CN106958416B - 一种冲击钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油天然气钻井配套设备技术领域，涉及一种冲击钻井工具，套筒上端安装有上接头；套筒内部上接头下方从上到下依次安装有锁紧螺母、叶轮、导流盘、冲锤、砧子和下接头；叶轮嵌套式安装在冲锤的上端并通过锁紧螺母与冲锤锁紧，导流盘安装在叶轮的下方，砧子的下端穿出套筒下端并与下接头通过螺纹连接，将振动减阻技术引入钻井工程中，突破常规减阻措施的局限性，有效减小钻柱与井壁之间的摩阻和扭矩，具有有效、可控的特点，具有广泛的应用前景，适用于多种钻井平台，加工制造和使用维护成本低，对于提高高摩阻井段钻井速度、降低生产成本具有重要的实际意义。

Description

一种冲击钻井工具

技术领域：

本发明属于石油天然气钻井配套设备技术领域，涉及一种冲击钻井工具，特别是一种激发钻柱振动的冲击钻井工具。

背景技术：

随着我国石油天然气开发逐渐向深层、非常规和海洋油气资源的推进，定向井、水平井及大位移井等复杂结构井技术逐渐成为高效开发此类资源的最有效有段。在复杂结构井的钻进过程中，钻柱与井壁之间的接触及摩擦将消耗部分钻压，这种现象随着井斜的增大而逐渐显现，尤以水平井最为严重，常常导致钻柱无法继续向下运动、无法给钻头施加钻压，从而极大地降低机械钻速，并限制了水平井段的极限延伸距离。因此，如何减少钻柱与井壁之间的摩擦，将上部钻柱的部分重量向下顺利传递至钻头，确保钻头高效破岩，是使用复杂结构井高效开发钻进的关键。目前，一般的做法是优化井身结构和泥浆性能、采用旋转导向钻井等措施来减小钻柱与井壁之间的摩阻，从而提高机械钻速，并提高水平井段的极限延伸距离，但是上述技术措施均存在一定的局限性，难以推广使用。研究表明：振动能够改变摩擦副之间的摩擦状态，使摩擦副之间的摩擦系数降低，振动减阻技术已经广泛应用于各个工程领域，振动减阻技术属于可控的主动减阻技术，如何将其应用于钻柱与井壁减阻，以克服常规减摩阻技术的局限性，是复杂结构井钻井减阻理论研究及工具研制的一个重要发展方向。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，涉及一种激发钻柱振动的冲击钻井工具，激发钻柱产生轴向周期性振动，以减少钻柱与井壁之间的接触和摩擦，提高机械钻速。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括上接头、套筒、锁紧螺母、叶轮、导流盘、冲锤、砧子、密封、下接头、限位凸起、限位台阶、螺旋梯、防掉凸起、叶片、叶轮流道、方孔、扇形流道、限位凹槽、驱动杆、流道、滑动棱和中心流道；筒状结构的套筒上端安装有用于连接上部钻柱的上接头；套筒内部上接头下方从上到下依次安装有锁紧螺母、叶轮、导流盘、冲锤、砧子和下接头；叶轮嵌套式安装在冲锤的上端并通过锁紧螺母与冲锤锁紧，叶轮和冲锤两者配合部分为四边形，叶轮上沿周向均匀设置有多个倾斜的叶片，相邻叶片之间形成叶轮流道，叶轮中间设置有方孔，方孔与冲锤上端的驱动杆配合；冲锤的中间设有驱动杆，导流盘安装在叶轮的下方并套装在驱动杆上，冲锤在叶轮的带动下产生相对于导流盘的周向转动，套筒内侧在导流盘和冲锤之间设有限位台阶，用于限制导流盘的轴向位移；导流盘的轴向上开有扇形流道，冲锤在轴向上设有与扇形流道相对应的流道，使用时通过扇形流道和流道在轴向上的相对旋转改变钻井液的过流面积，从而产生水击效应激发冲锤向下运动；导流盘的周侧上对称式设有两个限位凹槽，限位凹槽内部与套筒内侧的限位凸起配合限制导流盘的周向转动，砧子的下端穿出套筒下端，并与下接头通过螺纹连接，套筒下端直径小于上端形成收缩段，收缩段与套筒上端连接处安装有防掉凸起，防止砧子掉出，砧子与套筒下端配合部分为多边形结构用于传递扭矩；砧子的中间设有中心流道，冲锤和砧子之间的套筒内壁上设置有螺旋梯，冲锤上设有与螺旋梯相互配合的滑动棱，冲锤在转动的过程中，螺旋梯和滑动棱使冲锤轴向上升，当冲锤沿轴向上升至最高点时，随着冲锤的周向旋转，冲锤上的流道与导流盘上的扇形流道相互错开，与此同时，滑动棱与螺旋梯完全脱开，冲锤沿着轴向瞬间高速向下运动并冲击砧子；随着叶轮的连续旋转，导流盘和冲锤之间的流道周期性的重合和错开；下接头下端加工有螺纹，能直接与钻头或下部钻柱相连以传递冲击振动。

本发明所述冲击钻井工具接入钻柱进行钻进时，将上接头的上端与上部钻柱相连接，下接头的下端与钻头或下部钻柱相连接，钻井液自上部钻柱进入上接头，流经上接头的中间流道后，冲击叶轮，叶轮在钻井液的冲击作用下转动，从而带动冲锤产生相对于导流盘的相对运动，相对运动包括周向运动以及冲锤与套筒内壁上的螺旋梯相互作用产生的轴向运动，从而周期性接通或者阻断钻井液，当冲锤运行至轴向最高点时钻井液的流动被瞬间截止时，冲锤与套筒内壁上的螺旋梯脱开，由于水击效应，导流盘上部钻井液压力急剧上升，使作用在冲锤上端的压力相应急剧增大，从而使冲锤、叶轮和锁紧螺母组成的整体瞬间高速轴向运动，并冲击砧子上端面，砧子将该冲击通过下接头传递给钻头或下部钻柱；随着冲锤的持续周向转动，导流盘和冲锤之间钻井液的流动通道打开，导流盘上部被压缩的钻井液向下释放，水击效应消除，冲锤在螺旋梯的作用下沿着轴向向上运动，同时砧子在钻压的作用下向上运动以待冲锤的下一次冲击，当冲锤上升至轴向最高位置时，导流盘的扇形流道再次被关闭，从而产生水击效应使冲锤高速冲击砧子；钻井液驱使叶轮转动使钻井液流道周期性重合和错开，如此交替往复，形成周期性作用力作用于连接在下接头下端的钻头或下部钻柱上，激发钻柱在轴向上进行周期性振动，使得钻柱与井壁之间的静止接触及摩擦得以消除，消除高摩扭井段钻进过程中产生的“拖压”及“粘滑”现象，上部钻柱的重力得以向下顺利传递，形成作用在钻头上的有效钻压，使得钻头的破岩钻进效率提高。

本发明与现有技术相比，针对高摩阻井段钻进过程中存在的“托压”及“粘滑”现象，利用振动能够对摩擦副之间的摩擦系数产生影响的特性，创新性的将振动减阻技术引入钻井工程中，突破常规减阻措施的局限性，有效减小钻柱与井壁之间的摩阻和扭矩，具有有效、可控的特点，具有广泛的应用前景，适用于多种钻井平台，加工制造和使用维护成本低，对于提高高摩阻井段钻井速度、降低生产成本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原理示意图。

图2为本发明的主体结构B-B剖视图。

图3为本发明的主体结构C-C剖视图。

图4为本发明的主体结构F-F剖视图。

图5为本发明的主体结构D-D剖视图。

图6为本发明的主体结构E-E剖视图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括上接头1、套筒2、锁紧螺母3、叶轮4、导流盘5、冲锤6、砧子7、密封8、下接头9、限位凸起21、限位台阶22、螺旋梯23、防掉凸起24、叶片41、叶轮流道42、方孔43、扇形流道51、限位凹槽52、驱动杆61、流道62、滑动棱63和中心流道71；筒状结构的套筒2上端安装有用于连接上部钻柱的上接头1；套筒2内部上接头1下方从上到下依次安装有锁紧螺母3、叶轮4、导流盘5、冲锤6、砧子7和下接头9；叶轮4嵌套式安装在冲锤6的上端并通过锁紧螺母3与冲锤6锁紧，叶轮4和冲锤6两者配合部分为四边形，叶轮4上沿周向均匀设置有多个倾斜的叶片41，相邻叶片41之间形成叶轮流道42，叶轮2中间设置有方孔43，方孔43与冲锤6上端的驱动杆61配合；冲锤6的中间设有驱动杆61，导流盘5安装在叶轮4的下方并套装在驱动杆61上，冲锤6在叶轮4的带动下产生相对于导流盘5的周向转动，套筒2内侧在导流盘5和冲锤6之间设有限位台阶22，用于限制导流盘5的轴向位移；导流盘5的轴向上开有扇形流道51，冲锤6在轴向上设有与扇形流道51相对应的流道62，使用时通过扇形流道51和流道62在轴向上的相对旋转改变钻井液的过流面积，从而产生水击效应激发冲锤6向下运动；导流盘5的周侧上对称式设有两个限位凹槽52，限位凹槽52内部与套筒内侧的限位凸起21配合限制导流盘5的周向转动，砧子7的下端穿出套筒2下端，并与下接头9通过螺纹连接，套筒2下端直径小于上端形成收缩段，收缩段与套筒2上端连接处安装有防掉凸起24，防止砧子7掉出，砧子7与套筒2下端配合部分为多边形结构(图示为八边形)用于传递扭矩；砧子7的中间设有中心流道71，冲锤6和砧子7之间的套筒2内壁上设置有螺旋梯23，冲锤6上设有与螺旋梯23相互配合的滑动棱63，冲锤6在转动的过程中，螺旋梯23和滑动棱63使冲锤6轴向上升，当冲锤6沿轴向上升至最高点时，随着冲锤6的周向旋转，冲锤6上的流道62与导流盘5上的扇形流道51相互错开，与此同时，滑动棱63与螺旋梯23完全脱开，冲锤6沿着轴向瞬间高速向下运动并冲击砧子7；随着叶轮4的连续旋转，导流盘5和冲锤6之间的流道周期性的重合和错开；下接头9下端加工有螺纹，能直接与钻头或下部钻柱相连以传递冲击振动。

本实施例所述冲击钻井工具接入钻柱进行钻进时，将上接头1的上端与上部钻柱相连接，下接头9的下端与钻头或下部钻柱相连接，钻井液自上部钻柱进入上接头1，流经上接头1的中间流道后，冲击叶轮4，叶轮4在钻井液的冲击作用下转动，从而带动冲锤6产生相对于导流盘5的相对运动，相对运动包括周向运动以及冲锤6与套筒2内壁上的螺旋梯23相互作用产生的轴向运动，从而周期性接通或者阻断钻井液，当冲锤6运行至轴向最高点时钻井液的流动被瞬间截止时，冲锤6与套筒2内壁上的螺旋梯23脱开，由于水击效应，导流盘5上部钻井液压力急剧上升，使作用在冲锤6上端的压力相应急剧增大，从而使冲锤6、叶轮4和锁紧螺母3组成的整体瞬间高速轴向运动，并冲击砧子7上端面，砧子7将该冲击通过下接头9传递给钻头或下部钻柱；随着冲锤6的持续周向转动，导流盘5和冲锤6之间钻井液的流动通道打开，导流盘5上部被压缩的钻井液向下释放，水击效应消除，冲锤6在螺旋梯23的作用下沿着轴向向上运动，同时砧子7在钻压的作用下向上运动以待冲锤6的下一次冲击，当冲锤6上升至轴向最高位置时，导流盘5的扇形流道51再次被关闭，从而产生水击效应使冲锤6高速冲击砧子7；钻井液驱使叶轮4转动使钻井液流道周期性重合和错开，如此交替往复，形成周期性作用力作用于连接在下接头9下端的钻头或下部钻柱上，激发钻柱在轴向上进行周期性振动，使得钻柱与井壁之间的静止接触及摩擦得以消除，消除高摩扭井段钻进过程中产生的“拖压”及“粘滑”现象，上部钻柱的重力得以向下顺利传递，形成作用在钻头上的有效钻压，使得钻头的破岩钻进效率提高。

Claims (2)

1.一种冲击钻井工具，其特征在于主体结构包括上接头、套筒、锁紧螺母、叶轮、导流盘、冲锤、砧子、下接头、密封限位凸起、限位台阶、螺旋梯、防掉凸起、叶片、叶轮流道、方孔、扇形流道、限位凹槽、驱动杆、流道、滑动棱和中心流道；筒状结构的套筒上端安装有用于连接上部钻柱的上接头；套筒内部上接头下方从上到下依次安装有锁紧螺母、叶轮、导流盘、冲锤、砧子和下接头；叶轮嵌套式安装在冲锤的上端并通过锁紧螺母与冲锤锁紧，叶轮和冲锤两者配合部分为四边形，导流盘安装在叶轮的下方，砧子与套筒下端配合部分为多边形结构用于传递扭矩，砧子的下端穿出套筒下端并与下接头通过螺纹连接；下接头下端加工有螺纹，能直接与钻头或下部钻柱相连以传递冲击振动；叶轮上沿周向均匀设置有倾斜的叶片，叶片的个数根据实际需要确定，相邻叶片之间形成叶轮流道，叶轮中间设置有方孔，方孔与冲锤上端的驱动杆配合；冲锤的中间设有驱动杆，导流盘安装在叶轮的下方并套装在驱动杆上，冲锤在叶轮的带动下产生相对于导流盘的周向转动，套筒内侧在导流盘和冲锤之间设有限位台阶，用于限制导流盘的轴向位移；导流盘的轴向上开有扇形流道，冲锤在轴向上设有与扇形流道相对应的流道，使用时通过扇形流道和流道在轴向上的相对旋转改变钻井液的过流面积，从而产生水击效应激发冲锤向下运动；导流盘的周侧上对称式设有两个限位凹槽，限位凹槽内部与套筒内侧的限位凸起配合限制导流盘的周向转动，套筒下端直径小于上端形成收缩段，收缩段与套筒上端连接处安装有防掉凸起，防止砧子掉出，砧子的中间设有中心流道，冲锤和砧子之间的套筒内壁上设置有螺旋梯，冲锤上设有与螺旋梯相互配合的滑动棱，冲锤在转动的过程中，螺旋梯和滑动棱使冲锤轴向上升，当冲锤沿轴向上升至最高点时，随着冲锤的周向旋转，冲锤上的流道与导流盘上的扇形流道相互错开，与此同时，滑动棱与螺旋梯完全脱开，冲锤沿着轴向瞬间高速向下运动并冲击砧子；随着叶轮的连续旋转，导流盘和冲锤之间的流道周期性的重合和错开。

2.根据权利要求1所述冲击钻井工具，其特征在于接入钻柱进行钻进时，将上接头的上端与上部钻柱相连接，下接头的下端与钻头或下部钻柱相连接，钻井液自上部钻柱进入上接头，流经上接头的中间流道后，冲击叶轮，叶轮在钻井液的冲击作用下转动，从而带动冲锤产生相对于导流盘的相对运动，相对运动包括周向运动以及冲锤与套筒内壁上的螺旋梯相互作用产生的轴向运动，从而周期性接通或者阻断钻井液，当冲锤运行至轴向最高点时钻井液的流动被瞬间截止时，冲锤与套筒内壁上的螺旋梯脱开，由于水击效应，导流盘上部钻井液压力急剧上升，使作用在冲锤上端的压力相应急剧增大，从而使冲锤、叶轮和锁紧螺母组成的整体瞬间高速轴向运动，并冲击砧子上端面，砧子将该冲击通过下接头传递给钻头或下部钻柱；随着冲锤的持续周向转动，导流盘和冲锤之间钻井液的流动通道打开，导流盘上部被压缩的钻井液向下释放，水击效应消除，冲锤在螺旋梯的作用下沿着轴向向上运动，同时砧子在钻压的作用下向上运动以待冲锤的下一次冲击，当冲锤上升至轴向最高位置时，导流盘的扇形流道再次被关闭，从而产生水击效应使冲锤高速冲击砧子；钻井液驱使叶轮转动使钻井液流道周期性重合和错开，如此交替往复，形成周期性作用力作用于连接在下接头下端的钻头或下部钻柱上，激发钻柱在轴向上进行周期性振动，使得钻柱与井壁之间的静止接触及摩擦得以消除，消除高摩扭井段钻进过程中产生的“拖压”及“粘滑”现象，上部钻柱的重力得以向下顺利传递，形成作用在钻头上的有效钻压，使得钻头的破岩钻进效率提高。