CN113685140A - 一种轴向振荡螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向振荡螺杆钻具，包括螺杆钻具本体和轴向振荡总成，螺杆钻具本体包括旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，旁通阀总成用于控制钻井液流向，旁通阀总成的下方设置防掉总成和马达总成，防掉总成连接在马达总成的上方，马达总成的底部通过万向轴总成连接传动轴总成，马达总成用于将钻井液的液压能转换为驱动传动轴总成绕其中心轴旋转的机械能，传动轴总成的底部连接有能轴向往复移动的轴向振荡总成，轴向振荡总成用于将钻井液的流体能量转换为对钻头的轴向振荡载荷，轴向振荡总成的底部连接钻头。本发明将螺杆钻具和轴向振荡结合在一起，兼容性良好，有效提高钻具机械钻速和钻进能力。

Description

一种轴向振荡螺杆钻具

技术领域

本发明涉及石油开发领域中的井下钻井工具，尤其涉及一种轴向振荡螺杆钻具。

背景技术

随着钻井工程的快速发展，螺杆钻具凭借着在石油工程钻井中较好的实用性和适用性，使其逐渐成为了钻井工程中必不可少的常规钻井工具。螺杆钻具是一种容积式井下动力钻具，以钻井液为驱动介质，把液压能转换为机械能，在马达的进出口形成一定的压差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。螺杆钻具的结构较为简单，可靠性较高。

为了提高螺杆钻具的钻进能力和机械转速，国内外一些学者通过对马达定转子进行改进以增大螺杆钻具的扭矩，如串联马达、加长马达、多头马达等。通过增加扭矩的方式能提高螺杆钻具的破岩效率，但是对螺杆本身的使用寿命及稳定性有一定的影响，同时增加扭矩会降低螺杆钻具的转速。

在硬质地层及长水平井的钻进过程中，由于摩擦阻力的影响，使得传递到近钻头处的钻压较小，而常规螺杆钻具主要是给钻头提供扭矩，不能改变钻头处的钻压。目前，通常采用水力振荡器解决这类“托压”问题，该类工具通过采用产生高频的轴向往复振荡，将钻柱与井壁之间的静摩擦力转换为动摩擦力，从而实现减小摩擦阻力的目的。水力振荡器是一种较为有效的降摩减阻的工具，但是该类工具压降较高，再加上该类工具的安放位置的限制，使得该类工具不能降低近钻头处的摩擦阻力。轴向振荡螺杆钻具吸取螺杆钻具与水力振荡器的优点将螺杆钻具与轴向往复振荡结合在一起，不仅可以改变近钻头处的摩擦阻力过大的问题，而且可以增加钻头的破岩效率和钻进能力。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种轴向振荡螺杆钻具，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴向振荡螺杆钻具，解决现有技术中存在的近钻头摩阻大、破岩效率低等问题，该轴向振荡螺杆钻具将螺杆钻具和轴向振荡结合在一起，兼容性良好，能有效提高钻具机械钻速和钻进能力。

本发明的目的是这样实现的，一种轴向振荡螺杆钻具，包括螺杆钻具本体和轴向振荡总成，所述螺杆钻具本体包括旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，所述旁通阀总成用于控制钻井液流向，所述旁通阀总成的下方设置防掉总成和马达总成，所述防掉总成连接在马达总成上方，所述马达总成的底部连接传动轴总成，所述马达总成用于将钻井液的液压能转换为驱动所述传动轴总成绕其中心轴旋转的机械能，所述传动轴总成向下传递扭矩和转速。所述轴向振荡总成连接在所述传动轴总成的下方，所述轴向振荡总成将钻井液的流体能量转换为对钻头的轴向振荡载荷，所述轴向振荡总成的底部连接钻头。

在本发明的一较佳实施方式中，所述轴向振荡总成包括振荡外壳，所述振荡外壳上方与所述扶正器采用螺纹连接，所述振荡外壳下方与下TC轴承静圈采用螺纹连接，所述振荡外壳上方内部设置上TC轴承静圈，所述上TC轴承静圈内部设置套设在传动轴上的上TC轴承动圈；所述振荡外壳上设置密封槽、两排相同且每排四个周向均匀分布的第一沉头通孔和四个周向均匀分布的泄压孔；所述振荡外壳内部设置内衬，所述内衬上分别设置四个周向均匀分布的第一径向透槽、四个周向均匀分布的第一轴向通孔、两排相同且每排四个周向均匀分布的第一螺纹孔和内外各一个密封槽，所述内衬与所述振荡外壳通过第一螺钉连接固定；所述内衬内部设置悬挂套筒，所述悬挂套筒上端面与所述传动轴的轴肩相抵。

在本发明的一较佳实施方式中，所述轴向振荡总成包括能沿轴向往复移动的振荡轴，所述振荡轴的顶部周向固定且能轴向滑动地连接于所述传动轴的底部，所述振荡轴能随所述传动轴同轴转动，所述振荡轴上设置周向均匀分布的导向键、悬挂槽、第二径向透槽、第二螺纹孔和低压流道槽，所述第二径向透槽、所述第二螺纹孔和所述低压流道槽都是两个且径向对称，三者在同一轴线上；所述导向键与所述传动轴底部的导向键槽周向固定且能轴向滑动，所述悬挂槽外套设悬挂，所述悬挂与所述悬挂套筒配合防止所述振荡轴掉落，所述第二径向透槽与所述第一径向透槽随着所述振荡轴的转动连通和错开；所述振荡轴的中间流道内位于所述第二径向透槽的下方设置节流喷嘴，所述节流喷嘴上沿轴向设置孔径呈减小变化的喷嘴通孔；所述振荡轴第二螺纹孔的位置套设活塞，所述活塞上设置与所述第二螺纹孔相对应的径向对称的通孔，所述活塞与所述振荡轴采用第二螺钉连接固定，所述活塞位于所述内衬的下方且两者不接触，所述活塞上方空间为高压腔且下方空间为低压腔；所述振荡轴的低压流道槽外套设与所述振荡轴过盈配合的下TC轴承动圈，所述下TC轴承动圈外套设的下TC轴承静圈与所述振荡外壳采用螺纹连接，所述活塞下方的低压腔仅仅通过两个所述低压流道槽与工具外部的流体连通；所述振荡轴的底部设置锥螺纹，以连接钻头。

在本发明的一较佳实施方式中，所述轴向振荡总成有一个高压腔和低压腔，所述高压腔位于所述活塞上部由所述振荡外壳内部、所述内衬与所述活塞形成的空间，所述高压腔可以通过所述泄压孔与工具外部连通，所述高压腔可以通过所述第一径向透槽和所述第二径向透槽与工具内部连通；所述低压腔是位于所述活塞底部的空间，所述低压腔仅仅通过两个所述低压流道槽与工具外部连通。

由上所述，本发明提供的轴向振荡螺杆钻具具有如下有益效果：

本发明的轴向振荡螺杆钻具中，将螺杆钻具本体和轴向振荡总成结合在一起，兼容性良好，在钻井液的作用下轴向振荡总成产生轴向往复振荡，可以很好地解决现有技术中存在的近钻头摩阻大、破岩效率低等问题，有效提高钻具的机械钻速和钻进能力。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明的轴向振荡螺杆钻具整体结构示意图。

图2：为图1中Ⅰ处放大图。

图3：为本发明的振荡外壳的示意图。

图4：为本发明的内衬的示意图。

图5：为本发明的振荡轴的示意图。

图中：

1、扶正器；2、上TC轴承动圈；3、上TC轴承静圈；4、传动轴；5、振荡外壳；51、密封槽；52、第一沉头通孔；53、泄压孔；6、内衬；61、第一径向透槽；62、第一轴向通孔；63、第一螺纹孔；7、悬挂套筒；8、振荡轴；81、导向键；82、悬挂槽；83、第二径向透槽；84、第二螺纹孔；85、低压流道槽；9、悬挂；10、第一螺钉；11、O型密封圈；12、高压腔；13、节流喷嘴；14、第二螺钉；15、活塞；16、低压腔；17、下TC轴承动圈；18、下TC轴承静圈。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图5所示，本发明提供一种轴向振荡螺杆钻具：包括螺杆钻具本体和轴向振荡总成，所述螺杆钻具本体包括旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，所述旁通阀总成用于控制钻井液流向，所述旁通阀总成的下方设置防掉总成和马达总成，所述防掉总成连接在马达总成的上方，所述马达总成的底部通过万向轴总成连接传动轴总成，所述马达总成用于将钻井液的液压能转换为驱动所述传动轴总成绕其中心轴旋转的机械能，所述传动轴总成向下传递扭矩和转速。所述轴向振荡总成连接在所述传动轴总成的下方，所述轴向振荡总成将钻井液的流体能量转换为对钻头的轴向振荡载荷，所述轴向振荡总成的底部连接钻头。

本发明的轴向振荡螺杆钻具中，将螺杆钻具本体和轴向振荡总成结合在一起，兼容性良好，在钻井液的作用下轴向振荡总成产生轴向往复振荡，可以很好地解决现有技术中存在的近钻头摩阻大、破岩效率低等问题，有效提高钻具的机械钻速和钻进能力。

进一步，如图1、图2、图3、图4所示，振荡外壳5上方与扶正器1采用螺纹连接，振荡外壳5下方与下TC轴承静圈18采用螺纹连接，振荡外壳5上方内部设置上TC轴承静圈3，上TC轴承静圈3内部设置套设在传动轴4上的上TC轴承动圈2；振荡外壳5上设置密封槽51、两排相同且每排四个周向均匀分布的第一沉头通孔52和四个周向均匀分布的泄压孔53；振荡外壳5内部设置内衬6，内衬上设置四个周向均匀分布的第一径向透槽61、四个周向均匀分布的第一轴向通孔62、两排相同且每排四个周向均匀分布的第一螺纹孔63和内外各一个密封槽，内衬6与振荡外壳5通过第一螺钉10连接固定；内衬6内部设置悬挂套筒7，悬挂套筒7的上端面与传动轴4的轴肩相抵。

进一步，如图1、图2、图5所示，振荡轴8上设置周向均匀分布的导向键81、悬挂槽82、第二径向透槽83、第二螺纹孔84和低压流道槽85，第二径向透槽83、第二螺纹孔84和低压流道槽85都是两个且径向对称，三者在同一轴线上；振荡轴8顶部的导向键81与传动轴4底部的导向键槽周向固定且能轴向滑动，振荡轴8的悬挂槽82外套设悬挂9，悬挂9与悬挂套筒7配合防止振荡轴8掉落，振荡轴8的第二径向透槽83与内衬6的第一径向透槽61随着振荡轴8的转动连通和错开；振荡轴8的中间流道内位于第二径向透槽83的下方设置节流喷嘴13，节流喷嘴13上沿轴向设置孔径呈减小变化的喷嘴通孔；振荡轴8的第二螺纹孔84的位置套设活塞15，活塞15上设置与第二螺纹孔84相对应的径向对称的通孔，活塞15与振荡轴8采用第二螺钉连接固定，活塞15位于内衬6下方且两者不接触，活塞15上方空间为高压腔12且下方空间为低压腔16；振荡轴8的低压流道槽85外套设下TC轴承动圈17，下TC轴承动圈17外套设的下TC轴承静圈18与振荡外壳5采用螺纹连接，活塞15下方的低压腔16仅仅通过两个低压流道槽85与工具外部的流体连通。振荡轴8的底部设置锥螺纹，以连接钻头。

本发明的轴向振荡螺杆钻具的使用过程如下：

轴向振荡螺杆钻具在使用时，只要钻头有钻压，就会一直受到挤压，只要活塞15不向下移动，振荡轴8就会处于轴向振荡冲击行程的最上端位置。

工作过程中，钻井液通过螺杆钻具本体流到传动轴4的中间流道，通过振荡轴8的中间流道继续往下流，此时传动轴4转动，振荡轴8与传动轴4一起同轴转动。当钻井液未流到振荡轴8的第二径向透槽83时，此时振荡轴8处于轴向振荡冲击行程的最上端位置，振荡轴8的转动导致第二径向透槽83与第一径向透槽61间歇性连通和错开，高压腔12通过泄压孔53与工具外部连通，处于低压状态。当钻井液流到第二径向透槽83和节流喷嘴13时，节流喷嘴13对钻井液进行节流憋压，使得节流喷嘴12之前的钻井液压力增大。当第二径向透槽83与第一径向透槽61连通时，高压流体通过两个透槽流入高压腔12，高压腔12通过泄压孔53与工具外部连通，少部分的高压流体会通过泄压孔53流到工具外部，但是对高压腔的压力影响较小，而低压腔16一直通过低压流道槽85与工具外部连通，一直保持低压状态，此时活塞15上方的压力大于下方的压力，活塞15带动振荡轴8一起下移。当第二径向透槽83与第一径向透槽61错开时，二者呈封隔态，高压流体无法通过两个透槽进入高压腔12，高压腔12的高压流体可以通过泄压孔53流到工具外部，直到高压腔12的压力与工具外部压力相同为止，此时高压腔12与低压腔16无压差，活塞15不受压力，在钻压向上的作用下，钻头顶抵振荡轴8上移恢复至下移前的状态。第二径向透槽83与第一径向透槽61周期性的重合和错开导致振荡轴8轴向往复振荡。

由上所述，本发明提供的轴向振荡螺杆钻具具有如下有益效果：

本发明的轴向振荡螺杆钻具中，将螺杆钻具本体和轴向振荡总成结合在一起，兼容性良好，在钻井液的作用下轴向振荡总成产生轴向往复振荡，可以很好地解决现有技术中存在的近钻头摩阻大、破岩效率低等问题，有效提高钻具的机械钻速和钻进能力。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种轴向振荡螺杆钻具，其特征在于，包括螺杆钻具本体和轴向振荡总成，所述螺杆钻具本体包括旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，所述旁通阀总成用于控制钻井液流向，所述旁通阀总成的下方设置防掉总成和马达总成，所述防掉总成连接在马达总成上方，所述马达总成的底部连接传动轴总成，所述马达总成用于将钻井液的液压能转换为驱动所述传动轴总成绕其中心轴旋转的机械能，所述传动轴总成向下传递扭矩和转速；所述轴向振荡总成连接在所述传动轴总成的下方，所述轴向振荡总成将钻井液的流体能量转换为对钻头的轴向振荡载荷，所述轴向振荡总成的底部连接钻头。

2.如权利要求1所述的轴向振荡螺杆钻具，其特征在于，所述轴向振荡总成包括能沿轴向往复移动的振荡轴，所述振荡轴顶部设置的周向均匀分布的导向键与传动轴底部相对应的导向键槽配合使用使所述振荡轴与所述传动轴周向固定且能轴向滑动，所述振荡轴能随所述传动轴同轴转动，所述振荡轴上设置轴向贯通的中间流道，所述振荡轴的外侧套设振荡外壳，所述振荡外壳的上方与扶正器的下方采用螺纹连接，所述振荡外壳上方内部放置上TC轴承静圈，所述上TC轴承静圈内部放置套设在所述传动轴上的上TC轴承动圈，所述振荡轴和所述振荡外壳之间套设能驱动所述振荡轴沿轴向往复振荡的重要部件。

3.如权利要求2所述的轴向振荡螺杆钻具，其特征在于，所述振荡轴上设置位于所述导向键下方的悬挂槽，所述悬挂槽外套设防止所述振荡轴掉落的悬挂和悬挂套筒，所述振荡轴上位于所述悬挂槽的下方设置两个径向对称的第二径向透槽，所述振荡轴的中间流道内位于所述第二径向透槽的下方设置节流喷嘴，所述节流喷嘴上沿轴向设置孔径呈减小变化的喷嘴通孔；所述振荡轴上位于所述第二径向透槽的下方设置两个径向对称的第二螺纹孔，所述振荡轴底部外壁设置两个径向对称的低压流道槽，所述第二径向透槽、所述第二螺纹孔和所述低压流道槽三者在同一轴线上；所述振荡轴的底部设置锥螺纹，以连接钻头。

4.如权利要求2所述的轴向振荡螺杆钻具，其特征在于，所述振荡外壳的外壁设置两排第一沉头通孔，每排各四个且周向均匀分布，所述振荡外壳外壁位于所述第一沉头通孔的下方设置四个周向均匀分布的泄压孔，所述振荡外壳内设置内衬，所述内衬外壁设置与所述第一沉头通孔一一对应的第一螺纹孔，所述内衬与所述振荡外壳通过第一螺钉连接固定；所述内衬底部外壁上设置四个周向均匀分布的第一径向透槽，所述第一径向透槽与所述第二径向透槽随着振荡轴的转动连通和错开，所述内衬上设置四个均匀分布第一轴向通孔，所述内衬内设置悬挂套筒。

5.如权利要求3所述的轴向振荡螺杆钻具，其特征在于，所述第二螺纹孔的位置套设活塞，所述活塞上设置与所述第二螺纹孔相对应的径向对称的通孔，所述活塞与所述振荡轴采用第二螺钉连接固定，所述活塞位于所述内衬下方且两者不接触，所述活塞上方空间为高压腔且下方空间为低压腔，所述高压腔通过所述泄压孔与工具外部的流体连通，所述高压腔通过连通的所述第一径向透槽和所述第二径向透槽与所述振荡轴的中间流道的流体连通。

6.如权利要求3所述的轴向振荡螺杆钻具，其特征在于，所述振荡轴的低压流道槽外套设与所述振荡轴过盈配合的下TC轴承动圈，所述下TC轴承动圈外套设的下TC轴承静圈与所述振荡外壳的下方采用螺纹连接，所述活塞下方的低压腔仅仅通过两个所述低压流道槽与工具外部的流体连通。

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