一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具

技术领域

本发明涉及一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，属石油、天然气开采钻井工具技术领域。

背景技术

目前，常规能源开采已达70％以上，能源供需矛盾不断升级，页岩气、水溶气、致密砂岩气等非常规能源逐渐得到人们的广泛关注，石油开采技术也随之发展，许多新型钻井工具也随之被研发使用，使复杂、非常规的钻探成为可能。中国非常规能源丰富，但具有地质年代老、埋深大、热演化程度高、构造和地貌条件复杂的特点。钻井提速问题任然是相关领域研究中的重点。在大多非常规井中，由于井身结构和岩石可钻性差，钻柱与井壁之间的摩擦比常规井更大，会导致托压、卡钻现象的出现，钻头破岩能量的需求也随之增加，降低了钻井效率。针对上述问题冲击钻井提速工具被研发和使用于钻采作业中，高频冲击载荷可加速岩石破碎、减少摩阻、增加水平进尺和提升钻速，缩短钻井周期和提高钻井效率。目前冲击钻井方式主要包括两类：轴向冲击和扭转冲击，其中轴向冲击方式应用最为广泛。

最常用的井下动力工具螺杆钻具和涡轮钻具可用于增大钻头处的扭矩从而提高钻井效率。随着井深的变深、温度的提高，螺杆结构由于其磨损严重且不耐高温，逐渐体现出一定的技术不适应性，然而涡轮结构具有工作可靠、耐高温和压降小等优点，可应用于深井、超深井和地热井等非常规井身结构中，是冲击钻井提速工具动力结构的发展方向。

基于此，本文在现有研究的基础上，提出一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，用工作稳定可靠的涡轮产生动力带动凸轮、滚轮转动，以此来产生反复稳定的轴向冲击，实现钻井效率的提升。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有非常规井中，由于井身结构和岩石可钻性差，钻头破岩能量的需求也随之增加，同时会导致托压、卡钻的现象，钻井液的携岩能力低和振动效果不理想的问题，设计一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具。

为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，由拉杆、O形密封圈A、滑套、滑动扶正轴承A、上壳体、套筒A、圆柱凸轮、O形密封圈B、短壳体、滚轮、滚轮保持架、螺钉、支撑座、双列深沟球轴承、滑动扶正轴承B、传动轴、套筒B、O形密封圈C、中壳体、下壳体、涡轮、涡轮轴、涡轮定子压帽、涡轮转子压帽、接头组成，其技术特征在于，上壳体和中壳体通过锥形螺纹连接在短壳体两端；下壳体通过螺纹上端连接于中壳体，下端连接于接头；拉杆和圆柱凸轮通过螺纹连接；传动轴通过下端花键随涡轮轴转动，再通过上端花键向拉杆和圆柱凸轮传递扭矩；滚轮保持架与支撑座通过螺钉连接；滚轮安装在滚轮保持架的半圆凹槽内；拉杆与上壳体上部安装有O形密封圈A，拉杆下端台阶处安装有滑套，拉杆可旋转和轴向振动；滑动扶正轴承A位于滑套和套筒A之间，其上端外圈用滑套定位，其下端内圈用套筒A定位；圆柱凸轮上端面与套筒A接触，下端面与滚轮滚动接触，下端面设计有凸轮轨道，下端台阶与上壳体底部接触，圆柱凸轮下部与传动轴之间安装有O形密封圈B；滚轮和滚轮保持架位于短壳体与传动轴之间；支撑座上端面用短壳体定位，下端面与双列深沟球轴承外圈和中壳体接触，变截面处用传动轴台阶定位；滑动扶正轴承B装于双列深沟球轴承下，其台阶处与中壳体接触，防止部件轴向窜动，其下端面内圈用套筒B定位；中壳体底部与涡轮轴上部接触，其上装有O形密封圈A；涡轮轴上部与传动轴结合处装有O形密封圈C，其下端装有涡轮定子压帽；涡轮安装在涡轮轴与下壳体之间，利用涡轮轴、下壳体上台阶、涡轮定子压帽和涡轮转子压帽定位；钻井液从所述拉杆的锥形口流入，先通过拉杆和传动轴的中间流道流入涡轮轴的上部流道，再通过涡轮轴上部流道处开有的斜孔流向下壳体内腔，然后通过涡轮时带动其旋转，最后从接头流出；所述涡轮轴随涡轮一起旋转，通过其上部花键向传动轴传递扭矩；所述拉杆和圆柱凸轮由传动轴上部花键传递的扭矩而旋转；在钻压影响下，所述拉杆和圆柱凸轮上行，使滚轮与圆柱凸轮紧密接触；所述滚轮在滚轮保持架的约束下沿圆柱凸轮下端面上的凸轮轨道滚动，滚轮沿凸轮轨道上行工作面滚动时存储冲击能量，当滚轮沿凸轮轨道下行工作面跌落时，由于拉杆内端面和传动轴上端面的距离小于凸轮轨道上行工作面顶端与下行工作面底端的高度差，因此拉杆内端面和传动轴上端面接触处会产生轴向冲击。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述拉杆和圆柱凸轮在钻压为0时，由于重力而相对下行，使滚轮与凸轮轨道脱离,当下行距离为8～19mm时，轴向冲击结构处于防空打状态。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述涡轮将运动流体的能量转换为机械能，先后带动涡轮轴、传动轴、圆柱凸轮和拉杆做旋转运动。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述滚轮数量为两个或者三个，对应滚轮保持架的半圆凹槽数量为两个或者三个。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述圆柱凸轮的凸轮轨道工作面为两个或者三个，圆柱凸轮转速为150～200r/min，振动频率在5HZ到10HZ之间。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述拉杆内端面和传动轴上端面的距离为5～10mm，凸轮轨道上行工作面顶端与下行工作面底端的高度差为8～15mm，拉杆内端面和传动轴上端面的距离比凸轮轨道上行工作面顶端与下行工作面底端的高度差小3～5mm。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述圆柱凸轮的台阶用于防止圆柱凸轮和用螺纹与其连接的拉杆脱落；所述圆柱凸轮上设有密封圈沟槽，用于密封拉杆和传动轴。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述滚轮保持架下端面开有三个螺纹孔，用于通过螺钉与支撑座连接；所述支撑座上端面用短壳体定位，可以防止滚轮、滚轮保持架掉落，支撑座变截面与传动轴台阶接触，用于防止传动轴向下掉落或窜动。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述涡轮轴上部设有密封圈沟槽，用于密封传动轴和涡轮轴。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述涡轮的涡轮定子通过涡轮定子压帽压紧固定于下壳体内，涡轮定子压帽通过下壳体台阶轴向定位；所述涡轮的涡轮转子通过涡轮转子压帽压紧固定于涡轮轴上，涡轮转子压帽通过螺纹与涡轮轴连接。

本发明与现有技术比较，其有益效果是：(1)本发明主体结构由纯金属零件组成，较之螺杆动力驱动，没有橡胶衬套对高温的敏感的原件，有耐高温耐磨损的性能；(2)本发明采用涡轮驱动，具有工作可靠、压降小和耐高温等优点，没有偏心引起的径向振动，可提高钻具的稳定性和使用寿命，在非常规井中也有较好的适应性；(3)本发明采用圆柱凸轮和滚轮产生轴向冲击，结构简单且产生的冲击效果好，冲击幅值、频率易控制；(4)本发明结构简单、无电子元器件、操作方便、安全可靠、适应性强、对下部钻具影响小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

1-拉杆、2-O形密封圈A、3-滑套、4-滑动扶正轴承A、5-上壳体、6-套筒A、7-圆柱凸轮、8-O形密封圈B、9-短壳体、10-滚轮、11-滚轮保持架、12-螺钉、13-支撑座、14-双列深沟球轴承、15-滑动扶正轴承B、16-传动轴、17-套筒B、18-O形密封圈C、19-中壳体、20-下壳体、21-涡轮、22-涡轮轴、23-涡轮定子压帽、24-涡轮转子压帽、25-接头

图2为本发明的圆柱凸轮三维示意图；

图3为本发明的滚轮保持架三维示意图；

图4为本发明的圆柱凸轮、滚轮和滚轮保持架装配示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的,而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下,技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

根据附图所示，所述涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，主要由拉杆1、O形密封圈A2、滑套3、滑动扶正轴承A4、上壳体5、套筒A6、圆柱凸轮7、O形密封圈B8、短壳体9、滚轮10、滚轮保持架11、螺钉12、支撑座13、双列深沟球轴承14、滑动扶正轴承B15、传动轴16、套筒B17、O形密封圈C18、中壳体19、下壳体20、涡轮21、涡轮轴22、涡轮定子压帽23、涡轮转子压帽24、接头25组成，其技术特征在于，上壳体5和中壳体19通过锥形螺纹连接在短壳体9两端；下壳体20通过螺纹上端连接于中壳体19，下端连接于接头25；拉杆1和圆柱凸轮7通过螺纹连接；传动轴16通过下端花键随涡轮轴22转动，再通过上端花键向拉杆1和圆柱凸轮7传递扭矩；滚轮保持架11与支撑座13通过螺钉连接；滚轮10安装在滚轮保持架11的半圆凹槽内；拉杆1与上壳体5上部安装有O形密封圈A2，拉杆1下端台阶处安装有滑套3，拉杆1可旋转和轴向振动；滑动扶正轴承A4位于滑套3和套筒A6之间，其上端外圈用滑套3定位，其下端内圈用套筒A6定位；圆柱凸轮7上端面与套筒A6接触，下端面与滚轮10滚动接触，下端面设计有凸轮轨道，下端台阶与上壳体5底部接触，圆柱凸轮7下部与传动轴16之间安装有O形密封圈B8；滚轮10和滚轮保持架11位于短壳体9与传动轴16之间；支撑座13上端面用短壳体9定位，下端面与双列深沟球轴承14外圈和中壳体19接触，变截面处用传动轴16台阶定位；滑动扶正轴承B15装于双列深沟球轴承14下，其台阶处与中壳体19接触，防止部件轴向窜动，其下端面内圈用套筒B17定位；中壳体19底部与涡轮轴22上部接触，其上装有O形密封圈A2；涡轮轴22上部与传动轴16结合处装有O形密封圈C18，其下端装有涡轮定子压帽23；涡轮21安装在涡轮轴22与下壳体20之间，利用涡轮轴22、下壳体20上台阶、涡轮定子压帽23和涡轮转子压帽24定位；钻井液从所述拉杆1的锥形口流入，先通过拉杆1和传动轴16的中间流道流入涡轮轴22的上部流道，再通过涡轮轴22上部流道处开有的斜孔流向下壳体20内腔，然后通过涡轮21时带动其旋转，最后从接头25流出；所述涡轮轴22随涡轮21一起旋转，通过其上部花键向传动轴16传递扭矩；所述拉杆1和圆柱凸轮7由传动轴16上部花键传递的扭矩而旋转；在钻压影响下，所述拉杆1和圆柱凸轮7上行，使滚轮10与圆柱凸轮7紧密接触；所述滚轮10在滚轮保持架11的约束下沿圆柱凸轮7下端面上的凸轮轨道滚动，滚轮10沿凸轮轨道上行工作面滚动时存储冲击能量，当滚轮10沿凸轮轨道下行工作面跌落时，由于拉杆1内端面和传动轴16上端面的距离小于凸轮轨道上行工作面顶端与下行工作面底端的高度差，因此拉杆1内端面和传动轴16上端面接触处会产生轴向冲击。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述拉杆1和圆柱凸轮7在钻压为0时，由于重力而相对下行，使滚轮10与凸轮轨道脱离,当下行距离为8～19mm时，轴向冲击结构处于防空打状态。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述涡轮21将运动流体的能量转换为机械能，先后带动涡轮轴22、传动轴16、圆柱凸轮7和拉杆1做旋转运动。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述滚轮10数量为两个或者三个，对应滚轮保持架11的半圆凹槽数量为两个或者三个。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述圆柱凸轮7的凸轮轨道工作面为两个或者三个，圆柱凸轮7转速为150～200r/min，振动频率在5HZ到10HZ之间。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述拉杆1内端面和传动轴16上端面的距离为5～10mm，凸轮轨道上行工作面顶端与下行工作面底端的高度差为8～15mm，拉杆1内端面和传动轴16上端面的距离比凸轮轨道上行工作面顶端与下行工作面底端的高度差小3～5mm。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述圆柱凸轮7的台阶用于防止圆柱凸轮7和用螺纹与其连接的拉杆1脱落；所述圆柱凸轮7上设有密封圈沟槽，用于密封拉杆1和传动轴16。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述滚轮保持架11下端面开有三个螺纹孔，用于通过螺钉12与支撑座13连接；所述支撑座13上端面用短壳体9定位，可以防止滚轮10、滚轮保持架11掉落，支撑座13变截面与传动轴16台阶接触，用于防止传动轴16向下掉落或者窜动。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述涡轮轴22上部设有密封圈沟槽，用于密封传动轴16和涡轮轴22。

所述的一种涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具，其特征在于所述涡轮21的涡轮定子通过涡轮定子压帽23压紧固定于下壳体20内，涡轮定子压帽23通过下壳体20台阶轴向定位；所述涡轮21的涡轮转子通过涡轮转子压帽24压紧固定于涡轮轴22上，涡轮转子压帽24通过螺纹与涡轮轴22连接。

本发明的涡轮驱动的近钻头高频轴向冲击提速工具具体工作过程如下：

钻井液从拉杆1的锥形口流入，先通过拉杆1和传动轴16的中间流道流入涡轮轴22的上部流道，再通过涡轮轴22上部流道处开有的斜孔流向下壳体20内腔，然后通过涡轮21时带动其旋转，涡轮轴22随涡轮21一起旋转，通过其上部花键向传动轴16传递扭矩；拉杆1和圆柱凸轮7由传动轴16上部花键传递的扭矩而旋转；在钻压影响下，拉杆1上行，通过拉杆1与圆柱凸轮7相连接的螺纹和下端台阶先后推动滑套3、滑动扶正轴承A4、套筒A6使圆柱凸轮7上行，让滚轮10与圆柱凸轮7紧密接触；滚轮10在滚轮保持架11的约束下沿圆柱凸轮7下端面上的凸轮轨道滚动，滚轮10沿凸轮轨道上行工作面滚动时存储冲击能量，当滚轮10沿凸轮轨道下行工作面跌落时，由于拉杆1内端面和传动轴16上端面的距离小于凸轮轨道上行工作面顶端与下行工作面底端的高度差，因此拉杆1内端面和传动轴16上端面接触处会产生轴向冲击；如此反复，便会在钻柱中产生一个周期性的轴向冲击。