CN119122425B - 一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，包括主体结构、双级动力机构、推杆拍击机构。主体结构设有上接头与下接头，用于连接钻柱、钻铤等井下钻具，且外壁周向设有两级错位排列阶梯通孔，每级周向均布三个孔，保护套套在壳体外，两端固定于保护套安装槽内；推杆拍击机构装配于主体结构外壁的阶梯通孔中，形成双级径向拍击‑复位结构；双级动力机构采用冲击块+双锥形活塞设计，安装于主体结构内为径向拍击‑复位结构提供动力。本装置利用钻井时的振动冲击，驱动冲击块向上冲击，双级动力机构向上运动，推动推杆拍击机构高频拍击井壁，起到修整井壁的作用，降低上提、下放和钻进过程中发生井壁井塌等钻井事故的风险。

Description

一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接

技术领域

本发明涉及石油钻井技术相关技术领域，具体是一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接。

背景技术

保持井壁修整是钻井工程中至关重要的一个环节，它直接关系到钻井作业的安全、效率以及后续油气开采的顺利进行。在钻井过程中，由于地层岩石特性、地质条件、钻井液性能等多种因素的影响，井壁可能出现失稳现象，如井壁坍塌、井漏等，给钻井作业带来极大的挑战。因此，对井壁修整性进行深入研究，掌握其影响因素和规律，对于提高钻井作业的安全性和效率具有重要意义。目前井塌的原因主要有：液柱压力失衡、地层水敏性反应、地层自身脆弱性、由于上提钻具造成的抽汲现象、在起钻过程中未及时回灌钻井液导致井内液柱压力下降、裸眼井段长时间大排量循环钻井液可能会冲刷井壁。

专利号是CN201620447721.1的一种可变径接头，主要结构是：接头本体、耐磨带、支撑块、耐磨块Ⅰ、耐磨块Ⅱ。其通过设置在通孔上的支撑块可以伸出或缩回，改变接头外径进而修整井壁。但该装置耐磨块磨损损坏之后难以修复,使用成本高。并且支撑块伸出时耐磨块的磨削力无法保证，可能导致修整井壁的效果下降。该专利采用磨削方式无法起到加固井壁的作用，无法降低井壁失稳风险。专利号是CN202211387882.2的一种可变径钻具稳定器，主要结构是：上下接头、中心管、扶正条、上下活塞、上下外套、燕尾槽导轨、上下球座孔、上下进液孔、切削条、支撑条、后掠角、后倾角、后角、开口槽、切削刃、圆锥体。其通过改变扶正条的位置，扶正条伸出或者缩回进行扩眼。但该稳定器的设计包含了多个精密部件和复杂的机械结构(如燕尾槽导轨、上下球座孔等)，这些部件的制造和加工需要高精度设备和技术，导致制造成本较高，并且需要额外提供伸缩的动力。同样该专利采用切削方式无法起到加固井壁的作用，无法降低井壁失稳风险。专利号是CN202222689364.8的一种可伸缩式随钻扩眼工具，主要结构是：传动轴、上接头、碟簧组、壳体、切削齿、导向轴、销钉、楔形导向面、活塞、扩眼刀翼、刀翼槽、端帽、下接头。其通过导向轴向下运动，楔形导向面将扩眼刀翼沿径面向外推出切削井壁。但该专利结构复杂，增加了制造和加工的难度。并且由于采用切削磨削的方式，扩眼刀翼等切削部件在长时间使用中容易磨损，需要定期更换，增加了使用成本和维护难度。同上该专利采用切削或磨削方式也无法起到加固井壁的作用，无法降低井壁失稳风险。

现有相关修整井壁专利技术中,井壁修整工具大部分均采用安装设置切削齿或其他切削作用的结构，切削修整井壁。钻杆带动装置本体转动,切削齿对井壁进行修整。但是,圆柱状本体及切削齿尺寸是固定的,一个井壁修整工具能够修整的钻井眼的直径也是固定的,不能满足多种直径的钻井眼的井壁修整的需求，而且常用的井壁修整装置为一次性用品,磨损损坏之后难以修复,使用成本高。另一部分则采用碾压等其他方式修整井壁，同样具有不能满足多种直径的钻井眼的井壁修整的需求的缺点，而且一次整形量相对较小，因此在整形过程中需要频繁地起下钻柱和更换工具，这增加了作业的工作量和时间成本，并且在受力不均匀的情况下，碾压部件容易被压扁，导致装置报废使得修井成本相应增加。

因此急需提出一种能够随着钻头钻入地层的同时采用其他方式加固修整井壁的装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，能够在钻进的同时加固井壁，降低井壁失稳的风险和事故发生率，提升钻井的安全性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:

一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，对井壁进行拍击加固修整。所述装置包括主体结构、双级动力机构、推杆拍击机构，利用钻井时的振动冲击，驱动冲击块向上冲击，使双级锥形活塞产生位移，推动推杆拍击机构以较高的频率拍击井壁，完成井壁的修整。

优选方案中，主体结构包括上接头、下接头、双级阶梯孔、挡环、保护套安装槽、保护套。上、下接头用于连接钻柱、钻铤等井下钻具，下接头上部内壁设有螺纹用于安装双级动力机构的轴向限位零件挡环。由于若设计单级六个阶梯孔会导致主体结构没有足够的强度，故在主体结构外壁周向设有双级阶梯孔，每级周向均布三个孔，两级共六个阶梯通孔均匀错位排列；第一级的三个孔分别在0°、120°、240°方位，第二级的三个孔分别在60°、180°、300°方位；每个阶梯孔中间直径的孔内壁设有螺纹，用于安装弹簧底座。主体结构外壁还设有两个保护套安装槽，用于固定保护套。保护套套在主体结构外，为一体式设计的弹性套，其上设有与双级阶梯孔相同位置的六个孔，用于将内部包裹的零件与外部流体、岩削等隔离，防止发生由于腐蚀、磨损而引起的装置过早失效，也可起到一部分防止推杆拍击机构掉落的作用。

优选方案中，双级动力机构包括上部封隔段、环形密封圈槽、双级锥形活塞、下部封隔段、冲击块、弹簧Ⅱ。其中的上、下部封隔段上均设有环形密封圈槽，用于安装环形密封圈，阻止流体或其所携带的固体颗粒进入主体结构双级动力机构之间形成的空间，导致各零部件之间卡死或过度磨损；上部封隔段的内面为有一定锥度的圆环锥面，双级锥形活塞中空为流体流道，在高速流体到达该面即将进入流道时，可使流体压力更大流速更快。上部封隔段与双级锥形活塞为一体，双级锥形活塞下部设有螺纹用于安装下部封隔段，下部封隔段上表面与弹簧Ⅱ一端接触；冲击块为圆环柱形，用于传递振动冲击；弹簧Ⅱ套在双级锥形活塞上，起到复位的作用。双级锥形活塞的圆锥面将双级动力机构的轴向运动转换为推杆拍击机构的径向运动。在推杆拍击机构的径向拍击行程一定时，圆锥面的锥度大，则双级锥形活塞仅需较短的轴向位移，但所需的冲击力也更大，且双级锥形活塞最大外径一定，内部的流道直径减小；圆锥面的锥度小，则双级锥形活塞需较长的轴向位移，但所需的冲击力也更小，且双级锥形活塞最大外径一定，内部的流道直径更大。故圆锥面的锥度选择不宜过大或者过小。由于双级锥形活塞的圆锥面与推杆拍击机构接触，相互摩擦，故应采用耐磨性好的材料，并做光滑减磨处理。挡环上设有螺纹，与下接头上部内壁的螺纹配合固定于主体结构内部，起到轴向限位的作用。

优选方案中，推杆拍击机构包括上拍击片、下拍击片、连接螺钉、推杆、弹簧Ⅰ、弹簧底座。推杆拍击机构数量为六个，安装在主体结构上的双级阶梯孔中，六片拍击片相互配合可周向完全覆盖井壁；其中上拍击片设有一阶梯通孔，下拍击片与推杆为一体且上部设有螺纹孔，上部螺纹孔用于安装连接螺钉。上拍击片两侧为圆角，用于防止钻柱上提、下放或钻进时卡钻，避免破坏已加固的井壁。接触面下部与活塞圆锥面接触部位为一凹锥弧面。拍击片的厚度不宜过厚，过厚的拍击片导致重量增加，会使得推杆拍击装置与弹簧底座之间的磨损加剧影响整个拍击装置的使用寿命，故应在保证拍击效果和拍击片刚度的条件下尽可能选用较薄的拍击片。弹簧Ⅰ为变径弹簧，上下两端直径率大于中部，在下拍击片与推杆交界处有一凸台，内部设有弹簧卡槽用于固定弹簧Ⅰ的一端；弹簧底座外部底端设有螺纹，安装与双级阶梯孔上，内部同样设有弹簧卡槽用于固定弹簧Ⅰ的另一端。上拍击片与下拍击片之间夹有保护套，三者使用连接螺钉连接；推杆拍击机构与井壁拍击需要较大的力，推杆拍击机构可能易发生形变，则应选用质量较轻且强度刚度较高的材料，由于推杆拍击机构的下拍击片贴于主体结构外表面，且上下拍击片具有一定厚度，但整体装置直径仍可设计比钻头小，不卡钻。

优选方案中，初始状态下，双级动力机构位于下端，下部封隔段下表面紧贴冲击块上表面，冲击块上表面紧贴挡环上表面。当振动冲击传递至冲击块时，冲击块向上冲击，双级动力机构向上运动，圆锥面与推杆拍击机构接触；拍击时，随着双级动力机构向上运动推杆拍击机构从与圆锥面锥顶小直径处接触，运动到与圆锥面锥底大直径处接触，此时弹簧Ⅰ处于拉伸状态，弹簧Ⅱ处于压缩状态，六个推杆拍击机构均为拍出状态；复位时，随着弹簧Ⅱ推动双级动力机构向下移动，弹簧Ⅰ的拉力使得推杆拍击机构复位，推杆拍击机构从与圆锥面锥底大直径处接触，运动到与圆锥面锥顶小直径处接触，六个推杆拍击机构均为复位状态；一次拍击无法完成全井壁的拍击加固修整，但本装置随钻旋转，旋转后拍击与复位过程循环往复，故能够将周向井壁全覆盖无死角拍击，完成周向全井壁拍击修整；该装置考虑到钻井液和环空流体的影响，所有的部件应采用耐腐蚀的材料，零件之间存在相互运动，较易磨损，应选用耐磨性较好的金属材料。

与现有的加固修整井壁的方法和装置相比，本发明的一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，利用钻井时的振动冲击，推动冲击块向上冲击，使双级锥形活塞产生位移，推动推杆拍击机构以较高的频率拍击井壁，完成井壁的修整。采用此拍击的方法修整井壁，刻满足多种直径的钻井眼的井壁修整的需求，避免了由于切削修整井壁切削磨损导致装置失效。装置总体结构简单，操作性强，直径可设计比钻头小，不卡钻且与井壁摩擦力很小，空隙大，为流体流通提供宽敞的流道。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。

图1是本申请一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接结构图；

图2是本申请一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接拍击复位对比剖视图；

图3是本申请一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接主体结构剖视图；

图4是本申请一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接双级动力机构剖视图；

图5是本申请一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接推杆拍击片组结构图；

图6是本申请一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接推杆拍击机构剖视图；

图中：1-主体结构；2-双级动力机构；3-推杆拍击机构；101-上接头；102-下接头；103-双级阶梯孔；104-挡环；105-保护套安装槽；106-保护套；201-上部封隔段；202-环形密封圈槽；203-双级锥形活塞；204-下部封隔段；205-冲击块；206-弹簧Ⅱ；301-上拍击片；302-下拍击片；303-连接螺钉；304-推杆；305-弹簧Ⅰ；306-弹簧底座；

具体实施方式

本申请实施例提供一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1所示，本实施例中一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，其用于对井壁进行拍击加固修整，其包括1、主体结构；2、双级动力机构；3、推杆拍击机构。推杆拍击机构6数量为六个，上下两级每级三个，每个可周向覆盖接近1/6的井壁。双级动力机构2安装于主体结构1内部，中空为流体流道，流体从上接头101流入。保护套106为弹性套，套在主体结构1外侧。该井下短接利用钻井时的振动冲击，驱动双级动力机构2产生位移，推动推杆拍击机构3以较高的频率拍击井壁，完成井壁的修整。

图2所示，本实施例中流体从上接头101处流入，经过双级动力机构2的中空流道，从下接头102处流出。初始状态下，双级动力机构2位于下端，下部封隔段204下表面紧贴冲击块205上表面，冲击块205下表面紧贴挡环104上表面。当振动冲击传递至冲击块205时，冲击块205向上冲击，双级动力机构2向上运动，圆锥面与推杆拍击机构2接触；拍击时，随着双级动力机构2向上运动推杆拍击机构3从与圆锥面锥顶小直径处接触，运动到与圆锥面锥底大直径处接触，此时弹簧Ⅰ305处于拉伸状态，弹簧Ⅱ206处于压缩状态，六个推杆拍击机构3均为拍出状态；复位时，随着弹簧Ⅱ206推动双级动力机构2向下移动，弹簧Ⅰ305的拉力使得推杆拍击机构3复位，推杆拍击机构3从与圆锥面锥底大直径处接触，运动到与圆锥面锥顶小直径处接触，六个推杆拍击机构3均为复位状态；一次拍击无法完成全井壁的拍击加固修整，但本装置随钻旋转，旋转后拍击与复位过程循环往复，故能够将周向井壁全覆盖无死角拍击，完成周向全井壁拍击修整。

图3所示，本实施例中主体结构1为一体式设计，壳体外部周向均布有双级阶梯孔，上接头101、下接头102用于连接钻柱、钻铤等井下钻具，下接头102上部内壁设有螺纹用于安装固定挡环7。外壁周向设有双级阶梯孔103，每级周向均布三个孔，两级共六个阶梯通孔均匀错位排列，周向等分360°；每个阶梯孔第二级阶梯的孔内壁设有螺纹，挡环104为外侧设有螺纹的圆环金属板，用于对主体结构1内部零件进行轴向限位；保护套106为一体式设计弹性套，其上设有与双级阶梯孔103相同位置的六个孔，两侧固定在主体结构1外壁保护套安装槽105上。

图4所示，本实施例中双级动力机构2包括上部封隔段201、环形密封圈槽202、双级锥形活塞203、下部封隔段204、冲击块205、弹簧Ⅱ206。其中的上部封隔段201与下部封隔段204上均套有环形密封圈槽202，用于阻止流体或其所携带的固体颗粒进入主体结构双级动力机构之间形成的空间，导致各零部件之间卡死或过度磨损；上部封隔段201的一面为有一定锥度的圆环锥面，可使流体压力更大流速更快。上部封隔段201与双级锥形活塞203为一体式设计，而下部封隔段204与双级锥形活塞203采用螺纹连接。双级锥形活塞203中空为流体流道，双级锥形活塞203上圆锥面将双级动力机构的轴向运动转换为推杆拍击机构的径向运动。在推杆拍击机构的径向拍击行程一定时，圆锥面的锥度不宜过大或过小，初步设定圆锥面的锥度为20°，两个圆锥面同轴可以保证两级共六个拍击片同时拍击和收回。圆锥面锥底大半径与锥顶小半径的半径差为推杆拍击机构6最大拍出行程，本实施例中，锥底锥顶半径差为15mm。冲击块205为圆柱环，选择密度较大的金属材料。弹簧Ⅱ206直径为140mm，圈数为5圈，初始状态下高度为53mm，截面直径约为4mm。

图5、6所示，本实施例中推杆拍击机构3数量为六个，六片拍击片相互配合可周向微间隙覆盖井壁。上拍击片301为圆柱面薄片，上拍击片301与下拍击片302之间用连接螺钉303连接固定，上下两片之间用于安装夹持保护套106。上拍击片301的实际拍击部位宽为70mm，两边设有圆角用于防止钻柱上提、下放或钻进时卡钻，避免破坏已加固的井壁。下拍击片302下部有一凸台，内部设有弹簧卡槽，弹簧底座306内部同样设有弹簧卡槽，两个卡槽用于固定弹簧Ⅰ305，弹簧Ⅰ305可起到复位和防掉的作用。弹簧底座306下部外侧车有螺纹结构，与主体结构壳体上的螺纹配合，用于将弹簧底座306固定于主体结构1双级阶梯孔103上，上部无螺纹处最大直径为48mm。弹簧底座4下部外侧螺纹采用M10×1.5，高度为15mm，右旋螺纹。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，对井壁进行拍击加固修整，其包括主体结构(1)、双级动力机构(2)、推杆拍击机构(3)；所述主体结构(1)包括上接头(101)、下接头(102)、双级阶梯孔(103)、挡环(104)、保护套安装槽(105)、保护套(106)；所述双级动力机构(2)包括上部封隔段(201)、环形密封圈槽(202)、双级锥形活塞(203)、下部封隔段(204)、冲击块(205)、弹簧Ⅱ(206)；所述推杆拍击机构(3)包括上拍击片(301)、下拍击片(302)、连接螺钉(303)、推杆(304)、弹簧Ⅰ(305)、弹簧底座(306)；装置利用钻井时的振动冲击，推动冲击块(205)向上冲击，使双级锥形活塞(203)产生位移，推动推杆拍击机构(3)以较高的频率拍击井壁，完成井壁的修整；

主体结构(1)中的上接头(101)、下接头(102)用于连接钻柱、钻铤等井下钻具，下接头(102)上部内壁设有螺纹，用于安装挡环(104)，螺纹上部的阶梯处与弹簧Ⅱ(206)一端接触；主体结构(1)外壁周向设有双级阶梯孔(103)，每级周向均布三个孔，两级共六个阶梯通孔均匀错位排列，周向等分360°，每个阶梯孔第二级阶梯的孔内壁设有螺纹，用于配合弹簧底座(306)；主体结构(1)外壁还设有两个保护套安装槽(105)，用于固定保护套(106)。

2.根据权利要求1所述的一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，其特征在于，挡环(104)为外侧设有螺纹的圆环金属板，用于对主体结构(1)内部零件进行轴向限位；保护套(106)为一体式设计的为弹性套，其上设有与双级阶梯孔(103)相同位置的六个孔，两侧固定在主体结构(1)外壁保护套安装槽(105)上，用于将内部包裹的零件与外部流体、岩削等隔离，防止发生由于腐蚀、磨损而引起的装置卡死或过早失效。

3.根据权利要求1所述的一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，其特征在于，双级动力机构(2)中的上部封隔段(201)上设有环形密封圈槽(202)，用于阻止流体或其所携带的固体颗粒进入主体结构(1)与双级动力机构(2)之间形成的空间，所导致的各零部件之间卡死或过度磨损；双级锥形活塞(203)底部设有螺纹，且为一体式设计，每一级均由圆锥面+圆柱面组成，圆锥面用于将双级动力机构(2)的轴向运动转换为推杆拍击机构(3)的径向拍击运动；下部封隔段(204)下端也设有环形密封圈槽(202)，上端内壁设有螺纹，与双级锥形活塞(203)底部螺纹配合连接，下部封隔段(204)上表面与弹簧Ⅱ(206)另一端接触；冲击块(205)为圆环柱形，用于传递振动冲击；弹簧Ⅱ(206)套在双级锥形活塞(203)上，起到复位的作用。

4.根据权利要求1所述的一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，其特征在于，推杆拍击机构(3)数量为六片，安装在主体结构(1)上的双级阶梯孔(103)中，六片相互配合可周向微间隙覆盖井壁；其中上拍击片(301)设有一阶梯通孔，下拍击片(302)与推杆(304)为一体且上部设有螺纹孔，上部螺纹孔用于安装连接螺钉(303)；在下拍击片(302)与推杆(304)交界处有一凸台，内部设有弹簧卡槽用于固定弹簧Ⅰ(305)的一端；上拍击片(301)与下拍击片(302)之间夹有保护套(106)，三者使用连接螺钉(303)连接；推杆(304)底面为内凹圆锥面，与双级锥形活塞(203)的圆锥面接触，且完全贴合；弹簧底座(306)外部底端设有螺纹，安装与双级阶梯孔(103)上，内部设有弹簧卡槽用于固定弹簧Ⅰ(305)的另一端。

5.根据权利要求1所述的一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，其特征在于，当振动冲击传递至冲击块(205)时，冲击块(205)向上冲击，双级动力机构(2)向上运动，圆锥面与推杆拍击机构(3)接触；拍击时，随着双级动力机构(2)向上运动推杆拍击机构(3)从与圆锥面锥顶小直径处接触，运动到与圆锥面锥底大直径处接触，此时弹簧Ⅰ(305)处于拉伸状态，弹簧Ⅱ(206)处于压缩状态，六个推杆拍击机构(3)均为拍出状态；复位时，随着弹簧Ⅱ(206)推动双级动力机构(2)向下移动，弹簧Ⅰ(305)的拉力使得推杆拍击机构(3)复位，推杆拍击机构(3)从与圆锥面锥底大直径处接触，运动到与圆锥面锥顶小直径处接触，六个推杆拍击机构(3)均为复位状态；一次拍击无法完成全井壁的拍击加固修整，但本装置随钻旋转，旋转后拍击与复位过程循环往复，故能够将周向井壁全覆盖无死角拍击，完成周向全井壁拍击修整。

6.根据权利要求1所述的一种随钻双级高频拍击修整井壁的井下短接，其特征在于，该装置考虑到钻井液和环空流体的影响，所有的部件应采用耐腐蚀的材料，零件之间存在相互运动，较易磨损，应选用耐磨性较好的金属材料；同时与井壁拍击需要较大的力，推杆拍击机构(3)可能易发生形变，则应选用质量较轻且强度刚度较高的材料，推杆拍击机构(3)的拍击片贴于主体结构(1)外表面，且具有一定厚度，但整体装置直径仍可设计比钻头小，不卡钻。