一種激發鑽柱振動的鑽井工具的製作方法
2023-10-09 07:18:29
專利名稱：一種激發鑽柱振動的鑽井工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及石油、天然氣鑽井的配套裝置技術領域，尤其涉及一種激發鑽柱振動的鑽井工具。
背景技術：
在利用鑽柱進行石油或天然氣鑽井過程中，鑽柱與井壁之間的接觸及摩擦將消耗部分鑽壓，這種現象隨著井斜的增大、巖屑床的形成和井眼內液柱壓力和地層壓力之間差值的增大而逐漸顯現，嚴重時鑽柱將完全停止運動，造成卡鑽事故。因此，如何減少鑽柱與井壁之間的接觸和摩擦，是將上部鑽柱的部分重量向下順利傳遞至鑽頭，確保鑽頭高效破巖鑽進的關鍵。一般的做法是優化井身結構和泥漿性能，減少或避免巖屑床的形成，提高泥餅質量，採用旋轉導向鑽井和欠平衡或近平衡鑽井方式等。但是上述技術措施均存在一定的局限性，難以普遍推廣使用。研究表明振動能夠改變摩擦副之間的摩擦狀態，使摩擦副之間的摩擦係數降低，振動減阻技術已經廣泛應用於各個工程領域。振動減阻技術屬於可控的主動減阻技術，如何將其應用於鑽柱與井壁減阻，以克服常規減摩阻扭矩技術的局限性，是高摩阻井鑽井減阻理論研究及工具研製的一個重要發展方向。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種激發鑽柱振動的鑽井工具，使鑽柱在軸向上產生周期性振動，以減少鑽柱與井壁之間的接觸和摩擦，提高機械鑽速。為解決上述技術問題，本發明的技術方案是一種激發鑽柱振動的鑽井工具，包括一個筒狀的上殼體，所述上殼體的上端安裝有轉換接頭，所述轉換接頭的下方滑動設置有活塞杆，所述活塞杆的下端伸出所述上殼體的下端，所述活塞杆上設有沿其軸向延伸的中空的活塞杆流道；一個筒狀的下殼體，所述下殼體的上端與所述活塞杆的下端固定連接，所述下殼體內設有位於所述活塞杆下方的導流驅動裝置，以及位於所述導流驅動裝置下方的盤閥裝置，用於周期性接通或者阻斷鑽井液。作為優選，所述導流驅動裝置包括轉動設置的心軸，所述心軸沿所述下殼體的軸向延伸；導流頭，所述導流頭固定設置於所述心軸的上端，所述導流頭上設置有傾斜的導流頭流道。作為優選，所述盤閥裝置包括動閥盤，所述動閥盤固定設置於所述心軸的下端，所述動閥盤上設有與其軸向一致的動閥盤流道；靜閥盤，所述靜閥盤固定設置於所述下殼體的下端，所述靜閥盤上設有與其軸向一致的靜閥盤流道，所述靜閥盤流道與所述動閥盤流道位置相對應。作為優選，所述上殼體與所述下殼體之間還設置有中間接頭，所述中間接頭的下端與所述下殼體的上端螺紋連接，所述中間接頭的上端與所述活塞杆的下端螺紋連接。由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是由於本發明的激發鑽柱振動的、鑽井工具包括一個筒狀的上殼體，上殼體的上端安裝有轉換接頭，轉換接頭的下方滑動設置有活塞杆，活塞杆的下端伸出上殼體的下端，活塞杆上設有中空的活塞杆流道；一個筒狀的下殼體，下殼體的上端與活塞杆的下端之間固定連接，在下殼體內設有位於活塞杆下方的導流驅動裝置，以及位於導流驅動裝置下方的盤閥裝置；本發明的鑽井工具在使用時，轉換接頭與上部鑽柱連接，下殼體的下端與下部鑽柱連接，鑽井液自上部鑽柱進入轉換接頭，流經活塞杆流道後，衝擊導流驅動裝置，導流驅動裝置在鑽井液的衝擊作用下轉動，從而帶動盤閥裝置周期性接通或者阻斷鑽井液，當鑽井液的流動被瞬間截止時，由於水擊效應，盤閥裝置上部鑽井液壓力急劇上升，致使作用在活塞杆上端的壓力相應急劇增大，活塞杆與下殼體向下運動，衝擊作用於連接在下殼體下端的下部鑽柱；當鑽井液的流動通道打開時，盤閥裝置上部被壓縮的鑽井液得以向下釋放，水擊效應消除，作用在活塞杆上端的壓力相應減小，鑽井液驅使導流驅動裝置帶動盤閥裝置使鑽井液流道周期性重合和錯開，如此交替往復，形成周期性作用力作用於連接在下殼體下端的下部鑽柱上，激發鑽柱在軸向上周期性振動，使得鑽柱與井壁之間的靜止接觸及摩擦得以消除，上部鑽柱的重力可以向下順利傳遞，形成作用在鑽頭的有效鑽壓，使得鑽頭的破巖鑽進效率提高。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明附圖是本發明實施例的結構剖視示意圖；圖中I-轉換接頭；2_上殼體；3_活塞杆；31_活塞杆流道；4_中間接頭；5-下殼體；6_導流頭；61_導流頭流道；7_內筒；8-心軸；9-軸承；10_動閥盤；11_靜閥盤；12_動閥盤流道；13-靜閥盤流道。
具體實施例方式以下為本發明的激發鑽柱振動的鑽井工具的具體實施例，用以解釋而非限制本發明。如附圖所示，一種激發鑽柱振動的鑽井工具，包括一個筒狀的上殼體2，在上殼體2的上端安裝有轉換接頭I，在上殼體2內位於轉換接頭I的下方滑動設置有活塞杆3，其中，上殼體2下端的配合通孔和活塞杆3中部的配合段加工成多邊形，活塞杆3的下端伸出上殼體2的下端，活塞杆3上設有沿其軸向延伸的中空的活塞杆流道31 個筒狀的下殼體5，下殼體5與上殼體2之間設置有中間接頭4，其中，中間接頭4的下端與下殼體5的上端螺紋連接，中間接頭4的上端與活塞杆3的下端螺紋連接；在下殼體5內設有位於活塞杆3下方的導流驅動裝置，以及位於導流驅動裝置下方的盤閥裝置，該盤閥裝置用於周期性接通或者阻斷鑽井液。本實施例中，上述導流驅動裝置包括轉動設置的心軸8，心軸8沿下殼體5的軸向延伸，心軸8的兩端安裝有軸承9，心軸8通過軸承9支撐於一個內筒7上，內筒7固定於下殼體5內；導流頭6，導流頭6固定於心軸8的上端，導流頭6的外表面上設置有多個傾斜的導流頭流道61。本實施例中，上述盤閥裝置包括一個動閥盤10，該動閥盤10固定於心軸8的下端，在動閥盤10上設有與其軸向一致的動閥盤流道12 ;靜閥盤11，該靜閥盤11固定於下殼體5內的下端，在靜閥盤11上設有與其軸向一致的靜閥盤流道13，靜閥盤流道13與動閥盤流道11的位置相對應，周期性重合或錯開。本發明的激發鑽柱振動的鑽井工具組裝時將靜盤閥11固定在下殼體5內部的下端，軸承9裝在心軸8的兩端，心軸8和軸承9 一起裝入內筒7，導流頭6固定在心軸8的上端，動盤閥10與心軸8的下端固定連接，然後把內筒7整體裝入下殼體5內，並與下殼體5固定，使動盤閥10和靜盤閥11位置相對應；將中間接頭4與下殼體5螺紋連接；將活塞杆3裝入上殼體2，活塞杆3的下端伸出上殼體2的下端並與中間接頭4的上端螺紋連接；轉換接頭I螺紋連接在上殼體2的上端。將本發明的激發鑽柱振動的鑽井工具接入鑽柱進行鑽進時將轉換接頭I的上端與上部鑽柱相連接，下殼體5的下端與下部鑽柱相連接；鑽井液流過轉換接頭I、活塞杆流道31和中間接頭4的中心通道後，衝擊導流頭6外表面的傾斜的導流頭流道61，驅使導流 頭6旋轉並帶動心軸8和動盤閥10旋轉，當動盤閥10上的動閥盤流道12和靜盤閥11上的靜閥盤流道13錯開時，鑽井液的流動被瞬間截止，由於水擊效應，動盤閥10上部鑽井液壓力急劇上升，致使作用在活塞杆3上端的鑽井液壓力急劇增大，活塞杆3沿上殼體2向下滑動並帶動中間接頭4與下殼體5向下運動，鑽井液經活塞杆流道31、中間接頭4和下殼體5的中心通道，衝擊作用於連接在下殼體5下端的下部鑽柱上；鑽井液驅使導流頭6帶動心軸8和動盤閥10繼續旋轉，當動盤閥10上的動閥盤流道12和靜盤閥11的靜閥盤流道13重合時，鑽井液的流動通道打開，動盤閥10上部被壓縮的鑽井液得以向下釋放，水擊效應消除，作用在活塞杆3上端的壓力相應減小，鑽井液驅使導流頭6帶動心軸8和動盤閥10連續旋轉，動盤閥10上的動閥盤流道12和靜盤閥11的靜閥盤流道13周期性重合和錯開，如此交替往復，形成周期性作用力作用於連接在下殼體5下端的下部鑽柱上，激發鑽柱在軸向上進行周期性振動，使得鑽柱與井壁之間的靜止接觸及摩擦得以消除，消除了高摩扭井段鑽進過程中產生的「拖壓」及「粘滑」現象，上部鑽柱的重力得以向下順利傳遞，形成作用在鑽頭上的有效鑽壓，使得鑽頭的破巖鑽進效率提高。其中，鑽柱振動頻率、峰值和幅值可以通過調整鑽井液流量、鑽井液性能、導流頭6的水力結構尺寸、活塞杆3的結構尺寸等參數來獲得。本發明是基於現有技術發展狀況和摩扭發生機理的分析，為滿足高摩扭井段鑽進對主動、適時減摩扭、打快等實際需求而設計的，本發明利用鑽井液驅動盤閥開關裝置，產生作用於下部鑽柱的衝擊振動，顯著減少鑽柱與井壁之間的摩阻和扭矩，使得鑽壓和扭矩傳輸更有效，同時擾動巖屑床，提高井眼淨化效率，降低卡鑽風險，最大限度提高機械鑽速。本發明具有結構簡單、使用方便、安全可靠、壓耗低、不影響鑽具結構、適用於多種鑽井平臺、加工製造和使用維護的成本較低等特點，對於提高高摩阻井段鑽井速度、降低生產成本具有重要的實際意義。本發明針對高摩阻井段鑽進過程中存在的「拖壓」及「粘滑」現象，利用振動能夠對摩擦副之間的摩擦係數產生影響的特性，創新性的將振動減阻技術引入鑽井工程中，突破常規減阻措施的局限性，可有效減小鑽柱與井壁之間的摩阻和扭矩，具有有效、可控的特點，具有廣泛的應用前景。以上所述僅是本發明較佳實施方式的舉例，並不用以限制本發明，其中未詳細述及的部分均為本領域普通技術人員的公知常識。本發明的保護範圍以權利要求的內容為準，任何基於本發明的技術啟示而進行的等效變換，也在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種激發鑽柱振動的鑽井工具，其特徵在於，包括 一個筒狀的上殼體，所述上殼體的上端安裝有轉換接頭，所述轉換接頭的下方滑動設置有活塞杆，所述活塞杆的下端伸出所述上殼體的下端，所述活塞杆上設有沿其軸向延伸的中空的活塞杆流道； 一個筒狀的下殼體，所述下殼體的上端與所述活塞杆的下端固定連接，所述下殼體內設有位於所述活塞杆下方的導流驅動裝 置，以及位於所述導流驅動裝置下方的盤閥裝置，用於周期性接通或者阻斷鑽井液。
2.如權利要求I所述的一種激發鑽柱振動的鑽井工具，其特徵在於所述導流驅動裝置包括 轉動設置的心軸，所述心軸沿所述下殼體的軸向延伸； 導流頭，所述導流頭固定設置於所述心軸的上端，所述導流頭上設置有傾斜的導流頭流道。
3.如權利要求2所述的一種激發鑽柱振動的鑽井工具，其特徵在於所述盤閥裝置包括 動閥盤，所述動閥盤固定設置於所述心軸的下端，所述動閥盤上設有與其軸向一致的動閥盤流道； 靜閥盤，所述靜閥盤固定設置於所述下殼體的下端，所述靜閥盤上設有與其軸向一致的靜閥盤流道，所述靜閥盤流道與所述動閥盤流道位置相對應。
4.如權利要求1、2或3任一項所述的一種激發鑽柱振動的鑽井工具，其特徵在於所述上殼體與所述下殼體之間還設置有中間接頭，所述中間接頭的下端與所述下殼體的上端螺紋連接，所述中間接頭的上端與所述活塞杆的下端螺紋連接。
全文摘要
本發明公開了一種激發鑽柱振動的鑽井工具，包括上殼體，上殼體的上端安裝有轉換接頭，轉換接頭的下方滑動設置有活塞杆，活塞杆上設有中空的活塞杆流道；下殼體，下殼體的上端與活塞杆的下端之間固定連接，在下殼體內設有導流驅動裝置，以及位於導流驅動裝置下方的盤閥裝置。將本發明的激發鑽柱振動的鑽井工具接入鑽柱進行鑽進時，利用鑽井液驅動特殊的閥門系統，產生水力衝擊，帶動下部鑽柱在軸向上進行周期性振動，可以消除高摩扭井段鑽進過程中產生的「拖壓」及「粘滑」現象，改善鑽柱與井壁之間的接觸狀態，將上部鑽壓和扭矩有效的傳遞到鑽頭，提高機械鑽速。
文檔編號E21B7/24GK102747957SQ201210256028
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月23日 優先權日2012年7月23日
發明者倪紅堅, 王瑞和, 王鵬 申請人:中國石油大學(華東)