CN108708672B - 一种周向轴向负压冲击提速工具 - Google Patents

一种周向轴向负压冲击提速工具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种周向轴向负压冲击提速工具，包括外筒、定阀座、定阀片、动阀片、冲击筒、冲击锤、换向阀、球轴承；工具内设有互为换向控制的主阀和控制阀，其中冲击筒内壁面和冲击锤外壁面构成主阀，冲击锤内壁面和换向阀外壁面构成控制阀，在钻井液的驱动下冲击锤和换向阀作往复摆动，工具内还设有动定阀组，动阀与冲击锤固定连接，通过冲击锤的摆动，动定阀组实现中心流道的开启和关闭。通过采用以上的结构，具有以下的有益效果：通过冲击锤的往复冲击，对钻头施加一个周向的、高频的冲击，显著改善钻头的粘滑振动现象；通过动定阀组对钻柱流道的周期性开启关闭，在井底形成瞬时负压脉冲，减少压持和重复破碎，实现负压脉冲钻井，提高机械钻速。

Description

一种周向轴向负压冲击提速工具
本申请是申请号为：201610550617X、发明创造名称为：一种周向轴向负压冲击提速工具、申请日为：2016年07月14日的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及石油、天然气开采钻井提速技术领域，是一种提高钻井速度的周向轴向负压冲击工具。
背景技术
随着钻井难度、钻井深度的不断增加，特别是深井、超深井，机械钻速低、钻井周期长、钻井费用高的问题尤为显著，提高钻头破岩效率、提高钻井速度、缩短周期是钻井技术一直追求的目标。
钻井提速最重要的一步是提高破碎效率，脉冲射流技术是一种被现场印证的有效提高破岩效率的技术，脉冲射流提速技术通过将钻井液连续流动转换成一定频率的间歇流动，改变井底岩屑床的分布，提高了井底岩屑上返速度，避免岩屑的重复破碎，同时产生轴向的冲击，有效的提高机械钻速。现有的脉冲射流提速工具如中国专利CN202152634U频率可调脉冲射流提速工具、CN205025358U产生脉冲射流的共轭旋转密封阀所描述，其结构都采用涡轮作为驱动阀盘旋转的动力，实现对钻柱内流道的启闭，在液压力的作用下，产生轴向向下的冲击力，从而提高机械钻速，但是PDC钻头在钻进中屡屡出现蹦齿等现象。针对PDC钻头因粘滑振动出现的易蹦齿问题，国际上阿特拉公司提出的Torkbuster扭转冲击器，通过工具内部产生高频周期性的扭转冲击，使钻头持续切削地层，消除粘滑振动提高钻井速度；现有的扭力冲击提速工具如中国专利CN205135405U频率可调扭力冲击提速工具、CN204984255U扭力冲击提速工具所描述，其结构采用冲击锤体和转换体交替运动，冲击锤体产生周期性的周向锤击力使钻头持续切屑地层，但是其流道结构复杂，冲击锤产生锤击力有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种周向轴向负压冲击提速工具，同时具备扭力冲击器和脉冲射流钻井的性能，进一步提高钻井速度，优选的方案中，能够实现对钻头的高频周向和轴向冲击，产生井底负压，实现局部欠平衡钻井，解决现有技术中脉冲射流技术中PDC钻头的粘滑振动问题和扭转冲击工具中其周向冲击力小的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种周向轴向负压冲击提速工具，包括外筒、定阀座、定阀片、动阀片、冲击筒、冲击锤、换向阀、球轴承，其特征是：
一种周向轴向负压冲击提速工具内设有互为换向控制的主阀和控制阀，其冲击筒内壁面和冲击锤外壁面构成主阀，冲击锤内壁面和换向阀外壁面构成控制阀；冲击筒外壁面设有3个高压导流槽和3个导流孔，内壁面设有冲击锤槽和低压导流槽，其低压导流槽与中心流道连通；
冲击锤外壁设有凸起的锤体，锤体内设有导流槽和导流孔，锤体两侧设有导流孔，冲击锤内壁设有凸起的挡体，挡体两侧设有导流孔；换向阀外壁设有导流槽和两泄流槽，泄流槽通过导流孔与中心流道连通；
一种周向轴向负压冲击提速工具内还设有动定阀组，其动阀片固定在冲击锤上，定阀片固定在定阀座上，定阀座与冲击筒固定连接。
所述的冲击锤的锤体置于冲击筒的冲击锤槽内，将其分割为两个锤体液腔；
所述的换向阀置于冲击锤内，冲击锤的挡体置于换向阀的挡体槽内，将其分割为两个换向阀液腔。
所述的动阀片和定阀片上各均布4个导流孔。
所述的定阀座上部圆筒设有导流孔。
所述的外筒和冲击筒通过花键块连接传递扭矩，花键块之间设有间隙。
本发明提供的一种周向轴向负压冲击提速工具，通过采用以上的结构，具有以下的有益效果：
1、采用互为换向控制的主阀和控制阀结构，其中冲击筒内壁面和冲击锤外壁面构成主阀，冲击锤内壁面和换向阀外壁面构成控制阀，使冲击锤在锤体槽内周期性的往复摆动，通过冲击锤驱动动阀片的旋转，实现对钻柱内流道的开启和关闭，实现脉冲射流钻井，能避免涡轮驱动易产生的憋死问题和采用弹簧等弹性元件引起的工具寿命较短的问题，大大提高工具的可靠性和工具的的工作寿命。
2、采用启闭的动定阀组的结构，当动定阀组完全关闭时，产生的冲击压力远比扭力冲击工具中喷嘴的节流压力大，可以有效解决扭力冲击工具冲击扭矩小的问题，提高工具的周向冲击，进一步降低PDC钻头的粘滑振动。
3、本发明装置结构简单、长度短，采用全金属结构，具有使用寿命长的优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的主视结构剖视示意图。
图2为本发明的另一主视结构剖视示意图。
图3为本发明中图1的A-A向剖视图。
图4为本发明中图1的B-B向剖视图。
图5为本发明中冲击筒的立体示意图。
图6为本发明中冲击锤的立体示意图。
图7为本发明中换向阀的立体示意图。
图8为本发明中动定阀组的立体示意图。
图9为本发明中图1的A-A向剖视的冲击筒、冲击锤、换向阀的第一种位置图示意图。
图10为本发明中图1的A-A向剖视的冲击筒、冲击锤、换向阀的第二种位置图示意图。
图11为本发明中图1的A-A向剖视的冲击筒、冲击锤、换向阀的第三种位置图示意图。
图12为本发明中图1的A-A向剖视的冲击筒、冲击锤、换向阀的第四种位置图示意图。
图中：外筒1，定阀座2，定阀片3，定阀进液孔301，动阀片4，动阀进液孔401，冲击筒5，冲击锤6，换向阀7，球轴承8，高压导流槽9，导流槽10，换向阀导流槽11，锤体液腔12，锤体液腔13，换向阀泄流槽14，中心流道15，换向阀液腔16，低压导流槽17，换向阀液腔18，高压流体经导流孔19，冲击锤槽20，导流孔21，花键块22，冲击锤锤体23，冲击锤挡体24，导流孔25，导流孔26，导流孔27，导流孔28，换向阀挡体槽29，间隙30，外筒花键31。
具体实施方式
如图1-2中，一种周向轴向负压冲击提速工具，包括外筒1、定阀座2、定阀片3、动阀片4、冲击筒5、冲击锤6、换向阀7、球轴承8；
如图3中，一种周向轴向负压冲击提速工具内设有互为换向控制的主阀和控制阀，其冲击筒5内壁面和冲击锤6外壁面构成主阀，冲击锤6内壁面和换向阀7外壁面构成控制阀；
如图5中，冲击筒5外壁面设有三个高压导流槽9和三个导流孔21，内壁面设有冲击锤槽20和低压导流槽17,其低压导流槽17与中心流道15连通；
如图6中，冲击锤6外壁设有凸起的锤体23，锤体23内设有导流槽10和导流孔25，锤体23两侧设有导流孔26，冲击锤6内壁设有凸起的挡体24，挡体24两侧设有导流孔27；
如图7中，换向阀7外壁设有导流槽11和两泄流槽14，泄流槽14通过导流孔28与中心流道15连通；
如图1、2中，一种周向轴向负压冲击提速工具内还设有动定阀组，其动阀片4固定在冲击锤6上，定阀片3固定在定阀座2上，定阀座2与冲击筒5固定连接。
如图3、5、6中，所述的冲击锤6的锤体23置于冲击筒5的冲击锤槽20内，将其分割为两个锤体液腔12和13；
如图3、6、7中，所述的换向阀7置于冲击锤6内，冲击锤6的挡体24置于换向阀7的挡体槽29内，将其分割为两个换向阀液腔16和18。
如图8中，所述的动阀片4和定阀片3上各均布4个导流孔301和401，通过旋转动阀片4使动阀片4上的导流孔401和定阀片3上的导流孔301连通和关闭。
如图1、2中，所述的定阀座2上部圆筒设有导流孔19。
如图4中，所述的外筒1和冲击筒5通过花键块22和外筒花键31连接传递扭矩，花键块22和31之间设有间隙30。
如图9～12中，为冲击筒、冲击锤、换向阀的四种位置图。
该周向轴向负压冲击提速工具工作原理如下：
工作时钻柱驱动外筒1旋转，外筒花键31和冲击筒5的花键22配合，带动冲击筒5上的钻头旋转；钻井液经定阀片3、动阀片4流入中心流道15，由于动定阀片的孔板结构的节流作用，动定阀组上部压力大于下部的压力。
如图3、9中，动定阀组上部的高压流体经导流孔19、导流槽9和导流孔21进入冲击锤6的导流槽10，然后经导流孔25、换向阀7的导流槽11和导流孔26进入锤体液腔12；锤体液腔13经导流孔26、泄流槽14和导流孔28与动定阀组下部的中心流道15连通，其中锤体液腔12为高压腔，锤体液腔13为低压腔，冲击锤6在两侧压力差的作用下逆时针旋转，同时带动固定在冲击锤6上的动阀片4旋转，动定阀组逐渐关闭，锤体液腔12和13之间的压力差随之增加，冲击锤6锤击冲击筒5时，动定阀组完全关闭，作用在冲击锤6上的锤击力最大；由于冲击锤6内壁凸起的挡体24的作用，带动换向阀7一起旋转至图10的位置。
如图3、10中，换向阀液腔16经导流孔27、导流孔21和导流槽9与换向阀上部连通，换向阀液腔16为高压腔；换向阀液腔18经导流孔27、导流槽17与中心流道15连通，换向阀液腔18为低压腔；换向阀7在两侧压力差的驱动下逆时针旋转至图11位置。
如图3、11中，动定阀上部的高压流体经导流孔19、导流槽9和导流孔21进入冲击锤6的导流槽10，然后经导流孔25、换向阀7的导流槽11和导流孔26进入锤体液腔13，锤体液腔13为高压腔；锤体液腔12经导流孔26、泄流槽14和导流孔28与动定阀组下部的中心流道15连通，锤体液腔12为低压腔；冲击锤6在锤体23两侧压差作用下顺时针旋转，同时带动动阀片和换向阀旋转至图12位置，动定阀组开启。
如图3、12中，换向阀液腔18经导流孔27、导流孔21和导流槽9与换向阀上部连通，换向阀液腔18为高压腔；换向阀液腔16经导流孔27、导流槽17与中心流道15连通，换向阀液腔16为低压腔；换向阀7在两侧压力差的驱动下顺时针旋转至图9位置。
该周向轴向负压冲击提速工具经图9-10-11-12-9的一个周期的循环，冲击锤6完成一次正向冲击、一次反向冲击，动定阀组完成一次启闭，实现钻柱内流道的一次启闭。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种周向轴向负压冲击提速工具，包括外筒(1)、定阀座(2)、定阀片(3)、动阀片(4)、冲击筒(5)、冲击锤(6)、换向阀(7)、球轴承(8)，其特征是：周向轴向负压冲击提速工具内设有互为换向控制的主阀和控制阀，其冲击筒(5)内壁面和冲击锤(6)外壁面构成主阀，冲击锤(6)内壁面和换向阀(7)外壁面构成控制阀；冲击筒(5)外壁面设有3个高压导流槽(9)和3个第一导流孔，内壁面设有冲击锤槽(20)和低压导流槽(17)，其低压导流槽(17)与中心流道(15)连通；冲击锤(6)外壁设有凸起的锤体(23)，锤体(23)内设有导流槽(10)和第二导流孔，锤体(23)两侧设有第三导流孔，冲击锤(6)内壁设有凸起的挡体(24)，挡体(24)两侧设有第四导流孔；换向阀(7)外壁设有导流槽(11)和两泄流槽(14)，泄流槽(14)通过第五导流孔与中心流道(15)连通 ；周向轴向负压冲击提速工具内还设有动定阀组，其动阀片(4)固定在冲击锤(6)上，定阀片(3)固定在定阀座(2)上，定阀座(2)与冲击筒(5)固定连接所述的冲击锤(6)的锤体(23)置于冲击筒(5)的冲击锤槽(20)内，将其分割为两个锤体液腔(12，13)；所述的换向阀(7)置于冲击锤(6)内，冲击锤(6)的挡体(24)置于换向阀(7)的挡体槽(29)内，将其分割为两个换向阀液腔(16，18)；所述球轴承(8)设于外筒(1)的内壁和冲击筒(5)的外壁之间，且位于低压导流槽(17)的下方；所述的定阀座(2)上部圆筒设有第六导流孔。
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