CN114776213A - 基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，包括：传压机构；钻进机构，部分设置在传压机构内，钻进机构与传压机构连接，且能够在传压机构内移动；弹性缓冲件，设置在传压机构内；其中，下压传压机构，弹性缓冲件将压力传递给钻进机构，同时传压机构还能带动钻进机构旋转，往复下压和上提传压机构能够实现对井底的冲击旋转钻进。基于本发明的技术方案，传压机构不仅能向钻进机构施加压力，还能带动钻进机构旋转。这样实现了旋转冲击钻井工具的冲击旋转钻进破岩的功能。与相关技术中的冲击钻井工具相比，增加了旋转破岩的功能，从而提高了旋转冲击钻井工具的钻进效率。

Description

基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具

技术领域

本发明涉及石油钻井提速设备技术领域，特别地涉及一种基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具。

背景技术

目前，冲击钻井是利用顿钻钻机使钻杆和钻绳产生上下往复动作，从而带动在其下端的钻头对井底冲击破碎岩石的钻井方法。冲击钻井技术可在钻头上形成具有一定频率的冲击功，改变井底岩石的受力状态，结合硬质岩层本身抗冲击载荷能力差的特点，在间歇式冲击载荷作用下形成剪切破岩，并可使岩石表面的裂纹裂隙持续扩展，降低其机械强度，有利于提高破岩钻进的机械钻速、提高工作效率。

然而，相关技术中的冲击钻井工具受其自身结构的限制，其钻进效率很难提高。

以上也就是说，相关技术中的冲击钻井工具受其自身结构的限制导致其钻进效率很难提高的问题。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，解决了冲击钻井工具受其自身结构的限制导致其钻进效率很难提高的问题。

本发明的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，包括：传压机构；钻进机构，部分设置在传压机构内，钻进机构与传压机构连接，且能够在传压机构内移动；弹性缓冲件，设置在传压机构与钻进机构之间形成的容纳腔；其中，下压传压机构，弹性缓冲件将压力传递给钻进机构，同时传压机构还能带动钻进机构旋转，往复下压和上提传压机构能够实现对井底的冲击旋转钻进。

在一个实施方式中，钻进机构与传压机构之间还设置有增压腔，增压腔与容纳腔不连通，通过向增压腔打压以下压钻进机构对井底进行冲击钻进。通过本实施方式，传压机构与钻进机构发生相对滑动时，这样使得增压腔内的钻井液产生周期性压力，并将水力能量通过钻进机构传递至钻头形成动载荷。水力能量产生的动载荷和碟簧传递的钻压相互耦合，形成冲击载荷，从而完成了钻柱振动能量和水力能量到冲击能量的转化，进而实现了井底钻头的旋转冲击破岩。

在一个实施方式中，传压机构包括：上接头，其一端与上部钻柱连接；外筒，一端与上接头的另一端连接；锁紧螺母，与外筒的另一端连接。

在一个实施方式中，锁紧螺母设置有环形限位台阶，用于防止钻进机构从传压机构内脱出。通过本实施方式，环形限位台阶具有防脱功能，防止钻进机构从传压机构内脱出，进而确保基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具能够正常地工作。

在一个实施方式中，钻进机构包括：承压组件；换向阀，套设在承压组件的外周上，换向阀上设有径向通孔；限位螺母，套设在承压组件的外周上，用于限定换向阀在承压组件上的轴向位置；拉绳，从径向通孔穿设出并同向缠绕在换向阀的外周上，拉绳的一端与环形限位台阶的第一端连接，拉绳的另一端与环形限位台阶的第二端连接；其中，环形限位台阶的第一端与第二端相对于锁紧螺母的中心轴线对称设置。通过本实施方式，下压传压机构，拉绳拉紧，且同向缠绕贴紧在换向阀的外周面上，并产生一个让换向阀转动的旋转力，以使换向阀带动承压组件以及承压组件下方的钻头转动，上提传压机构，拉绳松开，不完全贴紧在换向阀的外周面上，再继续下压传压机构，拉绳拉紧，且同向缠绕贴紧在换向阀的外周面上，并产生一个让换向阀转动的旋转力，这样能够进一步地增加换向阀的转速，从而增加钻头的旋转速度。这样反复上提和下压传压机构实现了冲击钻井工具的旋转破岩功能。

在一个实施方式中，钻进机构包括吊环，吊环分别设置在环形限位台阶的第一端与第二端上。

在一个实施方式中，承压组件包括：承压杆，限位螺母和换向阀套设在承压杆的外周上；承压头，设置在承压杆靠近上接头的一端；承压头的上端与上接头的内壁限定出增压腔。

在一个实施方式中，钻进机构还包括下接头，下接头与承压杆远离上接头的一端连接。

在一个实施方式中，承压杆与外筒之间设置有容纳腔。

在一个实施方式中，传压机构还包括上承压座，上承压座固定在上接头内，上承压座内设置有凹槽，下压上接头，承压头抵接在凹槽内，以阻挡外部液体流入增压腔内。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

传压机构不仅能向钻进机构施加压力，还能带动钻进机构旋转。这样实现了基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具的冲击旋转钻进破岩的功能。与相关技术中的冲击钻井工具相比，增加了旋转破岩的功能，从而提高了冲击钻井工具的钻进效率。弹性缓冲件用于减缓上部钻柱振动以及传递钻压，同时避免了钻进机构与井底岩石直接刚性接触，从而减少了基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具的内部振动，延长了基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具的使用寿命。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具的剖面结构示意图；

图2显示了图1中旋转冲击钻井工具B-B处的剖面视图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

附图标记：

10、传压机构；11、上接头；12、外筒；13、锁紧螺母；131、环形限位台阶；14、上承压座；20、钻进机构；21、承压组件；211、承压杆；2111、传动键；212、承压头；22、换向阀；221、传动槽；222、径向通孔；23、限位螺母；24、拉绳；26、下接头；27、吊环；30、弹性缓冲件；40、增压腔；50、滚动轴承；60、容纳腔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

需要说明的是，本申请中钻进机构20的底部连接有钻头。用于井底的破岩钻进。

如图1所示，本发明提供了一种基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其包括传压机构10、钻进机构20、弹性缓冲件30。其中，钻进机构20部分设置在传压机构10内，钻进机构20与传压机构10连接，且能够在传压机构10内移动；弹性缓冲件30设置在传压机构10和钻进机构之间形成的容纳腔60内；下压传压机构10，弹性缓冲件30将压力传递给钻进机构20，同时传压机构10还能带动钻进机构20旋转，往复下压和上提传压机构10能够实现对井底的冲击旋转钻进。

上述设置中，传压机构10不仅能向钻进机构20施加压力，还能带动钻进机构20旋转。这样实现了旋转冲击钻井工具的冲击旋转钻进破岩的功能。与相关技术中的冲击钻井工具相比，增加了旋转破岩的功能，从而提高了冲击钻井工具的钻进效率。

另外，弹性缓冲件30用于减缓上部钻柱振动以及传递钻压，同时避免了钻进机构20与井底岩石直接刚性接触，从而减少了旋转冲击钻井工具的内部振动，延长了旋转冲击钻井工具的使用寿命。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，弹性缓冲件30采用碟簧。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，钻进机构20与传压机构10之间设置有增压腔40，其与容纳腔60不连通，通过向增压腔40打压以下压钻进机构20对井底进行冲击钻进。

上述设置中，传压机构10与钻进机构20发生相对滑动(轴向滑动)，这样使得增压腔40内的钻井液产生周期性压力，并将水力能量通过钻进机构20传递至钻头形成动载荷。水力能量产生的动载荷和碟簧传递的钻压相互耦合，形成冲击载荷，从而完成了钻柱振动能量和水力能量到冲击能量的转化，进而实现了井底钻头的旋转冲击破岩功能。

需要说明的是，冲击钻井工具内部设置有钻井液通道，钻井液能够从上部钻柱的内部通道经过该钻井液通道流入井底，用于清洗井底。增压腔40则是钻井液通道的组成部分。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，传压机构10包括上接头11、外筒12和锁紧螺母13。其中，上接头11的一端与上部钻柱连接，外筒12的一端与上接头11的另一端连接，锁紧螺母13与外筒12的另一端连接。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，锁紧螺母13设置有环形限位台阶131，用于防止钻进机构20从传压机构10内脱出。

上述设置中，环形限位台阶131具有防脱功能，防止钻进机构20从传压机构10内脱出，进而确保旋转冲击钻井工具能够正常地工作。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，钻进机构20包括承压组件21、换向阀22、限位螺母23、拉绳24。

其中，换向阀22套设在承压组件21的外周上，限位螺母23套设在承压组件21的外周上，用于限定换向阀22在承压组件21上的轴向位置。拉绳24从径向通孔222穿设出并同向缠绕在换向阀的外周上，拉绳24的一端与环形限位台阶131的第一端连接，拉绳24的另一端与环形限位台阶131的第二端连接。其中，环形限位台阶131的第一端与第二端相对于锁紧螺母13的中心轴线对称设置。

上述设置中，下压传压机构10，拉绳24拉紧，且同向缠绕贴紧在换向阀22的外周面上，并产生一个让换向阀22转动的旋转力，以使换向阀22带动承压组件21以及承压组件21下方的钻头转动(类似陀螺绳驱动陀螺转动)，上提传压机构10，拉绳24松开，不完全贴紧在换向阀22的外周面上，再继续下压传压机构10，拉绳24拉紧，且同向缠绕贴紧在换向阀22的外周面上，并产生一个让换向阀22转动的旋转力，这样能够进一步地增加换向阀22的转速，从而增加钻头的旋转速度。这样反复上提和下压传压机构10实现了冲击钻井工具的旋转破岩功能。

需要说明的是，拉绳24同向缠绕在换向阀22的外周面上的圈数可根据需要的旋转力的大小进行设定。需要的旋转力越大，通常同向缠绕的圈数越多。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，拉绳24采用具有防腐功能的柔性钢丝绳。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，钻进机构20包括吊环27，吊环27分别设置在环形限位台阶131的第一端与第二端上。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，承压组件21包括承压杆211、承压头212。限位螺母23和换向阀22套设在承压杆211的外周上，承压头212设置在承压杆211靠近上接头11的一端，承压头212的上端与上接头11的内壁限定出增压腔40。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，钻进机构20还包括下接头26，下接头26与承压杆211远离上接头11的一端连接。

需要说明的是，下接头26的另一端与钻头连接，用于井底破岩。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，承压杆211与外筒12之间设置有容纳腔60。

具体地，如图1所示，在一个实施例中，传压机构10还包括上承压座14，上承压座14固定在上接头11内，上承压座14内设置有凹槽，下压上接头11，承压头212抵接在凹槽内，以阻挡外部液体流入增压腔40内。

具体地，如图2所示，在一个实施例中，换向阀22内设置有传动槽221，承压杆211上设置有传动键2111，传动键2111与传动槽221相配合。

上述设置中，换向阀22内设置有传动槽221能够带动承压杆211旋转，从而带动其下的下接头26和钻头一同旋转，进而实现了冲击钻井工具的旋转钻进功能。

具体地，如图2所示，在一个实施例中，传动槽221为弧形槽，传动键2111为与其相适配的弧形键。

需要说明的是，经过多年勘探开发，我国浅层油气资源储量不断减少，钻井开发工程逐渐转向深部地层、非常规油气资源及海上油气田等以碳酸盐岩等硬岩油层为主的地区发展，存在地层温度高、钻井循环介质压力损耗大、钻压不能有效施加、机械钻速低等难题。常规钻井作业中，钻压通常由钻柱重量施加，结合水力喷射作用清理岩屑，而在深井、超深井钻进时，沿程水力损失大幅增加，在地面机泵功率不变的条件下，井底钻头可用水马力急剧下降，导致水力破岩、清岩能力也大大降低，使得井底岩屑不能及时清除而发生重复破碎，甚至造成钻头泥包，导致破岩钻进效率降低、机械钻速下降。深井、超深井钻井提速问题已成为国内外学者研究的热点问题。其中，冲击式钻井技术可在钻头上形成具有一定频率的冲击功，改变井底岩石的受力状态，结合硬质岩层本身抗冲击载荷能力差的特点，在间歇式冲击载荷作用下形成剪切破岩，并可使岩石表面的裂纹裂隙持续扩展，降低其机械强度，有利于提高破岩钻进的机械钻速、提高工作效率。

下面结合图1和图2，阐述一下本申请的一个完整的实施例：

本发明提供了一种基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，主要包括上接头11、外筒12、碟簧、承压杆211、下接头26、滚动轴承50、换向阀22和承压头212，承压头212与上接头11形成环形空间，可使得承压头212与上接头11之间发生相对运动。承压杆211上边安装有承压头212，用于将周期性变化的流体压力转为周期性波动冲击力。上接头11与下接头26之间装有密封圈，且承压头台阶面与外筒台阶面之间形成限位作用，可防止承压杆211掉落。外筒12与承压杆211之间形成一环形空间，在环形空间(容纳腔60)内装有碟簧，用于减缓上部钻柱振动以及传递钻压。换向阀22与承压杆台阶面设置滚动轴承50，用以减小摩擦。换向阀22上装配有钢丝绳，按照顺时针或者逆时针方向同向缠绕于换向阀22的外周，并将钢丝绳的末端固定于吊环27上。换向阀22上有台阶面用于限位和防掉落，承压杆下端与下接头26连接，用于传扭和传递钻压。

优选地，冲击钻井工具将钻柱振动能量转化为旋转机械能和冲击能量，在承压头212和上接头11发生相对位移时，将流经装置内部的水力能量调制为周期性的冲击能量。

优选地，钻头采用螺旋涡轮，螺旋涡轮具有设计结构简单、体积小、能耗低、输出转速高等特征，螺旋涡轮为纯金属结构，可适应深井超深井的高温高压环境。

优选地，工具的下接头26可与井底钻头直接连接，承压杆211与下接头26连接，在增压腔40内产生的周期性液动压力作用在承压头212上并通过下接头26传递至井底钻头，配合旋转冲击钻井方式，提高了钻头在深井硬质岩层的破岩效率，大幅提高机械钻速。该液动压力作用于承压头212，是一种软接触的方式，工具整个工作过程中无机械式硬冲击，相较于传统机械式冲击具有能量损耗低、易损件少、工作寿命长等优势。

优选地，在钻柱上下振动时，同向缠绕于换向阀22上的绳索带动换向阀22实现转动，并将之通过换向阀22传递至钻头实现钻头的高速旋转，在实现冲击作用的基础上，进一步的提高了钻头转速，在提高钻井速度同时，还能防止卡钻。

优选地，在钻柱振动过程中，由于上接头11与承压头212之间发生相对位移，使得流经工具内部的钻井液产生周期性水力脉冲能量，可将井底岩石有效剥离井底，提高岩屑的清洗能力。

优选地，可通过优化碟簧、换向阀22、流量等设计和工作参数，以改变作用于钻头上的冲击载荷的基本特征，调制出适用于不同地层岩石的冲击载荷，以扩大本发明工具的适用性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，包括：

传压机构；

钻进机构，部分设置在所述传压机构内，所述钻进机构与所述传压机构连接，且能够在所述传压机构内移动；

弹性缓冲件，设置在所述传压机构与所述钻进机构之间形成的容纳腔内；

其中，下压所述传压机构，所述弹性缓冲件将压力传递给所述钻进机构，同时所述传压机构还能带动所述钻进机构旋转，往复下压和上提所述传压机构能够实现对井底的冲击旋转钻进。

2.根据权利要求1所述的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，所述钻进机构与所述传压机构之间还设置有增压腔，所述增压腔与所述容纳腔不连通，通过向所述增压腔打压以下压所述钻进机构对所述井底进行冲击钻进。

3.根据权利要求2所述的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，所述传压机构包括：

上接头，其一端与上部钻柱连接；

外筒，一端与所述上接头的另一端连接；

锁紧螺母，与所述外筒的另一端连接。

4.根据权利要求3所述的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，所述锁紧螺母设置有环形限位台阶，用于防止所述钻进机构从所述传压机构内脱出。

5.根据权利要求4所述的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，所述钻进机构包括：

承压组件；

换向阀，套设在所述承压组件的外周上，所述换向阀上设有径向通孔；

限位螺母，套设在所述承压组件的外周上，用于限定所述换向阀在所述承压组件上的轴向位置；

拉绳，从所述径向通孔穿设出并同向缠绕在所述换向阀的外周上，所述拉绳的一端与所述环形限位台阶的第一端连接，所述拉绳的另一端与所述环形限位台阶的第二端连接；

其中，所述环形限位台阶的第一端与第二端相对于所述锁紧螺母的中心轴线对称设置。

6.根据权利要求5所述的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，所述钻进机构包括吊环，所述吊环分别设置在所述环形限位台阶的第一端与第二端上。

7.根据权利要求5所述的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，所述承压组件包括：

承压杆，所述限位螺母和所述换向阀套设在所述承压杆的外周上；

承压头，设置在所述承压杆靠近所述上接头的一端；

所述承压头的上端与所述上接头的内壁限定出所述增压腔。

8.根据权利要求7所述的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，所述钻进机构还包括下接头，所述下接头与所述承压杆远离所述上接头的一端连接。

9.根据权利要求7所述的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，所述承压杆与所述外筒之间设置有所述容纳腔。

10.根据权利要求7所述的基于钻柱振动的旋转冲击钻井工具，其特征在于，传压机构还包括上承压座，所述上承压座固定在所述上接头内，所述上承压座内设置有凹槽，下压所述上接头，所述承压头抵接在所述凹槽内，以阻挡外部液体流入所述增压腔内。

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