一种近钻头周向谐振冲击器.pdf

本发明涉及的是一种近钻头周向谐振冲击器，这种近钻头周向谐振冲击器包括外壳短接、导流部件、谐振冲击器、传动短接，外壳短接的下部与传动短接连接，外壳短接与传动短接之间安装导流部件、谐振冲击器；导流部件由T形内衬管和V形外套管构成，T形内衬管坐在V形外套管上，V形外套管的上端有分流孔，V形外套管的下端口与谐振冲击器入口相通；谐振冲击器出口与传动短接相通，谐振冲击器具有液动锤，液动锤外表面的锤砧位于锤外壳的冲击槽内，冲击流道包括冲击槽，液动锤内表面的定位键伸入到启动器的定位槽中，泄压流道包括定位槽。本发明能够消除钻头的粘滑现象和间歇性卡钻现象，保证钻头稳定破岩，提高机械钻速。

权利要求书

一种近钻头周向谐振冲击器
一、技术领域：
本发明涉及的是石油钻井破岩工艺领域使用的钻井工具，具体涉及的是一种近钻头周向谐振冲击器。
二、背景技术：
随着油气勘探的不断深入，勘探难度日益增加，井深从中浅层向深层、超深层延伸，破岩难度加大。钻头在深部地层破岩过程，会产生粘滑效应、间歇性卡钻现象。这种现象的产生是因为在破岩时钻头牙齿积聚扭转能量的时间过长。这种现象使近钻头钻柱周期性积累一定值的扭矩，待钻头牙齿下岩石破碎后，钻柱内扭转能量快速释放，如此反复。这种现象使钻柱产生扭转震荡，使钻头破岩过程极不稳定，造成钻头破坏，降低钻头寿命，提高钻井成本。
在较硬地层、硬地层和研磨性地层中，为了提高钻头的机械钻速，经常使用各种小频率大振幅、大冲击力的旋冲或冲旋钻具，如专利CN200710056325.1描述了一种射流式冲击器。这类工具虽然能够提高机械钻速，但不会解决钻头粘滑效应、间歇性卡钻现象，而且会进一步加剧钻头工作情况的不稳定性，甚至会加大钻头的粘滑效应，缩短钻头寿命。
为了解决钻头的粘滑效应、间歇性卡钻等问题，增加钻头工作的稳定性，延长钻头的使用使用寿命，专利US6742609B2设计了一种钻井液涡轮驱动的扭转冲击器，专利200910058083.9设计了一种钻井液螺杆钻具驱动的扭转冲击钻井工具，但这两种钻井工具结构复杂、易损部件多、且压耗较大，使用寿命受到限制。
三、发明内容：
本发明的目的是提供一种近钻头周向谐振冲击器，它用于解决现有技术中的钻头在中硬到硬地层或研磨性地层破岩时钻头的粘滑效应、间歇性卡钻问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种近钻头周向谐振冲击器包括外壳短接、导流部件、谐振冲击器、传动短接，外壳短接的下部与传动短接连接，外壳短接与传动短接之间安装导流部件、谐振冲击器；导流部件由T形内衬管和V形外套管构成，T形内衬管坐在V形外套管上，V形外套管的上端有分流孔，V形外套管的下端口与谐振冲击器入口相通；谐振冲击器出口与传动短接相通，谐振冲击器具有液动锤，液动锤外表面的锤砧位于锤外壳的冲击槽内，冲击流道包括冲击槽，液动锤内表面的定位键伸入到启动器的定位槽中，泄压流道包括定位槽。
上述方案中谐振冲击器由压盖、锤外壳、液动锤、密封定位环、启动器、内分流器、变流量喷嘴、支撑环和轴套组成；压盖在锤外壳的上面，二者连接后内部形成液力冲击室，液力冲击室安装有液动锤、启动器、内分流器、变流量喷嘴，启动器套于内分流器与液动锤之间，变流量喷嘴安装在分流器出口处，支撑环套在内分流器下端；锤外壳内壁有轴对称冲击槽、腹壁半圆槽和高压孔；液动锤外表面有轴对称的锤砧，内表面有轴对称的定位键，在锤砧和定位键两侧有锤砧孔和定位键孔；启动器外表面有轴对称突出部和定位槽，在突出部上有轴对称过渡孔，启动器下部有过流孔；内分流器由泄压孔及底座构成，其底座连接在锤外壳底部；泄压流道由高压孔、定位槽、定位键孔、腹壁半圆槽依次相通构成，腹壁半圆槽与谐振器出口相通；冲击流道由泄压孔、锤砧孔、冲击槽依次相通构成，冲击槽经锤砧孔与过流孔相通，过流孔与谐振器出口相通。
上述方案中谐振冲击器、传动短接之间设置定位卡环，用于定位导流部件、谐振冲击器和传动短接在外壳短接中的位置。
上述方案中外壳短接上端公扣通过API标准螺纹与上部钻铤母扣端连接。
上述方案中传动短接下端通过API标准螺纹与钻头公扣端相连接。
有益效果：
1、本发明能产生的稳定的周期性的小振幅大频率的周向冲击，该冲击扭矩能够消除钻头的粘滑现象和间歇性卡钻现象，保证钻头稳定破岩，提高机械钻速。
2、本发明结构尺寸短，可适用于各种液相钻井液的钻井工艺中，且可以应用在定向井的造斜段、稳斜段、降斜段。
3、本发明没有电子部件，且尺寸较小，其工作过程不对MWD、LWD等随钻电测仪器产生干扰。由于该工具的使用，保证了钻柱内扭矩的稳定和平衡，降低了钻柱扭转震荡，有利于MWD、LWD等随钻电测仪器的稳定工作。
4、本发明是完全液力机械结构，易损部件少，工作稳定，使用寿命长，有利于降低钻井成本。
四、附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2为图1中的A‑A截面图；
图3为图1中的B‑B截面图；
图4为图1中的C‑C截面图。
1‑外壳短节；2‑T形内衬管；3‑V形外套管；4‑压盖；5‑轴环；6‑液动锤；7‑启动器；8‑轴套；9‑支撑环；10‑定位卡环；11‑传动短接；12‑密封定位环；13‑内分流器；14‑变流量喷嘴；15‑锤外壳；16‑分流孔；17‑过流孔；18‑定位键孔；19‑定位键；20‑腹壁半圆槽；21‑定位槽；22‑高压孔；23‑突出部；24‑过渡孔；25‑锤砧；26‑锤砧孔；27‑泄压孔；28‑冲击槽。
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，这种近钻头周向谐振冲击器包括外壳短接1、导流部件、谐振冲击器、传动短接11，外壳短接1上端公扣通过API标准螺纹与上部钻铤母扣端连接，外壳短接1的下端与定位卡环10、传动短接11间隙相连，外壳短接1与传动短接11之间安装导流部件、谐振冲击器，外壳短接1在外，导流部件、谐振冲击器在内。
结合图2所示，导流部件由T形内衬管2和V形外套管3构成，T形内衬管2的外边缘坐在V形外套管3上端口上，V形外套管3的上端有分流孔16，V形外套管3的下端口与谐振冲击器入口相通；谐振冲击器出口与传动短接11相通。传动短接11下端通过API标准螺纹与钻头公扣端相连接。谐振冲击器、传动短接11之间设置定位卡环10，用于定位导流部件、谐振冲击器和传动短接11在外壳短接1中的位置。T形内衬管2伸入到V形外套管3中，T形内衬管2的出口距离V形外套管3的V形底部有空间，此空间类似一个三通分别与V形外套管3出口、T形内衬管2、V形外套管3与T形内衬管2外壁之间的环形空间相通，分流孔16设置在V形外套管3与T形内衬管2外壁之间的环形空间处，T形内衬管2的外壁引导钻井液流向V形外套管3上端的分流孔16，分流孔16分配出来的流体由谐振冲击器锤外壳15的高压孔22进入到谐振冲击器内部，T形内衬管2内壁为内分流器13输送钻井液。
结合图3、图4所示，谐振冲击器由压盖4、锤外壳15、液动锤6、密封定位环12、启动器7、内分流器13、变流量喷嘴14、支撑环9和轴套8组成；压盖4在锤外壳15的上面，二者连接后内部形成液力冲击室，液力冲击室安装有液动锤6、启动器7、内分流器13、变流量喷嘴14，启动器7套位于内分流器13与液动锤6之间，变流量喷嘴14安装在谐振器出口处，支撑环9套在内分流器13下端，液动锤6在锤外壳15上的轴套8、密封定位环12和支撑环9间做周期往复运动，启动器7在密封定位环12、支撑环9间做周期往复运动；液动锤6上、下轴环安装在锤外壳15上；上下支撑环安装在内分流器13上，并支撑启动器7。锤外壳15内壁有轴对称冲击槽28、腹壁半圆槽20和高压孔22；液动锤6外表面有轴对称的锤砧25，内表面有轴对称的定位键19，在锤砧25和定位键19两侧有锤砧孔26和定位键孔18；启动器7外表面有轴对称突出部23和定位槽21，在突出部23上有轴对称过渡孔24，启动器7下部有过流孔17；内分流器13由泄压孔27及底座构成，其底座连接在锤外壳15底部；泄压流道由高压孔22、定位槽21、定位键孔18、腹壁半圆槽20依次相通构成，腹壁半圆槽20与谐振器出口相通；冲击流道由泄压孔27、锤砧孔26、冲击槽28依次相通构成，冲击槽28经锤砧孔26与过流孔17相通，过流孔17与谐振器出口相通。
本发明谐振冲击器工作时，旋转的钻铤驱动外壳短节1转动，外壳短接1带动传递短接11，传动短接11与钻头连接并带动钻头旋转；流体外壳短接1的进液孔进入到T形内衬管2中，并在V形外套管3中分流，中心流体由锤外壳15进入内分流器13，一部分流体向上运动有分流孔16流到V形外套管3和锤压盖4形成空间，由导流部件开始经内分流器13到谐振器出口部分，内部流体可以分为三部分：一部分流体由锤外壳15进入内分流器13并从变流量喷嘴中出来，直接到谐振器出口；一部分流体经V形外套管3的分流孔16流经锤外壳15的高压孔22进入到定位槽21内，并从定位键孔18流出到腹壁半圆槽20中，最终来到谐振器出口，最后一部分流体经内分流器13中的泄压孔27流经启动器7的突出部23的过渡孔24进入锤砧孔26，最终进入到冲击槽28中，并最终从冲击槽28由锤砧孔26进入到过流孔17，这部分流体与前两部分流体在谐振器出口汇合，所以流体进入到传递短接11中，再经过钻头喷嘴进入环空空间；在第二部分和第三部分流体的共同作用下，锤砧25在冲击槽28中反复运动并冲击冲击槽28，产生周向谐振冲击，并通过传动短接11传递给钻头。
以上仅是实现本发明的一个实施方式，基于此发明原理的其它结构形式在本发明的范围之内。