端面设有旋流管，在流量分配器下端中端面与旋流管之间设有密封推力轴承，在旋流管下上部外周设有循环推力轴承，在密封推力轴承与循环推力轴承之间的旋流管外周设有换向器，在密封推力轴承与循环推力轴承之间的换向器外周设有冲击器，在旋流管下上部内周设有螺纹连接的节流水嘴。
所述壳体上部内周设有从内向外设有两个扩径端面，内周设有母螺纹，下部设有夹角1200或900的开口，在开口之间的内壁上设有滚珠槽，外壁上设有与滚珠槽对应的丝堵孔和丝堵。
所述连接体设为圆柱形，在下部内周设有钻杆母螺纹，在下上部外周设有夹角1200或900的开口槽，在开口槽底中部设有滚珠槽，在中至上顶部外周设有对称的四个高压流道槽，对称夹角450-600或1350-1200，在夹角450-600的内壁中部设有两个对称的低压流道槽，在夹角1350-1200之间的内壁上设有冲击器的冲击块槽，与冲击器的外冲击块摆动配合。
所述所述冲击器设为圆柱形，在两条外径和内径相互垂直的外径壁上对称设有两块冲击块，内径壁上设有对称的两块冲击块，在外冲击块的两侧壁上设有与冲击器液压通道连通的液压通道，在内冲击块的两侧壁上各自设有与连接体的高压流道槽和低压流道槽的液压流道。
所述换向器设为圆柱形，在外周设有对称的与冲击器内冲击块配合的齿槽，在齿槽的两边壁上对称设有与冲击器的液压通道连通的液压通道和对称设有与旋流管连通的液压通道。
所述旋流管上部设为直管形，下部设为锥管形，在直观端上端设有公螺纹，在直管端中部壁上设有螺旋孔，在直管段下端设有节流喷嘴，在锥管段上部壁上设有与换向器和冲击器的液压流道连通孔。
所述流量分配器设为圆柱形，上部直径小于下部直径，上端设有公螺纹，在上中部壁上设有连通孔，在下部变径端面至下端壁上设有与连接体高压流道槽连通的高压通道孔，在变径段内周设有密封圈槽。
所述旋流管5与联接体1和流量分配器14组装后采用销联接并固定，三者合为一体；这样即使联接体1与壳体2受外力发生轴向变形或悬挂滚珠3磨损，也不影响内部零部件的轴向密封，工具仍可正常使用。
本发明的液压高频正反冲击钻头能量发生器的应用方法包括下入井眼前准备方法、下钻方法、钻进始端造型方法和正常钻进施工方法，其特征在于：
a、下入井眼前准备方法：在液压高频正反冲击钻头能量发生器下井眼前了解该井的钻井情况，包括:钻机性能、当前地层、井深、该井段上部使用钻头情况、机械钻速、是否有复杂情况、钻井液参数、钻井液清洁情况；为保证液压高频正反冲击钻头能量发生器动作灵敏可靠，把之前用的钻井液用无固相钻井液顶替到井外，使钻井液密度＞1.50g/cm3；预确立泵压20-25MPa，确保液压高频正反冲击钻头能量发生器正常工作；
b、下钻方法：首先组装调整好液压高频正反冲击钻头能量发生器，在连接液压高频正反冲击钻头能量发生器的钻杆的上端和下端各按一个过滤器，并与钻杆柱连接；下钻之前在钻台面上对液压高频正反冲击钻头能量发生器进行短测试，不连接钻头，排量从低开始至最高排量，测试液压高频正反冲击钻头能量发生器灵敏度和正反冲击力的大小，而后连接上钻头；在距离钻进地层10-20米开泵，钻压在4吨以上，避免钻头直接接触地层或地层沉沙，防止堵塞水眼；
c、钻进始端造型方法：在确保排量、泵压正常，然后开始接触底层，开始造型，造型时钻速60转，钻压2-4吨，造型长度20cm。
d、正常钻进施工方法:造型完之后转速保持在55-75转,钻压保持在2-6吨；转速在泥岩中或机械钻速较快层可调整至最高90转；在砂岩、机械钻速较低、复杂地层，转盘转速保持55-75转；在钻进过程中随时观察返出岩屑，是否有大量掉块、铁屑、石英等特殊岩屑,注意观察钻井参数，有异常情况便于对比；当机械钻速连续变慢，首先判断是否地层原因。如机械钻速逐渐递加，判断井下工具和钻头情况，及时判断，及时起钻，起钻时刹把操作平稳，防止顿、溜钻；并及时清理钻杆内的过滤网。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
1.外部物理尺寸紧凑，内部机械结构合理，钻井液流道通畅，冲击与换向的核心部件无橡胶件和电子元器件；
2.使用时能够承受较高的温度，最高温度达到210℃，可提高PDC钻头的耐久性和延长钻头的寿命；
3.钻井液流量和流速越大，工具产生的冲击能量也越大，对PDC钻头产生的机械钻速以及冲击的频率也越高；
4.消除PDC钻头“卡滑”现象，减少反冲扭力，使PDC更有效地剪切破碎地层；
5.减少钻柱上的扭力振荡，保持钻柱稳定，扭矩平稳，降低下部钻具组合和钻杆的疲劳；
6.即使工具在井下失效，它也只是相当于一个钻头短节和PDC钻头一起继续旋转并不影响继续钻进，不需要对此进行起下钻作业，性能相当于又回到之前不用的状态中，这时的机械钻速会降低，但没有任何其他风险；
7.工具由于是从扭向上产生的稳定均匀的高频冲击，所以只适用于金刚石钻头。产生的所谓振动或冲击，不会对PDC钻头的金刚石复合片产生损坏，反而会延长PDC钻头的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中B-B的截面示意图。
图3为连接体、冲击器、换向器液压连通径向分布标注示意图。
图4为本发明的冲击器反转与连接器的高压连通槽连通的示意图。
图5为本发明的换向器反转与冲击器和换向器连通的示意图。
图6为本发明的冲击器正转与连接器低压流道槽连通的示意图。
图7为本发明的换向器正转与冲击器和旋流管连通示意图。
图8为本发明的过滤管示意图。
图1中1-连接体、2-壳体、3-悬挂滚珠、4、5-密封圈、6-旋流管、7-循环推力轴承、8-节流喷嘴、9-换向器、10-冲击器、11-密封推力轴承、12、13-密封圈、14-流量分配器、15-丝堵、16-过滤网、17-提手，
图2、3中1-1、1-2、1-3、1-4-连接体的高压流道槽、1-5、1-6-连接体的低压流道槽，9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6、9-7、9-8-换向器液压流道，10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8-冲击器液压流道。
具体实施方式
为进一步公开本发明的技术方案，下面结合说明书附图对本发明作进一步详细说明：
本发明包括连接体1、壳体2、旋流管6、循环推力轴承7、节流喷嘴8、换向器9、冲击器10、密封推力轴承11、流量分配器14、密封圈4、5、12、13，过滤网16、提手17，其特征在于：壳体设为圆柱形，上端部设有钻杆公螺纹，在壳体内腔上部设有与壳体螺纹连接的流量分配器，在壳体的下部设有插入壳体内的且与壳体下部通过悬挂滚珠滑动连接的连接体，连接体上端面与流量分配器下端面相对，在流量分配器中部内端面至连接体中部内端面设有旋流管，在流量分配器下端中端面与旋流管之间设有密封推力轴承，在旋流管下上部外周设有循环推力轴承，在密封推力轴承与循环推力轴承之间的旋流管外周设有换向器，在密封推力轴承与循环推力轴承之间的换向器外周设有冲击器，在旋流管下上部内周设有螺纹连接的节流水嘴。
在实际应用中，钻井液经钻杆内的过滤网16从壳体上端经过流量分配器流进冲击器并二次分配到换向器内，来源于钻井液的巨大能量使得工具总成内的冲击器和换向器相互反转起来，产生的机械冲击能量通过联接体均匀地传送到PDC钻头上，持续稳定的高频冲击扭力可达750～1500次／min。这时候PDC钻头上就有两个力在切削地层，一个是钻机钻盘提供的扭力，一个是本发明提供的扭向冲击力，并且这个力直接传递到PDC钻头本身，对钻杆不产生任何作用，从而大大降低PDC钻头的粘滑现象，大幅提高钻进速度，延长PDC钻头寿命。
具体工作原理：节流喷嘴8上部的高压流体经旋流管6进入换向器9高压通道9-3、9-4，高压流体经过冲击器10的进出液压通道10-3、10-4进入冲击腔，推动冲击器10冲击块逆时针旋转，冲击器10的进出液压通道10-1、10-2与换向器9的液压流道9-5、9-6连通泄流，冲击器10的冲击块到达限位后，换向器9的齿槽通过冲击器10的进出液压通道10-5、10-6与联接体1高压通道槽1-1、1-3连通进液，推动换向器9继续逆时针旋转，齿槽另一侧通过冲击器10的进出液压通道10-7、10-8与联接体1低压通道槽1-5、1-6连通排液，依次循环实现了冲击器顺时针与逆时针冲击的过程。
具体实施例：
实例1、
地点：塔里木油田公司
应用：垂直井
钻井问题：坚硬的岩层导致ROP机械转速非常低，而且PDC钻头磨损严重。
解决方案：使用扭力冲击发生器配合PDC钻头一起使用。
效果：扭力冲击发生器能很好地解决玉北区块沙井子组及以下地层钻速较慢的问题，提速提效的效果明显，玉北6A井平均机械钻速达到9m／h，比未使用扭力冲击发生器工具的井相比提高2倍，效果明显，大幅度节省钻井周期。
实例2、
地点：川东元坝地区
应用：垂直井
钻井问题：元坝地区陆相下部地层常规钻井机械钻速低、单只钻头进尺少。
解决方案：使用扭力冲击发生器配合PDC钻头一起使用。
效果：扭力冲击发生器使元坝地区钻井提速效果明显，单井机械钻速达到了2.45m／h，特别是在元坝10井、元陆9井，其机械钻速相比常规钻井分别提高了304％和322％，解决了该地区复杂地层机械钻速低的难题，钻头寿命得到提高，经济效益得到提高。
实例3、
作业公司:
地点：玉门油田青西区块
应用：垂直井
钻井问题：油层埋藏较深,地层古老,硬度大,可钻性差,造成钻井过程中机械钻速低,且不同程度的含有砾岩夹层,造成钻头先期损坏,制约了油气田的开发速度。
解决方案：使用扭力冲击发生器配合PDC钻头一起使用。
效果：使用扭力冲击发生器,可以有效的保护钻头,避免由于扭矩过大造成钻头的先期破坏，使用扭力发生器机械钻速是不使用的3.77倍，有效地提高机械钻速，大大缩短钻井周期,节约钻井成本。
实例4、
地点：玉门鸭儿峡油田鸭深1井
应用：垂直井，应用井段：3753.00-4108.05m，累计进尺355.05m，平均机械钻速1.70m。
钻井问题：系地层埋藏深，岩性致密坚硬、研磨性强、可钻性差(7级以上)，PDC及牙轮钻头磨损严重，寿命短，平均钻速低。
解决方案：使用扭力冲击发生器配合个性化PDC钻头。
效果：扭力冲击发生器钻井使用后，转盘扭矩平稳，有效克服了钻头“黏滑，平均钻速1.7m／h，相比邻井提高110％，有效地提高机械钻速，大大缩短钻井周期,节约钻井成本。
实例5、
地点：新疆和田地区玉北9井
应用：垂直井，4520-5131m
钻井问题：四开地层硬度大，牙轮钻头易崩齿，日进尺少。
解决方案：扭力冲击发生器配合Φ215.9mmMT1657GSU型PDC钻头。
效果：扭力冲击发生器钻井使用后，平均钻速5.6m／h，相比最快的玉北3井相比，机械钻速提高110％，有效地提高机械钻速，大大缩短钻井周期,节约钻井成本。
Claims (9)
1.一种液压高频正反冲击钻头能量发生器，包括连接体1、壳体2、旋流管6、循环推力轴承7、节流喷嘴8、换向器9、冲击器10、密封推力轴承11、密封圈4、5、12、13和流量分配器14，其特征在于：壳体设为圆柱形，上端部设有钻杆公螺纹，在壳体内腔上部设有与壳体螺纹连接的流量分配器，在壳体的下部设有插入壳体内的且与壳体下部通过悬挂滚珠滑动连接的连接体，连接体上端面与流量分配器下端面相对，在流量分配器中部内端面至连接体中部内端面设有旋流管，在流量分配器下端中端面与旋流管之间设有密封推力轴承，在旋流管下上部外周设有循环推力轴承，在密封推力轴承与循环推力轴承之间的旋流管外周设有换向器，在密封推力轴承与循环推力轴承之间的换向器外周设有冲击器，在旋流管下上部内周设有螺纹连接的节流水嘴。
2.根据权利要求1所述的液压高频正反冲击钻头能量发生器，其特征在于：所述壳体上部内周设有从内向外设有两个扩径端面，内周设有母螺纹，下部设有夹角1200或900的开口，在开口之间的内壁上设有滚珠槽，外壁上设有与滚珠槽对应的丝堵孔和丝堵。
3.根据权利要求1所述的液压高频正反冲击钻头能量发生器，其特征在于：所述连接体设为圆柱形，在下部内周设有钻杆母螺纹，在下上部外周设有夹角1200或900的开口槽，在开口槽底中部设有滚珠槽，在中至上顶部外周设有对称的四个高压流道槽，对称夹角450-600或1350-1200，在夹角450-600的内壁中部设有两个对称的低压流道槽，在夹角1350-1200之间的内壁上设有冲击器的冲击块槽，与冲击器的外冲击块摆动配合。
4.根据权利要求1所述的液压高频正反冲击钻头能量发生器，其特征在于：所述冲击器设为圆柱形，在两条外径和内径相互垂直的外径壁上对称设有两块冲击块，内径壁上设有对称的两块冲击块，在外冲击块的两侧壁上设有与冲击器液压通道连通的液压通道，在内冲击块的两侧壁上各自设有与连接体的高压流道槽和低压流道槽的液压流道。
5.根据权利要求1所述的液压高频正反冲击钻头能量发生器，其特征在于：所述换向器设为圆柱形，在外周设有对称的与冲击器内冲击块配合的齿槽，在齿槽的两边壁上对称设有与冲击器的液压通道连通的液压通道和对称设有与旋流管连通的液压通道。
6.根据权利要求1所述的液压高频正反冲击钻头能量发生器，其特征在于：所述旋流管上部设为直管形，下部设为锥管形，在直观端上端设有公螺纹，在直管端中部壁上设有螺旋孔，在直管段下端设有节流喷嘴，在锥管段上部壁上设有与换向器和冲击器的液压流道连通孔。
7.根据权利要求1所述的液压高频正反冲击钻头能量发生器，其特征在于：所述流量分配器设为圆柱形，上部直径小于下部直径，上端设有公螺纹，在上中部壁上设有连通孔，在下部变径端面至下端壁上设有与连接体高压流道槽连通的高压通道孔，在变径段内周设有密封圈槽。
8.根据权利要求1或6所述的液压高频正反冲击钻头能量发生器，其特征在于：所述旋流管5与联接体1和流量分配器14组装后采用销联接并固定，三者合为一体；这样即使联接体1与壳体2受外力发生轴向变形或悬挂滚珠3磨损，也不影响内部零部件的轴向密封，工具仍可正常使用。
9.一种液压高频正反冲击钻头能量发生器的应用方法，包括下入井眼前准备方法、下钻方法、钻进始端造型方法和正常钻进施工方法，其特征在于：
a、下入井眼前准备方法：在液压高频正反冲击钻头能量发生器下井眼前了解该井的钻井情况，包括:钻机性能、当前地层、井深、该井段上部使用钻头情况、机械钻速、是否有复杂情况、钻井液参数、钻井液清洁情况；为保证液压高频正反冲击钻头能量发生器动作灵敏可靠，把之前用的钻井液用无固相钻井液顶替到井外，使钻井液密度＞1.50g/cm3；预确立泵压20-25MPa，确保液压高频正反冲击钻头能量发生器正常工作；
b、下钻方法：首先组装调整确定好液压高频正反冲击钻头能量发生器，在连接液压高频正反冲击钻头能量发生器的钻杆的上端和下端各按一个过滤器，并与钻杆柱连接；下钻之前在钻台面上对液压高频正反冲击钻头能量发生器进行短测试，不连接钻头，排量从低开始至最高排量，测试液压高频正反冲击钻头能量发生器灵敏度和正反冲击力的大小，而后连接上钻头；在距离钻进地层10-20米开泵，钻压在4吨以上，避免钻头直接接触地层或地层沉沙，防止堵塞水眼；
c、钻进始端造型方法：在确保排量、泵压正常，然后开始接触底层，开始造型，造型时钻速60转，钻压2-4吨，造型长度20cm。
d、正常钻进施工方法:造型完之后转速保持在55-75转,钻压保持在2-6吨；转速在泥岩中或机械钻速较快层可调整至最高90转；在砂岩、机械钻速较低、复杂地层，转盘转速保持55-75转；在钻进过程中随时观察返出岩屑，是否有大量掉块、铁屑、石英等特殊岩屑,注意观察钻井参数，有异常情况便于对比；当机械钻速连续变慢，首先判断是否地层原因。如机械钻速逐渐递加，判断井下工具和钻头情况，及时判断，及时起钻，起钻时刹把操作平稳，防止顿、溜钻；并及时清理钻杆内的过滤网。
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