CN106812462B - 一种多维冲击钻井工具 - Google Patents
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Classifications
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- E21—EARTH DRILLING; MINING
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- E21B1/00—Percussion drilling
Abstract
本发明属于石油天然气钻井配套设备技术领域，涉及一种多维冲击钻井工具，套筒的上端连接上接头，下端连接下接头；套筒的内部上接头和下接头之间从上到下依次设置有水力元件和砧子，砧子的下端穿出套筒底端，并与设置于套筒下端的下接头连接，水力元件与套筒接触面的上下两端分别设置有第一密封和第二密封，砧子与套筒接触面的上端设置有第三密封；水力元件下部流道表面为膛线面；其结构简单，使用方便，安全可靠，压耗低，不影响钻具结构，适用于多种钻井平台，加工制造和使用维护成本低，对于深井、超深井和复杂结构井的安全快速钻进具有重要的实际意义。
Description
技术领域:
本发明属于石油天然气钻井配套设备技术领域，涉及一种多维冲击钻井工具，特别是一种深井硬地层提高机械钻速的钻井工具。
背景技术：
随着老油田常规油气资源的勘探开发进入中后期，为满足我国对油气资源的巨大需求，加大了对深层、薄油层、断块油层等复杂油层以及非常规油气资源的开发力度。在这些油气资源的钻探过程中，深部坚硬地层、强非均质性和软硬交互性地层、可钻性差地层的机械钻速低，延长了钻井周期，增加了资金的投入。因此，发展出能够提高深部地层和复杂油气藏钻探效率的新技术及其配套工具，是提高这类井钻探效率和我国油气资源开发效率的必要途径，也是应对国内和世界石油钻探市场激烈竞争的重要手段。
为解决钻进过程中机械钻速低的问题，石油专家们分别从影响机械钻速的各个因素(包括钻压、转速、钻头选型、井底水力能量、破岩方式、钻头扭矩等)的角度出发，提出并发展了垂直钻井技术、水力加压器、水力振荡器、涡轮钻具和螺杆钻具等井下动力钻具、高效PDC钻头和新型复合钻头、分流负压钻头、水力脉动钻井工具和自激空化射流钻井工具、旋冲工具，扭力冲击器等多种提速技术及钻井工具，在一定程度上解决了机械钻速低、钻井周期长和资金投入大的问题。大量的现场试验表明，对于深部坚硬地层，旋冲钻井和扭转冲击钻井取得了更好的提速效果，其主要原因是，随着井深的增加，地层压实程度更高变得更加坚硬，同时井底水力能量减弱，机械钻速对转速和水力能量的敏感程度降低，而旋冲钻井能够产生作用于井底岩石的高频轴向冲击，不仅能够使井底岩石产生初始裂纹并扩展形成体积破碎提高破岩效率，同时能够使钻头周期性的吃入地层，从而提高钻头每转一圈的岩石破碎量，另一方面，扭转冲击工具能够产生作用于井底岩石的扭转冲击振动，将PDC钻头对井底岩石的剪切破碎变为冲击剪切破碎，补充钻头破岩扭矩的不足，消除钻头的粘滑效应，提高机械钻速和PDC钻头使用寿命，对坚硬地层的提速效果较好。
鉴于旋冲工具和扭转冲击工具在深井硬地层取得的较好提速效果，国内外各科研院所和石油公司研制了多种原理、结构和冲击参数各不相同的冲击器，但大部分旋冲工具过分强调冲击功对破岩效率的影响，因此导致冲击频率较低，同时由于过大的轴向冲击可能导致钻头吃入地层过深，在提高机械钻速的同时增加了破岩扭矩，进一步加剧了钻头的粘滑振动，另外，冲击工具普遍存在井下的安全性差和使用寿命低的问题。扭转冲击工具在保证钻头对地层有一定吃入深度的前提下，通过扭转方向上的高频冲击实现提速，但现场应用中存在以下不足：首先是容易引发钻头泥包，这就要求在钻进过程中要经常性的将钻头提离井底，开泵并高转速甩动钻柱，从而消除钻头泥包现象，显著增加了钻进辅助时间；其次是容易引发井斜，主要是因为扭力冲击器提速的前提是钻头要有一定的吃深，这就要求要施加比常规钻进更大的钻压，否则扭转冲击无法有效的作用于切削齿前方的岩石上，钻压的增加则常常导致井斜增加，因此，对井身质量控制的要求在一定程度上限制了扭力冲击器提速潜力的发挥；再次是扭力冲击器只能和常规钻具配合使用，现场试验表明扭力冲击器与螺杆钻具配合使用时由于频率相互干扰导致扭力冲击器提速效果显著降低，因此扭力冲击器只能够在常规钻井基础上进行提速；最后是为保证提速效果扭力冲击器要配合专门的PDC钻头使用，导致租赁和钻头费用高，难以在提速的同时提高效益，使其推广应用受到限制。由此可见，旋冲工具和扭转冲击工具虽然在硬地层提速中效果初现，但是在应用过程中尚存在大量的问题。因此，在我国石油资源勘探开发需求迫切和钻井市场化的大形势下，提出一种切实可行的，能够进一步提高深部硬地层和复杂地层机械钻速和钻探效率的钻井技术及其配套工具十分必要。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种多维冲击钻井工具，使钻头同时产生对井底岩石的轴向和扭转冲击，提高破岩效率、钻头寿命，消除钻头泥包，从而提高机械钻速，降低钻井资金投入。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括上接头、套筒、限位台阶、限位凸起、套筒花键、水力元件、第一密封、第二密封、第三密封、膛线面、阳膛线、阴膛线、砧子、粗糙表面、工装孔、下接头和下接头花键槽；上接头、套筒和砧子内部均设有沿轴线方向延伸的贯通的中心流道，套筒的上端设有用于连接上部钻柱的上接头，上接头和套筒之间通过螺纹连接；套筒的下端设有用于连接下部钻柱的下接头；套筒的内部上接头和下接头之间从上到下依次设置有水力元件和砧子，砧子的下端穿出套筒底端，并与设置于套筒下端的下接头通过螺纹连接，用于进行载荷和扭矩的传递；水力元件与套筒接触面的上下两端分别设置有第一密封和第二密封，砧子与套筒接触面的上端设置有第三密封；套筒内壁上设置有限位台阶和限位凸起，分别用以限水力元件和砧子的轴向位移，砧子的上端外径大于限位凸起的内径，防止砧子从套筒中脱出；水力元件上部为腔室结构，利用自激振荡原理能够将流入其腔室内部的连续稳定射流调制成压力剧烈波动的脉冲射流，水力元件的下端面与限位台阶配合，上接头将水力元件沿轴向压紧；套筒的下端设置有套筒花键，下接头上端设置有与套筒花键相配合的下接头花键槽，套筒花键和下接头花键槽相互配合用以传递外接的上部钻柱扭矩；砧子的下端加工有多边形结构的工装孔，用以插入将砧子和下接头拧紧的工具；砧子上表面加工成粗糙表面，用以增加旋转脉冲射流的作用面积，从而使射流的多维冲击能够有效作用于砧子；粗糙表面根据实际需要为纹理表面或仿生非光滑表面，以达到提高载荷和扭矩传递效率并提高其耐磨特性的目的；水力元件下部流道表面为膛线面，该膛线面由阳膛线和阴膛线交替组合构成，膛线面为等距膛线、渐速膛线或混合膛线，能够通过调节膛线数目、度数和缠距实现对射流加旋的调节。
本发明工作时，外接的转盘或顶驱带动上接头和套筒绕着多维冲击钻井的轴线顺时针(俯视)转动，套筒通过套筒花键与下接头花键槽的配合带动下接头产生完全相同的顺时针转动，与此同时，钻井液从上接头的中心流道流入并进入水力元件，依次经过谐振、反馈、选频及放大等自激振荡过程形成压力剧烈波动的脉冲射流；由水力元件上端产生的脉冲射流进入水力元件下端的膛线面，该脉冲射流在膛线面的作用下演变成为脉冲旋转射流，最后脉冲旋转射流由水力元件的下端喷出作用于砧子上端的粗糙表面，对砧子上端面产生脉动轴向冲击和切向剪切，从而使砧子产生轴向和扭转(顺时针(俯视))方向的高频振动，继而带动下接头和与下接头连接的外部钻头产生作用于井底岩石的三维冲击，实现高效破岩。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是通过钻头对井底岩石施加轴向冲击，在不增加钻压的前提下增加钻头切削齿吃入地层的深度，同时，通过钻头对井底岩石施加扭转冲击，补充转盘所提供的破岩扭矩的不足，增加钻头每转一圈的岩石破碎量，防止井斜，消了粘滑振动，提了钻头使用寿命；二是将旋转冲击和扭转冲击结合，有效的解决扭转冲击工具在应用过程中由于钻头泥包所导致的钻井辅助时间增加的难题；三是使用时拟采用高频冲击，将冲击频率和钻头牙齿切削井底同一点的频率拉开，该技术配合螺杆钻具一起使用，在复合钻井提速的基础上进一步提高机械钻速和钻探效率；另外，该工具将水力能量直接转换成机械冲击力，能量利用率高，使用寿命长；四是采用本发明所述装置将消除提速效果对钻头的依赖性，只依靠常规钻头选型，不再使用专用钻头，这样可以极大的降低资金投入，有利于该技术的推广应用；其结构简单，使用方便，安全可靠，压耗低，不影响钻具结构，适用于多种钻井平台，加工制造和使用维护成本低，对于深井、超深井和复杂结构井的安全快速钻进具有重要的实际意义。
附图说明：
图1为本发明的主体结构剖视结构原理示意图。
图2为本发明主体结构的A-A剖面图。
图3为本发明主体结构的B-B剖面图。
图4为本发明主体结构的C-C剖面图。
图5为本发明三是膛线面的平面展开图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例的主体结构包括上接头1、套筒2、限位台阶21、限位凸起22、套筒花键23、水力元件3、第一密封4、第二密封6、第三密封8、膛线面5、阳膛线51、阴膛线52、砧子7、粗糙表面71、工装孔72、下接头9和下接头花键槽91；上接头1、套筒2和砧子7内部均设有沿轴线方向延伸的贯通的中心流道，套筒2的上端设有用于连接上部钻柱的上接头1，上接头1和套筒2之间通过螺纹连接；套筒2的下端设有用于连接下部钻柱的下接头9；套筒2的内部上接头1和下接头9之间从上到下依次设置有水力元件3和砧子7，砧子7的下端穿出套筒2底端，并与设置于套筒2下端的下接头9通过螺纹连接，用于进行载荷和扭矩的传递；水力元件3与套筒2接触面的上下两端分别设置有第一密封4和第二密封6，砧子7与套筒2接触面的上端设置有第三密封8；套筒2内壁上设置有限位台阶21和限位凸起22，分别用以限水力元件3和砧子7的轴向位移，砧子7的上端外径大于限位凸起22的内径，防止砧子7从套筒2中脱出；水力元件3上部为腔室结构，利用自激振荡原理能够将流入其腔室内部的连续稳定射流调制成压力剧烈波动的脉冲射流，水力元件3的下端面与限位台阶21配合，上接头1将水力元件3沿轴向压紧；套筒2的下端设置有套筒花键23，下接头9上端设置有与套筒花键23相配合的下接头花键槽91，套筒花键23和下接头花键槽91相互配合用以传递外接的上部钻柱扭矩；砧子7的下端加工有多边形结构的工装孔72(本实例中为六边形)，用以插入工具从而将砧子7和下接头9拧紧；砧子7上表面加工成粗糙表面71，用以增加旋转脉冲射流的作用面积，从而使射流的多维冲击能够有效作用于砧子7；粗糙表面71可根据实际需要优化为纹理表面或仿生非光滑表面，以达到提高载荷和扭矩传递效率并提高其耐磨特性的目的；水力元件3下部流道表面为膛线面5，该膛线面5由阳膛线51和阴膛线52交替组合构成，膛线面5为等距膛线、渐速膛线或混合膛线，能够通过调节膛线数目、度数和缠距实现对射流加旋的调节。
本实施例工作时，外接的转盘或顶驱带动上接头1和套筒2绕着多维冲击钻井的轴线顺时针(俯视)转动，套筒2通过套筒花键23与下接头花键槽91的配合带动下接头9产生完全相同的顺时针转动，与此同时，钻井液从上接头1的中心流道流入并进入水力元件3，依次经过谐振、反馈、选频及放大等自激振荡过程形成压力剧烈波动的脉冲射流；由水力元件3上端产生的脉冲射流进入水力元件3下端的膛线面5，该脉冲射流在膛线面5的作用下演变成为脉冲旋转射流，最后脉冲旋转射流由水力元件3的下端喷出作用于砧子7上端的粗糙表面71，对砧子7上端面产生脉动轴向冲击和切向剪切，从而使砧子7产生轴向和扭转(顺时针(俯视))方向的高频振动，继而带动下接头9和与下接头9连接的外部钻头产生作用于井底岩石的三维冲击，实现高效破岩。
本实施例针对深井硬地层破岩效率低、机械钻速低和资金投入大高的难题，提出利用水力能量调制脉冲旋转射流激发钻头对井底岩石的多维冲击，从而提高破岩效率、消除钻头泥包，从而最终提高机械钻速的思路，具有广泛的应用前景，所采用的装置具有结构简单、使用方便、安全可靠、压耗低、不影响钻具结构、适用于多种钻井平台、加工制造和使用维护的成本较低等特点，对于深井、超深井和复杂结构井的安全快速钻进具有重要的实际意义。
Claims (2)
1.一种多维冲击钻井工具，其特征在于主体结构包括上接头、套筒、限位台阶、限位凸起、套筒花键、水力元件、第一密封、第二密封、第三密封、膛线面、阳膛线、阴膛线、砧子、粗糙表面、工装孔、下接头和下接头花键槽；上接头、套筒和砧子内部均设有沿轴线方向延伸的贯通的中心流道，套筒的上端设有用于连接上部钻柱的上接头，上接头和套筒之间通过螺纹连接；套筒的下端设有用于连接下部钻柱的下接头；套筒的内部上接头和下接头之间从上到下依次设置有水力元件和砧子，砧子的下端穿出套筒底端，并与设置于套筒下端的下接头通过螺纹连接，用于进行载荷和扭矩的传递；水力元件与套筒接触面的上下两端分别设置有第一密封和第二密封，砧子与套筒接触面的上端设置有第三密封；套筒内壁上设置有限位台阶和限位凸起，分别用以限水力元件和砧子的轴向位移，砧子的上端外径大于限位凸起的内径，防止砧子从套筒中脱出；水力元件上部为腔室结构，利用自激振荡原理能够将流入其腔室内部的连续稳定射流调制成压力剧烈波动的脉冲射流，水力元件的下端面与限位台阶配合，上接头将水力元件沿轴向压紧；套筒的下端设置有套筒花键，下接头上端设置有与套筒花键相配合的下接头花键槽，套筒花键和下接头花键槽相互配合用以传递外接的上部钻柱扭矩；砧子的下端加工有多边形结构的工装孔，用以插入将砧子和下接头拧紧的工具；砧子上表面加工成粗糙表面，用以增加旋转脉冲射流的作用面积，从而使射流的多维冲击能够有效作用于砧子；粗糙表面根据实际需要为纹理表面或仿生非光滑表面，以达到提高载荷和扭矩传递效率并提高其耐磨特性的目的；水力元件下部流道表面为膛线面，该膛线面由阳膛线和阴膛线交替组合构成，膛线面为等距膛线、渐速膛线或混合膛线，能够通过调节膛线数目、度数和缠距实现对射流加旋的调节。
2.根据权利要求1所述多维冲击钻井工具，其特征在于工作时，外接的转盘或顶驱带动上接头和套筒绕着多维冲击钻井的轴线顺时针转动，套筒通过套筒花键与下接头花键槽的配合带动下接头产生完全相同的顺时针转动，与此同时，钻井液从上接头的中心流道流入并进入水力元件，依次经过谐振、反馈、选频及放大的自激振荡过程形成压力剧烈波动的脉冲射流；由水力元件上端产生的脉冲射流进入水力元件下端的膛线面，该脉冲射流在膛线面的作用下演变成为脉冲旋转射流，最后脉冲旋转射流由水力元件的下端喷出作用于砧子上端的粗糙表面，对砧子上端面产生脉动轴向冲击和切向剪切，从而使砧子产生轴向和扭转方向的高频振动，继而带动下接头和与下接头连接的外部钻头产生作用于井底岩石的三维冲击，实现高效破岩。
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