一种能够保持钻头稳定并能扭转冲击振动的钻井提速工具的制作方法

本实用新型属于油气田钻井领域，是一种能够保持钻头稳定并能扭转冲击振动的钻井提速工具。

背景技术：

pdc钻头在钻井过程中，由于所钻地层的岩性存在较大差异，施工参数也存在变化，致使钻头在井底的运动是极其无序的，包括横向涡动、纵向弹跳和扭向粘滑等多种复杂运动的组合。钻头这种无序的振动会损坏单个pdc切削齿。特别是导致钻头损伤，钻井机械钻速降低，钻井成本增加。目前，单纯在提高机械钻速方面，国内已经进行了大量的研究工作，出现了多种冲击类工具，单纯的辅助pdc钻头破岩，以提高机械钻速，但在这类工具的作用下，仍不能够使钻头趋于稳定的状态切削地层。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在技术问题，本实用新型提供一种能够保持钻头稳定并能扭转冲击振动的钻井提速工具，本新型通过钻井液驱动涡轮转子，并带动心轴连同陀螺元件产生高速旋转，该旋转速度远大于钻头在井底产生的涡动速度，因此高速旋转的陀螺元件等可产生陀螺效应，该效应可使陀螺元件产生抵抗钻头涡动的反作用力，从而降低钻头涡动，促使钻头趋于稳定；同时，该钻井液流经工具下部时可激发摆锤左右高频摆动，从而锤击下接头，产生高频扭转冲击振动传递给钻头，辅助钻头破岩，保护钻头的同时提高钻井机械钻速。

本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：能够保持钻头稳定并能产生扭转冲击振动的钻井提速工具包括上接头，上接头下端连接有壳体，壳体内安装有心轴，心轴外壁从下到上依次安装硬质合金扶正轴承动环、硬质合金扶正轴承静环、陀螺元件、涡轮定子、涡轮转子、陀螺元件、涡轮定子、涡轮转子、陀螺元件、硬质合金扶正轴承动环、硬质合金扶正轴承静环、晶金刚石止推轴承动环、聚晶金刚石止推轴承静环，心轴上端用心轴压帽通过锥度螺纹压紧固定，组成中心陀螺总成；心轴下方的壳体内安装有中心分流管，中心分流管下部内安装有硬质合金节流增压喷嘴，中心分流管外部安装有导流阀体，导流阀体外部安装有冲击锤体，冲击锤体外部安装有冲击锤座,冲击锤座上端通过螺钉与分流压盖连接，冲击锤座下端螺纹连接有钻头接头，钻头接头通过双半环限位在壳体内。

本实用新型的有益效果为：本实用新型为提高机械钻速，降低钻井成本，利用陀螺具有自稳定性的特性，主动抑制因钻头切削岩层的跳动对钻杆产生的振动而带来的钻杆系各种涡动状态及振动，使钻头趋于稳定的工作。同时在钻头处产生高频扭转冲击振动，辅助钻头破碎岩石，从而整体提高钻头的切削效率，提高钻井机械钻速，降低钻井成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为附图1的a-a截面示意图。

图3为附图1的b-b截面示意图。

图4为附图1的截面示意图。

图中：1、上接头；2、心轴压帽；3、壳体；4、聚晶金刚石止推轴承动环；5、聚晶金刚石止推轴承静环；6、硬质合金扶正轴承动环；7、硬质合金扶正轴承静环；8、陀螺元件；9、涡轮定子；10、涡轮转子；11、心轴；12、分流压盖；13、中心分流管；14、导流阀体；15、冲击锤体；16、硬质合金节流增压喷嘴；17、冲击锤座；18、双半环；19、钻头接头。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步描述：

能够保持钻头稳定并能产生扭转冲击振动的钻井提速工具包括上接头1，上接头1下端连接有壳体3，壳体3内安装有心轴11，心轴11外壁从下到上依次安装硬质合金扶正轴承动环6、硬质合金扶正轴承静环7、陀螺元件8、涡轮定子9、涡轮转子10、陀螺元件8、涡轮定子9、涡轮转子10、陀螺元件8、硬质合金扶正轴承动环6、硬质合金扶正轴承静环7、晶金刚石止推轴承动环4、聚晶金刚石止推轴承静环5，心轴11上端用心轴压帽2通过锥度螺纹压紧固定组成中心陀螺总成；中心陀螺总成按如图1所示安装在壳体3内，并用上接头1通过锥度螺纹压紧固定；心轴11下方的壳体3内安装有中心分流管13，中心分流管13下部内安装有硬质合金节流增压喷嘴16，中心分流管13外部安装有导流阀体14，导流阀体14外部安装有冲击锤体15，冲击锤体15外部安装有冲击锤座17,中心分流管13、硬质合金节流增压喷嘴16、导流阀体14及冲击锤体15组成锤体总成，锤体总成安装到冲击锤座17内，并通过中心分流管13下端台肩进行轴向限位，冲击锤座17上端通过螺钉与分流压盖12连接，冲击锤座17下端螺纹连接有钻头接头19，钻头接头19通过双半环18限位在壳体3内。

如图4所示，壳体3与钻头接头19通过周向均布的4个牙坎啮合，从而传递钻柱扭矩与转速给钻头。

在油气井钻井过程中，钻头接头19与钻头连接，上接头1与钻铤连接，钻井液流经上接头1，通过涡轮定子9导流后，驱动涡轮转子10转动，多组涡轮组合在一起，共同产生旋转动力，带动心轴11及陀螺元件8高速旋转，该旋转速度远大于钻头在井底产生的涡动速度，因此高速旋转的陀螺元件等可产生陀螺效应，该效应可使陀螺元件产生抵抗钻头涡动的反作用力，从而降低钻头涡动，促使钻头趋于稳定。陀螺元件8以单数轴向对称分布，涡轮定子9、涡轮转子10多个为一组，如图1所示，分别位于中间陀螺元件8的上部和下部。如此分布的目的是使高速旋转的零件动态平衡，以产生高效的陀螺效应。如图2所示，陀螺元件8圆周加工有过流槽，保证不节流的情况下，用以增强陀螺效应。心轴11上的轴向力通过聚晶金刚石止推轴承动环4作用在聚晶金刚石止推轴承静环5上，并最终作用在壳体3上。聚晶金刚石止推轴承动环4止推摩擦面与聚晶金刚石止推轴承静环5止推摩擦面均周向均布聚晶金刚石复合片，以增强止推轴承寿命。心轴11通过上下对称分布的硬质合金扶正轴承动环6和硬质合金扶正轴承静环7扶正，以保证高速旋转过程的稳定性。硬质合金扶正轴承动环6外表面烧结硬质合金耐磨块，硬质合金扶正轴承动环7内表面烧结硬质合金耐磨块，以增强钻井液环境下的扶正轴承寿命。

产生陀螺效应后，钻头涡动降低或消失，钻头趋于稳定。此时，流经中心陀螺总成之后的钻井液分为三部分，如图3所示，一部分通过分流压盖12进入高压腔a，一部分通过中心分流管进入高压腔b，另一部分通过硬质合金节流增压喷嘴16进入钻头接头。硬质合金节流增压喷嘴16节流后，使其上端为高压钻井液，与高压腔连通，下端为低压钻井液，与低压腔连通。钻井液进入高压腔a后，通过冲击锤体15阀孔驱动导流阀体14转动，从而使通过中心分流管进入高压腔b的通道打开，高压钻井液进入高压腔b后，瞬间驱动冲击锤体15高速转动，并锤击冲击锤座17，产生高频锤击振动。导流阀体14转动时，导流阀体14与冲击锤体15之间的低压钻井液流经冲击锤体15的阀孔并通过低压腔a’进入钻头接头。冲击锤体15高速转动时，冲击锤体15与冲击锤座17之间的低压钻井液流经冲击锤体15的阀孔并通过低压腔b’进入钻头接头。高压腔a与低压腔a’交替转换，高压腔b与低压腔b’转换从而使冲击锤体15往复高频锤击冲击锤座17。冲击锤座17将高频冲击振动通过钻头接头19直接传递给钻头，辅助在陀螺效应下趋于稳定的钻头破碎岩石，从而最终实现保护钻头，提高机械钻速，降低钻井成本的目的。

本实用新型与现有的技术相比具有以下优点：1)本实用新型综合运用了高频扭转冲击辅助破岩提速机理和陀螺效应理论，提速效果优于目前单纯的高频扭转冲击辅助破岩类工具。2)本实用新型依靠钻井液驱动，对现场设备无任何特殊要求，应用于深井超深井中，可有效消减钻头的涡动现象，大幅度提高机械钻速。3)本实用新型设计有陀螺元件并采用了轴对称布局，增强陀螺效应的同时，保证了陀螺效应的稳定性，使工具有较好的安全性和可靠性。4)本实用新型设计有聚晶金刚石止推轴承及硬质合金扶正轴承，从而保证了钻井液环境下工具整体的寿命。

本实用新型综合运用了高频扭转冲击辅助破岩提速机理和陀螺效应理论，并采取了多组陀螺元件加强陀螺效应，以及采取了聚晶金刚石止推轴承和硬质合金扶正轴承加强工具的使用寿命，并采用了高低压腔转化的启动冲击锤的高频扭转冲击方式。工具工作时可产生陀螺效应促使钻头趋于稳定，并同时产生高频扭转冲击振动辅助钻头破岩，结构设计空间布局合理，稳定性、安全性好，系统寿命长，提速效果好。