CN109025827B - 一种钻井提速用液力扭转脉冲冲击器 - Google Patents

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    • E21B7/00Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/24Drilling using vibrating or oscillating means, e.g. out-of-balance masses

Abstract

本发明涉及石油钻井技术领域,特别涉及一种钻井提速用液力扭转脉冲冲击器。该装置的悬挂外筒内部设置悬挂内筒,悬挂内筒在悬挂外筒内部能够旋转,悬挂内筒上部设计为液动冲击座,液动冲击座内壁对称开有两个扇形动力腔,液动冲击座外壁上设计有多条流通槽Ⅱ,该流通槽Ⅱ与液动冲击座侧壁上的流通通道相连通,液动冲击座上端连接上分流压盖。本发明实现了周向上给PDC钻头提供高频扭转冲击力,轴向上提供脉冲冲击力,进而用来辅助钻头破岩,降低钻柱粘滑,提高机械钻速,工具结构简单,易损件少,巧妙的将钻井液能量转化为机械能来提高钻井速度、延长钻头使用寿命。

Description

一种钻井提速用液力扭转脉冲冲击器
技术领域:
本发明涉及石油钻井技术领域,特别涉及一种钻井提速用液力扭转脉冲冲击器。
背景技术:
在油田深井、超深井钻井作业过程中,由于地层岩石抗压抗剪强度大,使用常规牙轮钻头寿命低,需多次起下钻,进而增加钻井周期,影响钻井时效。当使用PDC钻头时,由于PDC钻头特有的切削原理,往往会使钻柱产生粘滑现象,钻柱扭转发生剧烈震荡,从而导致PDC钻头急剧磨损,造成井眼形状不规则等,容易引发井下事故,甚至造成PDC钻头失效。
目前,国内外针对深井钻井提速提效技术配套研制了多种类似工具,此类工具往往只能产生轴向冲击力或者只能产生周向冲击力,且效果并不理想。
发明内容:
本发明要解决的技术问题是提供一种钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,该装置实现了周向上给PDC钻头提供高频扭转冲击力,轴向上提供脉冲冲击力,进而用来辅助钻头破岩,降低钻柱粘滑,提高机械钻速,工具结构简单,易损件少,巧妙的将钻井液能量转化为机械能来提高钻井速度、延长钻头使用寿命。克服了现有钻井提速工具只能产生轴向冲击力或者只能产生周向冲击力,且使用效果不理想的不足。
本发明所采取的技术方案是:一种钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,包括悬挂外筒;悬挂外筒内部设置悬挂内筒,悬挂内筒在悬挂外筒内部能够旋转,悬挂内筒上部设计为液动冲击座,液动冲击座内壁对称开有两个扇形动力腔,液动冲击座外壁上设计有多条流通槽Ⅱ,该流通槽Ⅱ与液动冲击座侧壁上的流通通道相连通,液动冲击座上端连接上分流压盖;
该上分流压盖设计有中心通道,上分流压盖侧壁上设有分流通道,该分流通道与上述中心通道和上分流压盖外部形成的高压腔相连通,上分流压盖外壁上设计有多条与流通槽Ⅱ和上述高压腔相通的流通槽Ⅰ;
液动冲击座内部设置液动冲击锤,液动冲击锤外壁对称设计有两个扇形冲击臂,该扇形冲击臂两侧侧面上均开有通向液动冲击锤内部的进液通道,该扇形冲击臂置于扇形动力腔内并将扇形动力腔分成两个腔室,液动冲击锤内壁对称设计有两个凸块,该凸块两侧侧面上均开有通向液动冲击锤外部的进液口;
液动冲击锤内部设置启动换向器,启动换向器外壁上对称开有两个换向腔,凸块置于该换向腔内,启动换向器外壁上开有多条泄流槽,启动换向器侧壁上对称开有两个进液通道;
启动换向器套装在内分流座上,内分流座设计有中心通道,内分流座侧壁上均布有分流孔,内分流座底端设计有底座,底座内开有泄流通道,该泄流通道能够连通泄流槽和内分流座中心通道;
通过启动换向器的换向腔的换向旋转能够使扇形动力腔内两个腔室液压大小进行变换,进而使扇形冲击臂在扇形动力腔内往复旋转并撞击液动冲击座;
悬挂内筒内下部设置液动旋流器,液动旋流器中心为通孔,液动旋流器上均匀分布有多个旋流叶片,旋流叶片与液动旋流器外壳构成高压旋流腔,液动旋流器中心通孔内的高压流体能够通过液动旋流器上均布的分流孔道进入高压旋流腔,进而带动液动旋流器作周向旋转,液动旋流器下端设计有上盘阀,上盘阀周向均布有多个流通孔Ⅰ,上盘阀置于下盘阀上,下盘阀上设计有多个与流通孔Ⅰ相对应的流通孔Ⅱ,下盘阀固定于悬挂内筒上,上盘阀和下盘阀能够相对旋转。
悬挂内筒下端连接钻头。
悬挂内筒外壁上设有周向键槽,悬挂外筒上设有与键槽相匹配的凸键,该凸键上嵌有滚珠。
液动冲击座与上分流压盖之间通过螺钉连接,上分流压盖上开有多个与上述螺钉相匹配的螺钉孔。
上分流压盖下端设计有中空的螺纹扣接头,该螺纹扣接头与内分流座上端相连接。
悬挂内筒内部设计有缩径平台,该缩径平台中心为中心孔,内分流座底端的底座坐在该缩径平台上。
缩径平台内侧设置耐磨套,液动旋流器上端置于该耐磨套内。
上分流压盖中心通道内液体能够经分流通道、流通槽Ⅰ、流通槽Ⅱ、流通通道、凸块一侧的进液口进入换向腔内并在该液体压力作用下推动启动换向器旋转,启动换向器旋转后扇形动力腔内两个腔室中液压低的腔室与启动换向器的进液通道相连通,同时扇形动力腔内两个腔室中液压高的腔室与启动换向器上的泄流槽相连通,进液通道通过分流孔与内分流座的中心通道内液体相通使扇形动力腔内两个腔室中液压低的腔室变成液压高的腔室,泄流槽与泄流通道相连通使扇形动力腔内两个腔室中液压高的腔室变成液压低的腔室,此时扇形冲击臂在扇形动力腔内旋转并撞击液动冲击座;上述扇形冲击臂旋转后上分流压盖中心通道内液体能够经凸块另一侧的进液口进入换向腔内并在该液体压力作用下推动启动换向器反方向旋转,启动换向器反向旋转后扇形动力腔内两个腔室中液压低的腔室与启动换向器的进液通道相连通,同时扇形动力腔内两个腔室中液压高的腔室与启动换向器上的泄流槽相连通,进液通道通过分流孔与内分流座的中心通道内液体相通使扇形动力腔内两个腔室中液压低的腔室变成液压高的腔室,泄流槽与泄流通道相连通使扇形动力腔内两个腔室中液压高的腔室变成液压低的腔室,此时扇形冲击臂在扇形动力腔内反向旋转并撞击液动冲击座。
液动冲击锤和启动换向器下端均坐在内分流座的底座上,液动冲击锤和启动换向器下端面均设置环形槽Ⅰ,底座上设计有两圈环形槽Ⅱ,该两圈环形槽Ⅱ分别对应与上述两圈环形槽Ⅰ相匹配并在上下对应环形槽中间放置钢珠。
上盘阀上布有三个圆形流通孔Ⅰ,下盘阀上同样设计有三个圆形流通孔Ⅱ。
本发明的有益效果是:本发明实现了周向上给PDC钻头提供高频扭转冲击力,轴向上提供脉冲冲击力,进而用来辅助钻头破岩,降低钻柱粘滑,提高机械钻速,工具结构简单,易损件少,巧妙的将钻井液能量转化为机械能来提高钻井速度、延长钻头使用寿命。
附图说明:
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为上分流压盖的结构示意图。
图3为上分流压盖的结构示意图。
图4为内分流座的结构示意图。
图5为液动冲击锤的结构示意图。
图6为液动冲击锤和启动换向器相匹配的结构示意图。
图7为图1中的A-A向截面示意图。
图8为图5在启动换向器顺时针转动后的截面示意图。
图9为液动旋流器的结构示意图。
图10为下盘阀的结构示意图。
具体实施方式:
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示,一种钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,包括悬挂外筒1;悬挂外筒1内部设置悬挂内筒7,悬挂内筒7上端设置液力扭转冲击发生器20,下端设置液力脉冲发生器25,液力扭转冲击发生器20包括内分流座5、启动换向器4、液动冲击锤3和液动冲击座19,液力脉冲发生器25包括液动旋流器8、上盘阀9和下盘阀10;
悬挂内筒7在悬挂外筒1内部能够旋转,悬挂内筒7上部设计为液动冲击座19,液动冲击座19内壁对称开有两个扇形动力腔36,液动冲击座19外壁上设计有多条流通槽Ⅱ,该流通槽Ⅱ与液动冲击座19侧壁上的流通通道21相连通,液动冲击座19上端连接上分流压盖2;
该上分流压盖2设计有中心通道,上分流压盖2侧壁上设有四个圆形分流通道11,该分流通道11与上述中心通道和上分流压盖2外部形成的高压腔相连通,且该分流通道11与上述中心通道孔成60°角,上述高压腔为上分流压盖2与悬挂外筒1之间形成,上分流压盖2外壁上设计有多条与流通槽Ⅱ和上述高压腔相通的流通槽Ⅰ13;
液动冲击座19内部设置液动冲击锤3,液动冲击锤3外壁对称设计有两个扇形冲击臂24,该扇形冲击臂24两侧侧面上均开有通向液动冲击锤3内部的进液通道35,该扇形冲击臂24置于扇形动力腔36内并将扇形动力腔36分成两个腔室,液动冲击锤3内壁对称设计有两个凸块29,该凸块29两侧侧面上均开有通向液动冲击锤3外部的进液口30;
液动冲击锤3内部设置启动换向器4,启动换向器4外壁上对称开有两个换向腔34,凸块29置于该换向腔34内,启动换向器4外壁上开有多条泄流槽31,启动换向器4侧壁上对称开有两个进液通道33;
启动换向器4套装在内分流座5上,内分流座5设计有中心通道,内分流座5侧壁上均布有分流孔15,内分流座5底端设计有底座18,底座18内开有泄流通道16,该泄流通道16能够连通泄流槽31和内分流座5中心通道;
通过启动换向器4的换向腔34的换向旋转能够使扇形动力腔36内两个腔室液压大小进行变换,进而使扇形冲击臂24在扇形动力腔36内往复旋转并撞击液动冲击座19;
悬挂内筒7内下部设置液动旋流器8,液动旋流器8中心为通孔,液动旋流器8上均匀分布有多个旋流叶片27,旋流叶片27与液动旋流器8外壳构成高压旋流腔,液动旋流器8中心通孔内的高压流体能够通过液动旋流器8上均布的分流孔道26进入高压旋流腔,进而带动液动旋流器8作周向旋转,液动旋流器8下端设计有上盘阀9,上盘阀9周向均布有多个流通孔Ⅰ28,上盘阀9置于下盘阀10上,下盘阀10上设计有多个与流通孔Ⅰ28相对应的流通孔Ⅱ32,下盘阀10固定于悬挂内筒7上,上盘阀9和下盘阀10能够相对旋转,使高压流体产生轴向上的脉冲冲击力。
悬挂内筒7下端连接钻头。
悬挂内筒7外壁上设有周向键槽23,悬挂外筒1上设有与键槽23相匹配的凸键,该凸键上嵌有滚珠。
液动冲击座19与上分流压盖2之间通过螺钉连接,上分流压盖2上开有多个与上述螺钉相匹配的螺钉孔12。
上分流压盖2下端设计有中空的螺纹扣接头14,该螺纹扣接头14与内分流座5上端相连接。
悬挂内筒7内部设计有缩径平台,该缩径平台中心为中心孔22,内分流座5底端的底座18坐在该缩径平台上。
缩径平台内侧设置耐磨套6,液动旋流器8上端置于该耐磨套6内。
上分流压盖2中心通道内液体能够经分流通道11、流通槽Ⅰ13、流通槽Ⅱ、流通通道21、凸块29一侧的进液口30进入换向腔34内并在该液体压力作用下推动启动换向器4旋转,启动换向器4旋转后扇形动力腔36内两个腔室中液压低的腔室与启动换向器4的进液通道33相连通,同时扇形动力腔36内两个腔室中液压高的腔室与启动换向器4上的泄流槽31相连通,进液通道33通过分流孔15与内分流座5的中心通道内液体相通使扇形动力腔36内两个腔室中液压低的腔室变成液压高的腔室,泄流槽31与泄流通道16相连通使扇形动力腔36内两个腔室中液压高的腔室变成液压低的腔室,此时扇形冲击臂24在扇形动力腔36内旋转并撞击液动冲击座19;上述扇形冲击臂24旋转后上分流压盖2中心通道内液体能够经凸块29另一侧的进液口30进入换向腔34内并在该液体压力作用下推动启动换向器4反方向旋转,启动换向器4反向旋转后扇形动力腔36内两个腔室中液压低的腔室与启动换向器4的进液通道33相连通,同时扇形动力腔36内两个腔室中液压高的腔室与启动换向器4上的泄流槽31相连通,进液通道33通过分流孔15与内分流座5的中心通道内液体相通使扇形动力腔36内两个腔室中液压低的腔室变成液压高的腔室,泄流槽31与泄流通道16相连通使扇形动力腔36内两个腔室中液压高的腔室变成液压低的腔室,此时扇形冲击臂24在扇形动力腔36内反向旋转并撞击液动冲击座19。
液动冲击锤3和启动换向器4下端均坐在内分流座5的底座18上,液动冲击锤3和启动换向器4下端面均设置环形槽Ⅰ,底座18上设计有两圈环形槽Ⅱ17,该两圈环形槽Ⅱ17分别对应与上述两圈环形槽Ⅰ相匹配并在上下对应环形槽中间放置钢珠。
上盘阀9上布有三个圆形流通孔Ⅰ28,下盘阀10上同样设计有三个圆形流通孔Ⅱ32。
使用时,高压钻井液流过该工具时分两部分,大部分高压液体通过工具的中心通孔直接作用于钻头,小部分高压钻井液通过上分流压盖2中的四个分流通道11分流,经过流通槽Ⅰ13、流通槽Ⅱ、流通通道21、凸块29一侧的进液口30进入换向腔34内并在该液体压力作用下推动启动换向器4旋转,启动换向器4旋转后扇形动力腔36内两个腔室中液压低的腔室与启动换向器4的进液通道33相连通,同时扇形动力腔36内两个腔室中液压高的腔室与启动换向器4上的泄流槽31相连通,进液通道33通过分流孔15与内分流座5的中心通道内液体相通使扇形动力腔36内两个腔室中液压低的腔室变成液压高的腔室,泄流槽31与泄流通道16相连通使扇形动力腔36内两个腔室中液压高的腔室变成液压低的腔室,此时扇形冲击臂24在扇形动力腔36内旋转并撞击液动冲击座19,从而冲击由液力冲击座19连接的钻头。上述扇形冲击臂24旋转后上分流压盖2中心通道内液体能够经凸块29另一侧的进液口30进入换向腔34内并在该液体压力作用下推动启动换向器4反方向旋转,启动换向器4反向旋转后扇形动力腔36内两个腔室中液压低的腔室与启动换向器4的进液通道33相连通,同时扇形动力腔36内两个腔室中液压高的腔室与启动换向器4上的泄流槽31相连通,进液通道33通过分流孔15与内分流座5的中心通道内液体相通使扇形动力腔36内两个腔室中液压低的腔室变成液压高的腔室,泄流槽31与泄流通道16相连通使扇形动力腔36内两个腔室中液压高的腔室变成液压低的腔室,此时扇形冲击臂24在扇形动力腔36内反向旋转并撞击液动冲击座19。如此往复,液动冲击锤3的反复周期循环撞击液力冲击座19,给钻头提供周向的振动切削力。
高压钻井液流经液力脉冲发生器25时,通过液动旋流器8上的分流孔道26以及旋流叶片27,带动旋流叶片27作顺时针旋转,从而带动上盘阀9作顺时针旋转,上盘阀9和下盘阀10作相对高速旋转,高压流体通过盘阀上的三个圆形流通孔反复断流和过流,给钻头提供一个轴向上的脉冲冲击力。
可以理解的是,以上关于本发明的具体描述,仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换,以达到相同的技术效果;只要满足使用需要,都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,包括悬挂外筒(1),悬挂外筒(1)内部设置悬挂内筒(7),悬挂内筒(7)在悬挂外筒(1)内部能够旋转,悬挂内筒(7)上部设计为液动冲击座(19),液动冲击座(19)内壁对称开有两个扇形动力腔(36),液动冲击座(19)内部设置液动冲击锤(3),液动冲击锤(3)外壁对称设计有两个扇形冲击臂(24),该扇形冲击臂(24)两侧侧面上均开有通向液动冲击锤(3)内部的进液通道(35),该扇形冲击臂(24)置于扇形动力腔(36)内并将扇形动力腔(36)分成两个腔室,液动冲击锤(3)内壁对称设计有两个凸块(29),该凸块(29)两侧侧面上均开有通向液动冲击锤(3)外部的进液口(30);其特征在于:液动冲击座(19)外壁上设计有多条流通槽Ⅱ,该流通槽Ⅱ与液动冲击座(19)侧壁上的流通通道(21)相连通,液动冲击座(19)上端连接上分流压盖(2);
该上分流压盖(2)设计有中心通道,上分流压盖(2)侧壁上设有分流通道(11),该分流通道(11)与上述中心通道和上分流压盖(2)外部形成的高压腔相连通,上分流压盖(2)外壁上设计有多条与流通槽Ⅱ和上述高压腔相通的流通槽Ⅰ(13);
液动冲击锤(3)内部设置启动换向器(4),启动换向器(4)外壁上对称开有两个换向腔(34),凸块(29)置于该换向腔(34)内,启动换向器(4)外壁上开有多条泄流槽(31),启动换向器(4)侧壁上对称开有两个进液通道(33);
启动换向器(4)套装在内分流座(5)上,内分流座(5)设计有中心通道,内分流座(5)侧壁上均布有分流孔(15),内分流座(5)底端设计有底座(18),底座(18)内开有泄流通道(16),该泄流通道(16)能够连通泄流槽(31)和内分流座(5)中心通道;
通过启动换向器(4)的换向腔(34)的换向旋转能够使扇形动力腔(36)内两个腔室液压大小进行变换,进而使扇形冲击臂(24)在扇形动力腔(36)内往复旋转并撞击液动冲击座(19);
悬挂内筒(7)内下部设置液动旋流器(8),液动旋流器(8)中心为通孔,液动旋流器(8)上均匀分布有多个旋流叶片(27),旋流叶片(27)与液动旋流器(8)外壳构成高压旋流腔,液动旋流器(8)中心通孔内的高压流体能够通过液动旋流器(8)上均布的分流孔道(26)进入高压旋流腔,进而带动液动旋流器(8)作周向旋转,液动旋流器(8)下端设计有上盘阀(9),上盘阀(9)周向均布有多个流通孔Ⅰ(28),上盘阀(9)置于下盘阀(10)上,下盘阀(10)上设计有多个与流通孔Ⅰ(28)相对应的流通孔Ⅱ(32),下盘阀(10)固定于悬挂内筒(7)上,上盘阀(9)和下盘阀(10)能够相对旋转。
2.按照权利要求1所述的钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,其特征在于:所述悬挂内筒(7)下端连接钻头。
3.按照权利要求1所述的钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,其特征在于:所述悬挂内筒(7)外壁上设有周向键槽(23),悬挂外筒(1)上设有与键槽(23)相匹配的凸键,该凸键上嵌有滚珠。
4.按照权利要求1所述的钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,其特征在于:所述液动冲击座(19)与上分流压盖(2)之间通过螺钉连接,上分流压盖(2)上开有多个与上述螺钉相匹配的螺钉孔(12)。
5.按照权利要求1所述的钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,其特征在于:所述上分流压盖(2)下端设计有中空的螺纹扣接头(14),该螺纹扣接头(14)与内分流座(5)上端相连接。
6.按照权利要求1所述的钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,其特征在于:所述悬挂内筒(7)内部设计有缩径平台,该缩径平台中心为中心孔(22),内分流座(5)底端的底座(18)坐在该缩径平台上。
7.按照权利要求6所述的钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,其特征在于:所述缩径平台内侧设置耐磨套(6),液动旋流器(8)上端置于该耐磨套(6)内。
8.按照权利要求1所述的钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,其特征在于:所述上分流压盖(2)中心通道内液体能够经分流通道(11)、流通槽Ⅰ(13)、流通槽Ⅱ、流通通道(21)、凸块(29)一侧的进液口(30)进入换向腔(34)内并在该液体压力作用下推动启动换向器(4)旋转,启动换向器(4)旋转后扇形动力腔(36)内两个腔室中液压低的腔室与启动换向器(4)的进液通道(33)相连通,同时扇形动力腔(36)内两个腔室中液压高的腔室与启动换向器(4)上的泄流槽(31)相连通,进液通道(33)通过分流孔(15)与内分流座(5)的中心通道内液体相通使扇形动力腔(36)内两个腔室中液压低的腔室变成液压高的腔室,泄流槽(31)与泄流通道(16)相连通使扇形动力腔(36)内两个腔室中液压高的腔室变成液压低的腔室,此时扇形冲击臂(24)在扇形动力腔(36)内旋转并撞击液动冲击座(19);上述扇形冲击臂(24)旋转后上分流压盖(2)中心通道内液体能够经凸块(29)另一侧的进液口(30)进入换向腔(34)内并在该液体压力作用下推动启动换向器(4)反方向旋转,启动换向器(4)反向旋转后扇形动力腔(36)内两个腔室中液压低的腔室与启动换向器(4)的进液通道(33)相连通,同时扇形动力腔(36)内两个腔室中液压高的腔室与启动换向器(4)上的泄流槽(31)相连通,进液通道(33)通过分流孔(15)与内分流座(5)的中心通道内液体相通使扇形动力腔(36)内两个腔室中液压低的腔室变成液压高的腔室,泄流槽(31)与泄流通道(16)相连通使扇形动力腔(36)内两个腔室中液压高的腔室变成液压低的腔室,此时扇形冲击臂(24)在扇形动力腔(36)内反向旋转并撞击液动冲击座(19)。
9.按照权利要求1所述的钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,其特征在于:所述液动冲击锤(3)和启动换向器(4)下端均坐在内分流座(5)的底座(18)上,液动冲击锤(3)和启动换向器(4)下端面均设置环形槽Ⅰ,底座(18)上设计有两圈环形槽Ⅱ(17),该两圈环形槽Ⅱ(17)分别对应与上述两圈环形槽Ⅰ相匹配并在上下对应环形槽中间放置钢珠。
10.按照权利要求1所述的钻井提速用液力扭转脉冲冲击器,其特征在于:所述上盘阀(9)上布有三个圆形流通孔Ⅰ(28),下盘阀(10)上同样设计有三个圆形流通孔Ⅱ(32)。
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