CN108661551B - 基于叶轮与弹簧的扭转振动工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于叶轮与弹簧的扭转振动工具，由上接头、动力总成、传动轴、下接头和冲击总成组成；上接头上部与钻杆连接，下部与动力总成连接，动力总成在钻井液的冲击作用下产生高速旋转运动，进而依次带动传动轴、锤体固定腔旋转，锤体固定腔带动冲击锤转动，冲击锤旋转与下接头发生碰撞，产生冲击扭转振动。本发明中，冲击锤关于锤体固定腔的轴线对称安放，其旋转一次可提供两次扭转振动冲击作用，冲击锤在弹簧力的作用下和下接头不断出现周期性的周向碰撞。该工具产生的转动和冲击经下接头传递到钻头，为钻头提供动力，并使钻头产生高频单向周向振动，进而能有效的避免卡钻和粘滑现象产生，提高钻井效率。

Description

基于叶轮与弹簧的扭转振动工具

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气页岩气钻井、矿山开采、地质钻井等领域中的基于叶轮与弹簧的扭转振动工具。

背景技术

近年来，随着国家对石油天然气需求日益增加，同时对于页岩气的开采也是当今热点，也是一个挑战。因为在钻井过程中，常会因为司钻技术、经验问题以至于送钻不及时或送钻过快，或是因为井壁摩阻问题，造成施加给钻头的钻压不稳定，影响破岩效率，甚至有可能因为钻压突然增大而损坏钻头、崩裂钻头的切削齿等，影响钻进速度。另一方面PDC钻头在钻硬或研磨性地层时，通常没有足够的扭矩来破碎岩石，从而产生卡钻的现象，井下钻杆扭力释放导致钻头失效。油田深部地层岩石坚硬、研磨极值高，应用常规牙轮钻头钻进，单只钻头进尺少，需要多次起下钻且机械钻速较低；应用螺杆进行复合钻进时，由于深井中温度较高，螺杆寿命低、使用效果不理想；同时在钻探深井超深井中常出现粘滑振动现象，粘滑振动易造成钻具失效，导致机械钻速降低。此外，采用气体钻井技术钻进可较大程度提高机械钻速，但在地层出水的情况下易引起井下复杂情况发生，且气体钻井配套设备多，成本相对较大。

针对以上问题，国内外已尝试了多种工具，取得了一定的提速效果，其中高频扭转冲击类工具占提速工具的主导地位。现场实验和理论研究均表明，该类工具可以给钻头附加高频扭转冲击力，辅助钻头破岩，降低钻柱的粘滑现象，提高机械钻速，降低钻进成本，实现更大的经济效益，同时也更好地保证钻井的安全性。

发明内容

本发明的目的是：为了解决钻井过程中的钻头卡钻和钻柱的粘滑导致钻具失效和机械钻速较低的问题，特提供一种基于叶轮与弹簧的扭转振动工具，以克服现有技术的缺陷，提高钻进速度。该工具能有效保护钻头，降低成本，提高破岩效率，增加钻井效率。

本发明的技术方案是：基于叶轮与弹簧的扭转振动工具，其特征在于：所述的基于叶轮与弹簧的扭转振动工具由上接头、动力总成、传动轴、下接头和冲击总成组成；所述上接头上部与钻杆连接；所述动力总成包括叶轮壳体、锁母、叶轮、叶轮轴、密封圈a、轴承端盖、锁紧螺钉a、串轴承、导流套筒、密封圈b和垫圈a；所述叶轮壳体上部通过螺纹与上接头连接；叶轮通过花键连接的方式安装在叶轮轴上，并利用锁母轴向固定，叶轮轴通过螺纹与传动轴连接，叶轮轴和轴承端盖接触处由密封圈a进行密封，串轴承安装在叶轮轴的下部，并固定在导流套筒内，轴承端盖通过螺纹连接安装在导流套筒的端面，导流套筒和叶轮轴设有密封圈b，在导流套筒的端面为对称十字辐条形流道；在导流套筒圆周方向均布开有3个螺纹盲孔，在叶轮壳体安装导流套筒处圆周方向面开有3个均匀分布的螺纹孔，利用锁紧螺钉a将导流套筒固定在叶轮壳体上，导流套筒和传动轴之间安放有垫圈a；所述冲击总成包括锤体固定腔、弹簧、导向杆、冲击锤、挡板、垫圈b、锁紧螺钉b、垫圈c、锁紧螺母，下接头通过螺纹与上接头进行连接，锤体固定腔通过螺纹与传动轴进行连接，冲击锤通过锤体固定腔上开设的矩形通孔卡入锤体固定腔内，弹簧穿过导向杆，安装在对称安放的冲击锤中间，导向杆穿过锤体固定腔冲击锤上开设的通孔，通过其两端开设的螺纹与垫圈c、锁紧螺母进行配合，挡板通过垫圈b、锁紧螺钉b与锤体固定腔连接。

上述方案中，所述的基于叶轮与弹簧的扭转振动工具，其特征在于：所述密封圈a数量的为2件，锁紧螺钉a的数量为3件，弹簧的数量为8件，导向杆的数量为8件，冲击锤的数量为2件，垫圈b的数量为3件，锁紧螺钉b的数量为3件，垫圈c的数量为16件，锁紧螺母的数量为16件。

上述方案中，所述的基于叶轮与弹簧的扭转振动工具，其特征在于：冲击锤关于锤体固定腔的轴线对称安放，在冲击锤一次旋转过程中可以提供两次扭转振动冲击。

本发明的有益效果是：(1)通过叶轮和弹簧实现冲击作用，工作性能稳定可靠；(2)解决了钻井过程中井下钻具容易造成的遇阻或遇卡的难题；(3)该工具设计合理，性能可靠，产生周向冲击的有效保护钻头，消除钻头的粘滑和卡钻现象，提高机械钻速；(4)该工具适应性强，不仅可应用于深层直井，还可配合定向仪器应用于定向井和水平井中；(5)该工具有动作无死点，提供高频扭转冲击；(6)操作简单、寿命长、提速效果好等优点，配合PDC钻头使用可有效提高深井硬地层机械钻速。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明图1中的A-A剖面图。

图3是本发明图1冲击总成的内部结构图。

图4～7为本发明一个撞击周期过程，图4为冲击锤与下接头未碰撞；图5为冲击锤与下接头两碰撞面刚接触；图6为冲击锤与下接头碰撞过程中；图7为冲击锤与下接头两碰撞面刚脱离。

图中1.上接头，2.叶轮壳体，3.锁母，4.叶轮，5.叶轮轴，6.密封圈a，7.轴承端盖，8.锁紧螺钉a，9.串轴承，10.导流套筒，11.密封圈b，12.垫圈a，13.传动轴，14.下接头，15.锤体固定腔，16.弹簧，17.导向杆，18.冲击锤，19.挡板，20.垫圈b，21.锁紧螺钉b，22.垫圈c，23.锁紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明作进一步说明：参见附图，基于叶轮与弹簧的扭转振动工具，其特征在于：所述的基于叶轮与弹簧的扭转振动工具由上接头1、动力总成、传动轴13、下接头14和冲击总成组成；所述上接头1上部与钻杆连接；所述动力总成包括叶轮壳体2、锁母3、叶轮4、叶轮轴5、密封圈a6、轴承端盖7、锁紧螺钉a8、串轴承9、导流套筒10、密封圈b11和垫圈a12；所述叶轮壳体2上部通过螺纹与上接头1连接；叶轮4通过花键连接的方式安装在叶轮轴5上，并利用锁母3轴向固定，叶轮轴5通过螺纹与传动轴13连接，叶轮轴5和轴承端盖7接触处由密封圈a6进行密封，串轴承9安装在叶轮轴5的下部，并固定在导流套筒10内，轴承端盖7通过螺纹连接安装在导流套筒10的端面，导流套筒10和叶轮轴5设有密封圈b11，在导流套筒10的端面为对称十字辐条形流道；在导流套筒10圆周方向均布开有3个螺纹盲孔，在叶轮壳体2安装导流套筒10处圆周方向面开有3个均匀分布的螺纹孔，利用锁紧螺钉a8将导流套筒10固定在叶轮壳体2上，导流套筒10和传动轴13之间安放有垫圈a12；所述冲击总成包括锤体固定腔15、弹簧16、导向杆17、冲击锤18、挡板19、垫圈b20、锁紧螺钉b21、垫圈c22、锁紧螺母23，下接头14通过螺纹与上接头1进行连接，锤体固定腔15通过螺纹与传动轴13进行连接，冲击锤18通过锤体固定腔15上开设的矩形通孔卡入锤体固定腔15内，弹簧16穿过导向杆17，安装在对称安放的冲击锤18中间，导向杆17穿过锤体固定腔15冲击锤18上开设的通孔，通过其两端开设的螺纹与垫圈c22、锁紧螺母23进行配合，挡板19通过垫圈b20、锁紧螺钉b21与锤体固定腔15连接。

所述的基于叶轮与弹簧的扭转振动工具，其特征在于：所述密封圈a6的数量为2件，锁紧螺钉a8的数量为3件，弹簧16的数量为8件，导向杆17的数量为8件，冲击锤18的数量为2件，垫圈b20的数量为3件，锁紧螺钉b21的数量为3件，垫圈c22的数量为16件，锁紧螺母23的数量为16件。

所述的基于叶轮与弹簧的扭转振动工具，其特征在于：冲击锤18关于锤体固定腔15的轴线对称安放，在冲击锤18一次旋转过程中能够提供两次扭转振动冲击。

工作时，高压钻井液从上接头1流入，通过动力总成经过下壳体往下流动。当高压钻井液通过动力总成时，带动叶轮4高速旋转，叶轮4通过传动轴13带动锤体固定腔15旋转，锤体固定腔15再带动冲击锤18旋转，冲击锤18旋转时与下接头14发生碰撞，产生冲击扭转振动作用；如图4～7所示，当冲击锤18和下接头14发生碰撞时，对下壳体产生冲击扭转振动作用，此时，导向杆17上的弹簧16被压缩，冲击锤18在惯性力的作用下与下接头14产生碰撞并沿导向杆17向内移动一小段距离，从而绕过下接头14上的凸起部分，继续做旋转运动；当冲击锤18和下接头14分离时，冲击锤18在弹簧16的作用下又恢复到原来的状态，并继续旋转准备下一次的碰撞。这样冲击锤18的锤面与下接头14会不断出现周期性的周向碰撞，由此形成高频单向周向冲击。工具产生的转动和冲击经下接头14传递到钻头，实现为钻头提供动力，并使钻头产生高频单向周向振动的目的，进而对转头实现有效的保护，提高钻井效率。

Claims (1)

1.基于叶轮与弹簧的扭转振动工具，其特征在于：所述的基于叶轮与弹簧的扭转振动工具由上接头(1)、动力总成、传动轴(13)、下接头(14)和冲击总成组成；所述上接头(1)上部与钻杆连接；所述动力总成包括叶轮壳体(2)、锁母(3)、叶轮(4)、叶轮轴(5)、密封圈a(6)、轴承端盖(7)、锁紧螺钉a(8)、串轴承(9)、导流套筒(10)、密封圈b(11)和垫圈a(12)；所述叶轮壳体(2)上部通过螺纹与上接头(1)连接；叶轮(4)通过花键连接的方式安装在叶轮轴(5)上，并利用锁母(3)轴向固定，叶轮轴(5)通过螺纹与传动轴(13)连接，叶轮轴(5)和轴承端盖(7)接触处由密封圈a(6)进行密封，串轴承(9)安装在叶轮轴(5)的下部，并固定在导流套筒(10)内，轴承端盖(7)通过螺纹连接安装在导流套筒(10)的端面，导流套筒(10)和叶轮轴(5)设有密封圈b(11)，在导流套筒(10)的端面为对称十字辐条形流道；在导流套筒(10)圆周方向均布开有3个螺纹盲孔，在叶轮壳体(2)安装导流套筒(10)处圆周方向面开有3个均匀分布的螺纹孔，利用锁紧螺钉a(8)将导流套筒(10)固定在叶轮壳体(2)上，导流套筒(10)和传动轴(13)之间安放有垫圈a(12)；所述冲击总成包括锤体固定腔(15)、弹簧(16)、导向杆(17)、冲击锤(18)、挡板(19)、垫圈b(20)、锁紧螺钉b(21)、垫圈c(22)、锁紧螺母(23)，下接头(14)通过螺纹与上接头(1)进行连接，锤体固定腔(15)通过螺纹与传动轴(13)进行连接，冲击锤(18)通过锤体固定腔(15)上开设的矩形通孔卡入锤体固定腔(15)内，关于锤体固定腔(15)的轴线对称安放，在冲击锤(18)一次旋转过程中能够提供两次扭转振动冲击，弹簧(16)穿过导向杆(17)，安装在对称安放的冲击锤(18)中间，导向杆(17)穿过冲击锤(18)上开设的通孔，通过其两端开设的螺纹与垫圈c(22)、锁紧螺母(23)进行配合，挡板(19)通过垫圈b(20)、锁紧螺钉b(21)与锤体固定腔(15)连接；所述密封圈a(6)的数量为2件，锁紧螺钉a(8)的数量为3件，弹簧(16)的数量为8件，导向杆(17)的数量为8件，冲击锤(18)的数量为2件，垫圈b(20)的数量为3件，锁紧螺钉b(21)的数量为3件，垫圈c(22)的数量为16件，锁紧螺母(23)的数量为16件。