CN112593846A - 一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具，包括上接头、旁通阀、螺杆马达、壳体、动力输入轴、万向轴、扶正轴承、轴向振动发生装置和下接头，轴向振动发生装置包括启振轴、滚珠、平面轴承、弹簧总成和凸轮体，该工具以井下钻井液驱动螺杆马达，由万向轴带动启振轴旋转，启振轴中部外侧台阶面上的滚珠在凸轮体上端导槽内运动，导槽是一个空间凸轮型轨道，存在周期性阶跃高度差，滚珠在该导槽上运动时将发生周期性抬升和跌落。本发明可在井底实现钻头增压，提高机械钻速，能够提高对应目的地层钻井的机械钻速，并能够配合不同地层岩石特性进行冲击振动特性的调控，从而达到最优的破岩效率，提高对应目的地层钻井的机械钻速。

Description

一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具

技术领域

本发明属于油气钻井技术领域，尤其涉及一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具。

背景技术

随着石油勘探开发不断深入，钻井深度不断增加，钻遇地层日益复杂，深部地层机械钻速普遍较低。因此，提高深部地层的破岩效率是提高深层钻井速度、降低钻井成本的重要途径之一。实践证明，旋转冲击钻井技术是在现有钻井工艺条件下提高深井和超深井机械钻速的有效途径之一，研发轴向振动冲击钻井工具，能够为钻头提供额外的轴向冲击动载，加速钻头破岩效率，大幅度提高钻井机械钻速，从而缩短钻井周期，降低钻井成本。但是传统的冲击工具在正常工作时使用寿命受到限制，振动频率和冲击载荷大小的组合对破岩效率的影响机制尚不清楚，而针对不同目的层岩石的钻进时，应当选取不同的冲击振动工作参数以达到最优的破岩效率，所以本发明提出一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具，该钻具可以针对特定的岩石种类实现最优破岩效率的冲击参数调制，配合不同地层岩石特性进行冲击振动特性的调控，从而达到最优的破岩效率，提高对应目的地层钻井的机械钻速,缩短钻井周期，降低钻井成本。

发明内容

针对不同目的层岩石的钻进时为了提高破岩效率，本发明提出一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具，本发明的钻井工具能够提高对应目的地层钻井的机械钻速,并能够配合不同地层岩石特性进行冲击振动特性的调控，从而达到最优的破岩效率，提高对应目的地层钻井的机械钻速,缩短钻井周期，降低钻井成本。

一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具，所述钻井工具包括上接头、旁通阀、螺杆马达、壳体、动力输入轴、万向轴、扶正轴承、轴向振动发生装置和下接头，所述壳体两端通过螺纹分别与上接头和防掉接头连接，所述旁通阀、螺杆马达、动力输入轴、万向轴、扶正轴承和轴向振动发生装置设置在壳体内部，所述旁通阀设置在上接头内腔，上下端由上接头内腔台阶面和弹性挡圈实现轴向定位，所述螺杆马达设置在旁通阀下部且上下端分别通过定位套筒实现轴向限位，包括马达外壳、马达定子和螺杆转子，所述轴向振动发生装置包括启振轴、滚珠、平面轴承、弹簧总成和凸轮体，所述起振轴一端滑动套接于凸轮体内腔，另一端设有扶正轴承且与万向轴一端连接，通过扶正轴承实现凸轮体的径向限位，万向轴另一端与螺杆转子连接，所述启振轴中部外侧设置有双台阶面，凸轮体上端面与启振轴中部外侧台阶面对应且上面设置有导槽，所述导槽为一个空间凸轮型轨道，轨道曲面存在周期性阶跃高度差，所述滚珠设置在启振轴中部外侧台阶面的滚珠坑内，滚珠随启振轴旋转时，将在凸轮体的导槽内运动，所述平面轴承设置在启振轴中部内侧台阶面上，所述弹簧总成顶接于平面轴承与凸轮体内部台阶面之间，所述下接头通过螺纹与凸轮体下端连接，防掉接头套装在下接头和凸轮体上，所述弹簧总成、凸轮体根据需要的冲击频率进行更换。

进一步地，所述旁通阀包括旁通阀阀芯、旁通阀弹簧和旁通阀阀座，所述旁通阀弹簧两端分别顶接于所述旁通阀阀芯和旁通阀阀座。

进一步地，所述万向轴包括连接轴、十字头和中间轴，中间轴两端分别通过十字头与连接轴活动连接，一端的连接轴与螺杆转子通过动力输入轴连接且通过平键传递扭矩并由销钉实现轴向限位，另一端的连接轴与起振轴上端连接并通过平键传递扭矩且由销钉实现轴向限位。

不同规格的弹簧总成使用不同数量的垫圈来改变弹簧压缩长度，可以改变弹簧预紧力的大小，从而得到不同大小的冲击载荷，实现冲击载荷的调制。螺杆马达转速与凸轮型轨道体的齿数决定了冲击工具频率的大小，通过控制钻井液水力能量的大小可以实现对冲击工具螺杆马达转速大小的调控，通过更换不同类型的凸轮型轨道体以得到不同的凸轮齿个数，从而实现冲击工具冲击频率大小的调控。

有益效果：

1)轴向冲击振动钻井工具的冲击力大小随弹簧总成预紧力和冲程高度的增加而增大，并与凸轮轨道体轮廓线密切相关，导轨曲面存在周期性阶跃高度差，滚珠在该导槽上运动时将发生周期性抬升和跌落，从而将一部分的旋转能量转化为轴向冲击能量，该冲击能量通过下接头传递至井底钻头，可周期性地向钻头施加钻压。弹簧总成可降低滚珠冲击凸轮体时的碰撞导致的变形破坏，从而在一定程度上延长其工作寿命。

2)所述钻井工具的冲击力大小随弹簧总成预紧力和冲程高度的增加而增大，并与凸轮型轨道体轮廓线密切相关，设计不同轮廓曲线的凸轮轨道体即可实现冲程的调控，得到不同大小的冲击载荷；冲击频率与螺杆马达转速、凸轮型轨道齿个数相关，通过控制井下钻井液水力能量的大小和凸轮轨道体的齿型即可实现冲击工具冲击频率的调控；在冲击工具下井工作之前，可由地面破岩实验得到不同冲击频率和冲击载荷的组合方式对目的地层岩石破碎效率的影响，从而预先设计出匹配目的地层的最优破岩参数组合方式，提高钻井效率。

3)所述轴向振动冲击工具将传统工具的冲击单元通过滑动摩擦产生冲击的方式优化为滚动摩擦的方式，并且利用钻井液对金属摩擦面进行冷却，工具的整体使用寿命得到了大幅度的增加。

4)本发明工具在其整个工作过程中可在井底实现钻头增压，提高机械钻速，延长钻头工作寿命，可增加大斜度井、水平井、分支井等钻进工程中的单次钻进深度。

附图说明

图1为本发明装置的结构原理示意图；

图2为本发明中启振轴的结构部分剖面示意图；

图3为本发明中凸轮体的剖面结构示意图；

图4为本发明中凸轮体的立体结构示意图；

图5为本发明中万向轴的结构示意图；

图6为本发明在一次室内试验模拟下产生的冲击载荷波形曲线图。

图中：1-上接头，2-旁通阀阀芯，3-旁通阀弹簧，4-旁通阀阀座，5-弹性挡圈，6-马达外壳，7-马达定子，8-螺杆转子，9-壳体，10-动力输入轴，11-平键，12-销钉，13-连接轴，14-十字头，15-中间轴，16-扶正轴承，17-滚珠，18-平面轴承，19-弹簧总成，20-启振轴，21-凸轮体，22-防掉接头，23-下接头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。

所述钻井工具包括上接头1、旁通阀、螺杆马达、壳体9、动力输入轴10、万向轴、扶正轴承16、轴向振动发生装置和下接头23。所述壳体9上、下端分别通过螺纹与上接头1和防掉接头22连接，所述旁通阀、螺杆马达、动力输入轴10、万向轴、扶正轴承16和轴向振动发生装置均设置在壳体9内部，所述下接头23通过螺纹与轴向振动发生装置的凸轮体21连接。所述旁通阀设置在上接头1内腔，由上接头内腔台阶面和弹性挡圈5实现轴向定位，包括旁通阀阀芯2、旁通阀弹簧3和旁通阀阀座4，正常工作时，在井底钻井液压力作用下旁通阀关闭，停泵起下钻时，由于钻井液压力消失，螺杆马达停止工作，在旁通阀弹簧3作用下旁通阀自动开启，使钻柱内部与环形空间相通，可有效的防止由于螺杆马达的封闭性引起的钻井液溢流。所述螺杆马达包括马达外壳6、马达定子7和螺杆转子8，由上下端分别设置的定位套筒实现轴向限位，在钻井液作用下为该工具提供动力。所述万向轴包括连接轴13、十字头14、中间轴15。所述万向轴与螺杆转子8通过动力输入轴10连接，通过平键11传递扭矩并由销钉12实现轴向限位。所述轴向振动发生装置包括启振轴20、滚珠17、平面轴承18、弹簧总成19和凸轮体21，所述滚珠17设置在启振轴20中部外侧台阶面的滚珠17坑内，当滚珠随启振轴旋转时，将在凸轮体上端导槽内运动，由于导槽是一个空间凸轮型轨道，导轨曲面存在周期性阶跃高度差，滚珠17在该导槽上运动时将发生周期性抬升和跌落，冲击凸轮体21，由下接头23将这种冲击能量传递至井底钻头，周期性地给钻头施加钻压，弹簧总成可降低滚珠冲击凸轮体时的碰撞导致的变形破坏，从而在一定程度上延长其工作寿命。所述启振轴上端接入万向轴并通过平键传递扭矩，由销钉实现轴向限位。

本发明的冲击特性可调制的轴向冲击振动钻井工具施工使用方法如下：

该装置在进行现场应用中，上接头与钻柱连接即可直接下入井底，地面泵站泵入高压钻井液驱动螺杆马达，使螺杆转子发生旋转并经由万向轴带动启振轴旋转，使设置在启振轴中部外侧台阶面上的滚珠在凸轮体上端导槽内运动，由于导槽是一个空间凸轮型轨道，导轨曲面存在周期性阶跃高度差，滚珠在该导槽上运动时将发生周期性抬升和跌落，从而将一部分的旋转能量转化为轴向冲击能量，该冲击能量通过下接头传递至井底钻头，可周期性地向钻头施加钻压。弹簧总成可降低滚珠冲击凸轮体时的碰撞导致的变形破坏，从而在一定程度上延长其工作寿命。在工具下井之前可以对工具的冲击特性进行调制，改变冲击载荷大小及冲击频率的组合方式能够得到不同的冲击曲线，以匹配不同的目的地层岩样达到其最优破岩效率。具体方式为：

凸轮型轨道体的转速决定了冲击工具的冲击频率，通过控制钻井液的排量大小可以控制螺杆马达转速，即对冲击工具冲击频率的调制；弹簧总成中弹簧垫片的数量可以改变弹簧的压缩程度，即对弹簧预紧力的调制，其大小对冲击力特性曲线有明显的影响；凸轮型轨道体齿型轮廓曲线即为整个冲击单元的冲程大小，通过设计不同高度的凸轮型轨道体配合工具的安装可以得到不同冲程大小的冲击工具，从而实现冲击载荷大小的调控；凸轮轨道体凸轮齿个数与冲击频率密切相关，制备同一规格大小不同齿型个数的凸轮轨道体，再配合不同的螺杆转速可以实现冲击工具的冲击频率的调控；

进行室内实验模拟，实验采用三齿型凸轮轨道，螺杆马达转速50rmp，冲程10mm，模拟钻压6KN，弹簧预紧力6.0KN，实验获得的相关曲线图参见附图6。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具，其特征在于，所述钻井工具包括上接头、旁通阀、螺杆马达、壳体、动力输入轴、万向轴、扶正轴承、轴向振动发生装置和下接头，所述壳体两端通过螺纹分别与上接头和防掉接头连接，所述旁通阀、螺杆马达、动力输入轴、万向轴、扶正轴承和轴向振动发生装置设置在壳体内部，所述旁通阀设置在上接头内腔，上下端由上接头内腔台阶面和弹性挡圈实现轴向定位，所述螺杆马达设置在旁通阀下部且上下端分别通过定位套筒实现轴向限位，螺杆马达包括马达外壳、马达定子和螺杆转子，所述轴向振动发生装置包括启振轴、滚珠、平面轴承、弹簧总成和凸轮体，所述起振轴一端滑动套接于凸轮体内腔，另一端设有扶正轴承且与万向轴一端连接，万向轴另一端与螺杆转子连接，所述启振轴中部外侧设置有双台阶面，凸轮体上端面与启振轴中部外侧台阶面对应且上面设置有导槽，所述导槽为一个空间凸轮型轨道，轨道曲面存在周期性阶跃高度差，所述滚珠设置在启振轴中部外侧台阶面的滚珠坑内，滚珠随启振轴旋转时，将在凸轮体的导槽内运动，所述平面轴承设置在启振轴中部内侧台阶面上，所述弹簧总成顶接于平面轴承与凸轮体内部台阶面之间，所述下接头通过螺纹与凸轮体下端连接，防掉接头套装在下接头和凸轮体上，所述弹簧总成、凸轮体根据需要的冲击频率进行更换。

2.根据权利要求1所述的一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具，其特征在于，所述旁通阀包括旁通阀阀芯、旁通阀弹簧和旁通阀阀座，所述旁通阀弹簧两端分别顶接于所述旁通阀阀芯和旁通阀阀座。

3.根据权利要求1所述的一种冲击特性可以调制的轴向冲击振动钻井工具，其特征在于，所述万向轴包括连接轴、十字头和中间轴，中间轴两端分别通过十字头与连接轴活动连接，一端的连接轴与螺杆转子通过动力输入轴连接且通过平键传递扭矩并由销钉实现轴向限位，另一端的连接轴与起振轴上端连接并通过平键传递扭矩且由销钉实现轴向限位。

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