CN111997529B - 具有起钻制动功能的钻井提速提效工具 - Google Patents

Abstract

具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，扭冲外体上端固定安装钻杆接头，下端固定安装有连接套，换向阀管内空腔作为中心腔，截流喷嘴通过喷嘴接头固定安装于花键连接头顶部，花键连接头底部固定安装钻头接头，连接套与花键连接头通过花键滑动连接，带动截流喷嘴在排液腔内上升/下降实现中心腔钻井液变径增压的启动/制动，连接套下部设有用于限位花键连接头轴向移动距离的限位台阶。能使本工具在起钻循环时停止运行，不做无钻进时的无用功，而在钻头接触地层钻进时，截流喷嘴立即封闭流道使工具恢复运行，大幅提升工具的纯钻使用寿命，使工具在钻井时的进尺更长。

Description

具有起钻制动功能的钻井提速提效工具

技术领域

本发明涉及钻井行业钻井配套设备技术领域，尤其是具有起钻制动功能的钻井提速提效工具。

背景技术

随着开采地层深度的增加，开采地层结构变得越来越复杂，开采难度增大，尤其对深井、超深井、水平井的开采，在深度地层岩石的可钻性较低，钻进过程单位进尺增加对钻头的磨损越大，进尺速度减缓，钻井成本高的问题越来越突出。特别在超深井的复杂地层，钻采过程中经常发生开塌、井漏、井底压力高、油气泄漏等危险突发事件。还有在非均质地层夹层多、溶岩多的地方。都需要钻具取钻停止钻头钻进来处理所发生的问题，而起钻之时虽巳停止钻头进级，但仍需继续进行钻井液的循环或在钻井液循环中加堵漏剂进行处理，待井中的异常情况排除钻具才可继读钻进。为此经常产生钻具空转循环时间大大超过纯钻时间的情况。严重影响了钻具使用寿命。因此要提高钻井效率、降低钻井成本是目前国内外石油钻采行业亟需解决的关键问题。

目前提高钻井速度的钻井工具，是以各种冲击器为主，液动冲击器可以有效提高PDC钻头的单位进尺速度，大幅提高钻井效率，缩短钻井周期，有效降低钻井成本，提高经济效益。但是目前一些单位研发的液动冲击器存在结构复杂，有多种活动零件，不能耐钻井液高压冲蚀，机械磨损大，零件使用效率低，使用寿命短及工作过程中的稳定性差等问题。

因此，解决上述问题，提供一种结构简单，零件量少，零件难磨损能耐高压冲蚀，能解决现有冲击器循环时间过长纯钻时间太少寿命短的缺陷，和单次冲击力过小等问题的钻井扭力冲击提速提效工具，具有重要的现实意义。

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，而设计的一种具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，包括由上至下依次相连的钻杆接头、扭冲总成、截流喷嘴移动总成和钻头接头，扭冲总成包括扭冲外体、换向阀和冲击锤，截流喷嘴移动总成包括截流喷嘴、喷嘴接头、连接套、花键连接头，扭冲总成由外至内依次套设有扭冲外体、冲击锤和换向阀，扭冲外体上端固定安装钻杆接头，下端固定安装有连接套，换向阀管内空腔作为中心腔，扭冲总成与截流喷嘴移动总成之间留有供截流喷嘴上升移动封闭中心腔的排液腔，中心腔下方设有截流喷嘴，截流喷嘴通过喷嘴接头固定安装于花键连接头顶部，花键连接头底部固定安装钻头接头，花键连接头内设用于连通截流喷嘴和钻头接头的排液流道，喷嘴接头上开有若干用于连通排液腔和排液流道的排泄孔，连接套与花键连接头通过花键滑动连接，带动截流喷嘴在排液腔内上升/下降实现中心腔钻井液变径增压的启动/制动，连接套下部设有用于限位花键连接头轴向移动距离的限位台阶。

优选的，扭冲总成还包括用于轴向限位换向阀和冲击锤的上、下盖座，冲击锤和换向阀两端的端面均为水平面且两者相持平，上、下盖座分别对应换向阀和冲击锤的上、下端面设置，上盖座上开有用于连通中心腔和钻杆接头的钻井液通孔，下盖座相对中心腔开有与截流喷嘴外径相吻合的内孔。

优选的，上盖座上方与钻杆接头之间设有用于限位上盖座的上锁圈，下盖座与连接套之间设有用于限位下盖座的下锁圈，上、下锁圈分别通过扭冲外体两端的上、下内螺纹螺接于扭冲外体内壁。

优选的，冲击锤包括冲击锤头和启动锤头，冲击锤头和启动锤头均两两对称中心腔设置，扭冲外体内壁对应冲击锤头内凹形成用于供冲击锤头周向扭转运动的冲击腔，换向阀外壁对应启动锤头内凹形成用于供启动锤头周向扭转运动的启动腔，扭冲总成上还设有用于高压钻井液进出启动腔和冲击腔的进出液流道组。

优选的，进出液流道组包括冲击液流道、启动液流道、启动液进水槽、冲击液进水口、启动液排泄出口、冲击液排泄出口、启动液排泄槽和冲击液排泄槽，换向阀上开有冲击液排泄槽和冲击液进水口，冲击液进水口设于中心腔中部且相对冲击锤设置，冲击锤头的两侧开有用于高压钻井液进出冲击腔的冲击液流道，冲击液排泄槽和冲击液进水口均与冲击液流道转动连通；启动锤头的两侧开有用于高压钻井液进出启动腔的启动液流道，扭冲外体上开有启动液进水槽和启动液排泄槽，启动液进水槽和启动液排泄槽均与启动液流道转动连通，上盖座上开有与启动液进水槽相通的启动液进水口，下盖座上开有与排液腔相连通的启动液排泄出口和冲击液排泄出口，启动液排泄出口与启动液排泄槽相连通，冲击液排泄出口与冲击液排泄槽相连通。

优选的，换向阀上的冲击液进水口的个数为4个，4个冲击液进水口与冲击锤上4个冲击液流道一一对应转动连通。

优选的，冲击锤上无轴径限位台阶，冲击锤在扭冲外体内周向自由转动。

优选的，限位台阶的内径小于连接套上部的内径，限位台阶内壁加工有内花键段，花键连接头外壁中部加工有与内花键相配合的外花键段，外花键段的轴向长度长于内花键段的轴向长度，花键连接头上部外凸形成用于与限位台阶卡合限位的轴向限位段，轴向限位段的外径大于限位台阶的内径。

优选的，换向阀顶部内壁向上凸起外露于上盖座形成用于引流钻井液的引流凸柱。

优选的，钻杆接头内壁刻有第一内螺纹，扭冲外体上部外壁设有与第一内螺纹相匹配的第一外螺纹，扭冲外体与钻杆接头通过螺纹固定连接，扭冲外体下部内壁刻有第二内螺纹，连接套上部外壁设有与第二内螺纹相匹配的第二外螺纹，扭冲外体与连接套通过螺纹固定连接，钻头接头上部内壁刻有第三内螺纹，花键连接头下部外壁设有与第三内螺纹相匹配的外螺纹，花键连接头与钻头接头通过螺纹固定连接。

本发明的有益效果是：本发明增设截流喷嘴移动功能，能使钻具在起钻循环时本工具停止运行，不做无钻进时的无用功。而在钻头接触地层钻进时，截流喷嘴立即封闭流道使工具恢复运行，大幅提升工具的纯钻使用寿命，使工具在钻井时的进尺更长。同时由于纯钻时间可大幅提升,工具寿命更加延长，对钻井提速提效及缩短建井周期作用巨大，可大量节省钻井的综合成本。

1）本工具可使钻头起钻时冲击锤和换向阀瞬间停止工作，而在钻头接触岩层或钻进时立即提升压降，使钻头产生周向扭转冲击功能，这就使起钻循环进行的长时间中，由各零件巳停止工作就大幅减少钻井液对零件的冲蚀和磨损，也可大幅增加使纯钻时间的延长和提升。

2）本工具可使钻头在钻杆扭动下旋转钻井的同时，钻头还产生额外的周扭转冲击功能，从而增加了对岩石的破碎效率，在提高机械钻速的同时，能有效消除钻头的粘、卡、滑现象，更能有效提高钻头使用寿命；

3）本工具结构已极其简化，体内的运动部件少，绝无螺栓、滚珠、定位销、密封圈、卡簧、电器元件等。因此可有效提高使用寿命，缩短钻井周期，也提高了系统的可靠性和绝对防止工具零件掉脱落井的安全性；

4）另外，本工具可以与井下其它动力钻具配合使用，即使在工具失效时也可照样钻井作业，只是钻效下降而已。还可以根据不同地层特性和钻头性能，通过改变喷嘴孔径可改变压降调节其性能；

5）在高压钻井液的驱动下，在钻头旋转钻井的同时，由高压钻井液的作用完成了冲击锤的扭转周向冲击功能，由该冲击功能近距离作用在钻头上，没有其它扭矩消耗，带来的碎石破岩效果就更显而易见了，所以对钻井提速缩短建井周期，使钻井作业的经济效益大大提高了。

附图说明

图1为具有起钻制动功能钻井提速提效工具结构图；

图2为具有起钻制动功能钻井提速提效工具加装弹簧的结构图；

图3为具有起钻制动功能钻井提速提效工具起钻时结构图；

图4为具有起钻制动功能钻井提速提效工具逆向冲击原理图一；

图5为具有起钻制动功能钻井提速提效工具扭向冲击原理图二；

图6为具有起钻制动功能钻井提速提效工具顺向冲击原理图三；

图7为具有起钻制动功能钻井提速提效工具的截流喷嘴移动总成中部截面图。

其中上述附图包括以下附图标记：

1钻杆接头，2上锁圈，3上盖座，4换向阀，5冲击锤，6扭冲外体，7截流喷嘴，8下盖座，9下锁圈，10弹簧，11喷嘴接头，12连接套，13花键连接头，14钻头接头，201启动液进水槽，202启动液流道，203启动腔，204启动液排泄槽，205冲击液进水口，206冲击液流道，207冲击腔，208冲击液排泄槽，209排泄孔，210排液流道，211排液腔，212限位台阶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-7，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。

结合附图1-7，具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，

包括由上至下依次相连的钻杆接头1、扭冲总成、截流喷嘴移动总成和钻头接头14，扭冲总成包括扭冲外体6、换向阀4和冲击锤5，截流喷嘴移动总成包括截流喷嘴7、喷嘴接头11、连接套12、花键连接头13，扭冲总成由外至内依次套设有扭冲外体、冲击锤和换向阀，扭冲外体上端固定安装钻杆接头，下端固定安装有连接套，换向阀管内空腔作为中心腔，扭冲总成与截流喷嘴移动总成之间留有供截流喷嘴上升移动封闭中心腔的排液腔211，中心腔下方设有截流喷嘴，截流喷嘴通过喷嘴接头固定安装于花键连接头顶部，花键连接头底部固定安装钻头接头，花键连接头内设用于连通截流喷嘴和钻头接头的排液流道210，喷嘴接头上开有若干用于连通排液腔和排液流道的排泄孔209，连接套与花键连接头通过花键滑动连接，带动截流喷嘴在排液腔内上升/下降实现中心腔钻井液变径增压的启动/制动，连接套下部设有用于限位花键连接头轴向移动距离的限位台阶212。在花键作用下，花键连接头可相对连接套做周向扭转和轴向移动，并具有对花键连接头的限位防掉作用。起钻时截流喷嘴总成在自重和钻井液压力下下移，钻井液不能经喷嘴变径截流提升压降，全部钻井液直通下端的排液流道后经钻头排向体外。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，排泄孔开于喷嘴接头侧壁，连通排液腔和排液流道，且排泄孔的个数不少于一个。

进一步的，排泄孔的个数为六个，排泄孔分布于排液腔底部。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，扭冲总成还包括用于轴向限位换向阀和冲击锤的上、下盖座，冲击锤和换向阀两端的端面均为水平面且两者相持平，均能在扭冲外体内可周向扭转左右转动，上、下盖座分别对应换向阀和冲击锤的上、下端面设置，上盖座3上开有用于连通中心腔和钻杆接头的钻井液通孔，下盖座8相对中心腔开有与截流喷嘴外径相吻合的内孔，中心腔上部通过钻井液通孔与钻杆接头连通，中心腔下部通过截流喷嘴与钻头接头连通，高压钻井液进入换向阀的中心腔时，经截流喷嘴变径增压来推动冲击锤撞击扭冲外体，且为适应不同地层和钻头特性，截流喷嘴可以选择不同孔径尺寸，使钻井液经截流喷嘴变径产生的不同压降以更有利于碎石破岩。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，当钻头接触岩层钻进工作时，截流喷嘴移动总成在钻杆的高压和钻头工作时所产生的反作用力，整体上升使截流喷嘴进入下盖座上的内孔，封闭钻井液中心腔流道，经截流喷嘴的变径使压降提升，从而扭冲总成内的换向阀、冲击锤在高压冲击下开始工作，产生周向扭转冲击功能，由扭冲外体直接传递作用在钻头上，就产生钻井提速和延长使用寿命的效果。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，冲击锤和换向阀的两端均与本体成垂直的面，且冲击锤不设轴径限位台阶，以保证该工件能在扭冲外体内轴向自由转动，使其在钻井液的高压冲击下能轻松地周向扭转冲击，以保证冲击扭矩的平衡和冲击力的增大。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，上盖座上方与钻杆接头之间设有用于限位上盖座的上锁圈2，下盖座与连接套之间设有用于限位下盖座的下锁圈9，上、下锁圈分别通过扭冲外体两端的上、下内螺纹螺接于扭冲外体内壁。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，冲击锤包括冲击锤头和启动锤头，冲击锤头和启动锤头均两两对称中心腔设置，扭冲外体内壁对应冲击锤头内凹形成用于供冲击锤头周向扭转运动的冲击腔207，换向阀外壁对应启动锤头内凹形成用于供启动锤头周向扭转运动的启动腔203，扭冲总成上还设有用于高压钻井液进出启动腔和冲击腔的进出液流道组。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，进出液流道组包括冲击液流道206、启动液流道202、启动液进水槽201、冲击液进水口205、启动液排泄出口、冲击液排泄出口、启动液排泄槽204和冲击液排泄槽208，换向阀上开有冲击液排泄槽和冲击液进水口，冲击液进水口设于中心腔中部且相对冲击锤设置，冲击锤头的两侧开有用于高压钻井液进出冲击腔的冲击液流道，冲击液排泄槽和冲击液进水口均与冲击液流道转动连通；启动锤头的两侧开有用于高压钻井液进出启动腔的启动液流道，扭冲外体上开有启动液进水槽和启动液排泄槽，启动液进水槽和启动液排泄槽均与启动液流道转动连通，上盖座上开有与启动液进水槽相通的启动液进水口，下盖座上开有与排液腔相连通的启动液排泄出口和冲击液排泄出口，启动液排泄出口与启动液排泄槽相连通，冲击液排泄出口与冲击液排泄槽相连通。换向阀中钻井液经冲击锤上的启动液流道进入启动腔时，使冲击锤上的冲击液流道与换向阀上的冲击液进水口对上，使高压钻井液进入冲击腔完成冲击锤的扭转周向冲击

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，换向阀上的冲击液进水口的个数为4个，4个冲击液进水口与冲击锤上4个冲击液流道一一对应转动连通，在冲击锤头完成一向冲击后，反向启动冲击腔内的钻井液，便由冲击锤头另一侧的冲击液流道排向换向阀上的冲击液排泄槽，排向下盖座上的冲击液排泄口经钻头接头排向体外。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，从钻杆接头内进入的高压钻井液，经扭冲外体上的启动液进水槽流经冲击锤上的启动液流道，进入启动腔，推动换向阀转向的同时，其冲击液进水口正与冲击锤上的冲击液流道对上，使高压钻井液进入冲击腔，完成冲击锤的扭转冲击。与此同时，扭冲外体上的另一条启动液进水槽正对上了冲击锤内径启动锤头上另一侧的启动液流道，使高压钻井液进入另一侧启动腔，完成了换向阀的反向启动，同时也使换向阀上的另一冲击液进水口，对上了冲击锤头上另一侧的冲击液流道，使高压钻井液进入另一侧冲击腔，完成了冲击锤对扭冲外体的反向冲击。如此往复循环完成了冲击锤对扭冲外体的周向扭转冲击功能，且又近距离将这冲击扭矩传递到钻头上，就更易钻进碎石破岩提高了钻井效率。

在完成启动和冲击功能后，启动腔内的钻井液是通过冲击锤内启动锤头上另一侧启动液流道，流经扭冲外体上的启动液排泄槽，流向下盖座上的启动液排泄出口，经喷嘴接头上多道排泄孔209排向排液流道再经钻头接头至体外。而进入冲击腔内的高压钻井液是在反向扭转时，冲击锤外侧的冲击锤头上另一冲击液流道正对上换向阀上的冲击液排泄槽，钻井液经冲击液排泄槽流向下盖座上的冲击液排泄出口后经喷嘴接头上多道排泄孔209排向排液流道，并通向钻头接头至体外。如此往复循环，完成了启动腔和冲击腔内的钻井液在完成冲击功能后的排泄。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，冲击锤不设轴径限位台阶，可以在扭冲外体内自由转动。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，下盖座与花键连接头上端之间设有用于增加截流喷嘴移动总成下移时的压力的弹簧10，以供起钻时增加截流喷嘴移动总成下移时的压力。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，限位台阶的内径小于连接套上部的内径，限位台阶内壁加工有内花键段，花键连接头外壁中部加工有与内花键相配合的外花键段，外花键段的轴向长度长于内花键段的轴向长度，花键连接头上部外凸形成用于与限位台阶卡合限位的轴向限位段，轴向限位段的外径大于限位台阶的内径。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具 ，换向阀顶部内壁向上凸起外露于上盖座形成用于引流钻井液的引流凸柱，引流凸柱与上盖座的钻井液通孔内壁相贴。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，钻杆接头内壁刻有第一内螺纹，扭冲外体上部外壁设有与第一内螺纹相匹配的第一外螺纹，扭冲外体与钻杆接头通过螺纹固定连接，扭冲外体下部内壁刻有第二内螺纹，连接套上部外壁设有与第二内螺纹相匹配的第二外螺纹，扭冲外体与连接套通过螺纹固定连接，钻头接头上部内壁刻有第三内螺纹，花键连接头下部外壁设有与第三内螺纹相匹配的外螺纹，花键连接头与钻头接头通过螺纹固定连接。

一种具有起钻制动功能钻井提速提效工具，喷嘴接头与花键连接头通过螺纹固定连接。

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 (7)

1.具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，包括由上至下依次相连的钻杆接头、扭冲总成、截流喷嘴移动总成和钻头接头，其特征在于：扭冲总成包括扭冲外体、换向阀和冲击锤，截流喷嘴移动总成包括截流喷嘴、喷嘴接头、连接套、花键连接头，扭冲总成由外至内依次套设有扭冲外体、冲击锤和换向阀，扭冲外体上端固定安装钻杆接头，下端固定安装有连接套，换向阀管内空腔作为中心腔，扭冲总成与截流喷嘴移动总成之间留有供截流喷嘴上升移动封闭中心腔的排液腔，中心腔下方设有截流喷嘴，截流喷嘴通过喷嘴接头固定安装于花键连接头顶部，花键连接头底部固定安装钻头接头，花键连接头内设用于连通截流喷嘴和钻头接头的排液流道，喷嘴接头上开有若干用于连通排液腔和排液流道的排泄孔，连接套与花键连接头通过花键滑动连接，带动截流喷嘴在排液腔内上升/下降实现中心腔钻井液变径增压的启动/制动，连接套下部设有用于限位花键连接头轴向移动距离的限位台阶；扭冲总成还包括用于轴向限位换向阀和冲击锤的上、下盖座，冲击锤和换向阀两端的端面均为水平面且两者相持平，上、下盖座分别对应换向阀和冲击锤的上、下端面设置，上盖座上开有用于连通中心腔和钻杆接头的钻井液通孔，下盖座相对中心腔开有与截流喷嘴外径相吻合的内孔；冲击锤包括冲击锤头和启动锤头，冲击锤头和启动锤头均两两对称中心腔设置，扭冲外体内壁对应冲击锤头内凹形成用于供冲击锤头周向扭转运动的冲击腔，换向阀外壁对应启动锤头内凹形成用于供启动锤头周向扭转运动的启动腔，扭冲总成上还设有用于高压钻井液进出启动腔和冲击腔的进出液流道组；进出液流道组包括冲击液流道、启动液流道、启动液进水槽、冲击液进水口、启动液排泄出口、冲击液排泄出口、启动液排泄槽和冲击液排泄槽，换向阀上开有冲击液排泄槽和冲击液进水口，冲击液进水口设于中心腔中部且相对冲击锤设置，冲击锤头的两侧开有用于高压钻井液进出冲击腔的冲击液流道，冲击液排泄槽和冲击液进水口均与冲击液流道转动连通；启动锤头的两侧开有用于高压钻井液进出启动腔的启动液流道，扭冲外体上开有启动液进水槽和启动液排泄槽，启动液进水槽和启动液排泄槽均与启动液流道转动连通，上盖座上开有与启动液进水槽相通的启动液进水口，下盖座上开有与排液腔相连通的启动液排泄出口和冲击液排泄出口，启动液排泄出口与启动液排泄槽相连通，冲击液排泄出口与冲击液排泄槽相连通。

2.根据权利要求1所述的具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，其特征在于：上盖座上方与钻杆接头之间设有用于限位上盖座的上锁圈，下盖座与连接套之间设有用于限位下盖座的下锁圈，上、下锁圈分别通过扭冲外体两端的上、下内螺纹螺接于扭冲外体内壁。

3.根据权利要求1所述的具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，其特征在于：换向阀上的冲击液进水口的个数为4个，4个冲击液进水口与冲击锤上4个冲击液流道一一对应转动连通。

4.根据权利要求1所述的具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，其特征在于：冲击锤上无轴径限位台阶，冲击锤在扭冲外体内周向自由转动。

5.根据权利要求1所述的具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，其特征在于：限位台阶的内径小于连接套上部的内径，限位台阶内壁加工有内花键段，花键连接头外壁中部加工有与内花键相配合的外花键段，外花键段的轴向长度长于内花键段的轴向长度，花键连接头上部外凸形成用于与限位台阶卡合限位的轴向限位段，轴向限位段的外径大于限位台阶的内径。

6.根据权利要求1所述的具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，其特征在于：换向阀顶部内壁向上凸起外露于上盖座形成用于引流钻井液的引流凸柱。

7.根据权利要求1所述的具有起钻制动功能的钻井提速提效工具，其特征在于：钻杆接头内壁刻有第一内螺纹，扭冲外体上部外壁设有与第一内螺纹相匹配的第一外螺纹，扭冲外体与钻杆接头通过螺纹固定连接，扭冲外体下部内壁刻有第二内螺纹，连接套上部外壁设有与第二内螺纹相匹配的第二外螺纹，扭冲外体与连接套通过螺纹固定连接，钻头接头上部内壁刻有第三内螺纹，花键连接头下部外壁设有与第三内螺纹相匹配的外螺纹，花键连接头与钻头接头通过螺纹固定连接。

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