CN110984851A - 一种大功率钻井轴向冲击提速工具 - Google Patents

Abstract

一种大功率钻井轴向冲击提速工具，轴冲总成由外至内依次套设有冲击锤、滑套管和中心管，轴冲花键连接体总成包括揰块和花键下接头，冲击锤中部留有用于推动滑套管上下运动的上、下启动腔，上接头和撞块之间留有用于推动冲击锤上下窜动撞击撞块的上、下高压腔，冲击锤下方设有撞块，撞块与花键下接头固定相连，花键下接头上安装有钻头，中心管上端与上接头固定连接，下端与钻头相通。将高压钻井液的流体能量转换成轴向冲击能量，以高频、均匀、稳定的冲击能量直接作用在钻头上，能直接在钻头旋转钻井的同时施加额外的轴向冲击功，可大幅提高机械钻速和对坚硬地层的碎石破岩能力，缩短了钻井周期使钻井作业的经济效益大幅提升。

Description

一种大功率钻井轴向冲击提速工具

技术领域

本发明涉及钻井行业钻井配套设备技术领域，尤其是一种大功率钻井轴向冲击提速工具。

背景技术

随着油气资源勘探开发的不断深入，深井、超深井、斜井、水平井等，越来越多钻遇“三高地层”(岩石硬度高、岩石可钻性级值高、岩石研磨性高)的可能性越来越大，这严重影响了深部地层的机械钻速和勘探开发成本。

在通常钻井条件下PDC钻头能连续剪切钻进地层，而用PDC钻头钻岩石和坚硬地层时，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，此时扭矩能量就开始在钻杆中聚集，当钻杆的扭矩达到一定值时就会忽然释放出来，钻头就会以更高转速破岩产生PDC钻头钻井过程中粘、卡、滑现象。室内试验和现场实践均表明这种粘、卡、滑振动是导致钻头失效及钻井效率低下的重要因素，会直接损坏PDC钻头切削齿，降低钻头及下部钻具的使用寿命。

目前针对钻井粘、卡、滑现象而研发的工具主要有美国、加拿大的公司，但由于这些工具设计上的缺陷和零件难耐高压冲蚀而损坏，其主要缺陷还在国内、外同类产品在工作中只产生单一的扭向冲击，且都是扭向冲击在外壳体上再传递到钻头,这样扭向冲击扭矩都大量消耗在钻杆和外壳体上，能达到钻头的扭矩就非常有限。本发明可使钻头在钻杆驱动下旋转钻井的同时，钻头在工作时还产生额外的轴向上下窜动的冲击功，这就更符合钻井破岩机理，就像普通冲击钻钻削坚硬岩石、混凝土一样，更易碎石破岩和钻进坚硬底层，从而达到缩短钻井周期，提高钻井效率的目的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出一种高压钻井液流体能量转换成轴向、高频、均匀、稳定的上、下窜动的冲击能量，并直接作用在PDC钻头上，使钻头不需要等待积蓄足够的扭矩能量可以切削地层，避免钻头钻井时因扭矩不足而产生的粘、卡、滑现象，提高了机械钻速，延长钻头及下部钻具的寿命，且在斜度井和水平井中使用效果更加明显的功率钻井轴向冲击提速工具。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种大功率钻井轴向冲击提速工具，包括上接头、轴冲外筒、轴冲总成和轴冲花键连接体总成，上接头、轴冲外筒和轴冲花键连接体总成依次相连，轴冲外筒内套设轴冲总成，轴冲总成由外至内依次套设有冲击锤、滑套管和中心管，轴冲花键连接体总成包括揰块和花键下接头，冲击锤中部留有用于推动滑套管上下运动的上、下启动腔，上接头和撞块之间留有用于推动冲击锤上下窜动撞击撞块的上、下高压腔，冲击锤下方设有撞块，撞块与花键下接头固定相连，花键下接头上安装有钻头，中心管上端与上接头固定连接，下端与钻头相通；

中心管内设相互分离的出液槽和排水槽，出液槽开有第一上、下进水口和启动液出水口，启动液出水口位于第一上、下进水口之间，出液槽下方内设用于变径增压的截流喷嘴，出液槽下端通过出水流道与钻头连通，排水槽分段设置包括上排水槽、中排水槽和下排水槽，上排水槽与中排水槽之间设有相连通的上排水腔，中排水槽与下排水槽之间设有相连通的下排水腔；

滑套管上开有第二上、下进水口、上、下启动液槽、上、下启动液流道和上、下排水口，启动液出水口通过上、下启动液槽分别与上、下启动液流道连通，且上、下启动液槽分别与上、下排水腔移动连通，启动液流道与启动腔相通，第一上、下进水口分别与第二上、下进水口移动连通，上、下排水口分别与上、下排水腔移动连通；

冲击锤的上下两端分设有上、下进水口槽和上、下排水流道，上、下进水口槽一端与高压腔连通，另一端分别连通上、下排水流道，上、下排水流道与上、下排水口移动连通；

第一上进水口与第二上进水口连通时，上排水腔-上排水口-上排水流道断开，下排水腔-下排水口-下排水流道连通；第一下进水口与第二下进水口连通时，上排水腔-上排水口-上排水流道连通，下排水腔-下排水口-下排水流道断开。

优选的，滑套管中部外凸形成用于控制滑套管相对冲击锤上下限位的第一凸起，冲击锤的中部开有与第一凸起外径相等的第一凹槽，第一凸起与第一凹槽之间留有轴向间隙作为启动腔。

优选的，滑套管与第一凸起相对段的上下内壁分别内凹形成上、下启动液槽，第一凸起内分别开有与上、下启动液槽连通的若干上、下启动液流道，上、下启动液流道斜向设置与启动腔连通。

优选的，上、下启动液流道的个数均为4个，相对滑套管的轴线十字分布。

优选的，上接头为圆管状，上端螺纹连接钻杆，下端与轴冲外筒螺纹连接，上接头下端面内凹形成第一台阶和第二台阶，中心管固定连接于第一台阶内，撞块上端面内凹形成第三台阶，第三台阶和第二台阶与滑套管外径相匹配，滑套管相对中心管在第二台阶与第三台阶之间上下窜动，上排水槽与上接头之间的空腔为顶部排水腔，下排水槽与撞块之间的空腔为底部排水腔，且上下窜动时滑套管下端面不高于撞块上端面，滑套管上端面不低于上接头下端面，用于实现顶部排水腔、底部排水腔与高压腔的隔离。

优选的，撞块下端与花键下接头通过螺纹固定连接，实现冲击锤上下运动撞击撞块时带动花键下接头上下运动。

优选的，花键下接头与轴冲外筒之间设有花键连接套，花键连接套与轴冲外筒通过螺纹固定连接，花键连接套的内孔设有用于套接花键下接头的花键结构，花键连接套的上端面低于花键下接头的上端面，且花键连接套的上端面与撞块的下端面之间留有间隙。

优选的，撞块和花键下接头沿轴线分别开有相互连通的第一排泄通孔和第二排泄通孔，第一排泄通孔与底部排水腔连通，第二排泄通孔与钻头连通，中心管下端通过底部排水腔-第一排泄通孔-第二排泄通孔与钻头相通。

本发明的有益效果是：提速工具结构简单，运动部件少，能耐钻井液高压冲蚀，与PDC钻头连接后，也不会影响与其它钻具组合的使用性能，经多方现场钻井试验，在大幅提升机械钻速和使用时长上效果极其明显。

本发明的钻井轴冲提速工具，所产生的轴向冲击力均能直接作用在钻头上没有额外的消耗，能形成强大的轴向冲击载荷，使岩石形成体积破碎或者形成裂缝，从而增加岩石破碎效率。这在提高机械钻速的同时也能有效消除钻头的粘卡滑现象。提高钻井的纯钻时间，保护井下安全。

本发明的钻井轴冲提速工具工作中更具有强大振动效应。不仅能够显著改善井底附近岩右的受力状况提高破岩效率，而且能够改善钻头受力，延长钻头使用寿命，缩短建井周期。

本发明的钻井轴冲提速工具无电器元件，可打捞。这就提高了系统的可靠性和安全性。即使本工具失效时也可照样钻井作业，只是钻效降低而已。

本发明的钻井轴冲提速工具能与井下动力钻具配合使用，也可根据地层特性和钻头性能，通过改变喷嘴直径调节其性能。

附图说明

图1为大功率钻井轴冲提速工具的结构示意图一；

图2为大功率钻井轴冲提速工具的结构示意图二；

图3为大功率钻井轴冲提速工具的轴向冲击结构图；

图4为图2中轴向冲击总成中上端进水口和排水流道A-A的剖面图；

图5为图2中轴向冲击总成中启动腔部分B-B的剖面图；

图6为图2中轴向冲击总成中启动液出口C-C的剖面图；

图7为图2中轴向冲击总成中启动流道D-D的剖面图；

图8为图2中轴向冲击总成中下端排水槽和排水流道E-E的剖面图；

图9为轴向冲击总成中下端进水口和进水口槽和排水流道F-F的剖面图；

图10为图1中G-G处的剖面图；

图11为图1中轴冲花键连接体总成H-H处的剖面图；

图12为中心管截面图；

图13为滑套管截面图。

其中上述附图包括以下附图标记：

1、上接头，2、外筒，3、中心管，4、滑套管，5、冲击锤，6、截流喷嘴、7、并帽，8、孔用挡圈，9、撞块，10、花键连接套，11、花键下接头，201、上排水槽，202、第一上进水口，203、上进水口槽，204、上排水流道，205、第二上进水口，206、上排水口，207、上排水腔，208、启动腔，209、启动液流道，210、启动液槽，211、启动液出水口，212、下排水腔，213、下排水口，214、下排水流道，215，第一下进水口，216、下排水槽，217、下进水口槽，218、第二下进水口，219、上高压腔，220、下高压腔，301、第一凸起，302、中排水槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-13，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。

参照图1-3和图5-7，一种大功率钻井轴向冲击提速工具的冲击锤5向下冲击运动：中心管3中的高压钻井液在经过下端的截流喷嘴6变径增压后部分回流从启动液出水口211冲流向滑套管4上的上、下启动液槽210，此时上启动液槽与上排水腔207相连通，下启动液槽与下排水腔212断开，因此高压钻井液经冲流向滑套管4外部的多条上、下启动液流道209分流分别由上排水腔连通至中排水槽排出和进入下启动腔208推动滑套管4上移，此时原处在封闭状态的第一上进水口202与第二上进水口205对上连通，钻井液开始进入上进水口槽203后冲流进入上接头1与外筒2之间的上高压腔219，此时由于滑套管4已上升移动造成上排水流道204与滑套筒4上的上排水口206处在断开状态；下排水流道214与滑套筒4上的下排水口213处在连通状态，这样高压腔219在钻井液进入的高压下完成冲击锤5下冲撞击的功能，同时带动此时与冲击锤5相抵的滑套管4下移。

一种大功率钻井轴向冲击提速工具，截流喷嘴6通过孔用挡圈8嵌入式安装于中心管内，截流喷嘴与孔用挡圈之间连有固定用螺帽7，截留喷嘴包括变径段和输出段，输出段内径与变径段最小内径相等，螺帽和孔用挡圈位于输出段，输出段一端与中心管近出水流道端连通，另一端连通变径段，变径段为上大下小的碗装结构，变径段最大外径与中心管内径相吻合，变径段与中心管远出水流道端连通。

进一步的，截流喷嘴采用含钨硬质合金制成。

一种大功率钻井轴向冲击提速工具，中心管下端面位于第三台阶的顶面和底面之间。

进一步的，中心管近第一上进水口、启动液出水口和第一下进水口段外凸形成凸管，依次为第一、二、三凸管，第一凸管与第二凸管之间的空腔作为上排水腔，第二凸管和第三凸管之间的空腔作为下排水腔，第一凸管、第二凸管和第三凸管上均开有与出液槽分离的排水槽，分别为上、中、下排水槽201，302,216，每个凸管上均开有两个排水槽，排水槽的截面为弧形，且以出液槽为对称轴对称设置。

一种大功率钻井轴向冲击提速工具，上、下排水流道均为4个，相对冲击锤的轴线十字分布。

一种大功率钻井轴向冲击提速工具，上、下进水口槽203、217和第一凸起301内的上、下启动液槽210均为环形槽。

一种大功率钻井轴向冲击提速工具，冲击锤由水平中线一分为形成上冲击锤和下冲击锤，上冲击锤的下端面内凹且刻有内螺纹，下冲击锤的上端面外凸且刻有与内螺纹相匹配的外螺纹，上冲击锤和下冲击锤通过螺纹固定连接，便于组装。工具组装时先将上冲击锤放入上接头端，滑套管滑入第二台阶后通过第一凸起301限位卡合，再将下冲击锤通过螺纹与上冲击锤相连，完成冲击锤套接于滑套管外的组装过程。

参照图1-3和图6-9，大功率钻井轴冲提速工具中冲击锤5上移运动：冲击锤下冲撞击时带动滑套管下移，滑套管与冲击锤相对位置不变，滑套管相对中心管整体下移，此时上启动液槽与上排水腔断开，下启动液槽与下排水腔连通，中心管3中的高压钻井液在经过下端的截流喷嘴6变径增压后，从启动液出水口211冲流向滑套管4上的上、下启动液槽210，分别流向滑套管4上的多条上、下启动液流道209由下排水腔排出和进入上启动腔208推动滑套管4下移。此时，原处封闭状态的第一下进水口215与第二下进水口218对上，钻井液开始进入下进水口槽217后，冲流进入外筒2与撞块9之间的下高压腔220，此时由滑套管4已相对冲击锤向下移动，形成下排水口213与冲击锤5上的下排水流道214处在断开状态；上排水流道204与滑套筒4上的上排水口206处在连通状态，这样下高压腔220在钻井液进入的高压下完成冲击锤5上移返回的功能。如此往复循环完成冲击锤5的上下窜动，达到撞击撞块9的功能。

参照图1-3和图5-11，大功率钻井轴冲提速工具在冲击锤5完成上下窜动撞击到撞块9的同时，钻井液完成高压冲击后在上、下高压腔219，220的排泄：冲击锤5在向上/下运动时，上/下排水流道与滑套筒4上的上/下排水口处在连通状态，将钻井液通过上、下排水流道204，214进入滑套管4上的多条上、下排水口216，213进入中心管3的上、下排水槽201，216排向底部排水腔再由第一排泄通孔、第二排泄通孔流向与之相连接的钻头直至工具外。

参照图1-3和图5-11，大功率钻井轴冲提速工具的上、下启动腔208中的钻井液在完成上下移动时，其上、下启动液槽210正离开中心管3第二凸管的上、下台阶，实现与上、下排水腔207，212的择一连通，将上、下启动腔208中的钻井液挤压流向上、下启动液流道209至上、下排水腔207，212，通过中心管4上的中、下排水槽216排向工具外。上接头与上排水槽之间的空腔为顶部排水腔，下排水槽与撞块之间的空腔为底部排水腔，顶部排水腔、上排水槽、上排水腔、中排水槽、下排水腔、下排水槽、底部排水腔、第一排泄通孔、第二排泄通孔和钻头依次连通形成钻井液排泄流道。

参照图1-3，大功率钻井轴冲提速工具其冲击锤5在高压钻井液不断变换流道中完成上下窜动，循环撞击花键连接体总成，花键连接体总成由撞块9、花键连接套10和花键下接头11组成，撞块9与花键下接头11螺纹固定连接，花键连接套10与外筒2以螺纹固定连接，花键下接头11与花键连接套10以花键连接，可在花键连接套10内上下移动。而撞块9与花键下接头11在花键连接套10上端固定安装后，保留撞块9与花键连接套10端面的第一轴向间隙，第一轴向间隙与撞块9受冲击锤5撞击时的移动距离相等，也正是安装在花键下接头11上的钻头轴向冲击窜动距离。

综上所述，说明大功率钻井轴冲提速工具在高压钻井液的驱动下，在旋转钻井的同时，由钻井液的作用完成冲击锤的上下窜动撞击直至钻头上，没有其它额外消耗，且冲击锤体积重大，其产生的冲击功是巨大的，带来的钻井碎石破岩的效果也是很大的。所以对提速缩短周期的钻井效率也更明显，使钻井作业的经济效益大大提高了。

以上，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 (8)

1.一种大功率钻井轴向冲击提速工具，包括上接头、轴冲外筒、轴冲总成和轴冲花键连接体总成，上接头、轴冲外筒和轴冲花键连接体总成依次相连，轴冲外筒内套设轴冲总成，其特征在于：轴冲总成由外至内依次套设有冲击锤、滑套管和中心管，轴冲花键连接体总成包括揰块和花键下接头，冲击锤中部留有用于推动滑套管上下运动的上、下启动腔，上接头和撞块之间留有用于推动冲击锤上下窜动撞击撞块的上、下高压腔，冲击锤下方设有撞块，撞块与花键下接头固定相连，花键下接头上安装有钻头，中心管上端与上接头固定连接，下端与钻头相通；

中心管内设相互分离的出液槽和排水槽，出液槽开有第一上、下进水口和启动液出水口，启动液出水口位于第一上、下进水口之间，出液槽下方内设用于变径增压的截流喷嘴，出液槽下端通过出水流道与钻头连通，排水槽分段设置包括上排水槽、中排水槽和下排水槽，上排水槽与中排水槽之间设有相连通的上排水腔，中排水槽与下排水槽之间设有相连通的下排水腔；

滑套管上开有第二上、下进水口、上、下启动液槽、上、下启动液流道和上、下排水口，启动液出水口通过上、下启动液槽分别与上、下启动液流道连通，且上、下启动液槽分别与上、下排水腔移动连通，启动液流道与启动腔相通，第一上、下进水口分别与第二上、下进水口移动连通，上、下排水口分别与上、下排水腔移动连通；

冲击锤的上下两端分设有上、下进水口槽和上、下排水流道，上、下进水口槽一端与高压腔连通，另一端分别连通上、下排水流道，上、下排水流道与上、下排水口移动连通；

第一上进水口与第二上进水口连通时，上排水腔-上排水口-上排水流道断开，下排水腔-下排水口-下排水流道连通；第一下进水口与第二下进水口连通时，上排水腔-上排水口-上排水流道连通，下排水腔-下排水口-下排水流道断开。

2.根据权利要求1所述的一种大功率钻井轴向冲击提速工具，其特征在于：滑套管中部外凸形成用于控制滑套管相对冲击锤上下限位的第一凸起，冲击锤的中部开有与第一凸起外径相等的第一凹槽，第一凸起与第一凹槽之间留有轴向间隙作为启动腔。

3.根据权利要求2所述的一种大功率钻井轴向冲击提速工具，其特征在于：滑套管与第一凸起相对段的上下内壁分别内凹形成上、下启动液槽，第一凸起内分别开有与上、下启动液槽连通的若干上、下启动液流道，上、下启动液流道斜向设置与启动腔连通。

4.根据权利要求3所述的一种大功率钻井轴向冲击提速工具，其特征在于：上、下启动液流道的个数均为4个，相对滑套管的轴线十字分布。

5.根据权利要求1所述的一种大功率钻井轴向冲击提速工具，其特征在于：上接头为圆管状，上端螺纹连接钻杆，下端与轴冲外筒螺纹连接，上接头下端面内凹形成第一台阶和第二台阶，中心管固定连接于第一台阶内，撞块上端面内凹形成第三台阶，第三台阶和第二台阶与滑套管外径相匹配，滑套管相对中心管在第二台阶与第三台阶之间上下窜动，上排水槽与上接头之间的空腔为顶部排水腔，下排水槽与撞块之间的空腔为底部排水腔，且上下窜动时滑套管下端面不高于撞块上端面，滑套管上端面不低于上接头下端面，用于实现顶部排水腔、底部排水腔与高压腔的隔离。

6.根据权利要求1所述的一种大功率钻井轴向冲击提速工具，其特征在于：撞块下端与花键下接头通过螺纹固定连接，实现冲击锤上下运动撞击撞块时带动花键下接头上下运动。

7.根据权利要求6所述的一种大功率钻井轴向冲击提速工具，其特征在于：花键下接头与轴冲外筒之间设有花键连接套，花键连接套与轴冲外筒通过螺纹固定连接，花键连接套的内孔设有用于套接花键下接头的花键结构，花键连接套的上端面低于花键下接头的上端面，且花键连接套的上端面与撞块的下端面之间留有第一轴向间隙，第一轴向间隙与冲击锤轴向冲击造成钻头窜动的距离相等。

8.根据权利要求5所述的一种大功率钻井轴向冲击提速工具，其特征在于：撞块和花键下接头沿轴线分别开有相互连通的第一排泄通孔和第二排泄通孔，第一排泄通孔与底部排水腔连通，第二排泄通孔与钻头连通，中心管下端通过底部排水腔-第一排泄通孔-第二排泄通孔与钻头相通。

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