CN112576185A - 一种用于井下钻具的提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于井下钻具的提速工具，包括：用于与钻具的旋转动力源连接以提供旋转动力的转换总成，其包括第一外筒和传动轴，第一外筒和传动轴之间存在转速差；连接在转换总成的下端的蓄能总成，其包括与第一外筒固定连接的第二外筒、与传动轴固定连接的中心轴、以及与第二外筒形成周向固定连接的扭转冲击件；以及用于产生冲击力的冲击总成，其包括上端部分与中心轴形成周向固定连接的冲击体；其中，扭转冲击件和冲击体分别随第二外筒和中心轴同步旋转而存在转速差以产生相对转动，且构造成能够在相对转动作用下，使扭转冲击件周期性地轴向压缩蓄能与释放能量，从而使扭转冲击件对冲击体产生周期性的轴向冲击，并传递给钻头。

Description

一种用于井下钻具的提速工具

技术领域

本发明专利涉及油气钻井工程中的井下工具技术领域，具体地涉及一种用于井下钻具的提速工具。

背景技术

随着油气田的开采，油气勘探逐步向深层迈进，油气井工程对钻井提速技术的要求也越来越高。目前，在油气井工程实践中，主要利用旋转冲击的方式提高钻具钻速以提高破岩效率，尤其应用在深井超深井坚硬地层钻进过程中。旋转冲击钻井技术从工作原理上可分为射流类冲击器、水力脉冲类冲击器和机械式冲击器三类。其中，射流类冲击器是利用射流元件通过改变井下钻井流体的方向，驱动冲击锤产生冲击载荷。水力脉冲类冲击器是利用阀盘截流或水力振荡腔在工具内产生水力脉冲振荡，从而利用水力冲击载荷驱动冲击机构产生冲击载荷。机械式冲击器是以螺杆或涡轮等为旋转动力源，并利用定转子间的高速转动差，来驱动冲锤产生冲击载荷。

然而，现有技术中的冲击提速工具仍然存在一些问题。例如，提速工具的性能参数如冲击功率、冲击频率等可调范围相对较小，工具的适用性较差。并且，提速工具的性能参数无法在地面确定，轴向冲击力的大小与钻压等钻进参数相关性过强，提速工具的实际应用效果不理想。此外，在实现冲击功能的同时，牺牲了螺杆钻具的高速旋转功能，其功能相对单一，提速效果不明显，且提速工具的内部结构复杂、零部件过多、故障率较高、使用寿命较短、可靠性差。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于井下钻具的提速工具，该提速工具能够在旋转动力源的带动下产生转速差，并能够利用转速差进行蓄能与释放能量，以产生轴向冲击力，从而对钻头形成轴向冲击。并且该提速工具能够对钻头产生周期性的轴向冲击，显著提高了钻井的机械转速，并且能够显著延长钻头的使用寿命。

为此，根据本发明，提供了一种用于井下钻具的提速工具，包括：用于与钻具的旋转动力源连接以提供旋转动力的转换总成，其包括第一外筒，在所述第一外筒内同心布置有用于传递扭矩的传动轴，所述第一外筒和所述传动轴之间存在转速差；连接在所述转换总成的下端的蓄能总成，其包括与所述第一外筒固定连接的第二外筒、同心设置在所述第二外筒内且与所述传动轴固定连接的中心轴、以及设置在所述第二外筒内且上端与所述第二外筒形成周向固定连接的扭转冲击件；以及用于产生冲击力的冲击总成，所述冲击总成包括同心安装在所述第二外筒内的冲击体，所述冲击体的上端部分与所述中心轴形成周向固定连接；其中，所述扭转冲击件和所述冲击体分别随所述第二外筒和所述中心轴同步旋转而存在转速差，以使所述扭转冲击件和所述冲击体产生相对转动，且所述扭转冲击件和所述冲击体构造成能够在相对转动作用下，使所述扭转冲击件周期性地轴向压缩蓄能与释放能量，从而使所述扭转冲击件对所述冲击体产生周期性的轴向冲击，并传递给钻头。

在一个优选的实施例中，所述扭转冲击件构造成设有中心通道的正棱柱体，所述蓄能元件外壳的对应的内壁区域设置成与所述正棱柱体的外周表面相适配，从而使所述第一冲击体与所述蓄能元件外壳形成周向固定连接。

在一个优选的实施例中，所述扭转冲击件的下端周向均布设有第一周向齿，在所述冲击体的上端设有与所述第一周向齿相适配的第二周向齿，所述扭转冲击件和所述冲击体通过所述第一周向齿与所述第二周向齿形成接触配合，并在相对转动作用下使所述扭转冲击件周期性地轴向压缩蓄能与释放能量。

在一个优选的实施例中，所述第一周向齿和所述第二轴向齿的齿顶高设置成处于10-40mm的范围内，齿顶面倾角设置成处于5°-25°的范围内。

在一个优选的实施例中，在所述第一周向齿和所述第二周向齿的表面设有耐磨层，所述耐磨层的厚度设置成处于3-5mm的范围内。

在一个优选的实施例中，所述扭转冲击体的轴向刚度处于0.3-6kN/mm的范围内，径向弹性刚度处于0.2-3kN/°的范围内。

在一个优选的实施例中，所述中心轴的下端部分设有凸起花键，在所述冲击体的上部内壁上对应设有键槽，所述中心轴与所述冲击体通过所述凸起花键和所述键槽适配安装而形成周向固定连接。

在一个优选的实施例中，所述凸起花键的轴向长度为处于300-400mm的范围内，周向宽度处于30-50mm的范围内，径向高度处于20-40mm的范围内。

在一个优选的实施例中，在所述中心轴与所述冲击体的安装面之间设有密封件，以使所述中心轴与所述冲击体形成轴向动密封连接。

在一个优选的实施例中，所述冲击体的端部设有台阶部，在所述第二外筒的端部安装有用于对所述台阶部进行限位的防掉螺母，且所述冲击体的端部固定连接用于连接钻头的转换接头。

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用于井下钻具的提速工具的结构。

图2显示了沿图1中线A-A的剖视图。

图3显示了图1所示提速工具中的扭转冲击件的结构。

图4显示了沿图1中线B-B的剖视图。

图5显示了图1所示提速工具中的冲击体的结构。

图6至图8示意性地显示了第一冲击体与第二冲击体之间的齿形的平面展开图以及齿形的啮合过程。

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。

在本申请中，需要说明的是，将根据本发明的用于井下钻具的提速工具下放到井筒中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用于井下钻具的提速工具100的结构。如图1所示，提速工具100包括依次连接的转换总成110、蓄能总成120和冲击总成130。转换总成110用于与钻具的旋转动力源(未示出)固定连接，以将旋转动力源的产生的旋转动力传递给蓄能总成120。旋转动力源包含但不限于螺杆钻具或涡轮钻具。蓄能总成120与转换总成110连接，用于存储旋转动力源的旋转动力并周期性地释放以对冲击总成130产生冲击力。冲击总成130构造成能够周期性地产生轴向冲击与周向冲击，从而对钻具的钻头形成轴向与周向复合多维冲击。由此，来提高钻井的机械转速，从而提高钻井的破岩施工效率，增强破岩效果。

根据本发明，转换总成110包括第一外筒111。如图1所示，第一外筒111的两端分别构造成正锥形连接扣和负锥形连接扣。第一外筒111分别通过正锥形连接扣和负锥形连接扣与其他零部件形成连接。第一外筒111的这种结构便于安装连接，且能够保证第一外筒111与其他零部件之间连接的稳定性。

如图1所示，在第一外筒111内设有传动轴112，传动轴112同心布置在第一外筒111内。传动轴112用于传递旋转动力源产生的扭矩。传动轴112构造为中空圆柱体，且传动轴112的一端(图1中的上端)构造成梯形连接扣，且在外壁面上形成有台阶部分。在传动轴112上套设有推力轴承113，传动轴112通过推力轴承113安装到第一外筒111内，从而使传动轴112与第一外筒111之间能够相对转动。在工作过程中，推力轴承113能够对传动轴112进行扶正居中，从而保证传动轴112传递平稳。同时，传动轴112能够实现轴向压力传递，从而将上部钻压从上到下传递给下部钻头。

在本实施例中，推力轴承113的轴向两端分别安装有调整环114。推力轴承150上端的调整环114的一端与推力轴承150的轴端接触，另一端坐落在传动轴112的台阶部分上从而形成轴向固定。在第一外筒111的下端内壁上设有第一台肩部分，推力轴承150下端的调整环114的一端与推力轴承150接触，另一端坐落在第一台肩部分上。调整环114采用黄铜或硬质塑料制成。调整环114能够调节推力轴承150的轴向安装长度，从而保证提速工具100的稳定性。

如图1所示，在第一外筒111的上端连接有圆筒状的外壳101。外壳101的两端构造成钻杆扣，外壳101通过下端钻杆扣与第一外筒111上端的负锥形连接扣配合连接，从而与第一外筒111形成固定连接。在外壳101内设有水帽102，水帽102同心布置在外壳101内，水帽102用于钻井液的分流。水帽102的下端与传动轴112上端的梯形连接扣配合而形成固定连接。转换总成110通过外壳101及水帽102与旋转动力源形成连接。外壳101的上端与旋转动力源(未示出)的外壳体固定连接，使外壳101与旋转动力源中的定子的转速一致，而水帽102的上端与旋转动力源中的万向轴(未示出)固定连接，使水帽102与旋转动力源中的转子的转速一致。

如图1所示，蓄能总成120连接在转换总成110的下端。蓄能总成120包括第二外筒121，第二外筒121与第一外筒111固定连接。在一个实施例中，第二外筒121的上端构造成负锥形连接扣，第二外筒121的上端的负锥形连接扣与第一外筒111下端的正锥形连接扣配合安装而形成固定连接。

根据本发明，蓄能总成120还包括中心轴122。中心轴122大致呈中空圆柱体形，其同心布置在第二外筒121内。中心轴122的上端构造成丝扣接头，在中心轴122的上端内壁上设有第二台肩部分。传动轴112的下端面坐落在第二台肩部分上，并通过丝扣接头与中心轴122形成固定连接。

根据本发明，蓄能总成120还包括扭转冲击件140。如图1所示，扭转冲击件140套设在中心轴122上。在一个实施例中，扭转冲击件140采用扭簧。扭转冲击件140在轴向方向及径向方向均具有弹性刚度。扭转冲击件140的轴向刚度处于0.3-6kN/mm的范围内，径向弹性刚度处于0.2-3kN/°的范围内。遇压遇扭后，扭转冲击件140的长度会收缩并蓄能。

如图2所示，扭转冲击件140构造成中空的正棱柱体。例如，扭转冲击件140可构造成正六棱柱体或正八棱柱体。在图2示所示实施例中，扭转冲击件140构造成正八棱柱体。在第二外筒121的安装扭转冲击件140的内壁区域构造成与扭转冲击件140外表面结构相适配的结构，从而使扭转冲击件140周向固定安装到第二外筒121内。由此，使扭转冲击件140与第二外筒121同步旋转，从而使扭转冲击件140与旋转动力源中的定子的转速一致，并有效保证了扭转冲击件140与第二外筒121之间的稳定连接。

如图3所示，扭转冲击件140的下端面设有流线型周向均布的第一周向齿141。第一周向齿141的轴向齿高设置成处于5-10mm的范围内，且齿形的轴向延伸曲线的倾斜角度设置为处于10°-20°的范围内。第一周向齿141的齿数设有4-6个，根据实际需要，通过设计不同的齿数能够调整扭转冲击件140与冲击体150相对转动一周时的轴向压缩频率。第一周向齿141的齿面为硬质合金与高韧性金属间隔分布设置，从而保证齿形面兼具抗冲击与耐磨的效果。第一周向齿141的作用将在下文进行介绍。

根据本发明，在第一外筒111和冲击体150(见下文介绍)的轴向之间与中心轴122与第二外筒121的径向之间形成有环形的密闭腔体，扭转冲击件140设置在密闭腔体内，且在密闭腔体内充满润滑油或固体润滑脂。由此，通过润滑油或润滑脂能够对扭转冲击件140和冲击体150等关键的冲击部件进行润滑降磨，从而能够有效降低扭转冲击件140和冲击体150之间的冲击磨损，显著延长了提速工具100的使用寿命。为了保证密闭腔体的密封性能，在冲击体150与中心轴122之间均设有密封件。例如，在冲击体150的内壁面与中心轴122的下端外壁面之间设有密封圈，以形成轴向动密封。

根据本发明，冲击总成130连接在蓄能总成120的下端，用于产生轴向冲击力。冲击总成130包括冲击体150，冲击体150连接在第二外筒121的下端内部。如图4和图5所示，冲击体150构造成大致中空圆柱体形，且外径设置成小于第二外筒121的内径。冲击体150的上端部分与中心轴122的下端部分通过花键形成配合连接。在冲击体150的内壁面上设有花键槽，同时在中心轴122的下端部分设有能够与花键槽适配的凸起花键。在中心轴122与冲击体150的安装面之间设有密封件，以使中心轴122与冲击体150形成轴向动密封连接。凸起花键的长度设置为处于300-400mm的范围内，宽度设置为处于30-50mm的范围内，高度设置为处于20-40mm的范围内。在一个实施例中，在冲击体150内设有8道花键槽，在中心轴122的下端外部对应设有8道凸起花键。由此，冲击体150通过凸起花键与中心轴122形成周向固定连接，从而使冲击体150与旋转动力源中的转子的转速一致，并能够将旋转动力源输出的扭矩传输到钻头处。

在一个实施例中，在第二冲击体150与第二外筒121的安装接触面之间设有动密封机构(未示出)，从而使第二冲击体150与第二外筒121之间形成动密封。动密封机构能够有效保证密闭腔体的密封性能。

如图5所示，在冲击体150的上端面设有与第一周向齿141相适配的第二周向齿151。扭转冲击件140与冲击体150通过第一周向齿141和第二周向齿151能够形成接触配合扭转冲击件140与冲击体150在旋转动力源的定子与转子的转速差的驱动下产生相对旋转，并对应地沿第一周向齿141和第二周向齿151的齿形面做周期性运动，从而驱使扭转冲击件140周期性做轴向往复运动。同样地，第二周向齿151的齿面为硬质合金与高韧性金属间隔分布设置，从而保证齿形面兼具抗冲击与耐磨的效果。

在本实施例中，冲击体150的下端外部设有台阶部。冲击体150设置在第二外筒121内，并在第二外筒121的端部安装防掉螺母125以防止冲击体150掉落。在正常钻进过程中，冲击体150的台阶部与防掉螺母125之间的间隙为处于5-15mm的范围内。而在起下钻等钻头处无钻压的工况下，冲击体150的台阶部与防掉螺母125接触配合，用于防止冲击体150掉落。

根据本发明，在冲击体150的下端连接有转换接头190，转换接头190用于连接钻头。在一个实施例中，冲击体150与转换接头190通过丝扣固定连接。转换接头190能够有效保证冲击体150与钻头之间的连接，从而将提速工具100产生的轴向冲击传递给钻头，进一步提高了钻头的机械转速和破岩效率。增强了钻头的破岩效果。

下面简述根据本发明的用于井下钻具的提速工具100的工作过程。首先，将提速工具100下放到井筒施工地层，当钻井液流入钻具后，在旋转动力源的驱动下，水帽102、传递轴112、中心轴122与旋转动力源中的转子同步旋转，并带动冲击体150转动，从而使冲击体150的转速与旋转动力源中的转子的转速一致。外壳101、第一外筒111、第二外筒121以及扭转冲击件140与旋转动力源中的定子外壳体连接为一体而同步转动，从而使扭转冲击件140的转速与旋转动力源中的定子的转速一致。这样，在转子和定子的转速差的作用下，扭转冲击件140与冲击体150之间发生相对旋转。由此，扭转冲击件140与冲击体150在相对旋转作用下，通过第一周向齿141与第二周向齿151的配合使扭转冲击件140发生周期性的轴向压缩运动，从而使扭转冲击件140周期性地蓄能与释放能量。具体为，当扭转冲击件140轴向压缩时，扭转冲击件140压缩蓄能。当扭转冲击件140压缩至最高点后，迅速回弹。此时，扭转冲击件140的弹性势能释放，弹性势能转换为机械冲击能，从而使扭转冲击件140对冲击体150产生轴向冲击力，并将轴向冲击力通过转换接头160传递给钻头，从而实现轴向破岩冲击。由此，在相对旋转的作用下，扭转冲击件140周期性地对冲击体150产生轴向冲击，并传递给钻头，显著提高了钻头的机械转速，大大提高了钻具的施工效率。

图6至图8显示了第一周向齿141和第二周向齿151的齿形的展开线，从而显示了第一周向齿141和第二周向齿151的齿形的啮合过程。如图6到图8所示，假定图6显示为提速工具100处于某一时刻时的初始状态。随着扭转冲击件140与冲击体150之间的相对转动，使得扭转冲击件140在第一周向齿141和第二周向齿151的啮合作用下轴向向上压缩。之后，如图8所示，在转速差的作用下扭转冲击件140与冲击体150继续相对旋转，直至扭转冲击件140的齿顶与冲击体150的齿底啮合，此时，扭转冲击件140对冲击体150产生轴向冲击。在工作过程中，扭转冲击件140和冲击体150在旋转动力源的作用下不断地相对转动，从而使扭转冲击件140对冲击体150产生周期性的轴向冲击。由此，使提速钻具100对钻头形成周期性的轴向冲击。

根据本发明的用于井下钻具的提速工具100能够利用旋转动力源中的定子与转子之间的转速差，将旋转动能转换成轴向冲击动能，从而能够显著提高井下钻具的破岩效率和机械转速，增强冲击破岩效果。同时，提速工具100能够通过扭转冲击件140缩短蓄能并释放而产生轴向冲击力，从而对钻头产生周期性的轴向冲击，从而显著提高了钻具的机械转速。提速工具100采用机械式冲击，其产生的冲击频率以及冲击功率的输出稳定，并能够满足深井超深井井底高温环境下的工作要求，其适用性强。此外，在内部蓄能总成120内设有充满润滑油的密闭腔体，并且在扭转冲击件140和冲击体150的关键冲击面上设有耐磨层，从而大大提高了关键冲击部位的耐磨性及耐冲击性能，有效提升了提速工具100的可靠性，显著延长了提速工具100的使用寿命。

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)

1.一种用于井下钻具的提速工具，包括：

用于与钻具的旋转动力源连接以提供旋转动力的转换总成(110)，其包括第一外筒(111)，在所述第一外筒内同心布置有用于传递扭矩的传动轴(112)，所述第一外筒和所述传动轴之间存在转速差；

连接在所述转换总成的下端的蓄能总成(120)，其包括与所述第一外筒固定连接的第二外筒(121)、同心设置在所述第二外筒内且与所述传动轴固定连接的中心轴(122)、以及设置在所述第二外筒内且上端与所述第二外筒形成周向固定连接的扭转冲击件(140)；以及

用于产生冲击力的冲击总成(130)，所述冲击总成包括同心安装在所述第二外筒内的冲击体(150)，所述冲击体的上端部分与所述中心轴形成周向固定连接；

其中，所述扭转冲击件和所述冲击体分别随所述第二外筒和所述中心轴同步旋转而存在转速差，以使所述扭转冲击件和所述冲击体产生相对转动，且所述扭转冲击件和所述冲击体构造成能够在相对转动作用下，使所述扭转冲击件周期性地轴向压缩蓄能与释放能量，从而使所述扭转冲击件对所述冲击体产生周期性的轴向冲击，并传递给钻头。

2.根据权利要求1所述的提速工具，其特征在于，所述扭转冲击件构造成设有中心通道的正棱柱体，所述蓄能元件外壳的对应的内壁区域设置成与所述正棱柱体的外周表面相适配，从而使所述第一冲击体与所述蓄能元件外壳形成周向固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的提速工具，其特征在于，所述扭转冲击件的下端周向均布设有第一周向齿(141)，在所述冲击体的上端设有与所述第一周向齿相适配的第二周向齿(151)，所述扭转冲击件和所述冲击体通过所述第一周向齿与所述第二周向齿形成接触配合，并在相对转动作用下使所述扭转冲击件周期性地轴向压缩蓄能与释放能量。

4.根据权利要求3所述的提速工具，其特征在于，所述第一周向齿和所述第二轴向齿的齿顶高设置成处于10-40mm的范围内，齿顶面倾角设置成处于5°-25°的范围内。

5.根据权利要求3所述的提速工具，其特征在于，在所述第一周向齿和所述第二周向齿的表面设有耐磨层，所述耐磨层的厚度设置成处于3-5mm的范围内。

6.根据权利要求1或2所述的提速工具，其特征在于，所述扭转冲击体的轴向刚度处于0.3-6kN/mm的范围内，径向弹性刚度处于0.2-3kN/°的范围内。

7.根据权利要求1所述的提速工具，其特征在于，所述中心轴的下端部分设有凸起花键，在所述冲击体的上部内壁上对应设有键槽，所述中心轴与所述冲击体通过所述凸起花键和所述键槽适配安装而形成周向固定连接。

8.根据权利要求7所述的提速工具，其特征在于，所述凸起花键的轴向长度为处于300-400mm的范围内，周向宽度处于30-50mm的范围内，径向高度处于20-40mm的范围内。

9.根据权利要求1所述的提速工具，其特征在于，在所述中心轴与所述冲击体的安装面之间设有密封件，以使所述中心轴与所述冲击体形成轴向动密封连接。

10.根据权利要求1所述的提速工具，其特征在于，所述冲击体的端部设有台阶部，在所述第二外筒的端部安装有用于对所述台阶部进行限位的防掉螺母(125)，且所述冲击体的端部固定连接用于连接钻头的转换接头(160)。

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