CN115711089A - 用于钻具的增压工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于钻具的增压工具，包括依次连接的动力产生单元、增压单元以及动力输出单元。其中，动力产生单元包括中空圆柱体形式的定子壳体，以及安装在定子壳体内部的螺杆转子。增压单元包括限定有内部通道的壳体，以及安装在壳体内的增压组件。其中，增压组件构造成能够周期性地改变流经内部通道的流体的流量，以使螺杆转子产生周期性的压力波动，从而形成轴向及扭转的复合冲击力并传递给动力输出单元。

Description

用于钻具的增压工具

技术领域

本发明涉及石油及天然气钻井设备的领域，具体涉及一种用于在石油天然气勘探开发中实现钻井提速的用于钻具的增压工具。

背景技术

随着油气勘探开发的不断发展，深井超深井钻井、深水海洋钻井、页岩油/气开采、干热岩地热资源开发、能源开发以及科学钻探等领域不断拓宽，钻遇地层更加古老，岩石强度大、研磨性高、可钻性差。这会使得钻具的跳动严重，最终导致钻速慢、钻井周期长、钻进成本逐渐升高。因此，在钻井领域中对钻井提速的需求日趋强烈。

旋冲钻井技术是快速钻进的现有方法之一。在该技术中，利用各种冲击钻井工具，通过钻井液驱动冲锤来产生高频冲击动载，其能使岩石产生体积破碎，从而提高破岩效率。另外，通过将螺杆复合双驱钻进技术与冲击回转钻进技术相结合，形成了一种复合冲击钻井技术，其提速效果也比较明显。此外还提出了螺杆转盘双驱复合钻井技术，其通过优选大功率螺杆，从而提高旋转速度和切削强度。在旋冲钻井过程中，钻压保持切削齿与岩石紧密接触，冲击载荷瞬间提高岩石的破碎比功。而在冲击形成的裂隙处，在螺杆的高转速下，进一步促进岩石压碎和旋转剪切破碎，从而提高破岩效率。

然而，当钻头破岩能力不足时，吃入岩石的钻头会瞬间停止转动。在这种情况下，钻柱仍保持旋转，直到钻头处积蓄的能量达到剪切破碎地层的临界值为止。此时，钻头瞬间高速转动并释放钻柱能量，随后整个钻柱进入“卡-滑”循环。“卡-滑”现象的出现，直接引起无规律的震动，在钻头的齿上施加比平时高很多的冲击载荷，导致钻头过早失效。同时，这种“卡-滑”现象也会缩短底部钻具组合的使用寿命，最终也会影响井身质量。而上述旋冲钻井技术、复合冲击钻井技术和螺杆转盘双驱复合钻井技术均无法很好地解决这种“卡-滑”现象。

发明内容

针对上述技术问题，本申请的申请人通过研究发现，通过在进钻头端周期性地施加既有扭转冲击和又有轴向冲击的复合冲击作用，能够提高钻头的破岩效率，有效缓解钻进过程中“卡-滑”现象所造成的一系列问题。

根据本发明，提供了一种用于钻具的增压工具，包括依次连接的动力产生单元、增压单元以及动力输出单元。其中，所述动力产生单元包括中空圆柱体形式的定子壳体，以及安装在所述定子壳体内部的螺杆转子。所述增压单元包括限定有内部通道的壳体，以及安装在所述壳体内的增压组件。其中，所述增压组件构造成能够周期性地改变流经所述内部通道的流体的流量，以使所述螺杆转子产生周期性的压力波动，从而形成轴向及扭转的复合冲击力并传递给所述动力输出单元。

根据本发明的一个实施例，所述增压组件包括处于上游的与所述螺杆转子相连的阀盘件，以及处于下游的阀块件。其中，所述阀盘件具有用于流体的沿轴向延伸的通孔，所述阀块件具有沿径向延伸的挡块，所述阀盘件能够由所述螺杆转子带动旋转，使得所述通孔周期性地被所述挡块至少部分地挡住。

根据本发明的一个实施例，所述阀盘件具有包括直径较小的圆筒部分和直径较大的圆盘部分，在所述圆盘部分上沿周向均匀地设有若干个所述通孔。

根据本发明的一个实施例，各所述通孔均构造成在朝向下游的方向上具有逐渐增大的直径。

根据本发明的一个实施例，所述挡块的宽度大于所述通孔的宽度。

根据本发明的一个实施例，所述阀块件包括直径较小的第一部分和直径较大的第二部分，其中，所述第一部分和第二部分通过过渡的坡面或弧面彼此连接。

根据本发明的一个实施例，在所述第一部分中设置有若干个沿周向均匀布置的汇流孔，各所述汇流孔沿着径向向内的方向朝向下游倾斜的方式布置。

根据本发明的一个实施例，所述挡块设置在所述第一部分的上游端处，并与所述阀盘件的下游端面贴合。

根据本发明的一个实施例，所述增压单元还包括安装在所述壳体内的万向轴组件，所述万向轴组件将所述螺杆转子与所述增压组件相连。

根据本发明的一个实施例，所述增压工具还包括设置在所述动力产生单元的上游的防掉帽，以及设置在所述防掉帽的上游的旁通阀。其中，所述防掉帽通过连接接头与所述螺杆转子相连。

附图说明

下面将结合附图来对本发明进行详细地描述，在图中：

图1示意性显示了根据本发明的一个实施例的增压工具的第一部分的结构；

图2示意性显示了根据本发明的一个实施例的增压工具的第二部分的结构；

图3示意性显示了图1所示的增压工具中的增压组件的结构；

图4显示了图2中的A-A截面图；

图5示意性显示了图3所示的增压组件中的阀块件的结构。

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绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。为方便理解，在本说明书中，方向性用语“纵向”或“轴向”指的是沿增压工具的长度方向，即图1和2中的水平方向，用语“横向”或“径向”指的是垂直于“纵向”或“轴向”的方向，即图1和2中的垂直方向，用语“上游”或“上方”或类似用语指的是靠近井口的方向，即图1和2中的左端方向，用语“下游”或“下方”或类似用语指的是远离井口的方向，即图1和2中的右端方向。

图1和2共同示意性显示了根据本发明的一个实施例的增压工具100，其中图1显示了增压工具100的第一部分，而图2显示了增压工具100的第二部分。需要说明的是，这里对增压工具100的第一部分和第二部分的划分仅是出于图面显示方便的目的，并未对增压工具100的实际结构有任何限定作用。

如图1所示，增压工具100包括处于最上游的上接头10，并通过上接头10与钻具的其它部分相连接。在上接头10内限定了中心通道25，供井下流体从中通过。井下流体例如为钻井液，为方便起见，在下文中将以钻井液为例进行说明。在上接头10内安装有旁通阀20。上接头10和旁通阀20都是本领域中所熟知的部件，在此略去相关的详细说明。

根据本发明的增压工具100还包括防掉帽30，以及动力发生单元40。如图1所示，动力发生单元40包括定子外壳42，其构造为中空的圆柱体。定子外壳42的上游端与上接头10的下游端固定连接，例如通过螺纹连接。在定子外壳42内设置有螺杆转子44。

根据本发明，防掉帽30设置在动力发生单元40的定子外壳42内，并且与螺杆转子44固定连接。优选地，防掉帽30通过连接接头50与螺杆转子44相连接。例如，连接接头50可分别通过螺纹配合而与防掉帽30和螺杆转子44相连接。如图1所示，防掉帽30能够坐落在定子外壳42的内部台阶上。这样，在起钻或下钻的过程中，增压工具100的内部部件(例如动力发生单元40、动力输出单元70等)以及与增压工具100相连接的钻头会因重力的作用而向下滑落，然而通过防掉帽30卡落在定子外壳42的内部台阶上，便可以防止整个内部管串掉落到井底。

根据本发明的增压工具100还包括增压单元60，以及动力输出单元70。如图2所示，增压单元60包括限定了内部通道63的中空圆柱形壳体61，以及安装在壳体61中的彼此固定连接的万向轴组件62和增压组件90。万向轴组件62与动力发生单元40的螺杆转子44相连接，其可以采用十字形万向轴或者花瓣形万向轴等形式。

图3示意性显示了根据本发明的增压工具100中的增压组件90的结构。如图所示，增压组件90包括处于上游的阀盘件91和处于下游的阀块件95，其中阀盘件91与万向轴组件62固定相连，而阀块件95与动力输出单元70的动力输出主轴72(图2)固定相连。

如图3所示，根据本发明，阀盘件91构造成阶梯轴的形式，包括直径较小的圆筒部分94和直径较大的圆盘部分92。在圆盘部分92上沿周向均匀设置了若干个沿轴向延伸的通孔93，其作用将在下文中介绍。类似地，阀块件95也构造成阶梯轴的形式，包括直径较小的第一部分96和直径较大的第二部分97。

阀盘件91和阀块件95均具有中心通道，它们彼此对齐，用于供一部分钻井液从中流过。容易理解，另外一部分钻井液会通过增压单元60的内部通道63(即增压组件90的径向外部和壳体61的径向内部之间)向下游流动。

如图5所示，根据本发明，在阀块件95的第一部分96的外周面上的上游端处固定地设有径向延伸的挡块99。挡块99的端面与阀块件95的第一部分96的端面平齐，使得挡块99的端面正好与阀盘件91的圆盘部分92的下游端面紧密地贴合在一起，如图3所示。

因此，在工作期间，螺杆转子44在钻井液的冲击下发生旋转，并经由万向轴组件62带动增压组件90的阀盘件91旋转。在旋转了一定角度之后，阀盘件91上的通孔93会被阀块件95上的挡块99所挡住。在这种情况下，流经增压单元60的内部通道63的那一部分钻井液就会被阻挡，从而无法向下游流动。由此，螺杆转子44内的压力会有一定的增加。当阀盘件91继续旋转而使得通孔93离开挡块99的位置之后，流经增压单元60的内部通道63的那一部分钻井液又可继续向下游流动。在这种情况下，螺杆转子44内的压力恢复。通过这种方式，挡块99能够周期性地挡住阀盘件91上的通孔93，从而周期性地阻碍一部分钻井液的向下游的流动。图4示出了挡块99未挡住通孔93的状态。

因此，一方面，这一部分钻井液会在增压工具100的内部形成水力脉冲压力，对位于下游的动力输出单元70的动力输出主轴72(将在下文中结合图2来介绍)产生周期性的轴向冲击力。另一方面，由于增压工具100内部的钻井液排量呈周期性变化，因此螺杆转子44输出到动力输出主轴72处的周向扭矩也会发生周期性的变化，由此产生了周期性的扭转冲击力。这样，如上所述的周期性变化的轴向冲击力和周期性变化的扭转冲击力共同形成了周期性变化的复合冲击力，其能够极大地减小摩阻和降低“卡-滑”现象，同时有效地减轻定向托压或卡钻等复杂情况的发生。

需要说明的是，在图3到5中仅出于示意性的目的示出了若干个通孔93和一个挡块99。然而可以理解，通孔93和挡块99的数量可以根据实际情况的需要而适当选择。通孔93和挡块99均可设置多个，并且通孔93的数量可以与挡块99的数量相等，也可以更多或者更少。

根据本发明的一个实施例，挡块99设置为扇形或矩形，而通孔93设置为圆形、条形、方形或扇形。优选地，挡块99的宽度选择成大于通孔93的宽度。更优选地，挡块99构造成能够完全覆盖住通孔93。

在一个未示出的实施例中，通孔93构造成具有变化的直径。具体地说，通孔93的直径均设置成在朝向下游的方向上逐渐变大。通过这种设置，可以强化钻井液排量的周期性变化，进一步加强周期性的复合冲击力的效果。

另外，如图3所示，根据本发明，阀块件95的直径较小的第一部分96和直径较大的第二部分97之间设有过渡的坡面或弧面。一方面，这种设置可以减小应力集中，增加两个部分之间的连接强度。另一方面，直径较小的第一部分96减小了流体阻力，有利于降低钻具的整体压降。

此外，根据本发明，在阀块件95的直径较小的第一部分96中设置有若干个沿周向均匀布置的汇流孔98。各汇流孔98沿着径向向内的方向朝向下游倾斜的方式布置。这样，流过通孔93的那一部分钻井液会经汇流孔98进入到阀块件95的中心通道内，使得所有钻井液均会从增压组件90的中心通道向下游继续流动。这便显著提高了钻井液的利用效率。

如图2所示，根据本发明的增压工具100的动力输出单元70主要包括壳体75，以及安装在壳体75内的动力输出主轴72。壳体75的上游端与增压单元60的壳体61固定连接，而下游端则与下接头80固定连接。动力输出主轴72与增压组件90固定连接，并且具有中心通道与增压组件90的中心通道连通。动力输出主轴72与钻具中的下部钻头(未示出)相连，将来自动力发生单元40的冲击力传递到钻头。动力输出单元70和下接头80都是本领域中所熟知的部件，在此略去相关的详细说明。

根据本发明的增压工具可以安装在井下钻具上，用于提升钻头的破岩效率。具体地说，根据本发明的增压工具包括增压组件，其能够周期性地阻挡住一部分钻井液，使得这一部分钻井液周期性地被阻挡或向下游流动。这样，增压工具中的螺杆转子就会产生周期性的压力波动，形成水力脉冲。一方面，由于水力压力的作用，螺杆的下端会产生周期性变化的轴向冲击力，该轴向冲击力作用在动力输出主轴上，进而传递给钻头。另一方面，钻井液的压力波动会引起螺杆的扭矩变化，产生变化的扭转冲击力。上述的轴向冲击力和扭转冲击力相结合，形成了周期性变化的复合冲击力，这能够起到辅助破岩作用，极大地提升钻头的破岩效率。因此，尤其是在定向井及复杂轨迹井眼中，根据本发明的增压工具能够起到减小摩阻、降低“卡-滑”现象的效果，同时有效地减轻定向托压或卡钻等复杂情况的发生。

以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本领域的技术人员在本发明的公开范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.用于钻具的增压工具(100)，包括依次连接的动力产生单元(40)、增压单元(60)以及动力输出单元(70)，其中，所述动力产生单元(40)包括中空圆柱体形式的定子壳体(42)，以及安装在所述定子壳体(42)内部的螺杆转子(44)，所述增压单元(60)包括限定有内部通道(63)的壳体(61)，以及安装在所述壳体(61)内的增压组件(90)，

其中，所述增压组件(90)构造成能够周期性地改变流经所述内部通道(63)的流体的流量，以使所述螺杆转子(44)产生周期性的压力波动，从而形成轴向及扭转的复合冲击力并传递给所述动力输出单元(70)。

2.根据权利要求1所述的增压工具，其特征在于，所述增压组件(90)包括处于上游的与所述螺杆转子(44)相连的阀盘件(91)，以及处于下游的阀块件(95)，

其中，所述阀盘件(91)具有用于流体的沿轴向延伸的通孔(93)，所述阀块件(95)具有沿径向延伸的挡块(99)，所述阀盘件(91)能够由所述螺杆转子(44)带动旋转，使得所述通孔(93)周期性地被所述挡块(99)至少部分地挡住。

3.根据权利要求2所述的增压工具，其特征在于，所述阀盘件(91)具有包括直径较小的圆筒部分(94)和直径较大的圆盘部分(92)，在所述圆盘部分(92)上沿周向均匀地设有若干个所述通孔(93)。

4.根据权利要求3所述的增压工具，其特征在于，各所述通孔(93)均构造成在朝向下游的方向上具有逐渐增大的直径。

5.根据权利要求2所述的增压工具，其特征在于，所述挡块(99)的宽度大于所述通孔(93)的宽度。

6.根据权利要求2到5中任一项所述的增压工具，其特征在于，所述阀块件(95)包括直径较小的第一部分(96)和直径较大的第二部分(97)，其中，所述第一部分(96)和第二部分(97)通过过渡的坡面或弧面彼此连接。

7.根据权利要求6所述的增压工具，其特征在于，在所述第一部分(96)中设置有若干个沿周向均匀布置的汇流孔(98)，各所述汇流孔(98)沿着径向向内的方向朝向下游倾斜的方式布置。

8.根据权利要求6所述的增压工具，其特征在于，所述挡块(99)设置在所述第一部分(96)的上游端处，并与所述阀盘件(91)的下游端面贴合。

9.根据权利要求1到5中任一项所述的增压工具，其特征在于，所述增压单元(60)还包括安装在所述壳体(61)内的万向轴组件(62)，所述万向轴组件(62)将所述螺杆转子(44)与所述增压组件(90)相连。

10.根据权利要求1到5中任一项所述的增压工具，其特征在于，所述增压工具(100)还包括设置在所述动力产生单元(40)的上游的防掉帽(30)，以及设置在所述防掉帽(30)的上游的旁通阀(20)，其中，所述防掉帽(30)通过连接接头(50)与所述螺杆转子(44)相连。

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