CN109386242B - 一种水力加钻压装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种水力加钻压装置，包括：与钻杆连接的上接头；外筒，其一端与所述上接头连接，其内设置有支座、弹性件和缸体，所述弹性件设置在所述支座与所述缸体之间，所述支座在不同压力下压缩所述弹性件时，所述支座的下端进入所述缸体的阶梯孔的不同部位从而传递不同的钻压；和与钻头连接并带有传扭机构的下接头组件，其一方面提供与所述外筒的连接并通过所述传扭机构传递扭矩，另一方面将从所述缸体过来的钻压通过内部设置的流道传递到钻头。该装置可提高传递的钻压值，实现单行程的钻压的多级调节，提高钻压传递效率，降低钻头轴向振动，解决水平井中拖压问题。

Description

一种水力加钻压装置

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，具体涉及一种水力加钻压装置。

背景技术

水力加压器是一种将钻井液压能转换为活塞动能进而给钻头施加钻压的工具。这种柔性加压方式不仅将钻头的轴向振动吸收，防止振动继续向上部钻柱传播，而且不受钻柱与井壁摩擦阻力的影响，能够稳定的给钻头施加所需钻压，对于提高机械钻速、保护钻头和钻具具有显著的效果，可解决水平井加压困难的问题。

水力加压器按级数可以分为单级水力加压器和多级水力加压器，按行程可以分为单行程水力加压器和多行程水力加压器，通过级数和行程的不同组合又可以分为单级单行程水力加压器、多级单行程水力加压器和多级多行程水力加压器。

申请号为CN91110710.X名称为“井下液压式加压推进器”的专利属于单级单行程水力加压器，这种液压式加压推进器以钻井泥浆作为动力液，通过换向阀实现流道的转换，从而使高压腔与低压腔互相转换，使推进器在行程开始时前伸向钻头施加钻压，在行程结束时后缩，与支撑机构共同作用拉动钻杆前行。其优点是：支撑机构可以在行程结束时锁定在井壁上，拉动钻杆前行使推进器复位并开始下一循环。其存在的缺点：流道设计较复杂，需在缸体上开槽并埋管线，加工较困难。

申请号为CN95109242.1名称为“液力井斜控制/减振/推进器”的专利，它由内筒和外筒组成。外筒左端通过丝扣与钻铤或其它钻具连接；内筒的右端通过丝扣与钻头或其它钻具短节连接。在外筒上设计有稳定器。外筒内侧有导槽，内筒左端外侧有键。内筒通过置在外筒导槽中的键可以作轴向滑动，同时传递扭矩。在外筒右端的内侧与内筒之间设置有高压密封圈。属于单级单行程水力加压器，通过调节钻压与泵压的关系从而控制活塞杆的伸出长度以实现不同功能之间的转换。当活塞杆处于完全压缩状态时，下部钻具组合受到的压力增大，因此具有增斜功能；当活塞杆处于完全伸出状态时，下部钻具组合受到的压力减小，因此具有降斜功能；当活塞杆处于中间状态时，此推进器具有液力推进和减振的功能。优点：具有增斜控制作用。缺点：增加钻压有限，调节范围小。

申请号为CN96227336.8名称为“水平井推进器”的专利，属于三级单行程水力加压器。各级缸筒与各级活塞组成缸筒活塞机构，同时向钻头施加钻压，增大了水力加压器所能提供的最大钻压，钻压即为各级活塞杆推力之和。同时这种水力加压器设计有行程结束指示机构，通过滑阀与活塞杆的相对运动控制活塞杆内腔与井眼环空是否连通，从而利用泵压的变化指示行程是否结束。当行程开始时，在弹簧的作用下，滑阀与活塞杆没有相对运动，活塞杆内腔与井眼环空不连通，泵压无变化，当行程结束时，滑阀受到阻挡，相对活塞杆向上运动，活塞杆内腔与井眼环空连通，泵压急剧下降。通过行程结束指示机构的指示可以使活塞杆始终处于行程段，避免因活塞杆完全伸出导致推进器加压效果不明显，从而保证推进器始终处于工作状态。优点：三级单行程增大了可施加的钻压。缺点：滑阀与活塞杆之间的密封要求很高，影响寿命。

申请号为CN96220173.1名称为“钻井用液力推进器”的专利，这种液力推进器属于双级单行程水力加压器。可直接接于钻头上，根据钻压需求可以串联两级液缸给牙轮钻头施加较大钻压，也可以只用一级液缸给PDC钻头施加较小钻压，同时推进器还设计有钻压调节环，可以对钻压进行微调，以适应不同地层对钻压的不同需求。优点:钻压可通过调节环进行微调；缺点：钻头位置地面判断不准确，难以确定准确的井深。

申请号为CN98228332.6名称为“钻头水力脉冲加压器”的专利，属于单级单行程水力加压器。由水力脉冲发生器接头、液缸、活塞密封圈、活塞杆、配合接头组成。当钻井液流经水力脉冲加压器的接头时，由于接头内腔的特殊结构，接头处将产生水力脉冲压力，水力脉冲压力推动活塞杆产生脉冲推力，脉冲推力通过活塞杆传递给钻头，从而给钻头施加钻压，提高机械钻速。该设计不仅能够实现水力加压的功能，而且产生的脉冲压力使钻头产生脉动冲击，提高了钻头的破岩效率，从而提高了机械钻速，降低了钻井成本。这种水力加压器具有的优点：利用水力脉冲射流对活塞杆产生周期性的冲击力，从而大大提高破岩效率。缺点：施加钻压波动，不稳定。

申请号为CN00244794.0名称为“双行程水力加压器”的专利，是一种双级双行程水力加压器。由上接头、变流元件、大行程活塞、小行程活塞、大行程缸体、小行程缸体、主活塞、主缸体、六方活塞杆组成。其特点是：变流元件和小行程活塞与小行程缸体组装在一起，大行程活塞与大行程缸体组装在一起，主活塞和与主缸体组装在一起；小行程缸体和大行程缸体、大行程缸体和主缸体分别串联为一体，组成大钻压行程段和小钻压行程段；主活塞与六方活塞杆连接为一体并和主缸体组装在一起；上接头通过螺纹与上部钻柱相连，六方钻杆通过下部接头的螺纹与钻头相连。这种水力加压器的优点：设计有变流元件，可以通过立管压力表的变化指示活塞杆所处行程。入井后调节钻压更灵活，不仅可以通过改变排量控制钻压大小，而且还可以通过控制活塞杆所处行程控制钻压大小。

2010年发表在《石油矿场机械》杂志第39卷第3期名称为“五级双行程水力加压器设计与力学分析”的文献，是一种五级双行程水力加压器。当钻井液流经水力加压器的各级活塞之后，各级活塞同时开始沿轴向运动，一起向钻头施加钻压，钻头处钻压大小即为各级活塞单独向钻头提供的钻压之和，此即为大钻压行程，当第一级活塞运动到行程终点时，受到外壳的台肩阻挡不再继续沿轴向运动给钻头施加钻压，只剩第二级活塞至第五级活塞继续沿轴向运动。给钻头施加钻压，钻头处钻压大小即为第二级活塞至第五级活塞单独向钻头提供的钻压之和，此即为小钻压行程。这种水力加压器优点：通过增加活塞的级数增加了活塞给钻头提供的最大钻压，从而满足了中深井对钻压大小的需求，通过增加活塞的行程数增加了水力加压器调压能力，从而满足了入井后对钻压调节的需求。缺点：增加了工具长度，对影响钻头位置的判断，井深不准确。

2010年发表在《石油矿场机械》杂志第39卷第3期名称为“长伸缩距液力加压器的研制”的文献，是一种长伸缩距液力加压器。这种水力加压器的活塞行程是普通水力加压器的2～3倍，增加了水力加压器的活塞在行程段的运动时间，可以起到自动送钻的作用。属于双级单行程水力加压器，上心轴活塞和上心轴与上壳体组装在一起，组成第一级，下心轴活塞和下心轴与下壳体组装在一起，组成第二级，第一级与第二级之间通过中间接头连接在一起，下心轴与下壳体之间设计有扭矩传递机构，扭矩传递机构可以选择六方配合、八方配合或者花键配合。因此钻井过程中可以根据设计的钻压自由组合水力加压器的活塞级数、喷嘴数量以达到钻压需求。这种水力加压器的优点：增加了水力加压器的活塞行程，减小了司钻的劳动强度。缺点：增加了工具长度，对影响钻头位置的判断，井深不准确。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种水力加钻压装置，该装置可提高传递的钻压值，实现单行程的钻压的多级调节，提高钻压传递效率，降低钻头轴向振动，解决水平井中拖压问题。

为实现以上发明目的，本发明提供以下技术解决方案。提出了一种具有以下结构的水力加钻压装置，包括：

与钻杆连接的上接头；

外筒，其一端与所述上接头连接，其内设置有支座、弹性件和缸体，所述弹性件设置在所述支座与所述缸体之间，所述支座在不同压力下压缩所述弹性件时，所述支座的下端进入所述缸体的阶梯孔的不同部位从而传递不同的钻压；和

与钻头连接并带有传扭机构的下接头组件，其一方面提供与所述外筒的连接并通过所述传扭机构传递扭矩，另一方面将从所述缸体过来的钻压通过内部设置的流道传递到钻头。

在本发明中，钻杆的扭矩通过外筒、传扭机构传递到下接头组件的下接头本体，再传递给钻头。流体压力通过支座、缸体和下接头组件传递给钻头，并且对弹性件的不同压缩程度传递不同的钻压，从而不仅可降低钻头轴向振动，提高传递的钻压值，实现单行程的钻压的多级调节，还能提高钻压传递效率。另外，还可通过调节钻进泵泵压来实现钻压调节，解决拖压问题，提高机械钻速。

在一种实施方案中，所述支座包括依次连接的支座体、杆体和伸缩头，所述支座体内设置有安装喷嘴的喷嘴座，所述杆体与伸缩头内设有与所述喷嘴座连通的支座中心流道。

在一种实施方案中，所述支座体上设有弧形槽，所述弧形槽贯穿所述支座体的上下表面形成环形流道。

在一种实施方案中，所述缸体内设置有调压阶梯孔，所述调压阶梯孔的面积从上向下依次减小。

在一种实施方案中，所述调压阶梯孔的下端连接缸体内腔，所述缸体外部两端分别设有两个上端翼和两个下端翼，在两个所述缸体上端翼之间形成有第一缸体外流道，在所述缸体上端翼与所述缸体下端翼之间及两个缸体下端翼之间形成有第二缸体外流道，第一缸体外流道与第二缸体外流道形成缸体外流道，所述缸体外流道与设在所述缸体内的缸体中心流道相互分离。

在一种实施方案中，所述下接头组件包括：

连接钻头的下接头本体；

活塞，其下端通过传扭机构连接所述下接头本体，上端位在所述缸体内，所述传扭机构连接在活塞的下端；和

传扭接头，其连接外筒和传扭机构。

在一种实施方案中，所述传扭机构为八方件，所述八方件与所述活塞一体连接且内部设有连通的活塞中心流道，所述活塞中心流道与所述缸体的缸体中心流道连通。活塞中心流道与缸体中心流道连通连通可提高钻压值和减少损耗。

在一种实施方案中，所述活塞包括与八方件连接的凸台件以及与凸台件连接的活塞头，所述凸台件和所述活塞头上均设有用于安装密封件的密封槽。减少压力的损耗，提高钻压传递效率和提高传递的钻压值。

在一种实施方案中，所述凸台件位于凸台件上的密封槽的上方设置有连通活塞中心流道与凸台件外表面的斜向流道。斜向流道有多条，其设置使得凸台件外部的流体能够进入活塞中心流道，从而提高传递的流体压力，提高钻压传递效率。

在一种实施方案中，所述缸体下端位于所述传扭接头上方连接有固定套，所述固定套用于固定缸体的位置和限制所述活塞向上移动的行程。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的水力加钻压装置属于单行程多级水力加钻压装置，不仅提出了一种新的井下多级调压结构，而且相对现有多级水力调压装置本发明的结构更简单可靠，减少了部件数量和工具整体长度，不存在太多的易损件，可提高整体使用寿命。另外，可在井下实施水力加钻压，实现单行程的钻压的多级调节，减少拖压，降低作业风险，提高机械钻速，弹性件能够吸收钻头轴向振动，可提高钻头寿命。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了根据本发明的水力加钻压装置的结构示意图；

图2显示了图1的A-A剖视图；

图3显示了图1中的C-C剖视图；

图4显示了图2中的缸体的结构示意图；

图5显示了图4中的缸体B-B剖视图；

图6显示了图4的缸体左视图；

图7显示了图2中的支座的立体结构示意图；

图8显示了图7中的支座的二维主视图；

图9显示了图8中的D-D剖视图；

图10显示了图2中的传扭机构的二维视图；

图11显示了图10的E-E剖视图；

图12是图10中的传扭机构的三维视图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

发明人在发明过程中注意到，现有水力加压器虽然数量不算少，但现有水力加压器要么存在内部设计结构的缺陷，例如存在流道复杂而不易加工的问题或者钻压调节范围小、密封要求高等；要么外部整体上存在工具长度较长，影响钻头位置判断等问题。

针对以上不足，本发明的实施例提出了一种水力加钻压装置，下面进行说明。

图1显示了本发明的水力加钻压装置的其中一种实施例。在该示意图中，本发明的水力加钻压装置主要包括上接头1、外筒2和带传扭机构9的下接头组件10。其中，上接头1的上端连接钻杆，上接头1的下端通过螺纹与外筒2的上端连接，外筒2的下端连接带传扭机构9的下接头组件10。

在一个实施例中，如图2所示，外筒2内设有支座4、弹性件5和缸体6。支座4活动设置在外筒2内，整体呈倒“工”字型。在一个实施例中，如图8所示，支座4主要包括依次连接的支座体25(即大头端)、杆体26和伸缩头27(即小头端)，弹性件5套接在支座4的杆体26上，弹性件5的上端抵接在支座4的支座体25(大头端)下端面，弹性件5的下端抵接在缸体6的上端面。换句话说，弹性件5设置在支座4与缸体6之间，支座4的杆体26插在弹性件5内。当支座4在压力下作用下压缩弹性件5时，支座4的伸缩头27进入缸体6内。当支座4受到不同的压力作用，则支座4的伸缩头27进入缸体6内的深度和部位不同。

在一个实施例中，如图7和图9所示，支座体25内设置有安装喷嘴3的喷嘴座30，且该喷嘴座30内设有卡接喷嘴3的喷嘴卡槽28。支座体25位于喷嘴座30的下方内部、杆体26内与伸缩头27内设有与喷嘴座30连通的支座中心流道29。

此外，支座体25上还设有相互堆成的弧形槽24，该弧形槽24贯穿支座25的上下表面形成环形流道31。支座中心流道29与环形流道31的结构使得从上接头1进入的流体形成有两条流动路径。

在一个实施例中，如图5所示，该缸体6内部设置有第一孔16、第二孔17、第三孔18以及缸体内腔11。第一孔16、第二孔17和第三孔18的截面积依次减少形成阶梯孔，当支座4的小头端的下端在不同压力作用下进入第一孔16、第二孔17和第三孔18时，可形成对钻头压力的调节，因此，第一孔16、第二孔17和第三孔18又称为三个调压阶梯孔。此外，第二孔17的横截面和第三孔18的横截面比缸体内腔11的横截面小。

在一个实施例中，如图4、图5和图6所示，缸体6的缸体上端12上设有缸体上端翼19，缸体6的缸体下端13设有缸体下端翼20。且缸体上端翼19与缸体下端翼20均为两个，环绕缸体的对称中心线对称设置。在两个缸体上端翼19之间形成了第一缸体外流道14，在缸体上端翼19与缸体下端翼20之间及两个缸体下端翼20之间形成有第二缸体外流道15，第一缸体外流道14与第二缸体外流道15形成缸体外流道。此处的缸体外流道是相对于缸体6内部的第一孔16、第二孔17、第三孔18以及缸体内腔11形成的缸体中心流道而言。也就是，缸体6内部是缸体中心流道，缸体6的外表面形成有缸体外流道。

可以理解的是，从支座中心流道29与环形流道31流到缸体6上端的流体从缸体6的缸体中心流道和缸体外流道这两条路径向下流动。

在一个实施例中，如图2和图10所示，带传扭机构的下接头组件10主要包括下接头本体36、与下接头本体36连接的活塞8以及连接活塞8与外筒2的传扭接头9。其中，下接头本体36内部设置有内螺纹39，主要用于连接钻头。传扭接头9的上端与缸体6的下端之间设定有用于固定缸体6的固定套7。该固定套7在活塞8上下移动时限定缸体6的位置。

在一个实施例种，如图10所示，传扭机构为一个传扭方体35，包括六方体和八方体。在优选的实施例中，如图10和图12所示，该传扭方体35可以是八方体。如图3所示，传扭接头9内设有内八方孔22，该内八方孔22与传扭方体35的外八方面22配合，传扭方体35内还设置有切面为锥形的方体流道23，该方体流道23与活塞中心流道37连通。在本发明的实施例中，传扭方体35主要起到将与上接头1连接的钻杆的扭矩传递到与下接头本体36连接的钻头上，下接头本体36主要通过内螺纹39与钻头上的螺纹连接。

在一个实施例中，如图10、图11和图12所示，活塞8上除了与下接头本体36之间连接的传扭方体35外，还主要包括活塞头32和凸台件38，活塞头3与传扭方体35通过凸台件38连接。活塞头32上设有第一密封槽33，凸台件38上设有两个相互平行的第二密封槽40。凸台件38的前端设有多个用于外部与活塞中心流道37连通的斜向流道34，优选该斜向流道34有多条。该斜向流道34使得从缸体6的缸体外流道和从缸体中心流道29两条路径流过来的流体都能够进入活塞中心流道37，从而进一步提高本发明的水力加钻压装置的压力传递效率和传递的钻压值。另外，活塞中心流道37的截面积远小于缸体中心流道29的截面积，能够进一步提高作用到钻头的钻压。

在工具下入时，将本发明的水力加钻压装置的上接头1连接钻杆，下接头本体36连接钻头。然后通过钻柱送入至井底，钻头接触井底停止。

开始钻进时，钻井泵启动，排量逐渐增大，在喷嘴3的节流作用下，支座4上端面上承受液压P_C，此压力压缩弹簧5，伸缩头27轴向下移至缸体6上部的内孔。此时，活塞8承受在缸体6内部液压作用力F＝P_C*S_C的压力，其中S_C为活塞8的活塞头32的面积。通过调节排量，控制支座4上端面上承受液压Pc，控制伸缩头27依次轴向下移至缸体6上部的第一孔16、第二孔17和第三孔18处。因第一孔16、第二孔17和第三孔18的截面积依次减小，与伸缩头27之间的间隙也梯次减小，使缸体6的内腔压力Pc梯次增大。当液压P增加到P_C1时，伸缩头27轴向下移至第一孔16，此时活塞8承受的作用力为F＝P_C1*S_C。当压力从P_C1增加到P_C2时，伸缩头27轴向下移至第二孔17，此时F＝P_C2*S_C。当压力从P_C2增加到P_C3时，伸缩头27轴向下移至第三孔18，此时F＝P_C3*S_C。液压P的数值P_C1<P_C2<P_C3。液压作用力F通过活塞8、下接头本体36传递至钻头。此外，不光是传递液压作用力，钻杆上部的扭矩也通过传扭接头9与活塞8的传扭方体35传递至钻头。

当需降低钻压时，则降低排量，控制支座4的伸缩头27从缸体6上部的第三孔18上行至第二孔17或第一孔16，缸体6的内腔压力降低，活塞8承受的缸体内部液压作用力F相应下降。

此外，本发明的水力加钻压装置在使用时，还具有以下优点：

当钻进至软硬夹层、硬地层等地层，钻头受轴向上振动，缸体6内腔液体对活塞8和钻头起到缓冲作用，吸收振动，提高钻头寿命。

在定向井、水平井斜井段或水平段，钻柱在重力作用下，贴在井眼下方，导致难以通过钻柱重力加压、易出现拖压、加不上钻压等问题，采用本发明的水力加钻压装置可通过调节钻进泵泵压从而实现钻压调节，解决拖压问题，提高机械钻速。而且活塞头32的面积大，可提供较大钻压，可解决定向井、水平井中拖压问题。

在停泵后，排量降低至0。此时缸体6内部压力与工具外环空压力相当，钻头上无钻压。可吸收减小钻头轴向振动，提高钻头寿命。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水力加钻压装置，其特征在于，包括：

与钻杆连接的上接头；

外筒，其一端与所述上接头连接，其内设置有支座、弹性件和缸体，所述弹性件设置在所述支座与所述缸体之间，所述支座在不同压力下压缩所述弹性件时，所述缸体内设置有调压阶梯孔，所述调压阶梯孔的面积从上向下依次减小；所述支座的下端进入所述缸体的调压阶梯孔的不同部位从而传递不同的钻压；

所述支座包括依次连接的支座体、杆体和伸缩头，所述支座体内设置有安装喷嘴的喷嘴座，所述杆体与伸缩头内设有与所述喷嘴座连通的支座中心流道；和

与钻头连接并带有传扭机构的下接头组件，其一方面提供与所述外筒的连接并通过所述传扭机构传递扭矩，另一方面将从所述缸体过来的钻压通过内部设置的流道传递到钻头。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支座体上设有弧形槽，所述弧形槽贯穿所述支座体的上下表面形成环形流道。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述调压阶梯孔的下端连接缸体内腔，所述缸体外部两端分别设有两个上端翼和两个下端翼，在两个所述缸体上端翼之间形成有第一缸体外流道，在所述缸体上端翼与所述缸体下端翼之间及两个缸体下端翼之间形成有第二缸体外流道，第一缸体外流道与第二缸体外流道形成缸体外流道，所述缸体外流道与设在所述缸体内的缸体中心流道相互分离。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述下接头组件包括：

连接钻头的下接头本体；

活塞，其下端通过传扭机构连接所述下接头本体，上端位在所述缸体内，所述传扭机构连接在活塞的下端；和

传扭接头，其连接外筒和传扭机构。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述传扭机构为八方件，所述八方件与所述活塞一体连接且内部设有连通的活塞中心流道，所述活塞中心流道与所述缸体的缸体中心流道连通。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述活塞包括与八方件连接的凸台件以及与凸台件连接的活塞头，所述凸台件和所述活塞头上均设有用于安装密封件的密封槽。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述凸台件位于凸台件上的密封槽的上方设置有连通中心流道与凸台件外表面的斜向流道。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述缸体下端位于所述传扭接头上方连接有固定套，所述固定套用于固定缸体的位置和限制所述活塞向上移动的行程。

Images