CN109162634A - 高频轴向脉动冲击钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高频轴向脉动冲击钻井工具，包括工具壳体，工具壳体内设置轴向固定且能周向旋转的驱动轴，驱动轴上设置第一钻井液通道，驱动轴的下方设置中空且周向固定的钻头座，钻头座的内腔与第一钻井液通道连通设置，驱动轴的侧壁下部沿周向间隔设置径向贯通的第二钻井液通道，工具壳体的内壁上设置封隔部，封隔部的底面与钻头座的顶面之间构成高压腔体，第二钻井液通道能与高压腔体间歇性连通驱动钻头座沿轴向脉动。该工具克服现有技术中存在的切削齿切入深度小、寿命短和破岩效率低等问题，具有较高的冲击频率和冲击功，切削齿切入深度增加，有效提高破岩效率和使用寿命。

Description

高频轴向脉动冲击钻井工具

技术领域

本发明涉及石油开发技术领域，尤其涉及一种高频轴向脉动冲击钻井工具。

背景技术

随着油气资源向着深井方向发展，在钻井过程中遇到硬质地层的情况越来越多，而硬质地层由于其抵抗破坏的能力较强，使得在该地层的钻进过程中的机械钻速较低。目前在钻井工程中所大规模使用的钻头为PDC钻头，其利用的是PDC切削齿对岩石的剪切，而该类钻头在钻硬质地层时，容易出现切削齿的崩齿，从而极大的缩小了PDC切削齿的使用寿命，使得钻井成本极大的提高。

目前，在钻井过程中，大部分采用的是井下动力钻具配合转盘转动，井下动力钻具给钻头提供切削扭矩，带动PDC钻头转动。从钻井现场的反馈来看，转盘转动加上井下动力钻具及PDC钻头对于大部分的地层而言，是一种很有效的提高钻井机械钻速的方法。但是在采用该方法钻硬质地层以及软硬交错地层过程中，容易出现PDC的崩齿，另外由于切削齿的切入深度较小，使得其破岩效率有所降低。

为了在以上的井下动力钻具+转盘转动+PDC钻头的钻井方法基础上进一步提高机械钻速，需要解决两个问题：1、增加切削齿的切入深度；2、提高PDC钻头切削齿的使用寿命。

旋冲钻具为一种有效提高硬质地层机械钻速的方法，该技术依托于冲击器，该工具安装在钻头上端，通过高压钻井液驱动内部的冲击装置来产生较大的冲击载荷，实现大的轴向冲击载荷，进而对岩石产生体积破碎。该技术的一特点为冲击功较大，冲击频率较低，使得其不能配合目前所大规模采用的PDC钻头。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种高频轴向脉动冲击钻井工具，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频轴向脉动冲击钻井工具，克服现有技术中存在的切削齿切入深度小、寿命短和破岩效率低等问题，该工具具有较高的冲击频率和冲击功，切削齿切入深度增加，有效提高破岩效率和使用寿命。

本发明的目的是这样实现的，一种高频轴向脉动冲击钻井工具，包括内部中空的工具壳体，所述工具壳体内设置轴向固定且能周向旋转的驱动轴，所述驱动轴的外壁与所述工具壳体的内壁之间呈径向间隔设置构成钻井液环空流道，所述驱动轴上设置轴向贯通的第一钻井液通道，所述驱动轴的下方设置中空且周向固定的钻头座，所述钻头座的外壁与所述工具壳体的内壁之间密封滑动抵靠，所述钻头座的内腔与所述第一钻井液通道连通设置，所述钻头座的内腔入口处设置能控制钻井液流量的节流阀；所述驱动轴的侧壁下部沿周向间隔设置径向贯通的第二钻井液通道，所述工具壳体的内壁上位于所述第二钻井液通道的上方设置能轴向封隔所述钻井液环空流道的封隔部，所述驱动轴的侧壁上位于封隔部的上方设置能连通所述钻井液环空流道和所述第一钻井液通道的侧壁通孔，所述封隔部的底面与所述钻头座的顶面之间构成高压腔体，所述第二钻井液通道能与所述高压腔体间歇性连通驱动所述钻头座沿轴向脉动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述工具壳体的内壁上设置直径呈减小设置的第一台阶部，所述第一台阶部构成所述封隔部，所述第一台阶部的底面与所述钻头座的顶面之间构成所述高压腔体；所述驱动轴的侧壁上位于所述第一台阶部的上方设置直径呈增大设置的第二台阶部，所述驱动轴的侧壁上位于所述第二台阶部的下方呈径向对称地设置直径呈增大设置的扇形部，所述扇形部上设置径向贯通的第一透槽，所述第一透槽构成所述第二钻井液通道，相邻所述扇形部之间构成缓冲流道；所述第二台阶部的内壁下部密封固定套设向下延伸设置的套筒，所述套筒的内壁底部固定设置所述节流阀，所述扇形部的外壁与所述套筒的内壁密封转动抵靠，所述套筒的侧壁上与所述第一透槽对应的高度处呈径向对称地设置第二透槽，所述第一透槽间歇性通过所述第二透槽与所述高压腔体连通，所述缓冲流道间歇性通过所述第二透槽与所述高压腔体连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述工具壳体包括上下依次连接的中空的上接头、中接头和下接头，所述中接头的内壁下部设置直径呈减小设置的第三台阶部，自所述第三台阶部的底面向上设置花键槽，所述钻头座的外壁上设置能周向固定地滑动卡设于所述花键槽内的花键，所述下接头密封穿设于所述中接头内，所述花键槽的顶面构成所述花键的上限位面，所述下接头的顶面构成所述花键的下限位面；所述钻头座的侧壁下部与所述下接头的内壁密封滑动抵靠。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头座的内腔顶部设置直径呈减小设置的第四台阶部，所述第四台阶部的顶面能轴向上移抵靠于所述套筒的底端，所述钻头座的内壁能与所述套筒的外壁滑动抵靠。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻井液环空流道位于封隔部上方的位置设置能驱动所述驱动轴转动的涡轮结构，所述驱动轴的侧壁上位于所述涡轮结构的下方设置所述侧壁通孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述涡轮结构包括固定套设于所述驱动轴上的转子结构，所述涡轮结构还包括所述工具壳体的内壁上套设的定子结构。

在本发明的一较佳实施方式中，所述驱动轴上靠近所述封隔部的位置套设有轴向能固定的止推轴承，所述止推轴承的外圈固定套设于所述工具壳体的内壁上，所述驱动轴上位于所述涡轮结构的两端的位置分别套设一轴向能固定的扶正轴承，所述扶正轴承的外圈固定套设于所述工具壳体的内壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述止推轴承的外圈底部轴向顶抵于所述第一台阶部的顶面上，所述止推轴承的内圈底部轴向顶抵于所述第二台阶部的顶面上；所述止推轴承的上方设置轴向定位筒，所述止推轴承的外圈顶部轴向顶抵于所述轴向定位筒的底面上，所述轴向定位筒的顶面与所述涡轮结构底端的扶正轴承的外圈底部轴向顶抵，所述涡轮结构底端的扶正轴承的外圈顶部轴向顶抵于所述涡轮结构的底端面上；所述涡轮结构顶端的扶正轴承通过套设于所述驱动轴上的定位螺母轴向固定。

在本发明的一较佳实施方式中，所述侧壁通孔自外向内呈斜向下设置，所述侧壁通孔的顶部高于所述止推轴承设置。

由上所述，本发明提供的高频轴向脉动冲击钻井工具具有如下有益效果：

本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具中，以钻井液为驱动介质，通过第二钻井液通道与高压腔体的间歇性连通使得钻井液间歇性流入或流出高压腔体，实现钻头座沿轴向高频脉动，钻头座带动钻头高频脉动冲击岩石，形成较高的冲击功，改善钻头的运动状态，增加钻头的刚度，切削齿切入深度增加，同时对钻头切削齿周边的岩石产生破坏，产生更多的微裂纹，使得岩石的抗剪切能力降低，提高岩石的破岩效率，提高机械钻速，缩减钻井周期，同时提高钻头的使用寿命，降低钻井成本；本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具中，通过调整涡轮结构的涡轮叶片数量以及形状调节高频轴向脉动冲击钻井工具的频率，操作方便；本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具的结构简单，轴向长度小，使用便捷。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具的结构示意图。

图2：为本发明的驱动轴的示意图。

图中：

100、高频轴向脉动冲击钻井工具；

1、工具壳体；

101、上接头；102、中接头；103、下接头；

11、第一台阶部；12、第三台阶部；13、花键槽；

2、驱动轴；

20、第一钻井液通道；21、第二台阶部；22、扇形部；221、第一透槽；23、套筒；231、第二透槽；24、侧壁通孔；

3、钻头座；

31、花键；32、第四台阶部；

4、节流阀；

5、高压腔体；

6、涡轮结构；

71、止推轴承；72、扶正轴承；73、轴向定位筒；74、定位螺母。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明提供一种高频轴向脉动冲击钻井工具100，包括内部中空的工具壳体1，工具壳体1的顶部连接井下动力工具或者钻铤；工具壳体1内设置轴向固定且能周向旋转的驱动轴2，驱动轴2的外壁与工具壳体1的内壁之间呈径向间隔设置构成钻井液环空流道，驱动轴2上设置轴向贯通的第一钻井液通道20，驱动轴2的下方设置中空且周向固定的钻头座3，钻头座3的内腔与第一钻井液通道20连通设置，钻头座3的底部连接钻头(现有技术，图中未示出)，钻头座3的外壁与工具壳体1的内壁之间密封滑动抵靠，钻头座3的内腔入口处设置能控制钻井液流量的节流阀4；驱动轴2的侧壁下部沿周向间隔设置径向贯通的第二钻井液通道，工具壳体1的内壁上位于第二钻井液通道的上方设置能轴向封隔钻井液环空流道的封隔部，驱动轴2的侧壁上位于封隔部的上方设置能连通钻井液环空流道和第一钻井液通道20的侧壁通孔24，封隔部的底面与钻头座3的顶面之间构成高压腔体5(钻井液在封隔部的底面与钻头座3的顶面之间压力增高，故称之为高压腔体)，第二钻井液通道能与高压腔体5间歇性连通驱动钻头座3沿轴向脉动。

本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具中，以钻井液为驱动介质，通过第二钻井液通道与高压腔体的间歇性连通使得钻井液间歇性流入或流出高压腔体，实现钻头座沿轴向高频脉动，钻头座带动钻头高频脉动冲击岩石，形成较高的冲击功，改善钻头的运动状态，增加钻头的刚度，切削齿切入深度增加，同时对钻头切削齿周边的岩石产生破坏，产生更多的微裂纹，使得岩石的抗剪切能力降低，提高岩石的破岩效率，提高机械钻速，缩减钻井周期，同时提高钻头的使用寿命，降低钻井成本；本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具的结构简单，轴向长度小，使用便捷。

进一步，如图1、图2所示，工具壳体1的内壁上设置直径呈减小设置的第一台阶部11，第一台阶部11构成前述的封隔部，第一台阶部11的底面与钻头座3的顶面之间构成前述的高压腔体5；驱动轴2的侧壁上位于第一台阶部11的上方设置直径呈增大设置的第二台阶部21，驱动轴2的侧壁上位于第二台阶部21的下方呈径向对称地设置直径呈增大设置的扇形部22，扇形部22上设置径向贯通的第一透槽221，第一透槽221构成前述的第二钻井液通道，相邻扇形部22之间构成缓冲流道；第二台阶部21的内壁下部密封固定套设向下延伸设置的套筒23，在本实施方式中，套筒23的侧壁与第二台阶部21的内壁之间设置密封圈，满足密封的需求。套筒23的内壁底部固定设置节流阀4，扇形部22的外壁与套筒23的内壁密封转动抵靠，套筒23的侧壁上与第一透槽221对应的高度处呈径向对称地设置第二透槽231，第一透槽221间歇性通过第二透槽231与高压腔体5连通，缓冲流道间歇性通过第二透槽231与高压腔体5连通。驱动轴2呈转动状态，当旋转到第一透槽221通过第二透槽231与高压腔体5连通时，部分钻井液进入高压腔体内，驱动钻头座3向下运动，形成一次轴向脉动冲击；当驱动轴2旋转到第一透槽221与第二透槽231错开时，缓冲流道通过第二透槽231与高压腔体5连通，在钻头底部受到的钻压作用下，钻头座3向上运动，高压腔体内的钻井液通过第二透槽231流出高压腔体并经过缓冲通道向下流动。

进一步，如图1所示，为方便装配，工具壳体1包括上下依次连接的中空的上接头101、中接头102和下接头103，上接头101的顶部连接井下动力工具或者钻铤；中接头102的内壁下部设置直径呈减小设置的第三台阶部12，自第三台阶部12的底面向上设置花键槽13，钻头座3的外壁上设置能周向固定地滑动卡设于花键槽13内的花键31，下接头103密封穿设于中接头102内，花键槽13的顶面构成花键31的上限位面，下接头103的顶面构成花键31的下限位面；钻头座3的侧壁下部与下接头103的内壁密封滑动抵靠，钻头座3的侧壁和下接头103的内壁之间设置密封圈，满足密封的需求。钻头座3向上运动，直至花键31的顶面顶抵于花键槽13的顶面上，钻头座3向下运动，直至花键31的底面顶抵于下接头103的顶面上。

进一步，如图1所示，钻头座3的内腔顶部设置直径呈减小设置的第四台阶部32，第四台阶部32的顶面能轴向上移抵靠于套筒23的底端，钻头座3的内壁能与套筒23的外壁滑动抵靠。

进一步，如图1所示，钻井液环空流道位于封隔部上方的位置设置能驱动驱动轴2转动的涡轮结构6，驱动轴2的侧壁上位于涡轮结构6的下方设置能连通钻井液环空流道和第一钻井液通道的侧壁通孔24。通过调整涡轮叶片的数量以及形状可以调节高频轴向脉动冲击钻井工具100的频率。

在本实施方式中，涡轮结构6包括固定套设于驱动轴2上的转子结构，涡轮结构还包括工具壳体1的内壁上套设的定子结构。

进一步，如图1所示，驱动轴2上靠近封隔部的位置套设有轴向能固定的止推轴承71，止推轴承71的外圈固定套设于工具壳体1的内壁上，驱动轴2上位于涡轮结构6的两端的位置分别套设一轴向能固定的扶正轴承72，扶正轴承72的外圈固定套设于工具壳体1的内壁上。

进一步，如图1所示，止推轴承71的外圈底部轴向顶抵于第一台阶部11的顶面上，止推轴承71的内圈底部轴向顶抵于第二台阶部21的顶面上；止推轴承71的上方设置轴向定位筒73，止推轴承71的外圈顶部轴向顶抵于轴向定位筒73的底面上，轴向定位筒73的顶面与涡轮结构底端的扶正轴承72的外圈底部轴向顶抵，涡轮结构底端的扶正轴承72的外圈顶部轴向顶抵于涡轮结构6的底端面上；涡轮结构顶端的扶正轴承通过套设于驱动轴2上的定位螺母74轴向固定。

在本实施方式中，为便于钻井液自钻井液环空流道汇流至第一钻井液通道20内，侧壁通孔24自外向内呈斜向下设置，侧壁通孔24的顶部高于止推轴承71设置。

使用本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具100进行钻井时，将上接头101连接于钻铤(或者井下动力工具)上，将钻头连接于钻头座3内，利用钻铤将钻头及高频轴向脉动冲击钻井工具100送至钻进位置。通过钻铤向高频轴向脉动冲击钻井工具100的工具壳体1内注入钻井液，部分钻井液通过第一钻井液通道20、套筒23的内腔、节流阀4和钻头座3的内腔向下流向钻头；另一部分钻井液流入钻井液环空流道，冲击涡轮结构6使其转动，涡轮结构6带动驱动轴2旋转，经过涡轮结构6的钻井液经驱动轴2上的侧壁通孔24汇流至第一钻井液通道20内；当驱动轴2旋转到第一透槽221通过第二透槽231与高压腔体5连通时，部分钻井液进入高压腔体5内，驱动钻头座3向下运动，形成一次钻头对岩石的轴向脉动冲击；当驱动轴2旋转到第一透槽221与第二透槽231错开时，缓冲流道通过第二透槽231与高压腔体5连通，在钻头底部受到的钻压作用下，钻头座3向上运动，高压腔体内的钻井液通过第二透槽231流出高压腔体并经过缓冲通道向下流动；驱动轴2持续转动，钻头座3进行高频轴向脉动，带动钻头对岩石高频轴向脉动冲击，增加了钻头吃入岩石内部的深度，同时对钻头切削齿周边的岩石产生破坏，产生更多的微裂纹，使得岩石的抗剪切能力降低提高岩石的破碎效率。

由上所述，本发明提供的高频轴向脉动冲击钻井工具具有如下有益效果：

本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具中，以钻井液为驱动介质，通过第二钻井液通道与高压腔体的间歇性连通使得钻井液间歇性流入或流出高压腔体，实现钻头座沿轴向高频脉动，钻头座带动钻头高频脉动冲击岩石，形成较高的冲击功，改善钻头的运动状态，增加钻头的刚度，切削齿切入深度增加，同时对钻头切削齿周边的岩石产生破坏，产生更多的微裂纹，使得岩石的抗剪切能力降低，提高岩石的破岩效率，提高机械钻速，缩减钻井周期，同时提高钻头的使用寿命，降低钻井成本；本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具中，通过调整涡轮结构的涡轮叶片数量以及形状调节高频轴向脉动冲击钻井工具的频率，操作方便；本发明的高频轴向脉动冲击钻井工具的结构简单，轴向长度小，使用便捷。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种高频轴向脉动冲击钻井工具，包括内部中空的工具壳体，其特征在于，所述工具壳体内设置轴向固定且能周向旋转的驱动轴，所述驱动轴的外壁与所述工具壳体的内壁之间呈径向间隔设置构成钻井液环空流道，所述驱动轴上设置轴向贯通的第一钻井液通道，所述驱动轴的下方设置中空且周向固定的钻头座，所述钻头座的外壁与所述工具壳体的内壁之间密封滑动抵靠，所述钻头座的内腔与所述第一钻井液通道连通设置，所述钻头座的内腔入口处设置能控制钻井液流量的节流阀；所述驱动轴的侧壁下部沿周向间隔设置径向贯通的第二钻井液通道，所述工具壳体的内壁上位于所述第二钻井液通道的上方设置能轴向封隔所述钻井液环空流道的封隔部，所述驱动轴的侧壁上位于封隔部的上方设置能连通所述钻井液环空流道和所述第一钻井液通道的侧壁通孔，所述封隔部的底面与所述钻头座的顶面之间构成高压腔体，所述第二钻井液通道能与所述高压腔体间歇性连通驱动所述钻头座沿轴向脉动。

2.如权利要求1所述的高频轴向脉动冲击钻井工具，其特征在于，所述工具壳体的内壁上设置直径呈减小设置的第一台阶部，所述第一台阶部构成所述封隔部，所述第一台阶部的底面与所述钻头座的顶面之间构成所述高压腔体；所述驱动轴的侧壁上位于所述第一台阶部的上方设置直径呈增大设置的第二台阶部，所述驱动轴的侧壁上位于所述第二台阶部的下方呈径向对称地设置直径呈增大设置的扇形部，所述扇形部上设置径向贯通的第一透槽，所述第一透槽构成所述第二钻井液通道，相邻所述扇形部之间构成缓冲流道；所述第二台阶部的内壁下部密封固定套设向下延伸设置的套筒，所述套筒的内壁底部固定设置所述节流阀，所述扇形部的外壁与所述套筒的内壁密封转动抵靠，所述套筒的侧壁上与所述第一透槽对应的高度处呈径向对称地设置第二透槽，所述第一透槽间歇性通过所述第二透槽与所述高压腔体连通，所述缓冲流道间歇性通过所述第二透槽与所述高压腔体连通。

3.如权利要求2所述的高频轴向脉动冲击钻井工具，其特征在于，所述工具壳体包括上下依次连接的中空的上接头、中接头和下接头，所述中接头的内壁下部设置直径呈减小设置的第三台阶部，自所述第三台阶部的底面向上设置花键槽，所述钻头座的外壁上设置能周向固定地滑动卡设于所述花键槽内的花键，所述下接头密封穿设于所述中接头内，所述花键槽的顶面构成所述花键的上限位面，所述下接头的顶面构成所述花键的下限位面；所述钻头座的侧壁下部与所述下接头的内壁密封滑动抵靠。

4.如权利要求2所述的高频轴向脉动冲击钻井工具，其特征在于，所述钻头座的内腔顶部设置直径呈减小设置的第四台阶部，所述第四台阶部的顶面能轴向上移抵靠于所述套筒的底端，所述钻头座的内壁能与所述套筒的外壁滑动抵靠。

5.如权利要求2所述的高频轴向脉动冲击钻井工具，其特征在于，所述钻井液环空流道位于封隔部上方的位置设置能驱动所述驱动轴转动的涡轮结构，所述驱动轴的侧壁上位于所述涡轮结构的下方设置所述侧壁通孔。

6.如权利要求5所述的高频轴向脉动冲击钻井工具，其特征在于，所述涡轮结构包括固定套设于所述驱动轴上的转子结构，所述涡轮结构还包括所述工具壳体的内壁上套设的定子结构。

7.如权利要求6所述的高频轴向脉动冲击钻井工具，其特征在于，所述驱动轴上靠近所述封隔部的位置套设有轴向能固定的止推轴承，所述止推轴承的外圈固定套设于所述工具壳体的内壁上，所述驱动轴上位于所述涡轮结构的两端的位置分别套设一轴向能固定的扶正轴承，所述扶正轴承的外圈固定套设于所述工具壳体的内壁上。

8.如权利要求7所述的高频轴向脉动冲击钻井工具，其特征在于，所述止推轴承的外圈底部轴向顶抵于所述第一台阶部的顶面上，所述止推轴承的内圈底部轴向顶抵于所述第二台阶部的顶面上；所述止推轴承的上方设置轴向定位筒，所述止推轴承的外圈顶部轴向顶抵于所述轴向定位筒的底面上，所述轴向定位筒的顶面与所述涡轮结构底端的扶正轴承的外圈底部轴向顶抵，所述涡轮结构底端的扶正轴承的外圈顶部轴向顶抵于所述涡轮结构的底端面上；所述涡轮结构顶端的扶正轴承通过套设于所述驱动轴上的定位螺母轴向固定。

9.如权利要求7所述的高频轴向脉动冲击钻井工具，其特征在于，所述侧壁通孔自外向内呈斜向下设置，所述侧壁通孔的顶部高于所述止推轴承设置。