CN113006695B - 一种pdc钻头脉动冲击装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PDC钻头脉动冲击装置与方法，所述冲击装置主要由旁通阀壳体、过滤板、旁通阀阀芯、旁通阀弹簧、旁通阀阀套、弹性挡圈、防掉锁母、防掉连杆、螺杆外筒、橡胶衬套定子、螺杆转子活绞、球座、锁紧套、万向轴连杆、万向轴外筒、密封套、传动球、承压球、止推轴承、传动轴、驱动球头、滑动往复轴、动力转换外筒、柱塞座、单向阀阀体、单向阀阀套、单向阀阀芯和单向阀弹簧组成，所述滑动往复轴上设有与轴向凹槽间隙配合的凸翼，驱动球头轴向位置的周期性变化使滑动往复轴也产生周期性的轴向运动在滑动往复轴周期性轴向运动过程中，进入滑动往复轴小径端内筒的钻井液被压缩并将单向阀打开，该钻井液具有周期性脉动特性，用于辅助破岩。

Description

一种PDC钻头脉动冲击装置与方法

技术领域

本发明涉及一种冲击装置，特别是一种用于产生液力脉冲从而提高钻井效率的装置与方法，属于机械工程或钻井工程技术领域。

背景技术

在油气钻井中，钻头是破碎岩石的主要工具。经过多年的发展，聚晶金刚石复合片（PDC）钻头已广泛应用于现代钻井作业中。随着钻井逐步转向深部地层，岩石强度和硬度等逐渐增大，钻井提速始终是深部地层和硬地层中的热门话题。随着一系列钻井提速理论的提出，国内外相关研究人员在此基础上进行不断的创新设计。理论和现场实验结果表明，在常规钻井的基础上对钻头辅以额外冲击或对流入钻头的钻井液施加脉动冲击，有助于实现钻井效率的提高。

作为众多钻井提速工艺的一种，脉动冲击根据原理的不同，包括离心式井下增压器、钻柱减振式井下增压器、螺杆式井下增压器等。然而，最近年的钻井实践表明，多种因素制约这些技术的应用发展，包括增压原理、装置结构、加工精度等。例如无论地面增压或井下增压，都对设备能力要求较高。随着井深的逐渐增大，进一步限制了这些技术的发展。因此，有必要开发受井深限制小、结构简单、可靠性高的钻井提速装置，用于硬地层或深部地层的钻井效率提升。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述难点，特提出一种PDC钻头脉动冲击装置与方法，用于提高深部地层的钻井效率。

为达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：

一种PDC钻头脉动冲击装置，主要由旁通阀壳体、过滤板、旁通阀阀芯、旁通阀弹簧、旁通阀阀套、弹性挡圈、防掉锁母、防掉连杆、螺杆外筒、橡胶衬套定子、螺杆转子活绞、球座、锁紧套、万向轴连杆、万向轴外筒、密封套、传动球、承压球、止推轴承、传动轴、驱动球头、滑动往复轴、动力转换外筒、柱塞座、单向阀阀体、单向阀阀套、单向阀阀芯和单向阀弹簧组成，所述旁通阀壳体与螺杆外筒、螺杆外筒与万向轴外筒、万向轴外筒与动力转换外筒、动力转换外筒与柱塞座间均通过螺纹连接；所述万向轴外筒下端内壁设有用于轴向承重的台阶；所述动力转换外筒的内壁设有2条对称分布的轴向凹槽；所述传动轴上端与万向轴连杆螺纹连接，传动轴设有传动轴大径端、传动轴小径端和斜环槽，斜环槽是一条设在传动轴小径端上的斜向封闭环槽；所述传动轴小径端的上部与万向轴外筒下端内壁的台阶间设有止推轴承，止推轴承用于承受作用于传动轴上的轴向载荷；所述滑动往复轴上设有滑动往复轴大径端、滑动往复轴小径端、螺纹侧孔、凸翼和径向孔通；所述传动轴小径端下端插入滑动往复轴大径端内筒，螺纹侧孔与斜环槽间设有驱动球头，驱动球头通过螺纹固定于滑动往复轴大径端上且其球头部分位于斜环槽内；所述滑动往复轴小径端上的径向孔通对称分布，作为进入单向阀内流体的通道；所述滑动往复轴小径端与单向阀阀体螺纹连接。

所述的一种PDC钻头脉动冲击装置的操作方法，将所述冲击装置连接好后，其上端与钻杆或其它下部钻具连接，其下端与PDC钻头连接；钻井液由冲击装置上端的旁通阀壳体处进入，经过旁通阀阀芯和旁通阀阀套后进入螺杆外筒，螺杆转子与橡胶衬套定子的啮合使螺杆转子在钻井液的作用下转动，螺杆转子驱动由活绞、球座、锁紧套、万向轴连杆、密封套、传动球和承压球组成的万向轴总成转动并进一步带动传动轴转动；滑动往复轴上的螺纹侧孔与传动轴上的斜环槽间设有驱动球头，转动的传动轴使驱动球头的轴向位置周期性变化；滑动往复轴上设有与轴向凹槽间隙配合的凸翼，驱动球头轴向位置的周期性变化使滑动往复轴也产生周期性的轴向运动；在滑动往复轴周期性轴向运动过程中，进入滑动往复轴小径端内筒的钻井液被压缩并将单向阀打开，该钻井液具有周期性脉动特性，进入PDC钻头后用于辅助破岩；除进入单向阀的钻井液外，其它钻井液则由柱塞座上的钻井液流道直接流至PDC钻头。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：（1）本装置对现有钻井工艺基本无影响，但可实现对PDC钻头的脉动增加用于辅助岩石破碎；（2）本装置不含电子元器件，对于数千米深的井下，其可靠性高。

附图说明

图1为本发明一种PDC钻头脉动冲击装置的结构示意图；

图2为图1中的A-A剖面示意图；

图3为图1中的B-B剖面示意图；

图4为图1中的C-C剖面示意图；

图5为图1中的D-D剖面示意图；

图6为本发明装置中传动轴的结构示意图；

图7为本发明装置中传动轴的另一结构示意图；

图8为本发明装置中滑动往复轴的结构示意图；

图9为本发明装置中滑动往复轴的另一结构示意图；

图10为本发明装置中由单向阀阀体、单向阀阀套、单向阀阀芯和单向阀弹簧组成的单向阀单元。

图11为本发明装置当驱动球头位于斜环槽中部时的结构示意图；

图12为本发明装置当驱动球头位于斜环槽底部时的结构示意图；

图13为本发明装置当驱动球头位于斜环槽另一中部时的结构示意图；

图14为本发明装置当驱动球头位于斜环槽顶部时的结构示意图。

图中：1.旁通阀壳体，2.过滤板，3.旁通阀阀芯，4.旁通阀弹簧， 5.旁通阀阀套，6.弹性挡圈，7.防掉锁母、8.防掉连杆、9.螺杆外筒、10.橡胶衬套定子、11.螺杆转子、12.活绞、13.球座、14.锁紧套、15.万向轴连杆、16.万向轴外筒、17.密封套、18.传动球、19.承压球、20.止推轴承、21.传动轴、21a.传动轴大径端、21b.传动轴小径端、21c.斜环槽、22.驱动球头、23.滑动往复轴、23a.滑动往复轴大径端、23b.滑动往复轴小径端、23c.螺纹侧孔、23d.凸翼、23e.径向孔通、24.动力转换外筒、24a.轴向凹槽、25.柱塞座、26.单向阀阀体、27.单向阀阀套、28.单向阀阀芯、29.单向阀弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1至图13所示，一种PDC钻头脉动冲击装置，主要由旁通阀壳体1、过滤板2、旁通阀阀芯3、旁通阀弹簧4、旁通阀阀套5、弹性挡圈6、防掉锁母7、防掉连杆8、螺杆外筒9、橡胶衬套定子10、螺杆转子11、活绞12、球座13、锁紧套14、万向轴连杆15、万向轴外筒16、密封套17、传动球18、承压球19、止推轴承20、传动轴21、驱动球头22、滑动往复轴23、动力转换外筒24、柱塞座25、单向阀阀体26、单向阀阀套27、单向阀阀芯28和单向阀弹簧29组成，所述旁通阀壳体1与螺杆外筒9、螺杆外筒9与万向轴外筒16、万向轴外筒16与动力转换外筒24、动力转换外筒24与柱塞座25间均通过螺纹连接；所述万向轴外筒16下端内壁设有用于轴向承重的台阶；所述动力转换外筒24的内壁设有2条对称分布的轴向凹槽24a；所述传动轴21上端与万向轴连杆15螺纹连接，传动轴21设有传动轴大径端21a、传动轴小径端21b和斜环槽21c，斜环槽21c是一条设在传动轴小径端21b上的斜向封闭环槽；所述传动轴小径端21b的上部与万向轴外筒16下端内壁的台阶间设有止推轴承20，止推轴承20用于承受作用于传动轴21上的轴向载荷；所述滑动往复轴23上设有滑动往复轴大径端23a、滑动往复轴小径端23b、螺纹侧孔23c、凸翼23d和径向孔通23e；所述传动轴小径端21b下端插入滑动往复轴大径端23a内筒，螺纹侧孔23c与斜环槽21c间设有驱动球头22，驱动球头22通过螺纹固定于滑动往复轴大径端23a上且其球头部分位于斜环槽21c内；所述滑动往复轴小径端23b上的径向孔通23e对称分布，作为进入单向阀内流体的通道；所述滑动往复轴小径端23b与单向阀阀体26螺纹连接。

所述的一种PDC钻头脉动冲击装置的操作方法，将所述冲击装置连接好后，其上端与钻杆或其它下部钻具连接，其下端与PDC钻头连接；钻井液由冲击装置上端的旁通阀壳体1处进入，经过旁通阀阀芯3和旁通阀阀套5后进入螺杆外筒9，螺杆转子11与橡胶衬套定子10的啮合使螺杆转子11在钻井液的作用下转动，螺杆转子11驱动由活绞12、球座13、锁紧套14、万向轴连杆15、密封套17、传动球18和承压球19组成的万向轴总成转动并进一步带动传动轴21转动；滑动往复轴23上的螺纹侧孔23c与传动轴21上的斜环槽21c间设有驱动球头22，转动的传动轴21使驱动球头22的轴向位置周期性变化；滑动往复轴23上设有与轴向凹槽24a间隙配合的凸翼23d，驱动球头22轴向位置的周期性变化使滑动往复轴23也产生周期性的轴向运动；在滑动往复轴23周期性轴向运动过程中，进入滑动往复轴小径端23b内筒的钻井液被压缩并将单向阀打开，该钻井液具有周期性脉动特性，进入PDC钻头后用于辅助破岩；除进入单向阀的钻井液外，其它钻井液则由柱塞座25上的钻井液流道直接流至PDC钻头。

所述的一种PDC钻头脉动冲击装置的操作方法，所述旁通阀壳体1上设有用于循环内外环空的径向孔且该径向孔内安装有过滤板2，旁通阀阀套5安装于旁通阀壳体1内并由弹性挡圈6限制其轴向位移；所述旁通阀阀芯3也设有径向孔用于钻井液的流动；当所述旁通阀弹簧4未被压缩时，旁通阀阀芯3上的径向孔与旁通阀壳体1上的径向孔连通；当钻井作业正常进行时，高压钻井液驱动旁通阀阀芯3向下运动并压缩旁通阀弹簧4，旁通阀阀芯3和旁通阀阀套5配合，旁通阀阀芯3上的径向孔被旁通阀阀套5上端封闭，使得流入旁通阀壳体1的钻井液无法与外环空连通而只能流向冲击装置的下端；当钻井作业停止且钻井液不循环时或钻井作业停止且采用低压钻井液循环时，旁通阀阀芯3无法压缩旁通阀弹簧4或旁通阀阀芯3小幅压缩旁通阀弹簧4，此时旁通阀阀芯3上的径向孔与旁通阀壳体1上的径向孔连通，从而可避免钻柱内憋压而出现安全事故。

所述的一种PDC钻头脉动冲击装置的操作方法，单向阀阀芯28通过螺纹连接于单向阀阀体26上，在单向阀阀套27与单向阀阀芯28间设有单向阀弹簧29；当所述滑动往复轴23向下运动时，单向阀阀体26下端与柱塞座25中间通孔所形成的腔体被压缩，钻井液压力增大且该高压钻井液流至PDC钻头，在此过程中单向阀阀套27不压缩单向阀弹簧29且单向阀阀套27受高压钻井液作用将单向阀阀体26的流道封闭；当所述滑动往复轴23向上运动时，单向阀阀体26下端与柱塞座25中间通孔所形成的腔体呈负压状态，同时在流入滑动往复轴小径端23b中钻井液的作用下，单向阀阀套27向下压缩单向阀弹簧29，使得单向阀阀体26的流道处于打开状态，确保单向阀阀体26下端与柱塞座25中间通孔所形成的钻井液腔体中钻井液的及时补充。

以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明系统的保护范围。

Claims (2)

1.一种PDC钻头脉动冲击装置，主要由旁通阀壳体（1）、过滤板（2）、旁通阀阀芯（3）、旁通阀弹簧（4）、旁通阀阀套（5）、弹性挡圈（6）、防掉锁母（7）、防掉连杆（8）、螺杆外筒（9）、橡胶衬套定子（10）、螺杆转子（11）、活绞（12）、球座（13）、锁紧套（14）、万向轴连杆（15）、万向轴外筒（16）、密封套（17）、传动球（18）、承压球（19）、止推轴承（20）、传动轴（21）、驱动球头（22）、滑动往复轴（23）、动力转换外筒（24）、柱塞座（25）、单向阀阀体（26）、单向阀阀套（27）、单向阀阀芯（28）和单向阀弹簧（29）组成，其特征在于：所述旁通阀壳体（1）与螺杆外筒（9）、螺杆外筒（9）与万向轴外筒（16）、万向轴外筒（16）与动力转换外筒（24）、动力转换外筒（24）与柱塞座（25）间均通过螺纹连接；所述万向轴外筒（16）下端内壁设有用于轴向承重的台阶；所述动力转换外筒（24）的内壁设有2条对称分布的轴向凹槽（24a）；所述传动轴（21）上端与万向轴连杆（15）螺纹连接，传动轴（21）设有传动轴大径端（21a）、传动轴小径端（21b）和斜环槽（21c），斜环槽（21c）是一条设在传动轴小径端（21b）上的斜向封闭环槽；所述传动轴小径端（21b）的上部与万向轴外筒（16）下端内壁的台阶间设有止推轴承（20），止推轴承（20）用于承受作用于传动轴（21）上的轴向载荷；所述滑动往复轴（23）上设有滑动往复轴大径端（23a）、滑动往复轴小径端（23b）、螺纹侧孔（23c）、凸翼（23d）和径向孔通（23e）；所述传动轴小径端（21b）下端插入滑动往复轴大径端（23a）内筒，螺纹侧孔（23c）与斜环槽（21c）间设有驱动球头（22），驱动球头（22）通过螺纹固定于滑动往复轴大径端（23a）上且其球头部分位于斜环槽（21c）内；所述滑动往复轴小径端（23b）上的径向孔通（23e）对称分布，作为进入单向阀内流体的通道；所述滑动往复轴小径端（23b）与单向阀阀体（26）螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种PDC钻头脉动冲击装置的操作方法，其特征在于：将所述冲击装置连接好后，其上端与钻杆或其它下部钻具连接，其下端与PDC钻头连接；钻井液由冲击装置上端的旁通阀壳体（1）处进入，经过旁通阀阀芯（3）和旁通阀阀套（5）后进入螺杆外筒（9），螺杆转子（11）与橡胶衬套定子（10）的啮合使螺杆转子（11）在钻井液的作用下转动，螺杆转子（11）驱动由活绞（12）、球座（13）、锁紧套（14）、万向轴连杆（15）、密封套（17）、传动球（18）和承压球（19）组成的万向轴总成转动并进一步带动传动轴（21）转动；滑动往复轴（23）上的螺纹侧孔（23c）与传动轴（21）上的斜环槽（21c）间设有驱动球头（22），转动的传动轴（21）使驱动球头（22）的轴向位置周期性变化；滑动往复轴（23）上设有与轴向凹槽（24a）间隙配合的凸翼（23d），驱动球头（22）轴向位置的周期性变化使滑动往复轴（23）也产生周期性的轴向运动；在滑动往复轴（23）周期性轴向运动过程中，进入滑动往复轴小径端（23b）内筒的钻井液被压缩并将单向阀打开，该钻井液具有周期性脉动特性，进入PDC钻头后用于辅助破岩；除进入单向阀的钻井液外，其它钻井液则由柱塞座（25）上的钻井液流道直接流至PDC钻头。

Images