專利名稱：一種振動加壓鉆井工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油、天然氣鉆井的配套裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種振動加壓鉆井工具。
背景技術(shù)：
PDC鉆頭(即Polycrystalline Diamond Compact的英文縮寫,聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)是ー種鉆井速度快、使用壽命長、工作穩(wěn)定性好的高效破巖工具，但隨著石油勘探開發(fā)向深部地層的推進(jìn)，硬地層、復(fù)雜地層的增多和鉆具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度增加，加速了 PDC鉆頭的破壞和失效，鉆柱的“粘滑”振動(即鉆柱扭矩的持續(xù)積累和瞬間釋放現(xiàn)象)是導(dǎo)致PDC鉆頭失效的最主要原因；常規(guī)消除PDC鉆頭“粘滑”振動的措施主要包括増大鉆柱轉(zhuǎn)速、優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)、増大鉆井液阻尼和頂部扭矩負(fù)反饋等，但是上述技術(shù)措施均存在一定的局限性，難以從根本上解決問題。研究表明在鉆進(jìn)過程中，通過對巖石施加動載沖擊力，結(jié)合鉆頭齒靜載切向壓力，動靜載聯(lián)合作用，可以改變巖石的破碎機(jī)理，在提高破巖效率的同吋，能顯著消除roc鉆頭的“粘滑”振動現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種振動加壓鉆井工具，用于消除PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中的“粘滑振動”現(xiàn)象，改善巖石的應(yīng)カ狀況，提高破巖效率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種振動加壓鉆井工具，包括套筒，所述套筒的上端安裝有上接頭，所述套筒內(nèi)位于所述上接頭的下端安裝有噴嘴；所述套筒的下端滑動安裝有驅(qū)動桿，所述驅(qū)動桿的下端伸出所述套筒的下端，所述驅(qū)動桿的下端固定連接有下接頭，所述驅(qū)動桿沿其軸向設(shè)有中空的驅(qū)動桿流道；所述套筒內(nèi)位于所述噴嘴與所述驅(qū)動桿之間設(shè)置有至少ー級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)，每級所述活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)包括ー個滑動設(shè)置的活塞，所述活塞沿其軸向設(shè)有中空的活塞流道，所述活塞呈T形結(jié)構(gòu)，所述活塞具有上端面、下端面以及自所述下端面向下延伸的導(dǎo)向桿部，所述導(dǎo)向桿部的下端設(shè)有沿其徑向設(shè)置的活塞傳壓孔，所述活塞傳壓孔與所述活塞流道相通，ー個固定安裝于所述套筒內(nèi)的分隔環(huán)，所述分隔環(huán)套裝在所述活塞的導(dǎo)向桿部，所述分隔環(huán)上設(shè)有分隔環(huán)徑向孔及與所述分隔環(huán)徑向孔相通的分隔環(huán)軸向孔，所述套筒上對應(yīng)于所述分隔環(huán)徑向孔的位置設(shè)有套筒導(dǎo)流孔。作為優(yōu)選，所述套筒內(nèi)位于所述噴嘴與所述驅(qū)動桿之間設(shè)置有多級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)；第一級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)的活塞的上端面、所述噴嘴的下端面與所述套筒的內(nèi)壁之間圍成ー個壓カ波動腔。作為優(yōu)選，所述套筒的下端還安裝有驅(qū)動短節(jié)，所述驅(qū)動桿與所述驅(qū)動短節(jié)的內(nèi)壁之間為多邊形輪廓配合。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明的一種振動加壓鉆井工具在套筒的上端安裝有上接頭及噴嘴，在下端滑動安裝有驅(qū)動桿，驅(qū)動桿的下端固定連接有下接頭，套筒內(nèi)位于噴嘴與驅(qū)動桿之間設(shè)置有至少ー級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)，每級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)包括ー個滑動設(shè)置大致呈T形結(jié)構(gòu)的活塞，該活塞具有上端面、下端面以及導(dǎo)向桿部，導(dǎo)向桿部的下端設(shè)有沿其徑向設(shè)置且與活塞流道相通的活塞傳壓孔，ー個固定安裝于套筒內(nèi)且套裝在活塞的導(dǎo)向桿部的分隔環(huán)，該分隔環(huán)上設(shè)有相通的分隔環(huán)徑向孔及分隔環(huán)軸向孔，套筒上對應(yīng)于分隔環(huán)徑向孔的位置設(shè)有套筒導(dǎo)流孔；工作時，定常流動的鉆井液通過上接頭的中心孔流經(jīng)噴嘴后變?yōu)楦咚傥闪髁鲃?，并在噴嘴后產(chǎn)生劇烈的紊流壓カ波動，直接作用于第一級活塞的上端面，第一級活塞的下端面受到分隔環(huán)軸向孔、分隔環(huán)徑向孔和套筒導(dǎo)流孔連通后引入的井筒環(huán)空低壓鉆井液的作用，這樣，在第一級活塞的上下端面之間形成壓カ差，并且該壓カ差值隨著紊流流動高頻變化，形成作用于第一級活塞的向下的高頻變化的作用力，使第一級活塞向下滑動；同時，該紊流壓カ波動沿著第一級活塞中心的活塞流道向下傳播，并通過第一級活塞下端的活塞傳壓孔最終作用于于驅(qū)動桿，驅(qū)動桿沿軸向向下滑動，將該高頻變化的合力通過下接頭傳遞給與下接頭直接連接的PDC鉆頭，從而使PDC鉆頭對其下部巖石產(chǎn)生高頻低幅的沖擊作用，消除PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中的“粘滑”現(xiàn)象，改善巖石的應(yīng)カ狀況，提高破巖效率。
當(dāng)在噴嘴與驅(qū)動桿之間設(shè)置有多級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)時，鉆井液的紊流壓力波動沿著第一級活塞中心的活塞流道向下傳播，并通過第一級活塞下端的活塞傳壓孔作用于第二級活塞上端面，與第二級活塞配合的分隔環(huán)上的導(dǎo)流孔與套筒導(dǎo)流孔將井筒環(huán)空內(nèi)的低壓鉆井液引入，產(chǎn)生作用于第二級活塞下端面的低壓作用，形成作用于第二級活塞上端面的向下的高頻變化的作用力；同理，該紊流壓カ波動沿第二級活塞中心的活塞流道向下傳播，形成作用于下部各級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)中活塞兩端的壓カ差值，產(chǎn)生作用于各級活塞上向下的高頻變化的合力，并通過最后ー級活塞直接作用于驅(qū)動桿，驅(qū)動桿將該高頻變化的合力通過下接頭傳遞給與下接頭直接連接的PDC鉆頭,從而使PDC鉆頭對其下部巖石產(chǎn)生高頻低幅的沖擊作用，消除了 PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中的“粘滑”現(xiàn)象，改善了巖石的應(yīng)カ狀況，提高了破巖效率。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)ー步說明附圖是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)剖視示意圖；圖中1_上接頭；2_噴嘴；23_壓カ波動腔；3_活塞；3ト上端面；32_下端面；33-導(dǎo)向桿部；34_活塞流道；4_分隔環(huán)；5_套筒導(dǎo)流孔；61_分隔環(huán)徑向孔；62_分隔環(huán)軸向孔；7_活塞傳壓孔；8_驅(qū)動桿；81_驅(qū)動桿流道；9_套筒；10_驅(qū)動短節(jié)；11_下接頭。
具體實施例方式以下為本發(fā)明的一種振動加壓鉆井工具的具體實施例，用以解釋而非限制本發(fā)明；以下定義進(jìn)鉆井液處為“上”，出鉆井液處為“下”。如附圖所示，一種振動加壓鉆井工具，包括套筒9，套筒9的上端安裝有上接頭1，在套筒9內(nèi)位于上接頭I的下端安裝有噴嘴2，噴嘴2具有中空的噴嘴通道，其中噴嘴通道的入口大于其出口，分為上部的錐形段和下部的柱形端；在套筒9的下端螺紋連接有驅(qū)動短節(jié)10，套筒9及驅(qū)動短節(jié)10內(nèi)滑動安裝有驅(qū)動桿8，驅(qū)動桿8與驅(qū)動短節(jié)10的內(nèi)壁之間為多邊形輪廓配合，便于周向定位，驅(qū)動桿8的下端伸出驅(qū)動短節(jié)10的下端，驅(qū)動桿8的伸出段固定連接有下接頭11，驅(qū)動桿8沿其軸向設(shè)有中空的驅(qū)動桿流道81 ;在套筒9內(nèi)位于噴嘴2與驅(qū)動桿8之間設(shè)置有至少ー級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)。本實施例中，每級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)包括一個滑動設(shè)置的大致呈T形結(jié)構(gòu)的活塞3，活塞3沿其軸向設(shè)有中空的 活塞流道34，活塞3具有上端面31、下端面32以及自下端面32向下延伸的導(dǎo)向桿部33，在導(dǎo)向桿部33的下端設(shè)有沿其徑向設(shè)置的活塞傳壓孔7，該活塞傳壓孔7與活塞流道34相通；ー個固定安裝于套筒9內(nèi)的分隔環(huán)4，且分隔環(huán)4套裝在活塞3的導(dǎo)向桿部33上，該分隔環(huán)4上設(shè)有分隔環(huán)徑向孔61及與分隔環(huán)徑向孔61相通的分隔環(huán)軸向孔62，在套筒9上對應(yīng)于分隔環(huán)徑向孔61的位置設(shè)有套筒導(dǎo)流孔5。本實施例中，在套筒9內(nèi)位于噴嘴2與驅(qū)動桿8之間設(shè)置有多級結(jié)構(gòu)相同的活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)；其中，位于最上面的第一級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)的活塞3的上端面31、噴嘴2的下端面與套筒9的內(nèi)壁之間圍成一個壓カ波動腔23。本發(fā)明的一種振動加壓鉆井工具組裝時將驅(qū)動桿8穿過驅(qū)動短節(jié)10的配合通孔，驅(qū)動桿8的下端與下接頭11的上端直接連接，驅(qū)動短節(jié)10的上端與套筒9的下端通過螺紋連接；套筒9內(nèi)部的驅(qū)動桿8上方從上到下依次安裝有若干級結(jié)構(gòu)完全相同的“活塞分隔環(huán)”結(jié)構(gòu)，活塞3中心加工有活塞流道34，下端加工有活塞傳壓孔7，用于傳遞鉆柱內(nèi)的高壓鉆井液；分隔環(huán)4固定于套筒9內(nèi)并與活塞3下部的導(dǎo)向桿部33配合，分隔環(huán)4上有分隔環(huán)徑向孔61和分隔環(huán)軸向孔62，分隔環(huán)徑向孔61與套筒9上的套筒導(dǎo)流孔5相連通，直接與井筒環(huán)空的低壓鉆井液連通；套筒9內(nèi)最上面ー級活塞即第一級活塞3上面安裝有噴嘴2，噴嘴2固定于套筒9上；上接頭I與套筒9的上端螺紋連接。將本發(fā)明的一種振動加壓鉆井工具接入鉆柱進(jìn)行鉆進(jìn)時將上接頭I的上端與上部鉆柱相連接，下接頭11的下端與PDC鉆頭相連接；定常流動的鉆井液通過上接頭I的中心孔，流經(jīng)噴嘴2后產(chǎn)生劇烈的紊流壓カ波動，在壓力波動腔23內(nèi)變?yōu)楦咚傥闪髁鲃?，直接作用于第一級活?的上端面31，第一級活塞3的下端面32受到分隔環(huán)軸向孔62、分隔環(huán)徑向孔61和套筒導(dǎo)流孔5連通后引入的井筒環(huán)空低壓鉆井液的作用，這樣，在第一級活塞3的上端面31與下端面32之間形成壓カ差，并且該壓カ差值隨著紊流流動高頻變化，形成作用于第一級活塞3的向下的高頻變化的作用力，使第一級活塞3向下滑動；同時，該紊流壓カ波動沿著第一級活塞3中心的活塞流道34向下傳播，并通過第一級活塞3下端的活塞傳壓孔7作用于第二級活塞的上端面，與第二級活塞配合的分隔環(huán)上的分隔環(huán)軸向孔、分隔環(huán)徑向孔與套筒9上相對應(yīng)的套筒導(dǎo)流孔5將井筒環(huán)空內(nèi)的低壓鉆井液引入，產(chǎn)生作用于第二級活塞下端面的低壓作用，形成作用于第二級活塞上的向下的高頻變化的作用力；同理，該紊流壓カ波動沿第二級活塞中心的活塞流道向下傳播，形成作用于下部各級“活塞分隔環(huán)”結(jié)構(gòu)中活塞兩端的壓カ差值，產(chǎn)生作用于各級活塞上向下的高頻變化的合力，并通過最后一級活塞直接作用于驅(qū)動桿8，驅(qū)動桿沿軸向向下滑動，驅(qū)動桿8將該高頻變化的合カ通過下接頭11傳遞給與其直接連接的PDC鉆頭，消除PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中的“粘滑”現(xiàn)象，從而使PDC鉆頭對其下部巖石產(chǎn)生高頻低幅的沖擊作用，改善巖石的應(yīng)カ狀況，提高破巖效率。該振動作用カ的頻率、峰值和幅值通過調(diào)節(jié)鉆井液流量、噴嘴2的尺寸和流道形狀、噴嘴2與第一級活塞3以及套筒9之間圍成的壓カ波動腔23的形狀及尺寸和“活塞分隔環(huán)”的級數(shù)等參數(shù)來實現(xiàn)。本發(fā)明針對roc鉆頭鉆進(jìn)過程中存在的“粘滑”現(xiàn)象，創(chuàng)新性的將沖擊振動引入到解決鉆頭的“粘滑”振動中來，突破常規(guī)降粘滑措施的局限性，可有效提高PDC鉆頭在復(fù)雜地層和復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)中的鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命，具有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡単、使用方便、安全可靠、壓耗低、不影響鉆具結(jié)構(gòu)、適用于多種鉆井平臺、加工制造和使用維護(hù)的成本較低等特點，對于“粘滑”多發(fā)井段鉆井速度、降低生產(chǎn)成本具有重要的實際意義。
以上所述僅是本發(fā)明較佳實施方式的舉例，并不用以限制本發(fā)明，其中未詳細(xì)述及的部分均為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的公知常識。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求的內(nèi)容為準(zhǔn)，任何基于本發(fā)明的技術(shù)啟示而進(jìn)行的等效變換，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種振動加壓鉆井工具，包括套筒，其特征在于 所述套筒的上端安裝有上接頭，所述套筒內(nèi)位于所述上接頭的下端安裝有噴嘴； 所述套筒的下端滑動安裝有驅(qū)動桿，所述驅(qū)動桿的下端伸出所述套筒的下端，所述驅(qū)動桿的下端固定連接有下接頭，所述驅(qū)動桿沿其軸向設(shè)有中空的驅(qū)動桿流道； 所述套筒內(nèi)位于所述噴嘴與所述驅(qū)動桿之間設(shè)置有至少ー級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)，每級所述活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)包括 ー個滑動設(shè)置的活塞，所述活塞沿其軸向設(shè)有中空的活塞流道，所述活塞呈T形結(jié)構(gòu)，所述活塞具有上端面、下端面以及自所述下端面向下延伸的導(dǎo)向桿部，所述導(dǎo)向桿部的下端設(shè)有沿其徑向設(shè)置的活塞傳壓孔，所述活塞傳壓孔與所述活塞流道相通， ー個固定安裝于所述套筒內(nèi)的分隔環(huán)，所述分隔環(huán)套裝在所述活塞的導(dǎo)向桿部，所述分隔環(huán)上設(shè)有分隔環(huán)徑向孔及與所述分隔環(huán)徑向孔相通的分隔環(huán)軸向孔，所述套筒上對應(yīng)于所述分隔環(huán)徑向孔的位置設(shè)有套筒導(dǎo)流孔。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種振動加壓鉆井工具，其特征在于所述套筒內(nèi)位于所述噴嘴與所述驅(qū)動桿之間設(shè)置有多級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)；第一級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)的活塞的上端面、所述噴嘴的下端面與所述套筒的內(nèi)壁之間圍成ー個壓カ波動腔。
3.如權(quán)利要求I或2所述的ー種振動加壓鉆井工具，其特征在于所述套筒的下端還安裝有驅(qū)動短節(jié)，所述驅(qū)動桿與所述驅(qū)動短節(jié)的內(nèi)壁之間為多邊形輪廓配合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種振動加壓鉆井工具，在套筒的上端安裝有上接頭及噴嘴，在下端滑動安裝有驅(qū)動桿，驅(qū)動桿的下端固定連接有下接頭，套筒內(nèi)位于噴嘴與驅(qū)動桿之間設(shè)置有多級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)，每級活塞分隔環(huán)結(jié)構(gòu)包括一個大致呈T形結(jié)構(gòu)的活塞，活塞的導(dǎo)向桿部的下端設(shè)有與活塞流道相通的活塞傳壓孔，一個固定安裝于套筒內(nèi)且套裝在活塞導(dǎo)向桿部的分隔環(huán)，該分隔環(huán)上設(shè)有相通的分隔環(huán)徑向孔及分隔環(huán)軸向孔，套筒上對應(yīng)于分隔環(huán)徑向孔的位置設(shè)有套筒導(dǎo)流孔。本發(fā)明創(chuàng)新性的將沖擊振動引入到解決鉆頭的“粘滑”振動中來，消除了PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中的“粘滑”現(xiàn)象，使PDC鉆頭對其下部巖石產(chǎn)生高頻低幅的沖擊作用，改善了巖石的應(yīng)力狀況，提高了破巖效率。
文檔編號E21B7/24GK102733756SQ20121025610
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者倪紅堅, 王瑞和, 王鵬 申請人:中國石油大學(xué)(華東)