CN103291214B - 适用于硬地层钻井的往复式液动冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用涡轮和旋转头组合作为液动脉冲的控制结构的新型硬地层钻井提速液动冲击装置。钻井液经涡轮组对动力轴产生扭矩作用，通过动力轴和旋转头的连接带动旋转头旋转运动，旋转头和冲击筒端面的接触并产生周期性的流道通流与闭合，使作用在冲击筒上的压力产生变化，在弹簧力的复合作用下冲击筒作轴向往复震击运动，并通过连接机构将轴向的往复振动作用在下接头上，在连接机构的控制下产生一定频率的脉冲冲击，振动作用传递到钻头上，产生轴向冲击力；钻头与冲击器的外壳相互作用，传递钻井设备提供的扭矩，驱动钻头完成钻井作业，同时，配合冲击器对钻头的冲击，提高破岩效率，完成钻井提速。

Description

适用于硬地层钻井的往复式液动冲击器

技术领域：

本发明涉及一种新型的深井硬地层钻井提速装置，是一种完全依靠液力来提供所需动力的液压装置。

背景技术：

伴随石油工业实施油气勘探开发，以稳定东部，发展西部，储备南方海相沉积构造，今后石油行业所钻井愈来愈深，地层年代愈来愈久远，岩石愈来愈硬，古老的钻井方法已经不能满足生产和工程的需要。当钻进遇硬地层时，钻井效率低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高。提高深井钻井速度的问题成为钻井界研究的重要课题，冲击旋转钻井技术是解决硬岩钻进难题最有效的方法之一。

近几年来，随着油气钻井向深部的发展，硬地层钻进的难题日益突出，而目前油气田勘探开发钻井中仍主要采用传统的牙轮钻头，配合PDC钻头及喷射钻井装置的旋转钻井技术。当钻遇硬地层时，钻井效率很低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高，冲击旋转钻井技术是解决硬岩钻进难题最有效的方法之一。目前，国内外发展的冲击器类型有阀式正作用冲击器、阀式反作用冲击器、阀式双作用冲击器(含活阀式和节流式)、射流式冲击器、射吸式冲击器、气动冲击器、机械式冲击器。这些冲击器基本组件包括换向机构(活塞、弹簧、密封件、冲锤)及能量传递机构(砧子、钻头)。在石油钻井过程中，井下工具处于钻井液压力高、温度高、固体颗粒含量高等复杂工况，工具本身运动频率高(有的高达20Hz)，钻井液所含固相颗粒对密封件、运动副的磨损随着井深增加，井下温度升高，加上活塞高频往复运动产生的摩擦升温也会造成密封件过早失效；同样，设计不合理，材质和工艺不合格，液流入口或出口受高速冲刷而冲蚀损坏，冲击器寿命一般较短(不超过80h)。

旋冲钻井技术是石油行业独具特色的、能显著提高钻速的工艺技术方法。该钻井技术就是在旋转钻井的基础上，再增加一个液动冲击器，位于钻头和钻铤之间，以产生高频周期性的冲击力。该技术是利用冲击器高频锤击钻头齿入岩石，并辅以旋转刮削进行联合破岩的一种高效破岩。钻进时，钻头在常规钻压和扭矩作用的基础上同时通过冲击器给钻头施加一定频率的冲击载荷，井底钻头就在冲击和旋转共同作用下破碎岩石，进行钻进。通过试验应用表明，旋冲钻井技术是一项先进的、实用的、可靠的现代钻井技术。

发明内容：

本发明的目的是要提供一种新型的钻井增速装置往复式液动冲击器，以减小硬地层钻井效率低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高等问题，提高钻井的效率。

为实现工作目的，本发明的总体构思是：多组涡轮组作为往复式液动冲击器的动力提供和传输装置并排安装。钻井液从流道进入冲击器上接头后，经过涡轮组，涡轮组将钻井液的动量转换成动力轴的扭矩。通过涡轮组和截面为六边形的动力轴之间的联动将旋转运动传递到旋转头，动力轴带动旋转头一起做360°连续旋转运动。上弹簧套装在截面为六边形的动力轴上，一端与挡圈端面接触，另一端与旋转头端面接触，且始终处于压缩状态，用以提高旋转头和冲击头间的密封效果。安装在旋转头下方，并与旋转头端面配合的冲击头相对动力轴静止，则在动力轴带动旋转头转动时，冲击头与旋转头的扇形截面出现端面重合和端面交错两种工作状态。当旋转头与冲击头的扇形端面重合时，扇形端面外的两侧流道畅通，液体从两侧流道和阻尼孔流过，旋转头与冲击头处于流通状态；当旋转头与冲击头扇形端面交错时，侧流道被扇形端面堵塞，液体只能从阻尼孔流过，旋转头与冲击头处于闭合状态。由于动力轴的带动，从而完成旋转头和冲击头的周期闭合与流通。

当旋转头和冲击头旋转至闭合状态时，钻井液经过上接头、涡轮组、挡圈、旋转头、冲击头、内套、下接头，流出冲击器。由于侧流道堵住，钻井液仅通过旋转头一端上开的阻尼孔流入冲击头的中心孔，过流面积突变，压损较大，作用的压降力较大。当旋转头和冲击头旋转至通流状态时，钻井液经过上接头、涡轮组、挡圈、旋转头、冲击头、内套、下接头，流出冲击器。由于侧流道打开，钻井液可同时从旋转头与冲击头端面重合形成的侧流道和旋转头一端上开的阻尼孔流过，过流面积大，压损较小，作用的压降力较小。从而完成压降力周期性的大小变换。

下弹簧套装在下接头与外壳下形成的环形空间内，一端与卡环端面为活动接触，另一端与外壳下接触。压差力直接作用在内套，当流体在冲击头上产生的压降增大，超过下弹簧的支撑力，压缩下弹簧向下运动.下弹簧和内部有一定宽度凸台的卡环被同时压缩至套装在卡环内部的阶梯轴见内套的最大端面时，即：冲击头运动推动卡环压缩下弹簧到极限位置，卡环内的凸台碰撞到下接头上端面时，传递动能给下接头，往复式液动冲击器在传递钻杆扭矩的同时，给钻头施加沿轴向的冲击力，下弹簧完成受力零件的转换，形成冲击动作。当流体在冲击头上产生的压降力较小，不足以压缩下弹簧，此时，下弹簧实现对上端装置的支撑作用，即下弹簧用于平衡冲击器运动部件的自重和液力在轴向的作用。则卡环、内套和下接头处于不动作状态，往复式液动冲击器仅传递扭矩作用。下弹簧与外壳下和下接头连接，实现对下端装置的支撑和冲击时的复位，上下两部分完成整个冲击过程。卡环一端靠冲击头限位，另一端依靠内套内的凸台限制其轴向位移。内套与下接头为螺纹固定连接。

本发明采用的技术方案是根据钻井过程中地层岩石的特性，通过旋转头与冲击头的周期性闭合与交错控制液流作用在冲击头上的压力，再配合下弹簧的作用，为钻头提供脉动冲击力，达到提高破岩和碎岩的作用。涡轮组根据需要可采用不同的组数完成钻井液动能到机械旋转动能的转化；截面为六边形的动力轴上端与通过键连接涡轮组，下端与旋转头通过六边形方孔槽相连，完成动力的传递；旋转头和冲击头端面接触，扇形截面在相对旋转中完成周期性的闭合，实现液压的脉动规律，提供冲击动力；冲击头上下运动，通过撞击完成中间部分动力的传递；下弹簧一部分平衡下端机械结构的重力，一部分抵消由于液压降在机构上产生的压力作用，同时在工作状态时周期性的提供复位所需力作用。

本发明与现有技术相比，具有下列有益效果：

1.采用涡轮组作为旋转运动的源动力，通过不同涡轮组数的组合可以实现不同旋转速度，满足不同钻井地层岩石对冲击频率的需求。

2.冲击头中间设置阻尼孔，保证正常所需压降的同时，降低了在旋旋转头卡转时流道堵塞情况的发生。

3.旋转头上采用弹簧压紧，使得其在工作时能够和冲击头保证良好的接触状态，避免不必要的松脱造成无用功或工作状态异常。

4.下接头与外壳采用弹簧支撑连接，既能在正常工作和提钻时防止下接头的脱节，还能在震动冲击时提供有效的复位力。

5.整个装置采用机械结构，传动可靠且成本低，在井下恶劣的钻采环境下能够保证装置工作的有效性和安全性。

附图说明：

结合附图进一步描述本发明。

图1往复式液动冲击器的内部结构示意图；

图2往复式液动冲击器旋冲配合部分旋转头下端面结构示意图；

图3往复式液动冲击器旋冲配合部分冲击头上端面结构示意图。

图中：1—上接头、2—导流套、3—涡轮定子、4—密封圈、5—涡轮转子、6—动力轴、7—挡环、8—挡圈、9—上弹簧、10—旋转头、11—滑动键、12—外壳上、13—冲击头、14—卡环、15—内套、16—下弹簧、17—密封圈、18—外壳下、19—下接头。

具体工作原理：

往复式液动冲击器安装入井时，下接钻头，上接钻铤，两端均用与之钻井工具相配合的锥形螺纹连接，无需外加辅助连接工具。

参见附图，对往复式式液动冲击器的工作原理进行详细说明：

正常工作状态下，钻井液经钻杆从往复式液动冲击器上端口流入内腔，冲击多组涡轮组的涡轮转子5，涡轮转子5在液流冲击下旋转，带动动力轴6旋转，动力轴6将涡轮组的转动转换成本身的扭矩，并将扭矩传递给旋转头10，旋转头10和冲击头13的配合面结构如图2、图3所示。动力轴6带动旋转头10转动时，冲击头13与旋转头10的扇形截面出现端面重合和端面交错两种工作状态。当旋转头10与冲击头13的扇形端面重合时，扇形端面外的两侧流道畅通，液体从两侧流道和阻尼孔流过，旋转头10与冲击头13处于流通状态；当旋转头10与冲击头13扇形端面交错时，侧流道被扇形端面堵塞，液体只能从阻尼孔流过，冲击头13通过滑动键11周向固定，轴向滑动，旋转头10和冲击头13相对旋转产生周期性闭合。

在开流工作时，钻井液经过涡轮组流经挡圈8进入，由于侧流道打开，钻井液可同时从旋转头10与冲击头13端面重合形成的侧流道和旋转头10一端上开的阻尼孔流过，然后通过冲击器内腔下半部中间流道从下接头流出。此时，整个过流面积大，压损较小，流体在冲击头13上产生的压降力较小，不足以压缩下弹簧16，此时，下弹簧16实现对上端装置的支撑作用，则卡环14、内套15和下接头19处于不动作状态，往复式液动冲击器仅传递扭矩作用。当旋转头10和冲击头13处于闭合状态时，钻井液经过上接头、涡轮组、挡圈、旋转头10、冲击头13、内套15、下接头19，流出冲击器。由于侧流道堵住，钻井液仅通过旋转头一端上开的阻尼孔流入冲击头10的中间阻尼孔，过流面积减小，压损较大，作用的压降力较大，超过下弹簧16的支撑力，则压缩下弹簧16向下运动，当冲击头13运动到撞击内套15时，传递动能给下接头19，往复式液动冲击器在传递钻杆扭矩的同时，给钻头施加轴向冲击力。随着钻井液的不断流动，涡轮组的不断转动，旋转头和冲击头的周期性闭合，往复式液动冲击器的卡环、内套和下接头相互运动不断实现冲击动作，给钻头施加脉冲力，完成旋转和往复冲击复合破岩钻井的整个过程。

Claims (6)

1.一种适用于硬地层钻井的往复式液动冲击器，包括：上接头(1)、导流套(2)、涡轮定子(3)、密封圈(4)、涡轮转子(5)、动力轴(6)、挡环(7)、挡圈(8)、上弹簧(9)、旋转头(10)、滑动键(11)、外壳上(12)、冲击头(13)、卡环(14)、内套(15)、下弹簧(16)、密封圈(17)、外壳下(18)、下接头(19)，其特征在于：上接头(1)与外壳上(12)螺纹连接，导流套(2)安装于上接头(1)内，动力轴(6)与涡轮转子(5)键相连，动力轴(6)下端与挡圈(8)端面接触，旋转头(10)与动力轴(6)相连压缩上弹簧(9)；冲击头(13)通过滑动键(11)与外壳上(12)滑动配合，冲击头(13)的下部与卡环(14)端面接触；内套(15)和下接头(19)通过螺纹连接，与卡环(14)内凸台上端面配合，压缩下弹簧(16)；外壳下(18)与外壳上(12)螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的往复式液动冲击器，其特征在于：涡轮转子(5)与涡轮定子(3)端面配合定位，在动力轴(6)上轴向浮动，涡轮转子数与涡轮定子数根据钻井液流量范围进行增减，满足冲击器不同冲击频率的需求。

3.根据权利要求1所述的往复式液动冲击器，其特征在于：上弹簧(9)上端坐在挡圈(8)端面上，下端与旋转头(10)端面接触，且始终处于压缩状态，用以保证旋转头(10)和冲击头(13)间的端面配合。

4.根据权利要求3所述的往复式液动冲击器，其特征在于：冲击头(13)位于旋转头(10)的正下方同心布置，两者的端面均为扇形截面且平面配合；冲击头(13)上下端均中间有截面为圆形的流道；旋转头(10)一端开有六边形安装孔，动力轴(6)插装在六边形孔内，传递扭矩。

5.根据权利要求1所述的往复式液动冲击器，其特征在于：下弹簧(16)套装在下接头(19)与外壳下(18)形成的环形空间内，上端与卡环(14)端面接触，下端与外壳下(18)接触，用于冲击器运动部件的承重和复位。

6.根据权利要求1所述的往复式液动冲击器，其特征在于：卡环(14)内部设有凸台，内套(15)为阶梯轴件，内套(15)套装在卡环(14)内部，卡环(14)一端靠冲击头(13)限位，另一端依靠内套(15)内的凸台限制其轴向位移，内套(15)与下接头(19)为螺纹固定连接。