CN113236116B - 复合冲击钻进提速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合冲击钻进提速装置，包括外筒体，在该外筒体内轴向依次设有上接头、扭力冲击组件、轴向冲击组件和下接头；所述扭力冲击组件包括相互配合的扭力锤座、环向换向座和扭力锤头，并对外筒体进行周向冲击；轴向冲击组件包括相互配合的分流座、导流套筒、冲击锤头、冲击座，冲击锤头随扭力锤头的往复转动而对冲击座进行往复冲击。采用本发明的显著效果是，轴向冲击受周向冲击的控制，二者相协调后能针对不同情况拟合出相适应的最佳破岩轨迹，以最大程度发挥工具的提速效果。解决了现有复合冲击工具不能控制轴向冲击与轴向冲击的作用时间相位问题。

Description

复合冲击钻进提速装置

技术领域

本发明涉及在油气开发中的定向穿越钻进提速配套装置，具体涉及一种复合钻进提速装置。

背景技术

随着油气资源的不断消耗，目前油气勘探开采目标向着纵深发展，但深地层岩石硬度变大、耐磨性强、环境复杂，对油气开采充满着巨大挑战。钻头在钻进高硬度地层或岩石地层时，钻头会出现扭矩不足而无法进行破碎的情况，此时钻柱发生扭转，储存弹性势能，直至钻头克服钻井阻力，钻柱中的能量瞬间释放，导致钻柱与钻头剧烈振动突然加速，易造成钻头损坏以及井下钻具疲劳失效，同时井下钻柱变形和憋钻会造成能量浪费。有研究人员提出了扭力冲击器配合PDC钻头使用，其工作机理是冲击破碎为主，扭力冲击器能够将泥浆的能量转化为扭转的往复高频冲击能量，并直接将能量传递给钻头。扭力冲击器能够提供每分钟750-1500次的高频冲击，相当于钻头每分钟750-1500次切削地层，加上上部转盘提供给钻柱的扭力，能够提高钻井质量，有效防止钻井过程中“粘滑”现象产生。但在硬塑性地层进行钻进作业时，PDC钻头切削齿难以有效吃入岩石地层，造成钻头在该类地层钻进时无法产生进尺，无法达到提速效果，并且扭力冲击器只能产生周向冲击振动，对于定向井以及水平井钻进时，无法解决钻头托压等问题，扭向冲击钻井技术对于水平井钻井中几乎没有提速效果，而现有的复合冲击工具不能控制轴向冲击与扭向冲击的作用时间相位，以至于不能够控制PDC钻头的最佳破岩轨迹，从而不能最大程度发挥工具的提速效果。

发明内容

本发明提供一种复合冲击钻进提速装置，包括外筒体，在该外筒体内轴向依次设有上接头、扭力冲击组件和下接头；

所述扭力冲击组件包括扭力锤座、环向换向座和扭力锤头，所述扭力锤座固定嵌设在所述外筒体内，所述扭力锤头与所述环向换向座分别转动安装在所述外筒体内；

所述扭力锤头与所述环向换向座连接并配合，所述扭力锤头随所述环向换向座转动并换向；

所述扭力锤头往复转动时撞击所述扭力锤座，并将撞击力传递给所述外筒体；

其关键在于：

在所述扭力冲击组件和下接头之间设有轴向冲击组件，所述扭力冲击组件和所述轴向冲击组件之间通过连接轴连接；

所述连接轴与所述外筒体同中心线设置，所述连接轴的上游端与所述扭力锤头固定连接而随其往复交替转动，所述连接轴的下游端向所述轴向冲击组件延伸，在所述连接轴内轴向贯穿有中间引流道，所述上接头轴向贯穿有流体入口，所述环向换向座内设有连通所述流体入口和所述中间引流道的换向流道；

所述轴向冲击组件包括分流座、导流套筒、冲击锤头、冲击座，所述分流座套设于所述连接轴上，所述分流座与所述连接轴花键配合，所述分流座与所述连接轴环向传动连接而轴向滑动连接，所述分流座的上游段与所述外筒体螺纹配合，所述分流座随所述连接轴的往复交替转动而轴向进退；

所述导流套筒固定嵌设于所述外筒体内，所述导流套筒与所述外筒体同中心线设置；

所述分流座的下游段伸入所述导流套筒内并与其轴向滑动配合，所述冲击锤头轴向滑动装配在所述导流套筒内，所述分流座靠近所述扭力冲击组件，所述冲击锤头靠近所述下接头，所述冲击锤头轴向贯穿有冲击流道，所述连接轴的下游端伸入所述冲击流道，所述连接轴的下游端与所述冲击锤头轴向滑动装配；

所述下接头设于所述外筒体的下游端，所述冲击座与所述下接头固定连接，所述冲击座的上游段伸入所述冲击流道，所述冲击座的上游段与所述冲击锤头轴向滑动装配，所述冲击座和下接头上贯穿有将所述冲击流道与外部连通的流体出口；

所述分流座和所述冲击锤头之间形成第一充填区，所述冲击锤头和所述下接头之间形成第二充填区；

所述连接轴的壁上贯通有第一分流孔组；

在所述冲击锤头和所述冲击座之间设有连通所述冲击流道和所述第二充填区的第二分流孔组；

在所述分流座上贯穿有可与所述第一分流孔组接通的第三分流孔组；

在所述导流套筒和所述外筒体之间设有可连通所述第三分流孔组和所述第二充填区的第一排出流道；

在所述导流套筒和所述外筒体之间设有可连通所述第一充填区和所述第二充填区的第二排出流道；

所述分流座上行，使所述第一排出流道的入口与所述第三分流孔组错开而封闭，使所述第一分流孔组与所述第一充填区连通；流体注入所述第一充填区从而推动所述冲击锤头下行并冲击所述冲击座；

所述分流座下行，使所述第一排出流道的入口和所述第一分流孔组通过所述第三分流孔组接通，并阻断所述第一分流孔组与所述第一充填区之间连通，流体进入第二充填区内并推动所述冲击锤头上行，同时推动所述第一充填区内的流体通过所述第二排出流道进入所述第二充填区；

所述第二分流孔组用于将所述第二充填区内的流体引至所述冲击流道，并最终通过所述流体出口排出。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为轴向冲击组件4与外筒体1的装配关系示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种复合冲击钻进提速装置，包括外筒体1，在该外筒体1内轴向依次设有上接头2、扭力冲击组件3、轴向冲击组件4和下接头5；

所述扭力冲击组件3包括扭力锤座31、环向换向座32和扭力锤头33，所述扭力锤座31固定嵌设在所述外筒体1内，所述扭力锤头33与所述环向换向座32分别转动安装在所述外筒体1内；

所述扭力锤头33与所述环向换向座32连接并配合，所述扭力锤头33随所述环向换向座32转动并换向；

所述扭力锤头33往复转动时撞击所述扭力锤座31，并将撞击力传递给所述外筒体1；

在所述上接头2和扭力冲击组件3之间还设有分流座9，分流座9用于对进入扭力冲击组件3的流体进行分配。而分流座9与扭力冲击组件3之间的流体分配方案，以及所述扭力锤座31、环向换向座32和扭力锤头33的装配关系，流道开设以对应关系，以及三者之间如何在流体作用下转动配合在现有技术中(如中国专利：专利号201721119860.2)有记载，在此不做赘述。

所述扭力冲击组件3和所述轴向冲击组件4之间通过连接轴6连接，所述连接轴6与所述外筒体1同中心线设置，所述连接轴6的上游端与所述扭力锤头33固定连接而随其往复交替转动，所述连接轴6的下游端向所述轴向冲击组件4延伸，在所述连接轴6内轴向贯穿有中间引流道6a，所述上接头2轴向贯穿有流体入口2a，所述环向换向座32内设有连通所述流体入口2a和所述中间引流道6a的换向流道；

所述轴向冲击组件4包括分流座41、导流套筒42、冲击锤头43、冲击座44，所述分流座41套设于所述连接轴6上，所述分流座41与所述连接轴6花键配合，所述分流座41与所述连接轴6环向传动连接而轴向滑动连接，所述分流座41的上游段与所述外筒体1螺纹配合，所述分流座41随所述连接轴6的往复交替转动而轴向进退；

作为一种具体的螺纹配合方式，在所述分流座41的上游段外壁设有至少两段螺旋槽，所有所述螺旋槽绕所述分流座41环向均匀分布，在所述外筒体1内对应所述螺旋槽分别设有导向柱12，所述导向柱12径向设置，所述导向柱12的外端与所述外筒体1内壁固定，所述导向柱12的内端伸入所述螺旋槽内。

所述导流套筒42固定嵌设于所述外筒体1内，所述导流套筒42与所述外筒体1同中心线设置；

所述分流座41的下游段伸入所述导流套筒42内并与其轴向滑动配合，所述冲击锤头43轴向滑动装配在所述导流套筒42内，所述分流座41靠近所述扭力冲击组件3，所述冲击锤头43靠近所述下接头5，所述冲击锤头43轴向贯穿有冲击流道43a，所述连接轴6的下游端伸入所述冲击流道43a，所述连接轴6的下游端与所述冲击锤头43轴向滑动装配；

为了降低冲击锤头43与导流套筒42之间的摩擦，所述冲击锤头43的上游端外壁径向向外凸出，所述冲击锤头43的下游端外壁径向向外凸出，所述冲击锤头43的上游端外壁和下游端外壁与所述导流套筒42轴向滑动装配。

所述外筒体1下游端内缩形成抵靠环11，所述下接头5轴向滑动装配在所述抵靠环11内，所述下接头5与所述抵靠环11花键配合，所述冲击座44与所述下接头5固定连接，所述下接头5上还活动套设有复位弹簧51，所述复位弹簧51的一端与所述冲击座44抵靠，所述复位弹簧51的另一端与所述抵靠环11相抵靠；

所述冲击座44包括相互固定连接的承压段441和插入段442，所述插入段442向上游方向延伸并伸入所述冲击流道43a，所述插入段442与所述冲击锤头43轴向滑动装配，在所述插入段442的外壁轴向设有所述若干引流槽，若干所述引流槽形成所述第二分流孔组8b，所述冲击锤头43下行撞击所述承压段441；

所述冲击座44和下接头5上贯穿有将所述冲击流道43a与外部连通的流体出口5a；

所述分流座41和所述冲击锤头43之间形成第一充填区7a，所述冲击锤头43和所述下接头5之间形成第二充填区7b；

所述连接轴6的壁上贯通有第一分流孔组8a；

在所述冲击锤头43和所述冲击座44之间设有连通所述冲击流道43a和所述第二充填区7b的第二分流孔组8b；

在所述分流座41上贯穿有可与所述第一分流孔组8a接通的第三分流孔组8c；

在所述导流套筒42和所述外筒体1之间设有可连通所述第三分流孔组8c和所述第二充填区7b的第一排出流道；

在所述导流套筒42和所述外筒体1之间设有可连通所述第一充填区7a和所述第二充填区7b的第二排出流道；

作为一种具体的实施方试，所述第一排出流道和所述第二排出流道可以按照以下方式设置：

所述导流套筒42的两端外壁分别与所述外筒体1的内壁固定并密封，所述导流套筒42的外壁中部与所述外筒体1的内壁之间形成过流夹层1a；在所述导流套筒42的筒壁上轴向依次设有第四分流孔组8d、第五分流孔组8e、第六分流孔组8f，所述第四分流孔组8d、第五分流孔组8e、第六分流孔组8f分别将所述导流套筒42的内部与所述过流夹层1a接通，所述第四分流孔组8d靠近所述分流座41，所述第六分流孔组8f靠近所述冲击座44；

所述第四分流孔组8d和所述第六分流孔组8f之间的所述过流夹层1a形成所述第一排出流道，所述第五分流孔组8e和所述第六分流孔组8f之间的所述过流夹层1a形成所述第二排出流道。

所述第一分流孔组8a有n个第一分流孔，所述第一分流孔径向贯穿所述分流座41，所述第三分流孔组8c有n个第三分流孔，所述第四分流孔组8d有n个第四分流孔，所述第三分流孔的内端对应一个所述第一分流孔、所述第三分流孔的外端对应一个所述第四分流孔，所述第一分流孔和所述第四分流孔均依照所述螺旋槽的走向设置。

所述分流座41上行，使所述第一排出流道的入口与所述第三分流孔组8c错开而封闭，使所述第一分流孔组8a与所述第一充填区7a连通；流体注入所述第一充填区7a从而推动所述冲击锤头43下行并冲击所述冲击座44；

所述分流座41下行，使所述第一排出流道的入口和所述第一分流孔组8a通过所述第三分流孔组8c接通，并阻断所述第一分流孔组8a与所述第一充填区7a之间连通，流体进入第二充填区7b内并推动所述冲击锤头43上行，同时推动所述第一充填区7a内的流体通过所述第二排出流道进入所述第二充填区7b；

所述第二分流孔组8b用于将所述第二充填区7b内的流体引至所述冲击流道43a，并最终通过所述流体出口5a排出。

有益效果：采用本发明提供的复合冲击钻进提速装置，周向冲击通过壳体传递给下接头，轴向冲击通过冲击座传递给下接头，下接头与钻头连接，从而形成对钻头的复合冲击，而轴向冲击受周向冲击的控制而变化，通过协调二者冲击时间、频率，能针对不同情况拟合出相适应的最佳破岩轨迹，以最大程度发挥工具的提速效果。解决了现有复合冲击工具不能控制轴向冲击与轴向冲击的作用时间相位问题，从而能够有效解决深井硬地层钻进过程中的粘滑、拖压等问题，提高钻进速度，提升井身质量及控向精度。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复合冲击钻进提速装置，包括外筒体(1)，在该外筒体(1)内轴向依次设有上接头(2)、扭力冲击组件(3)和下接头(5)；

所述扭力冲击组件(3)包括扭力锤座(31)、环向换向座(32)和扭力锤头(33)，所述扭力锤座(31)固定嵌设在所述外筒体(1)内，所述扭力锤头(33)与所述环向换向座(32)分别转动安装在所述外筒体(1)内；

所述扭力锤头(33)与所述环向换向座(32)连接并配合，所述扭力锤头(33)随所述环向换向座(32)转动并换向；

所述扭力锤头(33)往复转动时撞击所述扭力锤座(31)，并将撞击力传递给所述外筒体(1)；

其特征在于：

在所述扭力冲击组件(3)和下接头(5)之间设有轴向冲击组件(4)，所述扭力冲击组件(3)和所述轴向冲击组件(4)之间通过连接轴(6)连接；

所述连接轴(6)与所述外筒体(1)同中心线设置，所述连接轴(6)的上游端与所述扭力锤头(33)固定连接而随其往复交替转动，所述连接轴(6)的下游端向所述轴向冲击组件(4)延伸，在所述连接轴(6)内轴向贯穿有中间引流道(6a)，所述上接头(2)轴向贯穿有流体入口(2a)，所述环向换向座(32)内设有连通所述流体入口(2a)和所述中间引流道(6a)的换向流道；

所述轴向冲击组件(4)包括分流座(41)、导流套筒(42)、冲击锤头(43)、冲击座(44)，所述分流座(41)套设于所述连接轴(6)上，所述分流座(41)与所述连接轴(6)花键配合，所述分流座(41)与所述连接轴(6)环向传动连接而轴向滑动连接，所述分流座(41)的上游段与所述外筒体(1)螺纹配合，所述分流座(41)随所述连接轴(6)的往复交替转动而轴向进退；

所述导流套筒(42)固定嵌设于所述外筒体(1)内，所述导流套筒(42)与所述外筒体(1)同中心线设置；

所述分流座(41)的下游段伸入所述导流套筒(42)内并与其轴向滑动配合，所述冲击锤头(43)轴向滑动装配在所述导流套筒(42)内，所述分流座(41)靠近所述扭力冲击组件(3)，所述冲击锤头(43)靠近所述下接头(5)，所述冲击锤头(43)轴向贯穿有冲击流道(43a)，所述连接轴(6)的下游端伸入所述冲击流道(43a)，所述连接轴(6)的下游端与所述冲击锤头(43)轴向滑动装配；

所述下接头(5)设于所述外筒体(1)的下游端，所述冲击座(44)与所述下接头(5)固定连接，所述冲击座(44)的上游段伸入所述冲击流道(43a)，所述冲击座(44)的上游段与所述冲击锤头(43)轴向滑动装配，所述冲击座(44)和下接头(5)上贯穿有将所述冲击流道(43a)与外部连通的流体出口(5a)；

所述分流座(41)和所述冲击锤头(43)之间形成第一充填区(7a)，所述冲击锤头(43)和所述下接头(5)之间形成第二充填区(7b)；

所述连接轴(6)的壁上贯通有第一分流孔组(8a)；

在所述冲击锤头(43)和所述冲击座(44)之间设有连通所述冲击流道(43a)和所述第二充填区(7b)的第二分流孔组(8b)；

在所述分流座(41)上贯穿有与所述第一分流孔组(8a)接通的第三分流孔组(8c)；

在所述导流套筒(42)和所述外筒体(1)之间设有连通所述第三分流孔组(8c)和所述第二充填区(7b)的第一排出流道；

在所述导流套筒(42)和所述外筒体(1)之间设有连通所述第一充填区(7a)和所述第二充填区(7b)的第二排出流道；

所述分流座(41)上行，使所述第一排出流道的入口与所述第三分流孔组(8c)错开而封闭，使所述第一分流孔组(8a)与所述第一充填区(7a)连通；流体注入所述第一充填区(7a)从而推动所述冲击锤头(43)下行并冲击所述冲击座(44)；

所述分流座(41)下行，使所述第一排出流道的入口和所述第一分流孔组(8a)通过所述第三分流孔组(8c)接通，并阻断所述第一分流孔组(8a)与所述第一充填区(7a)之间连通，流体进入第二充填区(7b)内并推动所述冲击锤头(43)上行，同时推动所述第一充填区(7a)内的流体通过所述第二排出流道进入所述第二充填区(7b)；

所述第二分流孔组(8b)用于将所述第二充填区(7b)内的流体引至所述冲击流道(43a)，并最终通过所述流体出口(5a)排出。

2.根据权利要求1所述的复合冲击钻进提速装置，其特征在于：所述导流套筒(42)的两端外壁分别与所述外筒体(1)的内壁固定并密封，所述导流套筒(42)的外壁中部与所述外筒体(1)的内壁之间形成过流夹层(1a)；

在所述导流套筒(42)的筒壁上轴向依次设有第四分流孔组(8d)、第五分流孔组(8e)、第六分流孔组(8f)，所述第四分流孔组(8d)、第五分流孔组(8e)、第六分流孔组(8f)分别将所述导流套筒(42)的内部与所述过流夹层(1a)接通，所述第四分流孔组(8d)靠近所述分流座(41)，所述第六分流孔组(8f)靠近所述冲击座(44)；

所述第四分流孔组(8d)和所述第六分流孔组(8f)之间的所述过流夹层(1a)形成所述第一排出流道，所述第五分流孔组(8e)和所述第六分流孔组(8f)之间的所述过流夹层(1a)形成所述第二排出流道。

3.根据权利要求1所述的复合冲击钻进提速装置，其特征在于：所述外筒体(1)下游端内缩形成抵靠环(11)，所述下接头(5)轴向滑动装配在所述抵靠环(11)内，所述下接头(5)与所述抵靠环(11)花键配合，所述下接头(5)上还活动套设有复位弹簧(51)，所述复位弹簧(51)的一端与所述冲击座(44)抵靠，所述复位弹簧(51)的另一端与所述抵靠环(11)相抵靠；

所述冲击座(44)包括相互固定连接的承压段(441)和插入段(442)，所述插入段(442)向上游方向延伸并伸入所述冲击流道(43a)，在所述插入段(442)的外壁轴向设有若干引流槽，若干所述引流槽形成所述第二分流孔组(8b)，所述冲击锤头(43)下行撞击所述承压段(441)。

4.根据权利要求1、2或3所述的复合冲击钻进提速装置，其特征在于：在所述分流座(41)的上游段外壁设有至少两段螺旋槽，所有所述螺旋槽绕所述分流座(41)环向均匀分布，在所述外筒体(1)内对应所述螺旋槽分别设有导向柱(12)，所述导向柱(12)的外端与所述外筒体(1)内壁固定，所述导向柱(12)的内端伸入所述螺旋槽内。

5.根据权利要求1、2或3所述的复合冲击钻进提速装置，其特征在于：所述冲击锤头(43)的上游端外壁径向向外凸出，所述冲击锤头(43)的下游端外壁径向向外凸出，所述冲击锤头(43)的上游端外壁和下游端外壁与所述导流套筒(42)轴向滑动装配。