CN105201402B - 扭转冲击钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭转冲击钻井装置，包括钻头和与钻头连接的用于为钻头提供破坏岩层的冲击扭矩的高频扭转冲击机构，所述高频扭转冲击机构内包括射流换向元件和旋转冲击件，进入所述高频扭转冲击机构的流体的液压能经过射流换向元件后转化为旋转冲击件的往复周向高频低幅旋转冲击作用于钻头上。该装置结构更简单、易损件更少从而能够更好地提高机械钻速和延长钻头的使用寿命。

Description

扭转冲击钻井装置

技术领域

本发明涉及一种钻井施工技术领域，具体涉及一种通过旋转剪切进行钻井的扭转冲击钻井装置，该扭转冲击钻井装置尤其可用于石油钻井、地质勘探、水文水井和地热等领域的钻井井下施工。

背景技术

石油钻井过程中使用PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头)钻一些难钻地层(例如钻井阻力大的硬地层)时，PDC钻头经常得不到足够大的扭矩来破碎地层，导致钻头短时间内停止旋转。与此同时钻柱在井口转盘的驱动下仍然继续旋转并开始卷绕，沿钻柱长度储存扭转能量。当破碎地层所需要的扭矩值一旦达到，钻柱上储存的扭转能量瞬间释放，驱动PDC钻头快速旋转，其结果必然使得对PDC钻头切削齿的冲击载荷要远大于正常值，引起切削齿破损，从而导致钻头损坏。另外，下部钻柱快速旋转，相对于上部钻柱具有更高的转速，极易引发钻柱螺纹倒扣，导致下部钻柱脱扣掉井，造成钻井事故的发生。以上过程反复出现即发生所谓的粘滑振动现象。

在钻探过程中，粘滑振动频率越高，对PDC钻头的冲击破坏越大，不仅缩短PDC钻头的正常使用寿命、影响钻探速度的提高，而且增加钻探施工成本，造成安全隐患。国内外研究表明，在常规PDC钻头上部安装一个扭转冲击发生器，在钻井的同时不断给钻头施加周向冲击载荷，可以大大减少粘滑振动，显著提高机械钻速和钻头寿命。

现有技术中公开了一种通过螺杆马达驱动冲击锤来产生扭转冲击的扭转冲击发生器。但由于需要将冲击锤、由螺杆马达定子和螺杆马达转子构成的螺杆马达以及用于连接螺杆马达与冲击锤的连接组件等均设在壳体内来形成该扭转冲击发生器，导致该扭转冲击发生器的内部结构复杂、易损件多的问题。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，提供一种结构更简单、易损件更少从而能够更好地提高机械钻速和延长钻头的使用寿命的扭转冲击钻井装置。

针对该问题的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的扭转冲击钻井装置，包括钻头和与钻头连接的用于为钻头提供破坏岩层的冲击扭矩的高频扭转冲击机构，所述高频扭转冲击机构内包括射流换向元件和旋转冲击件，进入所述高频扭转冲击机构的流体的液压能经过射流换向元件后转化为旋转冲击件的往复周向高频低幅旋转冲击作用于钻头上。

与现有技术相比，本发明的扭转冲击钻井装置具有以下优点。通过旋转冲击件产生的高频往复周向高频低幅旋转冲击来消除钻头旋转切削过程中的粘滑振动现象，从而能提高机械钻速。而且包括的部件更少，结构也更简单。尤其是采用的射流换向元件内部没有运动部件而是通过射流来换向，简化了结构，也减少了易损件，工作可靠性高。因此，该高频扭转冲击机构能够更好地为钻头提供稳定的高频低幅旋转冲击，不仅能更好地克服地层的剪切阻力，从而能更好地提高机械钻速。另外，由于克服了粘滑现象，不容易出现钻头卡滞和导致钻头的切削齿被损坏的现象，保护了钻头，因此也就能延长钻头的使用寿命。

在一个实施例中，所述高频扭转冲击机构还包括上接头、砧子以及连接上接头和砧子的外筒，其中，所述射流换向元件设在外筒内，所述旋转冲击件的上端连接在外筒内且承接射流换向元件流出的液压能，所述旋转冲击件的下端连接在砧子内，通过所述旋转冲击件将液压能转化为作用在与砧子连接的钻头上的高频旋转冲击。在这种结构中，上接头的上端通过螺纹连接钻柱，上接头的下端与外筒的上端通过螺纹固定连接。另外，外筒的下端又与砧子的下端外周部分形成无相对转动的连接。还有，砧子的下端通过内螺纹连接PDC钻头。这样的结构，使得能够保证效率地将高频扭转冲击机构的高频低幅旋转冲击扭矩传递给钻头。因此，能够更好地保证机械钻速和保护钻头。

在一个实施例中，所述旋转冲击件包括摆动杆和冲击锤，所述摆动杆的上端连接在外筒内的流体驱动腔内，所述摆动杆的下端与冲击锤无相对转动地连接，所述冲击锤位于砧子内的腔体中。通过流体驱动腔内的流体压力驱动摆动杆往复摆动。摆动杆又将摆动传递给冲击锤，通过冲击锤将旋转冲击经砧子传递给PDC钻头。这样的结构，零部件以及运动部件均相对比较少，易损件更少，因此能保证本发明的扭转冲击钻井装置的使用寿命。

在一个实施例中，所述外筒内设有：

分流压盖，其设在上接头和射流换向元件之间，其内设有用于连通上接头的流道和射流换向元件的流道的通道；

上缸盖，其设在射流换向元件和摆动杆之间，其内设有用于连通射流换向元件的流道和流体驱动腔的内流道；和

缸体，其设在外筒内且位于上缸盖下，并与上缸盖和旋转冲击件的摆动杆形成驱动摆动杆旋转的流体驱动腔，所述流体驱动腔与上缸盖的内流道连通。该分流压盖的流道决定了经过该分流压盖的流体的流量，通过设计分流压盖的流道尺寸，可以确定冲击载荷的大小。

在一个优选的实施例中，所述射流换向元件的流道包括进液流道和出液流道，所述上缸盖的内流道包括进液内流道和出液内流道，所述流体驱动腔被旋转冲击件的摆动杆分成进液腔和回液腔；

流入的流体依次经所述分流压盖的通道、射流换向元件的进液流道、上缸盖的进液内流道进入进液腔，所述出液腔内的流体经上缸盖的出液内流道和射流换向元件的出液流道流出。通过确定流体的流动路径和缩短流体流经的路径，可以减少流体的压力损耗。

在一个优选的实施例中，所述摆动杆为双叶摆动杆，在工作时所述双叶摆动杆将流体驱动腔分成两个进液腔和两个回液腔。这样的结构能量转化的效率更高，从而可以充分利用流体的液压能。

在一个优选的实施例中，所述射流换向元件内仅设置有流道，所述流道构造成：在旋转冲击件的冲击锤撞击设于高频扭转冲击机构的砧子的工作止点，所述射流换向元件所在的流体驱动腔内的瞬间高背压切换流体输出方向从而使得所述旋转冲击件的摆动杆形成往复摆动。该射流换向元件内不设置运动部件，仅通过流道的设计以及流体驱动腔与摆动杆的配合来实现换向，因此，能够减少零部件，简化结构，提高使用寿命，保证工作可靠性。

在一个优选的实施例中，所述射流换向元件包括人字形的流道，在人字形的流道的两侧分支流道上分别连接有向上延伸的出口，在人字形的流道的主干流道的两侧分别设有用于信号连接的信号分支通道。该人字形的流道的两侧分支中的一侧分支形成进液流道，另一侧则形成回液流道，然后流体通过与回液通道连接的出口流出。这种结构设计合理，而且相对比较容易控制。

在一个优选的实施例中，所述外筒的下端和所述砧子的下端的外周部设有相互配合的牙嵌式结构，所述外筒和砧子通过牙嵌式结构和联接钢球联接在一起。这里的联接钢球用于传递钻压以及承受轴向压力。牙嵌式结构则主要用于传递钻具扭矩。

在一个实施例中，在所述分流压盖和所述上接头之间设有调整垫。通过调整该调整垫的厚度可以实现调整垫、分流压盖、射流换向元件、上缸盖和缸体的轴向压紧，实现相邻各部件端面之间的密封，尽量避免流道及腔体的泄漏。

附图说明

图1所示是本发明的扭转冲击钻井装置的高频扭转冲击机构的一种具体实施例。

图2所示是图1中的高频扭转冲击机构中的外筒和砧子连接的一种结构示意图。

图3所示是图1中的A-A剖视图。

图4所示是图1中的B-B剖视图。

图5所示是图1中的C-C剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

在本发明的实施例中，该扭转冲击钻井装置包括钻头和与钻头连接的高频扭转冲击机构12。在一个实施例中，如图1所示，该高频扭转冲击机构12主要包括三个部分：上接头1、外筒2和砧子10。该上接头1的上端通过螺纹连接钻柱，其下端通过外螺纹与外筒2的上端的内螺纹固定连接。另外，砧子10的下端设有用于钻头的内螺纹。在一个优选的实施例中，外筒2的下端和砧子10的下端外周部设有相互配合的牙嵌式结构，如图2所示。优选地，外筒2与砧子10通过该牙嵌式结构和沿砧子10的外周部周向设置的一组联接钢球11连接在一起。这一组周向设置的联接钢球用于传递钻压以及承受轴向压力。而牙嵌式结构则主要用于传递钻具的扭矩。

在一个实施例中，外筒2的腔体内安装有动力总成。该动力总成包括从上至下依次设置分流压盖4、射流换向元件5、上缸盖6、缸体7和摆动杆8。摆动杆8安装在缸体7内，且摆动杆8轴向与缸体7及上缸盖6均为间隙配合。在一个优选的实施例中，摆动杆8采用带有双叶的双叶摆动杆8的结构，双叶摆动杆8在径向方向上与缸体7形成配合，形成一个双叶片驱动摆动液缸。该双叶片驱动摆动液缸不传递自重以外的轴向载荷。从图2和图3可以看出，该双叶摆动杆8在工作时将缸体7、上缸盖6和摆动杆8三者形成的流体驱动腔分成两个进液腔和两个回液腔。而且，两个进液腔之间相互连通。两个回液腔之间也相互连通。缸体7在外筒2内通过下方的内部台阶实现轴向定位。

在一个优选的实施例中，在上接头1和分流压盖4之间设置有调整垫3。上接头1与外筒2通过螺纹连接，该上接头1通过调整调整垫3的厚度可以实现依次轴向压紧调整垫3、分流压盖4、射流换向元件5、上缸盖6和缸体7，从而实现相邻各部件的流道及腔体的端面之间的密封。另外，进入上接头1的流体先要经过分流压盖4的中部的通道。因此，分流压盖4的中部的通道决定了钻井液经过分流压盖4的分流的流量大小。实际使用时可以先根据使用工况，设计分流压盖4的中部的通道的尺寸从而控制旋转冲击的频率及冲击载荷的大小。

在一个实施例中，摆动杆8的下部的动力输出端采用花键轴结构，冲击锤9相应设有花键内孔，摆动杆8与冲击锤9为花键连接。另外，冲击锤9设在砧子10的腔体内。

在一个优选的实施例中，射流换向元件5内没有运动部件，依靠内部腔体结构及摆动液缸在工作止点(即冲击锤9撞击砧子10的瞬间)时高压工作腔内产生的瞬间高背压来切换液流的输出方向，实现摆动杆8循环往复摆动及冲击锤9对砧子10的扭转冲击。由于砧子10接在钻头上，砧子10将高频低幅扭转冲击传递给钻头，用于消除钻头及钻具的粘滑现象，从而可以大幅提高机械钻速。保护钻头及钻具，延长钻头及钻具的使用寿命。

在一个优选的实施例中，射流换向元件5内采用人字形的流道，在人字形的流道的两侧分支流道F和G上分别连接有向上延伸的出口D和E，在人字形的流道的主干流道的两侧分别设有用于信号连接的信号分支通道。这样，若分支流道F为进液流道，分支流道G则为出液流道，流体从与分支流道G连接的出口D流出。在图2和图3中，缸体7与上缸盖6及摆动杆8形成的摆动液缸有两组工作腔J和K。工作腔J和上缸盖6的内流道I、射流换向元件5的出液的分支流道G依次相通。另外，工作腔K和上缸盖6的内流道H、射流换向元件5的分支流道F依次相通。

在工作时，输入工具的高压钻井液中通过分流压盖4，一部分钻井液进入工具的内环空流道，一部分进入射流换向元件5。

在冲击锤9正向冲击时，进入射流换向元件5的高压钻井液依次通过射流换向元件5的分支流道G、上缸盖6的内流道I进入摆动液缸的工作腔J(此时为进液腔)，驱动摆动杆8顺时针转动。同时摆动液缸的工作腔K(此时为回液腔)内的低压钻井液依次通过上缸盖6的流道H、射流换向元件5的分支流道F及出口D进入工具的内环空流道。

在冲击锤9反向冲击时，进入射流换向元件5的高压钻井液依次通过射流换向元件5的分支流道F、上缸盖6的内流道H进入摆动液缸的工作腔K(此时为进液腔)，驱动摆动杆8逆时针转动，同时摆动液缸工作腔J(此时为回液腔)内的低压钻井液依次通过上缸盖6的内流道I、射流换向元件5的分支流道G及出口E进入工具的内环空流道。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种扭转冲击钻井装置，包括钻头和与钻头连接的用于为钻头提供破坏岩层的冲击扭矩的高频扭转冲击机构，所述高频扭转冲击机构内包括射流换向元件和旋转冲击件，进入所述高频扭转冲击机构的流体的液压能经过射流换向元件后转化为旋转冲击件的往复周向高频低幅旋转冲击作用于钻头上，

所述高频扭转冲击机构还包括上接头、砧子以及连接上接头和砧子的外筒，其中，所述射流换向元件设在外筒内，所述旋转冲击件的上端连接在外筒内且承接射流换向元件流出的液压能，所述旋转冲击件的下端连接在砧子内，通过所述旋转冲击件将液压能转化为作用在与砧子连接的钻头上的高频旋转冲击，

所述外筒内设有：

分流压盖，其设在上接头和射流换向元件之间，其内设有用于连通上接头的流道和射流换向元件的流道的通道；

上缸盖，其设在射流换向元件和摆动杆之间，其内设有用于连通射流换向元件的流道和流体驱动腔的内流道；和

缸体，其设在外筒内且位于上缸盖下，并与上缸盖和旋转冲击件的摆动杆形成驱动摆动杆旋转的流体驱动腔，所述流体驱动腔与上缸盖的内流道连通。

2.根据权利要求1所述的扭转冲击钻井装置，其特征在于，所述旋转冲击件包括摆动杆和冲击锤，所述摆动杆的上端连接在外筒内的流体驱动腔内，所述摆动杆的下端与冲击锤无相对转动地连接，所述冲击锤位于砧子内的腔体中。

3.根据权利要求2所述的扭转冲击钻井装置，其特征在于，所述射流换向元件的流道包括进液流道和出液流道，所述上缸盖的内流道包括进液内流道和出液内流道，所述流体驱动腔被旋转冲击件的摆动杆分成进液腔和回液腔；

流入的流体依次经所述分流压盖的通道、射流换向元件的进液流道、上缸盖的进液内流道进入进液腔，所述回液腔内的流体经上缸盖的出液内流道和射流换向元件的出液流道流出。

4.根据权利要求2或3所述的扭转冲击钻井装置，其特征在于，所述摆动杆为双叶摆动杆，在工作时所述双叶摆动杆将流体驱动腔分成两个进液腔和两个回液腔。

5.根据权利要求2或3所述的扭转冲击钻井装置，其特征在于，所述射流换向元件内仅设置有流道，所述流道构造成：在旋转冲击件的冲击锤撞击设于高频扭转冲击机构的砧子的工作止点，所述射流换向元件所在的流体驱动腔内的瞬间高背压切换流体输出方向从而使得所述旋转冲击件的摆动杆形成往复摆动。

6.根据权利要求4所述的扭转冲击钻井装置，其特征在于，所述射流换向元件内仅设置有流道，所述流道构造成：在旋转冲击件的冲击锤撞击设于高频扭转冲击机构的砧子的工作止点，所述射流换向元件所在的流体驱动腔内的瞬间高背压切换流体输出方向从而使得所述旋转冲击件的摆动杆形成往复摆动。

7.根据权利要求5所述的扭转冲击钻井装置，其特征在于，所述射流换向元件包括人字形的流道，在人字形的流道的两侧分支流道上分别连接有向上延伸的出口，在人字形的流道的主干流道的两侧分别设有用于信号连接的信号分支通道。

8.根据权利要求1所述的扭转冲击钻井装置，其特征在于，所述外筒的下端和所述砧子的下端的外周部设有相互配合的牙嵌式结构，所述外筒和砧子通过牙嵌式结构和联接钢球联接在一起。

9.根据权利要求1或2所述的扭转冲击钻井装置，其特征在于，在所述分流压盖和所述上接头之间设有调整垫。