CN107816316B - 一种双压力腔作用的井下提速提效工具及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在水平井造斜段或是水平段钻进过程中降低摩阻，增加钻速的双压力腔作用的井下提速提效工具及其方法。其技术方案是：井下冲击提速工具主要包括上外壳、中外壳、下外壳、入口螺钉、活塞、阀组件轴、冲击组件轴；其提速方法为：钻井液传递压力压缩外压缩弹簧，推动右端冲击螺帽接触活塞，活塞带动冲击组件轴下移，连接在冲击组件轴下方钻头冲击岩石；当撞击到岩石后，由于内部压缩弹簧刚度比外部压缩弹簧大，故在内部压缩弹簧的反作用力下冲击螺帽和活塞分离，各部件回归初始位置，一个冲程完成。本发明结构简单，可以降低摩阻并提高钻速，径向振动较小，易于控制轨迹，提高钻井精度节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种在水平井造斜段或是水平段钻进过程中降低摩阻，增加钻速的双压力腔作用的井下提速提效工具及其方法，特别适合于岩性可钻性差、研磨性高的坚硬地层。
背景技术
在钻井过程中，钻柱与对应的井壁之间摩阻的大小是影响钻速的重要因素。在钻井组合工具与井壁相对运动时，其产生摩擦所造成的附加扭矩与大的摩阻将导致钻机的机械钻速降低、单趟钻进量少、严重的非正常的钻柱和钻头磨损等不利影响；当整体的合摩擦力超过所施加的钻井压力时(或者说钻柱自重下的冲击力时)，就会产生托压现象，迫使钻柱发生正旋弯曲或螺旋屈曲等特定现象。对于目前的定向钻井和水平钻井而言，弯曲井眼高的形成原因是因为摩阻过大，从而钻机理论钻达的最大深度的能力明显的降低，严重的甚至会影响到油井产量。实践表明，在不增加设备能力的前提下合理使用的水力能量或者以水力能量驱动井下工具进行破岩、辅助破岩，是当前提高深部地层钻井速度的可行途径之一。于是提出了利用水力对工具施加压力的方法，从而达到对岩石施加冲击，加速岩石破碎的目的。
发明内容
本发明的目的是为应对地层可钻性差，钻头加压困难、地质情况复杂，尤其是深部地层机械钻速低的情况，缩短钻井周期，节约钻井成本，特提出一种双压力腔作用的井下提速提效工具及其方法。
为了达到上述目的，本发明解决此技术问题所采用的技术方案是：一种双压力腔作用的井下提速提效工具及其方法，该双压力腔作用的井下提速提效工具主要包括上外壳、入口螺钉、锁紧螺母、第一压力腔、弹簧上支承、1号弹簧、阀组件螺纹轴、2号弹簧、弹簧下支承、主垫片、中外壳、阀口、第二压力腔、冲击螺帽、活塞、3号弹簧上支承、3号弹簧、3号弹簧下支承、垫片、下外壳和冲击组件轴，其结构特征是：上外壳与中外壳配合，入口螺钉安装在上外壳入口处的内壁，弹簧上支承和弹簧下支承安装在上外壳与阀组件螺纹轴之间的环空里，上外壳和弹簧上支承以及入口螺钉围成了第一压力腔，1号弹簧安装在弹簧上支承和弹簧下支承之间，2号弹簧安装在弹簧下支承并未与弹簧上支承接触，锁紧螺母安装在阀组件螺纹轴上防止弹簧上支承脱落，主垫片安装在弹簧下支承下方，阀口安装在中外壳与阀组件螺纹轴的环空里，下方是冲击螺帽通过螺纹连接安装在阀组件螺纹轴上，活塞安装在中外壳的内壁由三个密封圈密封，冲击组件轴通过螺纹连接安装在活塞上，3号弹簧上支承、3号弹簧、3号弹簧下支承、垫片从上到下依次安装在中外壳与冲击组件轴的环空里，下外壳与中外壳螺纹配合，并且顶住垫片下端，防止移动；所述双压力腔作用的井下提速提效工具的提速方法的特征在于：高压钻井液进入第一压力腔内，推动锁紧螺母和阀组件螺纹轴向下移动压缩1号弹簧，阀组件螺纹轴带动冲击螺帽向下移动与推动活塞上表面接触形成密封，高压钻井液进入第二压力腔内，推动活塞下移并压缩3号弹簧，从而带动冲击组件轴撞击岩石，同时冲击螺帽与活塞一起下移带动弹簧上支承压缩2号弹簧，由于2号弹簧比1号弹簧刚度要大，当冲击组件轴撞击岩石后，在2号弹簧反作用力下，使得冲击螺帽和活塞分离，阀组件螺纹轴在2号弹簧的弹力作用下回弹至初始位置，冲击组件轴在3号弹簧的作用下回归初始位置。
所述1号弹簧刚度为2号弹簧刚度的2~3倍；所述阀口的阀口孔数为6，且60°均布。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：（1）本发明利用钻井液通过不同的截面产生压差，将水利能转化为机械能，通过井下冲击提速工具来给PDC钻头施加钻压，增加钻进频率，以达到增加钻进速度的目的；而且实际作业中，如果各种参数已知，可以比较准确的计算工作推力以及钻进速度增加的频率；（2）本发明可以起轴向振动作用并承受一定的扭矩、提高钻速；（3）可以提高较高的钻速、降级摩阻，径向振动较小，易于控制轨迹，提高钻井精度，节约成本。
附图说明
图1是本发明一种双压力腔作用的井下提速提效工具的结构示意图；
图2是本发明一种双压力腔作用的井下提速提效工具沿A-A方向的截面示意图；
图中：1.上外壳，2.入口螺钉，3.锁紧螺母，4.第一压力腔，5.弹簧上支承，6.1号弹簧，7.阀组件螺纹轴，8.2号弹簧，9.弹簧下支承，10.主垫片，11.中外壳，12.阀口，13.第二压力腔，14.冲击螺帽，15.活塞，16.3号弹簧上支承，17.3号弹簧，18.3号弹簧下支承，19.垫片，20.下外壳，21.冲击组件轴。
具体实施方法
如图1、图2所示，该双压力腔作用的井下提速提效工具主要包括上外壳、入口螺钉、锁紧螺母、弹簧上支承、1号弹簧、阀组件螺纹轴、2号弹簧、弹簧下支承、主垫片、中外壳、阀口、冲击螺帽、活塞、3号弹簧上支承、3号弹簧、3号弹簧下支承、垫片、下外壳和冲击组件轴，其结构特征是：上外壳与中外壳配合，入口螺钉安装在上外壳入口处的内壁，弹簧上支承和弹簧下支承安装在上外壳与阀组件螺纹轴之间的环空里，1号弹簧安装在弹簧上支承和弹簧下支承之间，2号弹簧安装在弹簧下支承并未与弹簧上支承接触，锁紧螺母安装在阀组件螺纹轴上防止弹簧上支承脱落，主垫片安装在弹簧下支承下方，阀口安装在中外壳与阀组件螺纹轴的环空里，下方是冲击螺帽通过螺纹连接安装在阀组件螺纹轴上，活塞安装在中外壳的内壁由三个密封圈密封，冲击组件轴通过螺纹连接安装在活塞上，3号弹簧上支承、3号弹簧、3号弹簧下支承、垫片从上到下一次安装在中外壳与冲击组件轴的环空里，下外壳与中外壳螺纹配合，并且顶住垫片下端，防止移动。
所述双压力腔作用的井下提速提效工具的提速方法，其特征在于：高压钻井液进入第一压力腔内，推动锁紧螺母和阀组件螺纹轴向下移动压缩1号弹簧，阀组件螺纹轴带动冲击螺帽向下移动与推动活塞上表面接触形成密封，高压钻井液进入第二压力腔内，推动活塞下移并压缩3号弹簧，从而带动冲击组件轴撞击岩石，同时冲击螺帽与活塞一起下移带动弹簧上支承压缩2号弹簧，由于2号弹簧比1号弹簧刚度要大，当冲击组件轴撞击岩石后，在2号弹簧反作用力下，使得冲击螺帽和活塞分离，阀组件螺纹轴在2号弹簧的弹力作用下回弹至初始位置，冲击组件轴在3号弹簧的作用下回归初始位置。
所述1号弹簧6刚度为2号弹簧8刚度的2~3倍；所述阀口12阀口孔数为6，且60°均布。
本发明结构紧凑、长度短，可以起轴向振动作用并承受一定的扭矩、提高钻速；该工具可以提高较高的钻速、降级摩阻，径向振动较小，易于控制轨迹，提高钻井精度，节约成本。
Claims (3)
1.一种双压力腔作用的井下提速提效工具，主要包括上外壳(1)、入口螺钉(2)、锁紧螺母(3)、第一压力腔(4)、弹簧上支承(5)、1号弹簧(6)、阀组件螺纹轴(7)、2号弹簧(8)、弹簧下支承(9)、主垫片(10)、中外壳(11)、阀口(12)、第二压力腔(13)、冲击螺帽(14)、活塞(15)、3号弹簧上支承(16)、3号弹簧(17)、3号弹簧下支承(18)、垫片(19)、下外壳(20)和冲击组件轴(21)，其结构特征是：上外壳(1)与中外壳(11)配合，入口螺钉(2)安装在上外壳(1)入口处的内壁，弹簧上支承(5)和弹簧下支承(9)安装在上外壳(1)与阀组件螺纹轴(7)之间的环空里，上外壳(1)和弹簧上支承(5)以及入口螺钉(2)围成了第一压力腔(4)，1号弹簧(6)安装在弹簧上支承(5)和弹簧下支承(9)之间，2号弹簧(8)安装在弹簧下支承(9)并未与弹簧上支承(5)接触，锁紧螺母(3)安装在阀组件螺纹轴(7)上防止弹簧上支承(5)脱落，主垫片(10)安装在弹簧下支承(9)下方，阀口(12)安装在中外壳(11)与阀组件螺纹轴(7)的环空里，下方是冲击螺帽(14)通过螺纹连接安装在阀组件螺纹轴(7)上，活塞(15)安装在中外壳(11)的内壁由三个密封圈密封，冲击组件轴(21)通过螺纹连接安装在活塞(15)上，3号弹簧上支承(16)、3号弹簧(17)、3号弹簧下支承(18)、垫片(19)从上到下依次安装在中外壳(11)与冲击组件轴(21)的环空里，下外壳(20)与中外壳(11)螺纹配合，并且顶住垫片(19)下端，防止移动；井下提速提效工具的特征在于：高压钻井液进入第一压力腔(4)内，推动锁紧螺母(3)和阀组件螺纹轴(7)向下移动压缩1号弹簧(6)，阀组件螺纹轴(7)带动冲击螺帽(14)向下移动与推动活塞(15)上表面接触形成密封，高压钻井液进入第二压力腔(13)内，推动活塞(15)下移并压缩3号弹簧(17)，从而带动冲击组件轴(21)撞击岩石，同时冲击螺帽(14)与活塞(15)一起下移带动弹簧上支承(5)压缩2号弹簧(8)，由于2号弹簧(8)比1号弹簧(6)刚度要大，当冲击组件轴(21)撞击岩石后，在2号弹簧(8)反作用力下，使得冲击螺帽(14)和活塞(15)分离，阀组件螺纹轴(7)在2号弹簧(8)的弹力作用下回弹至初始位置，冲击组件轴(21)在3号弹簧(17)的作用下回归初始位置。
2.根据权利要求1所述的一种双压力腔作用的井下提速提效工具，其特征在于：所述1号弹簧(6)刚度为2号弹簧(8)刚度的2～3倍。
3.根据权利要求1所述的一种双压力腔作用的井下提速提效工具，其特征在于：所述阀口(12)孔数为6，且60°均布。
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