阅读说明：本技术 一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具 (Horizontal torsional elastic buffering and impact rock breaking drilling tool ) 是由 陈玥丹 于 2018-07-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具,主要由上接头、密封件、滚轴轴承、筒状弹性体,下接头组成。本发明的上接头上部连接钻铤,接受钻铤输入的动力,包括扭矩与动能；钻头在切削岩石过程中,通过筒状弹性体的水平扭向弹性缓冲切削岩石；并持续吸收动能,然后转换储存为弹性势能,最后弹性势能集中释放累积的全部能量形成冲击动能,瞬间释放的冲击动能传递给下接头,再由下接头输出到钻头,完成水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井。本发明实现水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井,不仅提高了钻井机械钻速,而且同时还达到保护钻头的切削齿,保护钻头并延长钻头使用寿命。本发明操作简单,钻井作业效率高,也保证钻井作业人员的安全。(The invention provides a horizontal torsional elastic buffer and impact rock breaking drilling tool which mainly comprises an upper joint, a sealing element, a roller bearing, a cylindrical elastic body and a lower joint. The upper part of an upper joint of the invention is connected with a drill collar and receives power input by the drill collar, including torque and kinetic energy; during the process of cutting rocks, the drill bit cushions and cuts the rocks through the horizontal torsional elasticity of the cylindrical elastic body; and continuously absorbing kinetic energy, then converting and storing the kinetic energy into elastic potential energy, finally intensively releasing all accumulated energy by the elastic potential energy to form impact kinetic energy, transmitting the impact kinetic energy released instantly to the lower joint, and outputting the impact kinetic energy to a drill bit by the lower joint to finish horizontal torsional elastic buffering and rock-breaking impact drilling. The invention realizes horizontal torsional elastic buffering and rock-breaking impact drilling, not only improves the drilling speed of the drilling machine, but also protects the cutting teeth of the drill bit, protects the drill bit and prolongs the service life of the drill bit. The invention has simple operation and high drilling operation efficiency, and ensures the safety of drilling operation personnel.)

一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具

技术领域

本发明涉及油井、天然气井、地热井、页岩气井等油气田、矿井中钻井工程技术领域，尤其是涉及一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井提速技术与工具，依靠积聚弹性势能，一次性集中释放积聚后的弹性势能及由弹性势能释放后撞击、冲击产生的水平冲击力，实现水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井提速。

背景技术

钻井提速技术是提高钻井效率、降低钻井成本，获得更大的经济利益，实现效益最大化的重要手段之一。在油气田开发的过程中，钻井工程是一个投入高、风险大、技术密集的环节，投资占勘探开发的50％以上，实践表明：钻井速度提高一倍，总的钻井费用可以降低约25％。

钻井提速技术可以较好地实现更经济环保、更清洁高效地开采地下油气。近几年来经济与时代的进步，环境保护意识增强，要求更经济环保、更清洁高效地开采地下油气已经成为亟待解决的难题，钻井提速技术不仅是目前主要新钻井技术发展方向，而且还是目前钻井科研的主要目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型水平扭向缓冲及冲击破岩钻井提速技术及工具，以解决现有技术中存在的钻井作业过程中的机械钻速效率低，无法大幅提高钻井速度的困境，在钻井过程中可重复、多次下井使用。

本发明提供的一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，包括：

上接头：所述结构上端为母扣，与钻铤或钻杆的公扣连接。

套筒：在中间部分的外部，保护了筒状弹性体，连接着上接头与下接头。套筒的上端由台阶凸起与上接头的台阶凸起互相配合连接，可以互相旋转。套筒的上端内部，安装有密封件，防止杂质异物从外部落入筒状弹性体内。套筒的下端内部由丝扣与下接头连接。

筒状弹性体：筒状弹性体的上端为柱状槽锁结构，上接头的下端也为匹配的柱状槽锁结构，两组柱状槽锁结构互相锲合锁定，转动连接，但不分离。筒状弹性体的下端为下斜坡台阶齿合结构，下接头的上端也为匹配的上斜坡台阶齿合结构，两组斜坡台阶齿合结构在旋转过程中，受外力的作用，当外力产生的扭矩小于筒状弹簧的额定扭矩值时，不发生互相分离。钻杆或钻铤输入的扭矩、动能，输入到上接头后，通过筒状弹性体，传递到下接头，再将水平扭向的扭矩、动能输出到钻头，完成一次水平扭向弹性缓冲切削岩石的作用。

筒状弹性体：在钻井过程中，起到缓冲、延长钻头切削齿切削岩石的作用时间并消减水平扭向冲击力大小的作用。在遇到钻井粘滑现象时，筒状弹性体的筒状弹簧受外力的作用，当外力产生的扭矩超过筒状弹簧的最大额定扭矩值后，筒状弹性体的下斜坡台阶齿合结构与下接头的上斜坡台阶齿合结构在旋转过程中，两组斜坡台阶齿合结构上下滑动错位发生互相分离，然后左右扭转移动后，又上下复位，互相齿合撞击、冲击。每一次发生互相分离、又齿合撞击、冲击过程，筒状弹簧的反弹力都会产生一次瞬间水平冲击力，由于瞬间水平冲击的作用时间缩短，促使瞬间冲击力增大，产生极大的瞬间冲击力。冲击力、扭矩、动能通过下接头，输出到钻头，完成一次水平扭向弹性缓冲及钻杆或钻铤与筒状弹簧共同作用后的冲击破岩切削岩石的作用。

滚轴轴承：所述结构，安装在上接头与下接头之间，在旋转运动过程中，起到减少滚动摩擦阻力的作用；同时，在旋转运动过程中承受轴向负荷，将垂直方向钻杆或钻铤的作用力，从上接头，通过滚轴轴承，传递到下接头，再将垂直方向的作用力输出到钻头。

下接头：所述结构，包括：上部是中心轴，与滚轴轴承接触，下部是上斜坡台阶齿合结构，下端是与钻头连接的母扣，扭矩传递输出到钻头。

相较于现有技术，本发明提供的一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，具有如下优点：

1、本发明的上部母扣连接钻铤或钻杆的公扣，现场安装、操作简单的优点；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用。

2、本发明的下部母扣连接钻头的公扣，现场安装、操作简单的优点；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用。

3、本发明在钻井过程中，起到水平缓冲、延长钻头切削齿切削岩石的作用时间并消减水平扭向冲击力大小的作用。在遇到钻井粘滑现象时，筒状弹性体的筒状弹簧受外力的作用，当外力产生的扭矩超过筒状弹簧的最大额定扭矩值后，筒状弹性体的下斜坡台阶齿合结构与下接头的上斜坡台阶齿合结构在旋转过程中，两组斜坡台阶齿合结构上下滑动错位发生互相分离，然后左右扭转移动后，又上下复位，互相齿合撞击、冲击。每一次发生互相分离、又齿合撞击、冲击过程，筒状弹簧的反弹力都会产生一次瞬间水平冲击力，由于瞬间水平冲击的作用时间缩短，促使瞬间冲击力增大，产生极大的瞬间冲击力，冲击力、扭矩、动能通过下接头，输出到钻头，完成一次水平扭向弹性缓冲及冲击破岩共同作用后的切削岩石的作用。

4、筒状弹性体的筒状弹簧，不仅提供了切削岩石过程中水平扭向切削力的弹性缓冲，而且还延长了切削力切削岩石的作用时间。有效吸收了切削岩石时产生的无序颤动、震动、涡动，有利于保护钻头的切削齿，保护钻头并延长钻头使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明筒状弹性体的结构剖视图；

图3为本发明下接头的上斜坡台阶齿合结构的结构剖视图；

附图标记：

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是2个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，其特征在于：

如图1所示，本实施例提供的一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，包括：

1、上接头1，母扣2连接钻铤或钻杆的公扣，现场安装、操作简单；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用，上扣扭矩上到行业标准的最优扭矩值。

所述上接头1的上部外圆设置有密封段，密封件3与上接头1密封；上接头1的下部设有柱状槽锁结构；与筒状弹性体6上端的柱状槽锁结构10连接；工具的内径与通用的钻杆或钻铤的内径一致。

2、下接头8，下部母扣9连接钻头的公扣，现场安装、操作简单的优点；与现有的上扣、卸扣设备完全匹配，互通使用，上扣扭矩上到行业标准的最优扭矩值。

所述下接头8的中部是上斜坡台阶齿合结构13，外部还有丝扣7，与套筒5下端丝扣7相连。

3、本发明的上接头1从钻铤或钻杆输入扭矩，通过中间部分筒状弹性体6，将输入扭矩传递到下接头8，最后输出扭矩到钻头。

4、本发明的筒状弹性体6：由柱状槽锁结构10，筒状弹簧11，下斜坡台阶齿合结构12组成。筒状弹性体6的筒状弹簧11起到水平扭向弹性缓冲并将吸收动能转换为筒状弹簧11的弹性势能的作用，起到缓冲、储能、延长切削岩石时间并消减水平扭向冲击力的作用；扭矩通过下接头8，输出到钻头，完成一次水平扭向弹性缓冲切削岩石的过程。

5、本发明完成一次钻头切削岩石的过程，既是一次钻头克服切削岩石阻力的过程，也是一次能量转换过程，更是一次扭矩增大的过程。

6、首先，本发明的筒状弹簧11，受外力的作用，当外力产生的扭矩小于筒状弹簧11的额定扭矩值时，是钻头依靠水平扭向弹性缓冲的弹力克服切削岩石阻力的过程。

在筒状弹簧11的额定扭矩值范围内，下斜坡台阶齿合结构12与上斜坡台阶齿合结构13互相齿合，紧密连接不分离，将钻铤或钻杆的扭矩传递到下接头8，再输出扭矩到钻头，依靠筒状弹簧11的水平扭向弹性缓冲的弹力克服切削岩石阻力的过程。

7、其次，本发明的筒状弹簧11，受外力的作用，当外力产生的扭矩超过筒状弹簧11的最大额定扭矩值后，是一次弹力增大后的水平扭向弹性缓冲及弹力瞬间释放，外力、弹力共同的作用力输出到钻头，共同冲击破岩的过程。

受外力的作用，当外力产生的扭矩超过筒状弹簧11的最大额定扭矩值后，下斜坡台阶齿合结构12与上斜坡台阶齿合结构13上下滑动错位发生互相分离，然后左右扭转移动后，又上下复位，互相齿合撞击、冲击。每一次发生互相分离、又齿合撞击、冲击过程，筒状弹性体6积聚弹性势能，瞬间释放弹性势能产生一次瞬间快速水平冲击，由于瞬间快速水平冲击的作用时间缩短，促使瞬间冲击力激增，产生极大的瞬间冲击力，冲击力通过下接头，输出到钻头。完成一次水平扭向弹性缓冲，积聚弹性势能，瞬间释放弹性势，外力、弹力共同的作用力输出到钻头，共同冲击破岩的过程。

8、最后，本发明的筒状弹簧11，受外力的作用，当外力产生的扭矩超过筒状弹簧11的最大额定扭矩值后，也是一次水平扭向弹性缓冲积聚弹性势能，然后，钻杆或钻铤的动能与筒状弹簧11弹性势能的瞬间释放叠加后的能量共同冲击破岩的过程。

受外力的作用，当外力产生的扭矩超过筒状弹簧11的最大额定扭矩值后，本发明的筒状弹性体6；上部与上接头1连接，下部与下接头8一起水平扭向弹性运动，将钻铤或钻杆提供的大小波动的扭矩，依靠筒状弹簧11持续吸收动能，由筒状弹簧11吸收动能转换为的弹性势能，又瞬间释放弹性势能转换为下斜坡台阶齿合结构12与上斜坡台阶齿合结构13撞击、冲击的动能，传递到下接头8，然后输出到钻头。完成一次水平扭向弹性缓冲积聚弹性势能，然后，钻杆或钻铤的动能与筒状弹簧11弹性势能瞬间释放叠加后的能量共同冲击破岩的过程。

9、本发明的一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，连接在钻杆、钻铤与钻头中间位置，一起下入井中实现水平扭向弹性缓冲的瞬间释放及冲击破岩钻井。

本发明的一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，吸收了过去多年积累的经验，采用“持续吸收动能--转换储存为弹性势能--弹性势能瞬间释放形成冲击动能”的切削岩石的新设计理念，创新改造发明后应用到石油钻井行业，起到钻井水平扭向弹性缓冲及冲击破岩提速的效果，从而提高钻井效率，降低作业成本的目的。

相较于现有技术，本发明提供的一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，具有如下优点：

1、一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，受外力的作用，当外力产生的扭矩小于筒状弹簧11的额定扭矩值时，依靠水平扭向弹性缓冲切削岩石。利用了筒状弹性体6的下斜坡台阶齿合结构12与下接头的上斜坡台阶齿合结构13，在筒状弹簧11的额定扭矩值范围内，下斜坡台阶齿合结构12与上斜坡台阶齿合结构13互相齿合，紧密连接不分离，将钻铤或钻杆的扭矩传递到下接头8，再输出扭矩到钻头，依靠筒状弹簧11的水平扭向弹性缓冲产生的切削力克服岩石阻力切削岩石。

2、一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，受外力作用，当外力产生的扭矩超过筒状弹簧11的最大额定扭矩值后，依靠筒状弹簧11的弹性势能瞬间释放形成冲击动能，与钻杆或钻铤的动能叠加后的水平扭向弹性缓冲及冲击产生的切削力克服岩石阻力破岩的过程。

3、一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，依靠钻杆或钻铤提供的外力与筒状弹簧11的弹力形成外力、弹力的合力共同冲击破岩。

利用了筒状弹性体6的下斜坡台阶齿合结构12与下接头的上斜坡台阶齿合结构13，受外力与反弹力的共同作用，当产生的扭矩超过筒状弹簧11的最大额定扭矩值后，下斜坡台阶齿合结构12与上斜坡台阶齿合结构13上下滑动错位发生互相分离，然后左右扭转移动后，又上下弹性复位，复位时下斜坡台阶齿合结构12与上斜坡台阶齿合结构13互相发生撞击、冲击，依靠反弹力瞬间释放形成冲击力与钻杆或钻铤提供的外力叠加形成合力后，传递到下接头8，输出到钻头。完成一次水平扭向弹性缓冲，积聚弹性势能，瞬间释放弹性势能，外力、弹力共同的作用力输出到钻头，共同冲击破岩的过程。

4、一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，利用了筒状弹簧11只能在一定的旋转角度范围内反复周期性受外力及反弹力的作用，筒状弹簧11只能上下滑动错位，然后左右扭转弹性移动后，又上下弹性复位的特点。

5、一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，利用了上接头1，通过滚轴轴承4在旋转运动过程中，起到减少滚动摩擦阻力的作用；同时，在旋转运动过程中承受轴向负荷，将垂直方向钻杆或钻铤的作用力，刚性传递到下接头8，再将垂直方向的作用力输出到钻头。

本发明的工作原理如下：

本发明的一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具与钻杆或钻铤一起下入井中，地面钻机输入的扭矩、动力、能量通过钻杆或钻铤输出到上接头1。

通过上接头的柱状槽锁结构，将扭矩、动力、能量传递到筒状弹性体6的柱状槽锁结构10，筒状弹簧11，在弹性约束下筒状弹簧11在一定的角度范围内旋转，实现“持续吸收动能--转换储存为弹性势能--弹性势能瞬间释放形成冲击动能”的转换，再通过筒状弹性体6的下斜坡台阶齿合结构12与下接头8的上斜坡台阶齿合结构13，传递到下接头8，最后将扭矩、动力、能量输出到钻头，完成水平扭向弹性缓冲及冲击破岩。

通过滚轴轴承4的垂直滑动传递，及下接头8的垂直刚性传递，将钻杆或钻铤输入的垂直重力输出到钻头。

通过滚轴轴承4的旋转滑动传递，筒状弹性体6及下接头8的扭矩传递，将钻杆或钻铤输入的扭矩、动力、能量输出到钻头。

受外力的作用，当外力产生的扭矩小于筒状弹簧11的额定扭矩值时，筒状弹性体6的下斜坡台阶齿合结构12与下接头8的上斜坡台阶齿合结构13，互相齿合，紧密连接不分离。持续吸收钻铤或钻杆提供的动能，转换储存为弹性势能到筒状弹簧11，然后释放筒状弹簧11存储弹性势能，并叠加钻铤或钻杆提供的动能共同传递下接头8，再输出扭矩、动力、能量到钻头，依靠筒状弹簧11的水平扭向弹性缓冲的弹力克服切削岩石阻力的过程。

受外力的作用，当外力产生的扭矩超过筒状弹簧11的最大额定扭矩值后，筒状弹性体6的下斜坡台阶齿合结构12与下接头8的上斜坡台阶齿合结构13，上下滑动错位发生互相分离，然后左右扭转移动后，又上下弹性复位，然后依靠筒状弹簧11释放储存弹性势能，错位后的两组斜坡台阶齿合结构互相发生撞击、冲击，瞬间释放冲击动能将增大的冲击力传递到下接头8，再输出扭矩到钻头，依靠弹性势能瞬间释放形成冲击动能与钻杆或钻铤的动能的能量累加后，传递到下接头8，再输出扭矩、动力、能量到钻头。完成一次水平扭向弹性缓冲积聚弹性势能，然后，钻杆或钻铤的动能与筒状弹簧11弹性势能瞬间释放叠加后的能量共同冲击破岩的过程。

钻头完成一次切削岩石的过程，也是一次持续吸收动能，然后转换储存为弹性势能的过程；或持续吸收动能，然后转换储存为弹性势能，最后瞬间释放形成冲击动能，再输出扭矩、动力、能量到钻头，完成一次又一次切削岩石的过程。

钻头利用水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具切削岩石，可分为两个阶段。

第一个阶段钻头依靠水平弹性缓冲切削岩石：受外力的作用，当外力产生的扭矩小于筒状弹簧11的额定扭矩值时。利用了筒状弹性体6的下斜坡台阶齿合结构12与下接头的上斜坡台阶齿合结构13，在筒状弹簧11的额定扭矩值范围内，下斜坡台阶齿合结构12与上斜坡台阶齿合结构13互相齿合，紧密连接不分离，将钻铤或钻杆的扭矩传递到下接头8，再输出扭矩到钻头，依靠筒状弹簧11的水平扭向弹性缓冲的弹力克服切削岩石阻力，依靠水平弹性缓冲完成第一阶段钻头切削岩石的过程。

如果钻头第一阶段依靠水平扭向弹性缓冲未能完成切削岩石，那么，本发明的一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具的第二阶段冲击破岩开始起作用：继续受外力的作用，当外力产生的扭矩超过筒状弹簧11的最大额定扭矩值后，下斜坡台阶齿合结构12与下接头8的上斜坡台阶齿合结构13，上下滑动错位发生互相分离，然后左右扭转移动后，又上下弹性复位，然后依靠筒状弹簧11释放储存弹性势能，错位后的两组斜坡台阶齿合结构互相发生撞击、冲击，瞬间释放冲击动能将增大的冲击力传递到下接头8，再输出扭矩到钻头，依靠弹性势能释放并累加钻铤或钻杆提供的动能的能量累加后，再共同输出扭矩、动力、能量到钻头。完成一次水平扭向弹性缓冲积聚弹性势能，然后，钻杆或钻铤的动能与筒状弹簧11弹性势能瞬间释放叠加后的能量共同冲击破岩，完成第二阶段钻头冲击破岩切削岩石的过程。

本发明的一种水平扭向弹性缓冲及冲击破岩钻井工具，大大地提高了钻井速度，节省了钻井作业费用，保证对石油，天然气、煤层气或页岩气岩石的钻井提速起到关键的作用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。