CN110318667A - 一种高效防脱压旋转冲击螺杆钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油田钻井设备技术领域，具体地说，涉及一种高效防脱压旋转冲击螺杆钻具。包括内装有传动轴的钻杆和钻头，所述钻头的尾端通过钻头连接体装配在传动轴底端上；所述传动轴的下端内部装配有旋转锤击装置，所述旋转锤击装置位于传动轴内孔的底端口与钻头连接体的尾端口之间；所述旋转锤击装置包括锤体和旋转套体。本发明不仅消除了井下钻头运动时可能出现的一种或多种振动现象，使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，巧妙地将钻井液的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，使钻头和井底始终保持连续性，而且，极大地提高了机械钻速，很好地消除了粘滑现象，从而延长钻头及其他钻具的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及油田钻井设备技术领域，具体地说，涉及一种高效防脱压旋转冲击螺杆钻具。
背景技术
在井下，PDC钻头的运动是极其无序的，包括横向、纵向和扭向的振动及这几种振动的组合，而井下振动会损坏单个PDC切削齿，导致钻头寿命降低，以及产生不规则井眼，降低井身质量。此外，粘滑现象也会导致PDC钻头先期损坏，具体地说，当钻头刚钻入地层时，扭力不足，钻头会暂时停顿，钻头暂停不动，而转盘却在旋转，那么扭矩的能量就积蓄在整个钻杆上，使钻杆处于扭曲状态，当钻杆上的扭力应力突然释放后，钻头突然加速，钻头转速突然加快，很容易造成钻头损坏。因此，如何消除井下钻头运动时可能出现的一种或多种振动横向、纵向和扭向的现象，使整个钻杆的扭矩保持稳定和平衡，以及如何消除钻滑现象，延长钻头使用寿命，成为本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高效防脱压旋转冲击螺杆钻具，以解决上述技术问题。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高效防脱压旋转冲击螺杆钻具，包括内装有传动轴的钻杆和钻头，所述钻头的尾端通过钻头连接体装配在传动轴底端上；所述传动轴内设有轴向的传动轴内孔；其特征在于：所述传动轴的下端内部装配有旋转锤击装置，所述旋转锤击装置位于传动轴内孔的底端口与钻头连接体的尾端口之间；所述旋转锤击装置包括锤体和旋转套体，所述锤体包括中空且呈圆柱形的锤套和至少两个轴向均匀设置在锤套外壁上的冲击锤，每个冲击锤的左右两侧与锤套之间分别设置有第一井液通孔、第二井液通孔；所述传动轴的下端腔体的内壁上均匀设置有至少两个轴向的弧形凹槽，所述弧形凹槽的弧度大于冲击锤的弧度，所述锤体轴向装配在传动轴下端的腔体内，各冲击锤一一对应插接在各弧形凹槽内；所述旋转套体轴向装配在锤套的中心孔内，包括圆形的耐磨密封底座和固定在耐磨密封底座顶部的旋转套；所述耐磨密封底座的中心孔通过轴承装配在与钻头连接体的尾端上，且在钻头连接体的尾端内装配有调压套；所述耐磨密封底座的下方设有与钻头连接体内腔相连通的通液孔；所述耐磨密封底座上靠近外圆周的部位设置有若干个与通液孔相连通的排液孔，所述排液孔内安装有单向阀；所述旋转套整体呈圆柱形，其顶端与传动轴内孔相对接，底端与钻头连接体的尾端口相连通；所述旋转套的外壁上设有若干个能与排液孔相连通的排液通槽；所述旋转套上对称设置有两个旋转套出液孔，所述旋转套的内壁上均匀设置有若干个旋转套叶片。
进一步地说，所述传动轴内孔的孔径小于调压套的内径，传动轴内孔的低端口与调压套之间的井液压力差为2-3MPa。
有益效果：与现有技术相比，本发明是在传动轴内孔的底端口与钻头连接体的尾端口装配有旋转锤击装置，由旋转锤击装置提供的额外的冲击力完全改变了PDC钻头的运作，不仅消除了井下钻头运动时可能出现的一种或多种振动现象，使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，巧妙地将钻井液的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，使钻头和井底始终保持连续性，而且，极大地提高了机械钻速，很好地消除了粘滑现象，从而延长钻头及其他钻具的寿命。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构示意图；
图2为图1的局部放大图；
图3为图2的A-A视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例：
参照图1-图3，本实施例所述高效防脱压旋转冲击螺杆钻具，包括内装有传动轴3的钻杆和钻头15，所述钻头15的尾端通过钻头连接体16装配在传动轴3底端上；所述传动轴3内设有轴向的传动轴内孔13。
所述传动轴3的下端内部装配有旋转锤击装置，所述旋转锤击装置位于传动轴内孔13的底端口与钻头连接体16的尾端口之间。
所述旋转锤击装置包括锤体和旋转套体，所述锤体包括中空且呈圆柱形的锤套2和两个轴向设置在锤套2外壁上的冲击锤21，两个冲击锤21相互对称，每个冲击锤21的左右两侧与锤套2之间分别设置有第一井液通孔22、第二井液通孔23。所述传动轴3的下端腔体的内壁上对称设置有两个轴向的弧形凹槽5，所述弧形凹槽5的弧度大于冲击锤21的弧度，所述锤体轴向装配在传动轴3下端的腔体内，且两个冲击锤21对应插接在两个弧形凹槽5内。
所述旋转套体轴向装配在锤套2的中心孔内，包括圆形的耐磨密封底座11和固定在耐磨密封底座11顶部的旋转套1。所述耐磨密封底座11的中心孔通过轴承装配在与钻头连接体16的尾端上，且在钻头连接体16的尾端内装配有调压套12。设计制造时，所述传动轴内孔13的孔径小于调压套12的内径，并根据螺杆型号及排量设计合金调压套12的内径，一般将合金调压套12的内径与传动轴内孔13的孔径缩小到中间压差，使传动轴内孔13的低端口与调压套12之间的井液压力差为2-3MPa。
所述耐磨密封底座11的下方设有与钻头连接体16内腔相连通的通液孔10；所述耐磨密封底座11上靠近外圆周的部位设置有若干个排液孔8，所述排液孔8内安装有单向阀9；所述旋转套1整体呈圆柱形，其顶端与传动轴内孔13相对接，底端与钻头连接体16的尾端口相连通；所述旋转套1的外壁上设有若干个能与排液孔8相连通的排液通槽6；所述旋转套1上对称设置有两个旋转套出液孔4，所述旋转套1的内壁上均匀设置有若干个旋转套叶片7。
本实施例所述高效防脱压旋转冲击螺杆钻具工作时，钻井液进入马达做功后再进入传动轴内孔13，再进入旋转套内孔14，由于旋转套1内壁上设有螺旋状的旋转套叶片7，钻井液通过时就会通过旋转套叶片7推动旋转套1在锤套2的内孔中旋转。当旋转套1旋转到一定角度时，两个旋转套出液孔4与锤套2上的两个第一井液通孔22一一对应连通，钻井液就通过旋转套出液孔4进入到第一井液通孔22中，推动锤套2转动，冲击锤21锤击传动轴3；在锤套2转动时，锤套2与弧形凹槽5内的钻井液在2-3MPa的压力推动下，又通过第二井液通孔23进入排液通槽6，再由排液通槽6进入排液孔8，通过单向阀9进入通液孔10，最后汇流至钻头连接体16内腔中，通过钻头15上的排液孔排出。
当旋转套1继续旋转到一定角度，两个旋转套出液孔4与锤套2上的两个第二井液通孔22一一对应连通，钻井液就通过旋转套出液孔4进入到第二井液通孔22中，推动锤套2反向转动，冲击锤21反向锤击传动轴3；在锤套2转动时，锤套2与弧形凹槽5内的钻井液在2-3MPa的压力推动下，又通过第一井液通孔22进入排液通槽6，再由排液通槽6进入排液孔8，通过单向阀9进入通液孔10，最后汇流至钻头连接体16内腔中，通过钻头15上的排液孔排出。
如此，旋转套1连续旋转，就形成冲击锤21往复锤击传动轴3的动作。冲击锤21锤击的频率决定于旋转套1的转速，旋转套1的转速又决定于旋转套1内旋转套叶片7的螺旋角；冲击锤21锤击的重力决定于调压套12与传动轴内孔13之间的压差。
本实施例所述高效防脱压旋转冲击螺杆钻具是在传动轴内孔的底端口与钻头连接体的尾端口装配有旋转锤击装置，由旋转锤击装置提供的额外的冲击力能完全改变了PDC钻头的运作，其750-1500次/分的高频稳定的冲击力，相当于每分钟750-1500次切削地层，这就使钻头不需要等待扭力积蓄足够的能量就可以切削地层，此时，PDC钻头上有两个力在切削地层，一个是转盘提供的扭力，一个是旋转锤击装置提供的力，而且，旋转锤击装置提供的力直接给到钻头，对钻杆并不产生任何作用和改变，钻杆的扭矩基本是稳定的，钻杆传达的扭矩可以完全用于切削地层，而不会浪费。具体地说，本发明所述螺杆钻具具有以下特点：
1、旋转锤击装置直接装在传动轴3与钻头15的连接处，冲击力直接冲击在钻头15上，提高了机械转速。结构紧凑，简单合理，钻井液流道通畅，无任何橡胶件，无任何电子元器件，即使旋转锤击装置的冲击失效，它也只是相当于一个钻头短节，与PDC钻头一起继续旋转并不影响继续钻进，并不需要对此进行起下钻，但性能相当于又回到之前没有旋转锤击装置的状态，没有任何其他风险。
2、旋转锤击装置能大大增加机械钻速和钻井导向性，使PDC钻头更有效地剪切破碎地层，总体来说机械钻速可提高2-3倍，进尺提高3-4倍。
3、钻井液流量和流速越大，旋转锤击装置产生的冲击能量就越大，对钻头产生的机械钻速以及冲击的频率也越高。
4、旋转锤击装置由于是从旋转上产生的稳定、均匀的高频冲击，所以，适用于金刚石钻头。产生的冲击不会对PDC钻头的金刚石覆合片产生损坏，反而会延长PDC钻头寿命，同时也减弱其他钻具的疲劳强度，延长其他钻具的寿命。
5、由于旋转锤击装置装在传动轴的下端，与扶正器位置接近，所以，旋转锤击装置发出的冲击力同样作用在扶正器外表面上，减少了扶正器外表面与井壁粘结的几率，有效防止螺杆与井壁粘连脱压现象。
本发明未详细描述的技术内容均为公知技术。
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种高效防脱压旋转冲击螺杆钻具，包括内装有传动轴(3)的钻杆和钻头(15)，所述钻头(15)的尾端通过钻头连接体(16)装配在传动轴(3)底端上；所述传动轴(3)内设有轴向的传动轴内孔(13)；其特征在于：所述传动轴(3)的下端内部装配有旋转锤击装置，所述旋转锤击装置位于传动轴内孔(13)的底端口与钻头连接体(16)的尾端口之间；所述旋转锤击装置包括锤体和旋转套体，所述锤体包括中空且呈圆柱形的锤套(2)和至少两个轴向均匀设置在锤套(2)外壁上的冲击锤(21)，每个冲击锤(21)的左右两侧与锤套(2)之间分别设置有第一井液通孔(22)、第二井液通孔(23)；所述传动轴(3)的下端腔体的内壁上均匀设置有至少两个轴向的弧形凹槽(5)，所述弧形凹槽(5)的弧度大于冲击锤(21)的弧度，所述锤体轴向装配在传动轴(3)下端的腔体内，各冲击锤(21)一一对应插接在各弧形凹槽(5)内；所述旋转套体轴向装配在锤套(2)的中心孔内，包括圆形的耐磨密封底座(11)和固定在耐磨密封底座(11)顶部的旋转套(1)；所述耐磨密封底座(11)的中心孔通过轴承装配在与钻头连接体(16)的尾端上，且在钻头连接体(16)的尾端内装配有调压套(12)；所述耐磨密封底座(11)的下方设有与钻头连接体(16)内腔相连通的通液孔(10)；所述耐磨密封底座(11)上靠近外圆周的部位设置有若干个排液孔(8)，所述排液孔(8)内安装有单向阀(9)；所述旋转套(1)整体呈圆柱形，其顶端与传动轴内孔(13)相对接，底端与钻头连接体(16)的尾端口相连通；所述旋转套(1)的外壁上设有若干个能与排液孔(8)相连通的排液通槽(6)；所述旋转套(1)上对称设置有两个旋转套出液孔(4)，所述旋转套(1)的内壁上均匀设置有若干个旋转套叶片(7)。
2.根据权利要求1所述高效防脱压旋转冲击螺杆钻具，其特征在于：所述传动轴内孔(13)的孔径小于调压套(12)的内径，传动轴内孔(13)的低端口与调压套(12)之间的井液压力差为2-3MPa。
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