CN105927147A - 一种冲击钻井提速工具与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击钻井提速工具，主要由传动短节、壳体、螺帽、防掉块、径向弹簧、密封圈、扭转弹簧、冲击轴、冲击锤、驱动锤、轴向弹簧、驱动轴、止推轴承、定轴、涡轮定子、涡轮转子、定子压帽、转子压帽和转换接头组成，其特征在于冲击轴的上端设有两个扇形凸块，冲击锤设有两个承撞块，冲击轴下端穿过冲击锤并由扇形凸块限制冲击锤向上运动，冲击锤的两个承撞块分别嵌入冲击轴的两个扇形凸块所形成的凹槽中，冲击锤可绕冲击轴相对转动，扭转弹簧位于传动短节与冲击锤间，传动短节的顶端以及冲击锤的底端均设有插入扭转弹簧直线段的盲孔，驱动锤逆时针地周期性地撞击冲击锤。本发明可产生扭转冲击并传至钻头，用于提高钻井效率。

Description

一种冲击钻井提速工具与方法

技术领域

本发明涉及一种钻井工具及其操作方法，特别是一种用于产生扭矩脉冲的冲击钻井提速工具与方法，属于钻井工程技术领域。

背景技术

随着经济社会的快速发展，我国石油消费呈长期快速增长趋势。进入21世纪以来，尽管需求增速有所下降，但仍保持在较高的水平，近年来石油消费年均增速达6.5％。由于我国石油需求远未达到峰值，未来还有很大的增长空间。与此同时，我国富含页岩气等非常规油气资源，据估计页岩气潜在储量为134万亿立方米，经济可采量为25万亿立方米，超过常规天然气资源。

然而，经过多年的勘探开发，浅层油气资源不断减少，钻采工作不得不转向深部地层及低品位油气资源。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中明确指出：重点开发复杂环境及岩性地层类油气资源的勘探技术，大规模低品位油气资源高效开发技术，以及深层油气资源勘探开发技术。然而，深层油气资源的开采存在较大困难，对现有钻井技术也是一种挑战。一方面，随井深的增加，岩石强度增大、可钻性变差，钻头需要由井口传输的能量增加，而井口能量的传输效率却又随井深的增加而降低；另一方面，随井深的增加，钻柱刚度减小，钻柱系统更易于产生或加剧振动，包括横向、纵向和扭转振动，振动的加剧将浪费能量、影响井身质量并降低钻井效率。

研究表明，在冲击载荷作用下材料损伤缺陷的微细结构发生变化，引起缺陷的成核、扩展和汇合，最终引起材料的宏观开裂或破坏。基于这一原理，冲击钻井技术在钻井工业中广泛存在，例如使用液动锤和空气锤等工具的钻井技术。近年来，扭转冲击钻井技术的提出为深部地层的钻井作业提供了又一种钻井新技术，国内外多家单位开始相关工作的研究，例如专利US6742609B2、专利CN101463709B和专利201010511421.1等所报道的扭转冲击钻井工具。然而，这些工具结构各自存在冲击元件磨损较快以及密封件容易失效等不足，限制它们的应用和推广。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述难点，特提出一种冲击钻井提速工具与方法，用于提高深部地层或硬地层的钻井效率。

为达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：

一种冲击钻井提速工具，主要由传动短节、壳体、螺帽、防掉块、径向弹簧、密封圈、扭转弹簧、冲击轴、冲击锤、驱动锤、轴向弹簧、驱动轴、止推轴承、定轴、涡轮定子、涡轮转子、定子压帽、转子压帽和转换接头组成，其特征在于所述冲击轴的下端与传动短节通过螺纹连接，冲击轴的上端设有两个扇形凸块；所述冲击锤设有两个承撞块且每一承撞块均设有用于承受驱动锤撞击的斜面，冲击轴下端穿过冲击锤并由扇形凸块限制冲击锤向上运动；所述冲击锤的两个承撞块分别嵌入冲击轴的两个扇形凸块所形成的凹槽中，冲击锤可绕冲击轴相对转动；所述扭转弹簧位于传动短节与冲击锤间，传动短节的顶端以及冲击锤的底端均设有插入扭转弹簧直线段的盲孔；所述驱动锤逆时针地周期性地撞击冲击锤。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于当工具安装好时，所述扭转弹簧处于轴向压缩预紧状态且扭转方向处于顺时针预紧状态。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于当钻井液流入工具时，所述驱动锤的转动为逆时针方向。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于冲击锤相对冲击轴可转动的角度为75°。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述驱动锤底端设有驱动块，该驱动块上设有用于撞击冲击锤的承撞块的斜面，驱动锤顶端设有通孔且通孔上设有矩形花键槽；所述驱动轴上设有矩形花键，驱动轴的下端设有圆盘形台阶；所述壳体中间设有台阶且在壳体台阶的下端面与驱动锤的上端面间设有轴向弹簧。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述驱动锤的矩形花键槽与驱动轴的矩形花键间隙配合；所述驱动轴下端的圆盘形台阶外径大于驱动锤顶端通孔的内径从而防止驱动锤脱落。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述传动短节与壳体下端通过花键连接，即由钻柱传递的扭矩和钻压均通过壳体下端的花键作用于传动短节上；所述壳体上端通过螺纹与转换接头连接。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述传动短节中间和壳体下端均设有凹槽，防掉块放置于两个凹槽间并通过径向弹簧将防掉块推向壳体从而防止传动短节从壳体上脱离；所述径向弹簧处于压缩状态。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述涡轮定子通过定子压帽压紧固定于壳体内，定子压帽通过螺纹与壳体连接；所述涡轮转子通过转子压帽压紧固定于定轴上，转子压帽通过螺纹与定轴连接；所述定轴与冲击轴通过螺纹连接，定轴下端设有台阶；在所述壳体台阶上端与定轴台阶下端间设有止推轴承用于支撑定轴。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于传动短节上设有密封圈沟槽且传动短节与壳体由密封圈密封。

所述的一种冲击钻井提速工具的方法，其特征在于当流体流入工具时，涡轮转子在流体驱动下逆时针转动，由于涡轮转子通过压紧的方式与定轴连接且定轴与驱动轴通过螺纹连接，因此涡轮转子的逆时针转动将带动驱动轴逆时针转动；驱动轴与驱动锤通过花键连接，因此驱动轴的转动将带动驱动锤逆时针转动，当驱动锤撞击冲击锤时，驱动锤带动冲击锤一起逆时针转动；在此过程中，扭转弹簧沿顺时针方向的恢复力不断增大，为了克服阻力，冲击锤向下压缩扭转弹簧，驱动锤向上压缩轴向弹簧；当驱动锤从冲击锤的承撞块上滑脱时，冲击锤在扭转弹簧巨大的扭转恢复力下迅速回弹，并经加速过程撞击冲击轴上的扇形凸块，形成扭转冲击；由于冲击轴与传动短节固定连接而传动短节连接钻头，因此所形成的扭转冲击可用于辅助钻头破岩；当驱动锤在涡轮的驱动下周期性地逆时针转动时，冲击锤便可周期性地撞击冲击轴并形成周期性的扭转冲击并传至钻头。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)本发明可产生高频扭矩脉冲，用于辅助钻头破岩从而提高钻井效率；(2)本发明结构简单、长度小、无电子元器件，容易操作且对下部钻具影响较小。

附图说明

图1为本发明一种冲击钻井提速工具的结构示意图；

图2为本发明一种冲击钻井提速工具的冲击锤的结构示意图；

图3为本发明一种冲击钻井提速工具的驱动锤的结构示意图；

图4为本发明一种冲击钻井提速工具的扭转弹簧的结构示意图；

图5为本发明一种冲击钻井提速工具当驱动锤未撞击冲击锤时的结构示意图；

图6为本发明一种冲击钻井提速工具当驱动锤撞击冲击锤初始阶段的结构示意图；

图7为本发明一种冲击钻井提速工具当驱动锤撞击冲击锤末尾阶段的结构示意图；

图8为本发明一种冲击钻井提速工具当驱动锤从冲击锤滑脱后冲击锤回弹初始阶段的结构示意图；

图9为本发明一种冲击钻井提速工具当驱动锤从冲击锤滑脱后冲击锤回弹末尾阶段的结构示意图；

图10为本发明一种冲击钻井提速工具的防掉单元的横截面的结构示意图；

图中：1.传动短节，2.壳体，3.螺帽，4.防掉块，5.径向弹簧，6.密封圈，7.扭转弹簧，8.冲击轴，9.冲击锤，10.驱动锤，11.轴向弹簧，12.驱动轴，13.止推轴承，14.定轴，15.涡轮定子，16.涡轮转子，17.定子压帽，18.转子压帽，19.转换接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-图4所示，一种冲击钻井提速工具，主要由传动短节1、壳体2、螺帽3、防掉块4、径向弹簧5、密封圈6、扭转弹簧7、冲击轴8、冲击锤9、驱动锤10、轴向弹簧11、驱动轴12、止推轴承13、定轴14、涡轮定子15、涡轮转子16、定子压帽17、转子压帽18和转换接头19组成，其特征在于所述冲击轴8的下端与传动短节1通过螺纹连接，冲击轴8的上端设有两个扇形凸块；所述冲击锤9设有两个承撞块且每一承撞块均设有用于承受驱动锤10撞击的斜面，冲击轴8下端穿过冲击锤9并由扇形凸块限制冲击锤9向上运动；所述冲击锤9的两个承撞块分别嵌入冲击轴8的两个扇形凸块所形成的凹槽中，冲击锤9可绕冲击轴8相对转动；所述扭转弹簧7位于传动短节1与冲击锤9间，传动短节1的顶端以及冲击锤9的底端均设有插入扭转弹簧7直线段的盲孔；所述驱动锤10逆时针地周期性地撞击冲击锤9。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于当工具安装好时，所述扭转弹簧7处于轴向压缩预紧状态且扭转方向处于顺时针预紧状态。

如图5-图9所示，所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于当钻井液流入工具时，所述驱动锤10的转动为逆时针方向。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于冲击锤9相对冲击轴8可转动的角度为75°。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述驱动锤10底端设有驱动块，该驱动块上设有用于撞击冲击锤9的承撞块的斜面，驱动锤10顶端设有通孔且通孔上设有矩形花键槽；所述驱动轴12上设有矩形花键，驱动轴12的下端设有圆盘形台阶；所述壳体2中间设有台阶且在壳体2台阶的下端面与驱动锤10的上端面间设有轴向弹簧11。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述驱动锤10的矩形花键槽与驱动轴12的矩形花键间隙配合；所述驱动轴12下端的圆盘形台阶外径大于驱动锤10顶端通孔的内径从而防止驱动锤10脱落。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述传动短节1与壳体2下端通过花键连接，即由钻柱传递的扭矩和钻压均通过壳体2下端的花键作用于传动短节1上；所述壳体2上端通过螺纹与转换接头19连接。

如图10所示，所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述传动短节1中间和壳体2下端均设有凹槽，防掉块4放置于两个凹槽间并通过径向弹簧5将防掉块4推向壳体2从而防止传动短节1从壳体2上脱离；所述径向弹簧5处于压缩状态。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述涡轮定子15通过定子压帽17压紧固定于壳体2内，定子压帽17通过螺纹与壳体2连接；所述涡轮转子16通过转子压帽18压紧固定于定轴14上，转子压帽18通过螺纹与定轴14连接；所述定轴14与冲击轴8通过螺纹连接，定轴14下端设有台阶；在所述壳体2台阶上端与定轴14台阶下端间设有止推轴承13用于支撑定轴14。

所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于传动短节1上设有密封圈沟槽且传动短节1与壳体2由密封圈6密封。

如图1-图10所示，所述的一种冲击钻井提速工具的方法，其特征在于当流体流入工具时，涡轮转子16在流体驱动下逆时针转动，由于涡轮转子16通过压紧的方式与定轴14连接且定轴14与驱动轴12通过螺纹连接，因此涡轮转子16的逆时针转动将带动驱动轴12逆时针转动；驱动轴12与驱动锤10通过花键连接，因此驱动轴12的转动将带动驱动锤10逆时针转动，当驱动锤10撞击冲击锤9时，驱动锤10带动冲击锤9一起逆时针转动；在此过程中，扭转弹簧7沿顺时针方向的恢复力不断增大，为了克服阻力，冲击锤9向下压缩扭转弹簧7，驱动锤10向上压缩轴向弹簧11；当驱动锤10从冲击锤9的承撞块上滑脱时，冲击锤9在扭转弹簧7巨大的扭转恢复力下迅速回弹，并经加速过程撞击冲击轴8上的扇形凸块，形成扭转冲击；由于冲击轴8与传动短节1固定连接而传动短节1连接钻头，因此所形成的扭转冲击可用于辅助钻头破岩；当驱动锤10在涡轮的驱动下周期性地逆时针转动时，冲击锤9便可周期性地撞击冲击轴8并形成周期性的扭转冲击并传至钻头。

以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明系统的保护范围。

Claims (4)

1.一种冲击钻井提速工具，主要由传动短节(1)、壳体(2)、螺帽(3)、防掉块(4)、径向弹簧(5)、密封圈(6)、扭转弹簧(7)、冲击轴(8)、冲击锤(9)、驱动锤(10)、轴向弹簧(11)、驱动轴(12)、止推轴承(13)、定轴(14)、涡轮定子(15)、涡轮转子(16)、定子压帽(17)、转子压帽(18)和转换接头(19)组成，其特征在于所述冲击轴(8)的下端与传动短节(1)通过螺纹连接，冲击轴(8)的上端设有两个扇形凸块；所述冲击锤(9)设有两个承撞块且每一承撞块均设有用于承受驱动锤(10)撞击的斜面，冲击轴(8)下端穿过冲击锤(9)并由扇形凸块限制冲击锤(8)向上运动；所述冲击锤(9)的两个承撞块分别嵌入冲击轴(8)的两个扇形凸块所形成的凹槽中，冲击锤(9)可绕冲击轴(8)相对转动；所述扭转弹簧(7)位于传动短节(1)与冲击锤(9)间，传动短节(1)的顶端以及冲击锤(9)的底端均设有插入扭转弹簧(7)直线段的盲孔；所述驱动锤(10)逆时针地周期性地撞击冲击锤(9)。

2.根据权利要求1所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于当工具安装好时，所述扭转弹簧(7)轴向处于压缩预紧状态且扭转方向处于顺时针预紧状态。

3.根据权利要求1所述的一种冲击钻井提速工具，其特征在于所述驱动锤(10)的转动为逆时针方向。

4.根据权利要求1所述的一种冲击钻井提速工具的方法，其特征在于驱动锤(10)逆时针转动，当驱动锤(10)撞击冲击锤(9)时，驱动锤(10)带动冲击锤(9)一起逆时针转动；在此过程中，扭转弹簧(7)沿顺时针方向的恢复力不断增大，为了克服阻力，冲击锤(9)向下压缩扭转弹簧(7)，驱动锤(10)向上压缩轴向弹簧(11)；当驱动锤(10)从冲击锤(9)的承撞块上滑脱时，冲击锤(9)在扭转弹簧(7)巨大的扭转恢复力下迅速回弹，并经加速过程撞击冲击轴(8)上的扇形凸块，形成扭转冲击；由于冲击轴(8)与传动短节(1)固定连接而传动短节(1)连接钻头，因此所形成的扭转冲击可用于辅助钻头破岩；当驱动锤(10)在涡轮的驱动下周期性地逆时针转动时，冲击锤(9)便可周期性地撞击冲击轴(8)并形成周期性的扭转冲击并传至钻头。