CN111335807B - 一种涡轮冲击钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮冲击钻具，涡轮冲击钻具主要包括球齿钻头、哈弗接头、哈弗、缸体、外壳体、螺杆活塞、轴承、钢套、轴、驱动轴、密封圈、上接头、充气接头、格莱圈、涡轮马达和变径接头，泥浆驱动涡轮马达回转，涡轮马达带动螺杆活塞上升，达到分离位置后，高压氮气驱动螺杆活塞下端高速冲击球齿钻头，此后通过螺旋升力将螺杆活塞提起，实现往复轴向冲击钻进的目的，该冲击钻具能够有效利用泥浆的能量，将其转换为冲击能量，并通过冲击器部分的整体封装密封，为深孔硬岩钻进提供了一种新的高效钻井器具。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井领域，特别涉及一种涡轮冲击钻具。
背景技术
在石油天然气行业钻井深度不断增加，深井、易斜井、水平井及大位移井在石油钻井中所占的比例越来越大，钻井中遇到的硬地层和坚硬地层用常规旋转钻进方法破岩的效果差，钻进效率低，深井中的井斜问题也日益突出，成为钻井工作中一大棘手难题，大大增加了钻井成本，在水平井和大位移井中，随着水平位移的增加，水平井段的加压越来越困难，钻具的损坏也不断增加，于是国内外对用旋冲钻井技术来解决这些问题比任何时候都重视，并投入大量人力物力进行研究。
国内外的理论研究和试验均证明，旋冲钻井技术可以大幅度提高硬地层钻井效率降低钻井成本，但目前国内外冲击钻井工具普遍存在寿命低、技术不成熟等问题，涡轮冲击钻具作为国内最新研制的一种新型冲击钻井工具，集合了冲击钻井和旋转钻井的各自优势，能够适用于直井、定向井以及水平井钻井，可以有效解决坚硬地层钻进速度慢、定向钻进托压等钻井难题，提高钻进速度，降低定向钻进摩阻，取得良好的提速提效效果，显示该器具具备良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是要解决上述背景技术中的问题，而提供一种涡轮冲击钻具。
一种涡轮冲击钻具，包括球齿钻头、哈弗接头、O型圈、哈弗、缸体、外壳体、螺杆活塞、两个轴承、钢套、轴、驱动轴、密封圈、上接头、充气接头、格莱圈、涡轮马达、两个涡轮轴承、变径接头和往复密封圈，变径接头与钻杆连接，变径接头与上接头螺纹连接，涡轮马达通过涡轮轴承旋转设置在上接头内，变径接头对上端的涡轮轴承进行轴向定位，充气接头固定设置在上接头上，驱动轴通过轴承固定在缸体内部，上接头与缸体通过螺纹连接，上接头并对缸体内的轴承进行轴向定位，驱动轴通过花键与涡轮马达连接，轴固定设置在驱动轴上，钢套转动安装在轴上，螺杆活塞转动安装在驱动轴内腔里，螺杆活塞与缸体通过花键连接，钢套与螺杆活塞的螺旋面接触，球齿钻头与哈弗接头采用花键连接，哈弗接头与外壳体通过螺纹连接，外壳体与上接头通过螺纹连接，哈弗套装在球齿钻头上，对球齿钻头进行轴向定位，O型圈套装在哈弗上，球齿钻头旋转设置在缸体内部，密封圈设置在上接头与缸体的接触面上，格莱圈设置在驱动轴与上接头的接触面上，往复密封圈设置在缸体与螺杆活塞的接触面上；
所述球齿钻头上设置有钻头泥浆通道；
所述驱动轴上设置有高压氮气室；
所述外壳体内部设置有环状通道；
所述上接头上设置有泥浆通道；
所述螺杆活塞设置有螺旋面，螺旋面螺旋包裹在螺杆活塞的四分之三圆周面上；
所述螺杆活塞下端充当冲锤的功能；
具体的，泥浆驱动涡轮马达做高速转动，涡轮马达通过花键带动驱动轴做高速转动，驱动轴带动轴和旋转设置在轴上的钢套转动，钢套延螺杆活塞上的螺旋面滚动，从而达到了对螺杆活塞进行驱动的目的，使螺杆活塞向上运动，同时外部由充气接头向高压氮气室注入高压氮气，上升的螺杆活塞压缩高压氮气室，由于螺旋面螺旋包裹在螺杆活塞的四分之三圆周面上，当钢套超过螺杆时，高压氮气室内的氮气驱动螺杆活塞下行，冲击球齿钻头上端达到使球齿钻头冲击岩层的效果，同时钻杆通过变径接头、上接头、外壳体和哈弗接头驱动球齿钻头高速转动，最终达到使钻头旋转冲击破碎岩石的效果，提高了工作效率；
具体的，泥浆流经涡轮马达后依次进入上接头泥浆通道、环状通道、钻头泥浆通道，从而实现钻井过程中泥浆的循环；
具体的，密封圈、格莱圈，往复密封圈对高压氮气室进行保压密封。
本发明的工作原理和过程：
使用时，钻杆带动冲击钻具旋转，进而带动球齿钻头旋转碎岩钻进，此外泥浆驱动涡轮马达进行高速回转，涡轮马达通过花键带动驱动轴高速回转，设置在驱动轴上的轴也做高速回转，旋转设置在轴上的钢套既可以高速公转，也可以绕着轴自转，钢套与螺杆活塞的螺旋面接触，在旋转的同时，利用螺旋升力，推动螺杆活塞上行，由于螺旋面螺旋包裹在螺杆活塞的四分之三圆周面上，当钢套超过不完整的螺旋面时，高压氮气室驱动螺杆活塞下行，冲击球齿钻头，密封圈，格莱圈和往复密封圈对高压氮气室进行保压密封，通过固定在上接头的充气接头，往高压氮气室充入高压氮气，球齿钻头与哈弗接头的花键连接，哈弗接头与外壳体通过螺纹连接，外壳体与上接头螺纹连接，哈弗套装在球齿钻头上。O型圈套装在哈弗上，球齿钻头空套进缸体内，钻杆带动变径接头、上接头、外壳体、哈弗接头、球齿钻头回转，螺杆活塞冲击球齿钻头上端，球齿钻头旋转冲击破碎岩石，达到快速钻进的目的。
本发明的有益效果：
本发明涡轮驱动潜孔锤进行凿岩钻进，实现高钻速、长寿命、低成本的目的，它改变了传统的切削和研磨碎岩方式，使岩石成体积破碎，大大提高了钻进效率和对坚硬及复杂地层的适应性，具体表现为：钻进效率高，其钻进效率比回转钻进效率高了3～10倍，单次冲击功大，排渣速度高，孔底干净，无二次破碎，钻具所需转速低，钻具对孔壁的碰撞机会较少，而且钻进方法是以高频对井底冲击，减少了岩石或倾斜地层产生井斜的影响，从而可提高钻孔的垂直度，同时，也可减少井壁坍塌，比起回转钻进，冲击钻进所需的钻压和扭矩要小得多，这样可减轻钻机的设备的质量和能力，为大口径硬岩钻进创造了有利条件。
附图说明
图1是本发明涡轮冲击钻具结构示意图；
图2是本发明螺杆活塞立体视图。
具体实施方式
请参阅图1和图2所示，一种涡轮冲击钻具，包括球齿钻头1、哈弗接头2、O型圈3、哈弗4、缸体5、外壳体6、螺杆活塞7、两个轴承8、钢套9、轴10、驱动轴11、密封圈12、上接头13、充气接头14、格莱圈15、涡轮马达16、两个涡轮轴承17、变径接头18和往复密封圈20，变径接头18与钻杆连接，变径接头18与上接头13螺纹连接，涡轮马达16通过涡轮轴承17旋转设置在上接头13内，变径接头18对上端的涡轮轴承17进行轴向定位，充气接头14固定设置在上接头13上，驱动轴11通过轴承8固定在缸体5内部，上接头13与缸体5通过螺纹连接，上接头13并对缸体5内的轴承8进行轴向定位，驱动轴11通过花键与涡轮马达16连接，轴10固定设置在驱动轴11上，钢套9转动安装在轴10上，螺杆活塞7转动安装在驱动轴11内腔里，螺杆活塞7与缸体5通过花键连接，钢套9与螺杆活塞7的螺旋面接触，球齿钻头1与哈弗接头2采用花键连接，哈弗接头2与外壳体6通过螺纹连接，外壳体6与上接头13通过螺纹连接，哈弗4套装在球齿钻头1上，对球齿钻头1进行轴向定位，O型圈3套装在哈弗4上球齿钻头1旋转设置在缸体5内部，密封圈12设置在上接头13与缸体5的接触面上，格莱圈15设置在驱动轴11与上接头13的接触面上，往复密封圈20设置在缸体5与螺杆活塞7的接触面上；
所述球齿钻头1上设置有钻头泥浆通道19；
所述驱动轴11上设置有高压氮气室21；
所述外壳体6内部设置有环状通道22；
所述上接头13上设置有泥浆通道23；
所述螺杆活塞7设置有螺旋面，螺旋面螺旋包裹在螺杆活塞7的四分之三圆周面上；
所述螺杆活塞7下端充当冲锤的功能；
具体的，泥浆驱动涡轮马达16做高速转动，涡轮马达16通过花键带动驱动轴11做高速转动，驱动轴11带动轴10和旋转设置在轴10上的钢套9转动，钢套9延螺杆活塞7上的螺旋面滚动，从而达到了对螺杆活塞7进行驱动的目的，使螺杆活塞7向上运动，同时外部由充气接头14向高压氮气室21注入高压氮气，上升的螺杆活塞7压缩高压氮气室21，由于螺旋面螺旋包裹在螺杆活塞7的四分之三圆周面上，当钢套9超过螺杆时，高压氮气室21内的氮气驱动螺杆活塞7下行，冲击球齿钻头上端1达到使球齿钻头1冲击岩层的效果，同时钻杆通过变径接头18、上接头13、外壳体6和哈弗接头2驱动球齿钻头1高速转动，最终达到使球齿钻头1旋转冲击破碎岩石的效果，提高了工作效率；
具体的，泥浆流经涡轮马达16后依次进入上接头泥浆通道23、环状通道22、钻头泥浆通道19，从而实现钻井过程中泥浆的循环；
具体的，密封圈12、格莱圈15，往复密封圈20对高压氮气室21进行保压密封。
本发明的工作原理和过程：
请参阅图1和图2所示，使用时，钻杆带动冲击钻具旋转，进而带动球齿钻头1旋转碎岩钻进，此外泥浆驱动涡轮马达16进行高速回转，涡轮马达16通过花键带动驱动轴11高速回转，设置在驱动轴11上的轴10也做高速回转，旋转设置在轴10上的钢套9既可以高速公转，也可以绕着轴自转，钢套9与螺杆活塞7的螺旋面接触，在旋转的同时，利用螺旋升力，推动螺杆活塞7上行，由于螺旋面螺旋包裹在螺杆活塞7的四分之三圆周面上，当钢套9超过不完整的螺旋面时，高压氮气室21驱动螺杆活塞7下行，冲击球齿钻头1，密封圈12，格莱圈15和往复密封圈20对高压氮气室21进行保压密封，通过固定在上接头13的充气接头14，往高压氮气室21充入高压氮气，球齿钻头1与哈弗接头2的花键连接，哈弗接头2与外壳体6通过螺纹连接，外壳体6与上接头13螺纹连接，哈弗4套装在球齿钻头1上。O型圈3套装在哈弗4上，球齿钻头1空套进缸体5内，钻杆带动变径接头18、上接头13、外壳体6、哈弗接头2、球齿钻头1回转，螺杆活塞7冲击球齿钻头1上端，球齿钻头1旋转冲击破碎岩石，达到快速钻进的目的。
Claims (7)
1.一种涡轮冲击钻具，其特征在于：包括球齿钻头(1)、哈弗接头(2)、O型圈(3)、哈弗(4)、缸体(5)、外壳体(6)、螺杆活塞(7)、两个轴承(8)、钢套(9)、轴(10)、驱动轴(11)、密封圈(12)、上接头(13)、充气接头(14)、格莱圈(15)、涡轮马达(16)、两个涡轮轴承(17)、变径接头(18)和往复密封圈(20)，变径接头(18)与钻杆连接，变径接头(18)与上接头(13)螺纹连接，涡轮马达(16)通过涡轮轴承(17)旋转设置在上接头(13)内，变径接头(18)对上端的涡轮轴承(17)进行轴向定位，充气接头(14)固定设置在上接头(13)上，驱动轴(11)通过轴承(8)固定在缸体(5)内部，上接头(13)与缸体(5)通过螺纹连接，上接头(13)并对缸体(5)内的轴承(8)进行轴向定位，驱动轴(11)通过花键与涡轮马达(16)连接，轴(10)固定设置在驱动轴(11)上，钢套(9)转动安装在轴(10)上，螺杆活塞(7)转动安装在驱动轴(11)内腔里，螺杆活塞(7)与缸体(5)通过花键连接，钢套(9)与螺杆活塞(7)的螺旋面接触，球齿钻头(1)与哈弗接头(2)采用花键连接，哈弗接头(2)与外壳体(6)通过螺纹连接，外壳体(6)与上接头(13)通过螺纹连接，哈弗(4)套装在球齿钻头(1)上，对球齿钻头(1)进行轴向定位，O型圈(3)套装在哈弗(4)上，球齿钻头(1)旋转设置在缸体(5)内部，密封圈(12)设置在上接头(13)与缸体(5)的接触面上，格莱圈(15)设置在驱动轴(11)与上接头(13)的接触面上，往复密封圈(20)设置在缸体(5)与螺杆活塞(7)的接触面上。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮冲击钻具，其特征在于：所述球齿钻头(1)上设置有钻头泥浆通道(19)。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮冲击钻具，其特征在于：所述驱动轴(11)上设置有高压氮气室(21)。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮冲击钻具，其特征在于：所述外壳体(6)内部设置有环状通道(22)。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮冲击钻具，其特征在于：所述上接头(13)上设置有泥浆通道(23)。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮冲击钻具，其特征在于：所述螺杆活塞(7)设置有螺旋面，螺旋面螺旋包裹在螺杆活塞(7)的四分之三圆周面上。
7.根据权利要求1所述的一种涡轮冲击钻具，其特征在于：所述螺杆活塞(7)下端充当冲锤的功能。
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