[发明专利]一种动力钻具旋转冲击提速装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油工程领域，特别涉及一种动力钻具旋转冲击提速装置及方法。

背景技术

    定向井是当前油气田开发最主要的井型，然而随着开发油气藏深度不断增加，钻井速度慢的问题愈显突出，如何实现定向井内提速是石油工程技术的重要攻关方向之一。定向井内提速存在以下问题：（1）钻头与动力钻具直接相连，其间不能加入长尺寸提速工具；（2）提速工具工作不能影响随钻测量工具的使用；（3）工具使用寿命不能太短，至少与动力钻具寿命相近；（4）工具出现事故时，不能引起井下事故；（5）提速工具的使用不能为动力钻具转动提供负担。这些问题使得定向井提速技术一直未得到较大突破。以往钻井实践表明，给钻头施加轴向高频冲击载荷可以提高钻头的破岩效率。为此，国内外设计了多种旋转冲击钻井工具来实现为钻头施加轴向高频冲击载荷的目的。然而，这些工具有的结构复杂、工作寿命短，难以满足现场需要；有的尺寸过大，不能与动力钻钻具匹配，有的不能与随钻测量仪器并用，上述因素导致上述种类的旋转冲击钻井工具一直未能应用于定向井提速领域。因此，研发直接连接与钻头与动力钻具之间的、与随钻测量仪器兼容的长寿命、小尺寸旋转冲击提速工具对深井硬地层定向井钻井提速非常有意义，对加快油气资源开发进度、降低钻井成本及风险具有重要作用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种动力钻具旋转冲击提速装置及方法，实现在保持井下动力钻具带动钻头高速旋转破岩的同时，给钻头施加高频率、适当幅度轴向冲击载荷从而提高定向井破岩提速效果的目的。

本发明提到的一种动力钻具旋转冲击提速装置，包括定子外筒、转子传动轴、冲击蓄力弹簧、主动齿形冲击锤、被动冲击传动接头，定子外筒内侧装有转子传动轴、主动齿形冲击锤和被动冲击传动接头，且转子传动轴的下端与被动冲击传动接头螺纹连接，转子传动轴的中部与定子外筒中部形成圆筒形空腔，空腔内安装冲击蓄力弹簧，冲击蓄力弹簧的下端与主动齿形冲击锤配合；所述的主动齿形冲击锤的下端设有齿形曲面，且齿形曲面与被动冲击传动接头上端的齿形曲面啮合在一起，在转子传动轴的带动下被动冲击传动接头相对主动齿形冲击锤产生旋转运动，主动齿形冲击锤和冲击蓄力弹簧对被动冲击传动接头产生轴向往复冲击，实现旋转和冲击。

本发明提到的定子外筒的外部为一等直径圆柱面，内部从上到下依次为动力钻具外壳连接扣，传动轴支撑面，传动轴防脱端面，传动轴扶正面，弹簧支撑面，弹簧外筒，传扭面，旋转密封端面；动力钻具外壳连接扣用于连接动力钻具外壳；传动轴支撑面的直径小于动力钻具外壳连接扣的小端直径，用于扶正转子传动轴，传动轴支撑面上开有密封槽用于安装密封；传动轴防脱端面为一圆环面，其外径等于传动轴支撑面内径，内径大于传动轴下端面外径，用于防止转子传动轴从动力钻具旋转冲击提速装置中滑脱；传动轴扶正面直径大于传动轴下端面外径，用于为转子传动轴提供扶正支撑；弹簧支撑面为一圆环面，其外径大于冲击蓄力弹簧外径，内径小于冲击蓄力弹簧内径且大于传动轴下端面外径，用于为冲击蓄力弹簧提供支撑；弹簧外筒直径大于冲击蓄力弹簧外径，其上的注油孔和排气孔与动力钻具旋转冲击提速装置外环空相连；传扭面为扭矩传递结构；旋转密封端面为圆柱面，其内径大于传扭面外切圆直径，用于为定子外筒与转子传动轴提供密封面。

上述的传扭面为扭矩传递结构，可以是花键、平键、六方或八方形式。

本发明提到的转子传动轴外部上端为传动轴上端面，中端为传动轴防脱端面，下端为传动轴下端面，最底端为传动轴连接螺扣；传动轴上端面为直径小于传动轴支撑面直径的圆柱面，用于与传动轴支撑面配合实现转子传动轴居中扶正及密封；传动轴防脱端面为圆环面，用于与传动轴防脱端面配合实现转子传动轴防脱落；传动轴下端面为圆柱面，其直径小于冲击蓄力弹簧的内径；传动轴连接螺扣用于连接被动冲击传动接头；转子传动轴内部上端为转子传动面，用于连接动力钻具转子，并传递扭矩；转子传动轴内部下端为一通孔，用于为钻井液过流提供通道。

上述的转子传动面的形状可以是花键、平键、六方或八方形式。

本发明提到的主动齿形冲击锤顶部为冲击锤上端面，用于承受冲击蓄力弹簧的周期性推力；主动齿形冲击锤外部为冲击锤防旋端面，其形式可以是花键、平键、六方或八方形式，与传扭面配合使用，用于实现主动齿形冲击锤相对于定子外筒周向静止、轴向运动；主动齿形冲击锤内部为冲击锤内端面，其直径大于传动轴下端面外径，为转子传动轴提供穿过空间；主动齿形冲击锤底端为冲击锤齿形曲面，冲击锤齿形曲面沿主动齿形冲击锤母线剖开后展开图形为锯齿状曲线。