CN110295847A - 具有防掉机构的钻井提效器 - Google Patents

Abstract

具有防掉机构的钻井提效器，包括机体和多个防掉机构组成的防掉机构组，机体包括壳体、用于提供顺/逆方向冲击的扭向冲击总成和用于产生轴向冲击压力的轴向冲击发生件。扭向冲击总成、轴向冲击发生件分别通过用于防止壳体内部零件掉脱落井的防掉机构组与壳体相连。本发明的有益效果：巧妙地将部分钻井液的流体能量转换成高频、均匀、稳定的周向扭转和轴向冲击型的井底机械来钻井破岩，并直接作用在钻头上。这种能产生高频稳定的小幅度扭转和轴向冲击的钻井器能使钻头稳定钻井。其结构简单，易损件少，消耗压降少。本发明的目的就是为了提高对硬地层或研磨性地层的机械钻速，消除了钻头粘卡滑现象，提高钻头使用寿命的钻井提效工具。

Description

具有防掉机构的钻井提效器

技术领域

本发明专利涉及石油行业钻井工程中井下工具领域。是一种钻井多重冲击的提速提效工具。

背景技术

在通常钻井条件下，PDC钻头能连续地剪切破岩，而遇坚硬地层时，通常没有足够的扭矩来破碎地层岩石，从而使钻头瞬间停止转动。这时扭矩能量就开始在钻杆中聚集，当钻杆中的扭矩达到一定值时就会忽然释放出来，钻头将会以更高的转速破岩。这就产生了PDC钻头钻井过程中的粘卡滑振动现象。这种粘卡滑现象是导致钻头崩齿失效，钻井效率低下的重要因素之一，会直接损坏PDC钻头降低钻头及下部钻具的使用寿命。

伴随深井、超深井、复杂井、水平井、大位移井的不断出现，在原有常规钻井装备不变的情况下，针对复杂地层，由此导致机械钻速慢，钻头破岩能力不足问题和事故多。因此钻井安全快速钻达目的层的难度越来越大。

针对上述难度而研发的钻井工具，主要为美国、加拿大的公司，但由具有设计上的一定缺陷，如零件难耐高压泥浆冲蚀而损坏，消耗钻井液使压降过大等。国外该类产品主要缺陷还在工作中只产生单一的扭向或者轴向冲击力，且都是作用在外壳体上再传递到钻头。这样扭向冲击扭矩或轴向冲击力大量消耗在外壳体和千米长的钻杆上了，能达到钻头的扭向冲击扭矩或轴向冲击力非常有限。

发明内容

本发明提供一种新型的扭向和轴向复合冲击的钻井工具。在现有钻井工况下，本提效器能巧妙地将部分钻井液的流体能量转换成高频、均匀，稳定的周向扭转和轴向冲击型的井底机械来钻井破岩，并直接作用在钻头上。这种能产生高频稳定的小幅度扭转和轴向冲击的钻井器能使钻头稳定钻井。本钻井提效器结构简单，易损件少，消耗压降少，零件经特殊处理耐高压冲蚀使用寿命特别长。本发明的目的就是为了提高对硬地层或研磨性地层的机械钻速，消除了钻头粘卡滑现象，提高钻头使用寿命的具有防掉机构的钻井提效器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：具有防掉机构的钻井提效器，包括机体和多个防掉机构组成的防掉机构组，机体包括壳体、用于提供顺/逆方向冲击的扭向冲击总成和用于产生轴向冲击压力的轴向冲击发生件，扭向冲击总成、轴向冲击发生件分别通过用于防止壳体内部零件掉脱落井的防掉机构组与壳体相连。

优选的，防掉机构组包括连接扭向冲击总成与外壳的第一防掉机构和连接轴向冲击总成与外壳的第二防掉机构。

优选的，壳体包括用于通入高压钻井液的上接头、外体和用于连接钻头的下钻头接头，上接头与外体一体式相连，下钻头接头通过第二防掉机构与外体下端相连。

优选的，轴向冲击总成包括外体下端加工具有斜面的花键，下钻头接头上凸形成与花键形状相似的凸块，第二防掉结构为位于下钻头接头上的的限位挡块，斜面包括第一斜面和第三斜面，花键与限位挡块相近端为第三斜面，花键与凸块相近端为第一斜面，凸块一端具有第二斜面，第二斜面的倾斜角与第一斜面的倾斜角相等，且均小于第三斜面的倾斜角，限位挡块远凸块端设有与第三斜面的倾斜角互为余角的第四斜面，第一斜面和第二斜面之间留有用于下钻头接头产生轴向下窜的冲击压力的冲击腔。

优选的，用于提供顺/逆方向冲击的扭向冲击总成包括上盖座、换向套筒、冲击锤、用于传递冲击扭矩至下钻头接头的内体锤座、变径喷嘴、下盖座，上盖座通过第一防掉机构与外体相连，上盖座中心开有用于连通换向套筒与上接头的内孔，内体锤座位于外体内侧且与下钻头接头螺纹连接，内体锤座上端连接上盖座，另一端与具有变径喷嘴的下盖座相连，内体锤座连接下钻头接头，冲击锤设于内体锤座与换向套筒之间。

优选的，第一防掉结构为与上盖座螺纹相连的限位螺母，限位螺母上端设有限位用的孔用档圈，限位螺母下端外台阶与外体上端内孔台阶设有供限位螺母轴向移动的间隙。

优选的，防掉机构组还包括用于内体锤座与外体转动连接的第三防掉机构，第三防掉机构为置有钢球滚珠的滚道圈和封闭用的螺栓，钢球滚珠通过螺栓封闭在滚道圈内，滚道圈位于外体和内体锤座之间。

优选的，换向套筒开有导流孔，导流孔与冲击锤之间设有用于将经变径喷嘴变径增压后的钻井液由导流孔引导至扭冲流道的高压腔，冲击锤一侧外凸形成冲击锤头，冲击锤与内体锤座之间设有用于冲击锤头在内扭转运动的扭冲腔，冲击锤另一侧向内延伸形成启动锤头，冲击锤与换向套筒之间设有用于启动锤头在内扭转运动的启动腔，启动锤头开有高压液通道，冲击锤头上开有扭冲流道，扭冲流道与扭冲腔相通，内体锤座套设于冲击锤外侧，内体锤座沿轴向开有若干高压液通孔，上盖座上还开有与高压液通孔相通的圆周小孔，高压液通道的长槽宽度小于高压液通孔的孔径。

优选的，扭向冲击总成还包括用于排泄钻井液的排液结构，排液结构包括位于内体锤座上用于连通高压液通道和下盖座的排液槽、位于下盖座上连通扭冲腔与外界的扭冲泄孔、位于换向套筒上与扭冲流道相通的蓄液槽和位于下盖座上的连通蓄液槽与外界的蓄液泄孔。

优选的，冲击锤头为弧块，弧块的圆心角为90度，冲击锤头所在的扭冲腔圆心角为180度。

本发明的有益效果是：

（1）本钻井提效器所产生的高频扭向和轴向冲击力均直接作用在钻头上，没有任何额外消耗。这在提高机械钻速的同时，能有效消除钻头的粘卡滑现象，延长钻头使用寿命，使钻头稳定推进；

（2）本钻井提效器利用钻井液为动力源，在钻杆驱动旋转的同时能额外产生高频均匀稳定的扭向和轴向冲击功能。使钻杆的扭矩保持平衡和稳定，减少钻杆扭转振动，提高钻杆和井下工具的使用寿命；

（3）本钻井提效器运动部件少，易损件少、无密封件和电器元件，结构简单，可打捞；

（4）本钻井提效器扭转冲击发生机构采用特大的90度冲击锤头和90度特大角度扭冲腔，在扭向转换中将产生更强大的冲击力，所以也能附带产生轴向冲击功能，有了这强大的冲击力就能简单地对不同地层选用和变动不同的钭边角度来调整轴向冲击力；

（5）本钻井提效器另一优点是设有多道防掉机构，可有效防止另件掉脱落井亊故发生保证了井下安全。

附图说明

图1为钻井提效器结构剖面图。

图2为图1中的 B-B逆向扭冲和反向启动截面图。

图3为图1中的 B-B顺向扭冲和反向启动截面图。

图4为图1中的 A-A截面图。

图5为扭冲时轴向冲击回位图。

图6为扭冲时轴向冲击图。

其中上述附图包括以下附图标记：

1防掉螺母，2上接头及外体，3上盖座，4换向套筒，5冲击锤，6内体锤座，7限位钢球及螺栓，8变径喷嘴，9下盖座，10下钻头接头，11限位档块螺栓，12限位档块，13花键，14启动腔，15冲击锤头，16启动锤头，201高压液通孔，202高压液通道，203扭冲腔，204导流孔，205高压腔，206扭冲流道，207蓄液槽，208蓄液泄孔，209扭冲泄孔，210排液槽，211冲击腔,301第一斜面，302第二斜面，303第三斜面，304第四斜面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

结合附图1-6，具有防掉机构的钻井提效器，包括机体和多个防掉机构组成的防掉机构组，机体包括壳体、用于提供顺/逆方向冲击的扭向冲击总成和用于产生轴向冲击压力的轴向冲击发生件，扭向冲击总成、轴向冲击发生件分别通过用于防止壳体内部零件掉脱落井的防掉机构组与壳体相连。

具有防掉机构组的钻井提效器,防掉机构组包括连接扭向冲击总成与外壳的第一防掉机构和连接轴向冲击总成与外壳的第二防掉机构。

具有防掉机构组的钻井提效器，壳体包括用于通入高压钻井液的上接头、外体2和用于连接钻头的下钻头接头10，上接头与外体相连，下钻头接头通过第二防掉机构与外体下端相连。

进一步的，上接头和外体一体式相连。

具有防掉机构组的钻井提效器，轴向冲击总成包括外体下端加工形成的具有斜面的花键13，下钻头接头上凸形成与花键形状相似的凸块，第二防掉结构为位于下钻头接头上的的限位挡块12，斜面包括第一斜面301和第三斜面303，花键与限位挡块相近端为第三斜面，花键与凸块相近端为第一斜面，凸块一端具有第二斜面302，第二斜面的倾斜角与第一斜面的倾斜角相等，且均小于第三斜面的倾斜角，限位挡块远凸块端设有与第三斜面的倾斜角互为余角的第四斜面304，第一斜面和第二斜面之间留有用于下钻头接头产生轴向下窜的冲击压力的冲击腔211。

进一步的，限位挡块12通过限位挡块螺栓11固定并焊接于下钻头接头。限位档块12其第四斜面与外体下端第三斜面倾斜角互为余角。既有扭向冲击时的轴向的回位作用，又能限位阻止机体内零件掉脱落井。

进一步的，外体下端通过数控铣形成具有斜面的花键。

具有防掉机构组的钻井提效器，，第一斜面和第二斜面的倾斜角为15°，第三斜面的倾斜角为30°。

具有防掉机构组的钻井提效器，第一斜面和第二斜面的倾斜角为25°，第三斜面的倾斜角为30°，根据不同地层也可迭用。

具有防掉机构组的钻井提效器，用于提供顺/逆方向冲击的扭向冲击总成包括上盖座3、换向套筒4、冲击锤5、用于传递冲击扭矩至下钻头接头的内体锤座6、变径喷嘴8、下盖座9，上盖座通过第一防掉机构与外体相连，上盖座中心开有用于连通换向套筒与上接头的内孔，内体锤座位于外体内侧且与下钻头接头螺纹连接，换向套筒对应内孔设置，一端连接上盖座，另一端与装有变径喷嘴的下盖座相连，内体锤座连接下钻头接头，冲击锤设于内体锤座与换向套筒之间。内体锤座在外体内，其作用是在冲击锤的冲击作用时，将冲击扭矩直接传递给与其下端相连接的下钻头接头。

进一步的，启动锤头设于冲击锤的内侧圆孔上，与换向套筒在高压液通孔的作用下产生反向启动。

具有防掉机构组的钻井提效器，第一防掉结构为与上盖座螺纹相连的限位螺母1，限位螺母上端设有限位用的孔用档圈，限位螺母下端外台阶与外体上端内孔台阶设有供限位螺母轴向移动的间隙。

具有防掉机构组的钻井提效器，防掉机构组还包括用于内体锤座与外体转动连接的第三防掉机构，第三防掉机构为置有钢球滚珠的滚道圈7和封闭用的螺栓，钢球滚珠通过螺栓封闭在滚道圈内，滚道圈位于外体和内体锤座之间。

具有防掉机构组的钻井提效器，换向套筒开有导流孔204，导流孔与冲击锤之间设有用于将经变径喷嘴变径增压后的钻井液由导流孔引导至扭冲流道的高压腔205，冲击锤一侧外凸形成冲击锤头15，冲击锤与内体锤座之间设有用于冲击锤头在内扭转运动的扭冲腔203，冲击锤另一侧向内延伸形成启动锤头16，冲击锤与换向套筒之间设有用于启动锤头在内扭转运动的启动腔14，启动锤头开有高压液通道202，冲击锤头上开有扭冲流道206，扭冲流道与扭冲腔相通，内体锤座套设于冲击锤外侧，内体锤座沿轴向开有若干高压液通孔201，上盖座上还开有与高压液通孔相通的圆周小孔，高压液通道的长槽宽度小于高压液通孔的孔径。

进一步的，启动锤头两侧均开有高压液通道，内体锤座沿轴向开有若干启动锤头扭转时与高压液通道相通的高压液通孔，冲击锤头两侧均开有扭冲流道。

具有防掉机构组的钻井提效器，扭向冲击总成还包括用于排泄钻井液的排液结构，排液结构包括位于内体锤座上用于连通高压液通道和下盖座的排液槽210、位于下盖座上连通扭冲腔与外界的扭冲泄孔209、位于换向套筒上与扭冲流道相通的蓄液槽和位于下盖座上的连通蓄液槽207与外界的蓄液泄孔208。

具有防掉机构组的钻井提效器，冲击锤头为弧块，弧块的圆心角为90度，冲击锤头所在的扭冲腔圆心角为180度。

具有防掉机构组的钻井提效器，上接头通过圆状上端锥螺纹与钻杆连接，上接头与外体为一体式相连，其下端通过具有第一斜边和第三斜边的花键及限位档块与下钻头接头互相连接。

如图1-3所示，具有防掉机构组的钻井提效器，扭向冲击总成的上盖座在高压钻井液从其内孔进入后，一部分直接进入换向套筒内，一部分通过圆周小孔流向外体与内体锤座之间的高压液通孔。而进入换向套筒内的钻井液一部分通过变径喷嘴流向钻头，一部分钻井液经变径喷嘴变径增压后通过导流孔进入高压腔和扭冲腔，完成冲击锤5逆时针方向的冲击。与此同时冲击锤上的高压液通道还与内体锤座上的高压液通孔对上，已在高压液通孔上的高压钻井液开始进入冲击锤上的高压液通道，使冲击锤与换向套筒4开始互相反向转动。即时冲击锤上的扭冲流道开始与换向套筒上的高压腔对上，钻井液分别从高压液通道和扭冲流道进入，在双重推动下完成对冲击锤的顺时针冲击。如此周而复始，使钻头在钻杆驱动旋转的同时额外增加了扭向顺/逆时针的冲击，钻头就更容易钻井破岩了。

如图1、4-6所示，轴向冲击发生件主要由外体下端与下钻头接头的传动连接采用具有第一斜边的花键，与下钻头接头上具有第二斜边的面相仿，在第一斜边和第二斜边之间形成冲击腔。这样在钻井提效器在钻杆驱动旋转钻井的同时，在钻井液的推动下产生扭向顺/逆时针冲击时，下钻头接头上的具有第二斜边的面不断撞击外体下端的具有第一斜边的花键。通过互为斜边的作用力，使下钻头接头产生轴向向下的窜动和压力。而在下钻头接头反向逆转冲击时由限位档块上斜边的阻挡，不仅有防掉作用还产生了驱动下钻头接头向上回位的冲击力。如此周而复始，钻头在扭向顺/逆时针的冲击的同时，也产生了钻头上下窜动的轴向冲击压力，钻井速度就可大大提升了。而且对钻不同地层，由地层硬度和研磨性不同，为取得最佳进尺速度只要简单地调整第一斜边和第二斜边的角度，就能产生不同轴向冲击力，就更方便来钻碎破岩了。

如图1-3所示，在钻井液从不同流道进入完成顺逆时针的扭转冲击后，其钻井液的排泄如下完成：从高压液通孔流经高压液通道的钻井液在启动锤头反向启动时，经启动锤头上的另侧高压液通道流向内体锤座上的排液槽，再经下盖座流向钻头。而进入扭冲腔的钻井液在冲击锤反向启动时，一部分从扭冲腔下的下盖座上的扭冲泄孔排向钻头外，而大部分的钻井液则在冲击锤反向启动后经冲击锤头上的扭冲流道进入换向套筒的蓄液槽，再通过在下盖座上的蓄液泄孔排向钻头外。如此周而复始，使钻井液在完成冲击功能后能全部排泄到钻头外了。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有防掉机构的钻井提效器，包括机体和多个防掉机构组成的防掉机构组，其特征在于，机体包括壳体、用于提供顺/逆方向冲击的扭向冲击总成和用于产生轴向冲击压力的轴向冲击发生件，扭向冲击总成、轴向冲击发生件分别通过用于防止壳体内部零件掉脱落井的防掉机构组与壳体相连。

2.根据权利要求1所述的具有防掉机构组的钻井提效器，其特征在于，防掉机构组包括连接扭向冲击总成与外壳的第一防掉机构和连接轴向冲击总成与外壳的第二防掉机构。

3.根据权利要求2所述的具有防掉机构组的钻井提效器，其特征在于，壳体包括用于通入高压钻井液的上接头、外体和用于连接钻头的下钻头接头，上接头与外体一体式相连，下钻头接头通过第二防掉机构与外体下端相连。

4.根据权利要求3所述的具有防掉机构组的钻井提效器，其特征在于，轴向冲击总成包括外体下端加工形成的具有斜面的花键，下钻头接头上凸形成与花键形状相似的凸块，第二防掉结构为位于下钻头接头上的的限位挡块，斜面包括第一斜面和第三斜面，花键与限位挡块相近端为第三斜面，花键与凸块相近端为第一斜面，凸块一端具有第二斜面，第二斜面的倾斜角与第一斜面的倾斜角相等，且均小于第三斜面的倾斜角，限位挡块远凸块端设有与第三斜面的倾斜角互为余角的第四斜面，第一斜面和第二斜面之间留有用于下钻头接头产生轴向下窜的冲击压力的冲击腔。

5.根据权利要求2所述的具有防掉机构组的钻井提效器，其特征在于，用于提供顺/逆方向冲击的扭向冲击总成包括上盖座、换向套筒、冲击锤、用于传递冲击扭矩至下钻头接头的内体锤座、变径喷嘴、下盖座，上盖座通过第一防掉机构与外体相连，上盖座中心开有用于连通换向套筒与上接头的内孔，内体锤座位于外体内侧且与下钻头接头螺纹连接，换向套筒对应内孔设置，一端连接上盖座，另一端与装有变径喷嘴的下盖座相连，内体锤座连接下钻头接头，冲击锤设于内体锤座与换向套筒之间。

6.根据权利要求5所述的具有防掉机构组的钻井提效器，其特征在于，第一防掉结构为与上盖座螺纹相连的限位螺母，限位螺母上端设有限位用的孔用档圈，限位螺母下端外台阶与外体上端内孔台阶设有供限位螺母轴向移动的间隙。

7.根据权利要求5所述的具有防掉机构组的钻井提效器，其特征在于，防掉机构组还包括用于内体锤座与外体转动连接的第三防掉机构，第三防掉机构为置有钢球滚珠的滚道圈和封闭用的螺栓，钢球滚珠通过螺栓封闭在滚道圈内，滚道圈位于外体和内体锤座之间。

8.根据权利要求5所述的具有防掉机构组的钻井提效器，其特征在于，换向套筒开有导流孔，导流孔与冲击锤之间设有用于将经变径喷嘴变径增压后的钻井液由导流孔引导至扭冲流道的高压腔，冲击锤一侧外凸形成冲击锤头，冲击锤与内体锤座之间设有用于冲击锤头在内扭转运动的扭冲腔，冲击锤另一侧向内延伸形成启动锤头，冲击锤与换向套筒之间设有用于启动锤头在内扭转运动的启动腔，启动锤头开有高压液通道，冲击锤头上开有扭冲流道，扭冲流道与扭冲腔相通，内体锤座套设于冲击锤外侧，内体锤座沿轴向开有若干高压液通孔，上盖座上还开有与高压液通孔相通的圆周小孔，高压液通道的长槽宽度小于高压液通孔的孔径。

9.根据权利要求8所述的具有防掉机构组的钻井提效器，其特征在于，扭向冲击总成还包括用于排泄钻井液的排液结构，排液结构包括位于内体锤座上用于连通高压液通道和下盖座的排液槽、位于下盖座上连通扭冲腔与外界的扭冲泄孔、位于换向套筒上与扭冲流道相通的蓄液槽和位于下盖座上的连通蓄液槽与外界的蓄液泄孔。

10.根据权利要求8所述的具有防掉机构组的钻井提效器，其特征在于，冲击锤头为弧块，弧块的圆心角为90度，冲击锤头所在的扭冲腔圆心角为180度。