CN109138830A - 轴向冲击振动提速钻具 - Google Patents

Abstract

一种轴向冲击振动提速钻具，包括：上外筒，其中部设有第一径向台阶部，上外筒的下部设有第一进液通道和第二进液通道；旋转机构，能转动地设置在上外筒内，旋转机构具有转子和连接在转子下端的旋转芯轴，旋转芯轴的中部抵接于第一径向台阶部，旋转芯轴的下部设有第一过流通道和第二过流通道；下外筒，连接在上外筒的外侧，下外筒与上外筒之间夹设有冲击锤；其中，在第一过流通道与第一进液通道相连通的状态下，冲击锤轴向向下移动；在第二过流通道与第二进液通道相连通的状态下，冲击锤轴向向上移动。该轴向冲击振动提速钻具，其冲击锤可实现高频冲击振动，且冲击力能直接施加给下部钻铤或钻头，有效提高钻头的破岩效率，实现钻井提速。

Description

轴向冲击振动提速钻具

技术领域

本发明涉及油气钻井技术领域，尤其涉及一种轴向冲击振动提速钻具。

背景技术

钻井提速一直被称为钻探领域的永恒主题。随着目前国际油价大幅震荡，低成本战略已成为油田可持续发展的主要手段，钻井提速已成为油田降本增效的重要技术手段之一。

随着钻井技术的不断发展，相继出现了多种钻井提速技术和方法，如扭力冲击法，其原理是通过提供扭向冲击减少PDC钻头的粘滑效应，提高PDC钻头的破岩效率。然而，扭力冲击方法具有其局限性，如只能与PDC钻头配合使用，不能使用在定向井和水平井中。

除此之外，为了实现钻井提速，还出现了轴向振动方法，如旋转冲击钻井提速技术，但该技术的弊端主要在于，由于工具上端必须与螺杆相配合以及凸轮结构加工的复杂性，造成了使用成本过高、寿命降低等弊端，另外，由于螺杆的存在，不能满足在高温井中的使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴向冲击振动提速钻具，其冲击锤可实现高频冲击振动，且冲击力能直接施加给下部钻铤或钻头，有效提高钻头的破岩效率，实现钻井提速。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供了一种轴向冲击振动提速钻具，包括：

上外筒，其上端连接有上接头，所述上外筒的中部设有第一径向台阶部，所述上外筒的下部沿轴向方向从上至下依次开设有第一进液通道和第二进液通道；

旋转机构，能转动地设置在所述上外筒内，所述旋转机构具有转子和连接在所述转子下端的旋转芯轴，所述旋转芯轴的中部抵接于所述第一径向台阶部，所述旋转芯轴的下部沿轴向方向从上至下依次设有第一过流通道和第二过流通道；

下外筒，连接在所述上外筒的外侧，所述下外筒与所述上外筒的下部之间夹设有能轴向移动的冲击锤；

其中，在所述第一过流通道与所述第一进液通道相连通的状态下，所述冲击锤轴向向下移动；在所述第二过流通道与所述第二进液通道相连通的状态下，所述冲击锤轴向向上移动。

在本发明的实施方式中，所述第一进液通道与所述第二进液通道位于同一直线上，所述直线与所述上外筒的中心轴线平行，所述第一过流通道与所述第二过流通道沿所述旋转芯轴的圆周方向交错设置。

在本发明的实施方式中，所述第一过流通道包括至少两个第一过流孔，所述第二过流通道包括至少两个第二过流孔，所述第一过流孔与所述第二过流孔沿所述旋转芯轴的圆周方向交错设置。

在本发明的实施方式中，所述第一过流孔和所述第二过流孔分别为两个，所述旋转芯轴的下部分别设有径向相对的两个第一凸出部和径向相对的两个第二凸出部，所述第一凸出部与所述第二凸出部呈90度交错设置；所述两个第一过流孔设置在所述两个第一凸出部上，所述两个第二过流孔设置在所述两个第二凸出部上。

在本发明的实施方式中，所述第一进液通道包括至少两个第一进液孔，所述第二进液通道包括至少两个第二进液孔，所述第一进液孔与所述第二进液孔沿与所述上外筒的中心轴线平行的直线上下相对设置。

在本发明的实施方式中，所述上外筒的中部设有第二径向台阶部，所述第二径向台阶部位于所述第一径向台阶部的上方，所述转子的下端与所述旋转芯轴之间夹设有轴承组，所述轴承组的外侧套设有轴承套，所述轴承套的下端抵接在所述第二径向台阶部上，所述轴承套的上端连接有轴承帽，所述轴承帽抵接在所述轴承组上。

在本发明的实施方式中，所述转子上沿其圆周方向设有多个过流孔，所述旋转芯轴具有中心通道，所述多个过流孔与所述中心通道相连通。

在本发明的实施方式中，所述旋转芯轴的下端设有缩颈部，所述缩颈部的内径小于所述中心通道的内径。

在本发明的实施方式中，所述冲击锤的外壁两端分别设有缩颈面，所述冲击锤的内壁两端分别设有扩孔面。

在本发明的实施方式中，所述下外筒的下部设有能供钻头或钻柱连接的锥形母螺纹。

本发明的轴向冲击振动提速钻具的特点及优点是：该轴向冲击振动提速钻具，既可以与PDC钻头配合使用，也可以与压轮钻头配合使用；即可使用在直井中进行钻井提速，也可使用在定向井和水平井中；在高温高压井中也可实现提速技术要求。该轴向冲击振动提速钻具结构简单，安全可靠以及现场操作方便等，在钻井液的驱动下，冲击锤可实现高频冲击振动，其冲击力直接施加给下部钻铤或钻头，提高钻头的破岩效率，实现钻井提速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的轴向冲击振动提速钻具的结构示意图。

图2为图1的A-A向剖面图。

图3为图1的B-B向剖面图。

图4为本发明的轴向冲击振动提速钻具的上冲程的结构示意图。

图5为本发明的轴向冲击振动提速钻具的旋转芯轴换向后的结构示意图。

图6为图5的C-C向剖面图。

图7为图5的D-D向剖面图。

图8为本发明的轴向冲击振动提速钻具的下冲程的结构示意图。

附图标号说明：1、上外筒；11、第一径向台阶部；12、第一进液通道；121、第一进液孔；13、第二进液通道；131、第二进液孔；14、内螺纹段；15、第二径向台阶部；2、旋转机构；21、转子；211、螺旋叶片；212、过流孔；22、旋转芯轴；221、第一过流通道；2211、第一过流孔；222、第二过流通道；2221、第二过流孔；223、中心通道；224、卡设部；225、缩颈部；226、第一凸出部；227、第二凸出部；3、下外筒；31、锥形母螺纹；32、上台阶部；33、下台阶部；4、上接头；41、锥形母螺纹；5、冲击锤；51、缩颈面；52、扩孔面；6、轴承组；61、轴承套；62、轴承帽；7、O型密封圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明提供了一种轴向冲击振动提速钻具，包括上外筒1、旋转机构2和下外筒3，其中：上外筒1的上端连接有上接头4，所述上外筒1的中部设有第一径向台阶部11，所述上外筒1的下部沿轴向方向从上至下依次开设有第一进液通道12和第二进液通道13；旋转机构2能转动地设置在所述上外筒1内，所述旋转机构2具有转子21和连接在所述转子21下端的旋转芯轴22，所述旋转芯轴22的中部抵接于所述第一径向台阶部11，所述旋转芯轴22的下部沿轴向方向从上至下依次设有第一过流通道221和第二过流通道222；下外筒3，连接在所述上外筒1的外侧，所述下外筒3与所述上外筒1的下部之间夹设有能轴向移动的冲击锤5；其中，在所述第一过流通道221与所述第一进液通道12相连通的状态下，所述冲击锤5轴向向下移动；在所述第二过流通道222与所述第二进液通道13相连通的状态下，所述冲击锤5轴向向上移动。

具体的，上外筒1大体呈圆柱筒形，其上端设有内螺纹段14，上接头4的下端螺纹连接在上外筒1的内螺纹段14上，在本实施例中，上接头4的上端设计有可与上部钻柱或钻铤相连接的锥形母螺纹41；上外筒1的中部设有第一径向台阶部11，该第一径向台阶部11径向向内凸设形成，在本实施例中，该上外筒1的中部还设有径向向内凸设的第二径向台阶部15，该第二径向台阶部15位于第一径向台阶部11的上方，且该第二径向台阶部15的内径大于第一径向台阶部11的内径；上外筒1的下部沿上外筒1的轴向方向依次设有第一进液通道12和第二进液通道13。

旋转机构2包括转子21和连接在转子21下端的旋转芯轴22，该转子21能带动旋转芯轴22在上外筒1内旋转。其中，该转子21的上端大体呈类锥形结构，且在转子21的外侧壁上设有螺旋叶片211，该螺旋叶片211距离上外筒1的内壁有一定的间隙，以便钻井液流过，在转子21的下部，也即设有螺旋叶片211下方的转子21外壁上开设有多个过流孔212，该些过流孔212沿转子21的圆周方向间隔设置，在本实施例中，该些过流孔212为四个，四个过流孔212沿转子21的圆周方向等间隔设置，当然，在其它的实施例中，该些过流孔212的数量也可为三个、五个或更多个，在此不做限制。

旋转芯轴22大体呈圆柱筒形，其设有中心通道223，该中心通道223与转子21的多个过流孔212相连通，也即流入转子21与上外筒1之间的钻井液，经转子21的多个过流孔212后流入旋转芯轴22的中心通道223内。

在本实施例中，该旋转芯轴22的中部设有径向向外凸设的卡设部224，该卡设部224能抵接在上外筒1的第一径向台阶部11上；该转子21的下端与旋转芯轴22之间夹设有轴承组6，该轴承组6的外侧套设有轴承套61，该轴承套61的下端抵接在上外筒1的第二径向台阶部15上，该轴承套61的上端内侧螺纹连接有轴承帽62，该轴承帽62套设在转子21的外侧并位于多个过流孔212的下方，且该轴承帽62的下端能抵接在轴承组6上，通过该轴承组6的设置，可使旋转芯轴22有效转动地设置在上外筒1内，同时该轴承组6也具有一定的扶正作用。

进一步的，该旋转芯轴22的下部沿旋转芯轴22的轴向方向从上至下依次设有第一过流通道221和第二过流通道222。在本实施例中，该第一过流通道221能与上外筒1的第一进液通道12相连通，该第二过流通道222能与上外筒1的第二进液通道13相连通。在本发明中，在第一过流通道221与上外筒1的第一进液通道12相连通的状态下，该第二过流通道222与上外筒1的第二进液通道13不相连通；在第二过流通道222与上外筒1的第二进液通道13相连通的状态下，该第一过流通道221与上外筒1的第一进液通道12不相连通。

更进一步的，该旋转芯轴22的下端设有缩颈部225，该缩颈部225的内径小于中心通道223的内径。该缩颈部225可对流入中心通道223内的钻井液起到节流的作用，进而使钻井液产生压差。

下外筒3大体呈圆柱筒形，其上端螺纹连接在上外筒1的中部外侧，其下部设有能供钻头或钻柱连接的锥形母螺纹31。在本发明中，下外筒3的中部设有径向向内凸设有上台阶部32和下台阶部33，上台阶部32位于下台阶部33的上方，且下台阶部33的内径小于上台阶部32的内径，该上外筒1的下端抵接在下台阶部33上。

在本实施例中，在下外筒3的上台阶部32上设有冲击锤5，该冲击锤5套设在上外筒1的下部外侧，且该冲击锤5能轴向移动地设置在下外筒3与上外筒1之间。当第一过流通道221与第一进液通道12相连通时，冲击锤5轴向向下移动；当第二过流通道222与第二进液通道13相连通时，冲击锤5轴向向上移动。在本发明中，该冲击锤5的外壁两端分别设有缩颈面51，该缩颈面51的设计，可以使冲击锤5与下外筒3的内壁之间留有一定的间隙，避免工具损坏；该冲击锤5的内壁两端分别设有扩孔面52，该扩孔面52的设计能够保证钻井液的顺畅流动。在钻井液的驱动下，冲击锤5可实现高频冲击振动，该冲击力直接施加给下部钻铤或钻头，提高钻头的破岩效率，实现钻井提速。

在本发明的一可行的实施方式中，如图2和图3所示，该第一进液通道12与第二进液通道13位于同一直线上，该直线与上外筒1的中心轴线相平行，该第一过流通道221与第二过流通道222沿旋转芯轴22的圆周方向交错设置。当然，在另外的实施例中，该第一过流通道221与第二过流通道222可位于同一直线上，该直线与旋转芯轴22的中心轴线相平行，该第一进液通道12与第二进液通道13沿上外筒1的圆周方向交错设置(未提供附图)。

在本发明中，如图1至图3所示的实施例，该第一过流通道221包括至少两个第一过流孔2211，该第二过流通道222包括至少两个第二过流孔2221，该第一过流孔2211与第二过流孔2221沿旋转芯轴22的圆周方向交错设置。第一进液通道12包括至少两个第一进液孔121，第二进液通道13包括至少两个第二进液孔131，该第一进液孔121与第二进液孔131位于与上外筒1的中心轴线相平行的同一直线上。

具体的，该第一过流孔2211和第二过流孔2221分别为两个，旋转芯轴22的下部分别设有径向相对的两个第一凸出部226和径向相对的两个第二凸出部227，该第一凸出部226与第二凸出部227呈90度交错设置；两个第一过流孔2211设置在两个第一凸出部226上，两个第二过流孔2221设置在两个第二凸出部227上。

该轴向冲击振动提速钻具的工作过程如下：

该轴向冲击振动提速钻具的上端通过上接头4连接钻铤，其下端与钻头连接(特殊要求下也可以与钻铤相连接)。当下钻到底后进行钻进时，在钻井液的驱动下，转子21在一定的速度下进行转动，钻井液经过转子21的多个过流孔212后，进入旋转芯轴22的中心通道223内，在此状态下，转子21会带动旋转芯轴22高速转动。在旋转芯轴22的缩颈部225的节流作用下，钻井液产生压差，在钻井液的驱动下，旋转芯轴22转动，当旋转芯轴22处于图1所示位置时，钻井液通过旋转芯轴22的第二过流孔2221，并通过上外筒1上的第二进液孔131进入工具内部，在高压流体的作用下，冲击锤5将轴向向上进行冲击，从而形成一次冲程如图4所示。在钻井液的连续驱动下，转子21带动旋转芯轴22继续旋转，当旋转至图5至图7所示的位置时，钻井液通过旋转芯轴22上的第一过流孔2211，并通过上外筒1上的第一进液孔121进入工具内部，在高压流体的作用下，冲击锤5将轴向向下冲击，如图8所示，以上两次冲击形成一次冲击振动周期。由于钻井液的不断循环，在缩颈部225的节流作用下，高压钻井液将连续地驱动冲击锤5产生上下冲击，该冲击锤5的冲击力直接施加给钻头，驱动底部钻头破岩，从而提高机械钻速。同时，在定向井或水平井段进行钻进时，由于轴向冲击振动，可大大减少由于岩屑床带来的钻头托压现象，从而可以提高定向井和水平井的钻井速度。

本发明的轴向冲击振动提速钻具，既可以与PDC钻头配合使用，也可以与压轮钻头配合使用；即可使用在直井中进行钻井提速，也可使用在定向井和水平井中；在高温高压井中也可实现提速技术要求。该轴向冲击振动提速钻具结构简单，安全可靠以及现场操作方便等，在钻井液的驱动下，冲击锤可实现高频冲击振动，其冲击力直接施加给下部钻铤或钻头，提高钻头的破岩效率，实现钻井提速。

在本发明的实施方式中，在上接头4与上外筒1之间、以及上外筒1与下外筒3之间分别设有O型密封圈7，以提供工具的密封性能。由于该O型密封圈7为非必要件，因此，本发明可以满足在高温高压井条件下的钻井提速技术要求。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，包括：

上外筒，其上端连接有上接头，所述上外筒的中部设有第一径向台阶部，所述上外筒的下部沿轴向方向从上至下依次开设有第一进液通道和第二进液通道；

旋转机构，能转动地设置在所述上外筒内，所述旋转机构具有转子和连接在所述转子下端的旋转芯轴，所述旋转芯轴的中部抵接于所述第一径向台阶部，所述旋转芯轴的下部沿轴向方向从上至下依次设有第一过流通道和第二过流通道；

下外筒，连接在所述上外筒的外侧，所述下外筒与所述上外筒的下部之间夹设有能轴向移动的冲击锤；

其中，在所述第一过流通道与所述第一进液通道相连通的状态下，所述冲击锤轴向向下移动；在所述第二过流通道与所述第二进液通道相连通的状态下，所述冲击锤轴向向上移动。

2.如权利要求1所述的轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，所述第一进液通道与所述第二进液通道位于同一直线上，所述直线与所述上外筒的中心轴线平行，所述第一过流通道与所述第二过流通道沿所述旋转芯轴的圆周方向交错设置。

3.如权利要求1或2所述的轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，所述第一过流通道包括至少两个第一过流孔，所述第二过流通道包括至少两个第二过流孔，所述第一过流孔与所述第二过流孔沿所述旋转芯轴的圆周方向交错设置。

4.如权利要求3所述的轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，所述第一过流孔和所述第二过流孔分别为两个，所述旋转芯轴的下部分别设有径向相对的两个第一凸出部和径向相对的两个第二凸出部，所述第一凸出部与所述第二凸出部呈90度交错设置；所述两个第一过流孔设置在所述两个第一凸出部上，所述两个第二过流孔设置在所述两个第二凸出部上。

5.如权利要求3所述的轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，所述第一进液通道包括至少两个第一进液孔，所述第二进液通道包括至少两个第二进液孔，所述第一进液孔与所述第二进液孔沿与所述上外筒的中心轴线平行的直线上下相对设置。

6.如权利要求1所述的轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，所述上外筒的中部设有第二径向台阶部，所述第二径向台阶部位于所述第一径向台阶部的上方，所述转子的下端与所述旋转芯轴之间夹设有轴承组，所述轴承组的外侧套设有轴承套，所述轴承套的下端抵接在所述第二径向台阶部上，所述轴承套的上端连接有轴承帽，所述轴承帽抵接在所述轴承组上。

7.如权利要求1所述的轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，所述转子上沿其圆周方向设有多个过流孔，所述旋转芯轴具有中心通道，所述多个过流孔与所述中心通道相连通。

8.如权利要求7所述的轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，所述旋转芯轴的下端设有缩颈部，所述缩颈部的内径小于所述中心通道的内径。

9.如权利要求1所述的轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，所述冲击锤的外壁两端分别设有缩颈面，所述冲击锤的内壁两端分别设有扩孔面。

10.如权利要求1所述的轴向冲击振动提速钻具，其特征在于，所述下外筒的下部设有能供钻头或钻柱连接的锥形母螺纹。