專利名稱：一種扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于石油天然氣鉆井在鉆進(jìn)過(guò)程中給PDC鉆頭施 加低幅高頻扭轉(zhuǎn)沖擊的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，同時(shí)也適用于在旋轉(zhuǎn)鉆井、 頂驅(qū)一泥漿馬達(dá)復(fù)合鉆井、定向鉆井以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井中。
背景技術(shù)：
PDC鉆頭鉆硬或研磨性地層時(shí)，通常沒(méi)有足夠的扭矩來(lái)破碎地層， 從而使鉆頭瞬間停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，扭轉(zhuǎn)能量?jī)?chǔ)存在鉆柱中，鉆柱會(huì)像 發(fā)條一樣扭緊， 一旦產(chǎn)生了剪切破碎地層所需的扭矩，鉆柱能量便會(huì) 釋放開來(lái)，在PDC齒上施加比平常高得多的沖擊載荷，最終使金剛石 齒破碎并導(dǎo)致鉆頭失效。在鉆井過(guò)程中，起下鉆和更換失效的PDC鉆 頭是造成鉆井成本增加的一個(gè)重要因素。
圍繞鉆進(jìn)過(guò)程中由于鉆頭或BHA的粘滑現(xiàn)象造成鉆頭失效的問(wèn)題， 研究表明可以通過(guò)在鉆頭上周期性地施加小幅高頻扭轉(zhuǎn)沖擊來(lái)降低鉆 頭的失效率和提高鉆進(jìn)速度。在該理論的指導(dǎo)下，發(fā)明了扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井 工具。該工具可直接安裝在旋轉(zhuǎn)鉆井或定向鉆井總成中PDC鉆頭的上方。 該工具能給鉆頭施加小幅高頻扭轉(zhuǎn)沖擊，當(dāng)與鉆柱穩(wěn)態(tài)扭矩相結(jié)合時(shí)， 能對(duì)鉆頭產(chǎn)生高效的破巖扭矩，從而大大降低鉆頭的粘滑現(xiàn)象，大幅提 高機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)鉆頭壽命，降低鉆進(jìn)成本。該工具的長(zhǎng)度短，所以對(duì) 底部鉆具組合的影響很小，可以在旋轉(zhuǎn)鉆井、頂驅(qū)一泥漿馬達(dá)復(fù)合鉆井、 定向鉆井以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井中應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)硬或研磨性地層中因鉆頭瞬時(shí)破巖能量不 足導(dǎo)致粘滑振動(dòng)或卡鉆現(xiàn)象，以及為了提高鉆頭鉆進(jìn)效率和壽命，減 少起下鉆和降低鉆進(jìn)成本，特提供一種扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決此技術(shù)問(wèn)題^f采用的技術(shù)方案是 一種扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，是由殼體、螺桿馬達(dá)定子、螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子、 萬(wàn)向軸、傳動(dòng)軸、空腔運(yùn)載器、滑動(dòng)沖擊器和近鉆頭鉆柱短節(jié)組成， 其結(jié)構(gòu)特征是殼體與近鉆頭鉆柱短節(jié)用花鍵連接，由軸肩定位；螺 桿馬達(dá)定子固定在殼體內(nèi)，用內(nèi)壁定位，螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子與螺桿馬達(dá)定子配合組成螺桿馬達(dá)，螺桿馬達(dá)有一個(gè)密封腔，螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子是中空
右旋的；螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子與萬(wàn)向軸用螺紋連接，萬(wàn)向軸是中空的，通過(guò) 滾針軸承和推力球軸承與傳動(dòng)軸的偏心孔連接，傳動(dòng)軸上布置有四個(gè) 導(dǎo)流孔和一個(gè)引流孔，導(dǎo)流孔為傳動(dòng)軸外部流體的流通通道，螺桿馬 達(dá)轉(zhuǎn)子的中心孔、萬(wàn)向軸的中心孔和引流孔是連通的，它們形成液體 的另一個(gè)流通通道；傳動(dòng)軸下端內(nèi)孔中安置有輔助止推軸承，傳動(dòng)軸 與下端的空腔運(yùn)載器用螺紋連接，由兩個(gè)連接端面定位；空腔運(yùn)載器 上端安置止動(dòng)套，止動(dòng)套與近鉆頭鉆柱短節(jié)上端用螺紋連接，止動(dòng)套 上端安置止推軸承；滑動(dòng)沖擊器安置在空腔運(yùn)載器的空腔內(nèi)，靠?jī)蓚€(gè) 銷釘固定，滑動(dòng)沖擊器內(nèi)部有沖擊錘；兩個(gè)銷釘分別安置在空腔運(yùn)載 器內(nèi)的兩個(gè)槽與滑動(dòng)沖擊器的環(huán)形切口和長(zhǎng)條形切口配合形成的孔 內(nèi)；防掉圈用螺紋與殼體連接，空腔運(yùn)載器與防掉圈之間安置推力滾 柱軸承，環(huán)形彈簧安置在防掉圈與近鉆頭鉆柱短節(jié)軸肩之間；近鉆頭 鉆柱短節(jié)上的承撞軸肩與滑動(dòng)沖擊器上的沖擊錘配合形成棘輪結(jié)構(gòu)， 近鉆頭鉆柱短節(jié)下端接頭連接PDC鉆頭或其它工具；殼體下端均布有 四個(gè)40°的殼體花鍵，形成四個(gè)50。的環(huán)空間隙；近鉆頭鉆柱短節(jié)有 四個(gè)40°的近鉆頭鉆柱短節(jié)花鍵環(huán)繞排列在近鉆頭鉆柱短節(jié)端面上， 形成四個(gè)50。的環(huán)空間隙。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的有益效果是(1)該工具用螺桿 馬達(dá)提供動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，長(zhǎng)度短，有利于在造斜作業(yè)和彎曲井眼中 應(yīng)用；(2)可以給鉆頭施加一種低幅高頻扭轉(zhuǎn)沖擊力，從而大大降低 鉆頭的粘滑現(xiàn)象，大幅提高機(jī)械鉆速；(3)通過(guò)給鉆頭周期性的提供 扭轉(zhuǎn)沖擊力，可以穩(wěn)定從近鉆頭鉆柱短節(jié)傳遞給鉆頭的扭矩，降低卡 鉆致使鉆頭失效的可能性，減少起下鉆和操作費(fèi)用，提高綜合技術(shù)經(jīng) 濟(jì)效益。


圖1是本發(fā)明一種扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的部分剖面示意圖。 圖3是由橫剖面B—B得到的滑動(dòng)沖擊器25與空腔運(yùn)載器27配合 的剖面示意圖。
圖4是由橫剖面A—A得到的殼體1的花鍵32與近鉆頭鉆柱短節(jié)8的花鍵23配合的剖面示意圖。
圖中l(wèi).殼體，2.螺桿馬達(dá)定子，3.螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子，4.萬(wàn)向軸， 5.傳動(dòng)軸，6.止動(dòng)套，7.環(huán)形彈簧，8.近鉆頭鉆柱短節(jié)，9.接頭，10. 滾針軸承，ll.推力球軸承，12.接頭，13.防掉圈，14.推力滾柱軸承， 15.環(huán)空間隙，16.環(huán)空間隙，17.輔助止推軸承，18.止推軸承，19.導(dǎo) 流孔，20.連接端面，2L連接端面，22.引流孔，23.近鉆頭鉆柱短節(jié) 花鍵，24.沖擊錘，25.滑動(dòng)沖擊器，26.承撞軸肩，27.空腔運(yùn)載器， 28.銷釘，29.銷釘，30.環(huán)形切口， 31.長(zhǎng)條形切口， 32.殼體花鍵，33. 空腔。
具體實(shí)施例方式
按照?qǐng)Dl、圖2所示，本發(fā)明扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具是由殼體l、螺桿 馬達(dá)定子2、螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子3、萬(wàn)向軸4、傳動(dòng)軸5、空腔運(yùn)載器27、 滑動(dòng)沖擊器25和近鉆頭鉆柱短節(jié)8等組成，其中殼體1和近鉆頭鉆柱 短節(jié)8用花鍵連接，由軸肩定位，殼體1上端的接頭9用于連接其它 工具，殼體l被驅(qū)動(dòng)時(shí)，殼體1和近鉆頭鉆柱短節(jié)8通過(guò)花鍵23和花 鍵32配合，以驅(qū)動(dòng)近鉆頭鉆柱短節(jié)8;螺桿馬達(dá)定子2固定在殼體1 內(nèi)，用內(nèi)壁定位；螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子3與螺桿馬達(dá)定子2配合組成螺桿馬 達(dá)，螺桿馬達(dá)由鉆井液驅(qū)動(dòng)，提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)沖擊錘25間歇轉(zhuǎn)動(dòng)； 螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子3與萬(wàn)向軸4用螺紋連接；萬(wàn)向軸4是中空的，通過(guò)滾 針軸承10和推力球軸承11與傳動(dòng)軸5的偏心孔連接，傳動(dòng)軸5上均 布有四個(gè)導(dǎo)流孔19和一個(gè)引流孔22，導(dǎo)流孔19為傳動(dòng)軸外部流體的 流通通道，螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子3的中心孔、萬(wàn)向軸4的中心孔與引流孔22 是連通的，它們形成液體的另一個(gè)流通通道；傳動(dòng)軸5下端內(nèi)孔中安 置有輔助止推軸承17，傳動(dòng)軸5與下端的空腔運(yùn)載器27用螺紋連接， 由連接端面20和連接端面21定位；空腔運(yùn)載器27上端安置止動(dòng)套6， 止動(dòng)套6與近鉆頭鉆柱短節(jié)8上端用螺紋連接；滑動(dòng)沖擊器25安置在 空腔運(yùn)載器27的空腔33內(nèi)，靠銷釘28和銷釘29固定，滑動(dòng)沖擊器 25內(nèi)部有沖擊錘24，銷釘28和銷釘29分別安置在空腔運(yùn)載器27內(nèi) 的兩個(gè)槽與滑動(dòng)沖擊器25的環(huán)形切口 30和長(zhǎng)條形切口 31配合形成的 孔內(nèi)；防掉圈13用螺紋與殼體1連接，空腔運(yùn)載器27與防掉圈13之 間安置推力滾柱軸承14;環(huán)形彈簧7安置在防掉圈13與近鉆頭鉆柱短節(jié)8軸肩之間；近鉆頭鉆柱短節(jié)8上的承撞軸肩26與滑動(dòng)沖擊器25 上的沖擊錘24配合形成棘輪結(jié)構(gòu)，近鉆頭鉆柱短節(jié)8下端接頭12連 接PDC鉆頭或其它工具。
按照?qǐng)D2、圖3所示，近鉆頭鉆柱短節(jié)8的軸間有一個(gè)徑向外凸的 承撞軸肩26。當(dāng)傳動(dòng)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)空腔運(yùn)載器27時(shí)，空腔運(yùn)載器27帶動(dòng) 滑動(dòng)沖擊器25周期性的沖擊承撞軸肩26，并且把扭矩傳遞給近鉆頭鉆 柱短節(jié)8。
滑動(dòng)沖擊器25安置在空腔運(yùn)載器27的空腔33內(nèi)，靠銷釘28和 銷釘29固定，它有一個(gè)徑向內(nèi)凸的沖擊錘24;滑動(dòng)沖擊器25的一邊 有一個(gè)環(huán)形切口30，相對(duì)的一邊有一個(gè)長(zhǎng)條形切口 31，銷釘28和銷 釘29分別安置在空腔運(yùn)載器27內(nèi)的兩個(gè)槽與滑動(dòng)沖擊器25的環(huán)形切 口 30和長(zhǎng)條形切口 31配合形成的孔內(nèi)；環(huán)形切口 30和長(zhǎng)條形切口 31 的尺寸是確定的，以便滑動(dòng)沖擊器25能以銷釘28為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò) 第二銷釘29在長(zhǎng)條形切口 31上滑動(dòng)，從而使滑動(dòng)沖擊器25能夠圍繞 承撞軸肩26周期性的做同心和偏心轉(zhuǎn)動(dòng)。
空腔運(yùn)載器27下端安置有推力滾柱軸承14，推力滾柱軸承14下 端是防掉圈13，它用螺紋與殼體l連接，可以起到防掉作用。
在殼體1和近鉆頭鉆柱短節(jié)8內(nèi)孔中有鉆井液流通通道。導(dǎo)流孔 19為傳動(dòng)軸5外部流體的流通通道；螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子3的中心孔、萬(wàn)向 軸4的中心孔和引流孔22是連通的，它們形成液體的另一個(gè)流通通道; 鉆井液最后都流經(jīng)近鉆頭鉆柱短節(jié)8的內(nèi)孔，然后流至鉆頭。
當(dāng)工具鉆進(jìn)地層時(shí)，近鉆頭鉆柱短節(jié)8向上壓縮環(huán)形彈簧7;當(dāng)工 具停止鉆進(jìn)時(shí)，環(huán)形彈簧7恢復(fù)到原狀態(tài)，致使近鉆頭鉆柱短節(jié)花鍵 23與殼體花鍵32分開，此時(shí)止動(dòng)套6的下端面與空腔運(yùn)載器27上端 面連接，以阻止近鉆頭鉆柱短節(jié)8下落；環(huán)形彈簧7在防掉圈13和近 鉆頭鉆柱短節(jié)8的一個(gè)端面之間起作用。
按照?qǐng)D4所示，該工具殼體1下端均布有四個(gè)40°的殼體花鍵32， 形成四個(gè)50。的環(huán)空間隙15;近鉆頭鉆柱短節(jié)8也有四個(gè)40。的近鉆 頭鉆柱短節(jié)花鍵23環(huán)繞排列在近鉆頭鉆柱短節(jié)8端面上，形成四個(gè) 50°的環(huán)空間隙16。
權(quán)利要求
1. 一種扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，是由殼體、螺桿馬達(dá)定子、螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子、萬(wàn)向軸、傳動(dòng)軸、空腔運(yùn)載器、滑動(dòng)沖擊器和近鉆頭鉆柱短節(jié)組成，其特征是殼體(1)和近鉆頭鉆柱短節(jié)(8)用花鍵連接，由軸肩定位；螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子(3)與螺桿馬達(dá)定子(2)配合組成螺桿馬達(dá)，螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子(3)與萬(wàn)向軸(4)用螺紋連接；萬(wàn)向軸(4)是中空的，通過(guò)滾針軸承(10)和推力球軸承(11)與傳動(dòng)軸(5)的偏心孔連接，傳動(dòng)軸(5)上布置有四個(gè)導(dǎo)流孔(19)和一個(gè)引流孔(22)；螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子(3)的中心孔、萬(wàn)向軸(4)的中心孔與引流孔(22)是連通的；傳動(dòng)軸(5)下端內(nèi)孔中安置有輔助止推軸承(17)，傳動(dòng)軸(5)與下端的空腔運(yùn)載器(27)用螺紋連接，由連接端面(20)和連接端面(21)定位；空腔運(yùn)載器(27)上端安置止動(dòng)套(6)，止動(dòng)套(6)與近鉆頭鉆柱短節(jié)(8)上端用螺紋連接，止動(dòng)套(6)上端安置止推軸承(18)；滑動(dòng)沖擊器(25)安置在空腔運(yùn)載器(27)的空腔(33)內(nèi)，靠銷釘(28)和銷釘(29)固定，滑動(dòng)沖擊器(25)內(nèi)部有沖擊錘(24)，銷釘(28)和銷釘(29)分別安置在空腔運(yùn)載器(27)內(nèi)的兩個(gè)半圓槽與滑動(dòng)沖擊器(25)上的環(huán)形切口(30)和長(zhǎng)條形切口(31)配合形成的孔內(nèi)；防掉圈(13)用螺紋與殼體(1)連接；空腔運(yùn)載器(27)與防掉圈(13)之間安置推力滾柱軸承(14)；環(huán)形彈簧(7)是在防掉圈(13)與近鉆頭鉆柱短節(jié)(8)軸肩之間；近鉆頭鉆柱短節(jié)(8)上的承撞軸肩(26)與滑動(dòng)沖擊器(25)上的沖擊錘(24)配合形成棘輪結(jié)構(gòu)，近鉆頭鉆柱短節(jié)(8)下端接頭(12)連接PDC鉆頭或其它工具。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，其特征是螺桿馬 達(dá)轉(zhuǎn)子(3)與螺桿馬達(dá)定子(2)組成的螺桿馬達(dá)有一個(gè)密封腔，螺 桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子(3)是中空右旋的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，其特征是殼體(1) 下端均布有四個(gè)40。的殼體花鍵(32)，形成四個(gè)50。的環(huán)空間隙(15); 近鉆頭鉆柱短節(jié)(8)有四個(gè)40°的近鉆頭鉆柱短節(jié)花鍵(23)環(huán)繞排 列在近鉆頭鉆柱短節(jié)(8)端面上，形成四個(gè)50。的環(huán)空間隙(16)。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于在鉆井過(guò)程中給鉆頭施加低幅高頻扭轉(zhuǎn)沖擊的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具。它能提高鉆頭鉆進(jìn)效率和壽命，減少起下鉆、降低鉆進(jìn)成本。其技術(shù)方案是殼體與近鉆頭鉆柱短節(jié)用花鍵連接，由軸肩定位；螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子與螺桿馬達(dá)定子組成螺桿馬達(dá)，螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子通過(guò)萬(wàn)向軸和兩個(gè)軸承偏心連接在傳動(dòng)軸上，傳動(dòng)軸上有四個(gè)導(dǎo)流孔；傳動(dòng)軸下端與空腔運(yùn)載器連接；滑動(dòng)沖擊器放置在空腔內(nèi)，靠銷釘固定，滑動(dòng)沖擊器內(nèi)有沖擊錘；防掉圈用螺紋與殼體連接；近鉆頭鉆柱短節(jié)上的承撞軸肩與滑動(dòng)沖擊器的沖擊錘配合形成棘輪結(jié)構(gòu)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于深井硬地層中，由于長(zhǎng)度短，該工具同樣適用于造斜作業(yè)和彎曲井眼中，可減少鉆頭的粘滑現(xiàn)象、提高機(jī)械鉆速。
文檔編號(hào)E21B7/00GK101463709SQ20091005808
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者石昌帥, 祝效華, 華 童 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)