抑制下部钻柱共振平稳钻压的钻具组合

摘要

本发明涉及一种抑制下部钻柱共振平稳钻压的钻具组合，包括钻杆、钻铤及钻头，钻杆下端同轴连接钻铤，在钻铤下端同轴连接钻头，正常钻井时中性截面始终处于钻铤段内，在中性截面上方的钻铤上同轴串接一阻尼短节，在钻头与钻铤之间同轴连接伸缩短节，在钻头内安装震击执行机构。本发明串接入一个阻尼短节后，使钻柱管串变成了由两个弹性体中间夹一个类塑性体阻尼短节，由于共振是周期性的轴向振动力，其表现形式是下部钻具所受到的轴向压力波动很大、即波峰与波谷的差值很大；当处于轴向压力的波峰时，形成的钻压将超过钻头所能承受的压力，在管柱中接入阻尼短节后，轴向的振动波就不能连续传递，共振也就会被抑制，因此本发明申请在理论分析上十分可靠。

说明书

技术领域

本发明属于石油钻井工程领域，涉及钻井的钻具，尤其是一种抑制下部钻柱共振平稳钻压的钻具组合。

背景技术

在现代石油钻井中，为提高机械钻速，会用到液力冲击锤或气锤等，给钻头产生冲击力，以提高破碎岩石的效率。钻井时，在钻头上施加钻压，使钻头上的齿吃入岩石并破碎岩石以增加井深。钻压由钻柱中钻铤在钻井液中的部分重量形成(全部钻铤在钻井液中的实际重量要大于钻压)。由于各种不同钻头都会有最优钻压，所以可以通过计算得到形成最优钻压所需要的钻铤长度，这个长度就是钻柱未产生振动时的中性截面位置。随着钻柱振动，中性截面会上下移动，但正常情况下幅度很小。中性截面上下，钻柱分别受拉和受压。提高破碎岩石效率的一类途径是产生冲击力，如气锤、液力锤等。因这些冲击力都有相对固定的频率周期，当这个频率与钻铤轴向的自振频率成整倍数关系时，会引起整个钻柱发生共振，其表现特征是钻压出现超出预期的周期性大幅增加。这不仅使钻头寿命大幅缩短，还会使钻柱及其它工具失效。

由于井内的环境非常复杂，理论上很难准确计算产生共振的条件，导致工具工作频率无法确定，这一因素导致了这类能大幅提高机械钻速的工具使用受限。

通过对公开专利文献的检索，尚未发现与本发明申请相同或者相近的解决共振问题的公开专利。

发明内容

本发明是提供一种抑制下部钻柱共振平稳钻压的组合钻具，该组合钻具在中性截面上方的钻铤中同轴串接一个阻尼短节，利用该阻尼短节受到轴向的力后能产生轴向变形并将轴向变形能消耗的特征，可以有效的降低钻头、振击器等产生的振幅，使共振得到有效抑制及消除。

本发明实现目的的技术方案是：

一种抑制下部钻柱共振平稳钻压的钻具组合，包括钻杆、钻铤及钻头，钻杆下端同轴连接钻铤，在钻铤下端同轴连接钻头，正常钻井时中性截面始终处于钻铤段内，其特征在于：在中性截面上方的钻铤上同轴串接一阻尼短节，在钻头与钻铤之间同轴连接伸缩短节，在钻头内安装震击执行机构。

而且，所述阻尼短节由外筒、内方杆、储能弹簧、强力碟簧构成，外筒的上端制有锥形内丝扣并与钻铤实现同轴螺纹连接，在外筒内同轴滑动运行有内方杆的圆柱形头部，内方杆在外筒下部导向伸缩，在内方杆圆柱形头部上、下方的外筒内分别同轴安装有储能弹簧及强力碟簧；内方杆的下部尾端制有锥形外丝扣，通过螺纹连接方式与钻铤连接。

而且，所述伸缩短节由外圆筒、伸缩杆及控制杆构成，外圆筒上端制成锥形内丝扣以与钻铤的下端螺纹固接，外圆筒内同轴滑动安装伸缩杆，该伸缩杆为六方或者八方棱柱结构，其头部为圆柱形并在外圆筒腔体内同轴滑动运行，其棱柱型的杆部在外圆筒下部棱柱型通孔内导向上下伸缩；在外圆筒下端外的伸缩杆下端也制成锥形内丝扣，以与钻头上端所制的锥形外丝扣螺纹固接；所述控制杆同轴安装在外圆筒内的上端，并穿过伸缩杆且其下端与震击执行机构连接。

而且，所述震击执行机构包括液动涡轮、弹簧、圆盘状敲击锤、砧子及螺旋状断面斜板，在钻头内底部同轴固装螺旋状断面斜板，在该螺旋状断面斜板上同轴安装圆盘状敲击锤，该圆盘状敲击锤由圆盘状盘体及中心轴柱构成，在圆盘状盘体周向切线制有敲击头，在中心轴柱上部径向制有一导板，中心轴柱同轴安装在螺旋状断面斜板的中心孔内，其导板在螺旋状断面斜板上导向旋转滑行；在钻头内上部径向制有一砧子，该砧子对应圆盘状敲击锤的敲击头在螺旋状断面斜板上升到顶端时的位置；在圆盘状敲击锤上方的钻头内上部固装液动涡轮，该液动蜗轮为空心轴状，其内同轴安装有一常开阀门，该阀门由伸缩短节的控制杆控制；液动涡轮的定子与钻头内固接，涡轮转子下同轴连接一弹簧，该弹簧再与圆盘状敲击锤的圆盘状盘体上平面相连。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明串接入一个阻尼短节后，使钻柱管串变成了由两个弹性体中间夹一个类塑性体阻尼短节，由于共振是周期性的轴向振动力，其表现形式是下部钻具所受到的轴向压力波动很大、即波峰与波谷的差值很大；当处于轴向压力的波峰时，形成的钻压将超过钻头所能承受的压力，在管柱中接入阻尼短节后，轴向的振动波就不能连续传递，振幅被快速的削减，共振也就会被抑制，因此本发明申请在理论分析上十分可靠。

2、本发明在钻头部位的钻铤上所同轴安装的伸缩短节及钻头内的震动机构可实现径向、轴向的冲击功能，由此产生的钻井液的压力转换为轴向的锤击力，可使钻头破碎岩石的效率成倍的提高，因此，在提高冲击力提高生产效率的同时，还可避免共振对正常钻井安全的影响，尤其对于不能承受较大冲击力的钻头，对振幅更加敏感，对此本发明申请更体现了其技术优越性。

3、本发明申请所接入的阻尼短节，能产生伸缩并利用“方棱内筒”来传递扭矩，且设计了上下两个弹簧及阻尼腔，上弹簧为低弹性模量的绕丝弹簧，下弹簧为高弹性模量的蝶形弹簧，利用伸缩变形后进行能量的存储和释放，同时利用阻尼结构消耗变形能，当轴向上不受力时，上下弹簧均处于自由状态，并且阻尼腔体积最小；当受到轴向压缩力后，可以产生较大幅度的轴向变形并由弹簧储存能量(大变形小能量)，同时阻尼腔吸入钻井液，轴向压力开始减小后，上弹簧释放能量，阻尼腔泄出钻井液，直到短节受压后，下弹簧压缩变形并储存能量(小变形大能量)，因此加入阻尼短节后，抑制乃至消除共振所产生的技术效果十分显著，完美解决了钻井工程中存在的难以克服的巨大难题。

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图；

图2为图1的A-A向截面示意图；

图3为图2的B部结构放大示意图；

图4为图2的钻头部分结构放大示意图(敲击锤坠落在钻头内底部)；

图5为图2的C-C向截面结构放大示意图；

图6为图3的D-D向截面结构放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例做进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

一种抑制下部钻柱共振的组合钻具，包括钻杆1、钻铤2、阻尼短节、伸缩短节及钻头7，钻杆下端同轴连接钻铤，正常钻井时中性截面始终处于钻铤段内，在该中性截面上方的钻铤上同轴串接一阻尼短节，在钻铤下端同轴连接钻头，在钻头与钻铤之间同轴连接伸缩短节，在钻头内安装震击执行机构。为了清楚地描述本发明申请的技术结构，下面针对阻尼短节、伸缩短节及震击执行机构给予分别叙述。

一、在中性截面上方的钻铤上同轴串接的阻尼短节的结构如下：

所述阻尼短节的结构是：参见图2、3，由外筒3、内方杆4、储能弹簧8及强力碟簧9构成，外筒的上端制有锥形内丝扣并与钻铤实现同轴螺纹连接，在外筒内同轴滑动运行有内方杆的圆柱形头部，内方杆在外筒下部导向伸缩，在内方杆圆柱形头部上、下方的外筒内分别同轴安装有储能弹簧及强力碟簧，阻尼腔与强力碟簧在同一腔体内；内方杆的下部尾端制有锥形外丝扣，通过螺纹连接方式与钻铤连接，由此实现与钻铤的同轴串接。

二、钻头与钻铤之间所同轴连接的伸缩短节的结构如下：

所述伸缩短节的结构是：参见图2，由外圆筒5、伸缩杆6及控制杆10构成，外圆筒上端制成锥形内丝扣以与钻铤的下端螺纹固接，外圆筒内同轴滑动安装伸缩杆，该伸缩杆为六方或者八方棱柱结构，其头部为圆柱形并在外圆筒腔体内同轴滑动运行，其棱柱型的杆部在外圆筒下部棱柱型通孔内导向上下伸缩，并不能进行径向位移；在外圆筒下端外的伸缩杆下端也制成锥形内丝扣，以与钻头上端所制的锥形外丝扣螺纹固接；所述控制杆同轴安装在外圆筒内的上端，并穿过伸缩杆且其下端与震击执行机构连接。

三、钻头内安装的震击执行机构的结构如下：

所述钻头内安装的震击执行机构的结构是：参见图2、4、5、6，包括液动涡轮12、弹簧13、圆盘状敲击锤14、砧子17及螺旋状断面斜板15，在钻头内底部同轴固装螺旋状断面斜板，在该螺旋状断面斜板上同轴安装圆盘状敲击锤，该圆盘状敲击锤由圆盘状盘体及中心轴柱构成，在圆盘状盘体周向切线制有敲击头19，在中心轴柱上部径向制有一导板18，中心轴柱同轴安装在螺旋状断面斜板的中心孔内，其导板在螺旋状断面斜板上导向旋转滑行；在钻头内上部径向制有一砧子，该砧子对应圆盘状敲击锤的敲击头在螺旋状断面斜板上升到顶端时的位置，以实现敲击头对砧子的敲击以周向震击钻头；圆盘状敲击锤的中心轴柱的下端面对应钻头内的底部，在圆盘状敲击锤下落时轴向震击钻头。为提高轴向震击的效果，避免因钻头内底部存在液体造成对中心轴柱的下行阻力，在该位置的钻头底部制有多个钻井液导流通道16。在圆盘状敲击锤上方的钻头内上部固装液动涡轮，该液动蜗轮为空心轴状，其内同轴安装有一常开阀门11，该阀门由伸缩短节的控制杆控制；液动涡轮的定子与钻头内固接，涡轮转子下同轴连接一弹簧，该弹簧再与圆盘状敲击锤的圆盘状盘体上平面相连。弹簧始终处于压缩状态，使连接在圆盘状敲击锤体上的导板与其下部螺旋状断面斜板的螺旋斜面压紧。

本发明的工作原理是：

在钻井下部钻柱组合中，有一个轴向力为零的截面，专业中称为中性截面。利用中性截面为拉压的分界点特征，将阻尼短节设置在中性截面上部。正常钻进时此段钻柱受拉，短节处于拉伸状态，此时阻尼腔体积最小。当轴向振动力加大时，中性截面在轴向压力波的带动下大幅上下移动。随着轴向压力波峰的上移，中性截面也会随之上移。当中心截面超过阻尼短节所在位置后，短节就会由轴向受拉转成轴向受压。短节在轴向压力作用下产生轴向变形(缩短)使弹簧压缩使阻尼腔体积变大，由于负压作用腔内吸入钻井液，这样就消耗了轴向压缩产生的弹性能量，使轴向力不能直接上传。当振动波达到顶峰进入波谷时，短节轴向压力变小或转为受拉，弹簧的弹性力释放并压缩阻尼腔，钻井液从阻尼腔中泄出，相当于补充了部分轴向弹性力。当下一个波峰到达时，短节再次完成上述吸入钻井液及压缩弹簧过程，直到波谷排出钻井液并释放部分弹性力。这相当于在钻柱中间不影响正常钻井的下部钻具组合中加入了一个振幅吸收器和扰频器。利用阻尼短节受拉压进行钻井液的呑吐及弹簧的辅助作用，消耗轴向变形能的特点，可以有效抑制共振的发展。

本发明在钻头的上方加入一个伸缩短节和控制杆，液动涡轮为空心轴，轴内设有常开阀门。伸缩短节上下分别与钻铤和钻头相连，控制杆在伸缩短节内并与伸缩短节外筒相连。施加钻压前钻井液主体经空心轴内流过，部分流经液动涡轮的钻井液无法使涡轮正常工作。施加钻压时，伸缩短节被压缩，控制杆随伸缩短节向钻头方向移动，推动液动涡轮空心轴内的阀门关闭，钻井液将全部通过液动涡轮，使液动涡轮进入正常工作状态。此时，液动涡轮的转子带动弹簧及圆盘状敲击锤旋转，当圆盘状敲击锤随螺旋状断面斜板的螺旋斜面升高到最高点后，盘状敲击锤的敲击头敲击砧子完成钻头的周向冲击，同时圆盘状敲击锤在弹簧的弹性力作用坠落到螺旋斜面的最低点，通过中心轴柱对钻头内实现轴向冲击；此时圆盘状敲击锤与砧子因高差而不再接触，砧子不会阻碍敲击锤继续随涡轮转子转动。由于螺旋状断面斜板的螺旋斜面可以使圆盘状敲击锤体产生上下运动，则在完成周向敲击的同时能形成轴向的向下冲击，达到了液力双作用震击的目的。

通过工程测试，消除及抑制钻杆的共振效果十分理想，也为生产效率的提高创造了条件。