CN115874955A - 一种新型扭力减力增力减震钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型扭力减力增力减震钻井工具，主要由上接头、密封件、上端卡盘、滚轴轴承、外套筒、直杆弹簧、中心轴，下接头组成。本发明上端连接钻铤，接受钻铤输入的动力与动能；下端连接钻头，将本钻井工具转换、存储的动力与动能，最终将扭力传递输出给钻头。本发明在钻头在切削岩石过程中，利用了本钻井工具内部的直杆弹簧的弹力的特性，调整钻头的切削力，切削力大小一直在发生变化，或减力或增力输出扭力，在水平扭转方向输出扭力到钻头，切断岩石。本发明在钻头在切削岩石过程中，利用了本钻井工具内部的直杆弹簧的减震的特性，达到保护钻头的切削齿，延长钻头使用寿命的目的。本发明钻井工具设计简洁，操作简单可靠，实用高效，提高了钻井作业效率，同时降低了作业成本，还保证钻井作业人员的安全。

Description

一种新型扭力减力增力减震钻井工具

技术领域

本发明涉及油井、天然气井、地热井、页岩气井等油气田、矿井中钻井工程技术领域，尤其是涉及一种新型扭力的减力或增力、减震钻井的提速技术与工具；依靠水平扭转方向弹力与动力的叠加，实现扭力的减小或增大；依靠积聚动能转化为弹性势能，集中释放积聚后的弹性势能与动能的叠加构成的机械能，实现能量输出的减小或增大；依靠直杆弹簧的弹性扭转伸缩，实现减震；通过减力或增力，减少能量输出或放大能量输出，以及减震的手段，达到钻井提速的目的。

背景技术

钻井提速技术是提高钻井效率、降低钻井综合成本，获得更大的经济利益，实现效益最大化的重要手段之一。在油气田开发的过程中，钻井工程是一个投入高、风险大、技术密集的环节，投资占勘探开发的50％以上，实践表明：钻井速度提高一倍，总的钻井费用可以降低约25％。

钻井提速技术可以较好地实现更经济环保、更清洁高效地开采地下油气。近几年来经济与时代的进步，环境保护意识增强，要求更经济环保、更清洁高效地开采地下油气已经成为亟待解决的难题，钻井提速技术不仅是目前主要新钻井技术发展方向，而且还是目前钻井科研的主要目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型扭力减力增力减震钻井提速技术及工具，以解决现有技术中存在的钻井作业过程中的机械钻速效率低，无法大幅提高钻井速度的困境，在钻井过程中可重复、多次下井使用。

本发明提供的一种新型扭力减力增力减震钻井工具，主要包括：

上接头：所述结构上端为母扣，与钻铤或钻杆的公扣连接。下端母扣丝扣与上端卡盘的公扣丝扣相连。

密封件：起到承压密封，并且防止杂质异物从外部落入工具内部。

滚轴轴承：所述结构，安装在上端卡盘与中心轴之间，在旋转运动过程中，起到减少滚动摩擦阻力的作用；同时，在旋转运动过程中承受轴向负荷，将垂直方向钻杆与钻铤的钻压、动力、动能，从上接头，通过滚轴轴承，中心轴，传递到下接头，再将垂直方向的钻压、动力、动能传递输出到钻头。

上端卡盘，上端丝扣连接上接头，中部为密封段，下端为柱状槽锁结构母扣端，连接直杆弹簧的柱状槽锁结构公扣端。

外套筒：连接着上端卡盘与下接头，中间部分，保护直杆弹簧。外套筒的上端由台阶凸起部位与上端卡盘的台阶凹起部位互相配合连接，可以互相旋转。外套筒的上端内部，安装有密封件，防止杂质异物从外部落入直杆弹簧内。外套筒的下端内部由丝扣与下接头连接。

直杆弹簧：直杆弹簧的上端为柱状槽锁结构公扣端，上端卡盘的下端也为匹配的柱状槽锁结构母扣端，两组柱状槽锁结构互相锲合锁定，转动连接，但不可分离。直杆弹簧的中部为圆柱体结构。直杆弹簧的下端为柱状槽锁结构公扣端，下接头的上端也为匹配的柱状槽锁结构母扣端，两组柱状槽锁结构互相锲合锁定，转动连接，但不可分离。两组柱状槽锁结构在旋转过程中，将钻杆与钻铤输入的钻压、动力、动能，输入到上接头后，通过上端卡盘，直杆弹簧，传递到下接头，再将输入的钻压、动力、动能，输出扭力、机械能到钻头，完成一次扭力的减力或增力切削岩石的作用过程。

直杆弹簧：在钻井过程中，起到缓冲、延长钻头切削齿切削岩石的作用时间，达到同时消减水平扭转方向冲击力大小的作用。在钻井过程中，切削岩石时，直杆弹簧所受钻杆、钻铤的动力作用，动力与水平扭转方向弹力的合力通过下接头，传递输出到钻头，完成一次扭力减力增力切削或钻杆与钻铤与直杆弹簧共同作用后，传递输出扭力到钻头，完成一次扭力的减力或增力切削岩石的作用。

中心轴：垂直方向钻杆与钻铤的压力、重力，由上接头，上端卡盘，滚轴轴承，中心轴，下接头的传递，垂直方向传递输出到钻头。中心轴的上端与滚轴轴承可以互相滚动旋转；中心轴的下端公扣丝扣与下接头的上端母扣丝扣连接。

下接头：所述结构，包括：上端内部与中心轴可旋转匹配连接，与滚轴轴承接触，上端是柱状槽锁结构母扣端；下接头的上端母扣丝扣与中心轴的下端公扣丝扣连接；下端是与钻头连接的母扣，动力、动能传递输出扭力、机械能到钻头。

相较于现有技术，本发明提供的一种水平扭转方向弹力切削钻井工具，具有如下优点：

1、本发明的上端母扣连接钻铤或钻杆的公扣，具有现场安装、操作简单实用可靠的优点；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用。

2、本发明的下端母扣连接钻头的公扣，具有现场安装、操作简单的优点；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用。

3、本发明在制造过程中，直杆弹簧的数量多变、可调，达到数量可调的目的；可只安装1根的直杆弹簧；可只安装2根的直杆弹簧；也可安装以1的整数倍的多根直杆弹簧，直到满额安装全部的直杆弹簧。有利于调节输出力量大小，同时保护钻头的切削齿，保护钻头并延长钻头使用寿命。

4、本发明在钻井过程中，直杆弹簧起到水平缓冲、延长钻头切削齿切削岩石的作用时间，同时消减了水平扭转方向冲击力的大小等作用。垂直方向钻杆与钻铤的钻压、重力，通过上接头，上端卡盘，滚轴轴承，中心轴，下接头，传递输出到钻头，完成一次水平扭转方向弹力与钻杆和钻铤的动力共同作用后缓冲切削岩石。

5、本发明在钻井过程中，直杆弹簧还有效吸收了切削岩石时产生的水平无序颤动、震动、涡动、摆动、跳动，有利于保护钻头的切削齿，保护钻头并延长钻头使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明上接头的结构剖视图；

图3为本发明上端卡盘的结构剖视图；

图4为本发明外套筒的结构剖视图；

图5为本发明中心管的结构剖视图；

图6为本发明1根直杆弹簧结构剖视图；

图7为本发明2根直杆弹簧结构剖视图；

图8为本发明多根直杆弹簧结构剖视图；

图9为本发明下接头结构剖视图；

附图标记：

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是2个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种新型扭力减力增力减震钻井工具，其特征在于：

如图1所示，本实施例提供的一种新型扭力减力增力减震钻井工具，包括：

1、上接头1，上端母扣2连接钻铤或钻杆的公扣，现场安装、操作简单；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用，上扣动力上到行业标准的最优动力值。

所述上接头1，工具的内径与通用的钻杆与钻铤的内径一致。

2、下接头13，下端母扣14连接钻头的公扣，现场安装、操作简单的优点；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用，上扣动力上到行业标准的最优动力值。

所述下接头13，工具的内径与通用的钻杆与钻铤的内径一致。

3、本发明的上接头1从钻杆与钻铤输入钻压、动力、动能，通过上端卡盘5，中间滚轴轴承4，直杆弹簧7，中心轴8，将输入钻压、动力、动能传递到下接头13，最后传递输出钻压、扭力、机械能到钻头。

4、本发明的上端卡盘5的上端外圆设置有密封段，密封件3与上端卡盘5密封；上端卡盘5的上端台阶凹起部位与外套筒6的台阶凸起部位互相配合连接，上端卡盘5与外套筒6可以互相转动；上端卡盘5的下端设有柱状槽锁结构母扣端10；与直杆弹簧7上端的柱状槽锁结构公扣端11匹配活动连接。

5、本发明的直杆弹簧7：由柱状槽锁结构公扣端11，直杆弹簧7的本体，柱状槽锁结构公扣端11组成。直杆弹簧7的本体为圆柱体结构。直杆弹簧7起到扭力的减力或增力并将吸收动能转换、存储为直杆弹簧7的弹性势能的作用；直杆弹簧7的弹力还起到弹性缓冲切削岩石的作用；动力、动能经转换、存储为弹力、机械能后，在传递给下接头13，输出的弹力、机械能到钻头，完成一次扭力的减力或增力切削岩石的过程。

6、本发明的直杆弹簧7，受钻杆、钻铤的动力作用，当切削岩石的阻力小于或等于直杆弹簧7的最大额定扭转方向弹力值时，钻头依靠直杆弹簧7的扭力的减力或增力的弹力切削岩石阻力的过程。

7、本发明的直杆弹簧7，受钻杆、钻铤的钻压、动力作用，当切削岩石的阻力大于直杆弹簧7的最大额定扭转方向弹力值后，水平扭转方向弹力积聚的弹力、弹性势能，加上钻杆与钻铤的动力、动能共同发挥作用。直杆弹簧7的扭转方向弹力和钻杆与钻铤的动力叠加后形成合力；直杆弹簧7弹性势能和钻杆与钻铤的动能叠加后形成的机械能，共同完成切削岩石。

8、本发明的一种新型扭力减力增力减震钻井工具，连接在钻杆、钻铤与钻头中间位置，一起下入井中实现扭力的减力或增力减震钻井。

9、本发明的一种新型扭力减力增力减震钻井工具，吸收了过去多年积累的经验，采用“持续吸收动力--转换储存为弹力--弹力瞬间释放叠加动力形成合力”；采用“持续吸收动能--转换储存为弹性势能--弹性势能瞬间释放叠加动能形成机械能”的切削岩石的新设计理念，创新改造发明后应用到石油钻井行业，起到钻井扭力的减力或增力、减震提速的效果，从而提高钻井效率，降低作业成本的目的。

相较于现有技术，本发明提供的一种新型扭力减力增力减震钻井工具，具有如下优点：

1、一种新型扭力减力增力减震钻井工具，受钻铤与钻杆的动力的作用，当动力小于或等于直杆弹簧7的最大额定扭转方向弹力值时，依靠扭力的减力或增力切削岩石。直杆弹簧7将钻铤与钻杆的动力传递到下接头13，再传递输出到钻头，依靠扭力的减力或增力完成切削岩石。

2、一种新型扭力减力增力减震钻井工具，受钻铤与钻杆的动力的作用，当动力大于直杆弹簧7的最大额定扭转方向弹力值后，依靠直杆弹簧7的水平扭转方向弹力，叠加钻杆与钻铤的动力，共同产生的合力，传递到下接头13，再传递输出到钻头，依靠扭力的减力或增力完成切削岩石。

3、一种新型扭力减力增力减震钻井工具，本发明的直杆弹簧7，受钻杆、钻铤的动力作用，当切削岩石的阻力大于直杆弹簧7的最大额定扭转方向弹力值后，积聚的弹性势能，加上钻杆与钻铤的动能共同发挥作用。直杆弹簧7的扭转方向弹性势能和钻杆与钻铤的动能叠加后形成机械能；依靠直杆弹簧7弹性势能和钻杆与钻铤的动能叠加后形成机械能，完成切削岩石。

4、一种新型扭力减力增力减震钻井工具，利用了直杆弹簧7只能在一定的旋转角度范围内反复周期性接受钻杆与钻铤提供的动力及切削岩石的反弹力的作用。直杆弹簧7只能水平扭转方向运动，重复积蓄弹力，释放弹力；然后又积蓄弹力，又释放弹力的循环往复特点。

5、一种新型扭力减力增力减震钻井工具，利用了上接头1，上端卡盘5，通过滚轴轴承4在旋转运动过程中，起到减少滚动摩擦阻力的作用；同时，在旋转运动过程中承受轴向负荷，将垂直方向钻杆与钻铤的钻压，由中心轴8，刚性传递到下接头13，再将垂直方向的钻压传递输出到钻头。

本发明的工作原理如下：

本发明的一种新型扭力减力增力减震钻井工具与钻杆与钻铤一起下入井中，地面钻机输入的动力、动能通过钻杆与钻铤输入到上接头1。

通过上接头1，上端卡盘5，再由上端卡盘5的柱状槽锁结构母扣端10，将动力、动能传递到直杆弹簧7的柱状槽锁结构公扣端11，直杆弹簧7在弹性约束下在一定的旋转角度范围内旋转，直杆弹簧7采用“持续吸收动力--转换储存为弹力--弹力瞬间释放叠加动力形成合力”；采用“持续吸收动能--转换储存为弹性势能--弹性势能瞬间释放叠加动能形成机械能”的转换；通过直杆弹簧7的柱状槽锁结构公扣端11将动力、动能传递到下接头13，最后将动力、动能传递输出到钻头，完成扭力的减力或增力破岩。

动力、动能通过滚轴轴承4的旋转滚动垂直传递，通过中心轴8，及下接头13的垂直刚性传递，最后将钻杆与钻铤输入的压力、钻压传递输出到钻头。

受钻铤与钻杆的动力的作用，当动力小于或等于直杆弹簧7的最大额定扭转方向弹力值时，依靠扭力减力增力切削岩石。直杆弹簧7将钻铤与钻杆的动力传递到下接头13，再传递输出到钻头，依靠扭力的减力或增力完成切削岩石。

受钻铤与钻杆的动力的作用，当动力大于直杆弹簧7的最大额定扭转方向弹力值后，依靠直杆弹簧7的水平扭转方向弹力，叠加钻杆与钻铤的动力，共同产生的合力，传递到下接头13，再传递输出到钻头，依靠共同的合力完成切削岩石。

钻头完成一次切削岩石的过程，是一次“持续吸收动力--转换储存为弹力--弹力瞬间释放叠加动力形成合力”的过程，也是一次“持续吸收动能--转换储存为弹性势能--弹性势能瞬间释放叠加动能形成机械能”的过程，再传递输出动力、动能到钻头，完成一次又一次切削岩石的过程。

钻头利用扭力减力增力减震，可分为两个阶段。

第一个阶段钻头依靠扭力的减力或增力、减震：直杆弹簧7，受钻杆、钻铤的动力作用，当切削岩石的阻力小于或等于直杆弹簧7的最大额定扭转方向弹力值时，钻头依靠直杆弹簧7的扭力的减力或增力的弹力切削岩石的过程。

第二个阶段钻头依靠水平扭转方向弹力，叠加钻杆与钻铤的动力产生的合力共同完成减震：当切削岩石的阻力大于直杆弹簧7的最大额定扭转方向弹力值后，直杆弹簧7的扭转方向弹力与钻杆与钻铤的动力叠加后形成合力；直杆弹簧7弹性势能与钻杆与钻铤的动能叠加后共同的机械能，共同完成弹力缓冲减震切削岩石的过程。

本发明的一种新型扭力减力增力减震钻井工具，大大地提高了钻井速度，节省了钻井作业费用，保证对石油，天然气、煤层气或页岩气岩石的钻井提速与安全作业起到关键的提升作用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种新型扭力减力增力减震钻井工具，其特征在于，包括：本发明目的在于提供一种新型扭力的减力或增力的钻井切削技术；一种提速技术的方法；一种新型减震的方法；及一种新型扭力减力增力减震的钻井工具。

2.一种新型扭力减力增力减震钻井工具，其特征在于，包括：上端和下端有丝扣，分别与现有标准的同尺寸的钻杆与钻铤丝扣一致。内径与现有标准的同尺寸的类似工具一致，无节流位置，不产生节流，不产生流体压降，不加大流体的流动摩阻，也不产生紊流。

3.一种新型扭力减力增力减震钻井工具，其特征在于，钻杆与钻铤输入的动力和动能，输入到上接头后，由上端卡盘，通过本钻井工具内部的直杆弹簧转换、存储为弹力和弹性势能。动力和动能，弹力和弹性势能共同作用叠加后传递到下接头，最后形成动力和弹力形成的合力，动能和弹性势能形成的机械能，共同传递输出到钻头。

4.一种新型扭力减力增力减震钻井工具，其特征在于，钻杆与钻铤刚性输入动力，直杆弹簧的输出扭力的大小多变：直杆弹簧接受钻杆钻铤刚性输入动力，通过直杆弹簧吸收、存储、转换为直杆弹簧的弹力，弹力然后经过直杆弹簧柔性重新输出扭力，成为钻头的切削力，它与钻杆与钻铤刚性输入动力大小不等，方向相同。当切削岩石所需的切断力，小于或等于由直杆弹簧输出到下接头再传递输出到钻头的扭力时，即完成一次通过直杆弹簧吸收、存储、转换输入动力，输出扭力的过程。

5.一种新型扭力减力增力减震的钻井工具，其特征在于，钻杆与钻铤刚性输入能量，直杆弹簧的输出能量大小多变：持续接受钻杆与钻铤输入的动能，然后直杆弹簧将吸收的动能转换为的弹性势能，动能不断增大输入、弹性势能不断累积，完成从动能到弹性势能的转换、存储过程。每一次切削岩石，直杆弹簧完成从动能到弹性势能的转换、存储，再到动能的释放过程，只消耗适量的机械能，即等同于切断岩石所需的能量。等量、适量输出耗能，解决了以往过度耗能切削的问题；每一次切削岩石后，多余的动能都转换并存储为直杆弹簧的弹性势能，剩余能量储备供下一次切削待用。

6.一种新型扭力减力增力减震钻井工具，其特征在于，直杆弹簧：直杆弹簧是直杆圆柱形，中间滚圆，两端带有凸起锁键，与上端卡盘、下接头的柱状槽锁结构匹配，供插拔连接使用。

7.一种新型扭力减力增力减震钻井工具，其特征在于，安装的直杆弹簧的数量多变、可调：可只安装1根的直杆弹簧；可只安装2根的直杆弹簧；也可安装1的整数倍的多根直杆弹簧，直到满额安装全部的直杆弹簧；达到数量可调的目的。通过调整安装直杆弹簧的数量，可以调整工具输出力量大小；根据井底岩石软硬程度不同，深浅不同，岩性不同，因地制宜，因井制宜，调整设置不同等级的输出力量。当切削岩石所需的切断力，小于直杆弹簧的最大额定扭力时，由钻杆与钻铤的动力叠加工具的弹力、输出扭力形成合力，再由下接头直接传递输出到钻头，共同完成一次切削岩石所需的切削力的传递、切削作用过程。

8.一种新型扭力减力增力减震钻井工具，其特征在于，滚轴轴承：在旋转运动过程中，起到减少滚动摩擦阻力的作用；同时，在旋转运动过程中承受轴向负荷，与中心轴共同作用，将垂直方向钻杆与钻铤的钻压、扭力、机械能共同传递输出到钻头。

9.一种新型扭力减力增力减震钻井工具，其特征在于，外套筒：保护直杆弹簧，连接着上端卡盘与下接头，同时确保上端卡盘与下接头水平扭转方向可以互相转动。外套筒的上端内部，安装有密封件，防止杂质异物从外部落入直杆弹簧内。外套筒的下端内部，由丝扣与下接头连接。

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