一種往復式衝擊旋轉鑽井工具的製作方法

2023-10-05 04:29:49 7

專利名稱：一種往復式衝擊旋轉鑽井工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在鑽井過程中能夠同時提供往復衝擊和扭矩的旋轉衝擊鑽井工具，適用於石油天然氣鑽井工程以及修井服務中，也可用於地質勘探孔洞鑽進工程。
背景技術：
目前油田所採用的鑽井工具大部分只能單一的提供軸向衝擊力或周向扭矩，對於較硬的地層或研磨性地層，當鑽具只提供軸向衝擊力時，鑽頭的吃入深度不夠，機械鑽速有待提高；而當鑽具只提供周向扭矩時，常缺少足夠的扭矩來破壞地層，從而使鑽頭瞬間停止轉動，出現粘滑、卡鑽現象，這時鑽柱會像發條一樣扭緊，扭矩積聚後又快速釋放，導致鑽柱扭轉震蕩，同時鑽頭上也會受到更高的衝擊載荷，對鑽頭、鑽柱配套部件的使用壽命產生不利影響。為了提高鑽井速度，除了研究鑽頭技術、水力噴射破巖技術等鑽井技術外，又提出了旋轉衝擊鑽井技術概念，其核心內容是鑽具在提供軸向衝擊載荷的同時對鑽頭施加周向扭矩，通過大量的技術研究和現場應用證明，旋轉衝擊鑽井可大幅提高鑽井的機械鑽速，達到快速破巖的目的。因此本發明提出了一種能夠同時提供往復衝擊和旋轉扭矩的鑽井工具，該工具將鑽井液的流體能量轉化為扭矩和軸向衝擊載荷，並直接作用於鑽頭上，大大提高了鑽井效率。該工具結構簡單，長度短，克服了常規鑽井工具大、笨、重的問題，具有廣泛的應用價值。

發明內容
本發明的目的在於為石油天然氣開發鑽井、非石油資源勘查開採鑽井提供一種往復式衝擊旋轉鑽井工具，該工具大幅提高了鑽頭破巖效率和鑽井機械鑽速，且長度短，結構簡單，具有廣發的應用價值。為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是一種往復式衝擊旋轉鑽井工具是由流量控制器、上部接頭、自動閥裝置、外殼、芯軸、旋轉裝置、承重接頭等組成。其結構特徵是上部接頭通過螺紋連接在外殼上部，其內部裝有流量控制器；自動閥裝置安裝在上部接頭內，自動閥裝置由閥衝程校準裝置、閥杆、閥體、閥頭、卸閥彈簧構成，它與外殼、芯軸的上端面共同構成了體積可變容腔；芯軸的上部大直徑外表面與外殼的內表面間隙配合， 兩者之間有密封件；旋轉裝置上有三個螺旋槽，下端面上有單向的下棘爪面，芯軸上的圓柱隨動件與旋轉裝置上的螺旋槽接觸，旋轉裝置的外壁與外殼的內壁構成間隙配合，內壁與芯軸的外壁也構成間隙配合；承重接頭通過螺紋連接在外殼的下端，其上部有單向的上棘爪面，與旋轉裝置的下棘爪面接觸，構成了棘爪機構，下部有上承撞面22 ；芯軸下部的螺紋用來連接鑽頭。本發明的有益效果是(1)該工具可以將鑽井液的流體能量轉化為扭矩和軸向衝擊載荷，並直接作用於鑽頭上，大大提高了破巖效率；(2)鑽具產生扭轉衝擊力可減弱鑽頭的粘滑現象，大幅提高機械鑽速；(3)該工具結構簡單，長度短，可以在造斜作業和彎曲井眼中使用。


圖1是本發明一種往復式衝擊旋轉鑽井工具的結構示意圖。圖2是本發明一種往復式衝擊旋轉鑽井工具由橫剖面A-A得到的外殼9、旋轉裝置 16與芯軸10配合的剖面示意圖。圖3是本發明一種往復式衝擊旋轉鑽井工具的旋轉裝置示意圖。圖中1.流量控制器，2.上部接頭，3.閥衝程控制裝置，4.閥杆，5.閥體，6.閥頭， 7.密封件，8.彈簧，9.外殼，10.芯軸，11.下棘爪面，12.上棘爪面，13.中心孔，14.卸閥彈簧，15.圓柱隨動件，16.旋轉裝置，17.承重接頭，18.容腔，19.自動閥裝置，20.閥座， 21.螺旋槽，22.上承撞面，23.下承撞面。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖3所示，本發明一種往復式衝擊旋轉鑽井工具是由流量控制器1、 上部接頭2、自動閥裝置19、外殼9、芯軸10、旋轉裝置16、承重接頭17等組成。其結構特徵是上部接頭2通過螺紋連接在外殼9上部，其內部裝有流量控制器1 ；自動閥裝置19安裝在上部接頭2內，自動閥裝置19由閥衝程校準裝置3、閥杆4、閥體5、閥頭6、卸閥彈簧14 構成，它與外殼9、芯軸10的上端面共同構成了體積可變容腔18 ；芯軸10的上部大直徑外表面與外殼9的內表面間隙配合，兩者之間有密封件7 ；旋轉裝置16上有三個螺旋槽21，下端面上有單向的下棘爪面11，芯軸10上的圓柱隨動件15與旋轉裝置16上的螺旋槽21接觸，旋轉裝置16的外壁與外殼9的內壁構成間隙配合，內壁與芯軸10的外壁也構成間隙配合；承重接頭17通過螺紋連接在外殼9的下端，其上部有單向的上棘爪面12，與旋轉裝置 16的下棘爪面11接觸，構成了棘爪機構，下部有上承撞面22 ；芯軸10下部的螺紋用來連接鑽頭。本工具連接在鑽柱的最下端。當處於工作狀態時，依靠流體的壓差將將閥頭6壓在閥座20上，流體流入體積可變容腔18中，隨著流體的增多，體積可變容腔18內的壓力和體積增大，推動外殼9向上運動，從而推動鑽柱向上運動；在外殼9向上運動的過程中，旋轉裝置16相對芯軸10向上運動，圓柱隨動件15與旋轉裝置16上的螺旋槽21相互作用，而旋轉裝置16下端的下棘爪面11與承重接頭17的上棘爪面12相互作用，使旋轉裝置16固定，於是旋轉裝置16對芯軸10產生切向作用力，從而形成扭矩；當外殼9向上運動後，閥頭 6與閥座20分離，流體經中心孔13從鑽頭的水眼流出，閥頭6與閥座20間的壓差減小，體積可變容腔18內的壓力也減小，外殼9以及上部的鑽柱開始向下運動；在卸閥彈簧14的作用下，閥頭向上運動，在彈簧8以及鑽柱自身的重力作用下，上承撞面(22)對鑽頭上的下承撞面(23)進行撞擊，對鑽頭產生衝擊功，外殼9和芯軸10開始恢復到初始相對位置，在外殼9向下運動的過程中，圓柱隨動件15仍與螺旋槽21相互作用，產生了與外殼9向上運動時相反的作用力，但由於棘爪面是單向的，無法使旋轉裝置16固定，也就無法對芯軸10產生扭矩，因此芯軸10不會作反向旋轉；當閥頭6和芯軸10都回復到初始位置時，繼續循環上述工作過程。通過流量控制器1可以測量和控制流體的壓力和速率，從而決定了自動閥裝置的循環周期，快速反覆的衝擊會使鑽頭相對鑽柱做斷續的周期性轉動，同時在鑽壓以及衝擊功的作用下，大大提高了機械鑽速和鑽進效率。
權利要求
1.一種往復式衝擊旋轉鑽井工具，是由流量控制器(1)、上部接頭(2)、自動閥裝置 (19)、外殼(9)、芯軸(10)、旋轉裝置(16)、承重接頭(17)等組成；其特徵是上部接頭(2) 通過螺紋連接在外殼(9 )上部，其內部裝有流量控制器(1)；自動閥裝置(19 )安裝在上部接頭(2)下端，它與外殼(9)、芯軸(10)的上端面共同構成了體積可變容腔(18);芯軸(10)的上部外表面與外殼(9)的內表面構成間隙配合，兩者之間有密封件(7)，芯軸(10)上有圓柱隨動件(15)，與旋轉裝置(16)上的螺旋槽(21)接觸；承重接頭(17)連接在外殼(9)的下端，其上部有單向的上棘爪面(12)與旋轉裝置(16)的下棘爪面(11)接觸；芯軸(10)下部的螺紋用來連接鑽頭。
2.根據權利要求1所述的一種往復式衝擊旋轉鑽井工具，其特徵是自動閥裝置(19) 由閥衝程校準裝置(3)、閥杆(4)、閥體(5)、閥頭(6)、卸閥彈簧(14)構成。
3.根據權利要求1所述的一種往復式衝擊旋轉鑽井工具，其特徵是旋轉裝置(16)上有三個螺旋槽(21)，下端面上有單向的下棘爪面(11)。
全文摘要
本發明是一種用於在鑽井過程中同時提供往復衝擊和扭矩的旋轉衝擊鑽井工具。它能夠提高鑽進效率和機械鑽速，降低鑽進成本。其技術方案是上部接頭內部裝有流量控制器，其下的自動閥裝置通過螺紋與上部接頭內孔連接；自動閥裝置、外殼和芯軸上端面形成了一個體積可變容腔；芯軸中間有流體通道，芯軸上端外壁與外殼內壁之間有密封件，芯軸下部的螺紋用來連接鑽頭；旋轉裝置上有螺旋槽，其圓柱隨動件裝在芯軸上，底部有單向的下棘爪面，與承重接頭上部的單向上棘爪面相配合。本發明結構簡單，適用於修井和鑽井作業，能夠同時提供扭矩和衝擊功，減弱鑽頭的粘滑現象，增加機械鑽速，提高鑽井效率，降低鑽井成本。
文檔編號E21B6/00GK102418474SQ201110226398
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者李佳南, 石昌帥, 祝效華, 童華 申請人:西南石油大學