CN105421996A - 利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具，其固定安装在钻头上部，其包括动力端、冲击轴总成和下部工具总成；所述冲击轴总成后端连接动力端，前端连接下部工具总成；所述动力端在泥浆压力下使涡轮工作，带动上部轴转动，通过方形活动连接将转矩和扭矩传递给冲击轴，冲击轴再冲击砧子，给钻头施加一个旋冲方式作用的冲击力。本发明的新型钻具的作用方式为旋冲作用方式，依靠凸轮机构相互作用实现冲击轴的上下往复运动，该新型钻具以震荡剪切方式破岩，能够缩短与底层的接触时间，可降低钻头的磨损程度，从而增加钻头的使用寿命，同时能够优化井眼质量。

Description

利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程领域的一种旋转破岩工具，特别是利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具。

背景技术

旋冲方式作用的新型钻具可以旋转钻进的同时对钻头施加一个轴向或周向冲击力，提高破岩效果，可有效应用于深井、超深井以及硬质地层等。当钻头钻进过程中，遇到硬质地层或软硬交替的地层时，经常会出现粘滑、断齿等问题，不仅会减缓钻进速度，而且不利于控制井眼质量，也不利于后期的固井、完井等工作。所以提高钻头的破岩效果可以减少油气开发的成本、提高钻井效率、保证油气产量以及有利于钻井后期的相关工作。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具，本发明的旋冲作用方式主要依靠滚子凸轮机构的运动实现，即凸轮的运动带动冲击轴产生上下往复运动。钻具所需的钻压更小，破岩效率更高，井眼质量更好，适应于深井、超深井以及硬地层或软硬交互地层。

本发明的技术方案是：本发明的具有旋冲方式作用的新型钻具下部连接钻头，上部连接多级涡轮机构。高速钻井液流进涡轮机构，液流冲击涡轮叶片驱使涡轮转子转动，涡轮定子与上部传动轴固定连接，涡轮转子的转动带动上部传动轴的转动，上部轴的转动带动中间冲击轴的转动，中间冲击轴上连接有可随轴旋转的凸轮机构。凸轮通过在下部的不可旋转的圆珠滚子凸轮机构上的旋转带动冲击轴做上下往复运动，使冲击轴可以连续冲击砧子进而给钻头施加高频率的冲击力，从而使钻具实现了旋冲功能。

所述涡轮级数为40级，蜗轮机构的转子和定子的叶片安装方向是相反的，定子安装在转子上部，当有液流通过定子时，液流方向就会发生改变流入转子。

所述上部轴和冲击轴采用活动连接，可以采用花键或方形键连接，既能传递了扭矩而且也能相对轴向滑动。

所述凸轮安装在冲击轴上，随冲击轴一起旋转，凸轮在圆珠滚子凸轮上滚动就会形成冲击轴上下的往复运动。

所述钻具外筒壁通过八方与下接头活动连接，既能传递扭矩又能相对运动。

本发明的有益效果是：

1、本发明的旋冲方式作用的新型钻具以振荡剪切方式破岩，可以大幅度提高钻进速度，尤其是在硬质地层和超深井中效果更为明显。

2、本发明的旋冲方式作用的新型钻具能够缩短与地层的接触时间，可降低钻头的磨损程度，增加钻头的使用寿命。

3、本发明的旋冲方式作用的新型钻具钻进时产生的井斜小，井眼质量易于控制，从而达到优化井眼状况的目的。

4、当以相同的机械钻速钻进时，旋冲方式作用的新型钻具所需的钻压更小，缓和了钻柱的受载情况。

5、由于破岩效率高，旋冲方式作用的新型钻具能降低钻井成本，即使在井下冲击工具损坏，旋冲方式作用的新型钻具仍可以只在剪切力作用下破岩，而不会影响钻进过程。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是上部凸轮结构示意图；

图3是下部凸轮结构示意图；

图4是涡轮结构示意图；

图5是砧子结构示意图。

图中1-上壳体,2-双头螺柱，3-六角防松螺母，4-涡轮转子，5-涡轮定子，6-上部轴，7-O型密封圈，8-中间壳体，9-O型密封圈，10-推力球轴承组，11-矩形密封圈，12-下部轴，13-冲击轴凸轮，14-六角头螺母，15-垫圈，16-圆珠滚子凸轮，17-双头螺柱，18-O型密封圈，19-下壳体，20-砧子，21-定位块，22-O型密封圈，23-缓冲弹性体，24-八方

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参见图1，利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具，该钻具安装在钻头上部，给钻头施加旋冲方式作用的冲击力。所述新型钻具包括动力端、冲击轴总成和下部工具总成。所述动力端为上壳体1、涡轮转子4、涡轮定子5、上部轴6推力球轴承组10等，涡轮转子4与涡轮定子5的叶片反向安装，通过双头螺栓2和六角防松螺母3将涡轮定子5固定安装在上部轴6上，利用螺纹将上壳体1和中间壳体8相连接，安装O型密封圈7密封上壳体1与中间壳体8之间的间隙，安装推力球轴承组10缓和上部轴6与中间壳体8之间的摩擦。在泥浆压力作用下，涡轮转子4旋转，带动涡轮定子5与上部轴6转动。

所述冲击轴总成包括冲击轴12、冲击轴凸轮13、中间壳体8和矩形密封圈11，采用方形活动连接将冲击轴12与上部轴6相连接，使用螺纹连接将冲击轴凸轮固定连接在冲击轴上，安装矩形密封圈密封上部轴6和冲击轴12之间的间隙，使用螺纹连接将中间壳体和下壳体相连接。冲击轴12在上部轴6带动下旋转，使冲击轴凸轮13一起旋转。

所述下部工具总成包括圆珠滚子凸轮16、下壳体19、砧子20、缓冲弹性体23、八方24、双头螺柱17、六角头螺母14、垫片15、O型密封圈18、定位块21、O型密封圈22，利用双头螺柱17、六角头螺母14与垫片15将圆柱滚子凸轮16固定安装在下壳体19上，安装O型密封圈18密封下壳体19与冲击轴12之间的间隙，安装O型密封圈22密封定位块21与下壳体19之间的间隙，利用定位块21、缓冲弹性体23和八方24将砧子20固定连接在下壳体19上。圆珠滚子凸轮16与冲击轴凸轮13相互作用，使冲击轴12产生上下往复运动，冲击轴13冲击砧子20，从而给钻头产生一个旋冲方式的冲击力。

Claims (4)

1.利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具，其固定安装在钻头上部，增加钻头破岩效率，其特征在于：所述旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具包括动力端、冲击轴总成和下部工具总成；所述冲击轴总成后端与动力端相连接，前端连接下部工具总成；所述动力端包括上壳体(1)、涡轮转子(4)、涡轮定子(5)、上部轴(6)、推力球轴承组(10)、双头螺柱(2)、六角防松螺母(3)，在上部轴(6)上安装涡轮定子(5)，在上部轴(6)后端安装双头螺柱(2)，并利用两个六角防松螺母(3)锁紧涡轮定子(5)，在上部轴(6)前端安装推力球轴承组(10)，涡轮转子(4)在泥浆压力下旋转，带动上部轴(6)转动；所述冲击轴总成包括冲击轴(12)、冲击轴凸轮(13)、中间壳体(8)、矩形密封圈(11)，在冲击轴(12)前端采用螺纹连接冲击轴凸轮(13)，将矩形密封圈(11)安装在中间壳体(8)内，采用螺纹连接将中间壳体(8)连接在上壳体(1)后端，冲击轴(12)在上部轴带动下旋转，使冲击轴凸轮(13)一起旋转；所述下部工具总成包括圆珠滚子凸轮(16)、下壳体(19)、砧子(20)、缓冲弹性体(23)、八方(24)、六角头螺母(14)、垫片(15)、双头螺柱(17)、O型密封圈(18)、定位块(21)、O型密封圈(22)，利用六角头螺母(14)、垫片(15)和双头螺柱(17)将圆珠滚子凸轮(16)固定连接在下壳体(19)上，圆珠滚子凸轮(16)与冲击轴凸轮(13)相互作用，使冲击轴(12)产生上下往复运动，使冲击轴(13)周期性冲击砧子(20)，从而给钻头产生一个冲击作用力。

2.根据权利要求1所述的利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具，其特征在于：所述的凸轮机构由冲击轴凸轮(13)由圆柱体和两个对称的凸缘部分构成，通过螺纹连接在冲击轴上，冲击轴旋转驱动冲击轴凸轮(13)旋转；圆珠滚子凸轮(16)的滚子球体数量为6个，直径分别为38～40mm和28～30mm，直径为38～40mm滚子球体有2个，呈对称布置，两种滚子球体之间的中心夹角为45°，每侧直径28～30mm的滚球中心夹角为60度。

3.根据权利要求4述的利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具，其特征在于：冲击轴(12)后端断面形状为正方形。

4.根据权利要求1所述的利用旋冲方式产生复合作用破岩的钻井工具，其特征在于：所述涡轮级数为20级。