CN210564346U - 可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，包括壳体，壳体上端套装有上接头，壳体的下端连接有下接头，下接头的腔内上端滑动密封连接有承压环；壳体的腔内设有台阶轴，台阶轴的上端与上接头的下端连接，台阶轴的下端与承压环连接，台阶轴的外周套有碟簧组，碟簧组的两端分别抵在台阶轴的外侧台阶面和下接头的顶端圆环面上；下接头的腔内中部固定安装有脉动压力发生组件。本实用新型能够通过脉动压力发生组件使钻井循环介质形成具有一定波动周期的脉动压力，并由承压环将脉动压力转化为上部钻柱的周期性轴向蠕动以及井底钻头上的周期性波动钻压，提高破岩钻进效率，并充分避免了金属面硬性冲击。

Description

可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具

技术领域

本发明涉及石油装备技术领域，具体涉及可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具。

背景技术

近年来，石油天然气钻井工程中油气井的结构复杂程度逐渐增加，深井、超深井、长水平井、多分支井等复杂结构井的在实际开采过程中所占比重越来越大，钻进深度及井身结构复杂度的增加所面临的深井硬质岩层、井壁摩阻等难题降低了破岩钻进的机械钻速及钻压传递的有效性，对钻井方法、工艺技术的要求也越来越高，传统的冲击式钻井提速工具如液力冲击器、扭力冲击器、潜孔锤等工具是通过将钻井工作介质的动能转化为冲击锤与砧子的硬性冲击能量，产生具有一定频率的破岩冲击功的方式难以解决金属面硬性冲击所产生的疲劳失效问题，使得该类工具的工作寿命难以提高，且不能解决深井、水平井等地层摩阻增大的难题。为此，国内外学者提出了大量解决方案，其中最有效的、目前应用最广的工具当属水力振荡器（主要代表为NOV水力振荡器），水力振荡器可产生具有一定周期的轴向蠕动，能有效地解决地层磨阻难题，然而其只能有效地传递钻压，并不能产生周期性波动的钻压，对机械钻速的提升不明显。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种可可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，能够通过脉动压力发生组件使钻井循环介质形成具有一定波动周期的脉动压力，并由承压环将脉动压力转化为上部钻柱的周期性轴向蠕动以及井底钻头上的周期性波动钻压，提高破岩钻进效率，并充分避免了金属面硬性冲击。

本发明的技术方案是：

可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，包括壳体，所述壳体上端套装有上接头，所述壳体的下端连接有下接头，所述下接头的腔内上端滑动密封连接有承压环；

所述壳体的腔内设有台阶轴，所述台阶轴的上端与上接头的下端连接，所述台阶轴的下端与承压环连接，所述台阶轴的外周套有碟簧组，所述碟簧组的两端分别抵在台阶轴的外侧台阶面和下接头的顶端圆环面上；

所述壳体的内壁上端设有传动部，所述传动部与上接头的外周中部适配，配合后用于传递周向扭矩，所述壳体的内壁上位于传动部的下方设有限位台阶，所述限位台阶用于台阶轴沿轴向移动的限位；

所述下接头腔内中部固定安装有脉动压力发生组件，所述脉动发生组件包括叶轮导流套、叶轮和叶轮底座，所述叶轮底座位于叶轮导流套的下方，所述叶轮位于叶轮导流套的下方，并且转动连接在叶轮底座腔内的一侧，所述叶轮导流套上设有偏心流道，所述偏心流道用于将流经的介质导向叶轮的一侧叶片上。

优选的，所述壳体内壁上的传动部为键槽，所述上接头的外周中部设有与键槽适配的键。

优选的，所述壳体内壁上的传动部为多边形的腔体，所述上接头的外周中部呈与传动部适配的多棱柱结构。

优选的，所述壳体上限位台阶处的内径小于台阶轴上端的直径。

优选的，所述壳体上限位台阶处的内径小于上接头中部的直径。

优选的，所述叶轮导流套上的偏心流道呈收口状。

优选的，所述下接头的中部设有与脉动压力发生组件外周适配的安装腔。

优选的，所述下接头的内壁上位于安装腔的上方设有挡圈槽，所述挡圈槽内安装有弹性挡圈，并通过弹性挡圈将脉动压力发生组件封装在安装腔内。

本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

本发明通过脉动压力发生组件使钻井循环介质形成具有一定波动周期的脉动压力，并由承压环将脉动压力转化为上部钻柱的周期性轴向蠕动以及井底钻头上的周期性波动钻压；

上部钻柱的周期性轴向蠕动可将钻柱与井壁间的静摩擦转变为滑动摩擦，降低钻柱弹性送钻瞬时滑动摩擦系数的增长速度，有利于减阻降摩、避免卡钻事故的发生；

井底钻头上的周期性波动钻压可将钻头的静压破岩效果转变为动载荷破岩钻进效果，结合上部动力钻具或地面转盘提供的扭矩可在井底形成旋冲钻井作业方式，可有效地提高深井、超深井等硬质地层的破岩钻进效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2本发明工具CFD仿真的流道网格模型及其边界标记图；

图3为通过CFD仿真得到的钻柱轴向蠕动位移随时间的变化曲线；

图4为通过CFD仿真得到的钻头上形成的波动钻压随时间的变化曲线；

图中：1、上接头，2、壳体，3、台阶轴；4、碟簧组，5、承压环，6、弹性挡圈，7、叶轮导流套；8、叶轮轴，9、叶轮，10、叶轮底座，11、下接头，12、传动部，13、限位台阶，14、台阶面，15、偏心流道。

具体实施方式

下面是结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

参见图1所示，可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，包括上接头1、壳体2、下接头11；

上接头1套装在壳体2的上端，上接头1用于与上部钻柱连接，下接头11螺纹连接在壳体2的下端，其中，壳体2的腔内设有台阶轴3，下接头11的腔内上端滑动密封连接有承压环5。

台阶轴3的上端与上接头1的下端螺纹连接，台阶轴3的下端与承压环5螺纹连接，并且上接头1、台阶轴3、承压环5和下接头11内形成连通的流道。

台阶轴3的外周中部套有碟簧组4，碟簧组4的上端抵在台阶轴3的外侧台阶面14上，碟簧组4的下端抵在下接头11的顶端圆环面上。

壳体2的内壁上端设有传动部12，上接头1的外周中部与传动部12适配，配合后用于传递周向扭矩，具体为：

壳体2内壁上的传动部12为键槽，上接头1的外周中部设有与键槽适配的键，或者壳体2内壁上的传动部12为多边形的腔体，上接头1的外周中部呈与传动部12适配的多棱柱结构。

壳体2的内壁上位于传动部12的下方设有凸起的限位台阶13，限位台阶13用于台阶轴3沿轴向的移动限位，防止台阶轴3脱离壳体2内。

下接头11的腔内中部固定安装有脉动压力发生组件，脉动发生组件包括叶轮导流套7、叶轮9和叶轮底座10；

叶轮底座10位于叶轮导流套7的下方，叶轮9位于叶轮导流套7的下方，并且通过叶轮9上的叶轮轴8，将叶轮9转动连接在叶轮底座10腔内的一侧；

叶轮导流套7上设有偏心流道15，偏心流道15用于将流经的介质导向叶轮9的一侧叶片上。

本发明的工作过程：

上接头1与上部钻柱连接，下接头11与井底钻头连接，钻井循环介质通过上接头1进入由上接头1、台阶轴3、承压环5和下接头11组成的连通的流道内；

钻井循环介质经承压环5上的中心孔时形成一定的射流作用，并通过叶轮导流套7形成导流作用以冲击叶轮9，使其发生具有一定周期的旋转运动，使得上游钻井循环介质形成周期性的波动，从而产生脉动压力；

脉动压力作用在承压环5下端面，推动上接头1和台阶轴3轴向移动，使上部钻柱产生一定的轴向周期性蠕动，并通过碟簧组4施加在井底钻头上的钻压发生周期性波动，配合上部传递来的周向旋转扭矩，可在井底形成旋冲钻进。

本发明同时具有水力振荡器的作用效果和冲击式钻井提速技术的工作特点，其结构简单、功能性强和适应性好的优势；

通过脉动压力发生组件使钻井循环介质形成具有一定波动周期的脉动压力，并由承压环5将脉动压力转化为上部钻柱的周期性轴向蠕动以及井底钻头上的周期性波动钻压，提高破岩钻进效率，并充分避免了金属面硬性冲击；

上部钻柱的周期性轴向蠕动可将钻柱与井壁间的静摩擦转变为滑动摩擦，降低上部钻柱弹性送钻瞬时滑动摩擦系数的增长速度，有利于减阻降摩、避免卡钻事故的发生；

井底钻头上的周期性波动钻压可将钻头的静压破岩效果转变为动载荷破岩钻进效果，结合上部动力钻具或地面转盘提供的扭矩可在井底形成旋冲钻井作业方式，可有效地提高深井、超深井等硬质地层的破岩钻进效率；

另外，可通过整体或部分更换不同参数的脉动压力发生组件或采用不同属性的钻井循环介质，以调节钻井循环介质所产生的脉动压力的变化特性，针对不同的工作条件和钻进地层特征形成不同的输出特性，从而改变钻柱轴向蠕动位移和钻压波动范围，以提高本发明工具的适应性。

参见图2至图4所示，为进一步本发明工具的有效性及其输出特性，在钻压为80吨的条件下，采用CFD动网格技术针对本发明工具的流场进行了仿真分析，得到了采用本发明工具后，钻柱轴向蠕动位移随时间的变化曲线和井底头上钻压波动曲线。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，具体为：

参见图1所示，壳体2上限位台阶13处的内径小于台阶轴3上端的直径；

壳体2上限位台阶13处的内径小于上接头1中部的直径。

通过限位台阶13对台阶轴3和上接头1沿轴向移动的限位，一方面形成台阶配合，有效地防止下端连接的井底钻头掉落，另一方面可防止上部过大的钻压将碟簧组4压溃，从而能起到保护作用。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，具体为

参见图1所示，叶轮导流套7上的偏心流道15呈收口状；

通过将偏心流道15设计呈收口状结构，使钻井循环介质流经叶轮导流套7的偏心流道15后能够逐渐过渡增压，并且经过增压后的钻井循环介质具有更大的冲击力驱动叶轮9形成更强的脉冲。

实施例4

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，具体为：

参见图1所示，下接头11的中部设有与脉动压力发生组件外周适配的安装腔。

下接头11的内壁上位于安装腔的上方设有挡圈槽，挡圈槽内安装有弹性挡圈6。

通过弹性挡圈6将脉动压力发生组件封装在安装腔内，可以更加方便快速的将脉动压力发生组件装配到下接头11内，同时更加方便需要更换或维护脉动压力发生组件时的拆卸。

Claims (8)

1.可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，其特征在于：包括壳体，所述壳体上端套装有上接头，所述壳体的下端连接有下接头，所述下接头的腔内上端滑动密封连接有承压环；

所述壳体的腔内设有台阶轴，所述台阶轴的上端与上接头的下端连接，所述台阶轴的下端与承压环连接，所述台阶轴的外周套有碟簧组，所述碟簧组的两端分别抵在台阶轴的外侧台阶面和下接头的顶端圆环面上；

所述壳体的内壁上端设有传动部，所述传动部与上接头的外周中部适配，配合后用于传递周向扭矩，所述壳体的内壁上位于传动部的下方设有限位台阶，所述限位台阶用于台阶轴沿轴向移动的限位；

所述下接头腔内中部固定安装有脉动压力发生组件，所述脉动发生组件包括叶轮导流套、叶轮和叶轮底座，所述叶轮底座位于叶轮导流套的下方，所述叶轮位于叶轮导流套的下方，并且转动连接在叶轮底座腔内的一侧，所述叶轮导流套上设有偏心流道，所述偏心流道用于将流经的介质导向叶轮的一侧叶片上。

2.根据权利要求1所述的可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，其特征在于：所述壳体内壁上的传动部为键槽，所述上接头的外周中部设有与键槽适配的键。

3.根据权利要求1所述的可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，其特征在于：所述壳体内壁上的传动部为多边形的腔体，所述上接头的外周中部呈与传动部适配的多棱柱结构。

4.根据权利要求1所述的可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，其特征在于：所述壳体上限位台阶处的内径小于台阶轴上端的直径。

5.根据权利要求1所述的可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，其特征在于：所述壳体上限位台阶处的内径小于上接头中部的直径。

6.根据权利要求1所述的可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，其特征在于：所述叶轮导流套上的偏心流道呈收口状。

7.根据权利要求1所述的可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，其特征在于：所述下接头的中部设有与脉动压力发生组件外周适配的安装腔。

8.根据权利要求7所述的可形成周期性钻柱轴向蠕动与钻压波动的钻井提速工具，其特征在于：所述下接头的内壁上位于安装腔的上方设有挡圈槽，所述挡圈槽内安装有弹性挡圈，并通过弹性挡圈将脉动压力发生组件封装在安装腔内。

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