一种冲击活塞及应用其的自激式复合冲击钻井工具

摘要

本发明公开了一种冲击活塞及应用其的自激式复合冲击钻井工具，解决了现有钻井工具冲击方式单一的问题。本发明钻井工具采用的冲击活塞，具有钻井液上流道和钻井液下流道，钻井液通过这两条流道将液体压力转变为活塞往复运动的机械能；且活塞具有螺旋状的下端面；冲击活塞往复运动锤击冲击传导接头，通过冲击活塞和冲击传导接头的螺旋面，将轴向的冲击力转化为钻头的轴向冲击力和周向冲击力，实现工具的复合冲击，保护钻头，提高钻井机械钻速。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井工具，具体的是一种深层钻井提速工具。

背景技术

深部地层岩石坚硬、研磨极值高，钻井开发中存在单只钻头进尺少、钻头寿命短、机械钻速低等特点。在深层钻井提速工具中，一种是产生周向冲击的提速工具，能够减少钻头粘滑保护钻头，提高钻头使用寿命；另一种是产生轴向冲击的提速工具，通过给钻头增加振动冲击辅助破岩，提高机械钻速。两种类型工具在深层钻井提速中取得了很好的效果，但工具冲击方式单一，在砾、石英含量高等难钻地层提速效果不明显。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种冲击活塞及应用其的自激式复合冲击钻井工具，能够同时产生周向和轴向冲击，减少钻头粘滑，提高钻头使用寿命，同时辅助钻头破岩，提高深部地层机械钻速，降低开发成本。

第一方面，提供一种冲击活塞，能够产生轴向和周向冲击力，所述冲击活塞，包括：

活塞本体；

所述活塞本体，置于活塞腔中，并具有至少一条钻井液上流道和至少一条钻井液下流道；

所述钻井液上流道和所述钻井液下流道交替导引所述钻井液进入所述活塞本体上方的上密封腔及下方的下密封腔；

所述上密封腔及所述下密封腔内的钻井液分别作用于所述活塞本体的上端面及下端面，用于将所述钻井液的液体压力转变为所述活塞本体往复运动的机械能；

所述活塞本体具有螺旋状的下端面。

优选地，所述活塞本体具有一个中心流道。

优选地，所述钻井液上流道，由内部上通孔和外部上沟槽组成；

所述外部上沟槽与所述活塞腔内壁构成液流通道；

所述内部上通孔，其入口开于所述中心流道，出口开于所述活塞本体外壁，所述出口位于所述入口上方；

所述外部上沟槽，与所述内部上通孔的出口连通，垂直向上延伸至所述活塞本体的上端面。

优选地，所述钻井液下流道，由内部下通孔和外部下沟槽组成；

所述外部下沟槽与所述活塞腔内壁构成液流通道；

所述内部下通孔，其入口开于所述中心流道，出口开于所述活塞本体外壁，所述出口位于所述开口的下方；

所述外部下沟槽，与所述内部下通孔的出口连通，垂直向下止于所述活塞本体的下部。

第二方面，提供一种自激式复合冲击钻井工具，包括：

如上所述的冲击活塞；以及

工作筒；

所述工作筒内装有进液机构、冲击活塞和冲击传导接头；

所述进液机构，与所述冲击活塞间形成上密封腔，并用于向所述冲击活塞的中心流道、钻井液上流道和钻井液下流道输送钻井液；

所述冲击传导接头，其底部连接钻头，并轴向限位于所述工作筒的底端；

所述冲击传导接头，其上端面与所述冲击活塞下端面配合；

所述冲击活塞往复运动锤击所述冲击传导接头，通过所述冲击活塞和所述冲击传导接头的螺旋状端面，将所述冲击活塞的轴向冲击力转化为所述钻头的轴向和周向冲击力。

优选地，所述自激式复合冲击钻井工具，还包括：

尾管；

所述尾管，与所述冲击传导接头连接；

所述尾管插入所述冲击活塞中心通道底部，与所述冲击传导接头共同构成所述冲击活塞下方的下密封腔，并用于排放所述下密封腔内的钻井液。

优选地，所述工作筒，包括：

上接头及壳体；

所述上接头与所述壳体连接；

所述壳体底端设置下台肩结构，用于所述冲击传导接头轴向限位。

优选地，所述壳体内部具有环形槽结构；

所述环形槽结构，与所述钻井液下流道的外部下沟槽连通，用于输送钻井液至所述下密封腔。

优选地，所述进液机构，包括：

单向阀总成、分流管及分流管座；

所述单向阀总成装入所述壳体中，所述上接头下端面压在单向阀总成上端面；

所述分流管座，装入所述壳体内，并通过所述壳体内的上台肩结构轴向限位；

所述分流管，插入分流管座中心，其上端与所述单向阀总成连接，其下端插入所述冲击活塞的中心流道内。

优选地，所述分流管，其下端管壁上具有至少一个导流孔；

所述导流孔，与所述钻井液上流道及所述钻井液下流道的入口数量及规格相应。

本发明的有益效果：本申请的自激式复合冲击钻井工具，将钻井液的在密封腔中产生的压力转变为冲击活塞往复运动的机械能，冲击活塞往复运动锤击冲击传导接头，通过冲击活塞和冲击传导接头的螺旋面，将轴向的冲击力转化为钻头的轴向冲击力和周向冲击力，实现工具的复合冲击，保护钻头，提高钻井机械钻速。

附图说明

通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的自激式复合冲击钻井工具的结构示意图。

图2是本发明实施例的冲击活塞的立体结构示意图。

图3是本发明实施例的冲击活塞的俯视图。

图4是图3中的A-A视图。

图5是图3中的B-B视图。

图6是本发明实施例的冲击活塞与冲击传导接头冲击配合示意图。

图7是本发明实施例的冲击活塞向上运动原理图。

图8是本发明实施例的冲击活塞向下运动原理图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

图1是本发明实施例的自激式复合冲击钻井工具的结构示意图。由图1所示：自激式复合冲击钻井工具，包括工作筒、进液机构、冲击活塞6、尾管7及冲击传导接头8。

进一步地，在图1中：工作筒由上接头1和壳体3组成，上接头1具有中心孔，上接头1与壳体3螺纹连接，二者之间设置密封圈；壳体3内从上至下依次装有进液机构、冲击活塞6、尾管7和冲击传导接头8；壳体3内部具有上台肩结构3-1、环形槽结构3-2及下台肩结构3-3。

进一步地，在图1中：进液机构包括：单向阀总成2、分流管座4及分流管5；

单向阀总成2装入壳体3中，单向阀总成2控制钻井液从上接头1中心孔的上端单向流入；

分流管座4，装入壳体3内，并依靠壳体3中上台肩结构3-1进行轴向限位；

分流管5插入分流管座4中心，分流管下部具有六个导流孔5-1，下端口采用喷嘴结构；其上端与单向阀总成2连接，其下端插入冲击活塞的中心流道内。

进一步地，在图8中：分流管座4与冲击活塞6之间具有上密封腔10。

图2是本发明实施例的冲击活塞的立体结构示意图；图3是本发明实施例的冲击活塞的俯视图；图4是图1中的A-A视图；图5是图1中的B-B视图。

进一步地，在图2-图5中，冲击活塞6，包括圆柱状活塞本体，活塞本体上开有钻井液流道，分别为中心流道、六条钻井液上流道和六条钻井液下流道。

钻井液上流道，由内部上通孔6-7和外部上沟槽6-6组成；

内部上通孔入口6-3开于中心流道，出口开于活塞本体外壁，且出口高于入口6-3；

外部上沟槽6-6与内部上通孔6-7的出口连通，垂直向上延伸至活塞本体的上端面。

钻井液下流道，由内部下通孔6-2和外部下沟槽6-4组成；

内部下通孔入口6-1开于中心流道，出口开于活塞本体外壁，且出口低于开口6-1；

外部下沟槽6-4与内部下通孔6-2的出口连通，垂直向下止于活塞本体的下部。

活塞本体的下端为螺旋状端面6-8。

进一步地，在图1及图7中，尾管7的下端与冲击传导接头8中心孔螺纹连接，冲击活塞6下移，尾管7的上端可插入冲击活塞6的中心流道下端口内。当尾管7插入至冲击活塞6的中心流道下端口内是，在冲击活塞6与冲击传导接头8之间形成下密封腔9，该下密封腔与9环形槽结构3-1连通。

进一步地，在图1中，冲击传导接头8底部连接钻头，并通过台肩结构3-3轴向限位于壳体3内。

图6是本发明实施例的冲击活塞与冲击传导接头冲击配合示意图。进一步地，由图6所示：

冲击传导接头8，采用螺旋状上端面8-1，该螺旋状上端面8-1与冲击活塞的螺旋状下端面6-8配合。

下面结合图1-图6，对本发明的装配过程进行说明：

将尾管7与冲击传导接头8螺纹连接，装入壳体3底端，冲击传导接头8周向采用牙嵌配合传扭，冲击传导接头8与壳体3底端台肩配合轴向限位；将冲击活塞6从壳体3上端装入，将分流管5插入分流管座4中后将二者的装配体装入壳体3中，依靠壳体3中台肩限位；将单向阀总成2装入壳体3中，上接头1与壳体3上端螺纹连接，上接头1下端面压在单向阀总成2上端面。

具体地，下面结合图1-图8，对本发明工作过程进行说明：

自激式复合冲击钻井工具组装好后，其初始状态下，钻井液下流道的外部下沟槽6-4及壳体3的环形槽结构3-1与下密封腔9连通；冲击传导接头8下端与钻头连接下入到井底，开泵进行钻井作业，钻井液流经单向阀总成2后，通过单向阀总成2的流道进入分流管5中，一部分钻井液从分流管5的下喷嘴流出后从冲击活塞6的中心流道及尾管7排出，另一部分钻井液从分流管的导流孔5-1进入冲击活塞6的内部下通孔6-2和外部下沟槽6-4，因外部下沟槽6-4与壳体3的内壁之间构成封闭液流流道，并且外部下沟槽6-4及壳体3的环形槽结构3-1与下密封腔连通，所以钻井液进入冲击活塞6与尾管7、冲击传导接头8形成的下密封腔9，随着下密封腔9内钻井液的增多，液体压力急剧升高，形成高压腔，推动冲击活塞6上行，如图7所示。

当冲击活塞6上行至与尾管7分离时，下密封腔内钻井液从尾管7排出泄压，同时钻井液从分流管导流孔5-1进入冲击活塞6的内部上通孔6-7和外部上沟槽6-6，因外部上沟槽6-6与壳体3的内壁构成密闭流道，所以钻井液从冲击活塞6的钻井液上流道进入分流管5与螺旋冲击活塞6形成的上密封腔10中，随着上密封腔10中的钻井液的集聚，上密封腔10内液体压力急剧升高，形成高压腔，推动冲击活塞6加速下行，如图8所示。

冲击活塞6的螺旋状下端面6-8锤击冲击传导接头8的螺旋状上端面8-1，冲击活塞6的轴向冲击力，作用在冲击传导接头8的螺旋状上端面8-1上后，被分解为轴向和周向的冲击力，冲击传导接头8与钻头连接，冲击传导接头8将轴向和周向的冲击力传递给钻头，该钻头同时产生轴向和周向的冲击力，进而实现工具轴向冲击和周向冲击，工具冲击频率达到10-15Hz，轴向冲击力达到17.6kN，周向冲击力达2.7kN，满足现场使用要求，可用于深层直井、水平井，能够保护钻头，提高机械钻速。

以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。