CN117231118A - 一种冲击钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冲击钻井装置，包括外管、砧座、固定设置在所述外管的下端处的下接头，以及设置在所述外管内部并能直接作用于所述砧座上的冲击发生机构，其中，所述砧座与所述外管的内壁密封式滑动配合地延伸到所述下接头之外，并且在所述砧座的下端一体式固定设置有切削机构。本发明通过砧座和切削机构的一体化设计，缩短了冲击位置与钻头间的距离，减少了螺纹连接，减小了15～30％的冲击能量损耗。

Description

一种冲击钻井装置

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体地，涉及一种冲击效率高的冲击钻井装置。

背景技术

采用冲击钻井的方式破岩的历史悠久。在中国采用绳式冲击钻盐井迄今逾2200余年的历史，其钻井深度从几十米到上千米。此外，冲击钻还广泛用于水井、油气井和工程钻井。由于传统的冲击深度受限、钻井效率低，目前在工程、油气钻井应用更普遍采用的旋转钻井方式。旋转钻井一般是采用钻盘或顶驱驱动钻柱带动钻头破岩；另外一种是通过井下螺杆钻具、涡轮钻具等驱动钻头破岩。

旋转冲击钻进是冲击式钻进和回转式钻进相结合的一种钻进方法，其主要特点是钻头在静压作用下，由纵向冲击动载和回转切削共同作用破碎岩石。钻进过程中，切削刃上同时受到两个方向上的力，即回转方向的回转力和轴向上的静压力和冲击力。旋转冲击钻井将冲击钻井与旋转钻井相结合，提高了破岩能力、能够显著提高机械钻速，特别是在硬地层中对比效果更明显。采用与雾气、泡沫、气液混合等介质驱动的气动冲击器在油气钻井中提速效果，但是受地层出水、应用深度等限制。因此，业界开始研究和应用高压水或泥浆作为动力介质的液动冲击器。

现有的液动冲击器包括多种，下面以射流式双作用液动冲击器为例进行说明。射流式双作用液动冲击器是采用设置在外管内部的双稳射流元件做为冲击发生机构的控制部件，射流元件周期性地向冲锤活塞上、下腔输入高压流体，使活塞上下往复运动，带动冲锤进行冲击。工作时，泥浆泵泵出的高压液体经上接头后流入冲击器的射流元件，从射流元件喷射出去后形成高速流体。射流元件包括左右两侧通道，如果高速流体先附壁于左侧，液流则由左侧通道流入进入缸体的下部，推动冲锤快速上行。在回程结束后，反馈的压力信号使高速流体由左侧转换到右侧通道输入进入缸体的上部，然后推动冲锤加速下行，冲锤冲向砧座产生冲击能量。其中砧座和外管以螺纹连接，砧座的下方依次通过连接转换接头和切削机构。冲锤击打砧座后将动能传递给钻头。同样在冲锤冲程结束时，反馈的压力信号再次促使高速流体切换到初始状态，进入下一个运动周期。但是，实验数据表明，现有技术中外管、砧座、转换接头和切削机构的连接方式会严重削弱冲击能量。并且，现有技术中砧座与转换接头间的密封，在长时间工作后，易出现泄漏的情况。在研磨性的地层切削机构中的径向切削单元受冲击和研磨容易失效，导致机械钻速较低。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种冲击钻井装置，其能够减少冲击能量的衰减，提高冲击能量的利用率。

根据本发明，提供了一种冲击钻井装置，包括外管、砧座、固定设置在所述外管的下端处的下接头，以及设置在所述外管内部并能直接作用于所述砧座上的冲击发生机构，

其中，所述砧座与所述外管的内壁密封式滑动配合地延伸到所述下接头之外，并且在所述砧座的下端一体式固定设置有切削机构。

在一个实施例中，在所述砧座的上部设置有密封限位环，所述密封限位环的外壁与所述外管的内壁密封式滑动配合，

所述下接头伸入到所述外管内以与所述外管固定连接，并且所述密封限位环的下端面能够与所述下接头的上端面抵接。

在一个实施例中，在所述密封限位环的外表面轴向间隔式设置有多个环形凹槽，用于形成迷宫密封。

在一个实施例中，所述密封限位环包括对接在一起的左半环和右半环。

在一个实施例中，所述下接头包括相互固定连接的第一圆筒和第二圆筒，所述第二圆筒的内尺寸大于所述第一圆筒的内尺寸；

所述砧座包括相互固定连接的第一砧块和第二砧块，所述第二砧块的外尺寸大于所述第一圆筒的内尺寸；

所述第一砧块套设在所述第一圆筒内，所述第二砧块套设在所述第二圆筒内，所述第二砧块的上端能够与所述第一圆筒的下端抵接。

在一个实施例中，在所述第一砧块的外壁上设置有螺旋密封，用于与所述第一圆筒的内壁形成密封。

在一个实施例中，所述第二圆筒的内表面为正多边形，所述第二砧块的外表面为与所述第二圆筒对应的正多边形。

在一个实施例中，在所述切削机构的保径处转动式设置有至少一个牙轮，所述牙轮的转动轴线与所述切削机构的转动轴线垂直相交。

在一个实施例中，在所述牙轮上设置有周向布置的切削齿。

在一个实施例中，所述切削齿为圆锥形或者圆柱形。

与现有技术相比，本申请的优点如下。

本发明通过砧座和切削机构的一体化设计，缩短了冲击位置与钻头间的距离，减少了螺纹连接，减小了15～30％的冲击能量损耗。

本发明还在保径处布置有一个或多个牙轮取代现有技术中的圆柱形切削齿，既能降低了冲击能量的衰减，又能提高保径处切削齿抗冲击和振动的能力，提高提速效果和使用寿命。

此外，本发明通过密封限位环实现总成密封，提高了密封能力。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的冲击钻井装置的一种实施例的结构示意图；

图2显示了根据本发明的砧座和切削机构以及下接头的结构示意图；

图3显示了图1中A-A部分的剖面结构示意图；

图4显示了图1中B-B部分的剖面结构示意图；

图5显示了图2中C部分的剖面结构示意图。

图中：1、外管；11、上接头；12、第一外筒；13、连接套；14、第二外筒；2、冲击发生机构；21、射流控制元件；22、缸体；23、活塞；24、冲锤；3、下接头；31、第一圆筒；32、第二圆筒；4、砧座；41、第一砧块；411、螺旋密封；42、第二砧块；43、密封限位环；431、环形凹槽；432、左半环；433、右半环；5、切削机构；51、牙轮；511、切削齿；52、轴承组件；53、密封圈。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

在本申请中，需要说明的是，本申请中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”等均是针对所参照的图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。

在现有技术中，冲击钻井装置包括外管1以及设置在外管1内部的冲击发生机构2和砧座4。冲击发生机构2设置在砧座4的上方，在砧座4的下方通过螺纹连接有切削机构5。冲击发生机构2能够撞击砧座4产生冲击能量，最终传递给切削机构5。

如图1所示，根据本发明，外管1包括从上到下依次连接的上接头11、第一外筒12、连接套13和第二外筒14。冲击发生机构2包括从上到下依次设置在外管1内部的射流控制元件21、缸体22、活塞23和冲锤24。

本发明的冲击发生机构2的工作原理与现有技术一致，通过射流控制元件21向缸体22的上部和下部循环泵入压力，从而使缸体22内的活塞23上下往复运动，活塞23带动冲锤24上下往复运动。冲锤24间隔性的敲击砧座4，产生冲击能量，传递到切削机构5上，为切削机构5的钻进提供轴向冲击力。容易理解，射流控制元件21为现有技术，在此不再赘述，冲击发生机构2的具体结构和工作原理可以参考现有的射流式双作用液动冲击器。冲击发生机构2使用的压力介质能够从砧座4内设置的孔洞排出，与现有技术相同，不是本发明的技术要点，在此不再赘述。

图1显示了根据本发明的冲击钻井装置100的一种实施例的结构示意图。如图1所示，在冲击钻井装置100的外管1的下端固定设置有下接头3。砧座4滑动式穿设在下接头3的内部，并且砧座4长度大于下接头3的长度，从而砧座4的上部能够超出下接头3的长度范围。在砧座4的上部设置有密封限位环43，密封限位环43能够与外管1的内壁密封式滑动配合。切削机构5一体式设置在砧座4的下端。通过这种切削机构5与砧座4一体化的设置，使砧座4与切削机构5之间没有螺纹和接触界面，从而减小冲击能量的衰减程度。在现有技术中，砧座与切削机构5间的连接距离较长，一般在80～100厘米范围内，之间还需要设置1～2道螺纹连接。根据试验研究，应力波在每道螺纹处衰减达15％左右，即现有技术中约15-30％能量耗散在螺纹处。本发明的切削机构5和砧座4一体化的设计，通过设计缩短了冲击位置与切削机构5间的距离、减少了螺纹连接，缩短了能量传递距离至60厘米，减小了1～2道螺纹，减小了15～30％的能力耗损。同时，为了适应这种一体化设置，将现有技术中的密封形式替换成密封限位环43，既提高了能量传输效率和切削机构的提速效果，又可以延长机构的使用寿命。

如图1所示，在一个具体的实施例中，下接头3的上端的内径小于外管1的内径。密封限位环43与砧座4固定，具体的，密封限位环43通过设置在砧座4上的密封槽安装在砧座4上，密封限位环43在轴向方向与砧座4相对固定即可。密封限位环43的下端面能够与下接头3的上端面抵接。同时，切削机构5的外尺寸大于外管1的内径尺寸。在这种设置下，可以限制砧座4的移动范围，防止砧座4脱离下接头3。

如图2所示，在一个优选的实施例中，在密封限位环43的外表面设置有多个环形凹槽431。这些环形凹槽沿密封限位环43的轴向间隔设置，形成迷宫密封，从而增强密封限位环43与外管1的密封效果。

如图4所示，在一个优选的实施例中，密封限位环43包括左半环432和右半环433。通过这种设置，便于密封限位环43的安装。在这种设置下，首先将砧座4穿设进下接头3，然后将左半环432和右半环433安装到砧座4上，最后将下接头3与外管1连接，从而完成该部分的组装。

根据本发明，如图1所示，在一个具体的实施例中，下接头3包括第一圆筒31和固定设置在其下方的第二圆筒32，第二圆筒32的内尺寸大于第一圆筒31的内尺寸。砧座4包括第一砧块41和设置在其下方的第二砧块42。第二砧块42与第二圆筒32配合，第一砧块41与第一圆筒31配合，并且，第二砧块42的上端面能够与第一圆筒31的下端面抵接。通过这种设置，能够进一步对砧座4的移动范围进行限制。

在一个优选的实施例中，在第一砧块41的与第一圆筒31接触的面上设置有螺旋密封411。通过这样，能够加强砧座4与下接头3之间的密封效果。

如图1和图2所示，在一个具体的实施例中，在切削机构5的保径处转动式设置有至少一个牙轮51。当设置有多个牙轮51时，多个牙轮51沿着切削机构5的周向均匀分布。牙轮51的转动轴线与切削机构5的转动轴线垂直相交。通过转动式的牙轮51代替现有技术中的固定设置的切削齿，提高抗冲击和振动的能力，延长切削机构5此处的的寿命。

在一个优选的实施例中，在牙轮51上设置有多个切削齿511。这些切削齿511沿着牙轮51的周向均匀分布。切削齿511的形状优选为圆锥形或者圆柱形。

如图5所示，在一个具体的实施例中，牙轮51通过轴承组件52安装在切削机构5的主体上，并且，在牙轮51与轴承组件52之间设置有密封圈53。通过这种设置，延长牙轮51的使用寿命。

如图3所示，在一个具体的实施例中，第二圆筒32的内圈为正六边形或者正八边形，第二砧块42的外圈为与之对应的正六边形或者正八边形。通过这样设置，在结合本发明一体化切削机构5和砧座4的前提下，第二圆筒32能够向第二砧块42传递扭矩，进而将扭矩传递给切削机构5。

本发明通过砧座4和切削机构5的一体化设计，缩短了冲击位置与钻头间的距离，减少了螺纹连接，减少了因不同部件的接触面而造成的能量损耗，能够减小15～30％的冲击能量损耗。

本发明还在保径处布置有一个或多个牙轮51取代现有技术中的圆柱形切削齿，既能降低了冲击能量的衰减，又能提高保径处切削齿抗冲击和振动的能力，提高提速效果和使用寿命。

此外，本发明为了适应砧座4和切削机构5的一体化结构，对现有技术中的密封结构做了优化，通过密封限位环43实现总成密封，提高了密封能力。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冲击钻井装置，其特征在于，包括外管(1)、砧座(4)、固定设置在所述外管(1)的下端处的下接头(3)，以及设置在所述外管(1)内部并能直接作用于所述砧座(4)上的冲击发生机构(2)，

其中，所述砧座(4)与所述外管(1)的内壁密封式滑动配合地延伸到所述下接头(3)之外，并且在所述砧座(4)的下端一体式固定设置有切削机构(5)。

2.根据权利要求1所述的冲击钻井装置，其特征在于，在所述砧座(4)的上部设置有密封限位环(43)，所述密封限位环(43)的外壁与所述外管(1)的内壁密封式滑动配合，

所述下接头(3)伸入到所述外管(1)内以与所述外管(1)固定连接，并且所述密封限位环(43)的下端面能够与所述下接头(3)的上端面抵接。

3.根据权利要求2所述的冲击钻井装置，其特征在于，在所述密封限位环(43)的外表面轴向间隔式设置有多个环形凹槽(431)，用于形成迷宫密封。

4.根据权利要求3所述的冲击钻井装置，其特征在于，所述密封限位环(43)包括对接在一起的左半环(432)和右半环(433)。

5.根据权利要求4所述的冲击钻井装置，其特征在于，

所述下接头(3)包括相互固定连接的第一圆筒(31)和第二圆筒(32)，所述第二圆筒(32)的内尺寸大于所述第一圆筒(31)的内尺寸；

所述砧座(4)包括相互固定连接的第一砧块(41)和第二砧块(42)，所述第二砧块(42)的外尺寸大于所述第一圆筒(31)的内尺寸；

所述第一砧块(41)套设在所述第一圆筒(31)内，所述第二砧块(42)套设在所述第二圆筒(32)内，所述第二砧块(42)的上端能够与所述第一圆筒(41)的下端抵接。

6.根据权利要求5所述的冲击钻井装置，其特征在于，在所述第一砧块(41)的外壁上设置有螺旋密封(411)，用于与所述第一圆筒(41)的内壁形成密封。

7.根据权利要求6所述的冲击钻井装置，其特征在于，所述第二圆筒(32)的内表面为正多边形，所述第二砧块(42)的外表面为与所述第二圆筒(32)对应的正多边形。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的冲击钻井装置，其特征在于，在所述切削机构(5)的保径处转动式设置有至少一个牙轮(51)，所述牙轮(51)的转动轴线与所述切削机构(5)的转动轴线垂直相交。

9.根据权利要求8所述的冲击钻井装置，其特征在于，在所述牙轮(51)上设置有周向布置的切削齿(511)。

10.根据权利要求9所述的冲击钻井装置，其特征在于，所述切削齿(511)为圆锥形或者圆柱形。