一种利用涡轮实现旋转冲击的钻井工具的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于石油钻探领域的利用涡轮实现旋转冲击的钻井工具。它能够将泥浆的压力能转换为冲锤的旋转冲击。其技术方案是：上接头、上壳体和下壳体依次通过螺纹配合，固定后内部形成空腔，空腔由上向下依次是螺帽、涡轮轴、中心管、冲锤和砧座；涡轮轴上端与螺帽通过螺纹连接，下端与中心管通过螺纹连接；涡轮转子与涡轮轴采用花键配合；中心管周向均布有6个通孔，下端与冲锤通过螺纹连接；套筒与下壳体通过螺纹连接；套筒轴肩与中心管轴肩将碟簧卡在中间；冲锤下端面设有矩形过水道，与砧座端面配合；活塞与砧座通过螺纹连接，轴肩处周向设有对称的呼吸孔。本发明可以产生周期性的旋转冲击作用于下部钻具，可有效提高钻头的破岩效率，降低钻井成本。
【专利说明】
一种利用涡轮实现旋转冲击的钻井工具
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于石油天然气钻井、地质钻探等领域的利用涡轮实现旋转冲击的钻井工具。
【背景技术】
[0002]随着石油消耗量不断增加，浅层油田已经不能满足人类需求，石油开采正向着深井、超深井这类存油大、地质复杂难钻的方向发展。现在常规钻井主要采用的是利用转盘带动钻柱转动钻头来破碎孔底岩石的钻进方法(回转钻进)。而深井、超深井钻进时，岩石往往硬度大，工况复杂，使用传统的方法往往会出现钻头破岩效率低，机械钻速下降等问题。
[0003]目前，冲击回转钻进是解决上述问题的一种有效方法，即通常情况下是在普通的回转钻进的钻具上部加上一个冲击器，将连续的冲击载荷传递到钻头上，使钻头以回转切削和冲击两种方式联合破碎岩石。一般来说，外硬、坚硬岩石具有脆性大、抗静压强度高，而抗冲击载荷能力差的特点，由于冲击器连续不断地对岩石施加冲击载荷，除产生剪切体外，还使岩石表面的裂纹裂隙扩展，机械强度降低，为回转剪切碎岩创造了较为有利的条件。此方法可以提高破岩效率，减小钻头卡钻等问题。
[0004]在石油开采钻井领域，应用广泛地是液力冲击器和空气锤，但还是存在一系列问题，如工具结构复杂，易损件较多，冲锤冲程较短，寿命不长，稳定性不高等。因此，为了解决现有冲击器工作中出现的问题，设计了一种利用涡轮实现旋转冲击的井下工具。
【发明内容】
[0005]为了解决现有液动冲击器使用效果不理想和钻头破岩效率不高的问题，本发明提供了一种利用涡轮实现旋转冲击的井下工具。本发明的冲击器以钻探冲洗液(泥浆)为动力介质，利用高压液流能量，带动涡轮高速旋转。泥浆流出涡轮，通过套筒进入下壳体与冲锤之间的空腔内，并流入冲锤的过流道，向上挤压冲锤。随着压力逐渐增大，冲锤在泥浆压力的驱动下带动中心管向上运动，并挤压碟簧。当中心管通孔与泥浆相通时，泥浆可从中心管流出。此时下壳体与冲锤之间的空腔内压强减小，形成上下压差，中心管带动冲锤向下运动，直到冲锤与下端砧座撞击。本发明配合碟簧和中心管通孔的开关控制作用，使冲锤可实现周期性的旋转冲击功能，并作用于底部钻具上，从而提高钻头破岩效率，同时也改善了现有液动冲击器使用效果不理想的问题。
[0006]本发明的技术方案是:一种利用涡轮实现旋转冲击的钻井工具，由上接头，螺帽，上壳体，涡轮轴，涡轮转子，涡轮定子，中心管，下壳体，套筒密封圈，套筒，碟簧，活塞密封圈，活塞，冲锤，卡位套密封圈，半分环，卡位套，O型密封圈，砧座和八方套组成，其特征在于:上接头、上壳体和下壳体依次通过螺纹配合，固定后内部形成空腔，空腔由上向下依次是螺帽、涡轮轴、中心管、冲锤、砧座；涡轮轴上端与螺帽通过螺纹连接，下端与中心管通过螺纹连接;涡轮转子和涡轮定子装在涡轮轴上，涡轮转子与涡轮轴采用花键配合，涡轮定子上端与上接头轴向定位，祸轮定子下端与下壳轴向定位；中心管周向均布有6个通孔，下端与冲锤通过螺纹连接;套筒周向均布12个通孔，与下壳体通过螺纹连接;套筒轴肩与中心管轴肩将碟簧卡在中间;冲锤下端面设有矩形过水道，与砧座端面配合;活塞与砧座通过螺纹连接，活塞轴肩上端与中心管轴肩轴向配合，活塞轴肩下端处周向设有对称的呼吸孔;半分环卡在砧座的凹槽中，八方套通过螺纹固定在下壳体上，并与砧座轴肩配合;卡位套卡在下壳体与半分环之间，与半分环台肩定位，与八方套端面定位。另外，套筒与中心管之间设有套筒密封圈；活塞与中心管之间设有活塞密封圈；卡位套与砧座之间设有卡位套密封圈和O型密封圈。
[0007]本发明的有益效果是:(I)利用下壳体空腔与中心管空腔的压差变化，并配合碟簧作用，可实现冲锤的轴向冲击，利用涡轮高速旋转使冲锤又具备了旋转功能。本发明，减少了辅助能量的供给，提高了能量利用率；(2)冲锤往复运动过程中，在碟簧和中心管的开关控制作用下产生周期性的旋转冲击作用，对下部钻具进行多次冲击，可提高钻头的破岩效率，同时减少粘滑现象的产生；(3)砧座下端接头可接钻头，利用下壳体、八方套和砧座共同作用来传递钻压和扭矩，充分保证了转矩的有效传递，驱动钻头正常破岩钻进。
【附图说明】
[0008]图1是本发明的结构示意图；
[0009]图2为本发明图1中A-A面的截面图；
[0010]图3为本发明图1中活塞的结构示意图；
[0011]图4为本发明图1中冲锤的结构示意图；
[0012]图中:1.上接头，2.螺帽，3.上壳体，4.涡轮轴，5.涡轮转子，6.涡轮定子，7.中心管，8.下壳体，9.套筒密封圈，10.套筒，11.碟簧，12.活塞密封圈，13.活塞，14.冲锤，15.卡位套密封圈，16.半分环，17.卡位套，18.0型密封圈，19.砧座，20.八方套。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0014]参见附图1，一种利用涡轮实现旋转冲击的钻井工具，由上接头I，螺帽2，上壳体3，涡轮轴4，涡轮转子5，涡轮定子6，中心管7，下壳体8，套筒密封圈9，套筒10，碟簧11，活塞密封圈12，活塞13，冲锤14，卡位套密封圈15，半分环16，卡位套17，0型密封圈18，砧座19和八方套20组成，其特征在于:上接头1、上壳体3和下壳体8依次通过螺纹配合，固定后内部形成空腔，空腔由上向下依次是螺帽2、涡轮轴4、中心管7、冲锤14、砧座19;涡轮轴4上端与螺帽2通过螺纹连接，下端与中心管7通过螺纹连接;涡轮转子5和涡轮定子6装在涡轮轴4上，涡轮转子5与祸轮轴4采用花键配合，祸轮定子6上端与上接头I轴向定位，祸轮定子6下端与下壳体I轴向定位；中心管7周向均布有6个通孔，下端与冲锤14通过螺纹连接;套筒10周向均布12个通孔，与下壳体8通过螺纹连接;套筒10轴肩与中心管7轴肩将碟簧11卡在中间;冲锤14下端面设有矩形过水道，与砧座19端面配合;活塞13与砧座19通过螺纹连接，活塞13轴肩上端与中心管7轴肩轴向配合，活塞13轴肩下端处周向设有对称的呼吸孔;半分环16卡在站座19的凹槽中，八方套20通过螺纹固定在下壳体8上，并与砧座19轴肩配合;卡位套17卡在下壳体8与半分环16之间，与半分环16台肩定位，与八方套20端面定位。另外，套筒10与中心管7之间设有套筒密封圈9;活塞13与中心管7之间设有活塞密封圈12;卡位套17与砧座19之间设有卡位套密封圈15和O型密封圈18。
[0015]运行时，泥浆为动力介质，利用高压液流能量，带动涡轮转动。当泥浆通过套筒10进入下壳体8与冲锤14之间的空腔内，经过冲锤14的过流道向上推动冲锤14。随着泥浆压力逐渐增大，冲锤14带动中心管7向上运动，并挤压碟簧11。当中心管7通孔与泥浆相通时，泥浆可从中心管7流出。此时下壳体8与冲锤14之间的空腔内压强减小，形成上下压力差，中心管7配合碟簧11作用带动冲锤14向下运动，直到冲锤14与下端砧座19撞击。此时运动周期完成，之后重复之前的动作，如此往复性的周期运动，冲锤14可实现周期性的旋转冲击，并作用于底部钻具上，从而提高钻头破岩效率，改善现有液动冲击器使用效果不理想的问题。
【主权项】
1.一种利用涡轮实现旋转冲击的钻井工具，由上接头(I)，螺帽(2)，上壳体(3)，涡轮轴(4)，涡轮转子(5)，涡轮定子(6)，中心管(7)，下壳体(8)，套筒密封圈(9)，套筒(10)，碟簧(11)，活塞密封圈(12)，活塞(13)，冲锤(14)，卡位套密封圈(15)，半分环(16)，卡位套(17)，O型密封圈(18)，砧座(19)和八方套(20)组成，其特征在于:上接头(I)、上壳体(3)和下壳体(8)依次通过螺纹配合，固定后内部形成空腔，空腔由上向下依次是螺帽(2)、涡轮轴(4)、中心管(7)、冲锤(14)、砧座(19);涡轮轴(4)上端与螺帽(2)通过螺纹连接，下端与中心管(7)通过螺纹连接;涡轮转子(5)和涡轮定子(6)装在涡轮轴(4)上，涡轮转子(5)与涡轮轴(4)采用花键配合，祸轮定子(6)上端与上接头(I)轴向定位，祸轮定子(6)下端与下壳体(I)轴向定位；中心管(7)周向均布有6个通孔，下端与冲锤(14)通过螺纹连接;套筒(10)周向均布12个通孔，与下壳体(8)通过螺纹连接;套筒(10)轴肩与中心管(7)轴肩将碟簧(11)卡在中间；冲锤(14)下端面设有矩形过水道，与砧座(19)端面配合;活塞(13)与砧座(19)通过螺纹连接，活塞(13)轴肩上端与中心管(7)轴肩轴向配合，活塞(13)轴肩下端处周向设有对称的呼吸孔;半分环(16)卡在砧座(19)的凹槽中，八方套(20)通过螺纹固定在下壳体(8)上，并与砧座(19)轴肩配合;卡位套(17)卡在下壳体(8)与半分环(16)之间，与半分环(16)台肩定位，与八方套(20)端面定位。另外，套筒(10)与中心管(7)之间设有套筒密封圈(9);活塞(13)与中心管(7)之间设有活塞密封圈(I 2);卡位套(I 7)与砧座(I 9)之间设有卡位套密封圈(15)和O型密封圈(18)。2.根据权利要求1所述的一种利用涡轮实现旋转冲击的钻井工具，其特征在于:所述的冲锤(14)在泥浆压力的驱动下向上运动，随着压力逐渐增大，冲锤带动中心管继续向上运动；当中心管通孔与泥浆接触，下壳体与冲锤之间的空腔内压强减小，形成压差，中心管带动冲锤向下运动，直到冲锤与下端砧座接触。3.根据权利要求1所述的一种利用涡轮实现旋转冲击的钻井工具，其特征在于:所述的涡轮轴(4)、涡轮转子(5)和涡轮定子(6)在泥浆的作用下旋转，配合碟簧(11)和中心管(7)通孔开关控制，冲锤(14)可实现周期性的旋转冲击，并作用于底部钻具上，从而提高钻头破岩效率，节约钻井成本。
【文档编号】E21B4/16GK106050129SQ201610394690
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】田家林, 杨志, 杨琳, 吴波, 吴纯明, 刘刚, 袁长福
【申请人】西南石油大学