CN107882525B - 一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具 - Google Patents

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Abstract

一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具，包括内管总成和外管总成，所述外管总成下端设置钻头；所述内管总成套装在外管总成中，从上至下依次设置打捞组件、涡轮组件、扭转冲击发生组件、扭转冲击传递组件和取样管组件；所述涡轮组件通过钻井液带动产生旋转，所述扭转冲击发生组件设有冲击轴，所述冲击轴与涡轮组件动力输出端连接，在所述冲击轴中配装冲击块，在冲击轴外面套装冲击管，所述冲击管内壁设有凸台结构，冲击块随着冲击轴旋转周期性撞击冲击管的凸台结构产生扭转冲击力，通过扭转冲击传递组件将扭转冲击力传递给钻头。本发明解决了深井、超深井取心钻进过程中下部钻具粘滑振动问题，达到加快钻进速度、减少提大钻次数、提高工作效率的目的。

Description

一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具
技术领域
本发明涉及一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具，属于钻井设备技术领域。
背景技术
随着地质矿产资源勘探逐步向深部地层发展，钻井过程面临越来越复杂的地层环境，勘探开采难度不断加大。在深井、超深井的钻进过程中，随着井深的增加，岩石硬度及塑性增大，研磨性增强，可钻性变差，下部钻具粘滑振动剧烈。钻具的粘滑振动现象不但造成机械钻速降低，还可能造成井下事故的发生，严重影响矿产资源勘探开发的进度。
扭力冲击器属于液动冲击器的一种，主要依靠扭向冲击来提高钻头的碎岩效率。现有技术中扭力冲击器通常安装在钻头上端，通过给钻头施加一个额外旋转方向的均匀稳定的高频冲击力，消除钻柱、钻头在钻井过程中的粘滑振动，同时大幅度提高PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头)的剪切效率，从而显著提高了钻进速度，延长了钻头寿命。但是，在深孔地质矿产勘探钻进过程中，不仅要有高的钻进速度，同时还要获取大量的岩心，为了满足深孔取心的需求，减少提大钻次数，提高钻井工作效率，设计一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具势在必行。
发明内容
本发明提供一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具，旨在解决深井、超深井取心钻进过程中下部钻具粘滑振动问题，达到加快钻进速度、减少提大钻次数、提高工作效率的目的。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具，包括内管总成和外管总成，所述外管总成上端与钻杆连接，在外管总成的下端设置钻头；所述内管总成套装在外管总成中，从上至下依次设置打捞组件、涡轮组件、扭转冲击发生组件、扭转冲击传递组件和取样管组件；所述涡轮组件通过钻井液带动产生旋转，所述扭转冲击发生组件设有冲击轴，所述冲击轴与涡轮组件动力输出端连接，在所述冲击轴中配装冲击块，在冲击轴外面套装冲击管，所述冲击管上端连接涡轮组件，下端连接扭转冲击传递组件，在冲击管内壁设有凸台结构，冲击块随着冲击轴旋转周期性撞击凸台结构产生扭转冲击力，通过扭转冲击传递组件将扭转冲击力传递给外管总成的钻头。
上述绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述冲击轴两端分别通过设有轴承的上端盖、下端盖与冲击管内壁装配，在冲击轴中间部位设有冲击块容纳腔，所述冲击块置于冲击块容纳腔中。
上述绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述冲击块设有撞击部和位于撞击部两侧的径向移动驱动部，所述撞击部设有中心长槽，冲击块通过中心长槽与销轴配合安装在冲击轴的冲击块容纳腔中。
上述绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述扭转冲击发生组件还设有压缩弹簧，并在冲击轴上对称设置两组弹簧容纳腔；所述压缩弹簧置于弹簧容纳腔中，其一端固定在弹簧容纳腔底部，另一端抵靠在冲击块的径向移动驱动部上。
上述绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述扭转冲击发生组件还设有导向块；所述导向块固定在冲击管的内壁上，设有与冲击块配合的半月牙型导向面。
上述绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述扭转冲击传递组件包括传扭管、心轴和传扭管单动轴承，所述传扭管上端与扭转冲击发生组件的冲击管连接，在传扭管的外壁上设有与外管总成配合的外花键，所述心轴套装在传扭管中，在心轴外面套装两组传扭管单动轴承，通过传扭管单动轴承实现扭转冲击传递组件与取样管组件的相对转动。
上述绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述涡轮组件包括进液管、涡轮定子、涡轮转子、出液管和万向节；所述进液管侧壁上设有进液孔，进液管上端与打捞组件连接，下端连接出液管，所述涡轮定子与涡轮转子配装后套装于进液管内腔中，所述出液管侧壁上设有出液孔，在涡轮转子下面安装万向节，所述万向节与扭转冲击发生组件的冲击轴连接。
上述绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述打捞组件设有捞矛头、弹卡机构和单动轴承；所述捞矛头与绳索打捞器相匹配；所述弹卡机构与外管总成中弹卡挡头配合实现内管总成轴向锁止与解锁状态的切换；所述单动轴承套装在弹卡机构上，用于实现打捞组件与涡轮组件之间的相对转动。
上述绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述外管总成由上至下依次设置上连接管、上外管、上扩孔器、中外管、传扭接头、下外管、下扩孔器和钻头；所述上连接管上端与钻杆连接，在上连接管内腔中嵌装弹卡挡头，在上扩孔器内腔中嵌装堵水环；所述传扭接头设有内花键，通过内花键与扭转冲击传递组件中传扭管外花键配合实现内管总成径向锁止定位；所述下扩孔器内腔中嵌装扶正环，通过扶正环实现取样管组件的径向定位。
本发明在采用上述技术方案后，具有如下技术进步的效果：
本发明为一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其工作过程主要包括正常钻进和取心作业两部分。钻进过程中，钻井液流过涡轮组件产生驱动力，带动扭转冲击发生组件中冲击轴旋转，安装在冲击轴上的冲击块周期性撞击冲击管内壁上凸台结构，产生扭转冲击力，再由扭转冲击传递组件将扭转冲击力传递给外管总成的钻头，以此给钻头额外施加一个旋转方向均匀稳定的高频冲击力，不仅能够提高PDC钻头的碎岩效率，同时通过钻头的扭向振动，减少了岩心堵塞等事故。取心作业时，通过绳索打捞方式将岩心和内管总成一起打捞至地表，同时还可以检测涡轮组件、冲击块、冲击轴等零部件的磨损情况，因不需要提大钻，减少了辅助作业时间。由此可见，本发明解决了深井、超深井取心钻进过程中下部钻具粘滑振动问题，达到加快钻进速度、减少提大钻次数、提高工作效率的目的。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是外管总成结构示意图；
图3是内管总成结构示意图；
图4是打捞组件结构示意图；
图5是涡轮组件结构示意图；
图6是扭转冲击发生组件结构示意图；
图7是图6中A-A剖面结构示意图；
图8是图6中B-B剖面结构示意图；
图9是冲击轴结构示意图；
图10是冲击块结构示意图；
图11是扭转冲击传递组件结构示意图；
图12至图21是扭转冲击发生组件工作过程示意图，其中图12与图13、图14与图15、图16与图17、图18与图19、图20与图21为同一时间点对应于图6中A-A和B-B剖面结构示意图。
图中各标号清单为：
1、外管总成
1-1、上连接管，1-2、弹卡挡头，1-3、上外管，1-4、上扩孔器，1-5、堵水环，1-6、中外管，1-7、传扭接头，1-7-1、内花键，1-8、下外管，1-9、扶正环，1-10、下扩孔器，1-11、钻头。
2、内管总成
2-1、打捞组件，2-1-1、捞矛头，2-1-2、弹卡机构，2-1-3、单动轴承；
2-2、涡轮组件，2-2-1、进液管，2-2-1-1、进液孔，2-2-2、涡轮定子，2-2-3、出液管，2-2-3-1、出液孔，2-2-4、万向节，2-2-5、涡轮转子；
2-3、扭转冲击发生组件，2-3-1、上端盖，2-3-2、冲击轴，2-3-2-1、冲击块容纳腔，2-3-2-2、弹簧容纳腔，2-3-3、冲击块，2-3-3-1、径向移动驱动部，2-3-3-2、撞击部，2-3-3-3、中心长槽，2-3-4、压缩弹簧，2-3-5、导向块，2-3-6、下端盖，2-3-7、冲击管，2-3-7-1、凸台结构，2-3-8、销轴；
2-4、扭转冲击传递组件，2-4-1、传扭管，2-4-1-1、外花键，2-4-2、心轴，2-4-3、传扭管单动轴承；
2-5、取样管组件。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
参看图1、图2，本发明提供一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具，它包括外管总成1和内管总成2；在所述外管总成1的内腔中套装内管总成2。其中所述的外管总成1依次由上连接管1-1、弹卡挡头1-2、上外管1-3、上扩孔器1-4、堵水环1-5、中外管1-6、传扭接头1-7、下外管1-8、扶正环1-9、下扩孔器1-10和钻头1-11通过螺纹连接起来；弹卡挡头1-2嵌入上连接管1-1的内腔中，并通过上连接管1-1和上外管1-3的螺纹拧紧之后限位；堵水环1-5嵌入到上扩孔器1-4的内腔，同时通过上外管1-3和上扩孔器1-4的螺纹拧紧之后压紧；扶正环1-9嵌入到下扩孔器1-10的内腔中，通过下外管1-8和下扩孔器1-10的螺纹拧紧之后限位；所述钻头1-11为PDC钻头。
参看图3，本发明提供的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述的内管总成2由上至下依次设置打捞组件2-1、涡轮组件2-2、扭转冲击发生组件2-3、扭转冲击传递组件2-4和取样管组件2-5。
参看图4，本发明提供的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述打捞组件2-1设有捞矛头2-1-1、弹卡机构2-1-2和单动轴承2-1-3；所述捞矛头2-1-1与绳索打捞器相匹配；所述弹卡机构2-1-2与外管总成1中弹卡挡头1-2配合实现内管总成2轴向锁止与解锁状态的切换；所述单动轴承2-1-3套装在弹卡机构2-1-2上，用于实现打捞组件2-1与涡轮组件2-2之间的相对转动。
参看图5，本发明提供的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述涡轮组件2-2包括进液管2-2-1、涡轮定子2-2-2、涡轮转子2-2-5、出液管2-2-3和万向节2-2-4；所述进液管2-2-1侧壁上设有进液孔2-2-1-1，进液管2-2-1上端与打捞组件2-1连接，下端连接出液管2-2-3；所述涡轮定子2-2-2与涡轮转子2-2-5配装后套装于进液管2-2-1的内腔中；所述出液管2-2-3侧壁上设有出液孔2-2-3-1；所述涡轮转子2-2-5下面安装万向节2-2-4，所述万向节2-2-4与扭转冲击发生组件2-3连接。
参看图6至图10，本发明提供的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述的扭转冲击发生组件2-3包括上端盖2-3-1、冲击轴2-3-2、冲击块2-3-3、压缩弹簧2-3-4、导向块2-3-5、下端盖2-3-6和冲击管2-3-7；其中冲击轴2-3-2套装于冲击管2-3-7内，上端盖2-3-1和下端盖2-3-6套装在冲击轴2-3-2的两端，并在上端盖2-3-1、下端盖2-3-6和冲击轴2-3-3之间安装轴承，在冲击轴2-3-2中间部位设有冲击块容纳腔2-3-2-1，在冲击块容纳腔2-3-2-1左右两侧对称设置两组弹簧容纳腔2-3-2-2；所述冲击块2-3-3置于冲击块容纳腔2-3-2-1中，冲击块2-3-3设有撞击部2-3-3-2和位于撞击部两侧的径向移动驱动部2-3-3-1，所述撞击部2-3-3-2设有中心长槽2-3-3-3，冲击块2-3-3通过中心长槽2-3-3-3与销轴2-3-8配合安装在冲击轴2-3-2的冲击块容纳腔2-3-2-1中；所述压缩弹簧2-3-4置于弹簧容纳腔2-3-2-2中，其一端固定在弹簧容纳腔2-3-2-2底部，另一端抵靠在冲击块2-3-3的径向移动驱动部2-3-3-1上；所述导向块2-3-5固定在冲击管2-3-7的内壁上，设有与冲击块2-3-3配合的半月牙型导向面。
参看图11，本发明提供的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，所述扭转冲击传递组件2-4包括传扭管2-4-1、心轴2-4-2和传扭管单动轴承2-4-3，所述传扭管2-4-1上端与扭转冲击发生组件2-3的冲击管2-3-7连接，在传扭管2-4-1的外壁上设有与外管总成1配合的外花键2-4-1-1，所述心轴2-4-2套装在传扭管2-4-1中，在心轴2-4-2外面套装两组传扭管单动轴承2-4-3，通过传扭管单动轴承2-4-3实现扭转冲击传递组件2-4与取样管组件2-5的相对转动。
参看图1至图11，本发明为一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其工作过程主要包括正常钻进和取心作业两部分。钻进过程中，内管总成2套装于外管总成1中，内管总成2通过以下两个位置实现轴向定位：
一、内管总成2中打捞组件2-1的弹卡机构2-1-2张开后卡在外管总成1的弹卡挡头1-2中；
二、内管总成2中扭转冲击传递组件2-4的传扭管2-4-1外花键2-4-1-1下端坐落在外管总成1的传扭接头1-7的内花键1-7-1上。钻井液流经涡轮组件2-2，从而带动涡轮组件2-2转动，由涡轮组件2-2带动扭转冲击发生组件2-3中冲击轴2-3-2旋转，安装在冲击轴2-3-2上的冲击块2-3-3周期性撞击冲击管2-3-7内壁凸台结构2-3-7-1，产生扭转冲击力，再由扭转冲击传递组件2-4将扭转冲击力传递给外管总成1的钻头1-11，以此给钻头1-11额外施加一个旋转方向均匀稳定的高频冲击力，提高钻头1-11的碎岩效率，同时岩心进入到取样管组件2-5内。取心作业时，通过打捞器捞住捞矛头2-1-1上提，回收弹卡机构2-1-2，实现钻具的上部定位解锁，扭转冲击传递组件2-4中传扭管2-4-1的外花键2-4-1-1和外总成1中传扭接头1-7的内花键1-7-1脱离，即可将岩心和内管总成2顺利提出钻杆内孔。
参看图12至图21，扭转冲击发生组件2-3的工作过程是这样的：第一步，冲击轴2-3-2带动冲击块2-3-3转动，冲击块2-3-3的径向移动驱动部2-3-3-1沿着导向块2-3-5的月牙形内壁转动，同时压缩安装在冲击块2-3-3和冲击轴2-3-2之间的压缩弹簧2-3-4(如附图12所示)，促使冲击块2-3-3的撞击部2-3-3-2从冲击轴2-3-2的冲击块容纳腔2-3-2-1中伸出(如附图13所示)；第二步，冲击块2-3-3的径向移动驱动部2-3-3-1运动到导向块2-3-5的尾部时(如附图14所示)，冲击块2-3-3的撞击部2-3-3-2撞击到冲击管2-3-7的凸台结构2-3-7-1上，实现一次扭向的冲击振动(如附图15所示)；第三步，冲击块2-3-3的径向移动驱动部2-3-3-1转过导向块2-3-5的尾部后，冲击块2-3-3在压缩弹簧2-3-4的作用下向上移动(如附图16所示)，撞击部2-3-3-2在中心长槽2-3-3-3与销轴2-3-8配合下径向移动，撞击部2-3-3-2快速收回至冲击块容纳腔2-3-2-1中(如附图17所示)；第四步，冲击块2-3-3继续转动(如附图18、图19所示)，当冲击块2-3-3的撞击部2-3-3-2撞击到冲击管2-3-7的凸台结构2-3-7-1上时，实现二次扭向的冲击振动(如附图20、图21所示)。

Claims (9)

1.一种绳索打捞式扭转冲击取心钻具，包括外管总成(1)和内管总成(2)，所述外管总成(1)上端与钻杆连接，在外管总成(1)的下端设置钻头(1-11)；所述内管总成(2)套装在外管总成(1)中；其特征是，所述内管总成(2)从上至下依次设置打捞组件(2-1)、涡轮组件(2-2)、扭转冲击发生组件(2-3)、扭转冲击传递组件(2-4)和取样管组件(2-5)；所述涡轮组件(2-2)在钻井液带动下产生旋转，所述扭转冲击发生组件(2-3)设有冲击轴(2-3-2)，所述冲击轴(2-3-2)与涡轮组件(2-2)动力输出端连接，在所述冲击轴(2-3-2)中配装冲击块(2-3-3)，在冲击轴(2-3-2)外面套装冲击管(2-3-7)，所述冲击管(2-3-7)上端连接涡轮组件(2-2)，下端连接扭转冲击传递组件(2-4)，在冲击管(2-3-7)内壁设有凸台结构(2-3-7-1)，所述冲击块(2-3-3)随着冲击轴(2-3-2)旋转周期性撞击凸台结构(2-3-7-1)产生扭转冲击力，通过扭转冲击传递组件(2-4)将扭转冲击力传递给外管总成(1)的钻头(1-11)。
2.根据权利要求1所述的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其特征是，所述冲击轴(2-3-2)两端分别通过设有轴承的上端盖(2-3-1)、下端盖(2-3-6)与冲击管(2-3-7)内壁装配，在冲击轴(2-3-2)中间部位设有冲击块容纳腔(2-3-2-1)，所述冲击块(2-3-3)置于冲击块容纳腔(2-3-2-1)中。
3.根据权利要求2所述的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其特征是，所述冲击块(2-3-3)设有撞击部(2-3-3-2)和位于撞击部两侧的径向移动驱动部(2-3-3-1)，所述撞击部(2-3-3-2)设有中心长槽(2-3-3-3)，冲击块(2-3-3)通过中心长槽(2-3-3-3)与销轴(2-3-8)配合安装在冲击轴(2-3-2)的冲击块容纳腔(2-3-2-1)中。
4.根据权利要求3所述的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其特征是，所述扭转冲击发生组件(2-3)还设有压缩弹簧(2-3-4)，并在冲击轴(2-3-2)上对称设置两组弹簧容纳腔(2-3-2-2)；所述压缩弹簧(2-3-4)置于弹簧容纳腔(2-3-2-2)中，其一端固定在弹簧容纳腔(2-3-2-2)底部，另一端抵靠在冲击块(2-3-3)的径向移动驱动部(2-3-3-1)上。
5.根据权利要求4所述的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其特征是，所述扭转冲击发生组件(2-3)还设有导向块(2-3-5)；所述导向块(2-3-5)固定在冲击管(2-3-7)的内壁上，设有与冲击块(2-3-3)配合的半月牙型导向面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其特征是，所述扭转冲击传递组件(2-4)包括传扭管(2-4-1)、心轴(2-4-2)和传扭管单动轴承(2-4-3)，所述传扭管(2-4-1)上端与扭转冲击发生组件(2-3)的冲击管(2-3-7)连接，在传扭管(2-4-1)的外壁上设有与外管总成(1)配合的外花键(2-4-1-1)，所述心轴(2-4-2)套装在传扭管(2-4-1)中，在心轴(2-4-2)外面套装两组传扭管单动轴承(2-4-3)，通过传扭管单动轴承(2-4-3)实现扭转冲击传递组件(2-4)与取样管组件(2-5)的相对转动。
7.根据权利要求6所述的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其特征是，所述涡轮组件(2-2)包括进液管(2-2-1)、涡轮定子(2-2-2)、涡轮转子(2-2-5)、出液管(2-2-3)和万向节(2-2-4)；所述进液管(2-2-1)侧壁上设有进液孔(2-2-1-1)，进液管(2-2-1)上端与打捞组件(2-1)连接，下端连接出液管(2-2-3)；所述涡轮定子(2-2-2)与涡轮转子(2-2-5)配装后套装于进液管2-2-1的内腔中；所述出液管(2-2-3)侧壁上设有出液孔(2-2-3-1)；所述涡轮转子(2-2-5)下面安装万向节(2-2-4)，所述万向节(2-2-4)与扭转冲击发生组件(2-3)的冲击轴(2-3-2)连接。
8.根据权利要求7所述的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其特征是，所述打捞组件(2-1)设有捞矛头(2-1-1)、弹卡机构(2-1-2)和单动轴承(2-1-3)；所述捞矛头(2-1-1)与绳索打捞器相匹配；所述弹卡机构(2-1-2)与外管总成(1)中弹卡挡头(1-2)配合实现内管总成(2)轴向锁止与解锁状态的切换；所述单动轴承(2-1-3)套装在弹卡机构(2-1-2)上，用于实现打捞组件(2-1)与涡轮组件(2-2)之间的相对转动。
9.根据权利要求8所述的绳索打捞式扭转冲击取心钻具，其特征是，所述外管总成(1)由上至下依次设置上连接管(1-1)、上外管(1-3)、上扩孔器(1-4)、中外管(1-6)、传扭接头(1-7)、下外管(1-8)、下扩孔器(1-10)和钻头(1-11)；所述上连接管(1-1)上端与钻杆连接，在上连接管(1-1)内腔中嵌装弹卡挡头(1-2)，在上扩孔器(1-4)内腔中嵌装堵水环(1-5)；所述传扭接头(1-7)设有内花键(1-7-1)，通过内花键(1-7-1)与扭转冲击传递组件(2-4)中传扭管(2-4-1)的外花键(2-4-1-1)配合实现内管总成(2)径向锁止定位；所述下扩孔器(1-4)内腔中嵌装扶正环(1-9)，通过扶正环(1-9)实现取样管组件(2-5)的径向定位。
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