CN108643824B

CN108643824B - 一种液压式减振冲击钻井工具

Info

Publication number: CN108643824B
Application number: CN201810342927.1A
Authority: CN
Inventors: 王勇
Original assignee: 王勇
Current assignee: Suzhou Zhongke Dixing Innovation Technology Research Institute Co.,Ltd.
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2038-04-17
Also published as: CN108643824A

Abstract

本发明属于石油钻井设备技术领域，涉及一种液压式减振冲击钻井工具，上接头的两端均设有锥形螺纹；壳体的上端设有锥形螺纹，下端设有六方孔；上接头的上端通过锥形螺纹与外接的上部钻柱连接，下端通过锥形螺纹与壳体的上端连接，壳体下端的六方孔内安装有设置在活塞中部的六方轴；叶轮通过螺帽安装在节流转阀上，节流转阀通过定位台阶安装在隔板的中心孔内，螺栓通过隔板上的螺纹安装孔安装在壳体内壁上；活塞通过锥形螺纹与下接头的上端连接，下接头的下端与外接的钻头连接；其结构简单，操作方便，无刚性冲击，运动部件少，可靠性高，冲击力和冲击频率易于调节，冲击力大，冲击频率高，起到液压减振器的效果，保护钻头，使用寿命长。

Description

一种液压式减振冲击钻井工具

技术领域：

本发明属于石油钻井设备技术领域，涉及一种用于深井、复杂井硬地层提高机械钻速的工具，特别是一种液压式减振冲击钻井工具。

背景技术：

随着现在油气勘探工作的发展，陆地及近海油气开发已进入后期，浅层区块越来越少，主要向深部硬地层区块发展。我国在在深井硬地层钻井过程中遇到了一些突出的难题，问题主要是硬地层钻井过程中易发生跳钻、涡动、粘滑振动等问题，这会导致钻头寿命短，起下钻频繁，延长钻井周期，提高了钻井成本。提高深井钻速成为钻井领域的一个重要研究方向，冲击钻井技术成为解决深井硬岩地层钻进难题的有效途径。

目前，国内主要的冲击器有阀式冲击器，射流式冲击器、射吸式冲击器、机械式冲击器、节流式冲击器等，这些冲击器部件一般包括：活塞、弹簧、冲锤和砧子，而且这些工具的冲击频率主要在10-50HZ之间，这些工具主要靠刚性冲击给钻头提供冲击力，这对材料和运动部件的装配间隙提出了很高的要求，但刚性冲击力最容易给运动部件间的接触面造成损害，严重影响工具使用寿命；中国专利201510797525.7公开了一种液动冲击器，钻井液通过本体上部的流道进入液动冲击器；流经中心轴上部的进液口后分流，进入液动腔，随着流体向下流动，推动涡轮组旋转，从而带动中心轴和阀套共同旋转；而后，流体从中心轴下部的出液口流出，通过中心轴内部流道进入冲击器，当旋转的阀套和固定的隔压筒出液口未对齐时，冲击腔封闭；流经冲击腔底部喷嘴时，会产生高压，在压差的作用下冲击体会随之向上抬起；当转阀的阀套和固定隔压筒出液口对齐时，冲击腔打开，液体流出；液体从阀套和隔压筒流出，冲击腔底部压力降低，冲击体下落，如此循环往复，该液动冲击器的冲击力是由冲锤(文中的冲击体)冲击砧子产生，因此也有机械式冲击器的缺点，即这对材料和运动部件的装配间隙提出了很高的要求，但刚性冲击力最容易给运动部件间的接触面造成损害，严重影响工具使用寿命。因此，迫切需要设计一种新型结构的液压式减振冲击钻井工具。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对现有冲击器寿命短，可靠性差、冲击功低等情况，设计提供一种液压式减振冲击钻井工具，将开关阀特性和活塞的特性相结合，实现冲击与减振功能的耦合，仅采用叶轮、节流转阀作为运动部件，且无刚性冲击力，工具结构简单，可靠性高。

为了实现上述目的，本发明所述液压式减振冲击钻井工具的主体结构包括上接头、壳体、螺帽、叶轮、节流转阀、隔板、螺栓、密封圈、活塞和下接头；上接头的两端均设有锥形螺纹；壳体的上端设有锥形螺纹，下端设有六方孔；上接头的上端通过锥形螺纹与外接的上部钻柱连接，下端通过锥形螺纹与壳体的上端连接，壳体下端的六方孔内安装有设置在活塞中部的六方轴；叶轮中心设有安装孔，安装孔周围安装叶片；叶轮通过螺帽安装在节流转阀上，节流转阀中部设有回流流道，回流流道下方设有凸起的定位台阶，节流转阀的中心流道末端开有节流口，节流口上方沿周向均匀设有六个压力孔；节流转阀通过定位台阶安装在隔板的中心孔内，隔板的四周设有螺纹安装孔，隔板下端的台阶上设有六个压力孔；螺栓通过隔板上的螺纹安装孔安装在壳体内壁上；活塞的上部为圆柱形凸台，圆柱形凸台中部设有安装密封圈的环形槽，圆柱形凸台上方为冲击面，活塞的下部设有锥形螺纹，下接头两端分别加工有锥形螺纹，活塞通过锥形螺纹与下接头的上端连接，下接头的下端与外接的钻头连接。

本发明实现减振冲击钻井的具体过程为：将上接头的上部通过锥形螺纹与上部钻柱连接，下接头通过下端的锥形螺纹与钻头连接；钻井液由上接头的中心孔流过并流经叶轮时，叶轮的叶片在钻井液的推动下旋转，同时带动节流转阀旋转；钻井液流过叶轮后依次通过节流转阀的回流流道、节流口、活塞的流道，最后通过下接头的流道到达钻头处；由于节流口的节流作用，钻井液在节流口上部钻井液压力显著大于节流口下部钻井液压力；当节流转阀在叶轮的带动下转动时，节流转阀上的压力孔与隔板上的压力孔周期性的连通-断开；当节流转阀上的压力孔与隔板上的压力孔连通时，隔板与活塞之间空腔内的钻井液压力升高，当节流转阀上的压力孔与隔板上的压力孔断开时，隔板与活塞之间空腔内的钻井液压力降低；节流转阀上的压力孔与隔板上的压力孔周期性的连通-断开使隔板与活塞之间空腔内的钻井液压力周期性的升高降低，从而使活塞上端面受到周期性变化的液压冲击力，该液压冲击力通过下接头传递到钻头上，实现液压式减振冲击钻井。

本发明通过调节节流转阀上的压力孔和隔板上的压力孔的数量调节冲击频率；或通过调节叶轮的叶片参数调节冲击频率；或通过调整节流转阀的节流口大小和活塞的冲击面面积调节冲击力幅值。

本发明当钻头发生垂直振动的时候，冲击面被液压力推着向下运动，继而会推着活塞、下接头以及钻头向下运动，防止钻头与井底岩石脱离，从而抑制跳钻，起到液压减振器的效果。

本发明与现有技术相比，其结构简单，操作方便，无刚性冲击，运动部件少，可靠性高，而且冲击力和冲击频率易于调节，冲击力大，冲击频率高，起到液压减振器的效果，保护钻头，使用寿命长。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明主体结构的B-B剖面图。

图3为本发明主体结构的C-C剖面图。

图4为本发明所述叶轮的结构原理示意图。

图5为本发明所述节流转阀的结构原理示意图。

图6为本发明所述隔板的结构原理示意图。

图7为本发明所述活塞的结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例所述液压式减振冲击钻井工具的主体结构包括上接头1、壳体2、螺帽3、叶轮4、节流转阀5、隔板6、螺栓7、密封圈8、活塞9和下接头10；上接头1的两端均设有锥形螺纹；壳体2的上端设有锥形螺纹，下端设有六方孔21；上接头1的上端通过锥形螺纹与外接的上部钻柱连接，下端通过锥形螺纹与壳体2的上端连接，壳体2下端的六方孔21内安装有设置在活塞中部的六方轴93；叶轮4中心设有安装孔41，安装孔41周围安装叶片42；叶轮4通过螺帽3安装在节流转阀5上，节流转阀5中部设有回流流道51，回流流道51下方设有凸起的定位台阶52，节流转阀5的中心流道末端开有节流口54，节流口54上方沿周向均匀设有六个压力孔53；节流转阀5通过定位台阶52安装在隔板6的中心孔63内，隔板6的四周设有螺纹安装孔61，隔板6下端的台阶上设有六个压力孔62；螺栓7通过隔板6上的螺纹安装孔61安装在壳体2内壁上；活塞9的上部为圆柱形凸台，圆柱形凸台中部设有安装密封圈8的环形槽92，圆柱形凸台上方为冲击面91，活塞9的下部设有锥形螺纹，下接头10两端分别加工有锥形螺纹，活塞9通过锥形螺纹与下接头10的上端连接，下接头10的下端与外接的钻头连接。

本实施例实现减振冲击钻井的具体过程为：将上接头1的上部通过锥形螺纹与上部钻柱连接，下接头10通过下端的锥形螺纹与钻头连接；钻井液由上接头1的中心孔流过并流经叶轮4时，叶轮4的叶片42在钻井液的推动下旋转，同时带动节流转阀5旋转；钻井液流过叶轮4后依次通过节流转阀5的回流流道51、节流口54、活塞9的流道，最后通过下接头10的流道到达钻头处；由于节流口54的节流作用，钻井液在节流口54上部钻井液压力显著大于节流口54下部钻井液压力；如图3所示，当节流转阀5在叶轮4的带动下转动时，节流转阀5上的压力孔53与隔板6上的压力孔62会周期性的连通-断开；当节流转阀5上的压力孔53与隔板6上的压力孔62连通时，隔板6与活塞9之间空腔内的钻井液压力升高，当节流转阀5上的压力孔53与隔板6上的压力孔62断开时，隔板6与活塞9之间空腔内的钻井液压力降低；节流转阀5上的压力孔53与隔板6上的压力孔62周期性的连通-断开使隔板6与活塞9之间空腔内的钻井液压力周期性的升高降低，从而使活塞9上端面受到周期性变化的液压冲击力，该液压冲击力通过下接头10传递到钻头上，实现液压式减振冲击钻井。

本实施例通过调节节流转阀5上的压力孔53和隔板6上的压力孔62的数量调节冲击频率；或通过调节叶轮4的叶片42参数调节冲击频率；或通过调整节流转阀5的节流口54大小和活塞9的冲击面91面积调节冲击力幅值。

本实施例当钻头发生垂直振动的时候，冲击面91被液压力推着向下运动，继而会推着活塞9、下接头10以及钻头向下运动，防止钻头与井底岩石脱离，从而抑制跳钻，起到液压减振器的效果。

Claims

1.一种液压式减振冲击钻井工具，其特征在于主体结构包括上接头、壳体、螺帽、叶轮、节流转阀、隔板、螺栓、密封圈、活塞和下接头；上接头的两端均设有锥形螺纹；壳体的上端设有锥形螺纹，下端设有六方孔；上接头的上端通过锥形螺纹与外接的上部钻柱连接，下端通过锥形螺纹与壳体的上端连接，壳体下端的六方孔内安装有设置在活塞中部的六方轴；叶轮中心设有安装孔，安装孔周围安装叶片；叶轮通过螺帽安装在节流转阀上，节流转阀中部设有回流流道，回流流道下方设有凸起的定位台阶，节流转阀的中心流道末端开有节流口，节流口上方沿周向均匀设有六个压力孔；节流转阀通过定位台阶安装在隔板的中心孔内，隔板的四周设有螺纹安装孔，隔板下端的台阶上设有六个压力孔；螺栓通过隔板上的螺纹安装孔安装在壳体内壁上；活塞的上部为圆柱形凸台，圆柱形凸台中部设有安装密封圈的环形槽，圆柱形凸台上方为冲击面，活塞的下部设有锥形螺纹，下接头两端分别加工有锥形螺纹，活塞通过锥形螺纹与下接头的上端连接，下接头的下端与外接的钻头连接。

2.根据权利要求1所述液压式减振冲击钻井工具，其特征在于采用该钻井工具实现减振冲击钻井的具体过程为：将上接头的上部通过锥形螺纹与上部钻柱连接，下接头通过下端的锥形螺纹与钻头连接；钻井液由上接头的中心孔流过并流经叶轮时，叶轮的叶片在钻井液的推动下旋转，同时带动节流转阀旋转；钻井液流过叶轮后依次通过节流转阀的回流流道、节流口、活塞的流道，最后通过下接头的流道到达钻头处；由于节流口的节流作用，钻井液在节流口上部钻井液压力显著大于节流口下部钻井液压力；当节流转阀在叶轮的带动下转动时，节流转阀上的压力孔与隔板上的压力孔周期性的连通-断开；当节流转阀上的压力孔与隔板上的压力孔连通时，隔板与活塞之间空腔内的钻井液压力升高，当节流转阀上的压力孔与隔板上的压力孔断开时，隔板与活塞之间空腔内的钻井液压力降低；节流转阀上的压力孔与隔板上的压力孔周期性的连通-断开使隔板与活塞之间空腔内的钻井液压力周期性的升高降低，从而使活塞上端面受到周期性变化的液压冲击力，该液压冲击力通过下接头传递到钻头上，实现液压式减振冲击钻井。

3.根据权利要求2所述液压式减振冲击钻井工具，其特征在于通过调节节流转阀上的压力孔和隔板上的压力孔的数量调节冲击频率；或通过调节叶轮的叶片参数调节冲击频率；或通过调整节流转阀的节流口大小和活塞的冲击面面积调节冲击力幅值。