CN108590507A - 一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，包括接头、钻头体和阀式冲击器，所述接头与钻头体连接形成内腔体，所述内腔体包括主腔体，所述主腔体上部的圆柱形入液通道和下部的底面直径大于所述入液通道的同轴圆柱形活塞腔，所述入液通道与所述活塞腔之间设置变截面的阀座；所述钻头体下部设置锤杆滑道；所述主腔体内设置阀式冲击器，所述阀式冲击器包括阀座、活塞冲锤和弹簧，活塞冲锤在弹簧和液动力的作用下做往复运动，与钻头配合，实现局部冲击辅助刮切的破岩机理，达到破岩提速的目的，且结构简单，既可同时设计多个往复自冲击结构，也可同时设计多根锤杆，进一步提高冲击辅助刮切的破岩效率。

Description

一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具

技术领域

本发明属于石油天然气钻探领域，具体涉及一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。伴随石油工业的油气勘探开发，浅层油气资源日益衰竭，石油行业所钻井愈来愈深，地层年代愈来愈久远，岩石愈来愈硬，提高深井钻速的问题成为钻井界研究的重要课题之一。

现今钻井工程使用的常规钻头主要有牙轮钻头、PDC钻头和冲旋钻头。近年来，随着油气钻井工程向深层地层进军，硬地层钻进的难题日益突出，传统的牙轮钻头和PDC钻头已不能很好的满足钻井工程的需要，当钻遇硬地层时，极易出现钻头的意外损坏，钻井效率低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高，冲击旋转钻井技术是解决硬岩钻进难题最有效的方法之一。

冲击旋转钻井技术是石油行业独具特色的、能显著提高钻速的工艺技术方法。传统的冲击钻井是直接将潜孔冲击器产生的冲击力作用在钻头上，依靠钻头齿的瞬间冲击力实现对井底岩石的破碎，这样钻头齿在周期性冲击力的作用下极易被损伤，严重影响钻头的使用寿命，并且需要依赖单独的潜孔冲击器提供脉动冲击载荷。

现有技术中，具有往复式自冲击结构的钻头，要么采用多段式冲锤，要么采用复杂的驱动结构，结构相对复杂，又由于钻头的内部空间有限，导致不能同时设计多个冲头，从而不能更好的提高破岩效率，且成本还高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，其实现锤杆往复自冲击的结构相对简单，解决了不能同时设计多个冲头的问题，从而能够在低成本的前提下，获得更好的提速效率，解决钻进高强度、高研磨性地层钻井效率低、钻头寿命短、成本高等难题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，包括接头和钻头体，所述钻头体下端设置固定切削结构，所述固定切削结构上设置固定切削齿，所述钻头体的内腔通过所述固定切削结构内部的水眼与外界连通；所述接头与钻头体连接形成内腔体，所述内腔体包括主腔体，所述主腔体上部的圆柱形入液通道和下部的底面直径大于所述入液通道的同轴圆柱形活塞腔，所述入液通道与所述活塞腔之间设置变截面的阀座；所述钻头体下部设置锤杆滑道；所述主腔体内设置阀式冲击器，所述阀式冲击器包括活塞冲锤和弹簧，所述活塞冲锤包括锤头和锤杆；所述锤头通过下端压缩的弹簧的张力顶置在所述阀座上，所述锤杆从下往上穿过锤杆滑道，并与所述锤头下端连接；所述锤头的上部为圆台；当所述锤杆位于最低点时，所述锤杆的锤头超出所述固定切削结构，保证锤头能在钻进的过程中对岩石进行冲击。

在未施加液动冲击力时，由于所述弹簧仍然处于压缩状态，提供弹性张力，将所述锤头的圆台顶置在所述阀座上，将入液通道与活塞腔之间密封隔离，便于在施加液动冲击力时，在入液通道内形成局部的高压，从而可产生较大的冲击力，推动活塞冲锤向下运动。

另外，所述的钻头体为常规的钻头结构，在使用时，其上端接头通过螺纹与上部钻具连接。

进一步的是，所述主腔体内设置1个阀式冲击器，所述阀式冲击器包括1个活塞冲锤和1根弹簧，所述活塞冲锤包括1个锤头和1根锤杆；所述锤头通过下端压缩的弹簧的张力顶置在所述阀座上，所述锤杆从下往上依次沿轴心穿过锤杆滑道和弹簧，并与所述锤头下端连接，且所述锤头与所述锤杆同轴。本方案设置1个锤头和1根锤杆，能基本满足冲击损伤岩石的需要，且结构简单。

进一步的是，所述主腔体内设置1个阀式冲击器，所述阀式冲击器包括1个活塞冲锤和1根弹簧，所述活塞冲锤包括1个锤头和2根锤杆；所述锤头通过下端压缩的弹簧的张力顶置在所述阀座上，2根锤杆从下往上依次分别穿过2个锤杆滑道，并与所述锤头下端连接。本方案设置1个锤头和2根锤杆，正是由于结构的简易性，使得在钻头体内有限的空间内同时设计了2根锤杆，进一步提高冲击辅助刮切的破岩效率。

进一步的是，所述活塞冲锤还可以包括3根锤杆，3根锤杆从下往上依次分别穿过3个锤杆滑道，并与所述锤头下端连接。本方案设置1个锤头和3根锤杆，正是由于结构的简易性，使得在钻头体内有限的空间内同时设计了3根锤杆，进一步提高冲击辅助刮切的破岩效率。

进一步的是，所述内腔体还包括与所述主腔体底部连通的多个中心对称设置的副腔体，所述副腔体的结构与所述主腔体一致，且所述副腔体沿所述钻头体轴心周向均匀分布。所述副腔体均是上端偏向轴线倾斜设置，可用于安装多个阀式冲击器，产生更高的提速效率。

进一步的是，所述副腔体内设置1个阀式冲击器，所述阀式冲击器包括1个活塞冲锤和1根弹簧，所述活塞冲锤包括1个锤头和1根锤杆；所述锤头通过下端压缩的弹簧的张力顶置在所述副阀座上，所述锤杆滑道位于所述钻头体的副腔体下部，所述锤杆从下往上依次穿过锤杆滑道和弹簧，并与所述锤头下端连接。

进一步的是，所述接头与钻头体连接方式为焊接，保证钻头的整体稳定性，所述锤头与锤杆的连接方式为螺纹连接，螺纹连接便于安装。

进一步的是，当锤杆滑道有2或3个时，所述锤杆滑道沿所述钻头体轴心线周向均匀分布，且与所述钻头体内部的水眼错开分布，使锤杆的受力均匀，施加冲击力时保持钻头的平衡。

进一步的是，所述钻头体上还设置有限位齿，限制钻头体固定切削齿的最大吃入量，确保刮切破岩的顺利安全进行。

所述冲头冲击岩石的频率和冲击功可以通过弹簧以及阀座和锤头的参数综合控制。

本发明的有益效果是：

1、与现有技术相比，其阀式冲击器结构简单，能在有限的钻头内部空间同时设计多个冲头，从而在低成本的前提下，获得更好的提速效率，解决钻进高强度、高研磨性地层钻井效率低、钻头寿命短、成本高等难题。

2、阀式冲击器巧妙的置于钻头内，既不需要额外的潜孔冲击器为冲头提供冲击能量，又不会因为钻头尺寸的改变而影响钻具组合。

3、实现锤杆往复自冲击的结构相对简单，易损件少，即使安装多个，成本也不高，且失效的概率小，即使意外失效也不会影响固定切削齿钻头本身的破岩性能。

4、钻头的阀式冲击器产生的周期性冲击力直接作用在岩石上，不需要通过钻头体固定切削齿传递，既提高了能量的利用率，又杜绝了钻头体固定切削齿在周期性冲击力作用下的失效，保证了钻头的使用寿命。

5、冲头对岩石的冲击和钻头体固定切削齿对岩石的刮切破岩是两个独立的过程，冲头往复冲击岩石，使岩石产生凹坑和裂纹，产生的裂纹有利于钻头体固定切削齿吃入地层，提高破岩效率。

6、限位齿限制钻头体固定切削齿的最大吃入量，确保刮切破岩的顺利安全进行。

7、锤杆和锤头为一体，将液动冲击力直接作用到岩石上，能量损失少，冲击效率更高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明中锤杆数量为1时的结构示意图；

图2是本发明中锤杆数量为1时从切削结构端向接头端看时的结构示意图；

图3是本发明中锤杆数量为1时锤杆往下运动时的示意图；

图4是锤杆数量为1时本发明钻头体的锤杆滑道横截面为正多边形时的结构示意图；

图5是本发明中锤杆数量为2时的结构示意图；

图6是本发明的一种阀式冲击器的结构示意图；

图7是本发明具有多个阀式冲击器时任一工具内置阀式冲击器与钻头体的位置关系示意图；

图8是本发明中锤杆数量为2时从切削结构端向接头端看时的结构示意图；

图9是本发明中锤杆数量为3时从切削结构端向接头端看时的结构示意图；

图10是本发明的阀座轴向回转母线为圆弧时的结构示意图；

图11是本发明的阀座轴向回转母线为直线—圆弧时的结构示意图。

图中：1.接头，11.阀座，111.副阀座，131.主腔体，132.副腔体，2.弹簧，3.钻头体，31.固定切削结构，32.固定切削齿，33.水眼，34.限位齿，35.锤杆滑道，4.活塞冲锤，41.锤头，42.锤杆，43.冲头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但并不是对本发明保护范围的限制。

实施例一：

在本实施例中，如图1～3和6所示，一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，包括接头1和钻头体3，所述钻头体3下端设置固定切削结构31，所述固定切削结构31上设置固定切削齿32，所述钻头体3的内腔通过所述固定切削结构31内部的水眼33与外界连通；所述接头1与钻头体3连接形成内腔体，所述内腔体包括主腔体131，所述主腔体131上部的圆柱形入液通道1311和下部的底面直径大于所述入液通道1311的同轴圆柱形活塞腔1312，所述入液通道1311与所述活塞腔1312之间设置变截面的阀座11；所述钻头体3下部设置锤杆滑道35；所述主腔体131内设置阀式冲击器，所述阀式冲击器包括活塞冲锤4和弹簧2，所述活塞冲锤4包括锤头41和锤杆42；所述锤头41通过下端压缩的弹簧2的张力顶置在所述阀座11上，所述锤杆42从下往上穿过锤杆滑道35，并与所述锤头41下端连接；所述锤头41的上部为圆台；当所述锤杆42位于最低点时，所述锤杆42的锤头43超出所述固定切削结构31，保证锤头43能在钻进的过程中对岩石进行冲击。

在未施加液动冲击力时，由于所述弹簧2仍然处于压缩状态，提供弹性张力，将所述锤头41的圆台顶置在所述阀座11上，将入液通道1311与活塞腔1312之间密封隔离，便于在施加液动冲击力时，在入液通道1311内形成局部的高压，从而可产生较大的冲击力，推动活塞冲锤4向下运动。

另外，所述的钻头体3为常规的钻头结构，在使用时，其上端接头1通过螺纹与上部钻具连接。

其中，所述主腔体131内设置1个阀式冲击器，所述阀式冲击器包括1个活塞冲锤4和1根弹簧2，所述活塞冲锤4包括1个锤头41和1根锤杆42；所述锤头41通过下端压缩的弹簧2的张力顶置在所述阀座11上，所述锤杆42从下往上依次沿轴心穿过锤杆滑道35和弹簧2，并与所述锤头41下端连接，且所述锤头41与所述锤杆42同轴。本方案设置1个锤头41和1根锤杆42，能基本满足冲击损伤岩石的需要，且结构简单。

所述钻头体3的锤杆滑道35和活塞冲锤4的锤杆42的横截面均为圆形时，此时活塞冲锤4不随钻头一起转动。

所述接头1与钻头体3连接方式为焊接，保证钻头的整体稳定性，所述锤头41与锤杆42的连接方式为螺纹连接，螺纹连接便于安装。

所述弹簧2的参数为：材料直径：6mm，中径28mm，工作圈n1＝18圈，支撑圈n2＝2圈，总圈数n＝20圈，两端圈并紧并磨平。

作为一种优化方案，所述钻头体3上还设置有限位齿34，限制钻头体3固定切削齿32的最大吃入量，确保刮切破岩的顺利安全进行。

实施例二：

在本实施例中，如图1～4和6所示，一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，作为另一种方案，所述锤杆滑道35横截面为正多边形，相应的在所述锤杆滑道35内运动的锤杆42为对应的正多边形，此时活塞冲锤4随钻头一起转动，冲击岩石效果更好。其余技术特征与实施例一相同。

实施例三：

在本实施例中，如图5、6、8所示，一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，所述主腔体131内设置1个阀式冲击器，所述阀式冲击器包括1个活塞冲锤4和1根弹簧2，所述活塞冲锤4包括1个锤头41和2根锤杆42；所述锤头41通过下端压缩的弹簧2的张力顶置在所述阀座11上，2根锤杆42从下往上依次分别穿过2个锤杆滑道35，并与所述锤头41下端连接。本方案设置1个锤头41和2根锤杆42，正是由于结构的简易性，使得在钻头体3内有限的空间内同时设计了2根锤杆，所述锤杆滑道35沿所述钻头体3轴心线周向均匀分布，且与所述钻头体3内部的水眼33错开分布，使锤杆42的受力均匀，施加冲击力时保持钻头的平衡。其余技术特征与实施例一相同。进一步提高冲击辅助刮切的破岩效率。

实施例四：

在本实施例中，如图6和9所示，一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，所述活塞冲锤4包括3根锤杆42，3根锤杆42从下往上依次分别穿过3个锤杆滑道35，并与所述锤头41下端连接。本方案设置1个锤头41和3根锤杆42，正是由于结构的简易性，使得在钻头体内有限的空间内同时设计了3根锤杆42；所述锤杆滑道35沿所述钻头体3轴心线周向均匀分布，且与所述钻头体3内部的水眼33错开分布，使锤杆42的受力均匀，施加冲击力时保持钻头的平衡。其余技术特征与实施例一相同。进一步提高冲击辅助刮切的破岩效率。

实施例五：

在本实施例中，如图6和7所示，一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，所述内腔体13还包括与所述主腔体131底部连通的多个中心对称设置的副腔体132，所述副腔体132的结构与所述主腔体131一致，且所述副腔体132沿所述钻头体3轴心周向均匀分布。所述副腔体132均是上端偏向轴线倾斜设置，可用于安装多个阀式冲击器，产生更高的提速效率。

所述副腔体132内设置1个阀式冲击器，所述阀式冲击器包括1个活塞冲锤4和1根弹簧2，所述活塞冲锤4包括1个锤头41和1根锤杆42；所述锤头41通过下端压缩的弹簧2的张力顶置在所述副阀座111上，所述锤杆滑道35位于所述钻头体3的副腔体132下部，所述锤杆42从下往上依次穿过锤杆滑道35和弹簧2，并与所述锤头41下端连接。其余技术特征与实施例一相同。

实施例六：

在本实施例中，如图11所示，一种具有锤杆往复自冲击的破岩提速结构的钻头，所述阀座11轴向回转母线为直线—圆弧时的结构，其余技术特征与实施例一相同。

本发明的工作原理为：

正常工作时，活塞冲锤4在流体液动力和弹簧2弹力的合力作用下往复运动。钻井液经钻杆流入接头1并流经阀座11时，活塞冲锤4在液动力的作用下向下加速运动，活塞冲锤4的速度不断增大，随着活塞冲锤4位移的增加，液动力不断减小，弹簧2的反作用弹力增大，当液动力和弹力的大小相等时，活塞冲锤4的速度达到最大值，此后，液动力继续减小，弹力继续增大，活塞冲锤4继续向下做减速运动；当活塞冲锤4的速度变为零时，弹簧2的反作用弹力达到工作时的最大值，活塞冲锤4反向加速运动，随着活塞冲锤4位移的减小，弹簧2的反作用弹力不断减小，液动力增加，当弹力和液动力的大小相等时，活塞冲锤4达到最大反向速度，此后，弹力继续减小，液动力继续增大，活塞冲锤4继续向上做减速运动，当活塞冲锤4的速度减为零时，液动力达到工作时的最大值，活塞冲锤4将在液动力的作用下向下加速运动，重复前述过程，使得活塞冲锤4的整个往复运动周期性的进行下去。整个过程中，液动力的方向始终向下，弹簧2的弹力的方向始终与液动力的方向相反，向上。冲头43将在活塞冲锤4的速度最大时冲击井底岩石，此时冲头43冲击岩石的能量最大，冲击效果最佳。

冲头43冲击井底岩石，使岩石产生凹坑和裂纹，有利于钻头体3的固定切削齿32吃入地层刮切破岩，同时限位齿34可以防止固定切削齿32在井底岩石有裂纹的情况下过量吃入岩石，确保刮切破岩的顺利安全进行，在提高破岩效率的同时有效的保护钻头，冲头的周期性冲击，确保整个高效破岩过程持续的进行下去。

如图1所示，锤杆数量为1且钻头体3的锤杆滑道35和活塞冲锤4的锤杆42的横截面均为圆形时，此时活塞冲锤4不随钻头一起转动；如图4所示，锤杆数量为1且钻头体3的锤杆滑道35和活塞冲锤4的锤杆42的横截面均为正多边形，此时活塞冲锤4随钻头一起转动冲击效果更好。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，包括接头(1)和钻头体(3)，所述钻头体(3)下端设置固定切削结构(31)，所述固定切削结构(31)上设置固定切削齿(32)，所述钻头体(3)的内腔通过所述固定切削结构(31)内部的水眼(33)与外界连通；其特征在于：所述接头(1)与钻头体(3)连接形成内腔体，所述内腔体包括主腔体(131)，所述主腔体(131)上部的圆柱形入液通道(1311)和下部的底面直径大于所述入液通道(1311)的同轴圆柱形活塞腔(1312)，所述入液通道(1311)与所述活塞腔(1312)之间设置变截面的阀座(11)；所述钻头体(3)下部设置锤杆滑道(35)；

所述主腔体(131)内设置阀式冲击器，所述阀式冲击器包括活塞冲锤(4)和弹簧(2)，所述活塞冲锤(4)包括锤头(41)和锤杆(42)；所述锤头(41)通过下端压缩的弹簧(2)的张力顶置在所述阀座(11)上，所述锤杆(42)从下往上穿过锤杆滑道(35)，并与所述锤头(41)下端连接；所述锤头(41)的上部为圆台；

当所述锤杆(42)位于最低点时，所述锤杆(42)的锤头(43)超出所述固定切削结构(31)。

2.根据权利要求1所述的一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，其特征在于：所述主腔体(131)内设置1个阀式冲击器，所述阀式冲击器包括1个活塞冲锤(4)和1根弹簧(2)，所述活塞冲锤(4)包括1个锤头(41)和1根锤杆(42)；所述锤头(41)通过下端压缩的弹簧(2)的张力顶置在所述阀座(11)上，所述锤杆(42)从下往上依次沿轴心穿过锤杆滑道(35)和弹簧(2)，并与所述锤头(41)下端连接，且所述锤头(41)与所述锤杆(42)同轴。

3.根据权利要求1所述的一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，其特征在于：所述主腔体(131)内设置1个阀式冲击器，所述阀式冲击器包括1个活塞冲锤(4)和1根弹簧(2)，所述活塞冲锤(4)包括1个锤头(41)和2根锤杆(42)；所述锤头(41)通过下端压缩的弹簧(2)的张力顶置在所述阀座(11)上，2根锤杆(42)从下往上依次分别穿过2个锤杆滑道(35)，并与所述锤头(41)下端连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，其特征在于：所述活塞冲锤(4)还可以包括3根锤杆(42)，3根锤杆(42)从下往上依次分别穿过3个锤杆滑道(35)，并与所述锤头(41)下端连接。

5.根据权利要求1所述的一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，其特征在于：所述内腔体(13)还包括与所述主腔体(131)底部连通的多个中心对称设置的副腔体(132)，所述副腔体(132)的结构与所述主腔体(131)一致，且所述副腔体(132)沿所述钻头体(3)轴心周向均匀分布。

6.根据权利要求5所述的一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，其特征在于：所述副腔体(132)内设置1个阀式冲击器，所述阀式冲击器包括1个活塞冲锤(4)和1根弹簧(2)，所述活塞冲锤(4)包括1个锤头(41)和1根锤杆(42)；所述锤头(41)通过下端压缩的弹簧(2)的张力顶置在所述副阀座(111)上，所述锤杆滑道(35)位于所述钻头体(3)的副腔体(132)下部，所述锤杆(42)从下往上依次穿过锤杆滑道(35)和弹簧(2)，并与所述锤头(41)下端连接。

7.根据权利要求1～6的任意一项所述的一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，其特征在于：所述接头(1)与钻头体(3)连接方式为焊接，所述锤头(41)与锤杆(42)的连接方式为螺纹连接。

8.根据权利要求3或4所述的一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，其特征在于：所述锤杆滑道(35)沿所述钻头体(3)轴心线周向均匀分布，且与所述钻头体(3)内部的水眼(33)错开分布。

9.根据权利要求1所述的一种具有锤杆往复自冲击结构的破岩提速工具，其特征在于：所述钻头体(3)上还设置有限位齿(34)。