一種動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石油工程領(lǐng)域，特別涉及一種動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]定向井是當(dāng)前油氣田開(kāi)發(fā)最主要的井型，然而隨著開(kāi)發(fā)油氣藏深度不斷增加，鉆井速度慢的問(wèn)題愈顯突出，如何實(shí)現(xiàn)定向井內(nèi)提速是石油工程技術(shù)的重要攻關(guān)方向之一。定向井內(nèi)提速存在以下問(wèn)題:(I)鉆頭與動(dòng)力鉆具直接相連，其間不能加入長(zhǎng)尺寸提速工具；(2)提速工具工作不能影響隨鉆測(cè)量工具的使用；(3)工具使用壽命不能太短，至少與動(dòng)力鉆具壽命相近；(4)工具出現(xiàn)事故時(shí)，不能引起井下事故；(5)提速工具的使用不能為動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)提供負(fù)擔(dān)。這些問(wèn)題使得定向井提速技術(shù)一直未得到較大突破。以往鉆井實(shí)踐表明，給鉆頭施加軸向高頻沖擊載荷可以提高鉆頭的破巖效率。為此，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)了多種旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具來(lái)實(shí)現(xiàn)為鉆頭施加軸向高頻沖擊載荷的目的。然而，這些工具有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作壽命短，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)需要；有的尺寸過(guò)大，不能與動(dòng)力鉆鉆具匹配，有的不能與隨鉆測(cè)量?jī)x器并用，上述因素導(dǎo)致上述種類的旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具一直未能應(yīng)用于定向井提速領(lǐng)域。因此，研發(fā)直接連接與鉆頭與動(dòng)力鉆具之間的、與隨鉆測(cè)量?jī)x器兼容的長(zhǎng)壽命、小尺寸旋轉(zhuǎn)沖擊提速工具對(duì)深井硬地層定向井鉆井提速非常有意義，對(duì)加快油氣資源開(kāi)發(fā)進(jìn)度、降低鉆井成本及風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置及方法，實(shí)現(xiàn)在保持井下動(dòng)力鉆具帶動(dòng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)破巖的同時(shí)，給鉆頭施加高頻率、適當(dāng)幅度軸向沖擊載荷從而提高定向井破巖提速效果的目的。
[0004]本發(fā)明提到的一種動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置，包括定子外筒、轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸、沖擊蓄力彈簧、主動(dòng)齒形沖擊錘、被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭，定子外筒內(nèi)側(cè)裝有轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸、主動(dòng)齒形沖擊錘和被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭，且轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸的下端與被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭螺紋連接，轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸的中部與定子外筒中部形成圓筒形空腔，空腔內(nèi)安裝沖擊蓄力彈簧，沖擊蓄力彈簧的下端與主動(dòng)齒形沖擊錘配合；所述的主動(dòng)齒形沖擊錘的下端設(shè)有齒形曲面，且齒形曲面與被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭上端的齒形曲面嚙合在一起，在轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭相對(duì)主動(dòng)齒形沖擊錘產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)齒形沖擊錘和沖擊蓄力彈簧對(duì)被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭產(chǎn)生軸向往復(fù)沖擊，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和沖擊。
[0005]本發(fā)明提到的定子外筒的外部為一等直徑圓柱面，內(nèi)部從上到下依次為動(dòng)力鉆具外殼連接扣，傳動(dòng)軸支撐面，傳動(dòng)軸防脫端面，傳動(dòng)軸扶正面，彈簧支撐面，彈簧外筒，傳扭面，旋轉(zhuǎn)密封端面；動(dòng)力鉆具外殼連接扣用于連接動(dòng)力鉆具外殼；傳動(dòng)軸支撐面的直徑小于動(dòng)力鉆具外殼連接扣的小端直徑，用于扶正轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸支撐面上開(kāi)有密封槽用于安裝密封；傳動(dòng)軸防脫端面為一圓環(huán)面，其外徑等于傳動(dòng)軸支撐面內(nèi)徑，內(nèi)徑大于傳動(dòng)軸下端面外徑，用于防止轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸從動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置中滑脫；傳動(dòng)軸扶正面直徑大于傳動(dòng)軸下端面外徑，用于為轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸提供扶正支撐；彈簧支撐面為一圓環(huán)面，其外徑大于沖擊蓄力彈簧外徑，內(nèi)徑小于沖擊蓄力彈簧內(nèi)徑且大于傳動(dòng)軸下端面外徑，用于為沖擊蓄力彈簧提供支撐；彈簧外筒直徑大于沖擊蓄力彈簧外徑，其上的注油孔和排氣孔與動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置外環(huán)空相連；傳扭面為扭矩傳遞結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)密封端面為圓柱面，其內(nèi)徑大于傳扭面外切圓直徑，用于為定子外筒與轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸提供密封面。
[0006]上述的傳扭面為扭矩傳遞結(jié)構(gòu)，可以是花鍵、平鍵、六方或八方形式。
[0007]本發(fā)明提到的轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸外部上端為傳動(dòng)軸上端面，中端為傳動(dòng)軸防脫端面，下端為傳動(dòng)軸下端面，最底端為傳動(dòng)軸連接螺扣；傳動(dòng)軸上端面為直徑小于傳動(dòng)軸支撐面直徑的圓柱面，用于與傳動(dòng)軸支撐面配合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸居中扶正及密封；傳動(dòng)軸防脫端面為圓環(huán)面，用于與傳動(dòng)軸防脫端面配合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸防脫落；傳動(dòng)軸下端面為圓柱面，其直徑小于沖擊蓄力彈簧的內(nèi)徑；傳動(dòng)軸連接螺扣用于連接被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭；轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸內(nèi)部上端為轉(zhuǎn)子傳動(dòng)面，用于連接動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)子，并傳遞扭矩；轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸內(nèi)部下端為一通孔，用于為鉆井液過(guò)流提供通道。
[0008]上述的轉(zhuǎn)子傳動(dòng)面的形狀可以是花鍵、平鍵、六方或八方形式。
[0009]本發(fā)明提到的主動(dòng)齒形沖擊錘頂部為沖擊錘上端面，用于承受沖擊蓄力彈簧的周期性推力；主動(dòng)齒形沖擊錘外部為沖擊錘防旋端面，其形式可以是花鍵、平鍵、六方或八方形式，與傳扭面配合使用，用于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)齒形沖擊錘相對(duì)于定子外筒周向靜止、軸向運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)齒形沖擊錘內(nèi)部為沖擊錘內(nèi)端面，其直徑大于傳動(dòng)軸下端面外徑，為轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸提供穿過(guò)空間；主動(dòng)齒形沖擊錘底端為沖擊錘齒形曲面，沖擊錘齒形曲面沿主動(dòng)齒形沖擊錘母線剖開(kāi)后展開(kāi)圖形為鋸齒狀曲線。
[0010]本發(fā)明提到的被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭頂端為傳動(dòng)接頭齒形曲面，傳動(dòng)接頭齒形曲面沿被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭母線剖開(kāi)后展開(kāi)圖形為鋸齒狀曲線，該曲面結(jié)構(gòu)與沖擊錘齒形曲面相同；被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭上端為傳動(dòng)接頭上部端面，中端為傳動(dòng)接頭密封面，下端為傳動(dòng)接頭外端面；傳動(dòng)接頭上部端面為直徑小于沖擊錘防旋端面小徑的圓柱面；傳動(dòng)接頭密封面為直徑小于旋轉(zhuǎn)密封端面的圓柱面，其中部開(kāi)有傳動(dòng)接頭密封槽，該密封面用于與旋轉(zhuǎn)密封端面配合實(shí)現(xiàn)密封；傳動(dòng)接頭外端面為直徑等于定子外筒外部圓柱面直徑的圓柱面；被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭內(nèi)部頂端為螺紋連接扣，用于與傳動(dòng)軸連接螺扣連接實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞；被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭內(nèi)部中端過(guò)流內(nèi)孔，用于為鉆井液提供通道；被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭底端為鉆頭連接扣，用于連接鉆頭。
[0011]上述的定子外筒彈簧外筒中部直徑方向開(kāi)有排氣孔和注油孔，排氣孔和注油孔上通過(guò)螺紋安裝油堵；所述的轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸上端面與定子外筒傳動(dòng)軸支撐面之間安裝密封，被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭密封面與定子外筒旋轉(zhuǎn)密封端面間裝有密封。
[0012]上述的彈簧外筒與傳動(dòng)軸下端面構(gòu)成的圓環(huán)腔體內(nèi)充滿潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油被傳動(dòng)軸上端面與傳動(dòng)軸支撐面的密封及傳動(dòng)接頭密封面與旋轉(zhuǎn)密封端面的密封封閉于圓環(huán)腔體內(nèi)，為沖擊蓄力彈簧的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)及沖擊錘齒形曲面與傳動(dòng)接頭齒形曲面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)提供潤(rùn)滑作用。
[0013]本發(fā)明提到的動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置的使用方法，包括以下步驟:
(a)動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置的鉆頭連接扣通過(guò)螺紋連接鉆頭，動(dòng)力鉆具外殼連接扣(101)通過(guò)螺紋連接動(dòng)力鉆具的外殼，傳扭面與動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)子傳動(dòng)接頭通過(guò)扭矩傳遞結(jié)構(gòu)連接；
(b)當(dāng)動(dòng)力鉆具開(kāi)始工作時(shí)，動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)子帶動(dòng)轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸與被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭通過(guò)螺紋連接構(gòu)成的整體相對(duì)于動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置的定子外筒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)使得主動(dòng)齒形沖擊唾與被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭廣生周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于主動(dòng)齒形沖擊唾的沖擊唾齒形曲面與傳動(dòng)接頭齒形曲面為齒形結(jié)構(gòu)，主動(dòng)齒形沖擊錘與被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭產(chǎn)生周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起主動(dòng)齒形沖擊唾與被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)；
(C)當(dāng)沖擊錘齒形曲面的齒尖與傳動(dòng)接頭齒形曲面的齒尖接觸時(shí)，沖擊蓄力彈簧壓縮蓄力，當(dāng)沖擊錘齒形曲面的齒尖與傳動(dòng)接頭齒形曲面的齒底接觸時(shí)，沖擊蓄力彈簧彈力釋放，推動(dòng)主動(dòng)齒形沖擊錘沖擊被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭，從而實(shí)現(xiàn)軸向沖擊，由于轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸與被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭通過(guò)螺紋連接構(gòu)成的整體可以相對(duì)于動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)子傳動(dòng)接頭軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此，主動(dòng)齒形沖擊錘沖擊被動(dòng)沖擊傳動(dòng)接頭產(chǎn)生的軸向沖擊可以有效作用于鉆頭，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速的目的。
[0014]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的有益效果:
1、動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置可在保持動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)為鉆頭施加軸向高頻適當(dāng)幅度沖擊載荷的目的；
2、動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度極短，使用時(shí)不影響動(dòng)力鉆具及隨鉆測(cè)量工具的工作，有益于長(zhǎng)時(shí)間工作，有利于運(yùn)輸使用；
3、動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置使用過(guò)程不改變鉆井工藝、不改變鉆井參數(shù)，沖擊幅值極易調(diào)節(jié)；
4、動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置使得鉆頭破巖機(jī)理產(chǎn)生變化，尤其可以避免PDC鉆頭憋跳現(xiàn)象，有利于定向過(guò)程工具面的穩(wěn)定，可提高定向效率。
[0015]5、動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置應(yīng)用范圍廣，可應(yīng)用于直井、定向