CN107386960B - 一种带有复合钻头的钻井提速装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油天然气钻井设备领域，尤其涉及一种带有复合钻头的钻井提速装置。其技术方案为：一种带有复合钻头的钻井提速装置，包括多动能接头，多功能接头上分别连接有外壳体和螺杆驱动总成，螺杆驱动总成套设于外壳体内，外壳体远离多功能接头的一端连接有扩眼钻头，螺杆驱动总成远离多功能接头的一端连接有领眼钻头，扩眼钻头与领眼钻头上均设置有水眼；扩眼钻头为金刚石钻头和牙轮钻头的一种，领眼钻头为金刚石钻头和牙轮钻头的一种。本发明提供了一种领眼钻头可得到双级提速从而整体提高钻进速度的钻井提速装置，解决了现有的双级钻井装置的领眼钻头转速较低、钻进提速不明显的问题。

Description

一种带有复合钻头的钻井提速装置
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井设备领域，尤其涉及一种带有复合钻头的钻井提速装置。
背景技术
随着油气田开发难度的日益增大和钻井技术的快速发展，油气田对钻井提速的要求与日俱增，特别是深井、超深井、复杂井身结构井(大位移井、水平井、多分支井等)数量不断增加，在钻探过程中，随着钻井井深的增加，不仅钻井压力对井底压持效应加剧，而且底层岩石自身的强度、垂直地应力、水平地应力等相应增加，底层岩石可钻性变差，导致机械转速降低，不仅影响了井身质量的控制，而且严重影响到全井的钻井周期和钻井成本。
钻井实践表明，在钻进破岩过程中，由于钻头冠部线速度大，破岩速率高，摩擦磨损严重，钻头芯部线速度低，破岩效率低，由于钻头冠部和芯部线速度的差异，引起钻头冠部磨损严重，所以钻头寿命往往就是由钻头冠部的磨损决定，导致钻头使用寿命短，造成钻头的浪费，也严重影响钻井效率。基于此，发展出双级钻井技术，双极钻井技术利用第一级小钻头破岩效率高的特点钻出一个小尺寸领眼，第二级较大尺寸钻头破岩时，由于破岩部分应力已经释放，从而降低了较大尺寸钻头破岩难度，使得井眼整体钻进速度得到提高。
专利申请号为CN201621044088.8的实用新型专利公布了一种双级双速钻井工具。主要解决了现有双级切削结构钻头只能单一速度钻进影响钻头整体寿命及降低钻井机械速度的问题，其特征在于：所述外壳体丝扣连接扩眼钻头，所述外壳体内装有主轴，主轴上端螺纹连接有压帽，主轴下端螺纹连接有导眼钻头；所述外壳体与主轴及压帽之间有环形空间，所述压帽下方的主轴外壁依次安装有扶正轴承A、液动马达、扶正轴承B及止推轴承；所述主轴一端设有分流通道；所述导眼钻头与扩眼钻头上分别开有有水眼A、水眼B。该双级双速钻井工具，能够大幅度提高钻井机械钻速，降低钻井成本。
当涡轮马达驱动领眼钻头时，涡轮马达的容积效率低，当高压力高粘度的钻井液经过涡轮马达时，涡轮马达的驱动能力减弱，容易造成涡轮马达卡死或损坏。因为液动马达输送钻井液在输入时靠的虹吸原理，其脉动现象较为明显，可能影响领眼钻头定向钻进的稳定性。
专利申请号为CN201310510843.1的发明专利公布了一种双级双转速钻井装置，包括外壳体、动力总成、万向联轴器、中心轴、变速换向输入总成、变速换向转换总成、变速换向输出总成和二级钻头、一级钻头接头。该装置安装在井底钻具组合下部，利用第一级小钻头破岩速率高的特点钻出一个小尺寸导眼，由于岩石部分应力已经释放，从而降低了第二级较大尺寸钻头破岩难度，使井眼整体钻进速度得到提高，并且有利于井斜方位和粘滑振动的控制，对于提高深井、超深井钻井速度，延长钻柱及钻头使用寿命具有重要的实际意义。同时，双级双转速钻井装置还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点。
上述钻井装置由锥齿轮组实现一级钻头和二级钻头的方向变换，一级钻头的转速由二级钻头的转速决定，内部的一级钻头转速没有得到提高，因此该钻井装置对钻井提速的作用有限。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种领眼钻头可得到双级提速从而整体提高钻进速度的钻井提速装置，解决了现有的双级钻井装置的领眼钻头转速较低、钻进提速不明显的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种带有复合钻头的钻井提速装置，包括多动能接头，多功能接头上分别连接有外壳体和螺杆驱动总成，螺杆驱动总成套设于外壳体内，外壳体远离多功能接头的一端连接有扩眼钻头，螺杆驱动总成远离多功能接头的一端连接有领眼钻头，扩眼钻头与领眼钻头上均设置有水眼；扩眼钻头为金刚石钻头和牙轮钻头的一种，领眼钻头为金刚石钻头和牙轮钻头的一种。
作为本发明的优选方案，多功能接头上设置有若干斜孔，外壳体和螺杆驱动总成之间的空腔与斜孔连通。
作为本发明的优选方案，所述螺杆驱动总成包括螺杆壳体组件和驱动组件，驱动组件套设于螺杆壳体组件内；螺杆壳体组件包括定子壳体，定子壳体的一端与多功能接头连接，定子壳体的另一端依次连接有万向轴壳体和轴承壳体，轴承壳体套设于扩眼钻头内。
作为本发明的优选方案，所述螺杆驱动总成包括螺杆壳体组件和驱动组件，驱动组件套设于螺杆壳体组件内；驱动组件包括依次连接的转子、活铰接头、连杆、水帽、传动轴，传动轴的另一端与领眼钻头连接，螺杆驱动总成的轴承壳体与传动轴之间连接有TC套组件。
作为本发明的优选方案，所述水帽上设置有流道孔，传动轴中部设置有流道，水帽上的流道孔、传动轴的流道、领眼钻头的水眼依次连通。
作为本发明的优选方案，所述转子靠近多功能接头的一端连接有防掉连杆，防掉连杆的另一端连接有防掉锁母，多功能接头内设置有用于防止驱动组件掉落的限位台阶。
作为本发明的优选方案，所述TC套组件包括静TC套和动TC套，动TC套固定套设在传动轴上，静TC套活动套设于动TC套上，静TC套与轴承壳体固定连接。
作为本发明的优选方案，所述万向轴壳体的外壁上设置有若干扶正结构。
作为本发明的优选方案，所述多功能接头靠近外壳体的一端分别设置有第一级台阶和第二级台阶，第一级台阶与外壳体螺纹连接，第二级台阶与定子壳体螺纹连接；斜孔设置于第一级台阶与第二级台阶之间，外壳体内套设有耐冲套，耐冲套位于靠近多功能接头与外壳体的连接位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在外部驱动装置的驱动下，具有一定的转速，从而多功能接头带动外壳体和螺杆驱动总成一起转动，螺杆驱动总成通过定子结构将转动传递给转子结构，从而连接在转子结构上的领眼钻头具有第一级速度。当钻井液进入螺杆驱动总成时，转子结构在钻井液的作用下具有相对于定子结构的第二级转速，因此，领眼钻头的转速为两级转速的叠加。领眼钻头具有较大的转速，利于领眼钻头快速钻进。
当螺杆驱动总成的转子结构连接领眼钻头时，充分利用领眼钻头破岩效率高的特点钻出一个小尺寸导眼，提高芯部破岩效率，然后扩眼钻头破岩时，由于岩石的部分应力已经释放，从而降低了较大尺寸钻头破岩难度，使得井眼整体钻井速度得到提高。由本发明的螺杆驱动总成驱动领眼钻头，领眼钻头的转速可明显高于扩眼钻头，因此，本发明可相对于普通的双级钻井装置具有更加明显的提速效果。
本发明采用螺杆驱动总成驱动领眼钻头转动的容积效率高，越是高压力、介质高粘度的情况下，钻井液对转子的驱动能力越强。螺杆驱动总成是输入依靠的真空原理，输出实际上是机械挤压，因此在工作时无脉动，便于准确定向钻进。由于钻井液粘度较高，杂质颗粒较多，采用螺杆驱动总成进行领眼钻头的驱动能避免堵塞或卡死现象发生。
2、外壳体和螺杆驱动总成之间的空腔与斜孔连通，因此，流经多功能接头的钻井液能经斜孔进入外壳体和螺杆驱动总成之间的空腔。钻井液不会直接冲刷外壳体与螺杆驱动总成之间的轴承，避免了钻井液从轴承处泄露或造成轴承失效的情况。
3、通过螺杆壳体组件隔离经过领眼钻头和扩眼钻头的钻井液，保证未产生压降的钻井液直接进入螺杆驱动总成驱动领眼钻头转动，提高钻井液驱动螺杆驱动总成的稳定性。
4、当钻井液经过转子时，定子壳体与转子相互啮合，利用两者的导程差而形成的螺旋密封线，同时形成密封腔，随着转子在定子壳体中的转动，密封腔沿着轴向移动，不断的生成与消失，完成其能量转换，从而不断驱动转子旋转。转子转动，带动活铰接头、连杆、水帽、传动轴、领眼钻头转动，实现螺杆驱动领眼钻头。
5、驱动转子转动的钻井液经过流道孔进入传动轴的流道内，钻井液再从领眼钻头的水眼流出，钻井液起到冷却、润滑、携带岩屑的作用。
6、防掉连杆上连接有防掉锁母，防掉锁母能卡在多功能接头内部的限位台阶上，能避免由于异常原因造成壳体断裂或脱扣时装置落井的问题。同时防掉锁母封闭钻井液的流通路径后，泵压升高，能使地面及时发现问题，避免造成事故。
7、动TC套相对于静TC套转动，避免了扩眼钻头与传动轴之间发生运动干涉。
8、万向轴壳体的外壁上设置有若干扶正结构，扶正结构避免螺杆驱动总成在外壳体内晃动，增强了领眼钻头钻进的稳定性，保证钻进方向的准确。
9、外壳体和螺杆驱动总成同时连接于多功能接头上简化了整体结构。多功能接头上的斜孔可对钻井液进行分流，适用于需要分流的情形，简化了设备结构。耐冲套能避免了连接螺纹被钻井液冲蚀，保证多功能接头与外壳体之间的连接可靠。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是领眼钻头和扩眼钻头均为金刚石钻头的结构示意图；
图3是本发明的剖视图；
图4是螺杆驱动总成的结构示意图；
图5是多功能接头的结构示意图；
图6是图3中A处的局部放大图。
图中，1-多动能接头，2-外壳体，3-螺杆驱动总成，4-扩眼钻头，5-领眼钻头，6-防掉连杆，11-斜孔，12-第一级台阶，13-第二级台阶，21-耐冲套，31-定子壳体，32-万向轴壳体，33-轴承壳体，34-转子，35-活铰接头，36-连杆，37-水帽，38-传动轴，39-TC套组件， 61-防掉锁母，391-静TC套，392-动TC套。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明在安装时，从内向外安装，预先将防掉连杆6通过螺纹与螺杆驱动总成3的转子 34连接，然后再通过多功能接头1的第二级台阶13与螺杆驱动总成的定子壳体31连接。装好螺杆驱动总成3后，再从多功能接1的后端将防掉锁母61通过螺纹连接固定在防掉连杆6 上。在转子的另一端依次连接活铰接头35、连杆36、水帽37，再将定子壳体通过螺纹扣连接万向轴壳体。水帽37端部安装传动轴38，在万向轴壳体32端部螺纹连接轴承壳体33。然后，通过多功能接头1的第一级台阶12公扣螺纹与外壳体2连接，在外壳体2前端通过螺纹与扩眼钻头4连接，并在扩眼钻头4与轴承壳体33之间采用密封圈密封。再在传动轴38、轴承壳体33之间安装静TC套391、动TC套392。最后将领眼钻头5安装在传动轴38前端。
本发明的钻井装置在工作时，多功能接头1在上部螺杆钻具输出端带动下旋转，同时传递扭矩和转速，多功能接头1进而带动外壳体2、扩眼钻头4旋转。多功能接头1将扭矩和转速传递给扩眼钻头2，从而实现扩眼钻头2破碎岩石。同时，高压钻井液进入多功能接头1，主要部分钻井液从主流道流过，经过防掉总成流道，进入螺杆驱动总成3，定子壳体31与转子34相互啮合，利用两者的导程差而形成的螺旋密封线，同时形成密封腔，随着转子34在定子壳体31中的转动，密封腔沿着轴向移动，不断的生成与消失，完成其能量转换，从而不断驱动转子34旋转，将扭矩和转速通过活铰接头35、连杆36、水帽37、传动轴38传递给领眼钻头5，进而破碎岩石。钻井液从螺杆总成出口流出，再流进万向轴壳体32与连杆36 形成的环空流道，通过水帽37上开的流道孔，进入传动轴38中心流道，进入领眼钻头5，再从领眼钻头5的水眼流出。流出的钻井液对领眼钻头5起到冷却和润滑的作用，良好的保护了领眼钻头5，同时携带多余的岩屑。另一部分钻井液经多功能接头1圆周方向开设的个均布斜孔11，流经外壳体2与定子壳体31、万向轴壳体32、轴承壳体33组成的壳体系统形成的环空流道，最后从扩眼钻头4的水眼流出，流出的钻井液对扩眼钻头4有冷却润滑的作用，良好的保护了扩眼钻头4，同时也携带走多余的岩屑。通过该发明的使用，领眼钻头5 先钻出一段小直径导眼，从而使得扩眼钻头4在待钻底层多出一个较大的自由面，破坏扩眼钻头4待钻地层的应力场，使扩眼钻头4待钻地层的地层应力得到有效释放，从而有效提高机械钻速，有效提高钻头使用寿命，大幅降低钻井成本，提高钻井经济效益。
实施例一
如图1和图2所示，本发明包括多动能接头1，多功能接头1上分别连接有外壳体2和螺杆驱动总成3，螺杆驱动总成3套设于外壳体2内，外壳体2远离多功能接头1的一端连接有扩眼钻头4，螺杆驱动总成3远离多功能接头1的一端连接有领眼钻头5，扩眼钻头4与领眼钻头5上均设置有水眼；扩眼钻头4为金刚石钻头和牙轮钻头的一种，领眼钻头5为金刚石钻头和牙轮钻头的一种。
本发明在外部驱动装置的驱动下，具有一定的转速，从而多功能接头1带动外壳体2和螺杆驱动总成3一起转动，螺杆驱动总成3通过定子结构将转动传递给转子结构，从而连接在转子结构上的领眼钻头5具有第一级速度。当钻井液进入螺杆驱动总成3时，转子结构在钻井液的作用下具有相对于定子结构的第二级转速，因此，领眼钻头5的转速为两级转速的叠加。领眼钻头5具有较大的转速，利于领眼钻头5快速钻进。
当螺杆驱动总成3的转子结构连接领眼钻头5时，充分利用领眼钻头5破岩效率高的特点钻出一个小尺寸导眼，提高芯部破岩效率，然后扩眼钻头4破岩时，由于岩石的部分应力已经释放，从而降低了较大尺寸钻头破岩难度，使得井眼整体钻井速度得到提高。由本发明的螺杆驱动总成3驱动领眼钻头5，领眼钻头5的转速可明显高于扩眼钻头4，因此，本发明可相对于普通的双级钻井装置具有更加明显的提速效果。
当对不同的地层进行钻进时，由于岩性不同，根据情况选择具体形式的领眼钻头5和扩眼钻头4，保证最好的破岩钻进效果。领眼钻头5和扩眼钻头4均可为金刚石钻头和牙轮钻头的一种。
本发明采用螺杆驱动总成3驱动领眼钻头5转动的容积效率高，越是高压力、介质高粘度的情况下，钻井液对转子34的驱动能力越强。螺杆驱动总成3是输入依靠的真空原理，输出实际上是机械挤压，因此在工作时无脉动，便于准确定向钻进。由于钻井液粘度较高，杂质颗粒较多，采用螺杆驱动总成3进行领眼钻头5的驱动能避免堵塞或卡死现象发生。
实施例二
在实施例一的基础上，所述多功能接头1上设置有若干斜孔11，外壳体2和螺杆驱动总成3之间的空腔与斜孔11连通。外壳体2和螺杆驱动总成3之间的空腔与斜孔11连通，因此，流经多功能接头1的钻井液能经斜孔11进入外壳体2和螺杆驱动总成3之间的空腔。钻井液不会直接冲刷外壳体2与螺杆驱动总成3之间的轴承，避免了钻井液从轴承处泄露或造成轴承失效的情况。
实施例三
如图4所示，在实施例一或实施例二的基础上，所述螺杆驱动总成3包括螺杆壳体组件和驱动组件，驱动组件套设于螺杆壳体组件内；螺杆壳体组件包括定子壳体31，定子壳体31 的一端与多功能接头1连接，定子壳体31的另一端依次连接有万向轴壳体32和轴承壳体33，轴承壳体33套设于扩眼钻头4内。
通过螺杆壳体组件隔离经过领眼钻头5和扩眼钻头4的钻井液，保证未产生压降的钻井液直接进入螺杆驱动总成3驱动领眼钻头5转动，提高钻井液驱动螺杆驱动总成3的稳定性。
实施例四
在上述任意一项实施例基础上，所述螺杆驱动总成3包括螺杆壳体组件和驱动组件，驱动组件套设于螺杆壳体组件内；驱动组件包括依次连接的转子34、活铰接头35、连杆36、水帽37、传动轴38，传动轴38的另一端与领眼钻头5连接，螺杆驱动总成3的轴承壳体33与传动轴38之间连接有TC套组件39。
当钻井液经过转子34时，定子壳体31与转子34相互啮合，利用两者的导程差而形成的螺旋密封线，同时形成密封腔，随着转子34在定子壳体31中的转动，密封腔沿着轴向移动，不断的生成与消失，完成其能量转换，从而不断驱动转子34旋转。转子34转动，带动活铰接头35、连杆36、水帽37、传动轴38、领眼钻头5转动，实现螺杆驱动领眼钻头5的目的。
实施例五
在上述任意一项实施例的基础上，所述水帽37上设置有流道孔，传动轴38中部设置有流道，水帽37上的流道孔、传动轴38的流道、领眼钻头5的水眼依次连通。
驱动转子34转动的钻井液经过流道孔进入传动轴38的流道内，钻井液再从领眼钻头5 的水眼流出，钻井液起到冷却、润滑、携带岩屑的作用。
实施例六
在上述任意一项实施例的基础上，所述转子34靠近多功能接头1的一端连接有防掉连杆 6，防掉连杆6的另一端连接有防掉锁母61，多功能接头1内设置有用于防止驱动组件掉落的限位台阶。
防掉连杆6上连接有防掉锁母61，防掉锁母61能卡在多功能接头1内部的限位台阶上，能避免由于异常原因造成壳体断裂或脱扣时装置落井的问题。同时防掉锁母61封闭钻井液的流通路径后，泵压升高，能使地面及时发现问题，避免造成事故。
实施例七
如图5所示，在上述任意一项实施例的基础上，所述TC套组件39包括静TC套391和动TC套 392，动TC套392固定套设在传动轴38上，静TC套391活动套设于动TC套392上，静TC套391与轴承壳体33固定连接。动TC套392相对于静TC套391转动，避免了扩眼钻头4与传动轴38之间发生运动干涉。
实施例八
在上述任意一项实施例的基础上，所述万向轴壳体32的外壁上设置有若干扶正结构。
万向轴壳体32的外壁上设置有若干扶正结构，扶正结构避免螺杆驱动总成3在外壳体2 内晃动，增强了领眼钻头5钻进的稳定性，保证钻进方向的准确。
实施例九
如图3所示，在上述任意一项实施例的基础上，所述多功能接头1靠近外壳体2的一端分别设置有第一级台阶12和第二级台阶13，第一级台阶12与外壳体2螺纹连接，第二级台阶13与定子壳体31螺纹连接；斜孔11设置于第一级台阶12与第二级台阶13之间，外壳体 2内套设有耐冲套21，耐冲套21位于21靠近多功能接头1与外壳体2的连接位置。
外壳体2和螺杆驱动总成3同时连接于多功能接头1上，简化了整体结构。多功能接头 1上的斜孔11可对钻井液进行分流，适用于需要分流的情形，简化了设备结构。耐冲套21能避免了连接螺纹被钻井液冲蚀，保证多功能接头1与外壳体2之间的连接可靠。

Claims (6)

1.一种带有复合钻头的钻井提速装置，其特征在于，包括多功能接头(1)，多功能接头(1)上端与外部驱动装置连接，多功能接头(1)下端分别连接有外壳体(2)和螺杆驱动总成(3)，螺杆驱动总成(3)套设于外壳体(2)内，外部驱动装置通过多功能接头(1)带动外壳体(2)和螺杆驱动总成(3)转动；所述外壳体(2)远离多功能接头(1)的一端连接有扩眼钻头(4)，螺杆驱动总成(3)远离多功能接头(1)的一端连接有领眼钻头(5)；扩眼钻头(4)为金刚石钻头和牙轮钻头的一种，领眼钻头(5)为金刚石钻头和牙轮钻头的一种；所述多功能接头(1)上设置有若干斜孔(11)，外壳体(2)和螺杆驱动总成(3)之间的空腔与斜孔(11)连通；所述螺杆驱动总成(3)包括螺杆壳体组件和驱动组件，驱动组件套设于螺杆壳体组件内；螺杆壳体组件包括定子壳体(31)，定子壳体(31)的一端与多功能接头(1)连接，定子壳体(31)的另一端依次连接有万向轴壳体(32)和轴承壳体(33)，轴承壳体(33)套设于扩眼钻头(4)内；所述多功能接头(1)靠近外壳体(2)的一端分别设置有第一级台阶(12)和第二级台阶(13)，第一级台阶(12)与外壳体(2)螺纹连接，第二级台阶(13)与定子壳体(31)螺纹连接；斜孔(11)设置于第一级台阶(12)与第二级台阶(13)之间，外壳体(2)内套设有耐冲套(21)，耐冲套(21)位于靠近多功能接头(1)与外壳体(2)的连接位置。
2.根据权利要求1所述的一种带有复合钻头的钻井提速装置，其特征在于，所述螺杆驱动总成(3)包括螺杆壳体组件和驱动组件，驱动组件套设于螺杆壳体组件内；驱动组件包括依次连接的转子(34)、活铰接头(35)、连杆(36)、水帽(37)、传动轴(38)，传动轴(38)的另一端与领眼钻头(5)连接，螺杆驱动总成(3)的轴承壳体(33)与传动轴(38)之间连接有TC套组件(39)。
3.根据权利要求2所述的一种带有复合钻头的钻井提速装置，其特征在于，所述水帽(37)上设置有流道孔，传动轴(38)中部设置有流道，水帽(37)上的流道孔、传动轴(38)的流道、领眼钻头(5)的水眼依次连通。
4.根据权利要求2或3所述的一种带有复合钻头的钻井提速装置，其特征在于，所述转子(34)靠近多功能接头(1)的一端连接有防掉连杆(6)，防掉连杆(6)的另一端连接有防掉锁母(61)，多功能接头(1)内设置有用于防止驱动组件掉落的限位台阶。
5.根据权利要求2所述的一种带有复合钻头的钻井提速装置，其特征在于，所述TC套组件(39)包括静TC套(391)和动TC套(392)，动TC套(392)固定套设在传动轴(38)上，静TC套(391)活动套设于动TC套(392)上，静TC套(391)与轴承壳体(33)固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种带有复合钻头的钻井提速装置，其特征在于，所述万向轴壳体(32)的外壁上设置有若干扶正结构。
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