CN111472707B - 一种提高钻井机械钻速的振动工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高机械钻速的振动工具及方法，包括从上至下依次设置的上连接套、连接短节、伸缩短节和下连接套；下连接套上设有旋转装置，旋转装置连接有转动叶片，下连接套内固设有过流装置，过流装置的过流孔与转动叶片配合可使过流孔周期性开放或闭合，过流装置上端连接有内轴且两者相通，伸缩短节与内轴固连，内轴可沿轴向上下运动，下连接套内设有碟簧和联动活塞，联动活塞固设在内轴上，内轴上设有限位套。该振动工具使钻具和井壁的静摩擦转换为动摩擦，减少井下黏滑的现象的发生，改善钻压传递效果，提高了机械钻速，有助于水平井深井水平段的延伸。

Description

一种提高钻井机械钻速的振动工具及方法

技术领域

本发明属于钻井工艺技术领域，具体涉及一种提高钻井机械钻速的振动工具及方法。

背景技术

在水平井深井的钻进过程中，随着井深的增加，深部地层岩石承受的上覆压力逐渐增大，其岩石硬度，抗压抗剪强度，研磨性成倍增加，从而使岩石胶结更致密，研磨性增强，可钻行差；特别是在造斜段和水平段，钻柱容易屈曲，随着井斜的增加，会加大钻压传递和施工的难度，严重降低了传统钻井方法的破岩效率和机械钻速。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高钻井机械钻速的振动工具，使钻具和井壁的静摩擦转换为动摩擦，减少井下黏滑的现象的发生，改善钻压传递效果，提高钻速。

本发明的另一个目的在于提供一种提高钻井机械钻速的方法，提高了机械钻速，有助于水平井深井水平段的延伸。

为此，本发明提供的技术方案如下：

一种提高机械钻速的振动工具，包括从上至下依次设置的上连接套、连接短节、伸缩短节和下连接套；

所述下连接套内设有旋转装置，所述旋转装置连接有转动叶片，所述下连接套内固设有过流装置，所述过流装置的过流孔与转动叶片配合可使过流孔周期性开放或闭合，所述过流装置上端连接有内轴且两者相通；

所述伸缩短节与内轴固连，所述内轴可沿轴向上下运动，所述上连接套内设有碟簧和联动活塞，所述联动活塞与内轴固连，所述伸缩短节和上连接套之间设有使联动活塞能够压缩碟簧的泄压机构，所述内轴上固设有限位套，所述上连接套上端径向设有阻挡限位套向上运动的挡条。

所述旋转装置下端设有钻杆扣，所述旋转装置为涡轮，所述涡轮上部通过螺纹连接有涡轮连接杆，所述涡轮连接杆与转动叶片螺纹连接。

所述泄压机构包括设于连接短节上端与联动活塞之间的液压油腔，所述碟簧被限制在液压油腔内，所述伸缩短节上端与内轴之间设有油通道，所述油通道底端为套设在过流装置上的活塞，所述油通道与液压油腔连通，所述过流装置沿轴向设有调压孔，所述调压孔与活塞所在空间连通。

所述过流装置为静止套，所述静止套上端与内轴连通，所述调压孔位于静止套下部一侧。

所述内轴外壁设有花键，所述内轴与连接短节之间通过花键连接。

所述伸缩短节下端与下连接套螺纹连接，所述伸缩短节上端设有颈部，所述颈部与连接短节下部内外接触设置，所述伸缩短节相对于连接短节沿轴向上下运动，所述内轴与伸缩短节螺纹连接或一体设置。

所述静止套由一体设置的上下两部分组成，所述上部分直径小于下部分，所述下部分与下连接套固连，所述上部分与内轴相通，所述上部分和下部分均为中空结构且相通，所述过流孔设于下部分的底部端面，所述调压孔设于下部分的一侧。

所述过流孔为偏心孔。

一种提高钻井机械钻速的方法，将提高机械钻速的振动工具与钻具组合连接，开泵注入钻井液，钻井液流过涡轮使涡轮旋转，涡轮带动转动叶片旋转，通过转动叶片与过流装置的配合可周期性开放或闭合过流孔，由流量的变化引起工具内部的压力波动，这种压力的变化转化为对联动活塞的轴向作用力；

当压力增大时，联动活塞带动内轴向下运动，同时压缩碟簧，当压力下降时，联动活塞及内轴在碟簧弹性能的作用下回复运动，从而使振动工具产生周期性的轴向运动，并带动钻具运动，使钻具和下井壁的静摩擦转换为动摩擦，降低摩阻，提高钻压传递的效果，提高机械钻速。

所述钻具组合包括从上至下设置的加重杆、钻铤和钻头，所述提高机械钻速的振动工具连接在加重杆、钻铤之间，且上端设有防卡扶正器，并距离钻头150-200m。

本发明的有益效果是：

本发明提供的这种提高机械钻速的振动工具，连接在钻具组合中，通过转动叶片与静止套的配合，使静止套的过流孔周期性的开放和闭合，引起工具内部的压力波动，这种压力的变化转化为对联动活塞的轴向作用力，使内轴上下运动，从而带动钻具运动，使钻具和井壁的静摩擦转换为动摩擦，减少井下黏滑的现象的发生，改善钻压传递效果。

通过内轴上部连接有限位套，可以在工具运动时对连接短节和内轴进行轴向限位，保证碟片弹簧在形变极限内进行工作，同时避免工具使用过程中内轴与外套发生脱离。

通过连接短节与内轴之间设计有花键，保证工具旋转过程中在内轴与外壳体间传递扭矩。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式结构示意图。

图中：

附图标记说明：

1、涡轮；2、涡轮连接杆；3、转动叶片；4、静止套；5、下连接套；6、伸缩短节；7、连接短节；8、内轴；9、花键；10、碟簧；11、上连接套；12、联动活塞；13、限位套；14、调压孔；15、活塞；16、油通道；17、过流孔。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

需说明的是，在本发明中，图中的上、下、左、右即视为本说明书中所述的提高机械钻速的振动工具的上、下、左、右。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1：

本实施提供了一种提高机械钻速的振动工具：包括从上至下依次设置的上连接套11、连接短节7、伸缩短节6和下连接套5；

所述下连接套5内设有旋转装置，所述旋转装置连接有转动叶片3，所述下连接套5内固设有过流装置，所述过流装置的过流孔17与转动叶片3配合可使过流孔17周期性开放或闭合，所述过流装置上端连接有内轴8且两者相通；

所述伸缩短节6与内轴8固连，所述内轴8可沿轴向上下运动，所述上连接套11内设有碟簧10和联动活塞12，所述联动活塞12与内轴8固连，所述伸缩短节6和上连接套11之间设有使联动活塞能够压缩碟簧10的泄压机构，所述内轴8上固设有限位套13，所述上连接套11上端径向设有阻挡限位套13向上运动的挡条。

具体地说，本实施例提供的提高机械钻速的振动工具工作过程如下：

使用时，将该振动工具与钻具连接，开泵注入钻井液，钻井液由上连接套11进入振动工具内，依次通过内轴8、过流装置后流入旋转装置，旋转装置旋转带动转动叶片3旋转，转动叶片3与下方的过流装置配合，过流装置上的过流孔17可周期性开放（转动叶片3与过流孔17错开，则钻井液通过过流孔17）或闭合（转动叶片3与过流孔17平齐，转动叶片3阻挡钻井液通过过流孔17），从而在工具内部产生流量的变化，并转化为对联动活塞12的轴向作用力变化，从而使内轴8和伸缩短节6上下振动，此振动可以传递给相邻钻具，将钻进过程中钻具同下井壁的静摩擦转换为为动摩擦，从而明显降低了摩阻，提高钻压传递效果，同时降低钻具组合发生屈曲的风险，尤其适用于井下动力钻具定向钻进的情况，解决了因地层上的扭矩对钻头产生的反向扭矩而造成定向工具的摆动和转动而失稳的问题，提高了机械钻速。

其中，当过流孔17关闭时，振动工具内部不流通，联动活塞轴端受到的压力增大，从而钻井液向下挤压联动活塞12，带动内轴8向下运动，同时压缩碟簧10，内轴8带动伸缩短节6向下运动；当过流孔17开放时，流道打开，联动活塞12轴端受到的压力减小，轴向力减小，碟簧10克服该轴向力，使内轴8向上运动，这样一上一下运动为一个周期的振动。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施提供了一种提高机械钻速的振动工具，所述旋转装置上端设有钻杆扣，所述旋转装置为涡轮1，所述涡轮1下部通过螺纹连接有涡轮连接杆2，所述涡轮连接杆2与转动叶片3螺纹连接。

将该振动工具的上下两端均加工为钻杆扣，可以直接连接到钻具组合当中。该钻井振动工具的涡轮1下部加工为公扣与钻具相连接，涡轮1上部与涡轮连接杆2通过螺纹连接，涡轮连接杆2上部与转动叶片3通过螺纹连接，钻井液流过时涡轮1旋转，带动转动叶片3周向转动，转动叶片3和过流装置相互配合，过流装置内加工有过流孔17，转动叶片3的转动使过流装置的过流孔17周期性的开放和闭合，引起工具内部的压力波动。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施提供了一种提高机械钻速的振动工具，所述泄压机构包括设于连接短节7上端与联动活塞12之间的液压油腔，所述碟簧10被限制在液压油腔内，所述伸缩短节6上端与内轴8之间设有油通道16，所述油通道16底端为套设在过流装置上的活塞15，所述油通道16与液压油腔连通，所述过流装置沿轴向设有调压孔14，所述调压孔14与活塞15所在空间连通。

在内轴8向下运动的过程中，由于活塞15除了随过流装置一起向下运动，还受到由联动活塞12向下压缩碟簧10，使碟簧10所在的液压油腔体积变小，液压油由油通道16流向活塞15，对活塞进行压缩，因此活塞15的运动速度大于芯轴的运动速度，即活塞与过流装置之间的腔体会被压缩，压缩过程中通过调压孔14将腔体中的气体排出。

泄压机构的原理是：联动活塞12向下压碟簧10，由于碟簧10在液压油腔内，在压缩碟簧10时，受到液压油的压力，只有当液压油进入油通道16，才能实现对碟簧10的压缩。在此压缩过程中，液压油推动活塞15运动，空气通过调压孔14将腔体中的气体排出。

当碟簧10带动内轴8向上运动时，连接套11上端径向设置的挡条可以阻挡限位套向上运动，对内轴8向上运动的距离进行限制。

实施例4：

在实施例1的基础上，本实施提供了一种提高机械钻速的振动工具，所述过流装置为静止套4，所述静止套4上端与内轴8连通，所述调压孔14位于静止套4下部一侧。

所述静止套4由一体设置的上下两部分组成，所述上部分直径小于下部分，所述下部分与下连接套5固连，所述上部分与内轴8相通，所述上部分和下部分均为中空结构且相通，所述过流孔17设于下部分的底部端面，所述调压孔14设于下部分的一侧。

在使用过程中，钻井液从上依次流至内轴8、过流孔17，最后由旋转装置排出。该静止套4采用上大下小的结构，下部分与下连接套5密封连接，设置的调压孔用于活塞15压缩时排气，上部分直径较小，便于活塞15套设。

实施例5：

在实施例1的基础上，本实施提供了一种提高机械钻速的振动工具，所述内轴8外壁设有花键9，所述内轴8与连接短节7之间通过花键9连接。

通过连接短节7与内轴8之间设计有花键9，保证工具旋转过程中在内轴8与外壳体间传递扭矩。

实施例6：

本实施提供了一种提高机械钻速的振动工具，包括从上至下依次设置的上连接套11、连接短节7、伸缩短节6和下连接套5，组成振动工具的外壳体，下连接套5和伸缩短节6螺纹连接，伸缩短节6与连接短节7部分重叠滑动连接，连接短节7和上连接套11螺纹连接。

伸缩短节6下端与下连接套5螺纹连接，伸缩短节6上端设有颈部，颈部与连接短节7下部内外接触设置，伸缩短节6相对于连接短节7沿轴向上下运动。

伸缩短节6和连接短节7滑动连接，使内轴8轴向运动的同时，带动伸缩短节6运动，从而实现上下运动。

外壳体内从下至上设有旋转装置、过流装置和内轴8，以涡轮1作为旋转装置，涡轮1上部通过螺纹连接涡轮连接杆2，涡轮连接杆2上部螺纹连接转动叶片3，过流装置与下连接套5密封连接，内轴8与伸缩短节6固定连接，内轴8上部套设有碟簧10，联动活塞12与内轴8螺纹连接。

如图1所示，过流装置为静止套4，静止套4由一体设置的上下两部分组成，上部分直径小于下部分，下部分与下连接套5固连，上部分与内轴8相通，上部分和下部分均为中空结构且相通，过流孔17设于下部分的底部端面，调压孔14设于下部分的一侧。在本实施例中，过流孔17为偏心孔。

在使用过程中，钻井液从上依次流至内轴8、过流孔17，最后由旋转装置排出。

内轴8的上部连接有限位套13，可以在工具运动时对连接短节7和内轴8进行轴向限位，避免工具使用过程中内轴8与外套发生脱离。图中的箭头方向表示钻井液流动方向。

在本实施例中，连接短节7与内轴8之间设计有花键9，保证工具旋转过程中在内轴8与外壳体间传递扭矩。伸缩短节6上端与内轴8之间设有油通道16，油通道16顶端设有套设在内轴8上的活塞15。内轴8与伸缩短节6一体设置。

使用过程：开泵时，钻井液流经工具内部，涡轮1转动，带动转动叶片3旋转，转动叶片3和静止套4相互配合，静止套4内加工有过流孔17，转动叶片3的转动使静止套4的过流孔17周期性的开放和闭合，引起工具内部的压力波动，压力增大时，依据公式F=ΔPS，联动活塞12端面产生轴向作用力，带动内轴8，压缩碟簧10及伸缩短节6向上移动，当流道打开压力减少时，联动活塞12端面轴向力减少，内轴8、伸缩短节6在碟簧10的弹性能作用下向下移动，进而实现振动工具完成一个周期的振动。

实施例7：

本实施提供了一种提高钻井机械钻速的方法，将提高机械钻速的振动工具与钻具组合连接，开泵注入钻井液，钻井液流过涡轮1使涡轮1旋转，涡轮1带动转动叶片3旋转，通过转动叶片3与过流装置的配合可周期性开放或闭合过流通孔17，由流量的变化引起工具内部的压力波动，这种压力的变化转化为对联动活塞12的轴向作用力；

当压力增大时，联动活塞12带动内轴8向下运动，同时压缩碟簧10，当压力下降时，联动活塞12及内轴8在碟簧10弹性能的作用下回复运动，从而使振动工具产生周期性的轴向运动，并带动钻具运动，使钻具和下井壁的静摩擦转换为动摩擦，降低摩阻，提高钻压传递的效果，提高机械钻速。

通过该振动工具产生的振动传递到钻具组合中，将滑动钻进过程中钻具组合同下井壁的静摩擦转换为为动摩擦，从而明显降低了摩阻，提高钻压传递效果，同时降低钻具组合发生屈曲的风险，尤其适用于井下动力钻具定向钻进的情况，解决了因地层上的扭矩对钻头产生的反向扭矩而造成定向工具的摆动和转动而失稳的问题，提高了机械钻速。

实施例8：

在实施例7的基础上，本实施提供了一种提高钻井机械钻速的方法，所述钻具组合包括从上至下设置的加重杆、钻铤和钻头，所述提高机械钻速的振动工具连接在加重杆、钻铤之间，且上端设有防卡扶正器，并距离钻头150-200m。

将钻井提速振动工具联接在钻铤与加重钻杆之间，依据软件计算及相似井型使用经验对比，在距离钻头150m-200m位置安放一套钻井提速振动工具，该工具可以通过钻井液的驱动产生高频低幅度的振动。因工具外径比钻杆接箍外径大，为避免因钻具变径而引起卡钻事故，工具上端连接防卡扶正器；工具接入钻具组合后，在井口对工具进行试压，检查振工具是否能正常启动和螺纹处有无渗漏，并确定工具工作正常且不影响随钻测量信号后下钻。

钻具组合下钻到底后，开泵循环，调整泥浆性能，充分循环泥浆后，定向钻进，钻压由小到大依次增加，在水平段使用时，工具安放位置通常距离钻头150m-200m，可依据水平段长及实际钻进中摩阻情况进行调整。加压时通常先加2吨钻压，磨合钻头的同时观察定向工具面变化情况，若工具面稳定，且机械钻速平稳，再加至4-6吨钻压，逐步加钻压至最大后(一般为7-10吨)，正常钻进，通常考虑到水平段钻进时PDC钻头实际承受的钻压有限（通常不大于10吨），设定工具处实际使用钻压控制在10吨左右；为保证工具使用过程中效果最佳，滑动钻进过程中，要求司钻井口送钻均匀，避免顿钻。

该振动工具与井下动力钻具配合使用提高定向（滑动）钻进时效果，降低粘卡风险，解决了因地层反扭矩变化大造成定向工具不稳的问题，提高了机械钻速，有助于水平井深井水平段的延伸。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种提高机械钻速的振动工具，其特征在于：包括从上至下依次设置的上连接套（11）、连接短节（7）、伸缩短节（6）和下连接套（5），所述上连接套（11）和连接短节（7）连接，所述连接短节（7）和伸缩短节（6）滑动连接，所述伸缩短节（6）和下连接套（5）连接；

所述下连接套（5）内设有旋转装置，所述旋转装置连接有转动叶片（3），所述下连接套（5）内固设有过流装置，所述过流装置的过流孔（17）与转动叶片（3）配合可使过流孔（17）周期性开放或闭合，所述过流装置上端连接有内轴（8）且两者相通；

所述伸缩短节（6）与内轴（8）固连，所述内轴（8）可沿轴向上下运动，所述上连接套（11）内设有碟簧（10）和联动活塞（12），所述联动活塞（12）与内轴（8）固连，所述伸缩短节（6）和上连接套（11）之间设有使联动活塞能够压缩碟簧（10）的泄压机构，所述内轴（8）上固设有限位套（13），所述上连接套（11）上端径向设有阻挡限位套（13）向上运动的挡条；

所述泄压机构包括设于连接短节（7）上端与联动活塞（12）之间的液压油腔，所述碟簧（10）被限制在液压油腔内，所述伸缩短节（6）上端与内轴（8）之间设有油通道（16），所述油通道（16）底端为套设在过流装置上的活塞（15），所述油通道（16）与液压油腔连通，所述过流装置为静止套（4），所述静止套（4）沿轴向设有调压孔（14），所述调压孔（14）与活塞（15）所在空间连通，所述静止套（4）上端与内轴（8）连通，所述调压孔（14）位于静止套（4）下部一侧，所述静止套（4）由一体设置的上下两部分组成，所述上部分直径小于下部分，所述下部分与下连接套（5）固连，上部分与内轴（8）相通，所述上部分和下部分均为中空结构且相通，所述过流孔（17）设于下部分的底部端面，所述调压孔（14）设于下部分的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种提高机械钻速的振动工具，其特征在于：所述旋转装置下端设有钻杆扣，所述旋转装置为涡轮（1），所述涡轮（1）上部通过螺纹连接有涡轮连接杆（2），所述涡轮连接杆（2）与转动叶片（3）螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种提高机械钻速的振动工具，其特征在于：所述内轴（8）外壁设有花键（9），所述内轴（8）与连接短节（7）之间通过花键（9）连接。

4.根据权利要求1所述的一种提高机械钻速的振动工具，其特征在于：所述伸缩短节（6）下端与下连接套（5）螺纹连接，所述伸缩短节（6）上端设有颈部，所述颈部与连接短节（7）下部内外接触设置，所述伸缩短节（6）相对于连接短节（7）沿轴向上下运动，所述内轴（8）与伸缩短节（6）螺纹连接或一体设置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种提高机械钻速的振动工具，其特征在于：所述过流孔（17）为偏心孔。

6.一种提高钻井机械钻速的方法，将权利要求2所述的提高机械钻速的振动工具与钻具组合连接，其特征在于：开泵注入钻井液，钻井液流过涡轮（1）使涡轮（1）旋转，涡轮（1）带动转动叶片（3）旋转，通过转动叶片（3）与过流装置的配合可周期性开放或闭合过流孔（17），由流量的变化引起工具内部的压力波动，这种压力的变化转化为对联动活塞（12）的轴向作用力；

当压力增大时，联动活塞（12）带动内轴（8）向下运动，同时压缩碟簧（10），当压力下降时，联动活塞（12）及内轴（8）在碟簧（10）弹性能的作用下回复运动，从而使振动工具产生周期性的轴向运动，并带动钻具运动，使钻具和下井壁的静摩擦转换为动摩擦，降低摩阻，提高钻压传递的效果，提高机械钻速。

7.根据权利要求6所述的一种提高钻井机械钻速的方法，其特征在于：所述钻具组合包括从上至下设置的加重杆、钻铤和钻头，所述提高机械钻速的振动工具连接在加重杆、钻铤之间，且上端设有防卡扶正器，并距离钻头150-200m。

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