双向谐振钻井提速工具的制作方法

本发明涉及石油开发技术领域，尤其涉及一种双向谐振钻井提速工具。

背景技术：

随着现有钻井技术的发展，钻遇软硬交错地层的情况越来越多，在该种地层中一般采用pdc钻头进行钻进，但是在该地层中，pdc钻头容易出现崩齿，从而缩短使用寿命，降低机械钻速。

为了解决以上问题，国内外一些学者研制了相关的冲击钻井工具，如扭力冲击器、旋冲钻具等，采用给pdc钻头提供冲击载荷的方式来实现快速破岩。从该类工具在现场的使用情况来看，其对硬质地层的使用效果较好，但是在软硬交错地层中的使用效果不明显。分析原因，主要是在软硬交错地层中，冲击载荷会被软地层吸收，产生岩石的弹性变形，不足以对岩石产生破裂。对于软硬交错地层来说，谐振载荷更容易增加pdc钻头切削齿切入岩石的深度，从而增加机械钻速。

而在软硬交错地层的水平井钻进过程中，在近钻头处容易出现较大的钻柱与井壁之间的摩擦阻力，使得施加到钻头处的钻压较小。为了减小钻柱与井壁之间的摩擦阻力，国内外一些学者研制了水力振荡器，通过给钻柱施加轴向往复的振动载荷，减小井壁与钻柱之间的摩擦力。目前，水力振荡器已经在现场得到了大规模的使用，但是该类工具一般不安装在近钻头处，不能直接作用在pdc钻头处，不能减小近钻头处的大摩阻的问题。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种双向谐振钻井提速工具，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双向谐振钻井提速工具，克服现有技术中存在的近钻头处摩阻大、机械钻速低等问题，该工具通过给pdc钻头施加双向的谐振载荷，增加pdc钻头的切入深度，减小了近钻头处钻柱和井壁之间的摩擦阻力，提高了软硬交错地层的机械钻速，具有使用寿命长、可靠性高的特点。

本发明的目的是这样实现的，一种双向谐振钻井提速工具，包括内部中空的工具壳体，所述工具壳体内设置轴向固定且能周向旋转的中空的驱动轴，所述驱动轴的下方设置能周向摆动且能轴向滑动的中空的钻头座，所述驱动轴的侧壁下部沿周向间隔且径向对称设置第一外扇形凸，各所述第一外扇形凸的外壁能与所述钻头座的内壁抵靠接触，各所述第一外扇形凸上设置径向贯通的第一侧通透槽；所述钻头座的内壁上部设置第一钻头座台阶部，所述钻头座的外壁上部设置第二钻头座台阶部，自所述第一钻头座台阶部向上沿周向间隔且径向对称设置第一内扇形凸，各所述第一内扇形凸上设置径向贯通的第二侧通透槽，自所述第二钻头座台阶部向上且与所述第一内扇形凸周向交错的设置第二外扇形凸，各所述第二外扇形凸的外壁能与所述工具壳体的内壁抵靠，相邻两个所述第一内扇形凸之间构成能允许钻井液间歇性驱动所述钻头座轴向滑动的轴向腔体，相邻两个所述第二外扇形凸之间构成能允许钻井液间歇性驱动所述钻头座周向摆动的扭转腔体。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头座的内壁位于所述第一钻头座台阶部的下方设置直径呈减小设置的第三钻头座台阶部，所述钻头座的内壁上部套设换向套筒，所述换向套筒的外壁上部与所述工具壳体的内壁抵靠，所述换向套筒的底端抵靠于所述第三钻头座台阶部上，所述第一外扇形凸的外壁与所述换向套筒的内壁转动抵靠，所述换向套筒的侧壁上设置能连通所述第一侧通透槽和所述轴向腔体的第三侧通透槽，所述换向套筒的侧壁上与所述第三侧通透槽交错地设置第四侧通透槽，所述第四侧通透槽能通过所述第二侧通透槽与所述扭转腔体连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述驱动轴上部的外壁与所述工具壳体的内壁之间呈径向间隔设置构成钻井液环空流道，所述驱动轴上设置轴向贯通的第一钻井液通道，所述第一侧通透槽和相邻两个第一外扇形凸之间的间隙构成第二钻井液通道，所述换向套筒的底部设置能控制进入所述钻头座内腔钻井液流量的节流通道；所述第一钻井液通道交错地与所述轴向腔体或所述扭转腔体连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述换向套筒的底部设置堵头，所述堵头上沿周向间隔设置堵头贯通孔，各所述堵头贯通孔构成所述节流通道。

在本发明的一较佳实施方式中，所述工具壳体包括上下依次连接的中空的上接头、中接头和下接头，所述中接头的内壁下部设置直径呈减小设置的第二台阶部，自所述第二台阶部的底面向上设置花键槽，所述钻头座的外壁上设置能周向摆动且能轴向滑动设于所述花键槽内的花键，所述下接头密封穿设于所述中接头内，所述花键槽的顶面构成所述花键的上限位面，所述下接头的顶面构成所述花键的下限位面；所述钻头座的侧壁下部与所述下接头的内壁密封滑动抵靠。

在本发明的一较佳实施方式中，所述工具壳体的内壁上设置直径呈减小设置的第一台阶部，所述第一台阶部构成能轴向封隔所述钻井液环空流道的封隔部，所述驱动轴的侧壁上位于封隔部的上方设置能连通所述钻井液环空流道和所述第一钻井液通道的侧壁通孔，各所述第一外扇形凸位于所述封隔部的下方。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻井液环空流道位于封隔部上方的位置设置能驱动所述驱动轴转动的涡轮结构，所述驱动轴的侧壁上位于所述涡轮结构的下方设置所述侧壁通孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述涡轮结构包括固定套设于所述驱动轴上的转子结构，所述涡轮结构还包括所述工具壳体的内壁上套设的定子结构。

在本发明的一较佳实施方式中，所述驱动轴上靠近所述封隔部的位置套设有轴向能固定的止推轴承，所述止推轴承的外圈固定套设于所述工具壳体的内壁上，所述驱动轴上位于所述涡轮结构的两端的位置分别套设一轴向能固定的扶正轴承，所述扶正轴承的外圈固定套设于所述工具壳体的内壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述侧壁通孔自外向内呈斜向下设置，所述侧壁通孔的顶部高于所述止推轴承设置。

由上所述，本发明提供的双向谐振钻井提速工具具有如下有益效果：

本发明提供的双向谐振钻井提速工具中，以钻井液为驱动介质，钻井液间歇且交错进入轴向腔体或扭转腔体，驱动钻头座轴向或周向运动，对钻头产生频率相同的轴向或周向的脉动载荷并直接作用在pdc钻头处，改善钻头的运动状态，增加钻头的刚度，增加pdc钻头切削齿切入岩石内部的深度，减小了近钻头处钻柱和井壁之间的摩擦阻力，同时增加pdc钻头的切削扭矩，提高软硬交错地层岩石的破碎效率，提高机械钻速，提高pdc钻头的使用寿命，降低钻井成本；本发明的双向谐振钻井提速工具中，通过调整涡轮结构的涡轮叶片数量以及形状调节双向谐振钻井提速工具的频率，操作方便；本发明的双向谐振钻井提速工具的结构简单，无任何橡胶部件，使用便捷，可靠性高。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的双向谐振钻井提速工具的示意图。

图2：为本发明的钻头座的结构示意图。

图3：为本发明产生扭转脉动载荷时图1中a-a处剖视图。

图4：为本发明产生轴向脉动载荷时图1中a-a处剖视图。

图中：

100、双向谐振钻井提速工具；

101、轴向腔体；102、扭转腔体；

1、工具壳体；

11、上接头；12、中接头；121、花键槽；13、下接头；14、第一台阶部；15、定位套；151、定位套台阶部；

2、驱动轴；

21、第一外扇形凸；211、第一侧通透槽；

22、侧壁通孔；

23、第三台阶部；

3、钻头座；

31、第一钻头座台阶部；

32、第二钻头座台阶部；

33、第一内扇形凸；331、第二侧通透槽；

34、第二外扇形凸；

35、第三钻头座台阶部；

36、花键；

4、换向套筒；

41、第三侧通透槽；42、第四侧通透槽；43、堵头；431、堵头贯通孔；

5、涡轮结构；

51、转子结构；52、定子结构；53、止推轴承；54、扶正轴承；55、定位螺母。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图1至图4所示，本发明提供一种双向谐振钻井提速工具100，包括内部中空的工具壳体1，工具壳体1的顶部连接井下动力工具或者钻铤；工具壳体1内设置轴向固定且能周向旋转的中空的驱动轴2，驱动轴2的下方设置能周向摆动且能轴向滑动的中空的钻头座3，钻头座3的底部连接钻头(现有技术，图中未示出)，驱动轴2的侧壁下部沿周向间隔且径向对称设置第一外扇形凸21，各第一外扇形凸21的外壁能与钻头座3的内壁抵靠接触，各第一外扇形凸21上设置径向贯通的第一侧通透槽211，在本实施方式中，驱动轴2的侧壁下部径向对称设置一对第一外扇形凸21；钻头座3的内壁上部设置第一钻头座台阶部31，钻头座3的外壁上部设置第二钻头座台阶部32，自第一钻头座台阶部31向上沿周向间隔且径向对称设置第一内扇形凸33，各第一内扇形凸33上设置径向贯通的第二侧通透槽331，自第二钻头座台阶部32向上且与第一内扇形凸33周向交错的设置第二外扇形凸34，各第二外扇形凸34的外壁能与工具壳体1的内壁抵靠，在本实施方式中，第一内扇形凸33和第二外扇形凸34均为径向对称设置的两个，且第二外扇形凸34靠近第一内扇形凸33顺时针一侧设置。相邻两个第一内扇形凸33之间构成能允许钻井液间歇性驱动钻头座3轴向滑动的轴向腔体101，相邻两个第二外扇形凸34之间构成能允许钻井液间歇性驱动钻头座3周向摆动的扭转腔体102。

本发明提供的双向谐振钻井提速工具中，以钻井液为驱动介质，钻井液间歇且交错进入轴向腔体或扭转腔体，驱动钻头座轴向或周向运动，对钻头产生频率相同的轴向或周向的脉动载荷并直接作用在pdc钻头处，改善钻头的运动状态，增加钻头的刚度，增加pdc钻头切削齿切入岩石内部的深度，减小了近钻头处钻柱和井壁之间的摩擦阻力，同时增加pdc钻头的切削扭矩，提高软硬交错地层岩石的破碎效率，提高机械钻速，提高pdc钻头的使用寿命，降低钻井成本。

进一步，如图1、图3、图4所示，钻头座3的内壁位于第一钻头座台阶部31的下方设置直径呈减小设置的第三钻头座台阶部35，钻头座3的内壁上部套设换向套筒4，换向套筒4的外壁上部与工具壳体1的内壁抵靠，换向套筒4的底端抵靠于第三钻头座台阶部35上，第一外扇形凸21的外壁与换向套筒4的内壁转动抵靠，换向套筒4的侧壁上设置能连通第一侧通透槽211和轴向腔体101的第三侧通透槽41，换向套筒4的侧壁上与第三侧通透槽41交错地设置第四侧通透槽42，第四侧通透槽42能通过第二侧通透槽331与扭转腔体102连通。

进一步，驱动轴2上部的外壁与工具壳体1的内壁之间呈径向间隔设置构成钻井液环空流道，驱动轴2上设置轴向贯通的第一钻井液通道，第一侧通透槽211和相邻两个第一外扇形凸21之间的间隙构成第二钻井液通道，换向套筒4的底部设置能控制进入钻头座3内腔钻井液流量的节流通道；第一钻井液通道交错地与轴向腔体101或扭转腔体102连通。

进一步，如图1所示，换向套筒4的底部设置堵头43，堵头43上沿周向间隔设置堵头贯通孔431，各堵头贯通孔431构成节流通道。

进一步，如图1、图2所示，工具壳体1包括上下依次连接的中空的上接头11、中接头12和下接头13，中接头12的内壁下部设置直径呈减小设置的第二台阶部，自第二台阶部的底面向上设置花键槽121，钻头座3的外壁上设置能周向摆动且能轴向滑动设于花键槽内的花键36，下接头13密封穿设于中接头12内，花键槽121的顶面构成花键的上限位面，下接头13的顶面构成花键的下限位面；钻头座3的侧壁下部与下接头13的内壁密封滑动抵靠。

进一步，如图1所示，工具壳体1的内壁上设置直径呈减小设置的第一台阶部14，第一台阶部14构成能轴向封隔钻井液环空流道的封隔部，驱动轴2的侧壁上位于封隔部的上方设置能连通钻井液环空流道和第一钻井液通道的侧壁通孔22，各第一外扇形凸21位于封隔部的下方。

进一步，如图1所示，钻井液环空流道位于封隔部上方的位置设置能驱动驱动轴2转动的涡轮结构5，驱动轴2的侧壁上位于涡轮结构5的下方设置前述的侧壁通孔22。通过调整涡轮叶片的数量以及形状可以调节双向谐振钻井提速工具100的频率。

进一步，如图1所示，涡轮结构5包括固定套设于驱动轴2上的转子结构51，涡轮结构5还包括工具壳体1的内壁上套设的定子结构52。

进一步，如图1所示，驱动轴2上靠近封隔部的位置套设有轴向能固定的止推轴承53，止推轴承53的外圈固定套设于工具壳体1的内壁上，驱动轴2上位于涡轮结构5的两端的位置分别套设一轴向能固定的扶正轴承54，扶正轴承54的外圈固定套设于工具壳体1的内壁上。

进一步，如图1所示，如图1所示，驱动轴2的侧壁上位于第一台阶部14的上方设置直径呈增大设置的第三台阶部23，止推轴承53的外圈底部轴向顶抵于第一台阶部14的顶面上，止推轴承53的内圈底部轴向顶抵于第三台阶部23的顶面上；工具壳体1内套设定位套15，定位套15上设置能自顶端顶抵止推轴承53外圈的定位套台阶部151，定位套15的顶面与涡轮结构底端的扶正轴承54的外圈底部轴向顶抵，涡轮结构底端的扶正轴承54的外圈顶部轴向顶抵于涡轮结构5的底端面上；涡轮结构顶端的扶正轴承54通过套设于驱动轴2上的定位螺母55轴向固定。

如图1所示，在本实施方式中，为便于钻井液自钻井液环空流道汇流至第一钻井液通道内，侧壁通孔22自外向内呈斜向下设置，侧壁通孔22的顶部高于止推轴承53设置。

使用本发明的双向谐振钻井提速工具100进行钻井时，将上接头11连接于钻铤(或者井下动力工具)上，将钻头连接于钻头座3内。通过钻铤向双向谐振钻井提速工具100的工具壳体1内注入高压的钻井液，部分钻井液通过第一钻井液通道、换向套筒4的内腔、堵头贯通孔431和钻头座3的内腔向下流向钻头；另一部分钻井液流入钻井液环空流道，驱动涡轮结构5转动并带动驱动轴2旋转，经过涡轮结构5的钻井液经驱动轴2上的侧壁通孔22汇流至第一钻井液通道内；

钻井液通过涡轮结构5时，会推动涡轮结构5顺时针转动(该转动方向可根据实际情况进行调整，不限于顺时针转动)，并带动驱动轴2顺时针转动。驱动轴2连续转动，使得其下端的第一外扇形凸21不断的改变周向位置，第一侧通透槽211的周向位置随之变化，从而改变驱动轴2内部的高压钻井液通过相应透槽流入相应腔体内。

如图3所示，当第一侧通透槽211通过第四侧通透槽42、第二侧通透槽331与扭转腔体102连通时，第一钻井液通道内部分高压钻井液流入扭转腔体102内，驱动钻头座3顺时针转动，形成一个扭转脉动载荷；随着驱动轴2的转动，第一侧通透槽211与扭转腔体102错开，由于钻杆通过钻铤传递到中接头12处的驱动扭矩的作用，钻头座3回复到顺时针转动前的位置。

如图4所示，当第一侧通透槽211通过第三侧通透槽41与轴向腔体101连通时，第一钻井液通道内部分高压钻井液流入轴向腔体101内，驱动钻头座3向下运动，形成一个轴向脉动载荷；随着驱动轴2的转动，第一侧通透槽211与轴向腔体101错开，在钻头钻压的作用下，钻头座3向上回复到向下运动之前的位置。

由上所述，本发明提供的双向谐振钻井提速工具具有如下有益效果：

本发明提供的双向谐振钻井提速工具中，以钻井液为驱动介质，钻井液间歇且交错进入轴向腔体或扭转腔体，驱动钻头座轴向或周向运动，对钻头产生频率相同的轴向或周向的脉动载荷并直接作用在pdc钻头处，改善钻头的运动状态，增加钻头的刚度，增加pdc钻头切削齿切入岩石内部的深度，减小了近钻头处钻柱和井壁之间的摩擦阻力，同时增加pdc钻头的切削扭矩，提高软硬交错地层岩石的破碎效率，提高机械钻速，提高pdc钻头的使用寿命，降低钻井成本；本发明的双向谐振钻井提速工具中，通过调整涡轮结构的涡轮叶片数量以及形状调节双向谐振钻井提速工具的频率，操作方便；本发明的双向谐振钻井提速工具的结构简单，无任何橡胶部件，使用便捷，可靠性高。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。