[发明专利]一种气体钻井用轴向减振防断工具

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气钻井中的气体钻井用轴向减振防断工具，特别适用于振动和冲击较强易引起钻具失效的气体钻井施工中。

背景技术

气体钻井使用气体或气基流体减少对井底岩石的压持，大幅提高机械钻速和有效发现及保护油气层。

气体钻井最初探索于上个世纪50年代，受配套技术与装备的限制，该技术一度被搁置，直至上世纪90年代，气体钻井技术才真正开始起步和发展，尽管其发展时间短，但已成为发现与保护油气层、大幅提高机械钻速和治理恶性井漏等问题的最有效方法之一。同样，由于发展时间短，也暴露了许多丞需解决的技术问题，如：钻具失效、地层出水、井壁垮塌、井斜不易控制等问题，其中断钻具问题较为突出，在几年前的气体钻井实践中即发生了断钻具问题，但并为引起重视，至2006年中后期，国内几家主要的气体钻井施工队伍根据实际数据的统计，一致的认为断钻具问题已经成为制约气体钻井应用的重大技术难题之一，由于气体钻井规模应用时间短(专家学者将我国气体钻井初步规模应用界定为自2005年底始)，问题来的突然，工程界和学术界尚来不及弄清其发生机理，还无从提出可行的应对方案。

在这种背景下，我们围绕近年来气体钻井实践中暴露的井斜失控和断钻具问题，以在泥浆钻井钻柱系统动力学方面的研究积累为基础，根据气体钻井钻柱振动边界的特点，结合气体钻井钻柱与井壁碰撞机理、摩擦机理及钻头与岩石互作用的实验研究，建立气体钻井钻柱系统动力学模型，开发了仿真计算与分析软件，并结合实钻资料统计分析，开展了大量的研究工作，通过前期研究发现，气体钻井钻具失效的主要原因是大幅振动与冲击、气蚀和腐蚀。并特别发现气蚀是客观存在的且很难减轻，腐蚀是较轻微的，但是在高频高应力振动的激励下，腐蚀和气蚀的作用会放大；三者的耦合作用导致了钻具的异常时效。

因此减振减阻成了气体钻井防断的核心，成了防断最为切实可行的措施之一。气体钻井中由于干摩擦干碰撞导致扭转振动和横向剧烈，通过扭转振动和横振的激励，原本相对平缓的轴向震动也较为剧烈，空气钻井使用的空气锤工作时产生冲击波，对下部钻柱的失效也有激励作用，井眼扩大严重致使钻杆弯曲变形大，这都使钻具特别是与井壁接触处产生高应力，国外学者研究表明高应力可以加剧腐蚀和气蚀的作用效果。我们在气体钻井钻柱振动力学研究的基础上，提出了“除进行钻井参数优化外，还应设计和使用减阻减振防断扶正接箍”。在这个背景下，我们设计了针对气体钻井钻杆失效、加重钻杆失效、钻铤失效的减阻减振防断扶正接箍。本次申请即是为了减少气体钻井轴向振动和冲击而设计的轴向减振防断工具。该工具可以有效吸收空气锤壳体向尚部钻柱传递的冲击，还可以有效吸收钻头破碎岩石时产生的轴向振动，从而可以有效防止气体钻井钻具大效。

发明内容：

本发明的目的是：为了防止气体钻井中钻具失效，降低由于气体钻井强振动和冲击引起的高频钻具失效，减少钻具消耗，缩短工期，特提出一种气体钻井用轴向减振防断工具。

为了达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种气体钻井用轴向减振防断工具，安装在钻柱与空气锤之间，是由上壳体螺纹1、上壳体2、上减振片3、上垫片4、中心轴5、壳体连接螺纹6、下壳体键槽7、中心轴花键8、下垫片9、下减振片10、中心轴下螺纹11、下壳体12、下壳体台肩13、上壳体台肩14、中心轴台肩15和中心轴上端面16组成。其结构特征是：中心轴5底端加工有螺纹11，连接在空气锤上，中心轴5中下部加工有花键8；下壳体12内表面加工有花键槽7，中心轴台肩15通过下减振片10和下垫片9与下壳体台肩13配合；中心轴5上端面16通过上垫片4和上减振片3与上壳体台肩14配合；上壳体2与下壳体12通过螺纹6连接。

上减振片3与下减振片10的厚度为5～15mm，其外径与上壳体2和下壳体12内径相比，略小1～2mm。上垫片4与下垫片9的厚度为3～8mm。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：(1)本减振防断工具工作元件少，结构合理，工作可靠性高；(2)减振效果好，特别适用于气体钻井强振动和冲击工况，也可用于泥浆钻井强振动工况。

附图说明

图1是本发明气体钻井用轴向减振防断工具结构示意图；

图2是本发明气体钻井用轴向减振防断工具中心轴5结构示意图；

图3是本发明气体钻井用轴向减振防断工具下壳体12结构示意图；