[发明专利]一种往复式冲击旋转钻井工具

说明书

技术领域

本发明涉及一种在钻井过程中能够同时提供往复冲击和扭矩的旋转冲击钻井工具，适用于石油天然气钻井工程以及修井服务中，也可用于地质勘探孔洞钻进工程。

背景技术

目前油田所采用的钻井工具大部分只能单一的提供轴向冲击力或周向扭矩，对于较硬的地层或研磨性地层，当钻具只提供轴向冲击力时，钻头的吃入深度不够，机械钻速有待提高；而当钻具只提供周向扭矩时，常缺少足够的扭矩来破坏地层，从而使钻头瞬间停止转动，出现粘滑、卡钻现象，这时钻柱会像发条一样扭紧，扭矩积聚后又快速释放，导致钻柱扭转震荡，同时钻头上也会受到更高的冲击载荷，对钻头、钻柱配套部件的使用寿命产生不利影响。

为了提高钻井速度，除了研究钻头技术、水力喷射破岩技术等钻井技术外，又提出了旋转冲击钻井技术概念，其核心内容是钻具在提供轴向冲击载荷的同时对钻头施加周向扭矩，通过大量的技术研究和现场应用证明，旋转冲击钻井可大幅提高钻井的机械钻速，达到快速破岩的目的。因此本发明提出了一种能够同时提供往复冲击和旋转扭矩的钻井工具，该工具将钻井液的流体能量转化为扭矩和轴向冲击载荷，并直接作用于钻头上，大大提高了钻井效率。该工具结构简单，长度短，克服了常规钻井工具大、笨、重的问题，具有广泛的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于为石油天然气开发钻井、非石油资源勘查开采钻井提供一种往复式冲击旋转钻井工具，该工具大幅提高了钻头破岩效率和钻井机械钻速，且长度短，结构简单，具有广发的应用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种往复式冲击旋转钻井工具是由流量控制器、上部接头、自动阀装置、外壳、芯轴、旋转装置、承重接头等组成。其结构特征是：上部接头通过螺纹连接在外壳上部，其内部装有流量控制器；自动阀装置安装在上部接头内，自动阀装置由阀冲程校准装置、阀杆、阀体、阀头、缷阀弹簧构成，它与外壳、芯轴的上端面共同构成了体积可变容腔；芯轴的上部大直径外表面与外壳的内表面间隙配合，两者之间有密封件；旋转装置上有三个螺旋槽，下端面上有单向的下棘爪面，芯轴上的圆柱随动件与旋转装置上的螺旋槽接触，旋转装置的外壁与外壳的内壁构成间隙配合，内壁与芯轴的外壁也构成间隙配合；承重接头通过螺纹连接在外壳的下端，其上部有单向的上棘爪面，与旋转装置的下棘爪面接触，构成了棘爪机构，下部有上承撞面22；芯轴下部的螺纹用来连接钻头。

本发明的有益效果是：（1）该工具可以将钻井液的流体能量转化为扭矩和轴向冲击载荷，并直接作用于钻头上，大大提高了破岩效率；（2）钻具产生扭转冲击力可减弱钻头的粘滑现象，大幅提高机械钻速；（3）该工具结构简单，长度短，可以在造斜作业和弯曲井眼中使用。

附图说明

图1是本发明一种往复式冲击旋转钻井工具的结构示意图。

图2是本发明一种往复式冲击旋转钻井工具由横剖面A-A得到的外壳9、旋转装置16与芯轴10配合的剖面示意图。

图3是本发明一种往复式冲击旋转钻井工具的旋转装置示意图。

图中：1.流量控制器，2.上部接头，3.阀冲程控制装置，4.阀杆，5.阀体，6.阀头，7.密封件，8.弹簧，9.外壳，10.芯轴，11.下棘爪面，12.上棘爪面，13.中心孔，14.缷阀弹簧，15.圆柱随动件，16.旋转装置，17.承重接头，18.容腔，19.自动阀装置，20.阀座，21.螺旋槽，22.上承撞面，23.下承撞面。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明一种往复式冲击旋转钻井工具是由流量控制器1、上部接头2、自动阀装置19、外壳9、芯轴10、旋转装置16、承重接头17等组成。其结构特征是：上部接头2通过螺纹连接在外壳9上部，其内部装有流量控制器1；自动阀装置19安装在上部接头2内，自动阀装置19由阀冲程校准装置3、阀杆4、阀体5、阀头6、缷阀弹簧14构成，它与外壳9、芯轴10的上端面共同构成了体积可变容腔18；芯轴10的上部大直径外表面与外壳9的内表面间隙配合，两者之间有密封件7；旋转装置16上有三个螺旋槽21，下端面上有单向的下棘爪面11，芯轴10上的圆柱随动件15与旋转装置16上的螺旋槽21接触，旋转装置16的外壁与外壳9的内壁构成间隙配合，内壁与芯轴10的外壁也构成间隙配合；承重接头17通过螺纹连接在外壳9的下端，其上部有单向的上棘爪面12，与旋转装置16的下棘爪面11接触，构成了棘爪机构，下部有上承撞面22；芯轴10下部的螺纹用来连接钻头。

本工具连接在钻柱的最下端。当处于工作状态时，依靠流体的压差将将阀头6压在阀座20上，流体流入体积可变容腔18中，随着流体的增多，体积可变容腔18内的压力和体积增大，推动外壳9向上运动，从而推动钻柱向上运动；在外壳9向上运动的过程中，旋转装置16相对芯轴10向上运动，圆柱随动件15与旋转装置16上的螺旋槽21相互作用，而旋转装置16下端的下棘爪面11与承重接头17的上棘爪面12相互作用，使旋转装置16固定，于是旋转装置16对芯轴10产生切向作用力，从而形成扭矩；当外壳9向上运动后，阀头6与阀座20分离，流体经中心孔13从钻头的水眼流出，阀头6与阀座20间的压差减小，体积可变容腔18内的压力也减小，外壳9以及上部的钻柱开始向下运动；在缷阀弹簧14的作用下，阀头向上运动，在弹簧8以及钻柱自身的重力作用下，上承撞面（22）对钻头上的下承撞面（23）进行撞击，对钻头产生冲击功，外壳9和芯轴10开始恢复到初始相对位置，在外壳9向下运动的过程中，圆柱随动件15仍与螺旋槽21相互作用，产生了与外壳9向上运动时相反的作用力，但由于棘爪面是单向的，无法使旋转装置16固定，也就无法对芯轴10产生扭矩，因此芯轴10不会作反向旋转；当阀头6和芯轴10都回复到初始位置时，继续循环上述工作过程。通过流量控制器1可以测量和控制流体的压力和速率，从而决定了自动阀装置的循环周期，快速反复的冲击会使钻头相对钻柱做断续的周期性转动，同时在钻压以及冲击功的作用下，大大提高了机械钻速和钻进效率。