一种激发多维冲击的钻柱联接短节的制作方法

本发明属于石油天然气钻井设备技术领域，涉及一种激发多维冲击的钻柱联接短节，特别是一种深井硬地层提高机械钻速的钻井工具。

背景技术：
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在油气勘探开发过程中，随着井深的增加，地层变得坚硬，非均质性变强，可钻性变差，导致机械钻速降低，延长了钻井周期，增加了资金的投入。为解决钻进过程中机械钻速低的问题，石油钻井工作者提出并发展了垂直钻井技术、水力加压器、水力振荡器、井下动力钻具、高效PDC钻头和新型复合钻头、分流负压钻头、水力脉动钻井工具和自激空化射流钻井工具、旋转冲击工具、扭力冲击器等多种提速技术及钻井工具。上述各类技术中除了新型钻头外，其余均是利用钻井液能量驱动井下工具来实现破岩效率的提高，但同时也额外的消耗了钻井液能量(如螺杆钻具增加压降大于5～8Mpa)，增加了地面机泵负荷及安全事故发生的几率，尤其是随着井深的增加，井底水力能量急剧下降，任何消耗钻井液能量的因素都无疑会对机械钻速造成不利影响。因此，寻求井下工具新的能量来源对提高深井机械钻速至关重要。

研究表明，钻井过程中钻柱高速旋转，钻头与井底的接触以及钻柱与井壁之间的摩擦碰撞会引起钻柱剧烈的纵向、横向和扭转振动，造成钻柱的疲劳破坏，由此看出，钻柱振动包含着巨大的能量，但是由于没有对该能量进行有效的利用，使其对钻井过程产生了不利的影响。另外，大量的现场试验表明，对于深部坚硬地层，旋冲钻井和扭转冲击钻井取得了更好的提速效果，其主要原因是，随着井深的增加，地层压实程度更高、变得更加坚硬，同时井底水力能量减弱，机械钻速对转速和水力能量的敏感程度降低，而旋冲钻井能够产生作用于井底岩石的高频轴向冲击，不仅能够使井底岩石产生初始裂纹并扩展形成体积破碎提高破岩效率，同时能够使钻头周期性的吃入地层，从而提高钻头每转一圈的岩石破碎量；另一方面，扭转冲击工具能够产生作用于井底岩石的扭转冲击振动，将PDC钻头对井底岩石的剪切破碎变为冲击剪切破碎，补充钻头破岩扭矩的不足，消除钻头的粘滑效应，提高机械钻速和PDC钻头使用寿命。因此，如果能够将钻柱振动能量利用起来作为能量来源，诱发钻头对井底岩石的轴向和扭转冲击振动，，从而提高深井硬地层的机械钻速，对提高我国油气资源开发效率及应对世界石油钻探市场激烈竞争的能力具有重要意义。

技术实现要素：
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本发明的目的在于解决深井钻井机械钻速低的问题、克服现有技术存在的不足，提供一种激发多维冲击的钻柱联接短节，该短节通过利用钻柱的周期性纵向和扭转振动，使钻头同时产生对井底岩石的轴向和扭转冲击，提高破岩效率、钻头寿命，消除钻头泥包，从而提高机械钻速，降低钻井资金投入。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括上冲击杆、下冲击杆、密封圈、限位盘、下接头、上冲击杆梯形键、下冲击杆梯形键、六方凹槽和下接头下端螺纹；上冲击杆、下冲击杆和限位盘的内部均设有沿轴线方向延伸并贯通的中心流道，上冲击杆的上下两端均设有螺纹，上冲击杆通过上冲击杆上端的螺纹与外部的上部钻柱连接；上冲击杆的外壁上设置有上冲击杆梯形键，上冲击杆梯形键的下端设置有用于放置密封圈的密封槽，密封圈设置在上冲击杆和下冲击杆之间；上冲击杆的下端自上而下依次设置有下冲击杆、限位盘和下接头，下冲击杆套设在上冲击杆上，上冲击杆穿入下冲击杆内部并与置于下冲击杆内部的限位盘螺纹连接，上冲击杆和下冲击杆除梯形键以外的配合为圆柱面配合；下冲击杆的上端设置有与上冲击杆梯形键相啮合的下冲击杆梯形键，上冲击杆梯形键和下冲击杆梯形键通过梯形键的斜面接触并传递力和扭矩；下冲击杆的内部设有下冲击杆限位端面，下端设有螺纹；限位盘的上端设有限位盘限位端面，下冲击杆限位端面和限位盘限位端面一起用于防止限位盘和上冲击杆从下冲击杆中脱出，使上冲击杆和下冲击杆之间只能产生轴向移动位移和转角；限位盘的下端面中间设置有六方凹槽，用于通过外部工具将上冲击杆下端的螺纹和限位盘的上端螺纹拧紧；下接头的上端设置有螺纹，下接头通过下冲击杆下端的螺纹和下接头上端的螺纹与下冲击杆连接，下接头下端设置有下接头下端螺纹，用于连接外部的下部钻具和钻头。

本发明工作时，上冲击杆在上部钻柱的带动下顺时针(俯视)匀速转动，通过设置上冲击杆梯形键与下冲击杆梯形键相配合，从而带动下冲击杆顺时针(俯视)转动；下冲击杆通过下冲击杆下端螺纹带动下接头旋转，下接头带动与其相连的下部钻柱或钻头顺时针(俯视)转动，下部钻柱转动过程中钻头与井底的接触和钻柱与井壁之间的摩擦碰撞诱发钻柱产生纵向振动和扭转振动：当钻柱纵向振动时，上冲击杆产生相对于上冲击杆的纵向振动，由于上冲击杆和下冲击杆之间为梯形键接触，从而诱发下冲击杆产生超前其转动方向上的转角，从而诱发与其间接/直接相连的钻头对井底岩石同时产生纵向和扭转冲击作用(即三维冲击)；当钻柱扭转振动(顺时针，俯视)时，上冲击杆产生相对于上冲击杆的扭转振动，由于上冲击杆和下冲击杆之间为梯形键接触，从而诱发下冲击杆产生纵向振动，继而诱发与其间接/直接相连的钻头对井底岩石同时产生扭转和纵向冲击作用，实现多维冲击。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是利用钻柱旋转过程中产生的纵向和扭转振动作为动力来源，不消耗钻井液能量，同时具有减振作用，对利用钻柱振动提高机械钻速和提高钻柱疲劳寿命具有双重好处；二是通过吸收钻柱的扭转振动诱发钻头对井底岩石的轴向冲击，在不增加钻压的前提下增加钻头切削齿吃入地层的深度，同时，通过吸收钻柱的纵向振动诱发钻头对井底岩石的扭转冲击，补充转盘所提供的破岩扭矩的不足，增加钻头每转一圈的岩石破碎量，防止井斜，消除粘滑振动和钻头泥包，提高钻头使用寿命；三是冲击频率为钻柱转速的数倍，将冲击频率和钻头牙齿切削井底同一点的频率拉开，该技术能够与螺杆钻具配合使用，且对钻头无特殊要求，可在复合钻井提速的基础上进一步提高机械钻速和钻探效率；四是短节结构非常简单，无活动部件，使其安全性和稳定性得到保障，不改变常规钻井工艺，有利于该技术的推广应用；其结构简单，使用方便，安全可靠，基本无额外压耗，不影响钻具结构，适用于多种钻井平台，加工制造和使用维护成本低，对于深井、超深井的安全快速钻进具有重要的实际意义。

附图说明：

图1为本发明的主体结构剖视结构原理示意图。

图2为本发明的主体结构A-A剖面图。

图3为本发明的主体结构B-B剖面图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括上冲击杆1、下冲击杆2、密封圈3、限位盘4、下接头5、上冲击杆梯形键12、下冲击杆梯形键21、六方凹槽41和下接头下端螺纹51；上冲击杆1、下冲击杆2和限位盘4的内部均设有沿轴线方向延伸并贯通的中心流道，上冲击杆1的上下两端均设有螺纹，上冲击杆1通过上冲击杆上端的螺纹与外部的上部钻柱连接上部钻柱；上冲击杆1的外壁上设置有上冲击杆梯形键12，上冲击杆梯形键12的下端设置有用于放置密封圈3的密封槽，密封圈3设置在上冲击杆1和下冲击杆2之间；上冲击杆1的下端自上而下依次设置有下冲击杆2、限位盘4和下接头5，下冲击杆2套设在上冲击杆1上，上冲击杆1穿入下冲击杆2内部并与置于下冲击杆2内部的限位盘4螺纹连接，上冲击杆1和下冲击杆2除梯形键以外的配合为圆柱面配合；下冲击杆2的上端设置有与上冲击杆梯形键12相啮合的下冲击杆梯形键21，上冲击杆梯形键12和下冲击杆梯形键21通过梯形键的斜面接触并传递力和扭矩；下冲击杆2的内部设有下冲击杆限位端面，下端设有螺纹；限位盘4的上端设有限位盘限位端面，下冲击杆限位端面和限位盘限位端面一起用于防止限位盘4和上冲击杆1从下冲击杆2中脱出，使上冲击杆1和下冲击杆2之间只能产生小幅的轴向移动位移u和一定角度的转角θ；限位盘4的下端面中间设置有六方凹槽41，用于通过外部工具将上冲击杆下端的螺纹和限位盘4的上端螺纹拧紧；下接头5的上端设置有螺纹，下接头5通过下冲击杆下端的螺纹和下接头上端的螺纹与下冲击杆2连接，下接头5下端设置有下接头下端螺纹51，用于连接外部的下部钻具和钻头。

本实施例工作时，上冲击杆1在上部钻柱的带动下顺时针(俯视)匀速转动，通过设置上冲击杆梯形键12与下冲击杆梯形键21相配合，从而带动下冲击杆2顺时针(俯视)转动；下冲击杆2通过下冲击杆下端螺纹带动下接头5旋转，下接头5带动与其相连的下部钻柱或钻头顺时针(俯视)转动，下部钻柱转动过程中钻头与井底的接触和钻柱与井壁之间的摩擦碰撞诱发钻柱产生纵向振动和扭转振动：当钻柱纵向振动时，上冲击杆2产生相对于上冲击杆1的纵向振动，由于上冲击杆1和下冲击杆2之间为梯形键接触，从而诱发下冲击杆2产生超前其转动方向上的转角，从而诱发与其间接/直接相连的钻头对井底岩石同时产生纵向和扭转冲击作用(即三维冲击)；当钻柱扭转振动(顺时针，俯视)时，上冲击杆2产生相对于上冲击杆1的扭转振动，由于上冲击杆1和下冲击杆2之间为梯形键接触，从而诱发下冲击杆2产生纵向振动，继而诱发与其间接/直接相连的钻头对井底岩石同时产生扭转和纵向冲击作用，实现多维冲击。

本实施例针对深井硬地层破岩效率低、机械钻速低和资金投入大高的难题，提出利用梯形键啮合结构激发钻头对井底岩石的多维冲击，从而提高破岩效率、消除钻头泥包，从而提高机械钻速的思路，具有广泛的应用前景，所采用的钻柱联接短节具有结构简单、使用方便、安全可靠、压耗低、不影响钻具结构、适用于多种钻井平台、加工制造和使用维护的成本较低等特点，对于深井、超深井的安全快速钻进具有重要的实际意义。