阅读说明：本技术 一种井下气相空间旋转摆动钻井工具及实现方法 (Downhole gas phase space rotating and swinging drilling tool and implementation method ) 是由 金冰兰 于 2019-12-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种钻井用气相空间旋转摆动钻井工具及泥浆导出方法,包括分液盖、分液轮、透平、耦合筒、磁力耦合转子、耦合内轴、摆锤筒、摆锤、回流接头、外筒、下接头,安装在钻头和钻铤之间,钻井内泥浆自泥浆进口进入,经分液盖和分液轮的导流冲击在透平上,透平快速转动,磁力耦合转子驱动耦合内轴同步旋转,耦合内轴与摆锤筒内的摆锤相连,将旋转力传递到摆锤高速旋转,使钻井泥浆沿外筒与摆锤筒之间的环形空间到回流接头,通过回流接头的孔洞流入下接头内,导入下一部分钻具内,效果是减少了钻井拖压和粘滑,提高钻井效率并减少卡钻事故,同时不对已有钻井系统做任何改造就能使用。(The invention relates to a gas phase space rotating and swinging drilling tool for drilling and a mud guiding method, which comprises a liquid separating cover, a liquid separating wheel, a turbine, a coupling cylinder, a magnetic coupling rotor, a coupling inner shaft, a pendulum hammer cylinder, a pendulum hammer, a backflow joint, an outer cylinder and a lower joint, wherein the liquid separating cover, the liquid separating wheel, the turbine, the coupling cylinder, the pendulum hammer cylinder, the backflow joint, the outer cylinder and the lower joint are arranged between a drill bit and a drill collar, mud in drilling enters from a mud inlet, is impacted on the turbine through the flow guide of the liquid separating cover and the liquid separating wheel, the turbine rotates rapidly, the magnetic coupling rotor drives the coupling inner shaft to rotate synchronously, the coupling inner shaft is connected with the pendulum hammer in the pendulum hammer cylinder, and the rotating force is transmitted to, the hole through the backflow connector flows into the lower connector and is guided into the next part of drilling tool, so that the dragging pressure and stick slip of the drilling tool are reduced, the drilling efficiency is improved, the drilling accident is reduced, and the drilling tool can be used without any modification of the conventional drilling system.)

一种井下气相空间旋转摆动钻井工具及实现方法

技术领域

本发明涉及一种钻井工具，特别涉及一种井下气相空间旋转摆动钻井工具及实现方法。

背景技术

目前，影响钻井效率的两大因素，一是钻井粘滑，在井下，PDC钻头的运动是极其无序的,包括横向、纵向和扭向的振动及这几种振动的组合。在正常钻井条件下，PDC钻头能连续地破碎剪切地层。用PDC钻头打坚硬、固结地层时，通常没有足够的扭矩来破碎地层，从而使钻头瞬间停止转动。这时，扭矩能量就开始在钻柱中聚集。钻柱会像发条一样扭紧，一旦达到剪切破碎地层所需的扭矩，钻柱中的扭矩能量就会突然释放出来。钻头将会以高于正常钻头的转速破岩。这种猛烈变化运动被称之为“沾滑”现象。这种现象会导致钻头过早失效、缩短下部钻具的使用寿命并且影响机械钻速。随着井深的增加，岩石的硬度和塑性增大，可钻性变差，机械钻速降低。现场钻井资料表明，深井段的平均机械钻速仅是其上部井段平均机械钻速的15%〜30%，部分地区甚至低于8%。研究表明，“沾滑”是造成机械钻速降低的重要原因之一。二是钻井拖压，托压产生在直井反扣或定向井多次反扣的定向过程中、水平井定向过程中托压由于井眼轨迹以及各种阻力的原因使得钻具加压后压力很难传递到钻头。从综合录井仪器及指重表看就是在钻压不断增加的前提下钻头的位置不变、没有进尺、泵压不升高、不憋泵，在钻压继续增加的时可能会突然憋泵。拖压一方面影响正常的定向施工，降低钻井速度和进尺，另一方面如操作不当易产生卡钻。

目前的钻井工具在不能同时且高效地解决拖压和粘滑问题，因此需要设计一种新型钻井提速工具实现上述目标。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种井下气相空间旋转摆动钻井工具及实现方法，该钻具以钻井泥浆为动力带动摆锤旋转，由于摆锤位于摆锤筒的空腔内，与钻井泥浆隔离，在气相空间运动，从而实现高速旋转，再利用摆锤高速旋转产生的振动和冲击，减少拖压和粘滑，提高钻井效率并减少卡钻事故。具体技术方案是，一种井下气相空间旋转摆动钻井工具，包括分液盖、分液轮、透平、耦合筒、磁力耦合转子、耦合内轴、摆锤筒、摆锤、回流接头、外筒、下接头，其特征在于：所述的分液轮通过内螺纹、分液盖通过内螺纹依次连接在耦合筒上部的外螺纹上、分液盖压紧在分液轮上端面，磁力耦合转子轴承外环卡在磁力耦合转子内、内环固定在耦合筒的卡轴上，透平通过下部外螺纹与磁力耦合转子上部的内螺纹连接，磁力耦合转子的内筒下部嵌有外耦合磁铁，耦合内轴外部镶嵌内耦合磁铁、耦合内轴的上部轴通过轴承固定在耦合筒上端，耦合内轴的下部轴通过下轴承固定在耦合筒下端，摆锤主轴上端面与耦合内轴下端面铰接，摆锤上轴承内环卡在摆锤上轴上，摆锤上轴承外环卡在摆锤筒内，摆锤下轴承内环卡在摆锤下轴上，摆锤下轴承外环卡固在回流接头内孔上部，摆锤的摆锤孔）内固定轴承，两个摆锤通过两根摆锤子轴固定于摆锤主轴的一侧面上，利用轴承使得摆锤绕摆锤子轴转动，摆锤筒上端外螺纹与耦合筒下部的内螺纹连接；摆锤筒下部内螺纹与在回流接头的上螺纹连接，回流接头下部外螺纹与下接头的内螺纹连接；外筒上端内园面有螺纹为泥浆进口、下端有下螺纹，外筒套在耦合筒外，下接头上部外螺纹与外筒内的下螺纹螺接在一起；下接头下部螺纹与外部的钻具连接，泥浆进口与外部的钻具连接。

实现方法为，钻井内泥浆自泥浆进口进入，经分液盖和分液轮的导流后冲击作用在透平上，透平在钻井泥浆的冲击下提高了转速并带动磁力耦合转子快速转动，磁力耦合转子通过磁力耦合作用驱动耦合筒内的耦合内轴同步旋转，耦合内轴与摆锤筒内的摆锤相连，将旋转力最终传递到摆锤，驱动摆锤旋转，从而实现动能的传递，由于摆锤位于摆锤筒的空腔内，与钻井泥浆隔离，在气相空间运动，从而实现高速旋转；同时，摆锤主轴带动摆锤高速连续旋转，由于摆锤位于摆锤主轴一侧，而产生径向振动，减少钻井管柱系与井壁和泥浆的摩擦力，从而减少钻井的拖压；摆锤绕摆锤子轴转动时受到振动，对钻头产生高频的冲击，减少钻井的粘滑；同时，由于处于液相空间的磁力耦合转子与耦合内轴被耦合筒从空间上分隔开，才实现耦合内轴及其相连的其余部件在气相空间中运动；最后，钻井泥浆沿外筒与摆锤筒之间的环形空间流到回流接头，通过回流接头的孔洞流入下接头内，并导入下一部分钻具内。

本发明的技术效果是，泥浆驱动透平旋转，透平通过磁力耦合将动力传递给摆锤筒内的摆锤，摆锤在气相空间旋转，利用高速旋转的摆锤产生径向振动和冲击，一方面减少钻井管柱系与井壁和泥浆的摩擦力，从而减少拖压；另一方面高频的冲击降低了钻井粘滑。可安装在钻头之后，不对已有钻井系统做任何改造就能使用。

附图说明

图1为本发明的结构剖视图；

图2为本发明的***图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种井下气相空间旋转摆动钻井工具，包括泥浆进口1、分液盖2、分液轮3、透平4、耦合筒5、磁力耦合转子6、耦合内轴7、摆锤筒8、摆锤9、回流接头10、外筒11、下接头12。

分液轮3通过内螺纹3-1、分液盖2通过内螺纹2-1依次连接在耦合筒5上部的外螺纹5-1上、分液盖2压紧在分液轮3上端面，磁力耦合转子轴承6-2外环卡在磁力耦合转子6内、内环固定在耦合筒5的卡轴5-2上，透平4通过下部外螺纹4-1与磁力耦合转子6上部的内螺纹连接，磁力耦合转子6的内筒下部嵌有外耦合磁铁6-1，耦合内轴7外部镶嵌内耦合磁铁7-5、耦合内轴7的上部轴7-3通过轴承7-1固定在耦合筒5上端，耦合内轴7的下部轴7-4通过下轴承7-2固定在耦合筒5下端，摆锤主轴9-9上端面与耦合内轴7下端面铰接，摆锤上轴承9-1内环卡在摆锤上轴9-3上，摆锤上轴承9-1外环卡在摆锤筒8内，摆锤下轴承9-2内环卡在摆锤下轴9-4上，摆锤下轴承9-2外环卡固在回流接头10内孔上部，摆锤9的摆锤孔9-4内固定轴承9-6，两个摆锤9通过两根摆锤子轴9-5固定于摆锤主轴9-9的一侧面上，利用轴承9-6使得摆锤9绕摆锤子轴9-5转动，摆锤筒8上端外螺纹8-1与耦合筒5下部的内螺纹5-3连接；摆锤筒8下部内螺纹8-2与在回流接头10的上螺纹10-1连接，回流接头下部外螺纹10-2与下接头12的内螺纹连接；外筒11上端内园面有螺纹为泥浆进口1、下端有下螺纹11-2，外筒11套在耦合筒5外，下接头12上部外螺纹12-1与外筒11内的下螺纹11-2螺接在一起；下接头12下部螺纹12-2与外部的钻具连接，泥浆进口1与外部的钻具连接。

特点：

1.利用透平将泥浆的动能转化为摆锤的旋转动能，以钻杆中高速流动的泥浆带动透平旋转，从而为气相空间旋转摆动钻井工具提供稳定的动力来源，实现摆锤的高速转动。

2.利用磁力耦合传递动力，由于钻头在井底的振动加速度很大，直连的传动轴会在加速度的作用下变形或疲劳断裂，利用磁力耦合传递动力，克服了振动对传动系统的影响、可靠性高。

3.高速旋转转的摆锤减少拖压和粘滑，利用高速旋转的摆锤产生的径向振动，减少钻井管柱系与井壁和泥浆的摩擦力，从而减少拖压；摆锤还可绕摆锤子轴旋转，对钻头产生高频的冲击，减少了钻井粘滑。

4.摆锤在气相空间运动，由于处于液相空间的磁力耦合转子与耦合内轴被耦合筒从空间上分隔开，才实现耦合内轴及其相连的其余部件位于摆锤筒的空腔内，与钻井泥浆隔离，在气相空间运动，从而实现高速旋转。

5.本装置采用螺纹连接，可安装在钻头之后，不对已有钻井系统做任何改造就能使用。