利用复合振动冲击实现高效破岩的井下动力钻具

摘要

本发明公开一种利用复合振动冲击实现高效破岩的井下动力钻具，以解决深井超深井中卡钻、粘滑及破岩效率低等问题。其技术方案是：金属马达转子与防掉帽用螺纹连接，金属马达定子内包含金属马达隔离棒和金属马达转子；涡轮定子与转子安装在涡轮辅传动轴上，偏心轮用传动销固定在涡轮辅传动轴上；主传动轴外筒用花键传动组连在主传动轴上；定位轴承b置于涡轮传动轴和圆柱凸轮壳体之间；上圆柱凸轮固定在主传动轴上，下圆柱凸轮固定在冲锤上；复位弹簧卡在冲锤和圆柱凸轮下壳体之间；半分环卡在砧座凹槽内，八方套固定在圆柱凸轮下壳体上，同时卡在圆柱凸轮下壳体与砧座之间。本发明能同时产生稳定的高频轴向冲击与周向冲击，实现复合振动破岩效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于石油钻井等领域中的利用复合振动冲击实现高效破岩的井下动力钻具。

背景技术

随着浅层油气资源日趋枯竭，钻井工程逐渐向深井、超深井等环境条件严峻的领域发展。井 深增加后，岩石破碎的难度会大大增加，在钻井过程中，钻头常常会出现卡钻、粘滑现象。 这些因素会降低钻头的破岩效率，增加破岩难度，从而导致钻头寿命大大降低，机械钻速大 幅下降。现有轴向旋冲钻井工具无法缓解下部钻具粘滑振动现象，能产生轴向冲击的液动冲 击器普遍存在冲击器性能不稳定寿命短以及振动频率和冲击力不稳定的缺陷，这些缺陷无论 对钻头设计还是对岩层破碎做功求解都很难做到与实际情况相符，导致冲击破碎效果不理想。

发明内容

本发明的目的是：为了解决在打深井超深井过程中出现的粘滑振动导致的钻具失效和机械钻 速不高等问题，以及现有液动冲击器效果不理想的问题，特提供利用复合振动冲击实现高效 破岩的井下动力钻具。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:

利用复合振动冲击实现高效破岩的井下动力钻具，由外筒体、定位轴承组a、金属马达定子、 金属马达隔离棒、金属马达转子、涡轮定子、涡轮转子、平键、涡轮辅传动轴、主传动轴外 筒、偏心轮、主传动轴、上圆柱凸轮、下圆柱凸轮、复位弹簧、冲锤、砧座、半分环、八方 套、下接头等组成，其特征在于金属马达转子与防掉帽通过螺纹连接在外筒体内，外筒体的 台肩直径小于防掉帽外径；外筒体内的台肩下端是金属马达定子封盖，定位轴承组a固定在 金属马达定子封盖的内台肩中，金属马达定子封盖下部为金属马达转子封盖和金属马达定子， 金属马达定子内为金属马达隔离棒和金属马达转子，金属马达隔离棒通过金属马达定子内台 肩和金属马达转子封盖轴向定位；涡轮定子与涡轮转子安装在涡轮辅传动轴上，涡轮定子上 端通过金属马达转子内台肩固定，下端通过主传动轴外筒固定，涡轮转子通过平键固定在涡 轮辅传动轴上；涡轮辅传动轴台肩与主传动轴外筒相接触，主传动轴外筒与外花键传动连块 通过花键相连、外花键传动连块与内花键传动连块通过花键相连，内花键传动连块通过台肩 卡在主传动轴上；偏心轮通过传动销固定在涡轮辅传动轴上；偏心轮下端通过定位轴承b定 位；上圆柱凸轮通过螺纹固定在涡轮辅传动轴上，下圆柱凸轮通过螺钉固定在冲锤上；复位 弹簧卡在冲锤和圆柱凸轮下壳体之间；半分环卡在砧座凹槽内，八方套通过螺纹固定在圆柱 凸轮下壳体上，同时卡在圆柱凸轮下壳体与砧座之间；主传动轴下端通过螺纹与下接头相连， 轴承端盖通过螺钉固定在金属马达定子封盖上，定位挡圈通过螺纹固定在外筒体上。

所述的外筒体内台肩、金属马达转子内台肩和下接头上周向等间隔分布有4个5通孔，金 属马达定子封盖外侧周向分布有4条流道，金属马达定子与金属马达转子壁面两侧轴向等间 隔分布有6个5通孔，主传动轴外筒上端周向等间隔分布4个5通孔，定位轴承组a由径 向轴承组成。

本发明的有益效果是：(1)该工具能同时产生周向和轴向高频冲击，形成复合振动效果，通 过下接头传递给钻头，提高钻头的破岩效率；(2)钻头产生的高频周向振动，可以有效避免 钻头的粘滑振动现象；(3)该工具的动力由金属马达和涡轮两个动力源产生，两者叠加但不 干涉，此外金属马达能用于复杂恶劣工况下使用，从而提高钻具的工作效率和使用寿命。

附图说明

图1为本发明利用复合振动冲击实现高效破岩的井下动力钻具的结构示意图。

图中：1.外筒体，2.防掉帽，3.金属马达定子封盖，4.定位轴承组a，5.金属马达转子封盖，6. 金属马达定子，7.金属马达隔离棒，8.金属马达转子，9.涡轮定子，10.涡轮转子，11.平键， 12.涡轮辅传动轴，13.主传动轴外筒，14.外花键传动连块，15.内花键传动连块，16.偏心轮， 17.主传动轴，18.传动销，19.定位轴承b，20.上圆柱凸轮，21.下圆柱凸轮，22.圆柱凸轮上 壳体，23.圆柱凸轮下壳体，24.复位弹簧，25.冲锤，26.轴承端盖，27.砧座，28.定位挡圈，29. 半分环，30.八方套，31.下接头。

图2为本发明图1的A-A剖面图。

图3为本发明图1的B-B剖面图。

图4为本发明图1的C-C剖面图。

图5为本发明图1中主传动轴外筒的断面图。

具体实施方式

根据附图1所示，利用复合振动冲击实现高效破岩的井下动力钻具，由外筒体、定位轴承组 a、金属马达定子、金属马达隔离棒、金属马达转子、涡轮定子、涡轮转子、平键、涡轮辅传 动轴、主传动轴外筒、偏心轮、主传动轴、上圆柱凸轮、下圆柱凸轮、复位弹簧、冲锤、砧 座、半分环、八方套、下接头等组成。其特征在于金属马达转子与防掉帽通过螺纹连接在外 筒体内，外筒体的台肩直径小于防掉帽外径；外筒体内的台肩下端是金属马达定子封盖，定 位轴承组a固定在金属马达定子封盖的内台肩中，金属马达定子封盖下部为金属马达转子封 盖和金属马达定子，金属马达定子内为金属马达隔离棒和金属马达转子，金属马达隔离棒通 过金属马达定子内台肩和金属马达转子封盖轴向定位；涡轮定子与涡轮转子安装在涡轮辅传 动轴上，涡轮定子上端通过金属马达转子内台肩固定，下端通过主传动轴外筒固定，涡轮转 子通过平键固定在涡轮辅传动轴上；涡轮辅传动轴台肩与主传动轴外筒相接触，主传动轴外 筒与外花键传动连块通过花键相连、外花键传动连块与内花键传动连块通过花键相连，内花 键传动连块通过台肩卡在主传动轴上；偏心轮通过传动销固定在涡轮辅传动轴上；偏心轮下 端通过定位轴承b定位；上圆柱凸轮通过螺纹固定在涡轮辅传动轴上，下圆柱凸轮通过螺钉 固定在冲锤上；复位弹簧卡在冲锤和圆柱凸轮下壳体之间；半分环卡在砧座凹槽内，八方套 通过螺纹固定在圆柱凸轮下壳体上，同时卡在圆柱凸轮下壳体与砧座之间；主传动轴下端通 过螺纹与下接头相连，轴承端盖通过螺钉固定在金属马达定子封盖上，定位挡圈通过螺纹固 定在外筒体上。

所述的外筒体内台肩、金属马达转子内台肩和下接头上周向等间隔分布有4个5通孔，金 属马达定子封盖外侧周向分布有4条流道，金属马达定子与金属马达转子壁面两侧轴向等间 隔分布有6个5通孔，主传动轴外筒上端周向等间隔分布4个5通孔，定位轴承组a由径 向轴承组成。

工作时，钻井液经钻具接头内的通孔进入外筒体的上方空间内，其中一部分钻井液经外筒体 内台肩的孔流入金属马达定子封盖边缘的流道，并进入金属马达定子与外筒体内壁形成的环 空，；环空中的钻井液从金属马达定子上轴向通孔进入金属马达转子与金属马达定子之间的环 空，金属马达隔离棒在钻井液压力的作用下把环空分隔成两个独立空间；与金属马达定子相 通的空间不断有新钻井液流入，压力不断升高形成高压区，另一空间相应形成低压区，高压 区压力上升到一定值时，由钻井液压力形成的两个空间的压力差会推动金属马达转子顺时针 转动，形成主动力源。另一部分的钻井液从防掉帽内孔流经金属马达转子内台肩上的通孔进 入金属马达转子内部，再流入涡轮定子和涡轮转子中带动涡轮辅传动轴转动，形成辅动力源。 其中主动力源中的钻井液因金属马达转子转动造成低压区空间不断缩小的原因被挤入金属马 达转子轴向通孔中，一直向下进入到钻头接头上方空间，最后通过钻头接头上的孔流入钻头 中；辅动力源中的钻井液从涡轮转子中流出后经主传动轴外筒上端周向分布孔与金属马达转 子内流出的钻井液汇合，并流向下接头，最后由下接头内台肩周向分布孔流出。金属马达转 子转动会带动主传动轴外筒转动，进而带动外花键传动连块转动，外花键传动块带动主传动 轴转动，进而带动下接头转动，从而使主动力源由金属马达传导到钻头上；涡轮辅传动轴一 方面通过传动销带动偏心轮绕涡轮辅传动轴作偏心轴线旋转，偏心轮的偏心旋转会带动主传 动轴转动，从而形成扭转振动，经下接头作用到钻头上，另一方面，和涡轮辅传动轴固定的 上圆柱凸轮与和冲锤固定的下圆柱凸轮之间是啮合关系，涡轮辅传动轴的转动使得冲锤做轴 向运动冲击砧座，由于复位弹簧的复位作用让冲锤对砧座形成周期性冲击，从而使辅动力源 形成周期性的高频周向冲击和轴向冲击，最终传导到钻头上。