CN101988377B - 可打捞井下蓄能式水力脉冲工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种石油钻井用可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，由打捞头、蓄能器、磁力传动机构、行星减速机构及脉冲调质机构等组成。内磁力传动组件、输入轴、行星齿轮系和输出轴等浸在充满润滑油的密封腔内，确保运动件寿命。整个工具安装于钻铤短节内，下接钻头，钻井中，当泥浆经钻柱到达该工具时，泥浆带动工具动作，将泥浆连续射流转变为脉冲射流，脉冲射流有利于井底破碎岩屑起动，及时净化井底，避免岩屑重复破损，从而提高钻头寿命和机械钻速。蓄能器不仅可吸收钻柱内的压力波动，而且对钻头产生流量脉动，进一步增强清岩效果。它具有可打捞、寿命长、脉动压力大、脉冲频率低及使用效果好等优点，可满足深井、超深井及硬地层钻井需要。

Description

可打捞井下蓄能式水力脉冲工具
技术领域
本发明属于石油天然气勘探开发中钻井工程领域。
技术背景
钻井过程中，由钻头牙齿机械破碎并从母岩分离开的岩屑往往被很大的压差压持在井底，这种现象被称为“岩屑压持效应”。这样被压持在井底的岩屑被重复切削后变成细粉岩屑，这种细粉的存在对钻井过程产生巨大危害：
(1)细粉和井底的泥饼粘混在一起形成井底覆盖层。在泥岩中钻进甚至形成粘性很大的塑性团块，它和井底覆盖层构成钻头牙轮和牙齿与井底岩石之间的“垫层”。从而影响了钻速，加快了钻头的磨损；
(2)岩屑粉末混入钻井泥浆，影响泥浆性能和泥浆固相处理；
(3)在井壁形成虚滤饼，影响井壁稳定。容易出现起钻拨活塞，钻柱抽汲引起井壁垮塌，诱发井喷，甚至粘卡钻具，造成井下事故；
(4)使用PDC钻头钻进时，钻头容易吸附钻屑，产生泥包，增加扭矩，减弱切削能力，减缓钻速，降低水力效率，甚至发生卡钻现象。
为解决钻井中的上述问题，提高钻井效率，必须及时清洁井底岩屑。在钻井条件不变的条件下，最理想的方式就是利用井底水力脉冲工具来实现。基于瞬变流理论的水力脉冲工具将泥浆连续射流转变为周期性脉冲射流，改变井底流场的压力状况，脉冲射流产生的动压力更有利于井底岩屑的启动，提高井底净化效果。
而现有的水力脉冲工具普遍存在脉冲压力小，脉冲频率高，工具寿命短，应用效果不明显等技术缺陷，难以达到预期效果。
发明内容
本发明在于提供一种可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，整个工具安装于钻铤短节内，下接钻头。钻井中，当泥浆经钻柱到达该工具时，泥浆带动工具动作，脉冲调质机构周期性阻断泥浆过流通道，将泥浆连续射流转变为周期性脉冲射流，及时清洁井底岩屑，提高机械钻速。
为达到上述目的，该发明采用了以下技术方案：可打捞井下蓄能式水力脉冲钻井工具由打捞头、蓄能器、磁力传动机构、行星齿轮减速机构和脉冲调质机构等组成。脉冲定子在工具最下端，与减速机外壳下端用螺纹连接，行星减速机构安装在减速机外壳内；减速机外壳顶端与隔离套下端用螺纹连接，内磁力传动组件和外磁力传动组件分别安装在隔离套的内外侧；隔离套顶端与蓄能器外壳下端用螺纹连接，蓄能器外壳顶端通过接头与打捞头连接，打捞头位于工具最上端。
蓄能器由蓄能器外壳、充气阀总成、接头和活塞等组成；蓄能器外壳圆周上有一圆孔，接头中心有一通孔；充气阀总成、接头、蓄能器外壳和活塞等形成一个密闭气体腔；活塞、蓄能器外壳、平衡活塞和隔离套等形成泥浆腔。
磁力传动机构由外磁力传动组件、内磁力传动组件和隔离套等组成；外磁力传动组件由橡胶轴承、涡轮和外磁钢组成，橡胶轴承和外磁钢镶嵌在涡轮壳体内；内磁力传动组件由磁轴、内磁钢和磁钢套组成，磁钢套装在磁轴上，内磁钢镶嵌在磁钢套内。
行星减速机构由输入轴、输出轴、行星齿轮系、减速机外壳和滚动轴承组成。
脉冲调质机构由脉冲定子和脉冲转子组成；脉冲定子圆周上有两个泥浆通道口，脉冲转子外周有两个叶片。
工具连接处及活塞密封处均装有密封圈，平衡活塞、隔离套、减速机外壳、脉冲定子、密封活塞和旋转动密封等形成一个密闭腔，腔内充满润滑油。
脉冲转子装在输出轴上，输入轴与磁轴用键连接，滚动轴承分别安装在磁轴、输入轴和输出轴上。
该发明具有以下优点：
(1)工具运动部件浸在充满润滑油的密封腔内，该油腔通过平衡活塞与外部泥浆沟通，达到内外压力平衡，以此可大大提高运动件寿命；
(2)特有的蓄能机构不仅可吸收钻柱内的压力波动，防止钻具产生疲劳破坏，而且对钻头产生流量脉动，大大提高井底岩屑净化效果；
(3)具有可打捞、结构简单、脉冲压力高、脉冲频率低、寿命长及使用效果好等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为可打捞井下蓄能式水力脉冲工具上半部分结构剖面图
图2为可打捞井下蓄能式水力脉冲工具下半部分结构剖面图
图3为图2中A-A截面的剖视图。
图4为可打捞井下蓄能式水力脉冲工具安装示意图
1-钻铤短节；2-可打捞井下蓄能式水力脉冲工具；3-钻头；4-打捞头；5-充气阀总成；6-密封圈；7-接头；8-密闭气体腔；9-活塞；10-蓄能器外壳；11-泥浆腔；12-平衡活塞；13-橡胶轴承；14-滚动轴承；15-涡轮；16-外磁钢；17-磁钢套；18-内磁钢；19-磁轴；20-隔离套；21-输入轴；22-行星齿轮系；23-减速机外壳；24-输出轴；25-密封活塞；26-旋转动密封；27-脉冲转子；28-脉冲定子；29-泥浆通道口；30-转子叶片。
具体实施方式
参见图1、图2，打捞头4、接头7、蓄能器外壳10、隔离套20、减速机外壳23和脉冲定子28等自上而下用螺纹连接组成整个工具的外壳，螺纹连接处均装有密封圈6。工具最大外径小于钻杆接头内径，通过打捞头4与打捞工具配套使用，便于工具回收和投放。打捞头4与脉冲定子28对工具兼起定位和扶正作用。平衡活塞12、隔离套20、减速机外壳23、密封活塞25、旋转动密封26以及密封圈6等组成一个密闭腔，内部充满润滑油。工具的内磁力传动组件、行星齿轮系22、滚动轴承14、输入轴21和输出轴24等都浸泡在润滑油中，与外部泥浆隔离，保证了这些运动部件的正常工作并提高可靠性。
蓄能器由蓄能器外壳10、充气阀总成5、接头7和活塞9等组成；蓄能器外壳10圆周上有一圆孔，接头7中心有一通孔；充气阀总成5、接头7、蓄能器外壳10和活塞9等形成一个密闭气体腔8，在仪器下井之前内部预先冲入一定压力的氮气；活塞9、蓄能器外壳10、平衡活塞12和隔离套20等形成泥浆腔11，当工具周围泥浆压力有波动时，泥浆可以通过蓄能器外壳10圆周上的圆孔进出泥浆腔11。
磁力传动机构由外磁力传动组件、内磁力传动组件和隔离套20组成；外磁力传动组件由橡胶轴承13、涡轮15和外磁钢16组成，橡胶轴承13和外磁钢16镶嵌在涡轮15壳体内；内磁力传动组件由磁轴19、内磁钢18和磁钢套17组成，磁钢套17装在磁轴19上，内磁钢18镶嵌在磁钢套17内。外磁力传动组件和内磁力传动组件靠磁力耦合作用，实现动力传动。
行星减速机构由输入轴21、输出轴24、行星齿轮系22、减速机外壳23和滚动轴承14等组成。通过行星减速机构减速后，可以得到所需的输出轴24的转速范围。
脉冲调质机构由脉冲定子28和脉冲转子27组成；脉冲定子28圆周上有两个泥浆通道口29，脉冲转子27外周有两个叶片30，当脉冲转子27旋转时，叶片30便周期性的阻断泥浆通道口29。
工具内部旋转部分由内磁力传动组件、输入轴21、行星齿轮系22、输出轴24及脉冲转子27等依次连接组成。下面进一步说明本发明的工作原理。
如图4所示，可打捞井下蓄能式水力脉冲工具2使用时安装在钻头3上面的钻铤短节1中。在钻井作业过程中，泥浆经钻柱到达钻铤短节1后，驱动涡轮15旋转，涡轮15的旋转运动通过外磁力传动组件外磁钢16和内磁力传动组件内磁钢18的耦合作用，带动磁轴19旋转，磁轴19带动输入轴21旋转，输入轴21经行星齿轮系22带动输出轴24旋转，最后输出轴24带动脉冲转子27旋转。脉冲转子27在旋转时，叶片30将截断脉冲定子28上的两个泥浆通道口29，周期性的改变泥浆过流面积，从而将泥浆连续射流转变为脉冲射流。脉冲射流有利于井底破碎岩屑起动，及时净化井底，避免岩屑重复破损，从而提高钻头寿命和机械钻速。
脉冲压力和脉冲频率是影响岩屑清洁的两个最重要的参数。脉冲压力靠调节泥浆通道口29的面积变化率来实现，面积变化率越大，脉冲压力越大。
脉冲频率靠调节脉冲转子27的旋转速度来实现。脉冲转子27的旋转速度取决于涡轮15的旋转速度和行星齿轮系22的减速比。首先，根据钻井泥浆排量和比重等参数合理设计涡轮15的叶片形状和数量，来控制涡轮15的旋转速度，然后选定合适的行星齿轮系22的减速比，便得到所需的脉冲转子27的旋转速度，即脉冲转子27的旋转速度等于涡轮15的旋转速度除以行星齿轮系22的减速比。本发明便于实现较低的脉冲频率。
蓄能器的存在具有两大功能，一是吸收由于泥浆过流面积变化而在钻柱内产生的压力波动，保护钻具；而是对钻头产生流量脉动，进一步提高岩屑清洁效果。蓄能器的工作原理是这样的：当叶片30截断泥浆通道口29时，泥浆过流面积变小，钻铤1内的泥浆压力升高，部分泥浆便通过蓄能器外壳10圆周上的圆孔进入工具泥浆腔11，压缩气体腔8；当叶片30转过泥浆通道口29时，泥浆过流面积变大，钻铤1内的压力降低，部分泥浆又会通过蓄能器外壳10圆周上的圆孔流出工具泥浆腔11。部分泥浆周期性的进出泥浆腔11便实现了吸收压力波动和产生流量脉动两大效果。
以上仅是实现本发明的一种方法，基于此发明原理的其它实现形式在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，主要由打捞头(4)、蓄能器、磁力传动机构、行星齿轮减速机构和脉冲调质机构组成，其特征在于：脉冲定子(28)在工具最下端，与减速机外壳(23)下端用螺纹连接，行星齿轮减速机构安装在减速机外壳(23)内；减速机外壳(23)顶端与隔离套(20)下端用螺纹连接，内磁力传动组件和外磁力传动组件分别安装在隔离套(20)的内外侧；隔离套(20)顶端与蓄能器外壳(10)下端用螺纹连接，蓄能器外壳(10)顶端通过接头(7)与打捞头(4)连接，打捞头(4)位于工具最顶端；蓄能器由蓄能器外壳(10)、充气阀总成(5)、接头(7)和活塞(9)组成；蓄能器外壳(10)圆周上有一圆孔，接头(7)中心有一通孔；充气阀总成(5)、接头(7)、蓄能器外壳(10)和活塞(9)形成一个密闭气体腔(8)；活塞(9)、蓄能器外壳(10)、平衡活塞(12)和隔离套(20)形成泥浆腔(11)；磁力传动机构由外磁力传动组件、内磁力传动组件和隔离套(20)组成；外磁力传动组件由橡胶轴承(13)、涡轮(15)和外磁钢(16)组成，橡胶轴承(13)和外磁钢(16)镶嵌在涡轮(15)壳体内；内磁力传动组件由磁轴(19)、内磁钢(18)和磁钢套(17)组成，磁钢套(17)装在磁轴(19)上，内磁钢(18)镶嵌在磁钢套(17)内；行星齿轮减速机构由输入轴(21)、输出轴(24)、行星齿轮系(22)、减速机外壳(23)和滚动轴承(14)组成；脉冲调质机构由脉冲定子(28)和脉冲转子(27)组成；脉冲定子(28)圆周上有两个泥浆通道口(29)，脉冲转子(27)外周有两个叶片(30)。
2.根据权利要求1所述的可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，其特征在于：工具连接处及活塞密封处均装有密封圈(6)，平衡活塞(12)、隔离套(20)、减速机外壳(23)、脉冲定子(28)、密封活塞(25)和旋转动密封(26)形成一个密闭腔，腔内充满润滑油。
3.根据权利要求1所述的可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，其特征在于：脉冲转子(27)装在输出轴(24)上，输入轴(21)与磁轴(19)用键连接，滚动轴承(14)安装在磁轴(19)、输入轴(21)和输出轴(24)上。
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