CN102031938A - 油气钻井钻具用减振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种油气钻井钻具用减振器，包括芯轴，芯轴上设有花键和固定活塞，在花键上设有与其构成轴向移动副的花键外筒，花键与花键外筒之间轴向构成若干个阻尼流道；花键外筒下端连接下外筒，上端依次连接上外筒、上密封接头和上接头，在芯轴的外圆周上花键外筒与上外筒、上密封接头和下外筒、固定活塞分别构成上、下两个环形空腔，这两个空腔经阻尼流道相通；花键外筒和上密封接头上分别径向设有注油嘴和注气嘴，该注油嘴与阻尼流道相通，注气嘴经注气环空流道与上环形空腔相通；上环形空腔内设有活动活塞。它集液体、阻尼和气体减振于一体，防止了钻具疲劳失效，具有减振性好、使用寿命长、制造成本低、结构简单、易损件少和维护方便等特点。

Description

油气钻井钻具用减振器

技术领域

本发明涉及油气钻井工程用的设备防护装置，具体是一种钻井钻具用减振器，它特别适合用于气体钻井钻具。

背景技术

油气井钻井工程中用钻头去破碎坚硬的底层，钻进中钻头在井底工作不平稳使钻柱产生明显纵向振动，即跳钻现象。跳钻引起钻具共震，这对钻头、钻杆及地面设备都产生相当大的破坏作用，对井壁的稳定也产生巨大的影响，是一重大的安全隐患。

目前，有几种用于石油钻井工程的钻具减振器，普遍使用的是机械弹簧式减振器和液压式减振器，其刚度分别由弹簧刚度和硅油腔容积变化率决定，减振刚度和减振幅度范围值有限，而且其最大刚度值和幅度也不能满足一些井况的需要。这些减振器最初开发的目的主要是用于泥浆钻井，由于泥浆钻井的钻压较大，而气体钻井的钻压较小，泥浆钻井用的减振器在用于气体钻井时作用微乎其微，甚至无作用。况且这些钻具减振器在使用中还存在许多的问题，例如：减振性能差、易产生跳钻现象、使用寿命短、制造成本高、结构复杂等。

气体钻井钻具损坏主要是由于下部钻具振动产生交变应力，在低应力水平下钻具将产生疲劳失效，而并非静强度破坏。为此，急需研发一种气体钻井钻具用减振器，使其抗疲劳，提高气体钻井钻具的使用寿命。

中国专利文献公开了一种“机械式多向减振器”（ 公开号: CN101608535，公开日: 2009.12.23），它虽然集阻尼、减振、隔振于一体，使钻头、钻具及地面设备避免振动破坏，减缓了钻柱疲劳失效。扭转振动冲击减振是采用环隙阻尼与复合组合碟簧的互补结构实现，但其结构较为复杂、不便维护，且其技术方案也不同于本发明。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种以液体、阻尼和气体减振于一体的油气钻井钻具用减振器，它防止了钻具疲劳失效，提高了钻井的机械钻速及钻具使用寿命。

本发明是采用以下技术方案实现其目的：

一种油气钻井钻具用减振器，包括芯轴，所述芯轴上设有花键和固定活塞，在花键上设有与其构成轴向移动副的花键外筒，花键与花键外筒之间轴向构成若干个阻尼流道；所述花键外筒下端连接下外筒，上端依次连接上外筒、上密封接头和上接头，在芯轴的外圆周上花键外筒与上外筒、上密封接头和下外筒、固定活塞分别构成上、下两个环形空腔，这两个空腔经阻尼流道相通；所述花键外筒和上密封接头上分别径向设有注油嘴和注气嘴，该注油嘴与阻尼流道相通，注气嘴经注气环空流道与上环形空腔相通；所述上环形空腔内设有活动活塞；与下外筒和上密封接头结合处的芯轴上分别设有密封装置；所述上密封接头顶部的芯轴上连接有防掉螺母。

所述阻尼流道设在花键外筒的键槽底部，横截面呈半圆状。

所述阻尼流道的数量与花键外筒的键槽数量一致，任一阻尼流道与注油嘴相通。

所述活动活塞的初始位置在上环形空腔靠底的三分之一处。

所述下外筒、花键外筒、上外筒、上密封接头和上接头的连接处分别设有密封圈。

所述注油嘴内设有高压密封装置。

所述注油嘴设置在花键外筒的下部。

所述注气嘴内设有高压气密封装置。

所述注气嘴设置在上密封接头的下部。

所述连接为螺纹连接。

本发明的有益效果是：上述结构利用活塞工作原理以液体、阻尼和气体减振于一体。硅油一级减振，多余的吸振能量通过活动活塞迅速泻到气缸，由气体压缩进行二级减振，减振幅度大。它防止了连接在其下部的钻具疲劳失效，提高了钻井的机械钻速及钻具使用寿命，减少井下事故，降低了安全隐患。特别适合用于气体钻井钻具，也适合用于欠平衡钻井和泥浆钻井。具有减振性好、使用寿命长、制造成本低、结构简单、易损件少和维护方便等特点。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是图1局部A的放大图。

图3是图1局部B的放大图。

图4是图1的C-C剖视放大图。

图中代号含义：1—芯轴；2—芯轴下密封装置；3—固定活塞；4—下外筒；5—下油缸；6—花键外筒下密封圈；7—花键；8—阻尼流道；9—注油嘴；10—花键外筒；11—上外筒；12—花键外筒上密封圈；13—上油缸；14—活动活塞；15—气缸；16—上密封接头下外密封圈；17—注气环空流道；18—注气嘴；19—上密封接头；20—上密封接头密封总成；21—上密封接头上外密封圈；22—防掉螺母；23—上接头。

具体实施方式

参见图1-图4：本发明包括芯轴1，芯轴1上设有花键7，芯轴1上还安装有固定活塞3。在花键7上设有与其构成轴向移动副的花键外筒10，该移动副全部浸泡于硅油中，即该移动副始终处于硅油润滑中。花键7与花键外筒10之间轴向构成十个阻尼流道8，每个阻尼流道8设在花键外筒10的键槽底部，花键外筒10的键槽呈“U”型凹槽，花键7似齿轮状，花键7嵌在花键外筒10的凹槽内，花键外筒10和花键7构成的每个阻尼流道8的横截面呈半圆状。阻尼流道8的数量与花键外筒10的键槽数量一致，其中一个阻尼流道8与花键外筒10下部径向设置的注油嘴9相通，注油嘴9内设有高压密封装置。花键外筒10下端螺纹密封连接有下外筒4，上端依次螺纹密封连接上外筒11、上密封接头19和上接头23，在芯轴1的外圆周上花键外筒10与上外筒11、上密封接头19构成了一个上环形空腔，该空腔内设有活动活塞14，活动活塞14的初始位置在上环形空腔靠底的三分之一处，活动活塞14将上环形空腔分隔成两个，其中下面一个为上油缸13（即上硅油腔），上面一个为气缸15，即气缸15的初始体积为上油缸13初始体积的两倍。在上密封接头19的下部径向设置有注气嘴18，注气嘴18内设有高压气密封装置，注气嘴18具有测压和放压功能，注气嘴18经芯轴1和上密封接头19间设置的注气环空流道17与上环形空腔的气缸15相通，该注气环空流道17还可以是直接设置在上密封接头上。芯轴1外圆周上的花键外筒10和下外筒4、固定活塞3构成一个下环形空腔，该空腔为下油缸5（即下硅油腔），上油缸13和下油缸5经阻尼流道8相通。在芯轴1上加工有上、下两个芯轴密封装置，下面一个位于芯轴1与下外筒4的结合处（即芯轴下密封装置2），上面一个位于芯轴4和上密封接头19的结合处（即上密封接头密封总成20），上密封接头19顶部的芯轴1上螺纹连接有防掉螺母22。下外筒4和花键外筒10的连接处设有花键外筒下密封圈6，花键外筒10和上外筒11的连接处设有花键外筒上密封圈12，上外筒11和上密封接头19的连接处设有上密封接头下外密封圈16，上密封接头19和上接头23的连接处设有上密封接头上外密封圈21。

本发明的工作原理：芯轴1下端设有下接头与下部钻具相连，上端的上接头23与上部钻柱相连。来自地层与钻头的冲击载荷传递到芯轴1的底部，在该压缩载荷作用下，芯轴1上行，并带动固定活塞3上行，下油缸5里面的硅油被压缩，使腔内的硅油压力增高，通过阻尼流道8传递到上油缸13，由于气缸15中的气体可压缩性高于硅油，因此在硅油腔上油缸13的高压作用下，活动活塞14上行并压缩气缸15内的气体，上环形空腔内的体积变形较大，因此，其减振幅度大，以最大振幅来平衡其下部钻具冲击载荷的变化，达到钻具抗疲劳失效的功能，保护钻具长寿命的工作，有利于提高气体钻井的机械钻速。同时由于体积变化，下油缸5里面的硅油通过阻尼流道8流向上油缸13，阻尼流道8也具有减振和吸振功能，通过阻尼流道8再次减振，即阻尼减振。

本发明实际上是集液体减振、阻尼减振、气体减振于一体的钻井钻具抗疲劳减振器。反之，当地层与钻头的冲击载荷低于本发明下油缸5、上油缸13和气缸15内的储备能量载荷，那么芯轴1将下行，以平衡其冲击载荷的变化，达到钻具抗疲劳失效的功能，保护钻具长寿命的工作。

Claims (10)

1.一种油气钻井钻具用减振器，包括芯轴（1），其特征在于：所述芯轴（1）上设有花键（7）和固定活塞（3），在花键（7）上设有与其构成轴向移动副的花键外筒（10），花键（7）与花键外筒（10）之间轴向构成若干个阻尼流道（8）；所述花键外筒（10）下端连接下外筒（4），上端依次连接上外筒（11）、上密封接头（19）和上接头（23），在芯轴（1）的外圆周上花键外筒（10）与上外筒（11）、上密封接头（19）和下外筒（4）、固定活塞（3）分别构成上、下两个环形空腔，这两个空腔经阻尼流道（8）相通；所述花键外筒（10）和上密封接头（19）上分别径向设有注油嘴（9）和注气嘴（18），该注油嘴（9）与阻尼流道（8）相通，注气嘴（18）经注气环空流道（17）与上环形空腔相通；所述上环形空腔内设有活动活塞（14）；与下外筒（4）和上密封接头（19）结合处的芯轴（1）上分别设有密封装置；所述上密封接头（19）顶部的芯轴（1）上连接有防掉螺母（22）。

2.根据权利要求1所述的油气钻井钻具用减振器，其特征在于：所述阻尼流道（8）设在花键外筒（10）的键槽底部，横截面呈半圆状。

3.根据权利要求1或2所述的油气钻井钻具用减振器，其特征在于：所述阻尼流道（8）的数量与花键外筒（10）的键槽数量一致，任一阻尼流道（8）与注油嘴（9）相通。

4.根据权利要求1所述的油气钻井钻具用减振器，其特征在于：所述活动活塞（14）的初始位置在上环形空腔靠底的三分之一处。

5.根据权利要求1所述的油气钻井钻具用减振器，其特征在于：所述下外筒（4）、花键外筒（10）、上外筒（11）、上密封接头（19）和上接头（23）的连接处分别设有密封圈。

6.根据权利要求1所述的油气钻井钻具用减振器，其特征在于：所述注油嘴（9）内设有高压密封装置。

7.根据权利要求1所述的油气钻井钻具用减振器，其特征在于：所述注油嘴设置在花键外筒（10）的下部。

8.根据权利要求1所述的油气钻井钻具用减振器，其特征在于：所述注气嘴（18）内设有高压气密封装置。

9.根据权利要求1或8所述的油气钻井钻具用减振器，其特征在于：所述注气嘴（18）设置在上密封接头（19）的下部。

10.根据权利要求1所述的油气钻井钻具用减振器，其特征在于：所述连接为螺纹连接。

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