扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鉆井施工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)旋轉(zhuǎn)剪切進(jìn)行鉆井的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井裝置，該扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井裝置尤其可用于石油鉆井、地質(zhì)勘探、水文水井和地?zé)岬阮I(lǐng)域的鉆井井下施工。
【背景技術(shù)】
[0002]石油鉆井過(guò)程中使用PDC鉆頭(聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)鉆一些難鉆地層(例如鉆井阻力大的硬地層)時(shí)，PDC鉆頭經(jīng)常得不到足夠大的扭矩來(lái)破碎地層，導(dǎo)致鉆頭短時(shí)間內(nèi)停止旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)鉆柱在井口轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)下仍然繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并開(kāi)始卷繞，沿鉆柱長(zhǎng)度儲(chǔ)存扭轉(zhuǎn)能量。當(dāng)破碎地層所需要的扭矩值一旦達(dá)到，鉆柱上儲(chǔ)存的扭轉(zhuǎn)能量瞬間釋放，驅(qū)動(dòng)PDC鉆頭快速旋轉(zhuǎn)，其結(jié)果必然使得對(duì)PDC鉆頭切削齒的沖擊載荷要遠(yuǎn)大于正常值，引起切削齒破損，從而導(dǎo)致鉆頭損壞。另外，下部鉆柱快速旋轉(zhuǎn)，相對(duì)于上部鉆柱具有更高的轉(zhuǎn)速，極易引發(fā)鉆柱螺紋倒扣，導(dǎo)致下部鉆柱脫扣掉井，造成鉆井事故的發(fā)生。以上過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)即發(fā)生所謂的粘滑振動(dòng)現(xiàn)象。
[0003]在鉆探過(guò)程中，粘滑振動(dòng)頻率越高，對(duì)PDC鉆頭的沖擊破壞越大，不僅縮短PDC鉆頭的正常使用壽命、影響鉆探速度的提高，而且增加鉆探施工成本，造成安全隱患。國(guó)內(nèi)外研究表明，在常規(guī)PDC鉆頭上部安裝一個(gè)扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器，在鉆井的同時(shí)不斷給鉆頭施加周向沖擊載荷，可以大大減少粘滑振動(dòng)，顯著提高機(jī)械鉆速和鉆頭壽命。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)了一種通過(guò)螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)沖擊錘來(lái)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊的扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器。但由于需要將沖擊錘、由螺桿馬達(dá)定子和螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的螺桿馬達(dá)以及用于連接螺桿馬達(dá)與沖擊錘的連接組件等均設(shè)在殼體內(nèi)來(lái)形成該扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器，導(dǎo)致該扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多的問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是，提供一種結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、易損件更少?gòu)亩軌蚋玫靥岣邫C(jī)械鉆速和延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井裝置。
[0006]針對(duì)該問(wèn)題的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井裝置，包括鉆頭和與鉆頭連接的用于為鉆頭提供破壞巖層的沖擊扭矩的高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)，所述高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)內(nèi)包括射流換向元件和旋轉(zhuǎn)沖擊件，進(jìn)入所述高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)的流體的液壓能經(jīng)過(guò)射流換向元件后轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)沖擊件的往復(fù)周向高頻低幅旋轉(zhuǎn)沖擊作用于鉆頭上。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)沖擊件產(chǎn)生的高頻往復(fù)周向高頻低幅旋轉(zhuǎn)沖擊來(lái)消除鉆頭旋轉(zhuǎn)切削過(guò)程中的粘滑振動(dòng)現(xiàn)象，從而能提高機(jī)械鉆速。而且包括的部件更少，結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單。尤其是采用的射流換向元件內(nèi)部沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件而是通過(guò)射流來(lái)?yè)Q向，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，也減少了易損件，工作可靠性高。因此，該高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)能夠更好地為鉆頭提供穩(wěn)定的高頻低幅旋轉(zhuǎn)沖擊，不僅能更好地克服地層的剪切阻力，從而能更好地提高機(jī)械鉆速。另外，由于克服了粘滑現(xiàn)象，不容易出現(xiàn)鉆頭卡滯和導(dǎo)致鉆頭的切削齒被損壞的現(xiàn)象，保護(hù)了鉆頭，因此也就能延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。
[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)還包括上接頭、砧子以及連接上接頭和砧子的外筒，其中，所述射流換向元件設(shè)在外筒內(nèi)，所述旋轉(zhuǎn)沖擊件的上端連接在外筒內(nèi)且承接射流換向元件流出的液壓能，所述旋轉(zhuǎn)沖擊件的下端連接在站子內(nèi)，通過(guò)所述旋轉(zhuǎn)沖擊件將液壓能轉(zhuǎn)化為作用在與砧子連接的鉆頭上的高頻旋轉(zhuǎn)沖擊。在這種結(jié)構(gòu)中，上接頭的上端通過(guò)螺紋連接鉆柱，上接頭的下端與外筒的上端通過(guò)螺紋固定連接。另外，外筒的下端又與砧子的下端外周部分形成無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的連接。還有，砧子的下端通過(guò)內(nèi)螺紋連接roc鉆頭。這樣的結(jié)構(gòu)，使得能夠保證效率地將高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)的高頻低幅旋轉(zhuǎn)沖擊扭矩傳遞給鉆頭。因此，能夠更好地保證機(jī)械鉆速和保護(hù)鉆頭。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，所述旋轉(zhuǎn)沖擊件包括擺動(dòng)桿和沖擊錘,所述擺動(dòng)桿的上端連接在外筒內(nèi)的流體驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)，所述擺動(dòng)桿的下端與沖擊錘無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)地連接，所述沖擊錘位于砧子內(nèi)的腔體中。通過(guò)流體驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的流體壓力驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)桿往復(fù)擺動(dòng)。擺動(dòng)桿又將擺動(dòng)傳遞給沖擊錘，通過(guò)沖擊錘將旋轉(zhuǎn)沖擊經(jīng)砧子傳遞給PDC鉆頭。這樣的結(jié)構(gòu)，零部件以及運(yùn)動(dòng)部件均相對(duì)比較少，易損件更少，因此能保證本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井裝置的使用壽命。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，所述外筒內(nèi)設(shè)有:
[0011]分流壓蓋，其設(shè)在上接頭和射流換向元件之間，其內(nèi)設(shè)有用于連通上接頭的流道和射流換向元件的流道的通道；
[0012]上缸蓋，其設(shè)在射流換向元件和擺動(dòng)桿之間，其內(nèi)設(shè)有用于連通射流換向元件的流道和流體驅(qū)動(dòng)腔的內(nèi)流道；和
[0013]缸體，其設(shè)在外筒內(nèi)且位于上缸蓋下，并與上缸蓋和旋轉(zhuǎn)沖擊件的擺動(dòng)桿形成驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)的流體驅(qū)動(dòng)腔，所述流體驅(qū)動(dòng)腔與上缸蓋的內(nèi)流道連通。該分流壓蓋的流道決定了經(jīng)過(guò)該分流壓蓋的流體的流量，通過(guò)設(shè)計(jì)分流壓蓋的流道尺寸，可以確定沖擊載荷的大小。
[0014]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述射流換向元件的流道包括進(jìn)液流道和出液流道，所述上缸蓋的內(nèi)流道包括進(jìn)液內(nèi)流道和出液內(nèi)流道，所述流體驅(qū)動(dòng)腔被旋轉(zhuǎn)沖擊件的擺動(dòng)桿分成進(jìn)液腔和回液腔；
[0015]流入的流體依次經(jīng)所述分流壓蓋的通道、射流換向元件的進(jìn)液流道、上缸蓋的進(jìn)液內(nèi)流道進(jìn)入進(jìn)液腔，所述出液腔內(nèi)的流體經(jīng)上缸蓋的出液內(nèi)流道和射流換向元件的出液流道流出。通過(guò)確定流體的流動(dòng)路徑和縮短流體流經(jīng)的路徑，可以減少流體的壓力損耗。
[0016]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述擺動(dòng)桿為雙葉擺動(dòng)桿，在工作時(shí)所述雙葉擺動(dòng)桿將流體驅(qū)動(dòng)腔分成兩個(gè)進(jìn)液腔和兩個(gè)回液腔。這樣的結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)化的效率更高，從而可以充分利用流體的液壓能。
[0017]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述射流換向元件內(nèi)僅設(shè)置有流道，所述流道構(gòu)造成:在旋轉(zhuǎn)沖擊件的沖擊錘撞擊設(shè)于高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)的砧子的工作止點(diǎn)，所述射流換向元件所在的流體驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的瞬間高背壓切換流體輸出方向從而使得所述旋轉(zhuǎn)沖擊件的擺動(dòng)桿形成往復(fù)擺動(dòng)。該射流換向元件內(nèi)不設(shè)置運(yùn)動(dòng)部件，僅通過(guò)流道的設(shè)計(jì)以及流體驅(qū)動(dòng)腔與擺動(dòng)桿的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)換向，因此，能夠減少零部件，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高使用壽命，保證工作可靠性。
[0018]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述射流換向元件包括人字形的流道，在人字形的流道的兩側(cè)分支流道上分別連接有向上延伸的出口，在人字形的流道的主干流道的兩側(cè)分別設(shè)有用于信號(hào)連接的信號(hào)分支通道。該人字形的流道的兩側(cè)分支中的一側(cè)分支形成進(jìn)液流道，另一側(cè)則形成回液流道，然后流體通過(guò)與回液通道連接的出口流出。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，而且相對(duì)比較容易控制。
[0019]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述外筒的下端和所述砧子的下端的外周部設(shè)有相互配合的牙嵌式結(jié)構(gòu)，所述外筒和砧子通過(guò)牙嵌式結(jié)構(gòu)和聯(lián)接鋼球聯(lián)接在一起。這里的聯(lián)接鋼球用于傳遞鉆壓以及承受軸向壓力。牙嵌式結(jié)構(gòu)則主要用于傳遞鉆具扭矩。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，在所述分流壓蓋和所述上接頭之間設(shè)有調(diào)整墊。通過(guò)調(diào)整該調(diào)整墊的厚度可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整墊、分流壓蓋、射流換向元件、上缸蓋和缸體的軸向壓緊，實(shí)現(xiàn)相鄰各部件端面之間的密封，盡量避免流道及腔體的泄漏。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1所示是本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井裝置的高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)的一種具體實(shí)施例。
[0022]圖2所示是圖1中的高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)中的外筒和砧子連接的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3所示是圖1中的A-A剖視圖。
[0024]圖4所示是圖1中的B-B剖視圖。
[0025]圖5所示是圖1中的C-C剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]在本發(fā)明的實(shí)施例中，該扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井裝置包括鉆頭和與鉆頭連接的高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)12。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示,該高頻扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)12主要包括三個(gè)部分:上接頭1、外筒2和砧子10。該上接頭I的上端通過(guò)螺紋連接鉆柱，其下端通過(guò)外螺紋與外筒2的上端的內(nèi)螺紋固定連接。另外，砧子10的下端設(shè)有用于鉆頭的內(nèi)螺紋。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，外筒2的下端和砧