201210256105-一种振动加压钻井工具

www.soopat.com 注：本页蓝色字体部分可点击查询相关专利 SooPAT 一种振动加压钻井工具 申请号：201210256105.4 申请日：2012-07-23 申请(专利权)人中国石油大学(华东) 地址 266555 山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号 发明( 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 )人倪红坚 王瑞和 王鹏 主分类号 E21B7/24(2006.01)I 分类号 E21B7/24(2006.01)I 公开(公告)号102733756A 公开(公告)日2012-10-17 专利代理机构 潍坊正信专利事务所 37216 代理人 王秀芝 (10)申请公布号 CN 102733756 A (43)申请公布日 2012.10.17 C N 1 0 2 7 3 3 7 5 6 A *CN102733756A* (21)申请号 201210256105.4 (22)申请日 2012.07.23 E21B 7/24(2006.01) (71)申请人 中国石油大学（华东） 地址 266555 山东省青岛市经济技术开发区 长江西路 66号 (72)发明人 倪红坚 王瑞和 王鹏 (74)专利代理机构 潍坊正信专利事务所 37216 代理人 王秀芝 (54) 发明名称 一种振动加压钻井工具 (57) 摘要 本发明公开了一种振动加压钻井工具，在套 筒的上端安装有上接头及喷嘴，在下端滑动安装 有驱动杆，驱动杆的下端固定连接有下接头，套筒 内位于喷嘴与驱动杆之间设置有多级活塞分隔环 结构，每级活塞分隔环结构包括一个大致呈 T形 结构的活塞，活塞的导向杆部的下端设有与活塞 流道相通的活塞传压孔，一个固定安装于套筒内 且套装在活塞导向杆部的分隔环，该分隔环上设 有相通的分隔环径向孔及分隔环轴向孔，套筒上 对应于分隔环径向孔的位置设有套筒导流孔。本 发明创新性的将冲击振动引入到解决钻头的“粘 滑”振动中来，消除了 PDC钻头钻进过程中的“粘 滑”现象，使 PDC钻头对其下部岩石产生高频低幅 的冲击作用，改善了岩石的应力状况，提高了破岩 效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1页 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 书 4页 附图 1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1页 2 1.一种振动加压钻井工具，包括套筒，其特征在于： 所述套筒的上端安装有上接头，所述套筒内位于所述上接头的下端安装有喷嘴； 所述套筒的下端滑动安装有驱动杆，所述驱动杆的下端伸出所述套筒的下端，所述驱 动杆的下端固定连接有下接头，所述驱动杆沿其轴向设有中空的驱动杆流道； 所述套筒内位于所述喷嘴与所述驱动杆之间设置有至少一级活塞分隔环结构，每级所 述活塞分隔环结构包括 一个滑动设置的活塞，所述活塞沿其轴向设有中空的活塞流道，所述活塞呈 T形结构， 所述活塞具有上端面、下端面以及自所述下端面向下延伸的导向杆部，所述导向杆部的下 端设有沿其径向设置的活塞传压孔，所述活塞传压孔与所述活塞流道相通， 一个固定安装于所述套筒内的分隔环，所述分隔环套装在所述活塞的导向杆部，所述 分隔环上设有分隔环径向孔及与所述分隔环径向孔相通的分隔环轴向孔，所述套筒上对应 于所述分隔环径向孔的位置设有套筒导流孔。 2.如权利要求 1所述的一种振动加压钻井工具，其特征在于：所述套筒内位于所述喷 嘴与所述驱动杆之间设置有多级活塞分隔环结构；第一级活塞分隔环结构的活塞的上端 面、所述喷嘴的下端面与所述套筒的内壁之间围成一个压力波动腔。 3.如权利要求 1或 2所述的一种振动加压钻井工具，其特征在于：所述套筒的下端还 安装有驱动短节，所述驱动杆与所述驱动短节的内壁之间为多边形轮廓配合。 权 利 要 求 书CN 102733756 A 2 1/4页 3 一种振动加压钻井工具 技术领域 [0001] 本发明涉及石油、天然气钻井的配套装置技术领域，尤其涉及一种振动加压钻井 工具。 背景技术 [0002] PDC钻头（即 Polycrystalline Diamond Compact的英文缩写，聚晶金刚石复合片 钻头）是一种钻井速度快、使用寿命长、工作稳定性好的高效破岩工具，但随着石油勘探开 发向深部地层的推进，硬地层、复杂地层的增多和钻具结构的复杂度增加，加速了 PDC钻头 的破坏和失效，钻柱的“粘滑”振动（即钻柱扭矩的持续积累和瞬间释放现象）是导致 PDC钻 头失效的最主要原因；常规消除 PDC钻头“粘滑”振动的措施主要包括：增大钻柱转速、优化 钻具结构、增大钻井液阻尼和顶部扭矩负反馈等，但是上述技术措施均存在一定的局限性， 难以从根本上解决问题。 [0003] 研究表明：在钻进过程中，通过对岩石施加动载冲击力，结合钻头齿静载切向压 力，动静载联合作用，可以改变岩石的破碎机理，在提高破岩效率的同时，能显著消除 PDC 钻头的“粘滑”振动现象。 发明 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 [0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种振动加压钻井工具，用于消除 PDC钻头 在钻进过程中的“粘滑振动”现象，改善岩石的应力状况，提高破岩效率。 [0005] 为解决上述技术问题，本发明的技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是：一种振动加压钻井工具，包括套筒， 所述套筒的上端安装有上接头，所述套筒内位于所述上接头的下端安装有喷嘴；所述套筒 的下端滑动安装有驱动杆，所述驱动杆的下端伸出所述套筒的下端，所述驱动杆的下端固 定连接有下接头，所述驱动杆沿其轴向设有中空的驱动杆流道；所述套筒内位于所述喷嘴 与所述驱动杆之间设置有至少一级活塞分隔环结构，每级所述活塞分隔环结构包括一个滑 动设置的活塞，所述活塞沿其轴向设有中空的活塞流道，所述活塞呈 T形结构，所述活塞具 有上端面、下端面以及自所述下端面向下延伸的导向杆部，所述导向杆部的下端设有沿其 径向设置的活塞传压孔，所述活塞传压孔与所述活塞流道相通，一个固定安装于所述套筒 内的分隔环，所述分隔环套装在所述活塞的导向杆部，所述分隔环上设有分隔环径向孔及 与所述分隔环径向孔相通的分隔环轴向孔，所述套筒上对应于所述分隔环径向孔的位置设 有套筒导流孔。 [0006] 作为优选，所述套筒内位于所述喷嘴与所述驱动杆之间设置有多级活塞分隔环结 构；第一级活塞分隔环结构的活塞的上端面、所述喷嘴的下端面与所述套筒的内壁之间围 成一个压力波动腔。 [0007] 作为优选，所述套筒的下端还安装有驱动短节，所述驱动杆与所述驱动短节的内 壁之间为多边形轮廓配合。 [0008] 由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：由于本发明的一种振动加压钻 说 明 书CN 102733756 A 3 2/4页 4 井工具在套筒的上端安装有上接头及喷嘴，在下端滑动安装有驱动杆，驱动杆的下端固定 连接有下接头，套筒内位于喷嘴与驱动杆之间设置有至少一级活塞分隔环结构，每级活塞 分隔环结构包括一个滑动设置大致呈 T形结构的活塞，该活塞具有上端面、下端面以及导 向杆部，导向杆部的下端设有沿其径向设置且与活塞流道相通的活塞传压孔，一个固定安 装于套筒内且套装在活塞的导向杆部的分隔环，该分隔环上设有相通的分隔环径向孔及分 隔环轴向孔，套筒上对应于分隔环径向孔的位置设有套筒导流孔；工作时，定常流动的钻 井液通过上接头的中心孔流经喷嘴后变为高速紊流流动，并在喷嘴后产生剧烈的紊流压力 波动，直接作用于第一级活塞的上端面，第一级活塞的下端面受到分隔环轴向孔、分隔环径 向孔和套筒导流孔连通后引入的井筒环空低压钻井液的作用，这样，在第一级活塞的上下 端面之间形成压力差，并且该压力差值随着紊流流动高频变化，形成作用于第一级活塞的 向下的高频变化的作用力，使第一级活塞向下滑动；同时，该紊流压力波动沿着第一级活塞 中心的活塞流道向下传播，并通过第一级活塞下端的活塞传压孔最终作用于于驱动杆，驱 动杆沿轴向向下滑动，将该高频变化的合力通过下接头传递给与下接头直接连接的 PDC钻 头，从而使 PDC钻头对其下部岩石产生高频低幅的冲击作用，消除 PDC钻头钻进过程中的 “粘滑”现象，改善岩石的应力状况，提高破岩效率。 [0009] 当在喷嘴与驱动杆之间设置有多级活塞分隔环结构时，钻井液的紊流压力波动沿 着第一级活塞中心的活塞流道向下传播，并通过第一级活塞下端的活塞传压孔作用于第二 级活塞上端面，与第二级活塞配合的分隔环上的导流孔与套筒导流孔将井筒环空内的低压 钻井液引入，产生作用于第二级活塞下端面的低压作用，形成作用于第二级活塞上端面的 向下的高频变化的作用力；同理，该紊流压力波动沿第二级活塞中心的活塞流道向下传播， 形成作用于下部各级活塞分隔环结构中活塞两端的压力差值，产生作用于各级活塞上向下 的高频变化的合力，并通过最后一级活塞直接作用于驱动杆，驱动杆将该高频变化的合力 通过下接头传递给与下接头直接连接的 PDC钻头，从而使 PDC钻头对其下部岩石产生高频 低幅的冲击作用，消除了 PDC钻头钻进过程中的“粘滑”现象，改善了岩石的应力状况，提高 了破岩效率。 附图说明 [0010] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明： [0011] 附图是本发明实施例的结构剖视示意图； [0012] 图中：1-上接头；2-喷嘴；23-压力波动腔；3-活塞；31-上端面；32-下端面； 33-导向杆部；34-活塞流道；4-分隔环；5-套筒导流孔；61-分隔环径向孔；62-分隔环轴 向孔；7-活塞传压孔；8-驱动杆；81-驱动杆流道；9-套筒；10-驱动短节；11-下接头。 具体实施方式 [0013] 以下为本发明的一种振动加压钻井工具的具体实施例，用以解释而非限制本发 明；以下定义进钻井液处为“上”，出钻井液处为“下”。 [0014] 如附图所示，一种振动加压钻井工具，包括套筒 9，套筒 9的上端安装有上接头 1， 在套筒 9内位于上接头 1的下端安装有喷嘴 2，喷嘴 2具有中空的喷嘴通道，其中喷嘴通道 的入口大于其出口，分为上部的锥形段和下部的柱形端；在套筒 9的下端螺纹连接有驱动 说 明 书CN 102733756 A 4 3/4页 5 短节 10，套筒 9及驱动短节 10内滑动安装有驱动杆 8，驱动杆 8与驱动短节 10的内壁之间 为多边形轮廓配合，便于周向定位，驱动杆 8的下端伸出驱动短节 10的下端，驱动杆 8的伸 出段固定连接有下接头 11，驱动杆 8沿其轴向设有中空的驱动杆流道 81；在套筒 9内位于 喷嘴 2与驱动杆 8之间设置有至少一级活塞分隔环结构。 [0015] 本实施例中，每级活塞分隔环结构包括一个滑动设置的大致呈 T形结构的活塞 3， 活塞 3沿其轴向设有中空的活塞流道 34，活塞 3具有上端面 31、下端面 32以及自下端面 32 向下延伸的导向杆部 33，在导向杆部 33的下端设有沿其径向设置的活塞传压孔 7，该活塞 传压孔 7与活塞流道 34相通；一个固定安装于套筒 9内的分隔环 4，且分隔环 4套装在活 塞 3的导向杆部 33上，该分隔环 4上设有分隔环径向孔 61及与分隔环径向孔 61相通的分 隔环轴向孔 62，在套筒 9上对应于分隔环径向孔 61的位置设有套筒导流孔 5。 [0016] 本实施例中，在套筒 9内位于喷嘴 2与驱动杆 8之间设置有多级结构相同的活塞 分隔环结构；其中，位于最上面的第一级活塞分隔环结构的活塞 3的上端面 31、喷嘴 2的下 端面与套筒 9的内壁之间围成一个压力波动腔 23。 [0017] 本发明的一种振动加压钻井工具组装时：将驱动杆 8穿过驱动短节 10的配合通 孔，驱动杆 8的下端与下接头 11的上端直接连接，驱动短节 10的上端与套筒 9的下端通过 螺纹连接；套筒 9内部的驱动杆 8上方从上到下依次安装有若干级结构完全相同的“活塞 分隔环”结构，活塞 3中心加工有活塞流道 34，下端加工有活塞传压孔 7，用于传递钻柱内的 高压钻井液；分隔环 4固定于套筒 9内并与活塞 3下部的导向杆部 33配合，分隔环 4上有 分隔环径向孔 61和分隔环轴向孔 62，分隔环径向孔 61与套筒 9上的套筒导流孔 5相连通， 直接与井筒环空的低压钻井液连通；套筒 9内最上面一级活塞即第一级活塞 3上面安装有 喷嘴 2，喷嘴 2固定于套筒 9上；上接头 1与套筒 9的上端螺纹连接。 [0018] 将本发明的一种振动加压钻井工具接入钻柱进行钻进时：将上接头 1的上端与上 部钻柱相连接，下接头 11的下端与 PDC钻头相连接；定常流动的钻井液通过上接头 1的中 心孔，流经喷嘴 2后产生剧烈的紊流压力波动，在压力波动腔 23内变为高速紊流流动，直接 作用于第一级活塞 3的上端面 31，第一级活塞 3的下端面 32受到分隔环轴向孔 62、分隔环 径向孔 61和套筒导流孔 5连通后引入的井筒环空低压钻井液的作用，这样，在第一级活塞 3的上端面 31与下端面 32之间形成压力差，并且该压力差值随着紊流流动高频变化，形成 作用于第一级活塞 3的向下的高频变化的作用力，使第一级活塞 3向下滑动；同时，该紊流 压力波动沿着第一级活塞 3中心的活塞流道 34向下传播，并通过第一级活塞 3下端的活塞 传压孔 7作用于第二级活塞的上端面，与第二级活塞配合的分隔环上的分隔环轴向孔、分 隔环径向孔与套筒 9上相对应的套筒导流孔 5将井筒环空内的低压钻井液引入，产生作用 于第二级活塞下端面的低压作用，形成作用于第二级活塞上的向下的高频变化的作用力； 同理，该紊流压力波动沿第二级活塞中心的活塞流道向下传播，形成作用于下部各级“活塞 分隔环”结构中活塞两端的压力差值，产生作用于各级活塞上向下的高频变化的合力，并通 过最后一级活塞直接作用于驱动杆 8，驱动杆沿轴向向下滑动，驱动杆 8将该高频变化的合 力通过下接头 11传递给与其直接连接的 PDC钻头，消除 PDC钻头钻进过程中的“粘滑”现 象，从而使 PDC钻头对其下部岩石产生高频低幅的冲击作用，改善岩石的应力状况，提高破 岩效率。该振动作用力的频率、峰值和幅值通过调节钻井液流量、喷嘴 2的尺寸和流道形 状、喷嘴 2与第一级活塞 3以及套筒 9之间围成的压力波动腔 23的形状及尺寸和“活塞分 说 明 书CN 102733756 A 5 4/4页 6 隔环”的级数等参数来实现。 [0019] 本发明针对 PDC钻头钻进过程中存在的“粘滑”现象，创新性的将冲击振动引入到 解决钻头的“粘滑”振动中来，突破常规降粘滑措施的局限性，可有效提高 PDC钻头在复杂 地层和复杂钻柱结构中的钻进效率和钻头寿命，具有广泛的应用前景。本发明具有结构简 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“粘滑”多发井段钻井速度、降低生产成本具有重要的实际意 义。 [0020] 以上所述仅是本发明较佳实施方式的举例，并不用以限制本发明，其中未详细述 及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为 准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。 说 明 书CN 102733756 A 6 1/1页 7 说 明 书 附 图CN 102733756 A 7