一種動力鉆具旋轉(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]定向井是當前油氣田開發(fā)最主要的井型，然而隨著開發(fā)油氣藏深度不斷增加，鉆井速度慢的問題愈顯突出，如何實現(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)提速存在以下問題:(I)鉆頭與動力鉆具直接相連，其間不能加入長尺寸提速工具；(2)提速工具工作不能影響隨鉆測量工具的使用；(3)工具使用壽命不能太短，至少與動力鉆具壽命相近；(4)工具出現(xiàn)事故時，不能引起井下事故；(5)提速工具的使用不能為動力鉆具轉(zhuǎn)動提供負擔。這些問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，國內(nèi)外設(shè)計了多種旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具來實現(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)復雜、工作壽命短，難以滿足現(xiàn)場需要；有的尺寸過大，不能與動力鉆鉆具匹配，有的不能與隨鉆測量儀器并用，上述因素導致上述種類的旋轉(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力鉆具之間的、與隨鉆測量儀器兼容的長壽命、小尺寸旋轉(zhuǎn)沖擊提速工具對深井硬地層定向井鉆井提速非常有意義，對加快油氣資源開發(fā)進度、降低鉆井成本及風險具有重要作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置及方法，實現(xiàn)在保持井下動力鉆具帶動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)破巖的同時，給鉆頭施加高頻率、適當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)明提到的一種動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置，包括定子外筒、轉(zhuǎn)子傳動軸、沖擊蓄力彈簧、主動齒形沖擊錘、被動沖擊傳動接頭，定子外筒內(nèi)側(cè)裝有轉(zhuǎn)子傳動軸、主動齒形沖擊錘和被動沖擊傳動接頭，且轉(zhuǎn)子傳動軸的下端與被動沖擊傳動接頭螺紋連接，轉(zhuǎn)子傳動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齒形沖擊錘配合；所述的主動齒形沖擊錘的下端設(shè)有齒形曲面，且齒形曲面與被動沖擊傳動接頭上端的齒形曲面嚙合在一起，在轉(zhuǎn)子傳動軸的帶動下被動沖擊傳動接頭相對主動齒形沖擊錘產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，主動齒形沖擊錘和沖擊蓄力彈簧對被動沖擊傳動接頭產(chǎn)生軸向往復沖擊，實現(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力鉆具外殼連接扣，傳動軸支撐面，傳動軸防脫端面，傳動軸扶正面，彈簧支撐面，彈簧外筒，傳扭面，旋轉(zhuǎn)密封端面；動力鉆具外殼連接扣用于連接動力鉆具外殼；傳動軸支撐面的直徑小于動力鉆具外殼連接扣的小端直徑，用于扶正轉(zhuǎn)子傳動軸，傳動軸支撐面上開有密封槽用于安裝密封；傳動軸防脫端面為一圓環(huán)面，其外徑等于傳動軸支撐面內(nèi)徑，內(nèi)徑大于傳動軸下端面外徑，用于防止轉(zhuǎn)子傳動軸從動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置中滑脫；傳動軸扶正面直徑大于傳動軸下端面外徑，用于為轉(zhuǎn)子傳動軸提供扶正支撐；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)子傳動軸外部上端為傳動軸上端面，中端為傳動軸防脫端面，下端為傳動軸下端面，最底端為傳動軸連接螺扣；傳動軸上端面為直徑小于傳動軸支撐面直徑的圓柱面，用于與傳動軸支撐面配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)子傳動軸居中扶正及密封；傳動軸防脫端面為圓環(huán)面，用于與傳動軸防脫端面配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)子傳動軸防脫落；傳動軸下端面為圓柱面，其直徑小于沖擊蓄力彈簧的內(nèi)徑；傳動軸連接螺扣用于連接被動沖擊傳動接頭；轉(zhuǎn)子傳動軸內(nèi)部上端為轉(zhuǎn)子傳動面，用于連接動力鉆具轉(zhuǎn)子，并傳遞扭矩；轉(zhuǎn)子傳動軸內(nèi)部下端為一通孔，用于為鉆井液過流提供通道。
[0008]上述的轉(zhuǎn)子傳動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，用于實現(xiàn)主動齒形沖擊錘相對于定子外筒周向靜止、軸向運動；主動齒形沖擊錘內(nèi)部為沖擊錘內(nèi)端面，其直徑大于傳動軸下端面外徑，為轉(zhuǎn)子傳動軸提供穿過空間；主動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齒形沖擊錘母線剖開后展開圖形為鋸齒狀曲線。
[0010]本發(fā)明提到的被動沖擊傳動接頭頂端為傳動接頭齒形曲面，傳動接頭齒形曲面沿被動沖擊傳動接頭母線剖開后展開圖形為鋸齒狀曲線，該曲面結(jié)構(gòu)與沖擊錘齒形曲面相同；被動沖擊傳動接頭上端為傳動接頭上部端面，中端為傳動接頭密封面，下端為傳動接頭外端面；傳動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，其中部開有傳動接頭密封槽，該密封面用于與旋轉(zhuǎn)密封端面配合實現(xiàn)密封；傳動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；被動沖擊傳動接頭內(nèi)部頂端為螺紋連接扣，用于與傳動軸連接螺扣連接實現(xiàn)扭矩傳遞；被動沖擊傳動接頭內(nèi)部中端過流內(nèi)孔，用于為鉆井液提供通道；被動沖擊傳動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有排氣孔和注油孔，排氣孔和注油孔上通過螺紋安裝油堵；所述的轉(zhuǎn)子傳動軸上端面與定子外筒傳動軸支撐面之間安裝密封，被動沖擊傳動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軸下端面構(gòu)成的圓環(huán)腔體內(nèi)充滿潤滑油，潤滑油被傳動軸上端面與傳動軸支撐面的密封及傳動接頭密封面與旋轉(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運動及沖擊錘齒形曲面與傳動接頭齒形曲面的相對運動提供潤滑作用。
[0013]本發(fā)明提到的動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置的使用方法，包括以下步驟:
(a)動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置的鉆頭連接扣通過螺紋連接鉆頭，動力鉆具外殼連接扣(101)通過螺紋連接動力鉆具的外殼，傳扭面與動力鉆具轉(zhuǎn)子傳動接頭通過扭矩傳遞結(jié)構(gòu)連接；
(b)當動力鉆具開始工作時，動力鉆具轉(zhuǎn)子帶動轉(zhuǎn)子傳動軸與被動沖擊傳動接頭通過螺紋連接構(gòu)成的整體相對于動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置的定子外筒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)使得主動齒形沖擊唾與被動沖擊傳動接頭廣生周向旋轉(zhuǎn)運動，由于主動齒形沖擊唾的沖擊唾齒形曲面與傳動接頭齒形曲面為齒形結(jié)構(gòu)，主動齒形沖擊錘與被動沖擊傳動接頭產(chǎn)生周向旋轉(zhuǎn)運動會引起主動齒形沖擊唾與被動沖擊傳動接頭軸向相對運動；
(C)當沖擊錘齒形曲面的齒尖與傳動接頭齒形曲面的齒尖接觸時，沖擊蓄力彈簧壓縮蓄力，當沖擊錘齒形曲面的齒尖與傳動接頭齒形曲面的齒底接觸時，沖擊蓄力彈簧彈力釋放，推動主動齒形沖擊錘沖擊被動沖擊傳動接頭，從而實現(xiàn)軸向沖擊，由于轉(zhuǎn)子傳動軸與被動沖擊傳動接頭通過螺紋連接構(gòu)成的整體可以相對于動力鉆具轉(zhuǎn)子傳動接頭軸向往復運動，因此，主動齒形沖擊錘沖擊被動沖擊傳動接頭產(chǎn)生的軸向沖擊可以有效作用于鉆頭，從而實現(xiàn)動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速的目的。
[0014]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的有益效果:
1、動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置可在保持動力鉆具轉(zhuǎn)子帶動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)的同時，實現(xiàn)為鉆頭施加軸向高頻適當幅度沖擊載荷的目的；
2、動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置結(jié)構(gòu)簡單、長度極短，使用時不影響動力鉆具及隨鉆測量工具的工作，有益于長時間工作，有利于運輸使用；
3、動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置使用過程不改變鉆井工藝、不改變鉆井參數(shù)，沖擊幅值極易調(diào)節(jié)；
4、動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置使得鉆頭破巖機理產(chǎn)生變化，尤其可以避免PDC鉆頭憋跳現(xiàn)象，有利于定向過程工具面的穩(wěn)定，可提高定向效率。
[0015]5、動力鉆具旋轉(zhuǎn)沖擊提速裝置應(yīng)用范圍廣，可應(yīng)用于直井、定向