CN103628815B - 一种近钻头扭转、振荡耦合冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种近钻头扭转、振荡耦合冲击器，包括，钻铤短接、分流器、扭转冲击器、脉冲振荡腔和冲击传动短接；钻铤短接的下部与冲击传动短接连接，钻铤短接内周安装有分流器、扭转冲击器和脉冲振荡腔，分流器下端口与扭转冲击器入口相通；扭转冲击器出口与脉冲振荡腔的入口相通，脉冲振荡腔出口与冲击传动短接相通；扭转冲击器上形成有泄压流道和冲击流道。有益效果：由于能产生周期性稳定的高频低幅的扭转、振荡耦合冲击振动，该冲击扭矩有效消除PDC钻头的粘滑和间歇性卡钻现象。该冲击器没有电子部件，完全液力机械结构，尺寸较小，其冲击过程不会对随钻电测仪器产生干扰。本发明易损部件少，工作稳定，使用寿命长，有利于降低钻井成本。

Description

一种近钻头扭转、振荡耦合冲击器

技术领域

本发明涉及一种石油、天然气钻井工程领域使用的井下动力工具，特别是涉及一种近钻头扭转、振荡耦合冲击器。

背景技术

深部或超深部地层岩石硬度大，可钻性级值高，机械钻速慢、钻井成本高。在石油、天然气的钻井开采过程中，井下动力辅助破岩工具已成为深部地层高效破岩技术的有益补充。现场实践和室内实验研究表明，对钻头施加一定周期性的冲击力，将会提高钻头的破岩效率，因此冲击钻井工具有望成为深井提速的一个重要技术手段。

在使用PDC钻头钻进上述地层时，会产生粘滑效应、间歇性卡钻现象。该粘滑效应、间歇性卡钻现象使钻柱内累积的扭转弹性能不规则的释放，造成PDC钻头的破岩过程变得极不稳定，加速PDC钻头非正常损坏，降低了PDC钻头使用寿命。

常规液动冲击器属于轴向冲击，不能增加PDC钻头的破岩扭矩，如专利CN200710056325.1描述了一种射流式冲击器。

为了提高深井机械钻速、解决PDC钻头的粘滑效应、间歇性卡钻等问题，促进PDC钻头稳定工作，延长钻头的使用寿命，专利US6742609B2设计了一种钻井液涡轮驱动的扭转冲击器，但该钻井工具结构复杂、易损部件多、且压耗较大，使用寿命也受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够消除PDC钻头在中硬到硬地层或研磨性地层破岩时出现的粘滑、间歇性卡钻的近钻头扭转、振荡耦合冲击器。

本发明所采用的技术方案是：一种近钻头扭转、振荡耦合冲击器，包括，钻铤短接、分流器、扭转冲击器、脉冲振荡腔和冲击传动短接；所述钻铤短接的下部与冲击传动短接连接，所述钻铤短接内周安装有分流器、扭转冲击器和脉冲振荡腔，所述分流器下端口与扭转冲击器入口相通；扭转冲击器出口与脉冲振荡腔的入口相通，脉冲振荡腔出口与冲击传动短接相通；所述扭转冲击器上形成有泄压流道和冲击流道。

所述扭转冲击器包括上压盖、冲击器外壳和密封环；所述上压盖安装在冲击器外壳的上面，二者连接后内部形成液力冲击室；冲击器外壳内壁形成有轴对称的冲击槽、半圆槽和高压孔；所述脉冲振荡腔包括汇流喷嘴和回流堵头；汇流喷嘴安装在中心导流器下端，从冲击器出来的流体从汇流喷嘴进入到脉冲振荡腔，并从回流堵头中心孔中流出。

所述液力冲击室安装有液力锤、换向器、中心导流器和节流喷嘴；换向器安装在中心导流器与液力锤之间，节流喷嘴安装在中心导流器出口处；液力锤外表面形成有轴对称的锤砧，锤砧位于冲击器外壳的冲击槽内；液力锤内表面形成有轴对称的换向键，换向键伸入到换向器的换向槽中；在锤砧和换向键两侧有锤砧孔和换向键孔；所述换向器外表面有轴对称扇形部和换向槽，在扇形部上有轴对称过渡孔，换向器下部有泄压孔。

所述冲击流道由螺旋孔、锤砧孔、冲击槽依次相通构成，冲击槽经锤砧孔与泄压孔相通，泄压孔与扭转冲击器出口相通；所述泄压流道由高压孔、换向槽、换向键孔、半圆槽依次相通构成，所述半圆槽与扭转冲击器出口相通。

所述中心导流器由螺旋孔和底座构成，底座连接在泄压支撑环上，泄压支撑环连接在冲击传动短接上部。

所述扭转冲击器、脉冲振荡腔、冲击传动短接通过定位卡瓦定位于钻铤短接上。

所述钻铤短接上端公扣通过API标准螺纹与上部钻铤母扣端连接。

所述冲击传动短接下端通过API标准螺纹与钻头公扣端相连接。

本发明的有益效果：由于能产生周期性的稳定的高频低幅的扭转、振荡耦合冲击振动，因此，该冲击扭矩有效消除PDC钻头的粘滑和间歇性卡钻现象，工具产生的振动轴向冲击载荷能够提高钻头牙齿吃入岩石、加速岩屑脱离井底。该冲击器没有电子部件，完全液力机械结构，尺寸较小，其冲击过程不会对随钻电测仪器产生干扰。该工具能保证钻进过程中钻柱内扭矩的稳定和平衡，降低了钻柱扭转震荡，有利于MWD、LWD等随钻电测仪器的稳定工作。本发明易损部件少，工作稳定，使用寿命长，有利于降低钻井成本。该冲击器能产生周期性的稳定的高频低幅的扭转、振荡耦合冲击振动，是一种多功能、多用途冲击器。

附图说明

图1是本发明近钻头扭转、振荡耦合冲击器的结构示意图；

图2为图1中的A-A截面图；

图3为图1中的B-B截面图；

图4为图1中的C-C截面图；

图5为图1中的D-D截面图。

图中

1．钻铤短节2.分流器3.螺纹压盘4.上盖体

5.冲击器外壳6.液力锤7.换向器8.节流喷嘴

9.汇流喷嘴10.冲击传动短接11.回流堵头

12.中心导流器13.密封环14.分流孔15.高压流道

16.泄流通道17.栅形孔18.换向键孔19.换向键

20.半圆槽21.换向槽22.高压孔23.扇形部

24.过渡孔25.锤砧26.锤砧孔27.冲击槽

28.泄压孔29.定位卡瓦30.外卡槽31.弹簧孔

32.内卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，本发明近钻头扭转、振荡耦合冲击器包括

钻铤短接1、分流器2、扭转冲击器、冲击传动短接10，钻铤短接1上端公扣通过API标准螺纹与上部钻铤母扣端连接，钻铤短接1的下端与定位卡瓦29和冲击传动短接10间隙相连，钻铤短接1内侧上端部与冲击传动短接10之间安装有分流器2、脉冲振荡腔和扭转冲击器。

其中扭转冲击器是由螺纹压盘3、上盖体4、冲击器外壳5、液力锤6、换向器7、节流喷嘴8和密封环13共同组成的多腔体结构。

如图2所示，分流器2是一个V形漏斗形部件，分流器2下端口与扭转冲击器的入口相通，连接方式为螺纹连接，在分流器2上端分布有6个分流孔14；分流器将钻井液流体分为内外两股，外边的流体流向高压流道15，并通过高压孔22、换向键孔19流入到换向器7中的换向槽21中，不间断给换向器供液；其余内部流体给中心导流器12供液。

扭转冲击器的冲击器外壳5下端与冲击传动短接10上端螺纹连接，中心相通。冲击传动短接10下端通过API标准螺纹与钻头公扣端相连接。在冲击传动短接10上有4个定位卡瓦29，用于固定分流器、扭转冲击器、脉冲振荡腔和冲击传动短接10在钻铤短接1中的位置。

如图3、图4所示，扭转冲击器的上盖体4在冲击器外壳5的上面，二者连接后内部形成液力冲击室，液力冲击室安装有液力锤6、换向器7、中心导流器12、节流喷嘴8，换向器7套位于中心导流器12与液力锤6之间，节流喷嘴8安装在中心导流器12出口处，液力锤6与冲击器外壳5间隙安装，在密封环13、换向器7和冲击器外壳5间做周期往复运动，换向器7在密封环13、中心导流器12间做周期往复运动；液力锤6的上、下轴安装在冲击器外壳5上。冲击器外壳5内壁有轴对称冲击槽27、半圆槽20和高压孔22；液力锤6外表面有轴对称的锤砧25，内表面有轴对称的换向键19，在锤砧25和换向键19两侧有锤砧孔26和换向键孔18；换向器7外表面有轴对称扇形部23和换向槽21，在扇形部23上有轴对称过渡孔24，换向器7下部有泄压孔28；中心导流器12由栅形孔17、泄压孔28及底座构成，其底座连接在冲击器外壳5上，汇流喷嘴安装在中心导流器12的底座内，螺纹连接；泄压通道由高压孔22、换向槽21、换向键孔18、半圆槽20依次相通构成，半圆槽20与中心导流器12的泄压孔28相通；冲击流道由中心导流器12的栅形孔17、锤砧孔26、冲击槽27和泄流通道16依次相通构成，冲击槽27经锤砧孔26与泄流通道16相通，泄流通道16与中心导流器12的泄压孔28相通。脉冲振荡腔有汇流喷嘴9、冲击器外壳5下端及回流堵头11共同构成，从冲击器出来的流体从汇流喷嘴进入到振荡腔，并从回流堵头中心孔中流出。

如图5所示，冲击传动短接10上外卡槽30和钻铤短接1上内卡槽32位置以及个数相对应，卡槽内安装有定位卡瓦29，定位卡瓦内有弹簧孔31，弹簧孔31和外卡槽30之间安装弹簧。

本发明扭转冲击器工作时，旋转的钻铤驱动钻铤短接1转动，钻铤短接1下端的内卡槽32通过定位卡瓦29和冲击传动短接10间隙连接，冲击传动短接10与钻头连接并带动钻头旋转；流体从钻铤短接1的进液孔进入到分流器2中，并在导流器2中分流，流体由冲击器外壳5进入中心分流器12，其余从分流器2的分流孔14流向分流器2和钻铤短接1形成的空间；由中心导流器12到冲击器出口部分，内部流体可以分为两部分：一部分流体由中心导流器12的节流喷嘴8中出来，直接到汇流喷嘴；另一部分流体经中心导流器12中的栅形孔17流经换向器7的扇形部23的过渡孔24进入锤砧孔26，最终进入到冲击槽27中，并最终从冲击槽27由锤砧孔26进入到泄压孔28，这部分流体与前两部分流体在冲击器出口汇合，即到汇流喷嘴处；所有流体进入到脉冲振荡腔和冲击传动短接10中，再经过钻头喷嘴进入环空空间；在冲击流道中流体和换向流道流体的共同作用下，液力锤6、换向器7和冲击器外壳协同实现了锤砧25在冲击槽27中反复运动，产生扭转冲击，并通过冲击传动短接10传递给钻头。

值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种近钻头扭转、振荡耦合冲击器，其特征在于：包括，钻铤短接（1）、分流器（2）、扭转冲击器、脉冲振荡腔和冲击传动短接（10）；所述钻铤短接（1）的下部与冲击传动短接（10）连接，所述钻铤短接（1）内周安装有分流器（2）、扭转冲击器和脉冲振荡腔，所述分流器（2）下端口与扭转冲击器入口相通；扭转冲击器出口与脉冲振荡腔的入口相通，脉冲振荡腔出口与冲击传动短接（10）相通；所述扭转冲击器上形成有泄压流道和冲击流道；所述扭转冲击器包括上压盖（4）、冲击器外壳（5）和密封环（13）；所述上压盖（4）安装在冲击器外壳（5）的上面，二者连接后内部形成液力冲击室；冲击器外壳（5）内壁形成有轴对称的冲击槽（27）、半圆槽（20）和高压孔（22）；所述脉冲振荡腔包括汇流喷嘴（9）和回流堵头（11）；汇流喷嘴（9）安装在中心导流器（12）下端，从冲击器出来的流体从汇流喷嘴（9）进入到脉冲振荡腔，并从回流堵头（11）中心孔中流出。

2.根据权利要求1所述的近钻头扭转、振荡耦合冲击器，其特征在于：所述液力冲击室安装有液力锤（6）、换向器（7）、中心导流器（12）和节流喷嘴（8）；换向器（7）安装在中心导流器（12）与液力锤（6）之间，节流喷嘴（8）安装在中心导流器（12）出口处；液力锤（6）外表面形成有轴对称的锤砧（25），锤砧（25）位于冲击器外壳（5）的冲击槽（27）内；液力锤（6）内表面形成有轴对称的换向键（19），换向键（19）伸入到换向器（7）的换向槽（21）中；在锤砧（25）和换向键（19）两侧有锤砧孔（26）和换向键孔（18）；所述换向器（7）外表面有轴对称扇形部（23）和换向槽（21），在扇形部（23）上有轴对称过渡孔（24），换向器（7）下部有泄压孔（28）。

3.根据权利要求1所述的近钻头扭转、振荡耦合冲击器，其特征在于：所述冲击流道由栅形孔（17）、锤砧孔（26）、冲击槽（27）依次相通构成，冲击槽（27）经锤砧孔与泄压孔（28）相通，泄压孔（28）与扭转冲击器出口相通；所述泄压流道由高压孔（22）、换向槽（21）、换向键孔（18）、半圆槽（20）依次相通构成，所述半圆槽（20）与扭转冲击器出口相通。

4.根据权利要求1所述的近钻头扭转、振荡耦合冲击器，其特征在于：所述中心导流器（12）由栅形孔（17）和底座构成，底座连接在泄压支撑环上，泄压支撑环连接在冲击传动短接（10）上部。

5.根据权利要求1所述的近钻头扭转、振荡耦合冲击器，其特征在于：所述扭转冲击器、脉冲振荡腔、冲击传动短接（10）通过定位卡瓦（29）定位于钻铤短接（1）上。

6.根据权利要求1所述的近钻头扭转、振荡耦合冲击器，其特征在于：所述钻铤短接（1）上端公扣通过API标准螺纹与上部钻铤母扣端连接。

7.根据权利要求1所述的近钻头扭转、振荡耦合冲击器，其特征在于：所述冲击传动短接（10）下端通过API标准螺纹与钻头公扣端相连接。