CN106837178B - 一种高效三维冲击钻井提速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井配套工具。一种高效三维冲击钻井提速器，包括位于同一轴线上的钻杆接头和钻头接头，在钻杆接头和钻头接头之间设有撞锤外体和扭冲外体，在撞锤外体内设有撞锤结构，在扭冲外体内设有扭冲结构，撞锤结构位于扭冲结构上方，撞锤结构在撞锤外体内上下运动，扭冲结构在扭冲外体内转动，扭冲结构带动撞锤结构运动。本发明提供了一种高压钻井液的流体能量转换成轴向，扭向，高频，均匀，稳定的冲击能量，使钻头不需要等待积蓄足够的扭矩能量就可以切削地层，提高了机械钻速，延长钻头及下部钻具的寿命的一种高效三维冲击钻井提速器；解决了现有技术中存在的钻头钻进时因扭矩不足而产生的粘滑震动现象的技术问题。

Description

一种高效三维冲击钻井提速器

技术领域

本发明涉及一种钻井配套工具，尤其涉及一种高效的三维冲击钻井提速工具。

背景技术

在通常钻井条件下PDC钻头能连续地剪切破碎地层，而用PDC钻头钻坚硬地层时，通常没有足够的扭矩来破碎地层岩石，从而使钻头瞬间停止转动。这时扭矩能量就开始在钻杆中聚集，当钻杆中的扭矩达到一定值时就会忽然释放出来，钻头将会以更高的转速破岩，产生PDC钻头钻进过程中的粘滑振动现象。室内试验和现场实践均表明这种粘滑振动是导致钻头失效及钻进效率低下的重要因素之一，会直接损坏PDC钻头切削齿，降低钻头及下部钻具的使用寿命

目前国外针对钻井粘滑现象而研发的主要有美国，加拿大，国内的西南石油大学，中国石油大学（北京）及中石化胜利油田等相关单位也提出过专利申请，但由这些工具的设计上的缺陷和另件难耐高压冲蚀而损坏，又消耗钻井液压降过大等，所以到目前国内还没有成功推广应用的实例。如中国专利：一种液动锤杆式冲击钻井工具（CN103244052A），其技术方案是：工具由涡轮驱动装置、旋转阀配流机构、冲击装置、端帽、冲锤、外缸、内缸、密封圈、导流盘、壳体和钻头组成，涡轮驱动装置包括定轴、上深沟球轴承、涡轮盘、涡轮叶片、压紧盘、下深沟球轴承和推力轴承，旋转阀配流机构包括上阀板和下阀板，冲击装置包括冲击座、弹簧和锤杆。工作时，涡轮驱动装置带动上阀板转动，输入孔与下阀板的第一过流孔及第二过流孔交普相通，使冲锤于内缸中做往复运动并实现对冲击座的循环冲击，冲击能量传至锤杆用于破岩。

发明内容

本发明提供了一种高压钻井液的流体能量转换成轴向，扭向，高频，均匀，稳定的冲击能量，并额外直接传递和作用在PDC钻头上，使钻头不需要等待积蓄足够的扭矩能量就可以切削地层，提高了机械钻速，延长钻头及下部钻具的寿命的一种高效三维冲击钻井提速器；解决了现有技术中存在的钻头钻进时因扭矩不足而产生的粘滑震动现象的技术问题。

本发明的上述技术问题是通过下述技术方案解决的：一种高效三维冲击钻井提速器，包括位于同一轴线上的钻杆接头和钻头接头，在钻杆接头和钻头接头之间设有撞锤外体和扭冲外体，撞锤外体与钻杆接头相接，扭冲外体与钻头接头相接，撞锤外体和扭冲外体构成外壳，在撞锤外体内设有撞锤结构，在扭冲外体内设有扭冲结构，撞锤结构位于扭冲结构上方，撞锤结构在撞锤外体内上下运动，扭冲结构在扭冲外体内左右转动，扭冲结构带动撞锤结构运动。在外壳内的上下分别设置撞锤结构和扭冲结构，由于扭冲外体与撞锤外体是相互连接的，撞锤结构上下运动产生的撞击力直接传递到安装在钻头接头上的PDC钻头上，同时扭冲结构产生的左右旋转运动也带动钻头接头上的PDC钻头旋转，实现机械剪切钻井破岩。而且连接在撞锤外体上的钻杆接头，由于钻柱的驱动，带动钻杆接头旋转，从而带动撞锤外体和扭冲外体旋转，这样钻杆的旋转动力就直接带动安装在钻头接头上的PDC钻头旋转，进一步有效的克服了因扭矩不足产生的粘滑震动现象。

作为优选，所述的撞锤结构包括位于撞锤外体内的撞击锤，撞击锤套接在撞锤套管上，撞锤套管内设有中心喷管，中心喷管、撞锤套管、撞击锤和撞锤外体同轴布置，在撞锤外体与撞锤套管之间形成上下压力腔，撞击锤沿着撞锤套管在上下压力腔内上下运动。撞锤套管为撞击锤提供导向作用，上下压力腔的上方布置有撞锤定位圈，下方利用撞锤外体的底部的环形凸沿形成一个止挡，撞击锤的运动行程由上下压力腔上方的撞锤定位圈和下方的撞锤外体的止挡确定。

作为优选，在中心喷管内设有钻井液流道，中心喷管的下端内部设有上截流喷嘴，在中心喷管上设有喷管导流孔，在撞击锤套管上开设有撞锤套管导流孔，在撞击锤上开设有撞锤出液孔，在撞击锤和撞锤套管之间设有导流环腔，根据撞锤套管转动角度的变化，将撞锤套管导流孔与喷管导流孔联通或者封闭。利用钻井液作为动力，上截流喷嘴是上大下小从而通过设置上截流喷嘴来改变钻井液的压力，撞锤套管套接中心喷管上，中心喷管随着扭冲结构中的换向管左右转动时，内喷管导流孔与撞锤套管导流孔角度的变换，在上下导流环腔的引导下，使上下撞锤出液孔不断变换上、下出液口，从而形成撞击锤的轴向上下运动，产生轴向撞击。

作为优选，在撞锤套管的端部设有相互配合的内齿圈和外齿圈，内齿圈与撞锤套管相接，外齿圈与撞锤外体相接，上下压力腔的上端设有撞锤定位圈，上下压力腔的下端为撞锤外体形成的环形端面。由外齿圈和内齿圈配合作为撞锤套管的上的喷液孔方向的定位，在撞锤套管的下端安装有喷管定位套，利用喷管定位套对撞锤套管的轴向进行定位。

作为优选，所述的扭冲结构包括依次同轴布置的换向管、扭冲锤、扭冲内体和扭冲外体，换向管与扭冲锤之间相互转动，扭冲锤在扭冲内体内转动。换向管与扭冲锤之间根据钻井液的压力变化，左右小角度旋转摆动，扭冲锤在扭冲内体内也是同样左右小角度来回摆动，受交替冲击摆动的影响，扭冲内体与钻头接头连接，从而形成扭向左右冲击直接敲击PDC钻头的冲击效果，使PDC钻头在钻杆驱动下机械剪切破岩的同时再额外加上一道顺、逆时向的冲击力，钻井效果显著提高。

作为优选，换向管中心设有通孔，在换向管内设有钻井液流道，在换向管的一端连接有下截流喷嘴，在换向管上开设有导流孔、蓄液腔和换向腔，在扭冲锤上设有进出液流道，在扭冲锤与扭冲内体之间形成冲击腔，在扭冲内体上设有蓄液槽和排液槽。

作为更优选，所述的换向管上开设有卡槽，所述的扭冲锤为环形，扭冲锤的内壁上设有凸起，扭冲锤与换向管可以相互左右转动，在卡槽和凸起之间形成换向腔，在扭冲锤的外壁上设有弧形凸块，在扭冲内体上设有弧形腔，弧形凸块在弧形腔内左右运动。扭冲锤外侧的单扇弧形凸块两侧有进出液流道与换向管上一组蓄液腔的进液腔和排液腔交替轮换形成进出液流道，从而实现换向管一定角度的转动。扭冲锤外侧的单扇弧形凸块两侧的进出液流道与导流孔交替轮换形成进出口液流道，从而实现扭冲锤的顺、逆冲击转动。扭冲锤内孔中对称的梯型凸起两侧泄液流道与两侧的排液槽和蓄液槽的交替轮换和逆向转动时的启动，从而形成扭冲锤转动后的钻井液排泄。

作为更优选，所述的钻杆接头与撞锤外体螺纹连接，所述的撞锤外体与扭冲外体均为圆筒状，撞锤外体与扭冲外体螺纹连接，扭冲外体内的扭冲内体与钻头接头螺纹连接。螺纹连接结构简单，装拆方便，通过相互螺纹连接的各部件，可以将钻杆上的动力直接传递到钻头上，同时也可以将撞锤结构和扭冲结构形成上下轴向运动和圆周方向的左右旋转运动的动力传递给钻头，提高钻井效果。

作为优选，扭冲外体内的换向管与撞锤外体内的中心管相连，换向管的下端抵接在下喷嘴座盖上，换向管的左右旋转带动中心管左右旋转。以下方的扭转运动带动上方的撞击锤的轴向上下运动，利用中心管和换向管内的上截流喷嘴和下截流喷嘴改变中心管和换向管内的钻井液的高压动力，从而将液压动力作为驱动扭转运动和轴向运动的动力，结构简单，稳定性好。

作为优选，扭冲结构中的扭冲内体与扭冲外体之间设有限位螺钉，限位螺钉位于扭冲外体的径向方向，扭冲外体的底部轴向设有凸缘部，所述的钻头接头的轴向方向也设有凸缘部，扭冲外体的凸缘部与钻头接头的凸缘部相互交错布置，并且扭冲外体的凸缘部与钻头接头的凸缘部之间在圆周方向设有间隙，间隙作为扭冲结构顺、逆冲击限位的冲击面。

因此，本发明的一种高效三维冲击钻井提速器具备下述优点：利用高压钻井液的流体能量作为动力，在外壳内上下布置相互关联的撞锤结构和扭冲结构，不但能给钻头提供轴向的运动动力，也能提供周向的扭转力矩，实现高频、均匀、稳定的冲击力量，给钻头提供了除钻杆带来的动力以外的，额外的直接传递和作用在PDC钻头上的动力，使钻头不需要等待积蓄足够的扭矩能量就可以切削地层，而且还能有效避免钻头钻进时因扭矩不足而产生的粘滑震动现象。

附图说明

图1是本发明的一种高效三维冲击钻井提速器的半剖示意图。

图2是图1内的撞锤结构部分的剖视示意图。

图3是图1内的扭冲结构部分的剖视示意图。

图4是图1内的钻头接头与扭冲外体相接处的剖视示意图。

图中：1.钻杆接头，2.外齿圈，3.内齿圈，4.撞锤定位圈，5.撞锤外体，6.撞击锤，7.撞锤套管，8中心喷管，9上截流喷嘴，10.喷管定位套，11滚珠，12.滚珠，13.扭冲外体，14.上限位座，15.扭冲内体，16.扭冲锤，17.换向管，18.限位螺钉，19.限位滚珠，20.座盖螺栓，21.滚珠，22.下喷嘴座盖，23.下截流喷嘴，24.带凸缘钻头短接。

201.冲击腔，202.进出液流道，203.导流孔，204. 蓄液腔，205.蓄液槽，206.换向腔，207.排池槽，208. 泄液流道，209.喷管导流孔，210.撞锤套管导流孔，211.导流环腔，212.撞锤出液孔。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示，一种高效三维冲击钻井提速器，包括位于同一轴线上的钻杆接头1和钻头接头24，钻杆接头1位于上方，钻头接头24位于下方，在钻杆接头1和钻头接头24之间布置有撞锤外体5和扭冲外体13，撞锤外体5和扭冲外体13螺纹连接，撞锤外体5和扭冲外体13构成外壳。撞锤外体5与钻杆接头1螺纹相接，扭冲外体13与钻头接头24相接，扭冲外体13的底部轴向设有凸缘部，钻头接头的轴向方向也设有凸缘部，扭冲外体的凸缘部与钻头接头的凸缘部相互交错布置（如图4所示）。

在撞锤外体5内设有撞锤结构，在扭冲外体13内设有扭冲结构，撞锤结构位于扭冲结构上方，撞锤结构在撞锤外体内上下运动，扭冲结构在扭冲外体内转动，扭冲结构带动撞锤结构运动。

其中撞锤结构包括：外齿圈1，内齿圈2，撞锤外体3，撞击锤5，撞锤套管6，中心喷管7，上截流喷嘴8，喷管定位套9，滚珠10组成。钻杆接头1为圆管状，其两端外均成型有螺纹，钻杆接头1的上端与钻杆或螺杆钻具相连接，钻杆接头1的下端与撞锤外体5螺纹连接，撞锤套管7为圆柱状套筒，两端有角度不同的撞锤套导流孔210，撞锤套管7由外齿圈2和内齿圈3固定在一定角度内，在中心喷管8与被连接的换向管17带动下，每转动一定的角度，就使中心喷管8与撞锤套管7的喷管导流孔209与撞锤套管导流孔210相对应的喷孔重合，使钻井液流向上下不同的导流环腔211，不同的上下导流环腔211又流向上下不同的撞锤出液孔212，分别使钻井液高压进入撞锤外体5与撞击锤6之间的上下压力腔，完成了撞击锤6的上下运动。撞击锤6上下运动的距离，上端由撞锤定位圈4限位，下端由撞锤外体5的内台阶限位形成撞击面。而撞锤外体5与下端扭冲外体15及钻头接头24相连接，因此撞击锤6的上下运动产生的撞击力就直接传递到安装在钻头接头24的PDC钻头上。

其中的扭冲结构包括：扭冲外体13，滚珠12，上限位座道14，扭冲内体15，扭冲锤16，换向管17，下喷嘴座道22，下截流喷嘴23组成。在扭冲外体13与扭冲内体之间有限位螺钉18和限位滚珠19，限位螺钉位于径向方向上。工作时旋转的钻柱驱动钻杆接头1，钻杆接头1与撞锤外体5相连接，撞锤外体5又与扭冲外体13相连接，扭冲外体13又与带凸缘钻头短接（24），以凸缘插入相连接。这样钻杆的旋转动力就直接带动安装在带凸缘钻头短接（24）上的PDC钻头旋转，实现机械剪切钻井破岩。

图1图2图3所示的钻井液由钻杆接头1内孔通道往下经上截流喷嘴9和下喷流喷嘴23变压后分成三部分， 一部分直接往下到达PDC钻头，一部分流经中心喷管8的喷管导流孔209，撞锤套管导流孔210流经导流环腔211，再流向撞锤出液口212至撞锤外体5与撞锤套管7之间的上下压力腔，从而组成撞击锤6的上下，轴向撞击运动。钻井液的另一部分在下截流喷嘴23变压后，从换向管17中部的导流孔203流出与正对上的进出液流道202流向冲击腔201，完成顺时针正面敲击扭冲内体15，由扭冲锤16顺时针转动时带动逆时到冲击腔内的钻井液随另一侧进出液流道202进入换向管17的换向腔206和蓄液腔204换向腔206的钻井液即随扭冲锤16上的两条泄液流道208流向排泄槽207和蓄泄槽208，最终将钻井液流经下喷嘴座盖22上的孔道排出流向钻头接头24的内孔直至PDC钻头上，反之扭冲锤16在蓄液腔204和蓄液槽205的变压启动下，扭冲锤16开始向逆反方向启动，此时导流孔203正对向扭冲锤16单扇弧形凸块另一侧进出液流道202将钻井液进入逆向扭冲腔，驱动扭冲锤16逆时针转动，逆向敲击扭冲内体15，这样在钻井液的流体驱动下，扭冲锤16顺时针冲击过程与逆时针冲击过程交替进行，而受敲击的扭冲内体15钻头接头24相连接，且扭冲外体13的凸缘与钻头接头的凸缘面的相接处有一定的空间间隙，从而形成了扭向左右冲击直接敲击PDC钻头的冲击效果，使PDC钻头在钻杆驱动下机械剪切破岩的同时再额外加上一道顺，逆时向的冲击力，钻井效果就显著提高了。

在扭冲锤16顺时针和逆时针转动时，扭冲锤内壁上的梯型凸起也同时带动换向管17作一定角度的左右转动，换向管17的转动，也带动上部中心喷管8的一定角度的转动，最终产生轴向撞击腔内钻井液的上下交替变换，产生所述的撞击锤6的轴向冲击。在钻井液从撞击锤6的上方，撞锤出液孔212流出时，下压力腔内的钻井液即随撞锤管套7上的导流孔210进入与中心喷管8之间存在的排液腔流入上截流喷嘴9下端的排液孔，流经换向管17内孔排向PDC钻头，完成钻井液工作时的交替轮换。

以上所述只是本发明的较佳实例而已，上述实例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后，依据本发明的技术实质，对以上具体实施方式所作任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (7)

1.一种高效三维冲击钻井提速器，包括位于同一轴线上的钻杆接头（1）和钻头接头（24），其特征在于：在钻杆接头（1）和钻头接头（24）之间设有撞锤外体（5）和扭冲外体（13），撞锤外体（5）与钻杆接头（1）相接，扭冲外体（13）与钻头接头（24）相接，撞锤外体和扭冲外体构成外壳，在撞锤外体内设有撞锤结构，在扭冲外体内设有扭冲结构，撞锤结构位于扭冲结构上方，撞锤结构在撞锤外体内上下运动，扭冲结构在扭冲外体内转动，扭冲结构带动撞锤结构运动；所述的撞锤结构包括位于撞锤外体内的撞击锤（6），撞击锤（6）套接在撞锤套管（7）上，撞锤套管（7）内设有中心喷管（8），中心喷管（8）、撞锤套管（7）、撞击锤（6）和撞锤外体（5）同轴布置，在撞锤外体与撞锤套管之间形成上下压力腔，撞击锤沿着撞锤套管在上下压力腔内上下运动；在中心喷管（8）内设有钻井液流道，中心喷管的下端内部设有上截流喷嘴（9），在中心喷管（8）上设有喷管导流孔（209），在撞锤套管（7）上开设有撞锤套管导流孔（210），在撞击锤上开设有撞锤出液孔（212），在撞击锤和撞锤套管之间设有导流环腔（211），根据撞锤套管转动角度的变化，将撞锤套管导流孔与喷管导流孔联通或者封闭；在撞锤套管（7）的端部设有相互配合的内齿圈（3）和外齿圈（2），内齿圈（3）与撞锤套管（7）相接，外齿圈（2）与撞锤外体（5）相接，上下压力腔的上端设有撞锤定位圈（4），上下压力腔的下端为撞锤外体形成的环形端面。

2.根据权利要求1所述的一种高效三维冲击钻井提速器，其特征在于：所述的扭冲结构包括依次同轴布置的换向管（17）、扭冲锤（16）、扭冲内体（15）和扭冲外体（13），换向管（17）与扭冲锤（16）之间相互转动，扭冲锤在扭冲内体内左右转动产生撞击。

3.根据权利要求2所述的一种高效三维冲击钻井提速器，其特征在于：换向管（17）中心设有通孔，在换向管内设有液压油钻井液流道，在换向管的一端连接有下截流喷嘴（23），在换向管（17）上开设有导流孔（203）、蓄液腔（204）和换向腔（206），在扭冲锤（16）上设有进出液流道（202），在扭冲锤（16）与扭冲内体（15）之间形成冲击腔（201），在扭冲内体上设有蓄液槽（205）和排液槽（207）。

4.根据权利要求2所述的一种高效三维冲击钻井提速器，其特征在于：所述的换向管（17）上开设有卡槽，所述的扭冲锤（16）为环形，扭冲锤的内壁上设有凸起，扭冲锤（16）与换向管可以相互左右转动，在卡槽和凸起之间形成换向腔（206），在扭冲锤的外壁上设有弧形凸块，在扭冲内体上设有弧形腔，弧形凸块在弧形腔内左右运动。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种高效三维冲击钻井提速器，其特征在于：钻杆接头（1）与撞锤外体（5）螺纹连接，所述的撞锤外体（5）与扭冲外体（13）均为圆筒状，撞锤外体（5）与扭冲外体（13）螺纹连接，扭冲外体（13）内的扭冲内体（15）与钻头接头（24）螺纹连接。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的一种高效三维冲击钻井提速器，其特征在于：扭冲外体（13）内的换向管（17）与撞锤外体内的中心喷管（8）相连，换向管（17）的左右旋转带动中心喷管（8）左右旋转。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的一种高效三维冲击钻井提速器，其特征在于：扭冲结构中的扭冲内体（15）与扭冲外体（13）之间设有限位螺钉（18），限位螺钉（18）位于扭冲外体（13）的径向方向，扭冲外体的底部轴向设有凸缘部，所述的钻头接头的轴向方向也设有凸缘部，扭冲外体的凸缘部与钻头接头的凸缘部相互交错布置，并且扭冲外体的凸缘部与钻头接头的凸缘部之间在圆周方向设有间隙，间隙作为扭冲结构顺、逆冲击限位的冲击面。