CN108678659A - 一种井下降摩低频冲击钻具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水平井水平段降低摩擦阻力，有效传递钻压，提高钻进效率的井下降摩低频冲击钻具。其技术方案是：所述钻具由外壳、隔液帽、轴承Ⅰ、连接轴Ⅰ、轴承Ⅱ、密封垫片、端盖、旋芯、支撑套、连接轴Ⅱ、螺旋转子和下接头组成。旋芯、支撑套和外壳构成液压腔室。旋芯、支撑套和外壳构成液压腔室。高压钻井液流经液压腔室后，冲击作用在螺旋转子上并驱动螺旋转子转动。同时，由液力的反向传递以及流体的粘性作用会带动旋芯转动。转动的旋芯会周期性的改变液压腔室的出口的大小以及液压腔室的开闭，使得作用在钻柱内部的压力产生周期性的脉动。最终改变水平段钻柱的受力状态，提高破岩效率。冲击钻具能产生轴向的低频脉动压力，尺寸较短，无冲击元件，更有利于水平钻井作业的钻压传递。

Description

一种井下降摩低频冲击钻具
技术领域
本发明涉及一种用于石油钻采开发过程中的液力冲击器，尤指一种钻井过程中用于降低摩擦阻力低频冲击钻具。
背景技术
当前水平井在我国的油气钻探中使用比例越来越高，主要原因是这种油气开发方式大大的提高了开发设备与地下油气的接触面积、有效地提高了流体的抽取效率。然而在水平井的钻进过程中,随着水平段的增加,井下摩阻大,钻压传递困难,作业效率低等问题凸显出来。因此滑动钻进过程的摩阻释放问题已经成为制约现代钻井快速安全钻井的技术瓶颈,摩阻释放问题已成为石油钻井领域重要的基础科学理论课题。
目前解决上述问题的一种方法是使用液力冲击器，即使用特定的工具给水平钻柱施加周期性的压力波动，使水平钻柱的受力状态由静摩擦变为动摩擦，从而提高使得钻压有效传递。已有的液力冲击器大多具有液压活塞缸和换向阀，利用液压推动其中的冲击元件做周期性的冲击振动。但是，这种液力冲击器中的冲击元件很容易失效。同时，这种液力冲击器产生的冲击载荷具有极大的不均匀性，不利于提高破岩效率。
此外，已有的液力冲击器成本较高而且整体的尺寸过于庞大，无法得到广泛的运用。这在一定程度上制约着水平井的钻进速率和油气藏的开发效率。
发明内容
基于以上工程背景,本发明提供了一种井下降摩低频冲击钻具。冲击钻具利用内部的旋芯、支撑套和外壳构成液压腔室。高压钻井液流经液压腔室后，冲击作用在螺旋转子上并驱动螺旋转子转动。同时，由液力的反向传递以及流体的粘性作用会带动旋芯转动。转动的旋芯会周期性的改变液压腔室的出口的大小以及液压腔室的开闭，使得作用在钻柱内部的压力产生周期性的脉动。最终改变水平段钻柱的受力状态，提高破岩效率。
本发明所采用的其技术方案是：一种井下降摩低频冲击钻具，包括：外壳、隔液帽、轴承Ⅰ、连接轴Ⅰ、轴承Ⅱ、密封垫片、端盖、旋芯、支撑套、连接轴Ⅱ、螺旋转子和下接头组成；外壳上部与钻杆采用螺纹连接，下部与支撑套螺纹连接；隔液帽与支撑套螺纹连接、螺钉连接或焊接；轴承Ⅰ装于支撑套的上端上孔内部，外圈与支撑套过盈配合，其通过支撑套的台阶和隔液帽的台阶轴向定位；连接轴Ⅰ装在轴承Ⅰ和轴承Ⅱ内部，上端通过自身的台阶与轴承Ⅰ内圈台阶轴向定位；连接轴Ⅰ与轴承Ⅰ和轴承Ⅱ内圈过盈配合；轴承Ⅱ装在支撑套的上端下孔内部，外圈与支撑套过盈配合，其通过支撑套的台阶和端盖的台阶轴向定位；密封垫片套在连接轴Ⅰ上，并装在端盖的内台阶孔与轴承Ⅱ之间；端盖与支撑套螺纹连接；旋芯装于支撑套的中部内腔中，旋芯外壁与支撑套中部内壁间隙配合；旋芯上端与连接轴Ⅰ螺纹连接或焊接；支撑套下端上部与外壳螺纹连接；连接轴Ⅱ用于连接旋芯与螺旋转子，上端与旋芯螺纹连接或焊接，下端与螺旋转子自由连接；连接轴Ⅱ下端有用于防止螺旋转子掉落的台阶；下接头上部与支撑套下端下部螺纹连接或焊接；下接头下部与钻杆螺纹连接。
连接轴Ⅰ上端有用于与轴承Ⅰ内圈接触而轴向限位的凸台阶，隔液帽内部有用于放置连接轴Ⅰ上端凸台阶的凹台阶孔。
密封垫片中心孔与接轴Ⅰ间隙配合，密封垫片可选择2~4层。
端盖内部有用于安装密封垫片的凹台阶孔，端部有用于通过连接轴Ⅰ的较小内孔。
旋芯上端具有用于安装连接轴Ⅰ的内孔，下端具有用于安装连接轴Ⅱ的内孔；旋芯圆周外表面沿周向均匀布有2~4组槽道；每个槽道截面形状可为圆弧或者矩形；旋芯的邻组槽道之间互不贯通。
旋芯的同组槽道沿着旋芯轴向的等距布置3~5个，且每个槽道起始位置边缘连线平行于旋芯的中心轴线；每个槽道呈螺旋状分布，螺旋倾角20°~40°；每组最下端的2个槽道贯通到旋芯的下圆柱底面上，最上端的1~3个槽道不贯通到旋芯的下圆柱底面上；旋芯的同组槽道之间互不贯通。
支撑套上端具有用于安装隔液帽、轴承Ⅰ、连接轴Ⅰ、轴承Ⅱ和端盖的内台阶孔和内螺纹；支撑套中部具有内腔，用于安装旋芯；支撑套下端上部外表面具有与外壳配合的外螺纹，下端下部具有与下接头配合的内台阶孔或内螺纹。
支撑套中部表壳上在圆周方向上均匀分布2~4组与旋芯槽道相对应的液流通孔；每个液流通孔可为圆孔，矩形孔或圆角矩形孔；支撑套的同组液流通孔与旋芯槽道相对应，沿着支撑套轴向的等距布置3~5个，且每个液流通孔中心连线平行于支撑套的轴线。
旋芯的每组槽道自上而下与支撑套的每组液流通孔自上而下在轴线方向上依次具有重合区域。
旋芯与螺旋转子之间在轴线上有5~10mm的间隙；旋芯的槽道螺旋方向与螺旋转子的螺旋方向相反。
与现有技术相比,本发明具有以下特点：
1)利用液压驱动，合理地设计了两级转动元件，使得经过工具产生的压力脉动稳定，冲击频率相对较低，冲击载荷的均匀性较好；
2)冲击作用仅靠液压作用产生，产生的作用力具有柔性特点，有利于延长工具的寿命；
3）该发明内部无冲击元件，能减少由于冲击元件损坏而导致钻具失效的概率；
4）整体尺寸较短，质量轻便，能够安装在距离钻头较近的地方，从源头上提高水平井的钻进速率。
附图说明
图1为本发明一个实施例所述的液力冲击器的剖视结构示意图，其中图A-A为旋芯上的液流槽道与支撑套上的液流孔相互错开使得液压腔室关闭时的断面示意图，图B-B为旋芯上的液流槽道与支撑套上的液流孔重合使得液压腔室开启时的断面示意图；
图2为隔液帽零件的结构示意图；
图3为端盖零件的结构示意图；
图4为旋芯零件的结构示意图；
图5为支撑套零件的结构示意图；
图6为支撑套零件的C-C断面示意图；
图7为螺旋转子零件的结构示意图；
图8为下接头零件的结构示意图；
图中:1.外壳；2.隔液帽；3.轴承Ⅰ；4.连接轴Ⅰ；5.轴承Ⅱ；6.密封垫片；7.端盖；8.旋芯；9.支撑套；10.连接轴Ⅱ；11.螺旋转子；12.下接头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施。因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合附图描述本发明一些实施例的冲击钻具。
本发明提供的液力冲击器,如图1所示,包括：外壳1、隔液帽2、轴承Ⅰ3、连接轴Ⅰ4、轴承Ⅱ5、密封垫片6、端盖7、旋芯8、支撑套9、连接轴Ⅱ10、螺旋转子11和下接头12组成；所述外壳1上部与钻杆采用螺纹连接，下部与所述支撑套9螺纹连接；所述隔液帽2与所述支撑套9螺纹连接；所述轴承Ⅰ3装于所述支撑套9的上端上孔内部，外圈与所述支撑套9过盈配合，其通过所述支撑套9的台阶和所述隔液帽2的台阶轴向定位；所述连接轴Ⅰ4装在所述轴承Ⅰ3和轴承Ⅱ5内部，上端通过自身的台阶与所述轴承Ⅰ3内圈台阶轴向定位；所述连接轴Ⅰ4与所述轴承Ⅰ3和轴承Ⅱ5内圈过盈配合；所述轴承Ⅱ5装在所述支撑套9的上端下孔内部，外圈与所述支撑套9过盈配合，其通过所述支撑套9的台阶和所述端盖7的台阶轴向定位；所述密封垫片6套在所述连接轴Ⅰ4上，并装在所述端盖7的内台阶孔与所述轴承Ⅱ5之间；所述端盖7与所述支撑套9螺纹连接；所述旋芯8装于所述支撑套9的中部内腔中，所述旋芯8外壁与所述支撑套9中部内壁间隙配合；所述旋芯8上端与所述连接轴Ⅰ4螺纹连接；所述支撑套9下端上部与所述外壳1螺纹连接；所述连接轴Ⅱ10用于连接所述旋芯8与所述螺旋转子11，上端与所述旋芯8螺纹连接，下端与所述螺旋转子11自由连接；所述连接轴Ⅱ10下端有用于防止所述螺旋转子11掉落的台阶；所述下接头12上部与所述支撑套9下端下部焊接；所述下接头12下部与钻杆螺纹连接。
所述密封垫片6中心孔与所述接轴Ⅰ4间隙配合，密封垫片为2层。
所述旋芯8圆周外表面沿周向均匀布有3组槽道，如图4所示；每个槽道截面形状为圆弧形；所述旋芯8的同组槽道沿着所述旋芯8轴向等距布置4个，螺旋倾角为30°；每组最下端的2个槽道贯通到所述旋芯8的下圆柱底面上，最上端的2个槽道不贯通到所述旋芯8的下圆柱底面上。
所述支撑套9中部表壳上在圆周方向上均匀分布3组与所述旋芯8槽道相对应的液流通孔，如图5~6所示；每个液流通孔为矩形孔；所述支撑套9的同组液流通孔与所述旋芯8槽道相对应，沿着所述支撑套9轴向的等距布置4个。
所述旋芯8与所述螺旋转子11之间在轴线上有5mm的间隙；所述旋芯8的槽道螺旋方向与所述螺旋转子11的螺旋方向相反。
冲击钻具的工作原理如下：
在初始状态下，所述支撑套9上的液流孔与所述旋芯8上的液流槽道相正对，如图1中B-B所示。来自上部钻柱的内腔中的高压流体经所述外壳1的上部液流入口进入所述外壳1的内腔后,作用在所述隔液帽2上后进入支撑套的中部。并经过所述支撑套9的液流孔进入所述旋芯8外表面的液流槽道。由于所述旋芯8的每组最下端的2个槽道贯通到所述旋芯8的下圆柱底面上，因此这两个槽道上的流体会沿着槽道的螺旋方向冲击到所述螺旋转子11的叶片上，使所述螺旋转子11转动。
随后，在流体的冲击下，所述螺旋转子11转的越来越快。同时，一方面由于所述旋芯8的液流槽道的螺旋方向与所述螺旋转子11的螺旋方向相反，因此，部分液体会回溅到所述旋芯8的槽道的侧表面这就使得流体对旋芯产生了一个扭转反作用力。另一方面，由于所述旋芯8与所述螺旋转子11之间在轴线上有5mm的间隙，这部分区域会充满流体。由于流体具有粘性作用，快速转动的所述螺旋转子11会通过间隙之间的流体对所述旋芯8下底面施加一个沿圆周方向上的扭转“拉扯力”。这两部分的力就会使得所述所述旋芯8产生一个与所述螺旋转子11方向相同但永远滞后于所述螺旋转子11转速的旋转运动。
随着所述旋芯8的旋转，所述旋芯8上的液流槽道与所述支撑套9上的液流小孔逐渐错开，使得由所述旋芯8、所述支撑套9和所述外壳1组成的液压腔室的开度逐渐减小，并最终变为全关闭状态，如图1中A-A所示。在这个过程中，作用在液压腔室上的液压力由最小逐渐过渡到最大。同时，在液压腔室关闭之后，所述旋芯8由于自身的惯性和所述螺旋转子11的继续作用继续旋转，使得所述旋芯8上下一组相邻的液流槽道与所述支撑套9上的液流孔逐渐重合，这时由所述旋芯8、所述支撑套9和所述外壳1组成的液压腔室的开度逐渐增大，并最终变为全开状态，如图1中B-B所示。在这个过程中，作用在液压腔室上的液压力由最大释放到最小。这样，液压腔室的状态在全开与全闭之间做周期性的转换，作用在液压腔室上的液压力沿着工具轴向周期性的传递给钻柱，实现冲击动作。
同时，由于所述旋芯8与所述螺旋转子11在液压力的作用下产生不均匀的转动，使得工具本身会产生振动，这也有利于改善钻柱与井壁之间的接触状态与受力状态更有利于钻压的传递。
所述冲击钻具利用液压驱动，合理地设计了两级转动元件，使得经过工具产生的压力脉动稳定，冲击频率相对较低，冲击载荷的均匀性较好；所述冲击钻具的冲击作用仅靠液压作用产生，产生的作用力具有柔性特点，有利于延长工具的寿命；且所述冲击钻具内部无冲击元件，能减少由于冲击元件损坏而导致钻具失效的概率；此外，所述冲击钻具整体尺寸较短，质量轻便，能够安装在距离钻头较近的地方，从源头上提高水平井的钻进速率。

Claims (10)

1.一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，包括：外壳1、隔液帽2、轴承Ⅰ3、连接轴Ⅰ4、轴承Ⅱ5、密封垫片6、端盖7、旋芯8、支撑套9、连接轴Ⅱ10、螺旋转子11和下接头12组成；所述外壳1上部与钻杆采用螺纹连接，下部与所述支撑套9螺纹连接；所述隔液帽2与所述支撑套9螺纹连接、螺钉连接或焊接；所述轴承Ⅰ3装于所述支撑套9的上端上孔内部，外圈与所述支撑套9过盈配合，其通过所述支撑套9的台阶和所述隔液帽2的台阶轴向定位；所述连接轴Ⅰ4装在所述轴承Ⅰ3和轴承Ⅱ5内部，上端通过自身的台阶与所述轴承Ⅰ3内圈台阶轴向定位；所述连接轴Ⅰ4与所述轴承Ⅰ3和轴承Ⅱ5内圈过盈配合；所述轴承Ⅱ5装在所述支撑套9的上端下孔内部，外圈与所述支撑套9过盈配合，其通过所述支撑套9的台阶和所述端盖7的台阶轴向定位；所述密封垫片6套在所述连接轴Ⅰ4上，并装在所述端盖7的内台阶孔与所述轴承Ⅱ5之间；所述端盖7与所述支撑套9螺纹连接；所述旋芯8装于所述支撑套9的中部内腔中，所述旋芯8外壁与所述支撑套9中部内壁间隙配合；所述旋芯8上端与所述连接轴Ⅰ4螺纹连接或焊接；所述支撑套9下端上部与所述外壳1螺纹连接；所述连接轴Ⅱ10用于连接所述旋芯8与所述螺旋转子11，上端与所述旋芯8螺纹连接或焊接，下端与所述螺旋转子11自由连接；所述连接轴Ⅱ10下端有用于防止所述螺旋转子11掉落的台阶；所述下接头12上部与所述支撑套9下端下部螺纹连接或焊接；所述下接头12下部与钻杆螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，所述连接轴Ⅰ4上端有用于与所述轴承Ⅰ3内圈接触而轴向限位的凸台阶，所述隔液帽2内部有用于放置所述连接轴Ⅰ4上端凸台阶的凹台阶孔。
3.根据权利要求1所述的一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，所述密封垫片6中心孔与所述接轴Ⅰ4间隙配合，所述密封垫片6可有2~4层。
4.根据权利要求1所述的一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，所述端盖7内部有用于安装所述密封垫片6的凹台阶孔，端部有用于通过所述连接轴Ⅰ4的较小内孔。
5.根据权利要求1所述的一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，所述旋芯8上端具有用于安装所述连接轴Ⅰ4的内孔，下端具有用于安装所述连接轴Ⅱ10的内孔；所述旋芯8圆周外表面沿周向均匀布有2~4组槽道；每个槽道截面形状可为圆弧或者矩形；所述旋芯8的邻组槽道之间互不贯通。
6.根据权利要求1所述的一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，所述旋芯8的同组槽道沿着所述旋芯8轴向的等距布置3~5个，且每个槽道起始位置边缘连线平行于所述旋芯8的中心轴线；每个槽道呈螺旋状分布，螺旋倾角20°~40°；每组最下端的2个槽道贯通到旋芯的下圆柱底面上，最上端的1~3个槽道不贯通到旋芯的下圆柱底面上；所述旋芯8的同组槽道之间互不贯通。
7.根据权利要求1所述的一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，所述支撑套9上端具有用于安装所述隔液帽2、轴承Ⅰ3、连接轴Ⅰ4、轴承Ⅱ5和端盖7的内台阶孔和内螺纹；所述支撑套9中部具有内腔，用于安装所述旋芯8；所述支撑套9下端上部外表面具有与所述外壳1配合的外螺纹，下端下部具有与所述下接头12配合的内台阶孔或内螺纹。
8.根据权利要求1所述的一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，所述支撑套9中部表壳上在圆周方向上均匀分布2~4组与所述旋芯8槽道相对应的液流通孔；每个液流通孔可为圆孔，矩形孔或圆角矩形孔；所述支撑套9的同组液流通孔与所述旋芯8槽道相对应，沿着所述支撑套9轴向的等距布置3~5个，且每个液流通孔中心连线平行于所述支撑套9的轴线。
9.根据权利要求1所述的一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，所述旋芯8的每组槽道自上而下与所述支撑套9的每组液流通孔自上而下在轴线方向上依次具有重合区域。
10.根据权利要求1所述的一种井下降摩低频冲击钻具，其特征在于，所述旋芯8与所述螺旋转子11之间在轴线上有5~10mm的间隙；旋芯8的槽道螺旋方向与所述螺旋转子11的螺旋方向相反。
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