一种轴冲带动扭转的钻井提速工具的制作方法

1.本发明专利涉及石油钻采行业的钻井配套设备技术领域，尤其是一种轴冲带动扭转的钻井提速工具。


背景技术：

2.随着石油开采地层深度的增加，开采的地层变得越来越复杂，开采难度增大，尤其对深井、超深井、水平井的开采。在深度地层岩石的可粘性较低，钻进过程单位进尺对钻头损坏增大，进尺速度缓慢，钻井成本高的问题突出，因此提高钻井效率，降低钻井成本是目前国内外石油钻采行业亟需解决的关键问题。
3.目前提高钻井速度的钻井提速工具主要以各种冲击器为主，以钻井液为动力源，可以有效提高pdc钻头的单位进尺时间，大幅提高钻井效率，缩短建井周期，有效降低成本，提高经济效益。但目前国内外有关单位研发的液动冲击器基本都采用扭转周向冲击，有的是扭向直接冲击在外体，再将冲击扭矩传递至钻头，这就是大量扭矩消耗在外体和钻杆上，传递至钻头的扭矩非常有限，所以提速效果极不明显。还有一种扭向冲击通过内筒结构直接作用在钻头上，但由于所有的扭冲结构钻井提速工具其产生的冲击功都很有限，要想增大扭向冲击功是非常困难的，也已无可能了，且这种结构仍有掉井隐患。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有的技术问题，而提出的一种可随意任选增大轴向冲击力的提速工具。本发明能在钻杆驱动下旋转钻井的同时产生轴向冲击，且又能使钻头产生一定量的周向扭转，使钻头沿着轴向、扭向的轨迹同步切入地层，解决冲击力过小等问题的钻井提速工具，具有重要现实意义。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种轴冲带动扭转的钻井提速工具，包括上接头、外体、轴冲总成、钻头接头，外体上部与上接头固定连接；轴冲总成包括轴冲内筒、轴冲底座、轴冲锤和锤体驱动组件，轴冲总成位于外体内，外体下部内壁向内凸起形成第一台阶，轴冲内筒位于第一台阶和上接头之间，且上接头与第一台阶之间留有供轴冲内筒轴向移动的第一轴向间隙，轴冲底座、轴冲锤和锤体驱动组件均设于轴冲内筒内，锤体驱动组件驱动轴冲锤上下窜动，轴冲内筒上部内壁向内凸起形成用于轴冲锤上行限位的第二台阶，轴冲内筒下部固定连接有用于轴冲锤下行限位的轴冲底座，且轴冲底座和第二台阶之间留有供轴冲锤上下窜动的冲击腔，轴冲底座下端面与钻头接头上端面相贴实现轴冲锤下行冲击的传递；轴冲内筒底部通过键轴组件与钻头接头固定相连且同步转动，将轴冲锤对轴冲内筒的上行冲击传递至钻头接头；外体下部设有与钻头接头转动连接的滚轮总成，滚轮总成包括滚轮、滚轮轴、定位套，钻头接头中部外壁沿周向均布有若干滚轮螺旋槽，滚轮螺旋槽内滑动配合有滚轮，滚轮上连有滚轮轴，外体下端开有用于定位滚轮轴的定位孔，定位孔内设有定位套，定位套内径
与滚轮轴外径相吻合形成供滚轮轴转动的定位腔，钻头接头在受轴向冲击上下窜动时，滚轮与滚轮螺旋槽滑动配合产生斜坡推压带动钻头接头相对外体周向扭转；外体下端面内凹形成钩状凹槽，钻头接头上设有钩连于钩状凹槽内的钩头组件，且钩状凹槽内预留有供钩头组件在其内轴向和周向运动的第二间隙，实现外体下端与钻头接头的扭矩传递。
6.键轴组件包括八角螺套和横销轴，八角螺套上部通过外螺纹与轴冲内筒的内螺纹螺接固定，且八角螺套的内八角与钻头接头上部的外八角键插入配合，键连接处开有径向贯穿钻头接头和八角螺套的轴向定位腔，轴向定位腔与钻头接头内孔相通，轴向定位腔内设横销轴实现钻头接头与八角螺套的同步轴向移动。
7.钻头接头内孔还套设有横销轴安装后用于封闭轴向定位腔的限位螺套，轴向定位腔一端通过轴冲内筒内壁封闭，另一端通过限位螺套封闭。
8.八角螺套下部外凸卡合于轴冲内筒下端面和第一台阶之间，八角螺套下端面与第一台阶之间设有滚珠圈且八角螺套下端面与第一台阶之间留有第一下轴向间隙。
9.外体上部内壁内凹形成第三台阶，上接头与外体上部螺接固定，且上接头下端面位于第三台阶上方，上接头下端面与轴冲内筒上端面之间留有第一上轴向间隙。
10.钩头组件包括第一钩块和挡块，钻头接头与下体下端面相贴面为第一平面，第一平面上凸形成第一钩块，第一钩块一侧与钩状凹槽的钩部相配合，另一侧与挡块相贴，第二间隙包括第二轴向间隙和周向间隙，钩状凹槽上、下钩面的间距大于第一钩块上、下钩面的间距形成第二轴向间隙，第一平面紧贴第一钩块开有垂向贯穿钻头接头的挡块安装凹嵌槽，挡块嵌合式固定于挡块安装凹嵌槽内，且钩形凹槽与第一钩部的宽度差大于挡块的宽度形成周向间隙。
11.第一钩块的最大宽度小于钩状凹槽的最小宽度，且钩头组件的最大宽度大于钩状凹槽的最小宽度，实现钻头接头与外体下端的钩状连接与防掉。
12.定位套外侧封堵有用于防掉的滚轮封盖，滚轮螺旋槽与滚轮总成一一对应。
13.轴冲底座中心开有与钻头接头内孔相通的底座内孔，锤体驱动组件连通钻头接头内孔和上接头内孔并通过经变径喷嘴增压的钻井液驱动轴冲锤上下窜动。
14.轴冲内筒与外体相贴面设有用于封闭轴冲内筒外圈流道的密封圈，密封圈位于轴冲内筒上部。
15.本发明的有益效果是：工具结构简单，运动部件少，能耐钻井液冲蚀，与pdc钻头连接后，也不影响其它钻具的组合使用性能。经多方现场钻井试验，在大幅提升机械钻速和延长使用寿命上效果更为明显。
16.本发明的轴冲带动扭转冲击提速工具，所产生的轴向冲击力特别巨大，且轴冲带动周向扭转都是直接作用在钻头上，没有任何额外消耗。这形成的强大冲击载荷更容易切入地层，使岩石形成体积破碎或形成裂缝，从而增加岩石破碎的效率，在提高机械钻速、缩短建井周期上产生巨大经济效益。
17.本发明的轴冲带动扭转冲击提速工具，工作中更具有强大的振动效应，不仅能显著改善井底附近岩石的受力状况，提高破岩效率，还能改善钻头受力，延长钻头使用寿命。而且轴冲产生强烈的振荡，对减少工具与井壁摩阻也起到很大作用。
18.本发明的轴冲带动扭转冲击的钻井提速工具，无电器元件，可打捞，这就提高了系
统的可靠性和安全性，即使本工具失效也可照样钻井作业，只是钻效降低而已。
19.本发明的钻井提速工具，可与井下动力钻具配合使用，也可根据地层特性和钻头性能，通过改变变径喷嘴孔径和调整轴冲锤的外径、长度和行程，达到最佳优选的结构方案。
附图说明
20.图1为本发明轴冲带动扭转冲击钻井工具的结构示意图；图2为本发明轴冲带动扭转冲击钻井工具的轴冲锤和锤体驱动组件剖视图；图3为图2中的a-a截面图；图4为图2中的b-b截面图；图5为本发明轴冲带动扭转冲击钻井工具的滚轮总成结构图；图6为本发明轴冲带动扭转冲击钻井工具的钩头组件在钩状凹槽内进行轴冲和周向扭转状态图；图7为本发明轴冲带动扭转冲击钻井工具的换向管部分结构示意图；图8为本发明轴冲带动扭转冲击钻井工具的键轴组件截面图。
21.其中上述附图包括以下附图标记：1、上接头2、密封圈3、中间管4、换向管5、轴冲锤6、轴冲内筒7、外体8、变径喷嘴9、喷嘴座10、轴冲底座11、八角螺套12、横销轴13、滚轮封盖14、定位套15、滚轮轴16、滚轮17、限位螺套18、钻头接头19、挡块20、钩状凹槽201、冲击腔202、周向间隙203、第二轴向间隙2031、第一轴向上间隙2032、第一轴向下间隙204、启动腔205、滚轮螺旋槽301、中间管上进水口302、上轴冲锤进排水孔303、上轴冲锤进排水流道304、换向管上排水槽305、换向管上进水槽306、中间管下进水口307、换向管下进水槽308、下轴冲锤进排水流道309、换向管下排水槽310、下轴冲锤进排水孔311、中间管启动液出水槽3121、换向管启动液上进排水口3122、换向管启动液下进排水口313、中间管上排水流道314、中间管下排水流道315、中间管中排水流道401、第一台阶402、第二台阶403、第三台阶。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
23.参照图1-8，一种轴冲带动扭转的钻井提速工具：外体7上部与上接头1固定连接；轴冲总成包括轴冲内筒6、轴冲底座10、轴冲锤5和锤体驱动组件，轴冲总成位于外体7内，外体7下部内壁向内凸起形成第一台阶401，轴冲内筒6位于第一台阶401和上接头1之间，且上接头1与第一台阶401之间留有供轴冲内筒6轴向移动的第一轴向间隙，轴冲底座10、轴冲锤5和锤体驱动组件均设于轴冲内筒6内，锤体驱动组件驱动轴冲锤5上下窜动，轴冲内筒6上部内壁向内凸起形成用于轴冲锤5上行限位的第二台阶402，轴冲内筒6下部固定连接有用于轴冲锤5下行限位的轴冲底座10，且轴冲底座10和第二台阶402之间留有供轴冲锤5上下窜动的冲击腔201，轴冲底座10下端面与钻头接头18
上端面相贴实现轴冲锤5下行冲击的传递；轴冲内筒6底部通过键轴组件与钻头接头18固定相连且同步转动，将轴冲锤5对轴冲内筒6的上行冲击传递至钻头接头18；外体7下部设有与钻头接头18转动连接的滚轮总成，滚轮总成包括滚轮16、滚轮轴15、定位套14，钻头接头18中部外壁沿周向均布有若干滚轮螺旋槽205，滚轮螺旋槽205内滑动配合有滚轮16，滚轮16上连有滚轮轴15，外体7下端开有用于定位滚轮轴16的定位孔，定位孔内设有定位套14，定位套14内径与滚轮轴15外径相吻合形成供滚轮轴15转动的定位腔，钻头接头18在受轴向冲击上下窜动时，滚轮16与滚轮螺旋槽205滑动配合产生斜坡推压带动钻头接头18相对外体周向扭转；外体7下端面内凹形成钩状凹槽20，钻头接头18上设有钩连于钩状凹槽20内的钩头组件，且钩状凹槽20内预留有供钩头组件在其内轴向和周向运动的第二间隙，实现外体7下端与钻头接头18的扭矩传递。
24.一种轴冲带动扭转的钻井提速工具，其外体7下部设滚轮总成，在钻头接头18中部设滚轮螺旋槽205，轴向冲击发生时，滚轮螺旋槽205通过推压滚轮总成，使钻头接头18产生一定量的周向扭转，其周向间隙202可根据不同地层特性，调整滚轮螺旋槽205的螺旋角，达到改变周向间隙202的目的。
25.轴冲底座10中心开有与钻头接头18内孔相通的底座内孔，锤体驱动组件连通钻头接头内孔和上接头内孔并通过经变径喷嘴8增压的钻井液驱动轴冲锤5上下窜动。轴冲内筒6与外体7相贴面设有用于封闭轴冲内筒6外圈流道的密封圈2，密封圈2位于轴冲内筒6上部。
26.锤体驱动组件包括换向管4、中间管3、变径喷嘴8和喷嘴座9，轴冲锤5套设于换向管4和轴冲内筒6之间，换向管4内套设有中间管3；中间管3内设中心腔，中心腔上端与上接头内孔相通，下端与钻头接头内孔相通，中心腔下部固定安装有变径喷嘴8和喷嘴座9，且中间管3下部开有与喷嘴座9内孔相通的排水孔，中间管3开有与中心腔相通的中间管上进水口301、中间管下进水口306和中间管启动液出水槽311，中间管3外壁部分内凹与换向管4内壁相包合形成互相连通的中间管上、中、下排水流道，且中间管上排水流道313与中间管上进水口301，中间管中排水流道315与中间管启动液出水槽311，中间管下排水流道314与中间管下进水口306间隔设置，两两之间互不相通，中间管下排水流道314通过排水孔与钻头接头内孔相通；换向管4中部设有用于隔绝启动液上进排水流道和启动液下进排水流道的凸台阶，换向管4上部由上至下依次开有互不相通的换向管上排水槽304、换向管上进水槽305、换向管启动液上进排水口3121，换向管下部由上至下依次开有换向管启动液下进排水口3122、换向管下进水槽307、换向管下排水槽309，且换向管上进、排水槽与中间管上进水口301同侧设置，换向管下进、排水槽与中间管下进水口306同侧设置，换向管启动液上、下进排水口与中间管启动液出水槽311同侧设置；轴冲锤5中部内凹形成用于推动凸台阶带动换向管4轴向移动的启动腔204，启动腔204内径与凸台阶外径相吻合，凸台阶上行至与启动腔内顶面相贴限位，凸台阶下行至启动腔内底面相贴限位，轴冲锤5上设有用于钻井液进出的上轴冲锤进排水流道303和下轴冲锤进排水流道308，上轴冲锤进排水流道303一端通过位于轴冲锤5上端面的上轴冲锤进排
水孔302与冲击腔连通，另一端与换向管上排、进水槽移动连通；下轴冲锤进排水流道308一端通过位于轴冲锤5下端面的下轴冲锤进排水孔310与冲击腔201连通，另一端与换向管下排、进水槽移动连通。
27.且中间管上进水口301-换向管上进水槽305-上轴冲锤进排水流道303移动连通时，中间管下排水流道314-换向管下排水槽309-下轴冲锤进排水流道308相通；中间管下进水口306-换向管下进水槽307-下轴冲锤进排水流道308移动连通时，中间管上排水流道313-换向管上排水槽304-上轴冲锤进排水流道303相通。
28.进一步的，中间管3外壁设有若干扁平面，换向管4内壁与扁平面相吻合。换向管4在中间管3外可上下移动，且两件间互有扁平面的配合，中间管3与换向管4受此限制不许转动，以保证中间管上进水口301与换向管上进、排水槽，中间管下进水口306与换向管下进、排水槽在换向移动时完全对口连通。同时简化上/下冲击锤进、排水流道为同一流道，上/下冲击锤进、排水孔为同一孔位。同一流道和孔位作为钻井液出口，又在完成轴向冲击后供钻井液排泄，没有分别开设专用于进、排钻井液的专用流道，使工具结构更加简化。
29.进一步的，变径喷嘴8在中间管3下部以螺纹相连，为增加其强度在变径喷嘴8下端设喷嘴座9，也以螺纹与中间管3相连，喷嘴座9与中间管3相连后在中间管3下端至喷嘴座9内孔间设有多道排水孔，作为钻井液完成冲击后的排泄流道，与通过变径喷嘴8后的钻井液合并排向钻头接头，完成全部钻井液的排泄。
30.进一步的，轴冲锤5由上锤体和下锤体螺接组成，便于装配，且上锤体下部内径大于上锤体上部内径，上锤体上部内径与换向管外径相吻合，上锤体下部内径与凸台阶外径相吻合，下锤体上端面作为启动腔内底面。
31.参照图1-4，一种轴冲带动扭转的钻井提速工具的轴冲锤5向下冲击运动，中间管3中的高压钻井液在经过下端的变径喷嘴8变径增压后，部分回流从中间管启动液出水槽311冲流向换向管启动液下进排水口3122，进入换向管4的凸头台阶与轴冲锤5内凹部形成的启动腔204，推动换向管4向上移动。此时，原处在封闭状态的中间管上进水口301与换向管上进水槽305对上连通，钻井液就通过上轴冲锤进排水流道303自上轴冲锤进排水孔302冲压进入轴冲锤5与轴冲内筒6内上端面形成的冲击腔201，使轴冲击锤5下行同时带动换向管4相对中间管3下行。轴冲锤5下行撞击轴冲底座10时，中间管3上的中间管启动液出水槽311，与换向管启动液上进排水口3121连通，钻井液进入另一侧的启动腔204，使换向管4下移，此时，中间管下进水口306与换向管下进水槽307连通，钻井液开始进入下轴冲锤进排水流道308，通过下轴冲锤进排水孔310，进入轴冲锤5与轴冲底座10之间的下冲击腔201，使轴冲击锤5上行同时带动换向管4相对中间管3上行。如此往复循环推动轴冲锤5上、下运动的冲击功能。
32.参照附图1-4和7，一种轴冲带动扭转的钻井提速工具的轴冲锤5，在完成上、下运动冲击后，在冲击腔201内的钻井液通过上、下轴冲锤进排水孔302、310，经上、下轴冲锤进排水流道303、308流向换向管上、下排水槽304、309，通过中间管上、中、下排水流道313、315、314，流经喷嘴座9的流孔排向钻头接头18至体外，就此完成钻井液的排泄。
33.键轴组件包括八角螺套11和横销轴12，八角螺套11上部通过外螺纹与轴冲内筒6的内螺纹螺接固定，且八角螺套11的内八角与钻头接头18上部的外八角键插入配合，键连接处开有径向贯穿钻头接头和八角螺套的轴向定位腔，轴向定位腔与钻头接头内孔相通，
轴向定位腔内设横销轴12实现钻头接头与八角螺套的同步轴向移动。钻头接头内孔还套设有横销轴12安装后用于封闭轴向定位腔的限位螺套17，轴向定位腔一端通过轴冲内筒6内壁封闭，另一端通过限位螺套17封闭。八角螺套11下部外凸卡合于轴冲内筒下端面和第一台阶401之间，八角螺套11下端面与第一台阶401之间设有减少轴冲总成扭转阻力的滚珠圈且八角螺套11下端面与第一台阶401之间留有第一下轴向间隙2032。定位套14外侧封堵有用于防掉的滚轮封盖13，滚轮螺旋槽205与滚轮总成一一对应。滚轮螺旋槽的个数为两个。
34.参照图1-4和8，一种轴冲带动扭转的钻井提速工具，轴冲锤5在高压钻井液不断变换流道中完成上下窜动，循环撞击轴冲内筒6上部的第二台阶402和安装在轴冲内筒6下部的轴冲底座10，由轴冲底座10与八角螺套11上端紧贴，而八角螺套11与轴冲内筒6下部以螺纹固定连接，八角螺套11通过横销轴与钻头接头18固定连为一体。使轴冲锤5上下窜动冲击都发生在轴冲内筒6内部，也带动了轴冲内筒协同钻头接头轴向冲击运动。
35.外体7上部内壁内凹形成第三台阶403，上接头1与外体7上部螺接固定，且上接头1下端面位于第三台阶403上方，上接头1下端面与轴冲内筒6上端面之间留有第一上轴向间隙2031。
36.参照附图1和6，钩头组件包括第一钩块和挡块19，钻头接头与下体下端面相贴面为第一平面，第一平面上凸形成第一钩块，第一钩块一侧与钩状凹槽20的钩部相配合，另一侧与挡块19相贴，第二间隙包括第二轴向间隙2032和周向间隙202，钩状凹槽20上、下钩面的间距大于第一钩块上、下钩面的间距形成第二轴向间隙，第一平面紧贴第一钩块开有垂向贯穿钻头接头的挡块凹嵌槽，挡块19嵌合式固定于挡块凹嵌槽内，且钩形凹槽20与第一钩块的宽度差大于挡块的宽度形成周向间隙。安装时，将第一钩块对齐钩状凹槽开口，转动卡位后插入挡块，挡块螺接固定于挡块凹嵌槽内。
37.第一钩块的最大宽度小于钩状凹槽20的最小宽度，且钩头组件的最大宽度大于钩状凹槽20的最小宽度，实现钻头接头18与外体7下端的钩状连接与防掉。
38.为保证轴向冲击距离，本发明在轴冲内筒6上端和上接头1下端间设有第一上轴向间隙2031；在八角螺套11下端面与第一台阶401之间设有第一下轴向间隙2032，第一上轴向间隙2031和第一下轴向间隙2032构成供轴冲内筒轴向移动的第一轴向间隙；外体7下端与钩头组件之间设有第二轴向间隙203。第一轴向间隙与第二轴向间隙2031的轴向距离大小相等，其轴向距离大小可根据不同地层和钻头特性选定。
39.参照图1-6轴冲带动扭转的钻井提速工具，其轴冲总成工作在第一台阶401内，已有效防止轴冲总成内全部零件掉脱落井，由钻头接头18上部的横销轴12、中部滚轮总成插入、下部钩头组件钩连外体7且由挡块19固定。以上三道防线防止钻头接头18的掉脱，有效保证了井下安全。
40.本工具冲击锤产生的轴冲运动都发生在轴冲内筒6以内，所以能直接带动钻头接头18上、下冲击运动，克服了通常轴冲锤5在轴向下行运动后依靠钻头对地层的反作用力而上升的运动方式，使冲击锤5上升冲击第二台阶402下端面时直接带动钻头接头18上窜。
41.综上所述，说明轴向冲击带动扭转的钻井提速工具，在高压钻井液驱动下，在旋转钻井的同时，由钻井液作用完成轴冲锤的上下窜动撞击，使轴冲内筒带动钻头接头直接轴向冲击，没有任何其它额外消耗。且轴冲锤体积重大，其产生的冲击功是巨大的，在轴向冲击的同时，钻头接头受滚轮总成和滚轮螺旋槽的作用，合并产生同步周向扭转。这样轴、扭
冲击合并直接作用在钻头上，带来的钻井碎石破岩效果也是很大的。所以对钻井提速、缩短建井周期的效率更加明显，钻井作业的经济效益就大幅提升了。
42.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。