《一種扭轉衝擊鑽井工具》是中國石油化工集團公司、中國石化集團勝利石油管理局鑽井工藝研究院於2010年10月19日申請的專利，該專利的申請號為2010105114212，公布號為CN102454364A，授權公布日為2012年5月16日，發明人是周燕、安慶寶、蔡文軍、董懷榮、梁錦民、謝慧、羅熙、王新峰。
《一種扭轉衝擊鑽井工具》公開了一種扭轉衝擊鑽井工具，鑽井工程中能給鑽頭施加高頻扭轉衝擊。其技術方案：主要由鑽鋌短節、扭轉衝擊發生器和聯接體組成；鑽鋌短節與扭轉衝擊發生器間以聯接體間隙聯接，花鍵定位；導流蓋固定在錘座上，內部形成空腔由內到外依次為截流噴嘴、篩管、定位套、衝擊錘；篩管與錘座固定；衝擊錘、定位套、篩管和錘座圓周方向有通孔；衝擊錘上加工有衝擊錘頭和啟動錘頭。該工具安裝於鑽鋌與鑽頭間，鑽頭接收鑽柱旋轉扭矩同時，接收衝擊錘在流體驅動下產生的高頻扭轉衝擊。該發明與其它鑽井工具相比，能產生高頻扭轉衝擊，消除鑽頭粘、滑現象，提高較硬或研磨性地層機械鑽速，延長鑽頭等鑽柱配套部件使用壽命，提高鑽井效率，降低鑽井成本。
2017年12月11日，《一種扭轉衝擊鑽井工具》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種扭轉衝擊鑽井工具》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種扭轉衝擊鑽井工具
- 申請公布號：CN102454364A
- 申請公布日 ：2012年5月16日
- 申請號 ：2010105114212
- 申請日 ：2010年10月19日
- 申請人 ：中國石油化工集團公司、中國石化集團勝利石油管理局鑽井工藝研究院
- 地址 ：北京市朝陽區朝陽門北大街22號
- 發明人 ：周燕、安慶寶、蔡文軍、董懷榮、梁錦民、謝慧、羅熙、王新峰
- Int. Cl. ：E21B7/24(2006.01)I
- 專利代理機構 ：東營雙橋專利代理有限責任公司
- 代理人 ：羅文遠
- 專利類型：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
鑽頭在使用過程存在以下幾方面的問題：
（1）鑽進過程中，鑽頭通常有粘、滑、卡鑽現象，鑽柱總是像發條一樣擰緊，待扭矩積聚，又快速釋放，這種工程問題較為嚴重，鑽柱扭轉震盪，使整個鑽井過程不穩定，對鑽頭、鑽柱配套部件的使用壽命產生不利影響。
（2）對於較硬地層或研磨性地層，鑽頭的吃入深度不夠，機械鑽速有待提高。2010年以前鑽井作業中使用的各類旋沖或沖旋工具只能產生軸向衝擊力，不但不會解決鑽頭粘、滑、卡鑽現象，加劇的不穩定鑽進反而會縮短鑽頭壽命。美國的TorkBuster扭轉衝擊發生器（專利號：US6742609B2）採用渦輪驅動衝擊錘產生高頻扭轉衝擊，西南石油大學的扭轉衝擊鑽井工具（專利申請號：200910058083.9）利用螺桿鑽具驅動衝擊錘，這兩種鑽井工具易損件多、消耗的壓降大。
發明內容
專利目的
《一種扭轉衝擊鑽井工具》解決的技術問題在於提供一種扭轉衝擊鑽井工具，2010年以前旋轉鑽井中，一方面，對於較硬地層或研磨性地層的機械鑽速有待提高；另一方面，作為石油鑽井的鑽頭——鑽頭的粘、滑現象亟待解決。因此，迫切需要一種能夠提高較硬或研磨性地層的機械鑽速、解決PDC鑽頭粘、滑現象的井下工具。在2010年10月之前鑽井體系工況下，該工具巧妙地將部分鑽井液的流體能量轉換成高頻的、周向扭轉的、衝擊型的井底機械破岩功率並直接作用鑽頭上，這種能夠產生高頻小幅度扭轉衝擊的鑽井工具能夠使鑽頭穩定的鑽進，工具內部無渦輪或螺桿等其它鑽具，易損件少，消耗的壓降少，使用壽命長。該發明的目的就是為了提高較硬地層或研磨性地層的機械鑽速，消除鑽頭的粘、滑現象提供一種扭轉衝擊鑽井工具。
技術方案
《一種扭轉衝擊鑽井工具》主要由鑽鋌短節、扭轉衝擊發生器和聯接體組成，其特徵在於：所述扭轉衝擊發生器主要由導流蓋、軸環、衝擊錘、定位套、扶正圈、截流噴嘴、篩管、錘座、支撐環和封蓋環組成；鑽鋌短節在外，扭轉衝擊發生器在內，二者以聯接體間隙聯接，以花鍵定位；導流蓋在上，錘座在下，二者固定後內部形成空腔，空腔內由內到外依次為截流噴嘴、篩管、定位套、衝擊錘；衝擊錘、定位套、篩管和錘座圓周方向有通孔；衝擊錘上加工有衝擊錘頭和啟動錘頭，衝擊錘頭封閉在主要由錘座、衝擊錘和導流蓋組成的衝擊倉內並能轉動，啟動錘頭封閉在主要由衝擊錘、定位套和封蓋環組成的啟動倉中並能轉動；衝擊錘上、下安裝有軸環；定位套由安裝於篩管上的支撐環支撐，定位套與篩管之間安裝有扶正圈；鑽鋌短節為圓管狀，上端有螺紋，下端與錘座外側有花鍵相互扣合形成的環狀間隙；錘座外形為圓柱狀，上部有錘座導流道，下部有與鑽鋌短節扣合的花鍵，錘座內部為上下聯通的中空結構，上部有與衝擊錘外形相應的空腔，下部有內螺紋；定位套中空結構，外側有U形結構，與啟動錘頭外形相應，沿圓周方向有通孔；篩管為圓管狀，與錘座固定，篩管上部圓周方向有過流槽，下部圓周方向有泄流通道；截流噴嘴為圓管狀，下部有螺紋，固定在篩管內過流槽與泄流通道之間；封蓋環位於定位套與衝擊錘之間，並在導流蓋下面；導流蓋上分流槽；聯接體、軸環、扶正圈、支撐環、封蓋環為滾動體組合，或為環狀體或環狀體組合。
附圖說明
圖1為扭轉衝擊鑽井工具結構剖面圖
圖2為扭轉衝擊鑽井工具結構剖面圖
圖3為圖1、2中的A-A截面圖
圖4為圖1、2中的B-B衝擊錘順時針敲擊截面圖
圖5為圖1、2中的B-B衝擊錘逆時針敲擊截面圖
圖6為圖1、2中的C-C截面圖
1-鑽鋌短節；2-導流蓋；3-軸環；4-衝擊錘；5-定位套；6-扶正圈；7-截流噴嘴；8-聯接體；9-篩管；10-錘座；11-支撐環；12-封蓋環；13-導流通孔；14-分流槽；15-花鍵；16-泄流通道；17-過流槽；18-環狀間隙；19-衝擊倉；20-衝擊倉出口流道；21-衝擊錘頭；22-衝擊倉入口流道；23-正敲擊面；24-啟動倉出口流道；25-反定位面；26-啟動錘頭；27-啟動倉入口流道；28-啟動倉；29-反敲擊面；30-正定位面；31-錘座導流道
技術領域
《一種扭轉衝擊鑽井工具》涉及鑽井工程中井下工具領域。
權利要求
1.《一種扭轉衝擊鑽井工具》主要由鑽鋌短節（1）、扭轉衝擊發生器和聯接體（8）組成，其特徵在於：所述扭轉衝擊發生器主要由導流蓋（2）、軸環（3）、衝擊錘（4）、定位套（5）、扶正圈（6）、截流噴嘴（7）、篩管（9）、錘座（10）、支撐環（11）和封蓋環（12）組成；鑽鋌短節（1）在外，扭轉衝擊發生器在內，二者以聯接體（8）間隙聯接，以花鍵（15）定位；導流蓋（2）在上，錘座（10）在下，二者固定後內部形成空腔，空腔內由內到外依次為截流噴嘴（7）、篩管（9）、定位套（5）、衝擊錘（4）；衝擊錘（4）、定位套（5）、篩管（9）和錘座（10）圓周方向有通孔；衝擊錘（4）上加工有衝擊錘頭（21）和啟動錘頭（26），衝擊錘頭（21）封閉在主要由錘座（10）、衝擊錘（4）和導流蓋（2）組成的衝擊倉（19）內並能轉動，啟動錘頭（26）封閉在主要由衝擊錘（4）、定位套（5）和封蓋環（12）組成的啟動倉（28）中並能轉動；衝擊錘（4）上、下安裝有軸環（3）；定位套（5）由安裝於篩管（9）上的支撐環（11）支撐，定位套（5）與篩管（9）之間安裝有扶正圈（6）。
2.根據權利要求1所述的一種扭轉衝擊鑽井工具，其特徵為：鑽鋌短節（1）為圓管狀，上端有螺紋，下端與錘座（10）外側有花鍵（15）相互扣合形成的環狀間隙（18）；錘座（10）外形為圓柱狀，上部有錘座導流道（31），下部有與鑽鋌短節（1）扣合的花鍵（15），錘座（10）內部為上下聯通的中空結構，上部有與衝擊錘（4）外形相應的空腔，下部有內螺紋。
3.根據權利要求1所述的一種扭轉衝擊鑽井工具，其特徵為：定位套（5）中空結構，外側有U形結構，與啟動錘頭（26）外形相應，沿圓周方向有通孔。
4.根據權利要求1所述的一種扭轉衝擊鑽井工具，其特徵為：篩管（9）為圓管狀，與錘座（10）固定，篩管（9）上部圓周方向有過流槽（17），下部圓周方向有泄流通道（16）；截流噴嘴（7）為圓管狀，下部有螺紋，固定在篩管（9）內過流槽（17）與泄流通道（16）之間。
5.根據權利要求1所述的一種扭轉衝擊鑽井工具，其特徵為：封蓋環（12）位於定位套（5）與衝擊錘（4）之間，並在導流蓋（2）下面；導流蓋（2）有分流槽（14）。
實施方式
圖1所示，扭轉衝擊鑽井工具主要由鑽鋌短節1、扭轉衝擊發生器和聯接體8組成，所述扭轉衝擊發生器主要由導流蓋2、軸環3、衝擊錘4、定位套5、扶正圈6、截流噴嘴7、篩管9、錘座10、支撐環11和封蓋環12組成；圖1、2所示，鑽鋌短節1在外，扭轉衝擊發生器在內，二者以聯接體8間隙聯接，以花鍵15定位；聯接體8由20個滾珠組成；參見圖1、2、4、5、6，鑽鋌短節1為圓管狀，上端有螺紋，下端與錘座10外側有花鍵15相互扣合形成的環狀間隙18；錘座10外形為圓柱狀，上部有錘座導流道31，下部有與鑽鋌短節1扣合的花鍵15，錘座10內部為上下聯通的中空結構，上部有與衝擊錘4外形相應的空腔，下部有內螺紋；導流蓋2在上，錘座10在下，二者固定後內部形成空腔，空腔內由內到外依次為截流噴嘴7、篩管9、定位套5、衝擊錘4；衝擊錘4、定位套5、篩管9和錘座10圓周方向有通孔；衝擊錘4上加工有1個衝擊錘頭21和1個啟動錘頭26，衝擊錘頭21封閉在主要由錘座10、衝擊錘4和導流蓋2組成的衝擊倉19內並能轉動，啟動錘頭26封閉在主要由衝擊錘4、定位套5和封蓋環12組成的啟動倉28中並能轉動；衝擊錘4上、下安裝有1個軸環3；定位5套5由安裝於篩管9上的支撐環11支撐，定位套5與篩管9之間上、下各安裝有1個扶正圈6；定位套5中空結構，外側有1個U形結構，與啟動錘頭26外形相應，沿圓周方向2個通孔；篩管9為圓管狀，與錘座10固定，篩管9上部圓周方向有過流槽17，下部圓周方向有8個泄流通道16；截流噴嘴7為圓管狀，下部有螺紋，固定在篩管9內過流槽17與泄流通道16之間；封蓋環12位於定位套5與衝擊錘4之間，並在導流蓋2下面；上分流槽14；軸環3、扶正圈6、支撐環11、封蓋環12都為環狀體。鑽鋌短節1上部螺紋連線鑽柱；錘座10下部內螺紋連線鑽頭。
工作時，旋轉鑽柱驅動鑽鋌短節1轉動，由扣合的花鍵15帶動與錘座10相連的鑽頭旋轉；流體由導流通孔13經截流噴嘴7分流成三部分：一部分直接到達鑽頭；一部分流體經分流槽14到錘座導流道31，由啟動倉入口流道27流入啟動倉28，推動啟動錘頭26貼合反定位面25，使衝擊錘4和定位套5以相同角速度逆時針轉動，當衝擊錘頭21由正敲擊面23到達反敲擊面29時，衝擊錘4停止轉動，定位套5仍繼續逆時針轉動，直至啟動錘頭26與正定位面30貼合，使啟動倉28中的流體由啟動倉出口流道24流出，經泄流通道16到達鑽頭；就在衝擊錘4和定位套5一同逆時針旋轉使衝擊錘頭21剛剛離開正敲擊面23時，另一部分流體經篩管9上開有的過流槽17，由衝擊倉入口流道22流入衝擊倉19，此時衝擊倉19由衝擊錘頭21分隔成兩個空間，與正敲擊面23相鄰的空間因衝擊倉入口流道22湧入流體而不斷擴大，與反敲擊面29相鄰的空間流體因衝擊倉出口流道20流出而不斷縮小，衝擊錘頭21兩邊產生壓差，推動衝擊錘頭21繼續逆時針旋轉，直到反敲擊面29，由衝擊倉出口流道20流出的流體經泄流通道16，最後也到達鑽頭。每當衝擊錘頭21與反敲擊面29貼合、啟動錘頭26與正定位面30貼合時，啟動倉入口流道27和衝擊倉入口流道22開啟，流體驅動衝擊錘4與定位套5順時針旋轉，直至衝擊錘4與正敲擊面23貼合、定位套5與反定位面25貼合，而此時啟動倉入口流道27和衝擊倉入口流道22又開啟，衝擊錘4與定位套5又開始進行上述的逆時針旋轉的過程，這樣在流體驅動下，衝擊錘4順時針衝擊過程與逆時針衝擊過程交替進行。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種扭轉衝擊鑽井工具》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
