CN115522881B - 一种恒压恒扭钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒压恒扭钻井工具，包括：上接头、外筒、芯轴、下接头以及碟簧；每个条形筋将外筒内壁、芯轴外壁、上接头、环状凸台以及相邻的两个封隔筋共同限定的密封区域分隔成密封腔一和密封腔二，泄压孔和进液孔各自与密封腔一和密封腔二连通；筛孔与密封腔二连通，阀孔与进液孔连通；下接头上端固定有连接管，连接管上开设有条形孔，连接管插设至芯轴内，阀孔与条形孔连通；碟簧套设在连接管上。在本发明中，碟簧为钻头提供向前进给的钻压，钻头在钻进过程中，钻压能够保持稳定，避免钻头钻进至软硬交错地层时，钻压的急剧变化而导致钻头发生冲击损伤；高压钻井液为钻头提供钻井扭矩，并根据软硬地层提供相应的钻井扭矩。

Description

一种恒压恒扭钻井工具

技术领域

本发明涉及石油与天然气钻探工程井下工具领域，更具体地说是涉及一种恒压恒扭钻井工具。

背景技术

在石油天然气行业中，钻井作业具有周期长、投入高、风险大以及技术要求高等特点，随着资源开采的程度增加，深井和超深井的开发变得更加重要，随之而来的是对钻井技术的要求进一步提高。

随着钻井深度的增加，地层的复杂程度明显增加，地层硬度和强度明显提高，软硬地层交错纵横，很容易导致钻头发生卡钻以及粘滑现象，造成钻头崩齿和钻具损坏，严重制约了钻井的钻入深度。

针对上述技术难点，专利201680004986.7提供了调节装置以及在钻孔中使用该调节装置的方法，专利202111291816.0提供了一种钻井用恒压恒扭工具，上述专利采用的主要技术方案是利用大导程的多头螺纹副和碟簧组合对钻头施加钻压和扭矩，利用多头螺纹副的伸缩功能自适应钻头钻压和扭矩，从而根据地层性质改变输出扭矩和钻压，防止粘滑、卡钻等现象发生。然而上述专利技术的多头螺纹副制造困难，工作过程中磨损大，制造和维护成本高。

因此，如何提供一种恒压恒扭钻井工具，使其能够克服上述问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种恒压恒扭钻井工具。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种恒压恒扭钻井工具，分别与中空的钻柱和钻头相连，包括：

上接头，所述上接头呈管状且其上端与所述钻柱固定并连通；

外筒，所述外筒两端开口且其上端与所述上接头的下端固定并连通，所述外筒的下端封堵有一挡帽，所述外筒的内侧壁同轴固定有一环状凸台以及周向均布固定有多个封隔筋，所述封隔筋平行于与所述外筒的筒长布置，所述封隔筋布置在所述上接头和所述环状凸台之间，在每相邻的两个所述封隔筋之间的所述外筒的侧壁上均开设有泄压孔，所述环状凸台上开设有进液孔；所述进液孔的一端贯穿所述环状凸台的内侧壁，另一端贯穿所述环状凸台靠近所述封隔筋的一端壁，每相邻的两个所述封隔筋之间均限位有一个所述进液孔；

芯轴，所述芯轴呈管状且其同轴插设在所述环状凸台和所述上接头内，所述芯轴的外侧壁周向均布固定有多个条形筋，所述条形筋平行于所述芯轴的轴长布置；每个所述条形筋将所述外筒内壁、所述芯轴外壁、所述上接头、所述环状凸台以及相邻的两个所述封隔筋共同限定的密封区域分隔成一个密封腔一和一个密封腔二，所述泄压孔与所述密封腔一连通，所述进液孔与所述密封腔二连通；所述芯轴的侧壁上周向均布开设有多个筛孔和阀孔，多个所述筛孔各自与多个所述密封腔二连通，多个所述阀孔能够各自与多个所述进液孔连通，所述芯轴远离所述上接头的一端内壁开设有多个滑槽；

下接头，所述下接头呈管状且其外侧壁具有一环状的台阶面，所述下接头的一端在穿过所述挡帽的端壁后与所述钻头固定并连通，所述台阶面与所述挡帽的内端壁抵接；所述下接头的上端同轴固定有一与其内部连通的连接管，所述连接管远离所述下接头的一端封闭，在所述连接管的外侧壁上周向均布开设有多个条形孔和限位槽，所述条形孔的孔长方向与所述连接管的管长方向平行，所述连接管同轴插设至所述芯轴内，多个所述阀孔能够各自与多个所述条形孔位置对应并连通，多个所述限位槽与多个所述滑槽各自位置对应，在所述限位槽与和其位置对应的所述滑槽中共同嵌设有一个滑块；所述芯轴远离所述上接头的一端端壁与所述下接头的上端端壁之间具有间距；

碟簧，所述碟簧同轴套设在所述连接管上，所述碟簧的上端与所述环状凸台远离所述封隔筋的一端抵接，所述碟簧的下端与所述下接头的上端抵接。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种恒压恒扭钻井工具，在本发明中，碟簧为钻头提供向前进给的钻压，钻头在钻进过程中，钻压能够保持稳定，避免钻头钻进至软硬交错地层时，钻压的急剧变化而导致钻头发生冲击损伤；高压钻井液为钻头提供钻井扭矩，并根据软硬地层提供相应的钻井扭矩。

优选的，所述芯轴远离所述上接头的一端端壁与所述下接头的上端端壁之间的距离大于所述条形孔的孔长；所述滑块在所述滑槽内的最大行程大于所述条形孔的孔长。该设置确保下接头具有足够的向上移动的行程。

优选的，每个所述筛孔均包括多个通孔，多个所述通孔沿所述芯轴的轴长方向等距布置。该设置确保高压钻井液能够可靠地且均匀地对条形筋施加周向压力。

优选的，所述封隔筋的数量为四个、六个或八个。合适的封隔筋的数量能够确保高压钻井液可靠地推动条形筋。

优选的，所述滑槽的数量为四个、六个或八个。该设置确保连接管与芯轴之间能够可靠地传递扭矩。

本发明公开了一种恒压恒扭钻井工具，其具有如下技术效果：

①在本发明中，碟簧为钻头提供向前进给的钻压，钻头在钻进过程中，钻压能够保持稳定，避免钻头钻进至软硬交错地层时，钻压的急剧变化而导致钻头发生冲击损伤；

②不同钻压的条件可以实现钻头的自动伸缩，从而调节切削深度，即钻柱进给速度恒定的情况下，当钻头钻进至硬地层时，钻压增大，碟簧压缩，单位时间内钻头的切削深度减小，当钻头钻进至软地层时，台阶面与挡帽的内端壁抵接，此时，单位时间内钻头的切削深度与钻柱的进给深度相同；

③高压钻井液为钻头提供钻井扭矩，并根据软硬地层提供相应的钻井扭矩；本发明为纯机械结构且结构简单，工作可靠，适应井下复杂工况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是一种恒压恒扭钻井工具常规工作状态的结构示意图一；

图2是一种恒压恒扭钻井工具中下接头收缩时的结构示意图；

图3是一种恒压恒扭钻井工具常规工作状态的结构示意图二；

图4是图1中A-A处的截面示意图；

图5是图1中B-B处的截面示意图；

图6是图3中C-C处的截面示意图；

图7是图3中D-D处的截面示意图；

图8是一种恒压恒扭钻井工具中芯轴部分的轴测图。

在图中：

1为上接头、2为外筒、20为泄压孔、3为挡帽、4为环状凸台、40为进液孔、5为封隔筋、6为芯轴、60为通孔、61为阀孔、62为滑槽、7为条形筋、8为下接头、9为连接管、90为条形孔、10为滑块、11为碟簧。

具体实施方式

下面将对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种恒压恒扭钻井工具，在本发明中，碟簧11为钻头提供向前进给的钻压，钻头在钻进过程中，钻压能够保持稳定，避免钻头钻进至软硬交错地层时，钻压的急剧变化而导致钻头发生冲击损伤；不同钻压的条件可以实现钻头的自动伸缩，从而调节切削深度，即钻柱进给速度恒定的情况下，当钻头钻进至硬地层时，钻压增大，碟簧11压缩，单位时间内钻头的切削深度减小，当钻头钻进至软地层时，台阶面与挡帽3的内端壁抵接，此时，单位时间内钻头的切削深度与钻柱的进给深度相同；高压钻井液为钻头提供钻井扭矩，并根据软硬地层提供相应的钻井扭矩；本发明为纯机械结构且结构简单，工作可靠，适应井下复杂工况。

实施例:

参见附图1-8为本发明的一种实施方式的整体和部分结构示意图，本发明具体公开了一种恒压恒扭钻井工具，分别与中空的钻柱和钻头相连，钻柱在转动的同时且内部流通有高压钻井液，钻柱内的高压钻井液依次从该恒压恒扭钻井工具以及钻头中穿过。该恒压恒扭钻井工具包括：

上接头1，上接头1呈管状且其上端与钻柱通过螺纹旋接的方式固定并连通；

外筒2，外筒2两端开口，外筒2的上端与上接头1的下端通过螺纹旋接的方式固定并连通，外筒2的下端通过螺纹旋接的方式封堵有一个挡帽3，挡帽3的主要作用是对下接头8进行限位，防止下接头8从外筒2中脱出；在外筒2的内侧壁上同轴固定有一环状凸台4，在外筒2的内侧壁上周向均布固定有多个条状的封隔筋5，封隔筋5的筋长方向与外筒2的筒长方向平行，封隔筋5布置在上接头1和环状凸台4之间，并且，封隔筋5的两端端壁各自与上接头1的端壁和环状凸台4的端壁滑动抵接，在每相邻的两个封隔筋5之间的外筒2的侧壁上均开设有泄压孔20，环状凸台4上开设有多个进液孔40，进液孔40的数量与封隔筋5的数量相同；进液孔40的一端贯穿环状凸台4的内侧壁，另一端贯穿环状凸台4靠近封隔筋5的一端壁，每相邻的两个封隔筋5之间均限位有一个进液孔40；

芯轴6，芯轴6呈管状且其同轴插设在环状凸台4和上接头1内，芯轴6能够相对于上接头1和环状凸台4转动，芯轴6的外侧壁周向均布固定有多个条形筋7，条形筋7的数量与封隔筋5的数量相同，条形筋7的筋长方向与芯轴6的轴长方向平行；

每个条形筋7将外筒2内壁、芯轴6外壁、上接头1、环状凸台4以及相邻的两个封隔筋5共同限定的密封区域分隔成互不连通的一个密封腔一和一个密封腔二，其中，泄压孔20与密封腔一连通，进液孔40与密封腔二连通；芯轴6的侧壁上周向均布开设有多个筛孔和阀孔61，多个筛孔各自与多个密封腔二连通，其中，每个筛孔均包括多个通孔60，多个通孔60沿芯轴6的轴长方向依次等距布置，多个阀孔61能够各自与多个进液孔40连通，芯轴6远离上接头1的一端内壁开设有多个滑槽62，多个滑槽62沿芯轴6的内侧壁周向均匀布置；

下接头8，下接头8呈管状且其外侧壁具有一环状的台阶面，下接头8的一端在穿过挡帽3的端壁后与钻头固定并连通，台阶面与挡帽3的内端壁抵接；

下接头8的上端同轴固定有一与其内部连通的连接管9，连接管9远离下接头8的一端封闭，在连接管9的外侧壁上周向均布开设有多个条形孔90和限位槽，条形孔90贯穿连接管9的管壁，条形孔90的孔长方向与连接管9的管长方向平行，连接管9同轴插设至芯轴6内，多个阀孔61能够各自与多个条形孔90位置对应并连通，多个限位槽与多个滑槽62各自位置对应，在限位槽与和其位置对应的滑槽62中共同嵌设有一个滑块10；芯轴6远离上接头1的一端端壁与下接头8的上端端壁之间具有间距；下接头8和连接管9能够沿着芯轴6的轴长方向移动；

碟簧11，碟簧11同轴套设在连接管9上，碟簧11的上端与环状凸台4远离封隔筋5的一端抵接，碟簧11的下端与下接头8的上端抵接。

进一步具体的，芯轴6远离上接头1的一端端壁与下接头8的上端端壁之间的距离大于条形孔90的孔长；滑块10在滑槽62内的最大行程大于条形孔90的孔长。

进一步具体的，封隔筋5的数量为四个、六个或八个，本实施例中，封隔筋5的数量为四个，对应的，本实施例中进液孔40、条形筋7、筛孔、阀孔61以及条形孔90的数量均为四个。

进一步具体的，滑槽62的数量为四个、六个或八个，本实施例中，滑槽62的数量为四个，对应的，滑块10和限位槽的数量均为四个。

该恒压恒扭钻井工具下井作业时，钻柱内的高压钻井液穿过上接头1并流入至芯轴6内，芯轴6内的高压钻井液通过筛孔进入密封腔二内，高压钻井液的液体压力作用在条形筋7上，使得高压钻井液对条形筋7产生周向压力，当外筒2随着钻柱顺时针旋转时，密封腔二内的高压钻井液推动芯轴6转动，由于设置有滑块10，因此，芯轴6会带动下接头8转动，进而实现钻头的顺时针转动；与此同时，密封腔二内部的高压钻井液依次经过进液孔40、阀孔61、条形孔90、连接管9以及下接头8并最终流入至钻头内腔；

当钻头钻至软硬交错的地层时，钻压发生变化；当钻压变大时，由于此时的钻柱进给速度不变，下接头8向上压缩碟簧11，下接头8和钻头快速上移，由于设置有条形孔90，因此，高压钻井液依旧按照正常流速流入钻头内腔；当钻头钻进至硬地层时，钻压增大，碟簧11压缩，单位时间内钻头的切削深度减小，当钻头钻进至软地层时，台阶面与挡帽3的内端壁抵接，此时，单位时间内钻头的切削深度与钻柱的进给深度相同；

当钻头在软硬交错地层发生卡钻现象时，钻头和下接头8受到的反向扭矩增加，此时芯轴6相对于外筒2发生转动，密封腔二容积减小，密封腔一容积增大，由于设置有泄压孔20，因此密封腔一容积在增大的过程中其内部不会产生压降；与此同时，进液孔40和阀孔61发生错位，即进液孔40与阀孔61形成的高压钻井液的流通通道截面积减小，在芯轴6相对外筒2转动的过程中，密封腔二内高压钻井液的压力不断升高，使得钻井液对条形筋7产生的周向压力提高，芯轴6提供给下接头8以及钻头的扭矩提高，以此克服反扭矩作用，并消除卡钻或粘滑现象，当解除卡钻现象后，此时的芯轴6相对于外筒2反向转动，密封腔二的容积开始增大，进液孔40和阀孔61形成的通道截面积增大，芯轴6提供给下接头8和钻头的扭矩降低至正常水平。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种恒压恒扭钻井工具，分别与中空的钻柱和钻头相连，其特征在于，包括：

上接头（1），所述上接头（1）呈管状且其上端与所述钻柱固定并连通；

外筒（2），所述外筒（2）两端开口且其上端与所述上接头（1）的下端固定并连通，所述外筒（2）的下端封堵有一挡帽（3），所述外筒（2）的内侧壁同轴固定有一环状凸台（4）以及周向均布固定有多个封隔筋（5），所述封隔筋（5）平行于与所述外筒（2）的筒长布置，所述封隔筋（5）布置在所述上接头（1）和所述环状凸台（4）之间，在每相邻的两个所述封隔筋（5）之间的所述外筒（2）的侧壁上均开设有泄压孔（20），所述环状凸台（4）上开设有进液孔（40）；所述进液孔（40）的一端贯穿所述环状凸台（4）的内侧壁，另一端贯穿所述环状凸台（4）靠近所述封隔筋（5）的一端壁，每相邻的两个所述封隔筋（5）之间均限位有一个所述进液孔（40）；

芯轴（6），所述芯轴（6）呈管状且其同轴插设在所述环状凸台（4）和所述上接头（1）内，所述芯轴（6）的外侧壁周向均布固定有多个条形筋（7），所述条形筋（7）平行于所述芯轴（6）的轴长布置；每个所述条形筋（7）将所述外筒（2）内壁、所述芯轴（6）外壁、所述上接头（1）、所述环状凸台（4）以及相邻的两个所述封隔筋（5）共同限定的密封区域分隔成一个密封腔一和一个密封腔二，所述泄压孔（20）与所述密封腔一连通，所述进液孔（40）与所述密封腔二连通；所述芯轴（6）的侧壁上周向均布开设有多个筛孔和阀孔（61），多个所述筛孔各自与多个所述密封腔二连通，多个所述阀孔（61）能够各自与多个所述进液孔（40）连通，所述芯轴（6）远离所述上接头（1）的一端内壁开设有多个滑槽（62）；

下接头（8），所述下接头（8）呈管状且其外侧壁具有一环状的台阶面，所述下接头（8）的一端在穿过所述挡帽（3）的端壁后与所述钻头固定并连通，所述台阶面与所述挡帽（3）的内端壁抵接；所述下接头（8）的上端同轴固定有一与其内部连通的连接管（9），所述连接管（9）远离所述下接头（8）的一端封闭，在所述连接管（9）的外侧壁上周向均布开设有多个条形孔（90）和限位槽，所述条形孔（90）的孔长方向与所述连接管（9）的管长方向平行，所述连接管（9）同轴插设至所述芯轴（6）内，多个所述阀孔（61）能够各自与多个所述条形孔（90）位置对应并连通，多个所述限位槽与多个所述滑槽（62）各自位置对应，在所述限位槽与和其位置对应的所述滑槽（62）中共同嵌设有一个滑块（10）；所述芯轴（6）远离所述上接头（1）的一端端壁与所述下接头（8）的上端端壁之间具有间距；

碟簧（11），所述碟簧（11）同轴套设在所述连接管（9）上，所述碟簧（11）的上端与所述环状凸台（4）远离所述封隔筋（5）的一端抵接，所述碟簧（11）的下端与所述下接头（8）的上端抵接。

2.根据权利要求1所述的一种恒压恒扭钻井工具，其特征在于，所述芯轴（6）远离所述上接头（1）的一端端壁与所述下接头（8）的上端端壁之间的距离大于所述条形孔（90）的孔长；所述滑块（10）在所述滑槽（62）内的最大行程大于所述条形孔（90）的孔长。

3.根据权利要求1所述的一种恒压恒扭钻井工具，其特征在于，每个所述筛孔均包括多个通孔（60），多个所述通孔（60）沿所述芯轴（6）的轴长方向等距布置。

4.根据权利要求1所述的一种恒压恒扭钻井工具，其特征在于，所述封隔筋（5）的数量为四个、六个或八个。

5.根据权利要求1所述的一种恒压恒扭钻井工具，其特征在于，所述滑槽（62）的数量为四个、六个或八个。

Images