CN109630010B - 一种高频动载破岩工具及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高频动载破岩工具及其使用方法，通过高压钻井液推动冲击转锤运动储存动能，利用一部分高压钻井液结合频率控制模块控制控制阀的转向，来实现高压钻井液在冲击锤两侧的交替分配，巧妙地将钻井液的压力势能转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，实现钻头连续稳定破岩，提高了钻井质量并降低了钻井成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻井工具，属于油气勘探领域，具体涉及一种高频动载破岩工具。
背景技术
在油气勘探的钻井过程中，深层岩石的硬度、抗压强度和研磨性显著上升，破碎单位体积所需能量增加；同时，当钻柱传递的能量不能保证钻头连续破岩时，会发生粘滑振动，加剧钻柱横向、纵向振动，其中周向震动和轴向振动不受井眼边界限制而最为剧烈，对钻头的破坏最为严重，影响机械钻速和进尺，造成钻井效率低下、质量差、成本升高等问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种高频动载破岩工具，能将钻井液的压力势能转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，实现钻头连续稳定破岩。
为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：
一种高频动载破岩工具，其特征在于包括外壳、下接头、冲击系统，所述冲击系统位于所述外壳内部，所述下接头上部与所述外壳与所述冲击系统的下部连接，所述下接头下部用于与钻头连接；
所述冲击系统包括由外向内依次嵌套的冲击系统壳体、冲击锤、控制阀、启动锤和分流中心管，各自分别为中空结构，其中所述冲击系统壳体内壁上开有对称的主活塞腔；所述冲击锤外壁具有可在所述主活塞腔内摆动的锤翼；所述控制阀内壁上开有对称的启动活塞腔；所述启动锤外侧具有可在所述启动活塞腔内与控制阀相对摆动的锤翼；
所述冲击系统壳体上还设置有相对设置的两个控制摆动阀换向的频率控制模块，所述分流中心管将钻井液分为流经频率控制模块、控制阀和直接排出的三路，其中第一路通过频率控制模块交替进入所述启动活塞腔内的锤翼两侧，第二路通过控制阀阀位的改变交替进入主活塞腔内锤翼两侧。
优选的所述分流中心管壁面设置有筛管结构的流通孔，分流中心管内靠近底端位置设置有截流喷嘴。
进一步优选的所述频率控制模块包括叶轮和偏心导流孔；所述偏心导流孔在频率控制模块工作过程中与流通孔交替相通与错开。
优选的所述下接头与外壳、冲击系统之间由倒扣交错式锁闭机构连接，所述倒扣交错式锁闭机构包括下接头与冲击系统之间的固定轴承连接和下接头与外壳之间带有间隙的牙嵌连接。
进一步优选的所述固定轴承连接包括由多粒钢球组成的轴承。
进一步优选的所述由多粒钢球组成的轴承中单个钢球可承受8吨的压力和5吨的剪切力，所述由多粒钢球组成的轴承中钢球数量为20粒。
优选的所述带有间隙的牙嵌连接为120°对称间隙牙嵌，即牙嵌连接包括三组相同的牙嵌结构。
优选的所述外壳上端设置有公螺纹接头；所述下接头下方设置有螺纹母扣。
优选的所述分流中心管流通孔宽度为2毫米，最大流量为5L/s。
优选的工具提供的冲击能量为200焦耳。
前述一种高频动载破岩工具的使用方法，其特征在于，第一路钻井液由频率控制模块控制周期性的交替进入启动活塞腔中启动锤锤翼的两侧，控制启动锤与控制阀交替发生相对顺时针或逆时针的摆动，进而改变控制阀的阀位，使得第二路钻井液周期性的交替进入主活塞腔中冲击锤锤翼的两侧，使所述高频动载破岩工具产生扭向往复冲击。
优选的所述分流中心管壁面设置有流通孔，所述频率控制模块包括叶轮和偏心导流孔；两个频率控制模块分别连通一个启动活塞腔，通过叶轮旋转使得两组频率控制模块的偏心导流孔交替与流通孔相通，使得第一路钻井液交替进入启动活塞腔中启动锤锤翼的两侧产生15-30Hz的交变压差，该压差交替驱动启动锤与控制阀发生相对顺时针或逆时针往复摆动，进而周期性的改变控制阀的阀位。
本发明的有益效果为：
本发明设计的高频动载破岩装置通过高压钻井液推动冲击转锤运动储存动能，利用一部分高压钻井液结合频率控制模块控制控制阀的转向，来实现高压钻井液在冲击锤两侧的交替分配，巧妙地将钻井液的压力势能转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，提高了钻井质量并降低了钻井成本。特殊的倒扣交错式锁闭机构在极端条件下能够承受100吨拉力，超过了钻井工程对相关工具的要求，能够满足各种情况下的使用需求。装置内部结构紧凑、合理，无任何橡胶件和电子元器件，可靠程度高，同时设置有分流中心管防止泥沙等颗粒物进入装置内部，该机构的作用是为启动活塞提供干净的钻井液流体，不承担任何压应力、拉应力或者扭矩，而仅仅起到防止颗粒物进入控制阀的作用有效防止井下砂粒和岩屑对控制阀的损坏，进而保障了液动锤的可靠性，进一步提升了装置的井下作业可靠性。即便在高频动载破岩装置失效的情况下，本发明装置的结构使其依然可以作为一个普通的PDC钻头继续进行钻井作业，无需因为高频动载破岩装置失效进行起下钻作业，使用没有额外风险。
附图说明
图1为本发明的整体示意图。
图2为本发明的透视结构示意图。
图3为本发明的中心管示意图。
图4为本发明的固定轴承连接结构示意图。
图5A为本发明的频率控制模块正视示意图。
图5B为本发明的频率控制模块侧视示意图。
图6为本发明冲击系统结构截面示意图。
图7为本发明冲击系统第一阀位示意图。
图8为本发明冲击系统第二阀位示意图。
图9为本发明冲击系统第三阀位示意图。
图10为本发明冲击系统第四阀位示意图。
附图编号说明：1-外壳，2-下接头，3-冲击系统，31-分流器，32-冲击系统压盖，33-冲击系统壳体，331-主活塞腔，3311-主活塞腔逆时针位，3312-主活塞腔顺时针位，34-频率控制模块，341-叶轮，342-偏心导流孔，35-控制阀，351-启动活塞腔，3511-启动活塞腔顺时针位，3512-启动活塞腔逆时针位，36-启动锤，361-启动锤锤翼，37-冲击锤，371-冲击锤锤翼，38-分流中心管，381-流通孔，4-倒扣交错式锁闭机构。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
如附图1为本发明的整体示意图，从外部可见外壳1与下接头2之间的120°牙嵌间隙连接，即倒扣交错式锁闭机构4的外部部分包括三组相同的牙嵌结构。
如附图2为本发明的透视结构示意图，可见冲击系统3底端与下接头2之间的固定轴承连接，即倒扣交错式锁闭机构4的内部部分，附图4为固定轴承连接结构的结构示意图。冲击系统3顶部与分流器31相连接；冲击系统3上还包括有顶部的冲击系统压盖32以及设置在冲击系统壳体33上的频率控制模块34。
如附图6所示的冲击系统截面示意图，所述冲击系统3由外向内包括依次嵌套的冲击系统壳体33、冲击锤37、控制阀35、启动锤36和分流中心管38，各自分别为中空结构，其中所述冲击系统壳体33内壁上开有对称的主活塞腔331；所述冲击锤37外壁具有可在所述主活塞腔331内摆动的冲击锤锤翼371；所述控制阀35内壁上开有对称的启动活塞腔351；所述启动锤36外侧具有可在所述启动活塞腔351内摆动的启动锤锤翼361，所述启动锤36内部为分流中心管38。
附图3为本发明分流中心管38示意图，中心管中部区域的壁面位置开有流通孔381。
附图5A与5B为本发明的频率调节模块示意图，包括有叶轮341和偏心导流孔342。
如附图6所示的冲击系统示意图，在工作期间，钻井液进入扭力动载破岩工具后会被分流中心管38和分流器31分为三路，其中第一路钻井液(约占10％)通向频率控制模块34；第二路钻井液(约占60％)通向控制阀35，第三路钻井液(约占30％)通过分流中心管38底部的截流喷嘴直接排出。具体的，第一路钻井液通过两组频率控制模块34内部的偏心导流孔342交替与流通孔381相通的作用下交替进入启动活塞腔351中启动锤锤翼361的两侧产生15-30Hz的可调交变压差，该压差交替驱动启动锤与控制阀发生相对的顺时针或逆时针往复摆动，进而改变控制阀的阀位。基于该原理，控制阀35将流经其的第二路钻井液交替分配给冲击锤37两侧，使该工具产生扭向高频往复冲击。第三路用于稳定压力，方便堵漏剂的通过，以及防止系统发生故障，保证系统在失效时仍可作为普通的钻头继续工作。冲击系统内部的通路例如流通孔与偏心导流孔以及控制阀与主活塞腔等未详细示出，根据上述描述的通路可在内部合理安排，此外，该工具的冲击锤、启动锤和控制阀自上而下也设置有多个可控的导流孔，用于限流时排出多余的液体。
扭力动载破岩工具工作过程中阀位变化过程如下：
阀位1：如附图7所示，控制阀35处于逆时针死点(即控制阀35无法再向逆时针转动)、冲击锤37处于顺时针死点。此时第一频率控制模块通过旋转叶轮使偏心导流孔342与流通孔381相通，形成通道将高压钻井液输送到启动活塞腔顺时针位3511，推动控制阀35相对于启动锤36顺时针旋转；第二频率控制模块通过旋转使偏心导流孔不与流通孔381相通，限制钻井液被输送到启动活塞腔逆时针位3512。
阀位2：如附图8所示，当控制阀35相对于启动锤36顺时针旋转至顺时针死点后，此时冲击锤37仍处于顺时针死点。由于控制阀35的阀位变化，使第二路高压钻井液与主活塞腔顺时针位3312连通，而与主活塞腔逆时针位3311断开连通此时开通中心分流管38与主活塞腔顺时针位3312方向的仓位，可使钻井液推动冲击锤37向逆时针方向运行。
阀位3：如附图9所示，在高压钻井液的作用下，冲击锤37逆时针旋转至死点，此时第一频率控制模块通过旋转使偏心导流孔342不再与流通孔381相通，使原本能够顺畅流过通道的钻井液被限流；同时第二频率控制模块通过旋转使偏心导流孔342与流通孔381相通，形成新的通道。钻井液被限流后，会重新向压力更低方向(即更加畅通的流道)流动，也即流过第二频率控制模块形成的通道。因而第一、第二频率控制模块的高低压区交替，此时第二频率控制模块将高压钻井液输送到启动活塞腔逆时针位3512，进一步的使控制阀35得以换向。
阀位4：如附图10所示，控制阀35相对启动锤36逆时针旋转至逆时针死点。由于控制阀35的阀位变化，使第二路高压钻井液与主活塞腔逆时针位3311连通，此时开通中心分流管38与主活塞腔逆时针位3311方向的仓位，可使钻井液推动冲击锤37向顺时针方向运行。完成该动作后，扭力动载破岩工具的控制阀35及冲击锤37回到阀位1所示的位置，并开始下一轮回。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高频动载破岩工具，其特征在于包括外壳、下接头、冲击系统，所述冲击系统位于所述外壳内部，所述下接头上部与所述外壳下部连接，所述下接头上部还与所述冲击系统的下部连接，所述下接头下部用于与钻头连接；
所述冲击系统包括由外向内依次嵌套的冲击系统壳体、冲击锤、控制阀、启动锤和分流中心管，各自分别为中空结构，其中所述冲击系统壳体内壁上开有对称的主活塞腔；所述冲击锤外壁具有可在所述主活塞腔内摆动的锤翼；所述控制阀内壁上开有对称的启动活塞腔；所述启动锤外侧具有可在所述启动活塞腔内与控制阀相对摆动的锤翼；
所述冲击系统壳体上还设置有相对设置的两个操作控制阀换向的频率控制模块，所述分流中心管将钻井液分为流经频率控制模块、控制阀和直接排出的三路，其中第一路通过频率控制模块交替进入所述启动活塞腔内的锤翼两侧，第二路通过控制阀阀位的改变交替进入主活塞腔内锤翼两侧。
2.如权利要求1所述的高频动载破岩工具，其特征在于所述分流中心管壁面设置有筛管结构的流通孔，分流中心管内靠近底端位置设置有截流喷嘴。
3.如权利要求2所述的高频动载破岩工具，其特征在于所述频率控制模块包括叶轮和偏心导流孔；所述偏心导流孔在频率控制模块工作过程中与流通孔交替相通与错开。
4.如权利要求1所述的高频动载破岩工具，其特征在于所述下接头与外壳、冲击系统之间由倒扣交错式锁闭机构连接，所述倒扣交错式锁闭机构包括下接头与冲击系统之间的固定轴承连接结构和下接头与外壳之间带有间隙的牙嵌连接结构。
5.如权利要求4所述的高频动载破岩工具，其特征在于所述固定轴承连接包括由多粒钢球组成的轴承。
6.如权利要求5所述的高频动载破岩工具，其特征在于所述由多粒钢球组成的轴承中单个钢球可承受8吨的压力和5吨的剪切力，所述由多粒钢球组成的轴承中钢球数量为20粒。
7.如权利要求4所述的高频动载破岩工具，其特征在于所述带有间隙的牙嵌连接为120°对称间隙牙嵌，即牙嵌连接包括三组相同的牙嵌结构。
8.如权利要求1所述的高频动载破岩工具，其特征在于所述外壳上端设置有公螺纹接头；所述下接头下方设置有螺纹母扣。
9.如权利要求1-8任一所述的高频动载破岩工具的使用方法，其特征在于，第一路钻井液由频率控制模块控制周期性的交替进入启动活塞腔中启动锤锤翼的两侧，控制启动锤与控制阀交替发生相对顺时针或逆时针的摆动，进而改变控制阀的阀位，使得第二路钻井液周期性的交替进入主活塞腔中冲击锤锤翼的两侧，使所述高频动载破岩工具产生扭向往复冲击。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述分流中心管壁面设置有流通孔，所述频率控制模块包括叶轮和偏心导流孔；两个频率控制模块分别连通一个启动活塞腔，通过叶轮旋转使得两组频率控制模块的偏心导流孔交替与流通孔相通，使得第一路钻井液交替进入启动活塞腔中启动锤锤翼的两侧产生15-30Hz的交变压差，该压差交替驱动启动锤与控制阀发生相对顺时针或逆时针往复摆动，进而周期性的改变控制阀的阀位。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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