CN217462007U - 一种侧钻井井下动力钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种侧钻井井下动力钻具，螺杆钻具的万向轴总成包括连杆和两端的活绞，下端活绞与水帽连为一体，连杆两端分别插接在活绞沉孔中，连杆两端外周分别设有外鼓形齿，外鼓形齿与活绞沉孔内周壁的内鼓形齿啮合，连杆两端中心分别通过承力球抵靠在球座中心；连杆的两端台肩分别抵靠有内角轴承，内角轴承的外球面支撑在外角轴承上，外角轴承的内端头抵靠在活绞的内台阶上；外角轴承的底部支撑在支撑圈上，支撑圈的外侧底部支撑在锁紧套上，锁紧套的上端外周旋接在活绞的内壁；支撑圈中心的锥形套外周嵌套有弹性密封套，弹性密封套的下端夹持在连杆外周。该钻具的单趟钻使用时间长，钻进速度快，可减少起下钻次数，缩短钻井周期。

Description

一种侧钻井井下动力钻具

技术领域

本实用新型涉及一种侧钻井井下钻具，尤其涉及一种侧钻井井下动力钻具，属于侧钻井工具技术领域。

背景技术

油田生产后期，由于套管损坏等因素造成原井无法开采，打加密井或更新井开采会使采油成本大幅上升，很多情况下还涉及征地等费用及审批。在原井套管中下小套管（又称尾管），或者在原井套管中开窗侧钻新孔，然后下小套管，可以利用原有的地面设施，降低施工成本，挖掘井间剩余油，让报废井重获新生，投资少、见效快、经济效益显著。世界各国都非常重视该技术的研究应用，已成为许多油田勘探开发中重新认识老油田、使老油田增储上产和提高最终采收率的重要手段，显示出了广阔的发展前景及推广应用价值。因此，开展侧钻工艺技术研究，使侧钻施工提速提效，早日投产见效，显得十分必要。

油田侧钻工艺主要有套管开窗、MWD定向、复合钻进，以及后期的电测、下套管固井等工艺。其中，传统上开窗成功后下GYD517单牙轮钻头+∮95mm单弯螺杆钻具的组合进行钻进，由于单牙轮钻头和螺杆钻具的安全使用寿命有限，一般100小时左右就需要起钻更换钻头和螺杆，生产效率和效益均收到限制。

井下钻具是否需要起钻，取决于使用寿命最短的工具。分析如下：单牙轮钻头的安全用时间为100小时，单弯螺杆钻具的有效使用时间为120小时，其中最影响使用寿命的是万向轴总成，个别工具的使用寿命短，即使其它工具的使用寿命明显更长，也必须起钻，其起钻后通常同步进行更换，增加了起下钻次数，影响了施工时效。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种侧钻井井下动力钻具，单趟钻使用时间长，钻进速度快，可减少起下钻次数，缩短钻井周期。

为解决以上技术问题，本实用新型的一种侧钻井井下动力钻具，包括螺杆钻具，所述螺杆钻具自上而下依次包括旁通阀、防掉总成、马达、万向轴总成和传动轴总成，所述万向轴总成包括连杆和分别连接在连杆两端的活绞，上端活绞的上端头设有锥形公扣，下端活绞与水帽连为一体，所述连杆的两端分别插接在活绞的沉孔中，所述连杆的两端外周分别设有外鼓形齿，所述外鼓形齿与活绞沉孔内周壁的内鼓形齿相啮合，所述连杆的两端头中心分别嵌有承力球，所述承力球分别抵靠在球座中心，所述球座分别固定在活绞的底壁中心；所述连杆的两端台肩分别抵靠有内角轴承，所述内角轴承的外球面支撑在外角轴承的内球面上，外角轴承的内端头抵靠在活绞的内台阶上；所述外角轴承的底部支撑在支撑圈上，所述支撑圈的外侧底部支撑在锁紧套的上端内台阶上，所述锁紧套的上端外周旋接在活绞的内壁，所述锁紧套的外台阶抵靠在活绞的端口底部；所述支撑圈的中心设有向外延伸的支撑圈锥形套，所述支撑圈锥形套的外周嵌套有弹性密封套，所述弹性密封套的下端夹持在连杆的外周。

作为本实用新型的改进，所述活绞的侧壁设有径向注油孔，所述径向注油孔的内端口与承力球所在的空间相通，所述径向注油孔的外端口旋接有密封螺塞。

作为本实用新型的进一步改进，沿球座的轴线设有贯通的油孔。

作为本实用新型的进一步改进，所述水帽的圆周上设有多个水帽径向孔与中心孔道相通。

作为本实用新型的进一步改进，所述万向轴总成外周的壳体为可调弯壳体，所述可调弯壳体包括调弯上壳体、双公弯接头、滑动锁套和调弯下壳体，所述调弯上壳体上端的公螺纹与螺杆钻具的马达壳体相连，所述双公弯接头两端的螺纹轴线有1.5°夹角，双公弯接头的上端旋接在调弯上壳体的下端母螺纹中，滑动锁套套装在双公弯接头的中段外周且通过平键径向定位，双公弯接头的下端旋接在调弯下壳体的上端母螺纹中，调弯下壳体上下两端的母螺纹轴线也有1.5°夹角，调弯下壳体的下端与传动轴总成的上端相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述PDC钻头包括相互嵌合的钻头上体和钻头下体，所述钻头上体的上端设有锥形公螺纹，所述钻头下体的下部设有刀翼，刀翼上分布有多个复合片切削齿，相邻刀翼之间设有喷孔，各喷孔的内端头分别与分流区相通，各喷孔中分别安装有自振空化喷嘴，所述钻头上体和钻头下体的中心孔共轴线且相贯通；所述钻头下体的上部设有钻头下体凸台，所述钻头下体凸台嵌于所述钻头上体的沉孔中；所述钻头上体中心孔中嵌有脉冲发生器，所述脉冲发生器的中段设有脉冲发生器外凸台；所述脉冲发生器外凸台的上部台肩抵靠在所述钻头上体中心孔的内台阶下方，所述脉冲发生器外凸台的下部台肩抵靠在所述钻头下体凸台的顶部，所述脉冲发生器的下部插入于所述钻头下体中心孔中。

作为本实用新型的进一步改进，沿所述脉冲发生器的轴线设有脉冲振荡腔，所述脉冲振荡腔自上而下依次设有谐振腔进水孔、谐振腔扰动区、谐振腔碰撞区和谐振腔分离区，谐振腔进水孔的上端设有上大下小的喇叭口，谐振腔扰动区的内径大于谐振腔进水孔的孔径，谐振腔碰撞区的上端与谐振腔扰动区等直径贯通，谐振腔分离区的孔径小于谐振腔碰撞区的孔径，且谐振腔分离区的上端呈圆锥状突出于谐振腔碰撞区的下端空腔中，谐振腔分离区的下端设有谐振腔出水口与所述分流区的中心相通。

作为本实用新型的进一步改进，所述PDC钻头为三刀翼四喷嘴结构。

相对于现有技术，本实用新型取得了以下有益效果：1、万向轴总成可传递较大的扭矩，承载径向载荷和轴向载荷的能力均很强，且自调心功能优越，润滑良好，工作状态平稳，不易发生损坏或故障，使用寿命长。

2、采用PDC钻头取代单牙轮钻头，脉冲发生器单独加工，可以根据钻头尺寸和水力参数设计，在反复验算基础上确定脉冲振荡腔的关键结构与尺寸，确保脉冲的激励效果最佳，幅值最大；提高脉冲振荡腔结构尺寸与钻井水力参数的配伍性，试验成本比较小，易于对脉冲振荡腔进行优化。且加工时易于精确控制脉冲振荡腔的尺寸与结构，需要改变脉冲振荡腔的尺寸时，只需要在钻头上体与钻头下体装配前更换脉冲发生器，不需要整体更换钻头上体与钻头下体，降低生产成本。

3、采用三刀翼四喷嘴PDC钻头，在钻进防泥包、定向稳工具面和增强对地层攻击性具有优异的性能，提高机械钻速效果明显；

4、将单趟钻使用时间由100小时提高至大于250小时，减少起下钻次数，缩短钻井周期。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本实用新型。

图1为本实用新型中螺杆钻具的结构示意图；

图2为螺杆钻具中万向轴总成某实施例的主视图；

图3为图2上部的放大图；

图4为螺杆钻具中可调弯壳体某实施例的剖视图；

图5为本实用新型中PDC钻头的剖视图。

图中：1.旁通阀；2.防掉总成；3.马达；4.可调弯壳体；4a.调弯上壳体；4b.双公弯接头；4c.调弯下壳体；4d.滑动锁套；5.万向轴总成；5a.活绞；5a1.内鼓形齿；5a2.径向注油孔；5a3.密封螺塞；5b.连杆；5b1.外鼓形齿；5c.球座；5d.承力球；5e.内角轴承；5f.外角轴承；5g.支撑圈；5h.锁紧套；5j.弹性密封套；5k.水帽；6.传动轴总成；7a.钻头上体；7b.钻头下体；7b1.分流区；7c.脉冲发生器；7c1.谐振腔进水孔；7c2.谐振腔扰动区；7c3.谐振腔碰撞区；7c4.谐振腔分离区；7d.自振空化喷嘴；7e.刀翼。

具体实施方式

在本实用新型的以下描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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实用新型和简化描述，而不是指装置必须具有特定的方位。

如图1至图5所示，本实用新型的侧钻井井下动力钻具包括螺杆钻具和PDC钻头，螺杆钻具自上而下依次包括旁通阀1、防掉总成2、马达3、万向轴总成5和传动轴总成6。旁通阀1设置在马达3上方，下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀1引入钻杆内，减小下钻过程中的阻力，平衡钻杆内外的液柱压力。起钻时，钻杆内的钻井液经旁通孔流入环空，不致使钻井液溢于井台。钻具工作时，高压钻井液推动阀芯下行，压缩弹簧，关闭旁通孔，所有钻井液流经马达3，由马达3把压力能转换为机械能。

防掉总成2的壳体旋接在旁通阀1的下方，主要作用是防止由于异常原因发生定子壳体断裂和脱扣现象，起到防止螺杆钻具掉入井中，避免发生井下事故。

马达3由具有螺旋形内腔的硫化橡胶定子和螺旋形的转子组成，转子和定子沿轴向形成许多连续的、互不相通的螺旋密封线，构成动力部分的密封容腔。当压力足够时，泥浆进入容腔，其液压能转化为机械能，在转子的螺旋曲面上形成转动力矩，迫使转子在定子中运动，容腔沿着轴向移动，不断生成和消失，完成能量转换。泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀1进入螺杆，在螺杆的进、出口形成一定的压力差，推动螺杆旋转，并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头。

如图2、图3所示，万向轴总成5包括连杆5b和分别连接在连杆5b两端的活绞5a，上端活绞5a的上端头设有锥形公扣，下端活绞与水帽5k连为一体，连杆5b的两端分别插接在活绞5a的沉孔中，连杆5b的两端外周分别设有外鼓形齿5b1，外鼓形齿5b1与活绞沉孔内周壁的内鼓形齿5a1相啮合，连杆5b的两端头中心分别嵌有承力球5d，承力球5d分别抵靠在球座5c的中心，球座5c分别固定在活绞5a的底壁中心。

承力球5d顶在活绞5a的轴心，既能承受巨大的轴向力，又具有调心功能；连杆5b可绕承力球5d摆动一定角度以适应连杆轴线与活绞轴线之间的偏差。外鼓形齿5b1与内鼓形齿5a1相啮合，既能可靠地将来自马达3的扭矩传递给传动轴及钻头，又具有一定的调心功能，自动补偿上下两端的同轴度误差，鼓形齿之间的啮合可靠，不容易折断。

连杆5b的两端台肩分别抵靠有内角轴承5e，内角轴承5e的外球面支撑在外角轴承5f的内球面上，外角轴承5f的内端头抵靠在活绞5a的内台阶上；外角轴承5f的底部支撑在支撑圈5g上，支撑圈5g的外侧底部支撑在锁紧套5h的上端内台阶上，锁紧套5h的上端外周旋接在活绞5a的内壁，锁紧套5h的外台阶抵靠在活绞5a的端口底部；支撑圈5g的中心设有向外延伸的支撑圈锥形套，支撑圈锥形套的外周嵌套有弹性密封套5j，弹性密封套5j的下端夹持在连杆5b的外周，将内角轴承5e、外角轴承5f、承力球5d、外鼓形齿5b1与内鼓形齿5a1所在空间封闭住，避免接触井下的腐蚀液体，保证润滑良好。

内角轴承5e支撑在外角轴承5f上，具有很大的负荷能力，既可以承载径向载荷，又可以承载轴向载荷，稳定可靠。内角轴承5e外球面与外角轴承5f的内球面的配合具有自调心功能。支撑圈5g为外角轴承5f提供轴向定位，锁紧套5h的台阶为支撑圈5g提供轴向定位。

活绞5a的侧壁设有径向注油孔5a2，径向注油孔5a2的内端口与承力球5d所在的空间相通，径向注油孔5a2的外端口旋接有密封螺塞5a3。通过径向注油孔5a2向承力球5d所在的空间注入润滑油，弹性密封套5j将润滑空间的外端口封闭，并且可以适应连杆5b的摆动；良好的润滑环境可以大大延长万向轴的使用寿命。

沿球座5c的轴线也设有贯通的油孔，确保承力球5d与球座5c的接触面更加能够得到很好的润滑。

水帽5k的圆周上设有多个水帽径向孔与中心孔道相通，便于水流沿传动轴总成6的中心孔进入PDC钻头的水眼。

如图4所示，万向轴总成5外周的壳体为可调弯壳体4，可调弯壳体4包括调弯上壳体4a、双公弯接头4b、滑动锁套4d和调弯下壳体4c，调弯上壳体4a上端的公螺纹与螺杆钻具的马达壳体相连，双公弯接头4b两端的螺纹轴线有1.5°夹角，双公弯接头4b的上端旋接在调弯上壳体4a的下端母螺纹中，滑动锁套4d套装在双公弯接头4b的中段外周且通过对称设置的两根或三根平键径向定位，可以轴向滑动。双公弯接头4b的下端旋接在调弯下壳体4c的上端母螺纹中，调弯下壳体4c上下两端的母螺纹轴线也有1.5°夹角，调弯下壳体4c的下端与传动轴总成6的上端相连。

调弯上壳体4a的下部与滑动锁套4d的上部之间通过牙嵌实现径向定位，需要调整弯角时，将旋松调弯下壳体4c与双公弯接头4b之间的连接，将滑动锁套4d下滑一段距离，使其上端与调弯上壳体4a的牙嵌脱离啮合，然后旋转调弯上壳体4a至所需的角度后，滑动锁套4d上行使牙嵌重新嵌合，将该角度锁定，然后旋紧旋松调弯下壳体4c与双公弯接头4b之间的连接。当双公弯接头4b的偏向与调弯下壳体4c的偏向相互抵消时，可以实现最小的0°弯角；当两个偏向相互叠加时，可以实现最大的3°弯角。其它相位则位于0°至3°弯角之间。本螺杆钻具的使用寿命长，可承受高扭矩，并且根据施工需要，螺杆弯度可以现场调节。

如图5所示，PDC钻头包括相互嵌合的钻头上体7a和钻头下体7b，钻头上体7a的上端设有锥形公螺纹，钻头下体7b的下部设有刀翼7e，刀翼7e上分布有多个复合片切削齿，相邻刀翼7e之间设有喷孔，各喷孔的内端头分别与分流区7b1相通。各喷孔中分别安装有自振空化喷嘴7d，钻头上体7a和钻头下体7b的中心孔共轴线且相贯通；钻头下体7b的上部设有钻头下体凸台，钻头下体凸台嵌于钻头上体7a的沉孔中；钻头上体中心孔中嵌有脉冲发生器7c，脉冲发生器7c的中段设有脉冲发生器外凸台；脉冲发生器外凸台的上部台肩抵靠在钻头上体中心孔的内台阶下方，脉冲发生器外凸台的下部台肩抵靠在钻头下体凸台的顶部，脉冲发生器7c的下部插入于钻头下体中心孔中。

脉冲发生器7c嵌于钻头上体7a与钻头下体7b之间，由钻头上体中心孔的内台阶对其上部进行轴向定位，由钻头下体凸台对其下部进行轴向定位，脉冲发生器上部与钻头上体中心孔的配合，下部与钻头下体中心孔的配合，可以确保脉冲发生器7c与钻头共轴线。需要改变脉冲振荡腔的尺寸时，只需要在钻头上体7a与钻头下体7b装配前更换脉冲发生器7c，不需要整体更换钻头上体7a与钻头下体7b，降低生产成本。

沿脉冲发生器7c的轴线设有脉冲振荡腔，脉冲振荡腔自上而下依次设有谐振腔进水孔7c1、谐振腔扰动区7c2、谐振腔碰撞区7c3和谐振腔分离区7c4，谐振腔进水孔7c1的上端设有上大下小的喇叭口，谐振腔扰动区7c2的内径大于谐振腔进水孔7c1的孔径，谐振腔碰撞区7c3的上端与谐振腔扰动区7c2等直径贯通，谐振腔分离区7c4的孔径小于谐振腔碰撞区7c3的孔径，且谐振腔分离区7c4的上端呈圆锥状突出于谐振腔碰撞区7c3的下端空腔中，谐振腔分离区7c4的下端设有谐振腔出水口与分流区7b1的中心相通。

当一股射流从谐振腔进水孔7c1向下游谐振腔扰动区7c2流动时，射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放大，在射流层中形成一连串离散涡环，当其到达碰撞壁并与之互相作用时，在谐振腔碰撞区7c3产生压力振荡波，该波以声速向上游传播，又诱发新的涡量脉动；若谐振腔分离区7c4与谐振腔碰撞区7c3的压力脉动互相为反相，就会形成“涡量扰动-放大-新的涡量脉动产生”的循环过程，该过程不断的重复，就会形成强烈的自激振荡脉冲射流。

PDC钻头为三刀翼四喷嘴结构，防泥包效果好，使用寿命长。三个流道互相不干扰；流道的线性设计按照300rpm的转速下，泥浆的最优上返路径来设计，避免了其它线性设计的阻流效应，回流干扰效应和涡流效应。

工具面是否稳定取决于钻头的返扭矩是否恒定，所以根据这一原理，钻头整个冠部到保径部分是一个物理的球面形状，最大限度的增加了钻头的稳定性。由于钻压较低1-2吨，比钻压特别低，刀翼7e上切削齿的物理露高严格控制，只有2mm，确保低钻压的情况返扭矩容易恒定。

PDC钻头采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到了快速钻井的目的。当PDC钻头在软到中等级硬度地层进时，复合片切削齿在钻压和扭矩作用下克服地层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩削呈大块片状，这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似。被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出泥浆带走至钻头与井壁间的环空运至井外。

以上所述仅为本实用新型之较佳可行实施例而已，非因此局限本实用新型的专利保护范围。除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围内。本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (8)

1.一种侧钻井井下动力钻具，包括螺杆钻具，所述螺杆钻具自上而下依次包括旁通阀、防掉总成、马达、万向轴总成和传动轴总成，其特征在于：所述万向轴总成包括连杆和分别连接在连杆两端的活绞，上端活绞的上端头设有锥形公扣，下端活绞与水帽连为一体，所述连杆的两端分别插接在活绞的沉孔中，所述连杆的两端外周分别设有外鼓形齿，所述外鼓形齿与活绞沉孔内周壁的内鼓形齿相啮合，所述连杆的两端头中心分别嵌有承力球，所述承力球分别抵靠在球座中心，所述球座分别固定在活绞的底壁中心；所述连杆的两端台肩分别抵靠有内角轴承，所述内角轴承的外球面支撑在外角轴承的内球面上，外角轴承的内端头抵靠在活绞的内台阶上；所述外角轴承的底部支撑在支撑圈上，所述支撑圈的外侧底部支撑在锁紧套的上端内台阶上，所述锁紧套的上端外周旋接在活绞的内壁，所述锁紧套的外台阶抵靠在活绞的端口底部；所述支撑圈的中心设有向外延伸的支撑圈锥形套，所述支撑圈锥形套的外周嵌套有弹性密封套，所述弹性密封套的下端夹持在连杆的外周。

2.根据权利要求1所述的侧钻井井下动力钻具，其特征在于：所述活绞的侧壁设有径向注油孔，所述径向注油孔的内端口与承力球所在的空间相通，所述径向注油孔的外端口旋接有密封螺塞。

3.根据权利要求2所述的侧钻井井下动力钻具，其特征在于：沿球座的轴线设有贯通的油孔。

4.根据权利要求1所述的侧钻井井下动力钻具，其特征在于：所述水帽的圆周上设有多个水帽径向孔与中心孔道相通。

5.根据权利要求1所述的侧钻井井下动力钻具，其特征在于：所述万向轴总成外周的壳体为可调弯壳体，所述可调弯壳体包括调弯上壳体、双公弯接头、滑动锁套和调弯下壳体，所述调弯上壳体上端的公螺纹与螺杆钻具的马达壳体相连，所述双公弯接头两端的螺纹轴线有1.5°夹角，双公弯接头的上端旋接在调弯上壳体的下端母螺纹中，滑动锁套套装在双公弯接头的中段外周且通过平键径向定位，双公弯接头的下端旋接在调弯下壳体的上端母螺纹中，调弯下壳体上下两端的母螺纹轴线也有1.5°夹角，调弯下壳体的下端与传动轴总成的上端相连。

6.根据权利要求1所述的侧钻井井下动力钻具，其特征在于：所述传动轴总成的下端旋接有PDC钻头，所述PDC钻头包括相互嵌合的钻头上体和钻头下体，所述钻头上体的上端设有锥形公螺纹，所述钻头下体的下部设有刀翼，刀翼上分布有多个复合片切削齿，相邻刀翼之间设有喷孔，各喷孔的内端头分别与分流区相通，各喷孔中分别安装有自振空化喷嘴，所述钻头上体和钻头下体的中心孔共轴线且相贯通；所述钻头下体的上部设有钻头下体凸台，所述钻头下体凸台嵌于所述钻头上体的沉孔中；所述钻头上体中心孔中嵌有脉冲发生器，所述脉冲发生器的中段设有脉冲发生器外凸台；所述脉冲发生器外凸台的上部台肩抵靠在所述钻头上体中心孔的内台阶下方，所述脉冲发生器外凸台的下部台肩抵靠在所述钻头下体凸台的顶部，所述脉冲发生器的下部插入于所述钻头下体中心孔中。

7.根据权利要求6所述的侧钻井井下动力钻具，其特征在于：沿所述脉冲发生器的轴线设有脉冲振荡腔，所述脉冲振荡腔自上而下依次设有谐振腔进水孔、谐振腔扰动区、谐振腔碰撞区和谐振腔分离区，谐振腔进水孔的上端设有上大下小的喇叭口，谐振腔扰动区的内径大于谐振腔进水孔的孔径，谐振腔碰撞区的上端与谐振腔扰动区等直径贯通，谐振腔分离区的孔径小于谐振腔碰撞区的孔径，且谐振腔分离区的上端呈圆锥状突出于谐振腔碰撞区的下端空腔中，谐振腔分离区的下端设有谐振腔出水口与所述分流区的中心相通。

8.根据权利要求6所述的侧钻井井下动力钻具，其特征在于：所述PDC钻头为三刀翼四喷嘴结构。

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