CN109779520A - 一种脉冲式螺旋冲击钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油天然气钻井配套设备技术领域，涉及一种脉冲式螺旋冲击钻井工具，上壳体的上部与外部钻铤螺纹连接，下部与下壳体螺纹连接，脉冲喷嘴固定在上壳体的入口下端，冲击锤座位于脉冲喷嘴下端，冲击锤座通过密封组件与上壳体接触形成滑动配合，冲击底座内部为沿圆周均布三个螺旋流道，传动短节的上端通过上孔螺纹与冲击锤座连接，下端通过下孔螺纹与外接钻头相连接，上壳体内部设有变径台阶，上壳体和下壳体配合形成限位台阶；其结构简单，操作方便，使用安全，能产生高频轴向和扭转冲击载荷，两种冲击共同作用从而达到提高钻头破岩效率和保护钻具的效果。

Description

一种脉冲式螺旋冲击钻井工具

技术领域：

本发明属于石油天然气钻井配套设备技术领域，涉及一种脉冲式螺旋冲击钻井工具，特别是一种能够提高PDC钻头破岩效率和减小底部钻具振动钻井工具。

背景技术：

目前，为提高深井、超深井硬岩地层的破岩效率，发展出轴向和扭转复合冲击钻井技术，按照驱动方式的不同主要包括动力组件式、液压阀式以及流体脉冲式，其中动力组件式原理为螺杆或涡轮组件驱动冲击锤旋转，通过坡面凸台将冲击锤的旋转运动转换为周期性的轴向和扭转冲击作用，CN105525868B公开了一种脉动式双向冲击器，脉动式双向冲击器，包括壳体动力机构和冲击机构，其中：冲击机构包括是联轴器、中心轴、弹簧、滑套和冲击阀，中心轴设有与壳体内置上下两个环形槽连通的径向旁通孔，中心轴下部通过花键组与冲击阀构成轴向滑动配合连接，冲击阀连同其上方的弹簧设在壳体下环形槽内，滑套设在冲击阀上冲击阀下端与壳体下环形槽内凸沿构成冲击配合，该脉动式双向冲击器能够同时产生轴向冲击和扭转冲击双重作用，轴向冲击与扭转冲击配合，既能引发钻柱轴向振动减小滑动钻进摩擦阻力，降低压差卡钻风险，增加钻压，削弱脱压影响，又能够提高钻头瞬时切削力，防止粘滑振动，还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点；CN105672873A公开了一种高频扭转和轴向双向冲击器，该冲击器包括外壳、连接头、扶正轴承、涡轮轴、上锤体和下锤体。外壳的一端螺纹安装有连接头；外壳的另一端通过端盖和缓冲弹簧滑动安装有下锤体，外壳内通过螺母安装有涡轮轴，涡轮轴一端装有涡轮转子和定子，另一端装有上锤体。该冲击器可有效提高钻头和岩石间的接触应力及破碎坑内的裂纹扩展，从而提高了钻头的破岩效率，解决了传统旋转钻井方式碰到硬地层时，钻井效率降低，钻头寿命变短，钻井周期长、成本高的问题；对提高钻井效率和降低钻井成本具有积极的推广意义；CN106812463A公开了一种超高频扭转和轴向复合冲击器，该复合冲击器包括壳体、旁通阀、万向联轴器、扶正轴承、传动轴和连接头，壳体的一端螺纹安装有连接头，壳体的另一端通过端盖活动安装有下压体，下压体一侧的壳体内通过扶正轴承装有传动轴，传动轴上装有上压体，上压体与下压体接触连接，该复合冲击器既能提高钻头的钻进以及吃入岩石深度，又能减少甚至消除粘滑振动等不利损害；解决了现有轴向冲击器单一的轴向冲击虽能提高钻头吃入岩石深度和破岩效率，但不能减少钻头的粘滑振动，甚至加大了钻头波动的问题；对提高钻井效率，降低钻井成本具有积极的意义；CN107542397A公开了一种石油钻井用耦合冲击器，该冲击器包括壳体、上接头、下接头、中心轴、涡轮定阀、涡轮动阀、上锤体、下锤体，壳体的一端螺纹安装有上接头，上接头内侧的壳体内通过涡轮定阀和涡轮动阀装有中心轴；中心轴上固装有上锤体；上锤体一侧的中心轴上套装有下锤体，下锤体与壳体键连接，该冲击器在钻井液作用下，中心轴带动上锤体对下锤体产生周期性的轴向冲击及周期性的扭转冲击，同时中心轴下端使得上活塞体周期性的压缩腔体内的流体，使钻井液进入钻头前，周期性的产生一定加压效果，并形成脉冲波动，整个冲击器，在上述耦合作用下，能有效提高钻头和岩石间的接触应力及岩石破碎效果，在提高钻头的破岩效率、提高钻速、降低钻井成本的同时，能有效避免钻头喷嘴堵塞、钻头产生泥包的现象；液压阀式原理为通过过流通道的开合转换驱动冲击锤产生轴向和扭转冲击作用，CN105909166B公开了一种用于石油钻井、地质钻探等领域的钻井提速增效用螺旋式双级复合冲击器，它能够将泥浆的压力能转换为中心管的螺旋冲击，上接头、上壳体、中接头、下壳体和下接头依次通过螺纹配合，固定后内部形成空腔，空腔由上向下依次是阀体、阀体弹簧、驱动锤、中心管、碟簧、冲击碰嘴；驱动锤和内筒通过内筒弹簧轴向定位，周向均设有通孔；中心管外表面设有螺旋轴承槽，该工具通过泥浆压力带动驱动锤轴向运动，对中心管产生轴向冲击；在驱动锤、碟簧和螺旋轴承的共同作用下，中心管带动冲击喷嘴对下接头产生周期性的螺旋冲击，并作用于下部钻具，可有效提高钻头的破岩效率，降低钻井成本，同时减少粘滑现象的产生；CN107664012A公开了一种涡轮式双向高频复合冲击器，由涡轮总成、冲击总成和转换接头组成，所述的涡轮总成前端连接转换接头，转换接头前端连接冲击总成，通过涡轮总成将液压能转化为涡轮轴旋转的机械能，从而带动冲击总成的旋转阀旋转，由于在旋转阀和阀盖都开有孔，使钻井液周期性进锤头和锤体筒腔内，在液体的推动下锤头周期性撞击锤体筒产生周向震击，同时旋转阀和阀盖的轴向孔周期性错位使液体压力变化，产生高频的轴向震动，并通过下接头将轴向和周向冲击力传递到钻头，消除粘滑现象，保护了钻头，从而提高钻头破岩效率，该涡轮式双向高频复合冲击器利用钻井液产生轴向和周向两种冲击，能有效提高钻井效率；CN107664013A提供了一种叶轮式轴向和周向复合冲击器，包括转换接头、马达总成和冲击总成。所述的马达总成前端连接冲击总成，后端连接转换接头，通过马达总成的叶轮将液体能量转化为旋转的机械能，从而带动冲击总成的旋转阀旋转，由于在旋转阀和阀盖都开有孔，使钻井液周期性进锤头和锤体筒腔内，在液体的推动下锤头周期性撞击锤体筒产生周向震击，同时旋转阀和阀盖的轴向孔周期性错位使液体压力变化，产生高频的轴向震动，并通过下接头将轴向和周向冲击力传递到钻头，消除粘滑现象，保护了钻头，从而提高钻头破岩效率，该叶轮式轴向和周向复合冲击器利用钻井液产生轴向和周向两种冲击，能有效提高钻井效率；流体脉冲式原理为通过特殊结构喷嘴将流体转化成具有一定频率的脉冲射流，射流驱动冲击锤轴向运动，并通过斜面凸台转换为轴向和扭转冲击作用，CN106593306A公开了一种多维冲击器，套筒上端与上接头连接；套筒内从上到下依次设置有喷嘴、上冲击块和下冲击块，上冲击块和下冲击块斜面接触，上冲击块和下冲击块与套筒之间分别设置有上冲击块密封圈和下冲击块密封圈；下冲击块的下端穿出套筒底端，并与设置在套筒下端的下接头连接；其结构简单，使用方便，安全可靠，压耗低，不影响钻具结构，适用于多种钻井平台，加工制造和使用维护成本较低。但是现有钻井工具中的螺杆、涡轮等动力组件在深井、超深井高温高压环境中稳定性较差，而液压阀式结构复杂，钻井液固相颗粒容易堵塞流道造成工具失效，过多的冲击机构组件降低能量的传递效率，造成能量的耗散。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种结构简单、能量利用率高、能够同时产生轴向和扭转两个方向的高频率冲击载荷的脉冲式螺旋冲击钻井工具，通过喷嘴将钻井液调制成为高频脉冲射流，作用于具有一定螺旋角度的螺旋面上形成轴向和扭转两个方向的周期性冲击力，并通过传动短节向下传递至钻头进行冲击破岩，产生的冲击载荷提高PDC钻头的侵入地层深度和增大切削齿的切削能力，从而提高钻井破岩效率。

为了实现上述目的，本发明所述脉冲式螺旋冲击钻井工具的主体结构包括：包括上壳体、脉冲喷嘴、冲击锤座、下壳体、传动短节和密封组件，其中冲击锤座包括锤座入口、螺旋锤面、螺旋流道、锤座出口和密封槽；上壳体的上部公扣端与外部钻铤螺纹连接，下部与下壳体螺纹连接，下壳体的外圆柱面下端为沿圆周均布的矩形结构齿，矩形结构齿由下壳体齿底、下壳体齿侧面、下壳体齿顶构成，下壳体齿底、下壳体齿侧面、下壳体齿顶分别与传动短节的传动传动短节齿顶、传动短节齿侧面、短节齿底相互嵌合，工作时，下壳体齿顶和下壳体齿侧面分别与传动短节齿底和传动短节齿侧面接触；上壳体、下壳体、传动短节共同组成动力传递机构，用于传递钻压和扭矩；外部为圆柱形、中心为变径腔室的脉冲喷嘴固定在上壳体的入口下端，将钻井液转化为脉冲射流；冲击锤座位于脉冲喷嘴下端，冲击锤座包括锤座入口、螺旋锤面、螺旋流道、锤座出口和密封槽，冲击锤座的顶部和底部分别设有锤座入口和锤座出口，冲击锤座顶部外侧面开有密封槽，密封槽内安装密封组件，冲击锤座通过密封组件与上壳体接触形成滑动配合，冲击底座内部为沿圆周均布三个螺旋流道，螺旋流道内侧为螺旋锥面，脉冲射流作用于螺旋锥面上产生轴向和扭转两个方向的冲击载荷；传动短节的上段通过上孔螺纹与冲击锤座连接，下端通过下孔螺纹与外接钻头相连接，脉冲喷嘴、冲击锤座、密封组件、传动短节共同组成冲击发生机构；上壳体内部设有变径台阶，上壳体的内径大于下壳体，上壳体和下壳体配合形成限位台阶，用于限制冲击锤座、密封组件和传动短节的轴向位移，上壳体、下壳体、冲击锤座、密封组件、传动短节组成运动限位机构。

本发明实现脉冲式螺旋冲击钻井的具体过程为：

(1)当钻头未接触井底或接触井底但承压较小时，由于钻井液压力和自身重力的作用，冲击锤座和传动短节被限制在下壳体上端面位置，此时钻井工具不工作；当钻头承受一定钻压后，冲击锤座和传动短节被限制在下壳体矩形齿顶端面位置，此时钻井工具在钻井液的驱动下开始工作；

(2)钻井工具工作时，外接的转盘或顶驱带动上壳体与下壳体顺时针转动(俯视)，并通过下壳体齿侧面与传动短节齿侧面接触而向下传递转速，钻压则通过下壳体齿顶挤压传动短节齿底向下传递，因此，转速和钻压通过矩形结构齿传递至钻头进行常规破岩；与此同时，一部分钻井液从钻柱内部流经脉冲喷嘴并形成周期性的脉冲射流，脉冲射流分别作用于冲击锤座的三个螺旋锥面上并被分解为轴向和扭转两个方向的冲击载荷，冲击载荷通过与冲击锤座连接的传动短节向下传递至钻头进行冲击破岩。

本发明与现有技术相比，其结构简单，操作方便，使用安全，能产生一种高频轴向和扭转冲击载荷，产生的轴向冲击能够增大钻头齿切削地层深度，增大岩石破碎体积；产生的扭转冲击能够提高钻头齿切削岩石速率，减小底部钻具粘滑振动，两种冲击共同作用从而达到提高钻头破岩效率和保护钻具的效果。

附图说明：

图1为本发明的主体结构剖视图。

图2为本发明的主体结构主视图。

图3为本发明所述冲击锤座的结构图。

具体实施方式：

实施例：

本实施例所述脉冲式螺旋冲击钻井工具的主体结构包括上壳体1、脉冲喷嘴2、冲击锤座3、下壳体4、传动短节5和密封组件6，其中冲击锤座3包括锤座入口31、螺旋锤面32、螺旋流道33、锤座出口34和密封槽35；上壳体1的上部公扣端与外部钻铤螺纹连接，下部与下壳体4螺纹连接，下壳体4的外圆柱面下端为沿圆周均布的矩形结构齿，矩形结构齿由下壳体齿底41、下壳体齿侧面42、下壳体齿顶43构成，下壳体齿底41、下壳体齿侧面42、下壳体齿顶43分别与传动短节5的传动传动短节齿顶53、传动短节齿侧面52、短节齿底51相互嵌合，工作时，下壳体齿顶43和下壳体齿侧面42分别与传动短节齿底51和传动短节齿侧面52接触；上壳体1、下壳体4、传动短节5共同组成动力传递机构，用于传递钻压和扭矩；外部为圆柱形、中心为变径腔室的脉冲喷嘴2固定在上壳体1的入口下端，将钻井液转化为脉冲射流；冲击锤座3位于脉冲喷嘴2下端，冲击锤座3包括锤座入口31、螺旋锤面32、螺旋流道33、锤座出口34和密封槽35，冲击锤座3的顶部和底部分别设有锤座入口31和锤座出口34，冲击锤座3顶部外侧面开有密封槽35，密封槽35内安装密封组件6，冲击锤座3通过密封组件6与上壳体1接触形成滑动配合，冲击底座内部为沿圆周均布三个螺旋流道33，螺旋流道33内侧为螺旋锥面32，脉冲射流作用于螺旋锥面32上产生轴向和扭转两个方向的冲击载荷；传动短节5的上段通过上孔螺纹54与冲击锤座3连接，下端通过下孔螺纹55与外接钻头相连接，脉冲喷嘴2、冲击锤座3、密封组件6、传动短节5共同组成冲击发生机构；上壳体1内部设有变径台阶，上壳体1的内径大于下壳体4，上壳体1和下壳体4配合形成限位台阶11，用于限制冲击锤座3、密封组件6和传动短节5的轴向位移，上壳体1、下壳体4、冲击锤座3、密封组件6、传动短节5组成运动限位机构。

本实施例所述冲击发生机构工作时，钻井液流经脉冲喷嘴2后形成脉冲射流，在脉冲喷嘴2、上壳体1和冲击锤座3形成的腔室内钻井液的压力脉动被进一步扩大形成液力锤，液力锤自锤座入口31进入冲击锤座3，流经螺旋流道33并将压力脉冲作用于螺旋锤面32上，最终从锤座出口34流出，使冲击锤座3形成轴向和周向的冲击载荷，载荷经过传动短节5传递至钻头进行破岩。

本实施例所述动力传递机构工作时，旋转的钻铤驱动上壳体1与下壳体4转动，下壳体齿侧面42推动传动短节齿侧面52，从而将扭矩传递至传动短节5，钻压通过下壳体齿顶43挤压传动短节齿底51将钻压向下传递，工作过程中，下壳体齿底41不与传动短节53发生接触。

本实施例所述运动限位结构的工作原理为：当钻头未接触井底或接触井底但受力较小时，由于钻井液压力和自身重力的作用，冲击锤座3和传动短节5被限制在下壳体4上端面位置；当钻头承受一定钻压后，冲击锤座3和传动短节5被限制在下壳体4矩形齿顶端面位置。

本实施例实现脉冲式螺旋冲击钻井的具体过程为：

(1)当钻头未接触井底或接触井底但承压较小时，由于钻井液压力和自身重力的作用，冲击锤座3和传动短节5被限制在下壳体4上端面位置，此时钻井工具不工作；当钻头承受一定钻压后，冲击锤座3和传动短节5被限制在下壳体4矩形齿顶端面位置，此时钻井工具在钻井液的驱动下开始工作；

(2)钻井工具工作时，外接的转盘或顶驱带动上壳体1与下壳体4顺时针转动(俯视)，并通过下壳体齿侧面42与传动短节齿侧面52接触而向下传递转速，钻压则通过下壳体齿顶43挤压传动短节齿底51向下传递，因此，转速和钻压通过矩形结构齿传递至钻头进行常规破岩；与此同时，一部分钻井液从钻柱内部流经脉冲喷嘴2并形成周期性的脉冲射流，脉冲射流分别作用于冲击锤座3的三个螺旋锥面32上并被分解为轴向和扭转两个方向的冲击载荷，冲击载荷通过与冲击锤座3连接的传动短节5向下传递至钻头进行冲击破岩。

Claims (2)

1.一种脉冲式螺旋冲击钻井工具，其特征在于主体结构包括：包括上壳体、脉冲喷嘴、冲击锤座、下壳体、传动短节和密封组件，其中冲击锤座包括锤座入口、螺旋锤面、螺旋流道、锤座出口和密封槽；上壳体的上部公扣端与外部钻铤螺纹连接，下部与下壳体螺纹连接，下壳体的外圆柱面下端为沿圆周均布的矩形结构齿，矩形结构齿由下壳体齿底、下壳体齿侧面、下壳体齿顶构成，下壳体齿底、下壳体齿侧面、下壳体齿顶分别与传动短节的传动传动短节齿顶、传动短节齿侧面、短节齿底相互嵌合，工作时，下壳体齿顶和下壳体齿侧面分别与传动短节齿底和传动短节齿侧面接触；上壳体、下壳体、传动短节共同组成动力传递机构，用于传递钻压和扭矩；外部为圆柱形、中心为变径腔室的脉冲喷嘴固定在上壳体的入口下端，将钻井液转化为脉冲射流；冲击锤座位于脉冲喷嘴下端，冲击锤座包括锤座入口、螺旋锤面、螺旋流道、锤座出口和密封槽，冲击锤座的顶部和底部分别设有锤座入口和锤座出口，冲击锤座顶部外侧面开有密封槽，密封槽内安装密封组件，冲击锤座通过密封组件与上壳体接触形成滑动配合，冲击底座内部为沿圆周均布三个螺旋流道，螺旋流道内侧为螺旋锥面，脉冲射流作用于螺旋锥面上产生轴向和扭转两个方向的冲击载荷；传动短节的上段通过上孔螺纹与冲击锤座连接，下端通过下孔螺纹与外接钻头相连接，脉冲喷嘴、冲击锤座、密封组件、传动短节共同组成冲击发生机构；上壳体内部设有变径台阶，上壳体的内径大于下壳体，上壳体和下壳体配合形成限位台阶，用于限制冲击锤座、密封组件和传动短节的轴向位移，上壳体、下壳体、冲击锤座、密封组件、传动短节组成运动限位机构。

2.根据权利要求1所述脉冲式螺旋冲击钻井工具，其特征在于该工具实现脉冲式螺旋冲击钻井的具体过程为：

(1)当钻头未接触井底或接触井底但承压较小时，由于钻井液压力和自身重力的作用，冲击锤座和传动短节被限制在下壳体上端面位置，此时钻井工具不工作；当钻头承受一定钻压后，冲击锤座和传动短节被限制在下壳体矩形齿顶端面位置，此时钻井工具在钻井液的驱动下开始工作；

(2)钻井工具工作时，外接的转盘或顶驱带动上壳体与下壳体顺时针转动，并通过下壳体齿侧面与传动短节齿侧面接触而向下传递转速，钻压则通过下壳体齿顶挤压传动短节齿底向下传递，因此，转速和钻压通过矩形结构齿传递至钻头进行常规破岩；与此同时，一部分钻井液从钻柱内部流经脉冲喷嘴并形成周期性的脉冲射流，脉冲射流分别作用于冲击锤座的三个螺旋锥面上并被分解为轴向和扭转两个方向的冲击载荷，冲击载荷通过与冲击锤座连接的传动短节向下传递至钻头进行冲击破岩。