申请/专利权人：中国地质科学院勘探技术研究所

申请日：2019-07-26

公开（公告）日：2024-02-06

公开（公告）号：CN110259374B

主分类号：E21B4/02

分类号：E21B4/02;E21B4/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.06#授权;2019.10.22#实质审查的生效;2019.09.20#公开

摘要：本发明公开了一种高温硬岩提速钻具，包括动力总成和冲击总成，所述动力总成从上到下依次为上连接接头、涡轮组上压盖、涡轮副、涡轮管、涡轮轴、涡轮组下压盖、万向节和连接管；冲击总成包括冲击组件上压盖、冲击管、冲击块、冲击轴、冲击组件下压盖及下连接接头，所述的高温硬岩提速钻具通过涡轮组带动冲击组件进行回转冲击，并将旋转冲击力传递到钻头，提高钻头的碎岩剪切效率，同时消除钻柱的粘滑振动，提高钻进效率。该钻具结构简单，不含电子元器件及橡胶等零部件，对深孔高温高压环境具有良好的适应性。

主权项：1.一种高温硬岩提速钻具，包括动力总成（15）和冲击总成（16），其特征在于：所述的动力总成（15）从上到下依次由上连接接头（1）、涡轮组上压盖（2）、涡轮副（3）、涡轮管（4）、涡轮轴（5）、涡轮组下压盖（6）、万向节（7）和连接管（8）组成，上连接接头（1）、涡轮管（4）和连接管（8）通过螺纹连接起来，上连接接头（1）的上端螺纹与钻杆连接，连接管（8）的下端与冲击管（10）的上端螺纹连接，涡轮副（3）串装于涡轮轴（5）上，接着套装于涡轮管（4）的中心孔内，然后将涡轮组上压盖（2）和涡轮组下压盖（6）安装于涡轮轴（5）的两端，最后通过上连接接头（1）和连接管（8）将涡轮组上压盖（2）和涡轮组下压盖（6）进行轴向定位；冲击总成（16）包括冲击组件上压盖（9）、冲击管（10）、冲击块（11）、冲击轴（12）、冲击组件下压盖（13）及下连接接头（14），其中所述的万向节（7）上端与涡轮轴（5）通过销子连接，其下端与冲击轴（12）的上端通过销子连接，并传递动力总成（15）与冲击总成（16）之间的扭矩，冲击管（10）的上端与连接管（8）的下端通过螺纹连接，冲击管（10）的下端与下连接接头（14）的上端通过螺纹连接，下连接接头（14）下端螺纹与钻头连接，冲击轴（12）上套装冲击块（11），并在冲击轴（12）的两端安装冲击组件上压盖（9）和冲击组件下压盖（13），然后通过连接管（8）和下连接接头（14）的内台阶实现冲击轴（12）的轴向定位；所述冲击管（10）具有异形截面，冲击块（11）由冲击块A（111）和冲击块B（112）组成，冲击块A（111）和冲击块B（112）通过锥型齿啮合在一起，分别将冲击块A（111）和冲击块B（112）上用冲击销（113）贯穿于冲击轴（12）上；所述涡轮轴（5）与涡轮组上压盖（2）、涡轮组下压盖（6）之间安装了涡轮组上轴承（17）和涡轮组下轴承（18），在涡轮组上轴承（17）和涡轮组下轴承（18）侧面布置了涡轮组上防尘密封（21）和涡轮组下防尘密封（22），防止泥浆中的固体颗粒进入到在涡轮组上轴承（17）和涡轮组下轴承（18）内，同样地，在冲击轴（12）与冲击组件上压盖（9）、冲击组件下压盖（13）之间安装了冲击组件上轴承（19）和冲击组件下轴承（20），冲击组件上轴承（19）和冲击组件下轴承（20）侧面布置了冲击组件上防尘密封（23）和冲击组件下防尘密封（24）。

全文数据：一种高温硬岩提速钻具技术领域本发明涉及井下勘探器具技术领域，特别涉及一种高温硬岩提速钻具。背景技术随着干热岩及油气资源勘探逐步向深部推进，在钻井过程将会面临越来越复杂的井下环境，同时地层物化性质也跟浅部地层呈现出明显的差异，此时常规的钻井器具在钻井效率和使用寿命方面将会表现出明显的不适应。为此，针对深部钻井过程中遇到的高温、坚硬等难钻进地层，为了提高钻进效率，在提速增效钻具方面开展了专门的技术攻关和样机研发。根据目前在深部钻井方面遇到的难题，研发的提速增效钻具应具备以下技术优势：1、耐高温性能要好，根据加拿大研制的TorkBuster扭力冲击器，其耐高温能力可达到210℃，对于深井的高温环境有良好的适应性；2、钻具结构应简单，减少提钻维修次数，最好不含电子元器件和橡胶等零部件；3、最好能充分利用泥浆的能量来为提速增效钻具提供动力，简化能量的传递流程，提高传递效率，同时提高提速钻具工作的可靠性；4、最好能与其他钻具联合使用，增强钻头的碎岩效果。针对深部钻井面临的新挑战，一种高温硬岩提速钻具提供了一种较好的解决办法，采用泥浆为提速钻具提供动力，以扭转冲击增强碎岩效果，同时还能够有效减轻下部钻具的粘滑振动现象，提高钻进速度。发明内容本发明为了解决上述背景技术中，针对深孔钻进速度慢、井下高温等难题，而提出了一种高温硬岩提速钻具，它可通过涡轮组件带动冲击组件产生高频扭向冲击，以此消除钻头的粘滑振动，提高钻头的碎岩效率，进而提高钻进速度。一种高温硬岩提速钻具，包括动力总成和冲击总成，其中所述的动力总成从上到下依次由上连接接头、涡轮组上压盖、涡轮副、涡轮管、涡轮轴、涡轮组下压盖、万向节和连接管组成，上连接接头、涡轮管和连接管通过螺纹连接起来，上连接接头的上端螺纹与钻杆连接，连接管的下端与冲击管的上端螺纹连接，涡轮副串装于涡轮轴上，接着套装于涡轮管的中心孔内，然后将涡轮组上压盖和涡轮组下压盖安装于涡轮轴的两端，最后通过上连接接头和连接管将涡轮组上压盖和涡轮组下压盖进行轴向定位；冲击总成包括冲击组件上压盖、冲击管、冲击块、冲击轴、冲击组件下压盖及下连接接头，其中所述的万向节上端与涡轮轴通过销子连接，其下端与冲击轴的上端通过销子连接，并传递动力总成与冲击总成之间的扭矩，冲击管的上端与连接管的下端通过螺纹连接，冲击管的下端与下连接接头的上端通过螺纹连接，下连接接头下端螺纹与钻头连接，冲击轴上套装冲击块，并在冲击轴的两端安装冲击组件上压盖和冲击组件下压盖，然后通过连接管和下连接接头的内台阶实现冲击轴的轴向定位；所述的冲击管具有异形截面，冲击块由冲击块A和冲击块B组成，冲击块A和冲击块B通过锥型齿啮合在一起，分别将冲击块A和冲击块B用冲击销贯穿于冲击轴上；所述涡轮轴与涡轮组上压盖、涡轮组下压盖之间安装了涡轮组上轴承和涡轮组下轴承，在涡轮组上轴承和涡轮组下轴承侧面布置了涡轮组上防尘密封和涡轮组下防尘密封，防止泥浆中的固体颗粒进入到在涡轮组上轴承和涡轮组下轴承内，同样地，在冲击轴与冲击组件上压盖、冲击组件下压盖之间安装了冲击组件上轴承和冲击组件下轴承，冲击组件上轴承和冲击组件下轴承侧面布置了冲击组件上防尘密封和冲击组件下防尘密封。本发明的工作原理和过程：一、本发明使用前，先将本钻具组装好，上连接接头的上端螺纹与钻杆连接，下连接接头下端螺纹与钻头连接；二、开动钻机，本钻具随钻头被下放到井内，当动力总成下放到井底后，泥浆泵所产生的泥浆进入涡轮管中，泥浆驱动涡轮副转动，从而带动涡轮轴旋转，接着通过万向节将扭矩传递给冲击轴；三、冲击轴带动冲击块转动，冲击块撞击冲击管上的台阶产生扭向的冲击力，产生扭向的冲击力的过程分为四个步骤：第一步冲击块A和冲击块B随着冲击轴一起转动，冲击块A首先撞击到冲击管的内台阶上，同时促使冲击块A向转动方向相反的方向运动，从而通过啮合的锥形齿带动冲击块B沿着冲击轴旋转方向转动；第二步冲击块A运动到冲击轴上的限位后，此时冲击块A的延伸外径最小，即可通过冲击管最小内径，同时冲击块B也达到运动限位，此时冲击块B的延伸外径最大；第三步冲击块B运动到冲击管的内台阶处产生扭转冲击，接着冲击块B向旋转方向相反方向转动，达到运动限位，此时冲击块B的延伸外径最小，可通过冲击管的最小内径；第四步在冲击块B延伸外径最小时，冲击块A的延伸外径达到最大，此后重复第一步的冲击，因此冲击轴每转一周，产生两次冲击；四、最终由冲击块产生的冲击力，由冲击管经下连接接头传递给钻头，从而达到对钻头产生周期性冲击的效果。本发明的有益效果：在钻进过程中，通过涡轮组带动冲击组件进行回转冲击，并将旋转冲击力传递到钻头，提高钻头的碎岩剪切效率，同时减轻钻柱的粘滑振动，由于该钻具结构简单，零部件较少，不包含橡胶件及电子元器件等，适用于深孔高温高压条件下的钻进环境，经过试验验证，冲击总成在动力总成的带动下，冲击次数可达600-1200次min，单次冲击扭力为800-1500N.m，能够有效增强硬岩的破碎效果和钻进效率，本发明可通过涡轮组件带动冲击组件产生高频扭向冲击，以此消除钻头的粘滑振动，提高钻头的碎岩效率，进而提高钻进速度。附图说明图1是高温硬岩提速钻具结构示意图；图2是冲击管剖面结构示意图；图3是扭转冲击步骤一示意图；图4是扭转冲击步骤二示意图；图5是扭转冲击步骤三示意图；图6是扭转冲击步骤四示意图。图中各标号表示为：1、上连接接头，2、涡轮组上压盖，3、涡轮副，4、涡轮管，5、涡轮轴，6、涡轮组下压盖，7、万向节，8、连接管，9、冲击组件上压盖，10、冲击管，11、冲击块，111、冲击块A，112、冲击块B，113、冲击销，12、冲击轴，13、冲击组件下压盖，14、下连接接头，15、动力总成，16、冲击总成，17、涡轮组上轴承，18、涡轮组下轴承，19、冲击组件上轴承，20、冲击组件下轴承，21、涡轮组上防尘密封，22、涡轮组下防尘密封，23、冲击组件上防尘密封，24、冲击组件下防尘密封。具体实施方式请参阅图1至图6所示，一种高温硬岩提速钻具，包括动力总成15和冲击总成16；所述的动力总成15从上到下依次由上连接接头1、涡轮组上压盖2、涡轮副3、涡轮管4、涡轮轴5、涡轮组下压盖6、万向节7和连接管8组成，上连接接头1、涡轮管4和连接管8通过螺纹连接起来，上连接接头1的上端螺纹与钻杆连接，连接管8的下端与冲击管10的上端螺纹连接，涡轮副3串装于涡轮轴5上，接着套装于涡轮管4的中心孔内，然后将涡轮组上压盖2和涡轮组下压盖6安装于涡轮轴5的两端，最后通过上连接接头1和连接管8将涡轮组上压盖2和涡轮组下压盖6进行轴向定位；冲击总成16包括冲击组件上压盖9、冲击管10、冲击块11、冲击轴12、冲击组件下压盖13及下连接接头14，其中所述的万向节7上端与涡轮轴5通过销子连接，其下端与冲击轴12的上端通过销子连接，并传递动力总成15与冲击总成16之间的扭矩，冲击管10的上端与连接管8的下端通过螺纹连接，冲击管10的下端与下连接接头14的上端通过螺纹连接，下连接接头14下端螺纹与钻头连接，冲击轴12上套装冲击块11，并在冲击轴12的两端安装冲击组件上压盖9和冲击组件下压盖13，然后通过连接管8和下连接接头14的内台阶实现冲击轴12的轴向定位；所述的冲击管10具有异形截面，冲击块11由冲击块A111和冲击块B112组成，冲击块A111和冲击块B112通过锥型齿啮合在一起，分别将冲击块A111和冲击块B112上用冲击销113贯穿于冲击轴12上；所述涡轮轴5与涡轮组上压盖2、涡轮组下压盖6之间安装了涡轮组上轴承17和涡轮组下轴承18，在涡轮组上轴承17和涡轮组下轴承18侧面布置了涡轮组上防尘密封21和涡轮组下防尘密封22，防止泥浆中的固体颗粒进入到在涡轮组上轴承17和涡轮组下轴承18内，同样地，在冲击轴12与冲击组件上压盖9、冲击组件下压盖13之间安装了冲击组建上轴承19和冲击组件下轴承20，冲击组件上轴承19和冲击组件下轴承20侧面布置了冲击组件上防尘密封23和冲击组件下防尘密封24。本发明的工作原理和过程：一、本发明使用前，先将本钻具组装好，上连接接头1的上端螺纹与钻杆连接，下连接接头14下端螺纹与钻头连接；二、开动钻机，本钻具随钻头被下放到井内，当动力总成15下放到井底后，泥浆泵所产生的泥浆进入涡轮管4中，泥浆驱动涡轮副3转动，从而带动涡轮轴5旋转，接着通过万向节7将扭矩传递给冲击轴12；三、冲击轴12带动冲击块11转动，冲击块11撞击冲击管10上的台阶产生扭向的冲击力，产生扭向的冲击力的过程分为四个步骤：第一步冲击块A111和冲击块B112随着冲击轴12一起转动，冲击块A111首先撞击到冲击管10的内台阶上，同时促使冲击块A111向转动方向相反的方向运动，从而通过啮合的锥形齿带动冲击块B112沿着冲击轴12旋转方向转动；第二步冲击块A111运动到冲击轴12上的限位后，此时冲击块A111的延伸外径最小，即可通过冲击管10最小内径，同时冲击块B112也达到运动限位，此时冲击块B112的延伸外径最大；第三步冲击块B112运动到冲击管10的内台阶处产生扭转冲击，接着冲击块B112向旋转方向相反方向转动，达到运动限位，此时冲击块B112的延伸外径最小，可通过冲击管10的最小内径；第四步在冲击块B112延伸外径最小时，冲击块A111的延伸外径达到最大，此后重复第一步的冲击，因此冲击轴12每转一周，产生两次冲击；四、最终由冲击块产生的冲击力，由冲击管10经下连接接头14传递给钻头，从而达到对钻头产生周期性冲击的效果。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

权利要求：1.一种高温硬岩提速钻具，包括动力总成15和冲击总成16，其特征在于：所述的动力总成15从上到下依次由上连接接头1、涡轮组上压盖2、涡轮副3、涡轮管4、涡轮轴5、涡轮组下压盖6、万向节7和连接管8组成，上连接接头1、涡轮管4和连接管8通过螺纹连接起来，上连接接头1的上端螺纹与钻杆连接，连接管8的下端与冲击管10的上端螺纹连接，涡轮副3串装于涡轮轴5上，接着套装于涡轮管4的中心孔内，然后将涡轮组上压盖2和涡轮组下压盖6安装于涡轮轴5的两端，最后通过上连接接头1和连接管8将涡轮组上压盖2和涡轮组下压盖6进行轴向定位；冲击总成16包括冲击组件上压盖9、冲击管10、冲击块11、冲击轴12、冲击组件下压盖13及下连接接头14，其中所述的万向节7上端与涡轮轴5通过销子连接，其下端与冲击轴12的上端通过销子连接，并传递动力总成15与冲击总成16之间的扭矩，冲击管10的上端与连接管8的下端通过螺纹连接，冲击管10的下端与下连接接头14的上端通过螺纹连接，下连接接头14下端螺纹与钻头连接，冲击轴12上套装冲击块11，并在冲击轴12的两端安装冲击组件上压盖9和冲击组件下压盖13，然后通过连接管8和下连接接头14的内台阶实现冲击轴12的轴向定位。2.根据权利要求1所述的一种高温硬岩提速钻具，其特征在于：所述冲击管10具有异形截面，冲击块11由冲击块A111和冲击块B112组成，冲击块A111和冲击块B112通过锥型齿啮合在一起，分别将冲击块A111和冲击块B112上用冲击销113贯穿于冲击轴12上。3.根据权利要求1所述的一种高温硬岩提速钻具，其特征在于：所述涡轮轴5与涡轮组上压盖2、涡轮组下压盖6之间安装了涡轮组上轴承17和涡轮组下轴承18，在涡轮组上轴承17和涡轮组下轴承18侧面布置了涡轮组上防尘密封21和涡轮组下防尘密封22，防止泥浆中的固体颗粒进入到在涡轮组上轴承17和涡轮组下轴承18内，同样地，在冲击轴12与冲击组件上压盖9、冲击组件下压盖13之间安装了冲击组件上轴承19和冲击组件下轴承20，冲击组件上轴承19和冲击组件下轴承20侧面布置了冲击组件上防尘密封23和冲击组件下防尘密封24。

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