CN115711090A - 用于钻具的负压震荡工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钻具的负压震荡工具，包括依次连接的负压脉冲产生单元、动力产生单元以及动力输出单元。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。负压脉冲产生单元包括具有中心通道的本体，其安装在定子壳体内并与螺杆转子相连。本体构造成能够周期性地改变流经中心通道进入定子壳体内的流体的流量，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

用于钻具的负压震荡工具

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负压震荡工具。

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。

因此，本发明提出了一种用于钻具的负压震荡工具，其包括依次连接的负压脉冲产生单元、动力产生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。所述负压脉冲产生单元包括具有中心通道的本体，所述本体安装在所述定子壳体内，并与所述螺杆转子相连。其中，所述本体构造成能够周期性地改变流经所述中心通道进入所述定子壳体内的流体的流量，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。

根据本发明的一个优选的实施例，所述本体设有径向延伸的第一通孔，所述定子壳体设有径向延伸的第二通孔。其中，所述本体在所述螺杆转子的带动下转动，导致所述第一通孔与所述第二通孔周期性地连通或不连通，从而使流经所述中心通道的流体的一部分经由所述第一通孔和第二通孔排放到所述定子壳体之外的环空中。

根据本发明的一个优选的实施例，所述第一通孔和/或所述第二通孔构造成直径朝向径向外部逐渐增大。

根据本发明的一个优选的实施例，所述第一通孔的直径小于所述第二通孔的直径。

根据本发明的一个优选的实施例，数量相等的多个所述第一通孔和所述第二通孔沿周向均匀布置。

根据本发明的一个优选的实施例，所述本体通过第一万向轴组件与所述螺杆转子相连。

根据本发明的一个优选的实施例，所述动力产生单元通过汇流单元与所述动力输出单元相连。其中，所述汇流单元包括限定了中空的圆柱形壳体，以及安装在所述圆柱形壳体中的第二万向轴组件和汇流件，所述第二万向轴组件与所述螺杆转子相连接，所述汇流件与所述动力输出单元的动力输出主轴相连接。

根据本发明的一个优选的实施例，所述汇流件包括直径较小的上游部分和直径较大的下游部分。其中，所述上游部分和下游部分通过过渡的坡面或弧面彼此连接。

根据本发明的一个优选的实施例，在所述上游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。

根据本发明的一个优选的实施例，所述负压震荡工具还包括设置在所述负压脉冲产生单元的上游的旁通阀。

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负压振荡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负压振荡工具的第二部分的结构；

图3为图1中A-A截面示意图；

图4示意性显示了根据本发明的一个实施例的负压振荡工具中的汇流件的结构。

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”指的是沿负压振荡工具的长度方向，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负压振荡工具100，其中图1显示了负压振荡工具100的第一部分，而图2显示了负压振荡工具100的第二部分。需要说明的是，这里对负压振荡工具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，并未对负压振荡工具100的实际结构有任何限定作用。

如图1所示，负压振荡工具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。

根据本发明的负压振荡工具100还包括负压脉冲产生单元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，负压脉冲产生单元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，负压脉冲产生单元30通过第一万向轴组件50与螺杆转子44相连接。第一万向轴组件50可以采用十字形万向轴或者花瓣形万向轴等形式。通过使用第一万向轴组件50来连接负压脉冲产生单元30和动力发生单元40的螺杆转子44，能够保证螺杆转子44的行星运动转化为负压脉冲产生单元30的稳定旋转和同轴度。

如图1所示，负压脉冲产生单元30包括圆柱形的本体35，其安装在定子外壳42的相应内腔中。本体35限定有中心通道32，其与上接头10的中心通道25始终保持连通，用于接受来自上接头10的中心通道25的钻井液。

如图3所示，根据本发明，负压脉冲产生单元30的本体35包括径向延伸的第一通孔38，其与中心通道32连通，并贯穿式延伸通过整个本体35。同时，动力发生单元40的定子外壳42包括径向延伸的第二通孔48。

因此，在工作期间，螺杆转子44在钻井液的冲击下发生旋转，并经由第一万向轴组件50带动负压脉冲产生单元30的本体35旋转。在旋转了一定角度之后，本体35的第一通孔38与定子外壳42的第二通孔48彼此连通。在这种情况下，钻井液中的一部分便会从本体35的中心通道32通过本体35的第一通孔38与定子外壳42的第二通孔48而排放到定子外壳42之外的环空中。在继续旋转之后，本体35的第一通孔38与定子外壳42的第二通孔48彼此隔断。此时，所有钻井液又将仅通过本体35的中心通道32向下游方向流动。随着负压脉冲产生单元3的本体35的旋转，本体35的第一通孔38与定子外壳42的第二通孔48将交替的连通和隔断，形成周期性的打开和关闭效果。

因此，一方面，这种钻井液的向环空的排放能够降低钻具的整体压降。另一方面，其余钻井液会在负压振荡工具100的内部形成水力脉冲压力，对位于下游的动力输出主轴72(将在下文中结合图2来介绍)产生周期性的轴向冲击力。与此同时，由于负压振荡工具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。

容易理解，尽管在图3中仅示出了一个第一通孔38和一个第二通孔48，然而第一通孔38和第二通孔48的数量可以根据实际情况的需要而适当选择。第一通孔38和第二通孔48均可设置多个，并且第一通孔38的数量可以与第二通孔48的数量相等，也可以更多或者更少。

在一个未示出的实施例中，第一通孔38和第二通孔48均构造成具有变化的直径。具体地说，第一通孔38和第二通孔48的直径均设置成在径向向外(即朝向环空)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，同时减小流体外排的阻力，进一步加强周期性的复合冲击力的效果。

此外，根据本发明的一个实施例，第一通孔38设置成比第二通孔48更小。这样，当第一通孔38和第二通孔48彼此连通时，第一通孔38内的钻井液能够在非常短的时间内经过第二通孔48排放出去，从而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。

根据本发明的负压振荡工具100还包括汇流单元60，以及动力输出单元70。如图2所示，汇流单元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中的第二万向轴组件62和汇流件65。第二万向轴组件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。

汇流件65连接在第二万向轴组件62的下游，其包括直径较小的上游部分66和直径较大的下游部分67，如图4所示。汇流件65具有中心通道69。直径较小的上游部分66和直径较大的下游部分67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，直径较小的上游部分66减小了流体阻力，有利于降低钻具的整体压降。

如图4所示，根据本发明，在汇流件65的直径较小的上游部分66中设置有若干个沿周向均匀布置的汇流孔68。各汇流孔68沿着径向向内的方向朝向下游倾斜的方式布置。这样，位于汇流单元60内但处于汇流件65外的一部分钻井液会从汇流单元60的内部通道63经汇流孔68进入到汇流件65的中心通道69内，使得所有钻井液均会从汇流件65的中心通道69向下游流动。这便显著提高了钻井液的利用效率。

如图2所示，根据本发明的负压振荡工具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的上游端与汇流单元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与汇流件65固定连接，并且具有中心通道与汇流件65的中心通道69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。

根据本发明的负压振荡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，根据本发明的负压振荡工具包括负压脉冲产生单元，其能够周期性地将一部分钻井液排到环空中。这样，负压振荡工具中的螺杆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。同时，由于钻井液排到环空中的泄压作用，一定程度上降低了螺杆的整体压降。因此，尤其是在定向井及复杂轨迹井眼中，根据本发明的负压振荡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.用于钻具的负压震荡工具(100)，包括依次连接的负压脉冲产生单元(30)、动力产生单元(40)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)，所述负压脉冲产生单元(30)包括具有中心通道(32)的本体(35)，所述本体(35)安装在所述定子壳体(42)内，并与所述螺杆转子(44)相连，

其中，所述本体(35)构造成能够周期性地改变流经所述中心通道(32)进入所述定子壳体(42)内的流体的流量，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所述的负压震荡工具，其特征在于，所述本体(35)设有径向延伸的第一通孔(38)，所述定子壳体(42)设有径向延伸的第二通孔(48)，

其中，所述本体(35)在所述螺杆转子(44)的带动下转动，导致所述第一通孔(38)与所述第二通孔(48)周期性地连通或不连通，从而使流经所述中心通道(32)的流体的一部分经由所述第一通孔(38)和第二通孔(48)排放到所述定子壳体(42)之外的环空中。

3.根据权利要求2所述的负压震荡工具，其特征在于，所述第一通孔和/或所述第二通孔构造成直径朝向径向外部逐渐增大。

4.根据权利要求2或3所述的负压震荡工具，其特征在于，所述第一通孔的直径小于所述第二通孔的直径。

5.根据权利要求2到4中任一项所述的负压震荡工具，其特征在于，数量相等的多个所述第一通孔(38)和所述第二通孔(48)沿周向均匀布置。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的负压震荡工具，其特征在于，所述本体(35)通过第一万向轴组件(50)与所述螺杆转子(44)相连。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的负压震荡工具，其特征在于，所述动力产生单元(40)通过汇流单元(60)与所述动力输出单元(70)相连，

其中，所述汇流单元(60)包括限定了中空的圆柱形壳体(61)，以及安装在所述圆柱形壳体(61)中的第二万向轴组件(62)和汇流件(65)，所述第二万向轴组件(62)与所述螺杆转子(44)相连接，所述汇流件(65)与所述动力输出单元(70)的动力输出主轴(72)相连接。

8.根据权利要求7所述的负压震荡工具，其特征在于，所述汇流件(65)包括直径较小的上游部分(66)和直径较大的下游部分(67)，其中，所述上游部分(66)和下游部分(67)通过过渡的坡面或弧面彼此连接。

9.根据权利要求8所述的负压震荡工具，其特征在于，在所述上游部分(66)中设置有若干个沿周向均匀布置的汇流孔(68)，各所述汇流孔(68)沿着径向向内的方向朝向下游倾斜的方式布置。

10.根据权利要求1到9中任一项所述的负压震荡工具，其特征在于，所述负压震荡工具(100)还包括设置在所述负压脉冲产生单元(30)的上游的旁通阀(20)。

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