依靠循环钻井液实现震击的方法及装置.pdf

本发明公开了一种依靠循环钻井液实现单向震击的方法及装置，本发明是通过钻井液在活塞上腔产生的压力推动震击杆克服储能弹簧反作用力下行，储能弹簧在压缩过程中聚集势能；在震击杆下行过程中，活塞下腔压力逐渐上升；然后通过活塞底部的阀杆打开活塞下腔的泄压通道，使储能弹簧聚集的势能瞬间释放转换成震击杆向上的震击动能，完成一次上震过程，重复上述过程实现连续单向震击。本发明依靠循环钻井液来产生震击的，可以给卡点一个快速、连续的震击。可以有效降低钻柱的负荷，增加管柱中如钻杆、钻铤和其他钻具的使用寿命；同时，对地面的承载设备也起到保护作用。

1.   一种依靠循环钻井液实现震击的方法，其特征在于，该方法是通过钻井液在活塞上腔（20）产生的压力推动震击杆（13）克服储能弹簧（16）反作用力下行，储能弹簧（16）在压缩过程中聚集势能；在震击杆（13）下行过程中，活塞下腔（21）压力逐渐上升；然后通过活塞底部的阀杆（22）打开活塞下腔（21）的泄压通道，使储能弹簧（16）聚集的势能瞬间释放转换成震击杆（13）向上的震击动能，完成一次上震过程，重复上述过程实现连续单向震击。

2.  根据权利要求1所述依靠循环钻井液实现震击的方法，其特征在于：所述钻井液在活塞上腔（20）产生的压力推动活塞（9）首先克服细弹簧（7）的反作用力下行，通过活塞（9）底部的阀杆（22）将阀座（20）上的阀孔关闭在活塞（9）下端形成活塞下腔（21）；在活塞（9）继续下行过程中，克服粗弹簧（5）反作用力并推动震击杆（13）下行，震击杆（13）下行过程中克服储能弹簧（16）的反作用力压缩储能弹簧（16）完成势能的聚集。

3.  根据权利要求2所述依靠循环钻井液实现震击的方法，其特征在于：所述阀杆（22）将阀座（20）上的阀孔关闭后，钻井液通过活塞（9）上的限流孔（19）进入活塞下腔（21），使活塞下腔（21）的压力逐渐接近活塞上腔（20）的压力，活塞（9）在粗弹簧（5）和细弹簧（7）的作用力相对于震击杆（13）上行，使阀杆（22）脱离阀座（10）上的阀孔，打开活塞下腔（21）泄压通道。

4.  根据权利要求2所述依靠循环钻井液实现震击的方法，其特征在于：所述震击杆（13）外圆设有震击凸台，通过震击凸台与外套管上震击垫的撞击，将储能弹簧（16）释放的势能传递至外套管。

5.  一种依靠循环钻井液实现单向震击的装置，包括外套管；其特征在于：在外套管内设有活塞（9），在活塞（9）下方设有震击杆（13）；活塞（9）底部设有阀杆（22），震击杆（13）上端设有阀座（10）；活塞（9）外套有粗弹簧（5）和细弹簧（7）；震击杆（13）外套有储能弹簧（16）。

6.  根据权利要求5所述依靠循环钻井液实现单向震击的装置，其特征在于：所述活塞（9）的形状为管状结构，管的顶部外圆设有用于支撑弹簧的环形凸台，管的底部外圆的小直径端为阀杆（22），管的内孔下部设有与外圆相通的限流孔（19），管的外圆中段设有用于隔离粗弹簧（5）和细弹簧（7）的弹簧导向套（6）。

7.  据权利要求6所述依靠循环钻井液实现单向震击的装置，其特征在于：所述震击杆（13）下端与延长心轴（14）连接，所述储能弹簧（16）位于延长心轴（14）外圆，储能弹簧（16）两端设有弹簧座（15）；储能弹簧（16）下方的弹簧座（15）底部设有调节套（17）。

8.  根据权利要求7所述依靠循环钻井液实现单向震击的装置，其特征在于：所述外套管包括由上至下依次连接的上接头（1）、传动套（4）、传动轴（8）、中间套筒（12）和下接头（18）；活塞（9）位于传动轴（8）内孔中，震击杆（13）和延长心轴（14）位于中间套筒（12）内，中间套筒（12）内设有震击垫（11），震击垫（11）下方的震击杆（13）上设有震击凸台。

9.  根据权利要求8所述依靠循环钻井液实现单向震击的装置，其特征在于：所述外套管中的传动套（4）与传动轴（8）花键连接，外套管中的其余部分均为螺纹连接。

10.  根据权利要求8所述依靠循环钻井液实现单向震击的装置，其特征在于：所述上接头（1）内设有花键体（2）和节流体（3）。

依靠循环钻井液实现震击的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种依靠循环钻井液实现震击的方法及装置，属于井下工具技术领域。
背景技术
钻井卡钻事故是钻井施工中最常见、最易发生的井下工程事故。几千米长的钻具在井内工作时，常因井壁掉块、垮塌等原因发生钻具不能上提、不能下放或不能转动的现象，称之为钻井的卡钻事故。卡钻事故处理工具是震击器，是强迫卡点钻柱反复上下运动以达到解卡目的。现有技术的震击器有机械式和液压式两大类，是根据释放机构的不同分类，本质上都是通过上提或者下压钻柱强迫卡点以上钻柱作弹性伸长或压缩后突然释放，利用钻柱伸长或压缩储蓄的弹性势能冲击卡点。每上提、下放一次完成一次震击作业。解卡作业都是不断重复上提、下放钻柱，直到卡点被解除。但在大斜度井或水平井中钻柱处于倚靠井壁状态，震击作业释放钻柱储蓄的弹性势能大部分被钻柱与井壁的摩擦消耗掉，到达卡点的冲击力严重衰减，解卡成功率大大降低。如若加大震击力和增加震击次数对钻具及钻井设备有损害，增加二次事故的风险。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种依靠循环钻井液实现震击的方法及装置，以解决在大斜度井或水平井段现有震击器失效的技术问题，从而克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明的一种依靠循环钻井液实现单向震击的方法为，该方法是通过钻井液在活塞上腔产生的压力推动震击杆克服储能弹簧反作用力下行，储能弹簧在压缩过程中聚集势能；在震击杆下行过程中，活塞下腔压力逐渐上升；然后通过活塞底部的阀杆打开活塞下腔的泄压通道，使储能弹簧聚集的势能瞬间释放转换成震击杆向上的震击动能，完成一次上震过程，重复上述过程实现连续单向震击。
前述方法中，所述钻井液在活塞上腔产生的压力推动活塞首先克服细弹簧的反作用力下行，通过活塞底部的阀杆将阀座上的阀孔关闭在活塞下端形成活塞下腔；在活塞继续下行过程中，克服粗弹簧反作用力并推动震击杆下行，震击杆下行过程中克服储能弹簧的反作用力压缩储能弹簧完成势能的聚集。
前述方法中，所述阀杆将阀座上的阀孔关闭后，钻井液通过活塞上的限流孔进入活塞下腔，使活塞下腔的压力逐渐接近活塞上腔的压力，活塞在粗弹簧和细弹簧的作用力相对于震击杆上行，使阀杆脱离阀座上的阀孔，打开活塞下腔泄压通道。
前述方法中，所述震击杆外圆设有震击凸台，通过震击凸台与外套管上震击垫的撞击，将储能弹簧释放的势能传递至外套管。
根据上述方法构成的本发明的一种依靠循环钻井液实现单向震击的装置为，该装置包括外套管；外套管内设有活塞，活塞下方设有震击杆；活塞底部设有阀杆，震击杆上端设有阀座；活塞外套有粗弹簧和细弹簧；震击杆外套有储能弹簧。
前述装置中，所述活塞的形状为管状结构，管的顶部外圆设有用于支撑弹簧的环形凸台，管的底部外圆的小直径端为阀杆，管的内孔下部设有与外圆相通的限流孔，管的外圆中段设有用于隔离粗弹簧和细弹簧的弹簧导向套。
前述装置中，所述震击杆下端与延长心轴连接，所述储能弹簧位于延长心轴外圆，储能弹簧两端设有弹簧座；储能弹簧下方的弹簧座底部设有调节套。
前述装置中，所述外套管包括由上至下依次连接的上接头、传动套、传动轴、中间套筒和下接头；活塞位于传动轴内孔中，震击杆和延长心轴位于中间套筒内，中间套筒内设有震击垫，震击垫下方的震击杆上设有震击凸台。
前述装置中，所述外套管中的传动套与传动轴花键连接，外套管中的其余部分均为螺纹连接。
前述装置中，所述上接头内设有花键体和节流体。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，本发明完成震击作业不是靠过载提拉或下放来实现，可以有效地降低钻柱的负荷，增加管柱中如钻杆、钻铤和其他钻具的使用寿命；同时，对地面的承载设备也起到保护作用。本发明不需要特殊的设备来操作，依靠循环钻井液来产生震击的，克服了常规震击器单次震击的缺点，可以给卡点一个快速、连续的震击。调节钻井液的排量即可改变震击的频率。因为采用了耐高温、耐磨损的密封件工具可以井底温度220℃以内工作。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中活塞部分的局部放大图。
附图中的标记为： 1-上接头、2-花键体、3-节流体、4-传动套、5-粗弹簧、6-弹簧导向套、7-细弹簧、8-传动轴、9-活塞、10-阀座、11-震击垫、12-中间套筒、13-震击杆、14-延长心轴、15-弹簧座、16-储能弹簧、17-调节套、18-下接头、19-限流孔、20-活塞上腔、21-活塞下腔、22-阀杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
本发明的一种依靠循环钻井液实现单向震击的方法，如图1和2所示，该方法是通过钻井液在活塞上腔20产生的压力推动震击杆13克服储能弹簧16反作用力下行，储能弹簧16在压缩过程中聚集势能；在震击杆13下行过程中，活塞下腔21压力逐渐上升；然后通过活塞底部的阀杆22打开活塞下腔21的泄压通道，使储能弹簧16聚集的势能瞬间释放转换成震击杆13向上的震击动能，完成一次上震过程，重复上述过程实现连续单向震击。钻井液在活塞上腔20产生的压力推动活塞9首先克服细弹簧7的反作用力下行，通过活塞9底部的阀杆22将阀座20上的阀孔关闭在活塞9下端形成活塞下腔21；在活塞9继续下行过程中，克服粗弹簧5反作用力并推动震击杆13下行，震击杆13下行过程中克服储能弹簧16的反作用力压缩储能弹簧16完成势能的聚集。阀杆22将阀座20上的阀孔关闭后，钻井液通过活塞9上的限流孔19进入活塞下腔21，使活塞下腔21的压力逐渐接近活塞上腔20的压力，活塞9在粗弹簧5和细弹簧7的作用力相对于震击杆13上行，使阀杆22脱离阀座10上的阀孔，打开活塞下腔21泄压通道。震击杆13外圆设有震击凸台，通过震击凸台与外套管上震击垫的撞击，将储能弹簧16释放的势能传递至外套管。
根据上述方法构成的本发明的一种依靠循环钻井液实现单向震击的装置，如图1和2所示，该装置包括外套管；外套管内设有活塞9，活塞9下方设有震击杆13；活塞9底部设有阀杆22，震击杆13上端设有阀座10；活塞9外套有粗弹簧5和细弹簧7；震击杆13外套有储能弹簧16。活塞9的形状为管状结构，管的顶部外圆设有用于支撑弹簧的环形凸台，管的底部外圆的小直径端为阀杆22，管的内孔下部设有与外圆相通的限流孔19，管的外圆中段设有用于隔离粗弹簧5和细弹簧7的弹簧导向套6。震击杆13下端与延长心轴14连接，所述储能弹簧16位于延长心轴14外圆，储能弹簧16两端设有弹簧座15；储能弹簧16下方的弹簧座15底部设有调节套17。外套管包括由上至下依次连接的上接头1、传动套4、传动轴8、中间套筒12和下接头18；活塞9位于传动轴8内孔中，震击杆13和延长心轴14位于中间套筒12内，中间套筒12内设有震击垫11，震击垫11下方的震击杆13上设有震击凸台。外套管中的传动套4与传动轴8花键连接，外套管中的其余部分均为螺纹连接。上接头1内设有花键体2和节流体3。
实施例
具体实施时，上接头1一端加工有矩形花键槽，花键体2通过花键副装入上接头1，下端的节流体3直接顶住花键体2内孔的台阶，传动套4与节流体上接头螺纹连接，传动套4与传动轴8之间通过花键副配合，且传动轴8与花键体2螺纹连接，在传动轴8的上端孔中装有粗弹簧5、细弹簧7及弹簧导向套6及活塞9。在传动轴8的上端安装有阀座10，下端安装有弹簧座15、储能弹簧16及调节套17，传动轴8、中间筒体12、下接头18通过螺纹连成一体。
下面对本发明的工作过程及原理进一步的说明如下：
本发明的使用十分简单，若出现钻具遇卡事故后，将工具连接在钻具的前端，尽可能接近卡点的位置，通过循环钻井液即可实施连续震击作业（向上震击）直到钻具解卡。
工作原理：钻井液从工具的上部即上接头1流入后，经过节流体3及活塞9二次节流后先后克服细弹簧7、粗弹簧5推动活塞9下行迫使活塞下端的阀杆22进入阀座10的孔关闭通道。同时，震击杆13克服储能弹簧16下行。活塞下腔21中的压力逐渐升高。此时，随着活塞9上、下两个腔室的压力趋于相等时，细弹簧7、粗弹簧5长度恢复自由长度状态，即缓慢回弹，当活塞9前端的阀杆22与阀座10脱开时，活塞下腔21的压力瞬间减少，储能弹簧16推动震击杆13加速打击震击垫11。这时，活塞9的上、下腔室的压力变得不平衡，继续推动活塞9下行，回弹的震击杆13上阀座10再次与活塞9上阀杆22密封，如此，完成一个震击循环作业。