CN111622673A - 一种井下辅助钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种井下辅助钻井工具，包括：构造为中空管状的心轴，其一端设有第一接头；设置在所述心轴外部的弹性扭转件；套接在所述心轴上的触发冲击筒体；以及与所述心轴连接的第二接头，所述第二接头与所述弹性扭转件和所述钻头形成固定连接，其中，所述触发冲击筒体构造成具有在所述钻头正常工作状态下与所述第二接头分离的第一状态，以及在所述钻头发生粘滑振动时与所述第二接头产生碰撞冲击的第二状态，以及所述弹性扭转件构造成能够在所述钻头发生粘滑振动时将所述钻头与所述触发冲击筒体之间的差速值转换为所述弹性扭转件的弹性势能，并交替进行弹性势能的自动存储与释放，从而为所述钻头提供破岩扭矩。

Description

一种井下辅助钻井工具

技术领域

本发明涉及石油工程钻井技术领域，具体地涉及一种井下辅助钻井工具。尤其是一种用于提高钻头的机械钻速和延长钻头使用寿命的提速工具。

背景技术

石油工程钻井施工中，现有的常规底部钻具组合包括“钻头+钻铤+稳定器+钻铤”，或包括“钻头+螺杆+钻铤+稳定器+钻铤”。根据钻井现场的实际工况发现，在硬地层、含砾地层、软硬交错等复杂地层中，底部钻具组合存在弹跳、涡动、粘滑等不良工况。其中，钻头的弹跳、粘滑现象严重，从而容易造成钻头切削齿的先期损坏和钻具的疲劳破坏，造成PDC钻头使用效果差，影响了钻井施工进度。此外，增加了施工人员的劳动强度，如起下钻、循环钻井液等，由此，增加了钻井施工成本，且安全性能差。

由于钻头的稳定性和攻击性在一定程度上难以兼顾，为了提高钻头稳定性，常规底部钻具组合经常采用增加钻头刀翼数量、减小切削齿尺寸、增加布齿密度等降低钻头攻击性的措施，这些虽然能够提高PDC钻头的使用寿命却大大降低了钻头的机械钻速。

目前，辅助钻井工具多为提速工具，常见的钻井提速工具主要有井下动力钻具，如螺杆与减速涡轮。冲击类工具，如液力冲击器、水力振荡器、扭力冲击器、复合冲击器等。减震类工具，如钻头防失速工具、随钻恒扭器、减震增压工具、水力加压器等。这些提速工具大多是将水力能量转化为机械能量，从而导致压耗大、泵压高，并且提速工具的使用效果受钻井液密度、钻井泵排量、机泵条件、井深、温度、堵漏材料颗粒大小等多种因素的制约。此外，现场常用的减震器、振荡器、冲击器等井下工具，功能较为单一。平稳钻压、扭矩等钻井参数与增加钻头破岩能量等功能无法同时实现，在复杂地层中，钻头依然会承受较大的冲击载荷，造成PDC钻头的崩齿和过度磨损。减震增压钻井提速工具、吸振式脉冲射流钻井提速工具虽然能够吸收钻柱纵向振动、提高钻头破岩水力能量，但该类工具的零部件结构较为复杂、无法彻底消除钻柱扭转振动、且特殊射流通道易堵塞。

发明内容

针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种井下辅助钻井工具。该井下辅助钻井工具能够有效降低钻头的轴向振动、扭转振动和横向振动，并且通过惯性辅助冲击破岩保持钻头连续稳定切削的工作环境，有效提高破岩能量利用率。同时，该井下辅助钻井工具能够适用于复杂工况地层，其能够保证钻头的工作稳定、保护钻头免于先期损坏，大大提高了钻井施工效率和破岩效果。

为此，根据本发明，提出了一种井下辅助钻井工具，包括：构造为中空管状的心轴，所述心轴的一端设有用于与钻铤连接的第一接头；设置在所述心轴外部的弹性扭转件；套接在所述心轴上的触发冲击筒体，所述触发冲击筒体处于所述第一接头与所述弹性扭转件之间；以及与所述心轴连接且用于连接钻头的第二接头，所述第二接头与所述弹性扭转件和所述钻头形成固定连接，其中，所述触发冲击筒体构造成具有在所述第二接头正常工作状态下与所述第二接头分离的第一状态，以及在所述钻头发生粘滑振动时与所述钻头产生碰撞冲击的第二状态，以及所述弹性扭转件构造成能够在所述钻头发生粘滑振动时将所述钻头与所述触发冲击筒体之间的差速值转换为所述弹性扭转件的弹性势能，并交替进行弹性势能的自动存储与释放，从而为所述钻头提供破岩扭矩。

在一个优选的实施例中，所述触发冲击筒体包括构造成中空圆柱体形的本体部分，所述本体部分的一端设有用于与所述第一接头连接的台肩。

在一个优选的实施例中，所述本体部分的另一端设有轴向延伸且用于安装到所述弹性扭转件内的筒体部分，所述筒体部分的内径设置成大于所述本体部分的内径，而外径设置成小于所述本体部分的外径。

在一个优选的实施例中，在所述弹性扭转件一端的端面设有若干周向均匀分布的凹槽，所述弹性扭转件通过所述凹槽与所述触发冲击筒体的本体部分固定连接，从而使所述弹性扭转件在所述钻头发生粘滑振动时产生扭转，以进行弹性势能的存储与释放。

在一个优选的实施例中，所述弹性扭转件为扭转弹簧，且所述扭转弹簧的旋向与钻柱的旋转运动方向相反，所述扭转弹簧能够在所述钻头发生粘滑振动时通过扭转压缩或扭转伸长，从而使所述触发冲击筒体与所述钻头分别处于第二状态或第一状态。

在一个优选的实施例中，在所述弹性扭转件的另一端的侧壁上设有若干周向均匀分布的第一安装孔。

在一个优选的实施例中，所述第二接头构造成具有阶梯形腔体的圆柱体形，在所述第二接头的内部设有锥形螺纹以固定连接所述钻头。

在一个优选的实施例中，所述第二接头的内壁上设有能够与所述弹性扭转件上的所述第一安装孔对应的第二安装孔，在所述第一安装孔和所述第二安装孔中安装防旋螺栓，以固定连接所述第二接头、所述弹性扭转件和所述钻头。

在一个优选的实施例中，所述第二接头通过防掉螺母与所述心轴连接，所述防掉螺母安装在所述心轴的端部且处于所述第二接头的内部，所述第二接头能够沿所述心轴的轴向运动，以使所述第二接头与所述触发冲击筒体发生碰撞冲击或分离。

在一个优选的实施例中，所述第一接头与所述心轴一体化设置，且所述第一接头设置有锥形螺纹以连接钻铤。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的井下辅助钻井工具的结构。

图2显示了图1所示井下辅助钻井工具中的心轴的结构。

图3显示了图1所示井下辅助钻井工具中的触发冲击筒体的结构。

图4显示了图1所示井下辅助钻井工具中的弹性扭转件的结构。

图5显示了图1所示井下辅助钻井工具中的第二接头的结构。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

需要说明的是，在本申请中，将根据本发明的井下辅助钻井工具下放到井底时，靠近井口的一端定义为“上端”或相似用语，将远离井口的一端定义为“下端”或相似用语。

图1显示了根据本发明的井下辅助钻井工具100的结构。如图1所示，井下辅助钻井工具100包括心轴110。如图1和图2所示，心轴110构造成中空管状，心轴110的内部设有轴向贯穿的中心流道111，中心流道111用于将钻井液导流至安装在井下辅助工具100的端部的钻头。在心轴110的一端(图1中的上端)设有第一接头112，第一接头112用于连接钻铤。在一个实施例中，第一接头112与心轴110一体化设置。第一接头112的下端面设置成阶梯形连接部，且第一接头112的上部设有锥形螺纹。第一接头112通过锥形螺纹与钻铤连接。心轴110的另一端(如图1中的下端)设有一段外螺纹。外螺纹的作用将在下文中介绍。

根据本发明，在心轴110的外部套接安装有触发冲击筒体120。触发冲击筒体120连接在第一接头112的下端。图3显示了触发冲击筒体120的结构。如图3所示，触发冲击筒体120包括本体部分121，本体部分121构造成中空圆柱体形。本体部分121的一端设有台肩122，台肩122用于与第一接头112的下端的阶梯形连接部配合连接，从而将触发冲击筒体120与第一接头112连接。本体部分的另一端设有轴向延伸的筒体部分123，筒体部分123用于与其他部件连接。筒体部分123的内径设置成大于本体部分121的内径，而外径设置成小于本体部分121的外径。

在本实施例中，在触发冲击筒体120的本体部分121的内壁上设有径向向外延伸的环形凹槽124，在环形凹槽124内设有扶正环耐磨带125(如图1所示)。扶正环耐磨带125能够有效保证触发冲击筒体120的安装位置，使其保持居中，并且能够减小触发冲击筒体120与心轴110之间的磨损，提高井下辅助钻井工具100的使用寿命。同时，在触发冲击筒体120与第一接头112的连接处设有密封件(未示出)。密封件保证了钻井液等流体只能从心轴110的内部的中心流道111流向钻头，有效避免了钻井液通过心轴110与触发冲击筒体120之间的间隙和弹性扭转件130(将在下文中进行介绍)的间隙流向井筒环空。

根据本发明，在触发冲击筒体120的下端套设有弹性扭转件130。图4显示了弹性扭转件130的结构。在一个实施例中，弹性扭转件130可以采用扭转弹簧。弹性扭转件130的弹性刚度根据钻头扭矩的波动范围来确定。如图4所示，在弹性扭转件130的一端(如图4中的上端)的端面上设有若干凹槽131，它们在周向均匀间隔开设置。弹性扭转件130通过凹槽131与触发冲击筒体120的本体部分121的下端面固定连接，且触发冲击筒体120的筒体部分123延伸到并安装在弹性扭转件130的内部。在弹性扭转件130的另一端(如图4中的下端)的侧壁上设有若干第一安装孔132，它们在周向上均匀间隔开设置。第一安装孔132的作用将在下文中进行详细说明。

在本实施例中，弹性扭转件130采用扭转弹簧，且该扭转弹簧的旋向设置成与钻柱的旋转运动方向相反。一般，可以将钻柱简化为左旋的扭转弹簧,则弹性扭转件130必须为右旋的扭转弹簧。由此，通过弹性扭转件130的弹性储能达到对钻头转速和扭矩的周期性调节，以降低钻头的振动，提高破岩效果。

根据本发明，井下辅助钻井工具100还包括用于连接钻头的第二接头140。第二接头140连接在心轴110的下端。在初始状态下，第二接头140与触发冲击筒体120不接触。图5显示了第二接头140的结构。如图5所示，第二接头140构造成具有阶梯形腔体的圆柱体。在第二接头140的一端的内部设有锥形螺纹以连接钻头，且在第二接头140的连接钻头的一端设有法兰142。由此，弹性扭转件130的一端通过凹槽131与触发冲击筒体120连接，另一端与第二接头140的法兰142接触。心轴110的下端的外螺纹安装有防掉螺母141，使得心轴110通过防掉螺母141与第二接头140相连接。第二接头140的连接口的直径设置成与心轴110的外径相等，且第二接头140的内部腔体的直径设置成大于心轴110的外径。防掉螺母141用于防止第二接头140脱离心轴110，其外径小于第二接头140的内部腔体的直径。在一个实施例中，防掉螺母141为左旋扣。由此，第二接头140能够沿心轴110在一定范围内运动，从而在弹性扭转件130的作用下，在触发冲击筒体120与钻头之间存在两种状态，即触发冲击筒体120与钻头分离的第一状态，以及触发冲击筒体120与钻头碰撞冲击的第二状态。

在本实施例中，在第二接头140的侧壁上设有若干第二安装孔(未示出)，第二安装孔在周向上均匀间隔开设置。第二安装孔能够与弹性扭转件130上的第一安装孔132对应安装，用于固定安装第二接头140与弹性扭转件130。在第一安装孔132和第二安装孔对准后，将防旋螺栓150从第一安装孔132和第二安装孔中穿过，从而使弹性扭转件130和第二接头140形成固定连接。同时，钻头与第二接头140通过锥形螺纹固定连接。由此，第二接头140、弹性扭转件130与钻头固定连接形成一体。在这种情况下，当在钻头处发生粘滑振动时，在惯性作用下，钻头与触发冲击筒体120之间的差速值转换成弹性扭转件130的弹性势能，以实现能量的自动存储与释放，从而使所述触发冲击筒体交替地处于第一状态和第二状态。

在正常工作状态下，钻头平稳破岩，井下辅助钻井工具100与钻头保持同步旋转运动，此时，第二接头140与触发冲击筒体分离。当钻头出现粘滞现象或钻头转速大幅降低时，弹性扭转件130在触发冲击筒体120的惯性作用的驱动下，扭转蓄能。弹性扭转件130在发生径向扭转时，其轴向长度缩短，此时，触发冲击筒体120会对第二接头140产生一个冲击力。当钻头扭矩突然释放、钻头转速大幅增加时，扭转弹簧3的轴向长度伸长，触发冲击筒体120与第二接头140分离。由此，使钻头产生有规律的冲击力。

根据本发明的井下辅助钻井工具100，其利用触发冲击筒体120和弹性扭转件130之间的速度差进行井下能量的自动存储与释放，大大提高了能量的利用率。钻头平稳破岩时，井下辅助钻井工具100与钻头保持同步旋转运动。当钻头遇阻产生速度差时，触发冲击筒体120能够使弹性扭转件130储存扭转势能，从而在钻头停止转动之前及时为钻头储备并提供足够的破岩扭矩。同时，冲击动载有利于微裂缝的形成，能够降低钻头破岩扭矩需求，从而有利于岩石的破碎，并降低钻柱与钻头的转速波动。在岩屑脱离岩体瞬间，钻头破岩能量快速释放，钻压迅速降低、钻头转速急剧加快，而此时弹性扭转件130由于弹性能的释放而伸长使钻头尽早接触井底产生钻压与切削力，避免了钻头旋转速度的快速增加，防止钻头切削齿冲击破坏，同时，开始下一个周期的切削过程。

在钻进施工过程中，井下辅助钻井工具100能够增加钻头破岩能量，降低切削岩石之间的间断时间，降低钻头扭矩、转速与钻压的波动，有效降低井下恶性振动的发生概率。同时，该井下辅助钻井工具100能够保护钻头攻击性以及降低岩石破碎难度，有效提高了钻头稳定性，从而保持钻头具有连续稳定切削的工作环境，显著提高了钻头的使用寿命和破岩效率，降低了钻具失效等井下事故发生的几率，从而降低了钻井周期和钻井施工成本。

根据本发明，在现场施工中，根据地层的抗压强度等岩石力学参数、钻头损坏形态、钻井参数变化等方式判断钻头在井下的工作状态，并提前对弹性扭转件130的刚度、心轴内外直径、心轴轴向缓冲距离等参数进行优化与调整，以使井下辅助钻井工具100在相应的地层达到最佳的提速效果。此外，井下辅助钻井工具100不需要流体动力辅助，避免了钻井液密度、排量、大颗粒堵漏材料等因素对提速效果的影响，其具有很强的适应性。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种井下辅助钻井工具，包括：

构造为中空管状的心轴(110)，所述心轴的一端设有用于与钻铤连接的第一接头(112)；

设置在所述心轴外部的弹性扭转件(130)；

套接在所述心轴上的触发冲击筒体(120)，所述触发冲击筒体处于所述第一接头与所述弹性扭转件之间；以及

与所述心轴连接且用于连接钻头的第二接头(140)，所述第二接头与所述弹性扭转件和所述钻头形成固定连接，

其中，所述触发冲击筒体构造成具有在所述钻头正常工作状态下与所述第二接头分离的第一状态，以及在所述钻头发生粘滑振动时与所述第二接头产生碰撞冲击的第二状态，以及

所述弹性扭转件构造成能够在所述钻头发生粘滑振动时将所述钻头与所述触发冲击筒体之间的差速值转换为所述弹性扭转件的弹性势能，并交替进行弹性势能的自动存储与释放，从而为所述钻头提供破岩扭矩。

2.根据权利要求1所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述触发冲击筒体包括构造成中空圆柱体形的本体部分(121)，所述本体部分的一端设有用于与所述第一接头连接的台肩(122)。

3.根据权利要求2所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述本体部分的另一端设有轴向延伸且用于安装到所述弹性扭转件内的筒体部分(123)，所述筒体部分的内径设置成大于所述本体部分的内径，而外径设置成小于所述本体部分的外径。

4.根据权利要求2或3所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，在所述弹性扭转件一端的端面设有若干周向均匀分布的凹槽(131)，所述弹性扭转件通过所述凹槽与所述触发冲击筒体的本体部分固定连接，从而使所述弹性扭转件在所述钻头发生粘滑振动时产生扭转，以进行弹性势能的存储与释放。

5.根据权利要求1所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述弹性扭转件为扭转弹簧，且所述扭转弹簧的旋向与钻柱的旋转运动方向相反，所述扭转弹簧能够在所述钻头发生粘滑振动时通过扭转压缩或扭转伸长，从而使所述触发冲击筒体与所述钻头分别处于第二状态或第一状态。

6.根据权利要求5所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，在所述弹性扭转件的另一端的侧壁上设有若干周向均匀分布的第一安装孔(132)。

7.根据权利要求6所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述第二接头构造成具有阶梯形腔体的圆柱体形，在所述第二接头的内部设有锥形螺纹以固定连接所述钻头。

8.根据权利要求7所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述第二接头的内壁上设有能够与所述弹性扭转件上的所述第一安装孔对应的第二安装孔，在所述第一安装孔和所述第二安装孔中安装防旋螺栓(150)，以固定连接所述第二接头、所述弹性扭转件和所述钻头。

9.根据权利要求7或8所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述第二接头通过防掉螺母(141)与所述心轴连接，所述防掉螺母安装在所述心轴的端部且处于所述第二接头的内部，所述第二接头能够沿所述心轴的轴向运动，以使所述第二接头与所述触发冲击筒体发生碰撞冲击或分离。

10.根据权利要求1所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述第一接头与所述心轴一体化设置，且所述第一接头设置有锥形螺纹以连接钻铤。

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