CN106194009A - 一种旋转冲击式钻井设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转冲击式钻井设备，主动杆与旋转冲击杆之间设有蓄能弹簧钢片，主动杆由直驱电机带动驱动凸轮筒转动来实现上下往复运动，进而对蓄能弹簧钢片蓄能，旋转冲击杆上固定设置有高频旋转振荡冲击器，通过蓄能弹簧钢片和高频旋转振荡冲击器的共同冲击与旋转运动作用，实现冲击旋转式钻井，本发明蓄能弹簧钢片能够很好的对能量进行存储，并释放给高频旋转振荡冲击器，提高高频旋转振荡冲击器的冲击效果，采用直驱电机，不仅能降低能耗，而且能有效的缩小钻井设备体积，便于钻井设备的安装与固定，通过驱动凸轮筒来实现蓄能弹簧片的蓄能，其蓄能频率可设计成实现驱动凸轮筒与高频旋转振荡冲击器的反向共振，最大化的提高冲击效果。

Description

一种旋转冲击式钻井设备

技术领域

本发明涉及一种旋转冲击式钻井设备，属于钻井设备技术领域。

背景技术

随着国家对煤层气行业的重视，煤层气的勘探开发正以前所未有的速度发展，然而以往二十余年的实践告诉我们，煤层气的勘探开发结果并不理想。究其原因，除客观地质因素外，在很大程度上也是由于钻井效率低、成本高所致。因此，一种比常规旋转钻井效率更高、成本更低的钻井技术—冲击旋转钻井 在煤层气勘探开发中被应用。

近年来，冲击旋转钻井技术已逐渐应用于钻井工程，利用这一技术可以解决坚硬岩层段、 软硬交错地层段钻速低、大斜度地层段井眼易斜等实际问题，以提高钻井的综合效益。在煤层气钻井中主要解决煤层顶板、底板钻进效率低的问题。旋冲钻井技术就是在常规旋转钻井工艺中,在不增加其它地面设备的情况下,在钻头的上面和钻铤的下面安装与钻铤直径大致相当的冲击器,并且在钻进过程中,跟随上部钻柱转动的冲击器带动钻头旋转的同时,利用上部钻井液的流动能量使冲击器本身产生周期的向下作用在钻头上的冲击力,从而加速破碎岩石，钻头在冲击动载和静压旋转的联合作用下破碎岩石。冲击力不同于静压力,它是一种加载速度极大的动载荷,作用力在极短的时间内变化幅度很大，因此，这种钻井设备的钻井效率比较高。

但是，目前的旋转冲击式钻井设备的结构比较复杂，制造成本比较高，而且，由于受到冲击器的功率的限制，如果仅仅通过提高冲击器的功率来增强其钻井效果，不仅会成倍的增加制造成本，而且容易造成钻井设备体积增大，不易安装与应用，因此，如何设备辅助结构来辅助增强冲击器的冲击效果，对于提高旋转冲击式钻井设备的钻井效率及降低制造成本，具有十分重要的作用。

发明内容

本发明针对现有的技术问题，提供一种旋转冲击式钻井设备，目的是提高旋转冲击式钻井设备的钻井效率及降低制造成本，拟解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种旋转冲击式钻井设备，其包括钻架和旋转冲击钻井组件，所述旋转冲击钻井组件包括壳体、主动杆、旋转冲击杆、钻头连接接头、蓄能弹簧钢片和高频旋转振荡冲击器，其特征在于，所述的主动杆设置在所述壳体的上端，所述旋转冲击杆设置在所述壳体的下端，所述主动杆与所述旋转冲击杆之间设置有蓄能弹簧钢片，所述主动杆由直驱电机带动驱动凸轮筒转动来实现上下往复运动，进而对所述蓄能弹簧钢片进行蓄能，所述旋转冲击杆上固定设置有高频旋转振荡冲击器，所述旋转冲击杆的下端设置有钻头连接接头，钻井钻头设置在所述钻头连接接头上，通过所述蓄能弹簧钢片和高频旋转振荡冲击器的共同冲击与旋转运动作用，实现冲击旋转式钻井。

进一步，作为优选，所述壳体包括上外壳、中间外壳和下外壳，其中，所述上外壳与所述中间外壳之间采用螺纹连接，所述中间外壳与所述下外壳之间采用螺纹连接，所述上外壳的上端设置有上导向套，所述主动杆设置在所述上导向套内，所述上外壳的下端设置有轴承座，所述轴承座内设置有角接触球轴承和圆锥滚子轴承，所述主动杆通过所述角接触球轴承和圆锥滚子轴承设置在所述上外壳内，所述中间外壳的上端的内壁上通过所述连接套固定设置有直驱电机定子，驱动凸轮筒的外壁上通过连接套固定设置有直驱电机转子，所述直驱电机定子和直驱电机转子构成直驱电机，所述驱动凸轮筒的环形内壁上设置有凸轮槽，所述凸轮槽内设置有驱动轴，所述主动杆上设置有径向孔，所述驱动轴穿过所述径向孔设置在所述主动杆上，通过所述直驱电机转子带动所述驱动凸轮筒转动，进而带动所述驱动轴上下冲击移动，所述下外壳的上端内壁上固定设置有连接筒，所述主动杆的下端设置在所述连接筒内，所述旋转冲击杆的上端也设置在所述连接筒内，以便通过所述连接筒来连接所述主动杆与旋转冲击杆，且所述主动杆与所述旋转冲击杆之间设置有所述蓄能弹簧钢片，所述蓄能弹簧钢片设置在所述连接筒内，所述旋转冲击杆上设置有轴肩，所述高频旋转振荡冲击器采用固定钢套固定设置在所述旋转冲击杆上，且由所述轴肩进行定位设置，所述旋转冲击杆上位于高频旋转振荡冲击器上端的位置设置有锁紧螺母二，所述主动杆上位于所述驱动凸轮筒上端的位置设置有锁紧螺母一，所述旋转冲击杆的下端与所述下外壳之间设置有直线轴承。

进一步，作为优选，所述主动杆上的径向孔内设置有耐磨钢套，所述驱动轴固定设置在所述耐磨钢套内。

进一步，作为优选，所述下外壳的下端与所述旋转冲击杆之间设置有下导向套。

进一步，作为优选，所述角接触球轴承为双列角接触球轴承，所述圆锥滚子轴承为双列圆锥滚子轴承。

进一步，作为优选，所述主动杆和旋转冲击杆同轴心设置，且所述主动杆和旋转冲击杆的中心设置有钻液孔。

进一步，作为优选，所述下外壳上位于所述直线轴承与所述下导向套之间的位置设置有定位凸起。

进一步，作为优选，驱动凸轮筒上的凸轮槽的展开形状为正弦、余弦或不规则曲线结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过设置蓄能弹簧钢片，能够很好的对能量进行存储，并释放给高频旋转振荡冲击器，提高高频旋转振荡冲击器的冲击效果，同时，本发明采用直驱电机，不仅能够降低能耗，而且，能够有效的缩小钻井设备的体积，便于钻井设备的安装与固定，通过驱动凸轮筒来实现蓄能弹簧片的蓄能，其蓄能频率可以根据实际需要设计驱动凸轮筒的凸轮槽曲线结构即可，可以实现驱动凸轮筒与高频旋转振荡冲击器的反向共振，最大化的提高冲击效果。

附图说明

图1是本发明的一种旋转冲击式钻井设备的结构示意图；

图2是本发明的一种旋转冲击式钻井设备的驱动凸轮筒的展开结构示意图；

其中，1、上外壳，2、中间外壳，3、下外壳，4、主动杆，5、旋转冲击杆，6、钻头连接接头，7、上导向套，8、角接触球轴承，9、圆锥滚子轴承，10、锁紧螺母一，11、直驱电机转子，12、驱动轴，13、耐磨钢套，14、直驱电机定子，15、连接套，16、蓄能弹簧钢片，17、连接筒，18、锁紧螺母二，19、高频旋转振荡冲击器，20、轴肩，21、直线轴承，22、下导向套，23、固定钢套，24、驱动凸轮筒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种旋转冲击式钻井设备，其包括钻架和旋转冲击钻井组件，所述旋转冲击钻井组件包括壳体、主动杆4、旋转冲击杆5、钻头连接接头6、蓄能弹簧钢片16和高频旋转振荡冲击器19，其特征在于，所述的主动杆4设置在所述壳体的上端，所述旋转冲击杆5设置在所述壳体的下端，所述主动杆4与所述旋转冲击杆5之间设置有蓄能弹簧钢片16，所述主动杆4由直驱电机带动驱动凸轮筒转动来实现上下往复运动，进而对所述蓄能弹簧钢片16进行蓄能，所述旋转冲击杆5上固定设置有高频旋转振荡冲击器19，所述旋转冲击杆的下端设置有钻头连接接头6，钻井钻头设置在所述钻头连接接头6上，通过所述蓄能弹簧钢片和高频旋转振荡冲击器的共同冲击与旋转运动作用，实现冲击旋转式钻井。

在本实施例中，所述壳体包括上外壳1、中间外壳2和下外壳3，其中，所述上外壳1与所述中间外壳2之间采用螺纹连接，所述中间外壳2与所述下外壳3之间采用螺纹连接，所述上外壳1的上端设置有上导向套7，所述主动杆4设置在所述上导向套7内，所述上外壳1的下端设置有轴承座，所述轴承座内设置有角接触球轴承8和圆锥滚子轴承9，所述主动杆4通过所述角接触球轴承和圆锥滚子轴承设置在所述上外壳1内，所述中间外壳5的上端的内壁上通过所述连接套固定设置有直驱电机定子14，驱动凸轮筒24的外壁上通过连接套固定设置有直驱电机转子12，所述直驱电机定子14和直驱电机转子12构成直驱电机，所述驱动凸轮筒24的环形内壁上设置有凸轮槽，所述凸轮槽内设置有驱动轴12，所述主动杆4上设置有径向孔，所述驱动轴12穿过所述径向孔设置在所述主动杆4上，通过所述直驱电机转子带动所述驱动凸轮筒转动，进而带动所述驱动轴上下冲击移动，所述下外壳的上端内壁上固定设置有连接筒17，所述主动杆的下端设置在所述连接筒17内，所述旋转冲击杆的上端也设置在所述连接筒内，以便通过所述连接筒来连接所述主动杆与旋转冲击杆，且所述主动杆与所述旋转冲击杆之间设置有所述蓄能弹簧钢片16，所述蓄能弹簧钢片16设置在所述连接筒17内，所述旋转冲击杆上设置有轴肩20，所述高频旋转振荡冲击器19采用固定钢套固定设置在所述旋转冲击杆上，且由所述轴肩进行定位设置，所述旋转冲击杆上位于高频旋转振荡冲击器上端的位置设置有锁紧螺母二18，所述主动杆上位于所述驱动凸轮筒上端的位置设置有锁紧螺母一10，所述旋转冲击杆的下端与所述下外壳之间设置有直线轴承21。

其中，所述主动杆上的径向孔内设置有耐磨钢套13，所述驱动轴固定设置在所述耐磨钢套13内。所述下外壳的下端与所述旋转冲击杆之间设置有下导向套22。所述角接触球轴承为双列角接触球轴承，所述圆锥滚子轴承为双列圆锥滚子轴承。所述主动杆和旋转冲击杆同轴心设置，且所述主动杆和旋转冲击杆的中心设置有钻液孔。所述下外壳上位于所述直线轴承与所述下导向套之间的位置设置有定位凸起。驱动凸轮筒上的凸轮槽的展开形状为正弦、余弦或不规则曲线结构。

本发明通过设置蓄能弹簧钢片，能够很好的对能量进行存储，并释放给高频旋转振荡冲击器，提高高频旋转振荡冲击器的冲击效果，同时，本发明采用直驱电机，不仅能够降低能耗，而且，能够有效的缩小钻井设备的体积，便于钻井设备的安装与固定，通过驱动凸轮筒来实现蓄能弹簧片的蓄能，其蓄能频率可以根据实际需要设计驱动凸轮筒的凸轮槽曲线结构即可，可以实现驱动凸轮筒与高频旋转振荡冲击器的反向共振，最大化的提高冲击效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种旋转冲击式钻井设备，其包括钻架和旋转冲击钻井组件，所述旋转冲击钻井组件包括壳体、主动杆、旋转冲击杆、钻头连接接头、蓄能弹簧钢片和高频旋转振荡冲击器，其特征在于，所述的主动杆设置在所述壳体的上端，所述旋转冲击杆设置在所述壳体的下端，所述主动杆与所述旋转冲击杆之间设置有蓄能弹簧钢片，所述主动杆由直驱电机带动驱动凸轮筒转动来实现上下往复运动，进而对所述蓄能弹簧钢片进行蓄能，所述旋转冲击杆上固定设置有高频旋转振荡冲击器，所述旋转冲击杆的下端设置有钻头连接接头，钻井钻头设置在所述钻头连接接头上，通过所述蓄能弹簧钢片和高频旋转振荡冲击器的共同冲击与旋转运动作用，实现冲击旋转式钻井。

2.根据权利要求1所述的一种旋转冲击式钻井设备，其特征在于：所述壳体包括上外壳、中间外壳和下外壳，其中，所述上外壳与所述中间外壳之间采用螺纹连接，所述中间外壳与所述下外壳之间采用螺纹连接，所述上外壳的上端设置有上导向套，所述主动杆设置在所述上导向套内，所述上外壳的下端设置有轴承座，所述轴承座内设置有角接触球轴承和圆锥滚子轴承，所述主动杆通过所述角接触球轴承和圆锥滚子轴承设置在所述上外壳内，所述中间外壳的上端的内壁上通过所述连接套固定设置有直驱电机定子，驱动凸轮筒的外壁上通过连接套固定设置有直驱电机转子，所述直驱电机定子和直驱电机转子构成直驱电机，所述驱动凸轮筒的环形内壁上设置有凸轮槽，所述凸轮槽内设置有驱动轴，所述主动杆上设置有径向孔，所述驱动轴穿过所述径向孔设置在所述主动杆上，通过所述直驱电机转子带动所述驱动凸轮筒转动，进而带动所述驱动轴上下冲击移动，所述下外壳的上端内壁上固定设置有连接筒，所述主动杆的下端设置在所述连接筒内，所述旋转冲击杆的上端也设置在所述连接筒内，以便通过所述连接筒来连接所述主动杆与旋转冲击杆，且所述主动杆与所述旋转冲击杆之间设置有所述蓄能弹簧钢片，所述蓄能弹簧钢片设置在所述连接筒内，所述旋转冲击杆上设置有轴肩，所述高频旋转振荡冲击器采用固定钢套固定设置在所述旋转冲击杆上，且由所述轴肩进行定位设置，所述旋转冲击杆上位于高频旋转振荡冲击器上端的位置设置有锁紧螺母二，所述主动杆上位于所述驱动凸轮筒上端的位置设置有锁紧螺母一，所述旋转冲击杆的下端与所述下外壳之间设置有直线轴承。

3.根据权利要求2所述的一种旋转冲击式钻井设备，其特征在于：所述主动杆上的径向孔内设置有耐磨钢套，所述驱动轴固定设置在所述耐磨钢套内。

4.根据权利要求2所述的一种旋转冲击式钻井设备，其特征在于：所述下外壳的下端与所述旋转冲击杆之间设置有下导向套。

5.根据权利要求1所述的一种旋转冲击式钻井设备，其特征在于：所述角接触球轴承为双列角接触球轴承，所述圆锥滚子轴承为双列圆锥滚子轴承。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种旋转冲击式钻井设备，其特征在于：所述主动杆和旋转冲击杆同轴心设置，且所述主动杆和旋转冲击杆的中心设置有钻液孔。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种旋转冲击式钻井设备，其特征在于：所述下外壳上位于所述直线轴承与所述下导向套之间的位置设置有定位凸起。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的一种旋转冲击式钻井设备，其特征在于：驱动凸轮筒上的凸轮槽的展开形状为正弦、余弦或不规则曲线结构。