一种用于产生液力脉冲的钻井装置

技术领域

本发明涉及一种钻井装置，具体是一种用于产生液力脉冲的钻井装置，属于机械工程或钻井工程技术领域。

背景技术

在钻井过程中，随着钻进的不断进行，井深增大、岩石的强度和硬度也提高，造成机械钻速低和岩屑运移困难等难题。井底连续喷射的钻井液调制为脉冲喷射，可以降低岩石的破碎难度，有效提高井底岩屑清洁能力，从而达到提高钻速的目的。

常见的井下脉冲射流发生装置，在不改变地面设备的基础上，利用特别设计的机构在井底实现流体的通阻变换或者周期性震荡，达到在井底产生脉冲射流的目的。然而，这类设计存在如下问题：(1)这类装置仅是对原有钻井液能量的重新分配，不但无外界能量的引进，还要损失掉一部分能量；(2)钻井液的能量随着井深的增加而降低，装置的提速效果也会受到影响。

为实现在现有钻井工艺的基础上引入液力脉冲，用于解决深部硬地层机械钻速低和岩屑运移困难等难题，有必要设计新型的可产生液力脉冲的钻井装置。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种用于产生液力脉冲的钻井装置，用于在常规油气钻井工艺的基础上，向由钻柱流至钻头处的钻井液施加压力脉冲，从而提高破岩效率和加快井底岩屑的运移。

本发明采用的技术方案是：

一种用于产生液力脉冲的钻井装置，包括传动短节、芯轴、液动活塞、下本体和上本体，所述传动短节的上端与芯轴的下端通过螺纹连接，所述下本体和上本体通过螺纹连接，所述芯轴穿过下本体和上本体，所述传动短节内设有第三卡簧、弹簧支撑板、第三弹簧和憋压球，所述上本体与液动活塞间设有主弹簧，所述芯轴穿过液动活塞和主弹簧，所述液动活塞的下端安装有滚轮，所述芯轴的芯轴小径段上设有单向阀孔，所述单向阀孔内安装有单向阀，所述上本体的外壁中部设有第二卡簧槽、第二滤板槽、第二阀腔，所述第二卡簧槽内安装有第二卡簧、第二滤板槽内安装有第二滤板、第二阀腔内安装有第二阀体，所述第二阀体内设有第二开关帽，所述第二开关帽内设有第二弹簧且第二弹簧处于压缩状态，所述第二阀体所述上本体的内壁与芯轴小径段的外壁间、芯轴小径段的外壁与液动活塞的内壁间、外壁与液动活塞的外壁与下本体的内壁间均设有密封圈。

所述传动短节包括内锥面、弹簧空腔、弹簧支撑板槽和第三卡簧槽，所述弹簧空腔内安装有第三弹簧、弹簧支撑板槽内安装有弹簧支撑板、第三卡簧槽内安装有第三卡簧，所述第三弹簧的上端与内锥面间设有憋压球，所述第三弹簧处于压缩状态且上下两端分别抵住憋压球和弹簧支撑板，所述憋压球的直径大于内锥面顶端流体通道的内径。

进一步的，当钻井液未循环时，憋压球将传动短节的内锥面封堵。

所述芯轴还包括芯轴上螺纹、芯轴主流道、芯轴大径段和起伏面，所述芯轴上螺纹与螺杆钻具内的传动轴连接，所述芯轴主流道用于流通钻井液，所述芯轴大径段设于芯轴的下端，所述芯轴小径段与芯轴大径段的台阶处设有起伏面，所述起伏面绕圆周呈周期性的起伏形状。

进一步的，所述单向阀包括第一阀体、第一开关帽、第一弹簧、第一滤板和第一卡簧，所述第一开关帽、第一弹簧、第一滤板和第一卡簧均设置于第一阀体内，所述第一弹簧位于第一开关帽内且处于压缩状态，第一弹簧的两端分别抵住第一开关帽的端盖和第一滤板。

所述液动活塞上设有活塞纵槽、活塞内密封槽、活塞外密封槽和滚轮转轴，所述活塞纵槽设于液动活塞的上端外壁且绕圆周均匀分布，所述活塞内密封槽和活塞外密封槽内均设有密封圈，所述滚轮内设有内凹安装槽，所述滚轮转轴嵌入内凹安装槽中。

所述下本体的内壁设有传动键，所述传动键绕下本体均匀分布，所述一个传动键与一条活塞纵槽配合。

所述上本体还包括上连接螺纹、上本体密封槽和侧向流道，所述上连接螺纹与螺杆钻具的壳体连接，所述上本体密封槽内设有密封圈，所述侧向流道与第二阀腔连通。

所述第二阀体包括阀体侧流孔、阀体小径内筒、阀体大径内筒、钻井液连通槽和阀体定位键，所述阀体侧流孔与侧向流道连通，所述第二开关帽的外径小于阀体大径内筒的内径但大于阀体小径内筒的内径，所述阀体定位键嵌入第二空腔上的键槽内使第二阀体无法在第二空腔内转动。

一种用于产生液力脉冲的钻井装置的方法，当采用滑动钻井方式时，钻柱不转动，井底钻头由动力钻具的传动轴带动，本装置中上本体与螺杆钻具的壳体连接，上本体与下本体静止，液动活塞与下本体通过花键配合，即液动活塞相对下本体只能轴向移动而无法转动，芯轴在螺杆钻具的传动轴的驱动下相对下本体和液动活塞转动，由于芯轴上设有起伏面，芯轴转动过程中驱动液动活塞产生周期性的轴向移动，周期性地将液动活塞上部腔体中的流体通过单向阀压至芯轴主流道中；在液动活塞轴向运动过程中，下本体上的传动键沿液动活塞的活塞纵槽相对滑动，滚轮相对芯轴转动且沿起伏面上滑动；在液动活塞运动过程中，当滚轮由起伏面的坡底滑至坡顶时，液动活塞向上运动且主弹簧被进一步压缩，液动活塞上方腔体中的压力上升，液动活塞将其上腔体中的流体挤出至芯轴主流道，此时钻柱与井壁所形成的井眼外环空中的钻井泥浆无法通过第二阀体进入侧向流道；在滚轮由起伏面的坡顶滑至坡底过程中，主弹簧压缩程度减弱，液动活塞上方腔体中的流体压力减小，腔体中的流体无法通过单向阀流至芯轴主流道，而井眼外环空的流体则通过第二阀体，由侧向流道进入液动活塞上方的空腔中；当空腔中的流体被周期性地挤至芯轴主流道时，流经钻头的钻井液排量及压力均出现周期性的变化，即可产生用于提高破岩效率和携带岩屑的液力脉冲。

进一步的，当钻柱内的钻井液稳定流动时，钻井液驱动憋压球压缩第三弹簧，当流经憋压球与内锥面间的流道的钻井液流量和压力波动时，第三弹簧将驱动憋压球产生振动，进一步使钻井液流量和压力产生脉动。

进一步的，所述螺杆钻具包括旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，螺杆钻具与上部钻柱连接，钻井液流经旁通阀总成和防掉总成后流至马达总成，驱动螺杆转子转动并将扭矩经万向轴总成传至传动轴总成，传动轴总成中的传动轴将动力传至本装置中的芯轴，芯轴与传动短节连接从而将动力传至钻头。

进一步的，钻井过程中，钻柱施加的钻压给传动轴总成中的轴承作用于传动轴上，并进一步作用于芯轴和传动短节上，传至钻头用于破岩。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)当螺杆钻具的传动轴带动本发明装置中的芯轴和传动短节转动时，由于芯轴设有起伏面，使得液动活塞周期性地上下移动，从而压缩液动活塞上端人钻井液，使钻柱外环空的泥浆周期性地进入钻柱内，使钻井液的压力和流量均呈周期性地波动，所产生的液力脉冲可用于辅助钻头破岩和清除井底岩屑；(2)当井下流体出现异常时，井下流体作用下憋压球将内锥面完全封堵，从而可避免井下压力异常造成流体从钻柱内环空上涌；(3)本发明装置结构简单，无电子元器件，可适应井下复杂振动等苛刻环境，对现有动力钻具的钻井工艺无不良影响。

附图说明

图1为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置的结构示意图；

图2为图1中的A-A剖面示意图；

图3为图1中的B-B剖面示意图；

图4为图1中的C-C剖面示意图；

图5为图1中I区的局部放大示意图；

图6为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的传动短节的结构示意图；

图7为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的芯轴的结构示意图；

图8为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的芯轴的另一结构示意图；

图9为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的滚轮的结构示意图；

图10为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的液动活塞的结构示意图；

图11为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的下本体的结构示意图；

图12为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的下本体的另一结构示意图；

图13为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的上本体的另一结构示意图；

图14为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的上本体的另一结构示意图；

图15为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的第二阀体的结构示意图；

图16为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的第二阀体的另一结构示意图；

图17为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的第二滤板的结构示意图；

图18为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置中的单向阀的结构示意图；

图19为本发明一种用于产生液力脉冲的钻井装置与螺杆钻具连接时的结构示意图；

图中：1-传动短节，1a-内锥面，1b-弹簧空腔，1c-弹簧支撑板槽，1d-第三卡簧槽，2-第三卡簧，3-弹簧支撑板，4-第三弹簧，5-憋压球，6-芯轴，6a-芯轴上螺纹，6b-芯轴小径段，6c-芯轴主流道，6d-单向阀孔，6e-芯轴大径段，6f-起伏面，7-滚轮，7a-内凹安装槽，8-液动活塞，8a-活塞纵槽，8b-活塞内密封槽，8c-活塞外密封槽，8d-滚轮转轴，9-密封圈，10-单向阀，10a-第一阀体，10b-第一开关帽，10c-第一弹簧，10d-第一滤板，10e-第一卡簧，11-下本体，11a-传动键，12-主弹簧，13-上本体，13a-上连接螺纹，13b-上本体密封槽，13c-第二卡簧槽，13d-第二滤板槽，13e-第二阀腔，13f-侧向流道，14-第二卡簧，15-第二滤板，16-第二阀体，16a-阀体侧流孔，16b-阀体小径内筒，16c-阀体大径内筒，16d-钻井液连通槽，16e-阀体定位键，17-第二开关帽，18-第二弹簧，19-传动轴总成，20-万向轴总成，21-马达总成，22-防掉总成，23-旁通阀总成。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

如图1-18所示，一种用于产生液力脉冲的钻井装置，包括传动短节1、芯轴6、液动活塞8、下本体11和上本体13，所述传动短节1的上端与芯轴6的下端通过螺纹连接，所述下本体11和上本体13通过螺纹连接，所述芯轴6穿过下本体11和上本体13，所述传动短节1内设有第三卡簧2、弹簧支撑板3、第三弹簧4和憋压球5，所述上本体13与液动活塞8间设有主弹簧12，所述芯轴6穿过液动活塞8和主弹簧12，所述液动活塞8的下端安装有滚轮7，所述芯轴6的芯轴小径段6b上设有单向阀孔6d，所述单向阀孔6d内安装有单向阀10，所述上本体13的外壁中部设有第二卡簧槽13c、第二滤板槽13d、第二阀腔13e，所述第二卡簧槽13c内安装有第二卡簧14、第二滤板槽13d内安装有第二滤板15、第二阀腔13e内安装有第二阀体16，所述第二阀体16内设有第二开关帽17，所述第二开关帽17内设有第二弹簧18且第二弹簧18处于压缩状态，所述第二阀体16所述上本体13的内壁与芯轴小径段6b的外壁间、芯轴小径段6b的外壁与液动活塞8的内壁间、外壁与液动活塞8的外壁与下本体11的内壁间均设有密封圈9。

如图6所示，所述传动短节1包括内锥面1a、弹簧空腔1b、弹簧支撑板槽1c和第三卡簧槽1d，所述弹簧空腔1b内安装有第三弹簧4、弹簧支撑板槽1c内安装有弹簧支撑板3、第三卡簧槽1d内安装有第三卡簧2，所述第三弹簧4的上端与内锥面1a间设有憋压球5，所述第三弹簧4处于压缩状态且上下两端分别抵住憋压球5和弹簧支撑板3，所述憋压球5的直径大于内锥面1a顶端流体通道的内径。

当钻井液未循环时，憋压球5将传动短节1的内锥面1a封堵。

所述芯轴6还包括芯轴上螺纹6a、芯轴主流道6c、芯轴大径段6e和起伏面6f，所述芯轴上螺纹6a与螺杆钻具内的传动轴连接，所述芯轴主流道6c用于流通钻井液，所述芯轴大径段6e设于芯轴6的下端，所述芯轴小径段6b与芯轴大径段6e的台阶处设有起伏面6f，所述起伏面6f绕圆周呈周期性的起伏形状。

如图18所示，所述单向阀10包括第一阀体10a、第一开关帽10b、第一弹簧10c、第一滤板10d和第一卡簧10e，所述第一开关帽10b、第一弹簧10c、第一滤板10d和第一卡簧10e均设置于第一阀体内10a，所述第一弹簧10c位于第一开关帽10b内且处于压缩状态，第一弹簧10c的两端分别抵住第一开关帽10b的端盖和第一滤板10d。

如图9和图10所示，所述液动活塞8上设有活塞纵槽8a、活塞内密封槽8b、活塞外密封槽8c和滚轮转轴8d，所述活塞纵槽8a设于液动活塞8的上端外壁且绕圆周均匀分布，所述活塞内密封槽8b和活塞外密封槽8c内均设有密封圈9，所述滚轮7内设有内凹安装槽7a，所述滚轮转轴8d嵌入内凹安装槽7a中。

如图11和图12所示，所述下本体11的内壁设有传动键11a，所述传动键11a绕下本体11均匀分布，所述一个传动键11a与一条活塞纵槽8a配合。

如图13和图14所示，所述上本体13还包括上连接螺纹13a、上本体密封槽13b和侧向流道13f，所述上连接螺纹13a与螺杆钻具的壳体连接，所述上本体密封槽13b内设有密封圈9，所述侧向流道13f与第二阀腔13e连通。

如图15和图16所示，所述第二阀体16包括阀体侧流孔16a、阀体小径内筒16b、阀体大径内筒16c、钻井液连通槽16d和阀体定位键16e，所述阀体侧流孔16a与侧向流道13f连通，所述第二开关帽17的外径小于阀体大径内筒16c的内径但大于阀体小径内筒16b的内径，所述阀体定位键16e嵌入第二空腔13e上的键槽内使第二阀体16无法在第二空腔13e内转动。

一种用于产生液力脉冲的钻井装置的方法，当采用滑动钻井方式时，钻柱不转动，井底钻头由动力钻具的传动轴带动，本装置中上本体13与螺杆钻具的壳体连接，上本体13与下本体11静止，液动活塞8与下本体11通过花键配合，即液动活塞8相对下本体11只能轴向移动而无法转动，芯轴6在螺杆钻具的传动轴的驱动下相对下本体11和液动活塞8转动，由于芯轴6上设有起伏面6f，芯轴6转动过程中驱动液动活塞8产生周期性的轴向移动，周期性地将液动活塞8上部腔体中的流体通过单向阀10压至芯轴6主流道中；在液动活塞8轴向运动过程中，下本体11上的传动键11a沿液动活塞8的活塞纵槽6a相对滑动，滚轮7相对芯轴6转动且沿起伏面6f上滑动；在液动活塞8运动过程中，当滚轮7由起伏面的坡底滑至坡顶时，液动活塞8向上运动且主弹簧12被进一步压缩，液动活塞8上方腔体中的压力上升，液动活塞8将其上腔体中的流体挤出至芯轴主流道6c，此时钻柱与井壁所形成的井眼外环空中的钻井泥浆无法通过第二阀体16进入侧向流道13f；在滚轮7由起伏面的坡顶滑至坡底过程中，主弹簧12压缩程度减弱，液动活塞8上方腔体中的流体压力减小，腔体中的流体无法通过单向阀10流至芯轴主流道6c，而井眼外环空的流体则通过第二阀体16，由侧向流道13f进入液动活塞8上方的空腔中；当空腔中的流体被周期性地挤至芯轴主流道6c时，流经钻头的钻井液排量及压力均出现周期性的变化，即可产生用于提高破岩效率和携带岩屑的液力脉冲。

当钻柱内的钻井液稳定流动时，钻井液驱动憋压球5压缩第三弹簧4，当流经憋压球5与内锥面1a间的流道的钻井液流量和压力波动时，第三弹簧4将驱动憋压球5产生振动，进一步使钻井液流量和压力产生脉动。

如图19所示，所述螺杆钻具包括旁通阀总成23、防掉总成22、马达总成21、万向轴总成20和传动轴总成19，螺杆钻具与上部钻柱连接，钻井液流经旁通阀总成23和防掉总成22后流至马达总成21，驱动螺杆转子转动并将扭矩经万向轴总成20传至传动轴总成19，传动轴总成19中的传动轴将动力传至本装置中的芯轴6，芯轴6与传动短节1连接从而将动力传至钻头。

钻井过程中，钻柱施加的钻压给传动轴总成19中的轴承作用于传动轴上，并进一步作用于芯轴6和传动短节1上，传至钻头用于破岩。

以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所做出的等同变化与修改，均属于本发明系统的保护范围。