一種旋沖耦合作用鉆井工具及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在鉆井過(guò)程中提供旋沖耦合作用的鉆井工具及其工作方法，適用于石油天然氣鉆井工程以及修井服務(wù)中，也可用于地質(zhì)勘探孔洞鉆進(jìn)工程。
【背景技術(shù)】
[0002]目前油田所采用的鉆井工具大部分只能單一的提供軸向沖擊力或周向扭矩，對(duì)于較硬的地層或研磨性地層，當(dāng)鉆具只提供軸向沖擊力時(shí)，鉆頭的吃入深度不夠，機(jī)械鉆速有待提高；而當(dāng)鉆具只提供周向扭矩時(shí)，常缺少足夠的扭矩來(lái)破壞地層，從而使鉆頭瞬間停止轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)粘滑、卡鉆現(xiàn)象，這時(shí)鉆柱會(huì)像發(fā)條一樣扭緊，扭矩積聚后又快速釋放，導(dǎo)致鉆柱扭轉(zhuǎn)震蕩，同時(shí)鉆頭上也會(huì)受到更高的沖擊載荷，對(duì)鉆頭、鉆柱配套部件的使用壽命產(chǎn)生不利影響。
[0003]為了提高鉆井速度，除了研究鉆頭技術(shù)、水力噴射破巖技術(shù)等鉆井技術(shù)外，又提出了旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)概念，其核心內(nèi)容是鉆具在提供軸向沖擊載荷的同時(shí)對(duì)鉆頭施加周向扭矩，通過(guò)大量的技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井可大幅提高鉆井的機(jī)械鉆速，達(dá)到快速破巖的目的。因此本發(fā)明提出了一種旋沖耦合作用鉆井工具及其工作方法，該工具將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)化為扭矩和軸向沖擊載荷，并直接作用于鉆頭上，大大提高了鉆井效率。該工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，長(zhǎng)度短，克服了常規(guī)鉆井工具大、笨、重的問(wèn)題，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于為石油天然氣開(kāi)發(fā)鉆井、非石油資源勘查開(kāi)采鉆井提供一種旋沖耦合作用鉆井工具及其工作方法，該工具大幅提高了鉆頭破巖效率和鉆井機(jī)械鉆速，且長(zhǎng)度短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有廣發(fā)的應(yīng)用價(jià)值。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種旋沖耦合作用鉆井工具主要包括過(guò)流閥、上接頭、流量控制器、彈簧桿、過(guò)流擋板、閥頭、密封件、彈簧、外殼、芯軸、下棘齒、上棘齒、中心孔、卸閥彈簧、隨動(dòng)件、旋沖套筒、下接頭、調(diào)節(jié)腔室、控制閥、閥座、螺旋孔、上承撞面和下承撞面(23);其特征是:上接頭通過(guò)螺紋連接在外殼上部，其內(nèi)部裝有過(guò)流閥；控制閥安裝在上接頭下端，它與外殼、芯軸的上端面共同構(gòu)成了調(diào)節(jié)腔室；控制閥由流量控制器、彈簧桿、過(guò)流擋板、閥頭、卸閥彈簧組成；芯軸的上部外表面與外殼的內(nèi)表面構(gòu)成間隙配合，兩者之間有密封件，芯軸上有隨動(dòng)件，與旋沖套筒上的螺旋孔接觸；旋沖套筒上有三個(gè)螺旋孔，下端面上有下棘齒；下接頭連接在外殼的下端，其上部有單向的上棘齒與旋沖套筒的下棘齒接觸；芯軸下部的螺紋用來(lái)連接鉆頭；旋沖耦合作用鉆井工具工作方法是:當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，依靠流體的壓差將閥頭壓在閥座上，流體流入調(diào)節(jié)腔室中，隨著流體的增多，調(diào)節(jié)腔室內(nèi)的壓力和體積增大，推動(dòng)外殼向上運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)鉆柱向上運(yùn)動(dòng)；在外殼向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，旋沖套筒相對(duì)芯軸向上運(yùn)動(dòng)，隨動(dòng)件與旋沖套筒上的螺旋孔相互作用，而旋沖套筒下端的下棘齒與下接頭的上棘齒相互作用，使旋沖套筒固定，于是旋沖套筒對(duì)芯軸產(chǎn)生切向作用力，從而形成扭矩；當(dāng)外殼向上運(yùn)動(dòng)后，閥頭與閥座分離，流體經(jīng)中心孔從鉆頭的水眼流出，閥頭與閥座間的壓差減小，調(diào)節(jié)腔室內(nèi)的壓力也減小，外殼以及上部的鉆柱開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)；在卸閥彈簧的作用下，閥頭向上運(yùn)動(dòng)，在彈簧以及鉆柱自身的重力作用下，上承撞面對(duì)鉆頭上的下承撞面進(jìn)行撞擊，對(duì)鉆頭產(chǎn)生沖擊功，外殼和芯軸開(kāi)始恢復(fù)到初始相對(duì)位置，在外殼向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，隨動(dòng)件仍與螺旋孔相互作用，產(chǎn)生了與外殼向上運(yùn)動(dòng)時(shí)相反的作用力，但由于下棘齒和上棘齒均是單向的，無(wú)法使旋沖套筒固定，也就無(wú)法對(duì)芯軸產(chǎn)生扭矩，因此芯軸不會(huì)作反向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)閥頭和芯軸都回復(fù)到初始位置時(shí)，繼續(xù)循環(huán)上述工作過(guò)程；通過(guò)過(guò)流閥可以測(cè)量和控制流體的壓力和速率，從而決定控制閥的循環(huán)周期，快速反復(fù)的沖擊會(huì)使鉆頭相對(duì)鉆柱做持續(xù)的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在鉆壓以及沖擊功的作用下，提尚機(jī)械鉆速和鉆進(jìn)效率。
[0006]所述下棘齒和上棘齒的棘齒表面噴涂0.5-1.5mm的硬質(zhì)合金涂層。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:(1)該工具可以將鉆井液的液體能量轉(zhuǎn)化為旋沖耦合作用載荷，并直接作用于鉆頭上，大大提高了破巖效率；(2)鉆具產(chǎn)生的旋沖耦合作用力可減弱鉆頭的粘滑現(xiàn)象，大幅提高機(jī)械鉆速；(3)該工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，長(zhǎng)度短，可以在造斜作業(yè)和彎曲井眼中使用。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是本發(fā)明一種旋沖耦合作用鉆井工具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2是本發(fā)明一種旋沖耦合作用鉆井工具由橫剖面A-A得到的剖面示意圖。
[0010]圖3是本發(fā)明一種旋沖耦合作用鉆井工具的旋沖套筒示意圖。
[0011]圖中:1.過(guò)流閥，2.上接頭，3.流量控制器，4.彈簧桿，5.過(guò)流擋板，6.閥頭，7.密封件，8.彈簧，9.外殼，10.芯軸，11.下棘齒，12.上棘齒，13.中心孔，14.卸閥彈簧，15.隨動(dòng)件，16.旋沖套筒，17.下接頭，18.調(diào)節(jié)腔室，19.控制閥，20.閥座，21.螺旋孔，22.上承撞面，23.下承撞面。
【具體實(shí)施方式】
[0012]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明一種旋沖耦合作用鉆井工具及其工作方法，主要包括過(guò)流閥1、上接頭2、流量控制器3、彈簧桿4、過(guò)流擋板5、閥頭6、密封件7、彈簧8、外殼9、芯軸10、下棘齒11、上棘齒12、中心孔13、卸閥彈簧14、隨動(dòng)件15、旋沖套筒16、下接頭17、調(diào)節(jié)腔室18、控制閥19、閥座20、螺旋孔21、上承撞面22和下承撞面23 ;其特征是:上接頭2通過(guò)螺紋連接在外殼9上部，其內(nèi)部裝有過(guò)流閥1 ;控制閥19安裝在上接頭2下端，它與外殼9、芯軸10的上端面共同構(gòu)成了調(diào)節(jié)腔室18 ;控制閥19由流量控制器3、彈簧桿4、過(guò)流擋板5、閥頭6、卸閥彈簧14組成；芯軸10的上部外表面與外殼9的內(nèi)表面構(gòu)成間隙配合，兩者之間有密封件7，芯軸10上有隨動(dòng)件15，與旋沖套筒16上的螺旋孔21接觸；旋沖套筒16上有三個(gè)螺旋孔21，下端面上有下棘齒11 ;下接頭17連接