CN102505923A - 钻柱减振-避振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻柱减振-避振器，包括外壳体和心轴，其特征是：在外壳体的上段内壁中设有振动检测控制模块和电池，心轴安装在外壳体的下段内孔中，在心轴的外壁上设有心轴承载环，在外壳体的内壁上设有承托心轴承载环的外壳体承拉环，在外壳体的管壁中设有封闭的气室，气室下方的外壳体的内壁与心轴承载环上方的心轴间构成一个空腔，空腔中装有弹簧组和液压油，气室的底部设有与空腔联通的液体通道，在液体通道口上安装有阀门，外壳体与心轴用花键连接。其优点是：连续监测钻柱的振动，主动避开钻柱共振，减小钻柱振动，提高钻具使用寿命，降低钻井成本；机电结构简单、紧凑，体积小；具有稳定性和耐久性。

Description

钻柱减振-避振器

技术领域

本发明涉及一种机械领域的避振器，特别是用于石油、天然气和地质钻井的特殊井下工具，钻柱减振—避振器。

背景技术

在石油、天然气和地质钻井过程中经常会钻遇一些硬岩层和砾石岩层。井底不平、钻头牙齿间歇压入岩石及岩石间歇破碎、钻柱绕井眼中心的涡动等会使钻柱发生纵向振动、横向振动和扭转振动。当钻头的纵向振动频率与钻具纵向振动的固有频率匹配时，就会产生跳钻现象即共振现象。钻柱共振将导致钻柱过早失效并引发工程事故，甚至使油井报废。

通常，当发现跳钻时，钻井工人可以通过改变转速来控制钻柱的振动，但这些措施一般都降低钻井效率。更严重的是，经常出现下部钻具振动得很严重，而钻台上表现不明显的情况。

为了减小钻柱振动，常规的措施是在钻柱中间安装减振器。现在钻井工程中广泛使用二种减振器。一种是液压减振器，其主要结构是一个环形油缸和一个环形活塞，油缸中充满液压油，当钻头纵向振动时，液压减振器轴向载荷发生变化，环形油缸中的液压油被压缩或体积膨胀，从而吸收或释放钻柱振动的能量。另一种是弹簧减振器，其原理是增加钻柱的弹性。

无论是液压减振器还是弹簧减振器，或是二者的组合，将它们接入钻柱内后，仅改变了钻柱系统的固有频率，既不隔断振动也很少吸收振动。简单地使用它们，对钻井作业益处有限。在转盘转速一定的情况下，减振器的作用只是将共振井深由一个深度调节到了另一个深度，共振仍不可避免。在某些情况下，减振器甚至会增加钻柱的振动。

发明内容

本发明的目的是针对现有液压减振器和弹簧减振器技术的不足，以及为了减小钻柱振动、防止钻柱共振，延长钻具和钻头的使用寿命，提高钻井速度，提供一种能够自动判别钻柱的共振状态、改变钻柱弹性、使钻柱脱离共振的钻柱减振-避振器。

为了达到上述目的，本发明解决此技术问题所采用的技术方案如下：

本发明包括管状外壳体和管状心轴，外壳体的内孔为上段直径小下段直径大的台阶孔，在外壳体的上段内壁中设有振动检测控制模块和为振动检测控制模块提供电力的电池，心轴安装在外壳体的下段内孔中，心轴的顶端与外壳体的内孔上段间留有游隙，心轴的上部与外壳体的内壁间设有内密封圈，在心轴的外壁上设有心轴承载环，在外壳体的内壁上设有承托心轴承载环的外壳体承拉环，在外壳体的管壁中设有封闭的气室，气室下方的外壳体的内壁与心轴承载环上方的心轴间构成一个空腔，空腔中装有弹簧组和液压油，成为液压腔，气室的底部设有与空腔联通的液体通道，在气室底部液体通道口上安装有阀门，在心轴下部的外壁上设有花键槽，外壳体与心轴用花键连接，且花键槽与外壳体承拉环间留有游隙，在外壳体的下端口与心轴间设有外密封圈。

在所述外壳体的顶端安装有上母接头，在心轴下端口上连接有下公接头。上母接头用于与上部钻柱连接，下公接头用于与下部钻柱连接。

本发明的钻柱减振-避振器是根据井底位移激励的钻柱纵向振动理论来设计的。当钻柱处于共振状态时，如果改变钻柱的弹性，钻柱就可能脱离共振状态。钻柱减振-避振器就是检测钻柱共振状态和使钻柱脱离共振状态的工具。钻柱减振-避振器内含有检测钻柱纵向振动的单元；当判断钻柱处于共振状态时，转换液压腔与气室的阀门开关状态；改变钻柱减振-避振器的弹性；进而改变整个钻柱的弹性；使钻柱脱离共振状态。钻柱减振-避振器可以减小钻柱的振动和应力，提高钻具的使用寿命，降低钻井成本。

本发明的优点是：（1）连续监测钻柱的振动，主动避开钻柱共振；（2）根据钻柱纵向振动理论而设计；（3）机电结构简单、紧凑，体积小；（4）具有稳定性和耐久性。

附图说明

图1是本发明钻柱减振—避振器的结构示意图。

图中：1-上母接头，2-外壳体，3-电池，4-振动检测控制模块，5-心轴，6-内密封圈，7-气室，8-阀门，9-液体通道，10-弹簧组和液压油，11-心轴承载环，12-外壳体承拉环，13-花键，14-花键槽，15-外密封圈，16-下公接头。

具体实施方式

按附图所示，本发明钻柱减振—避振器，由上母接头1、外壳体2、电池3、振动检测控制模块4、心轴5、内密封圈6、气室7、阀门8、液体通道9、 弹簧组和液压油10、心轴承载环11、外壳体承拉环12、花键13、花键槽14、外密封圈15和下公接头16构成。

本发明从结构上可以分为外壳体组、内心轴组及弹簧组和液压油10三部分。外壳体组包括上母接头1、外壳体2、电池3、振动检测控制模块4、气室7、阀门8、液体通道9、外壳体承拉环12、花键13。内心轴组包含心轴5、内密封圈6、心轴承载环11、花键槽14、外密封圈15和下公接头16。上母接头1用于与上部钻柱连接，下公接头16用于与下部钻柱连接。

外壳体组是一个相互固定的整体。内心轴组是另一个相互固定的整体。在图示的自由状态或本发明承受轴向拉力时，心轴承载环11压在外壳体承拉环12上。当本发明承受轴向压力（钻进状态）时，心轴承载环11压缩弹簧组和液压油10将轴向压力传递给外壳体，心轴承载环11与外壳体承拉环12脱离。内心轴组相对于外壳体组上移。在心轴5的顶端和花键槽14的上方，留有足够的空间。固定在外壳体2上的花键13与加工在心轴5上的花键槽14传递扭矩。

本发明的工作方式是：一、监测钻柱的振动。装在外壳体内的振动检测控制模块连续监测钻柱的纵向振动参数。电池为振动检测控制模块提供电力。二、当检测到钻柱处于共振状态时，由电池提供电力，改变阀门的开关状态。当阀门处于开的状态时，液压腔内弹簧组和液压油的液压油通过液体通道与气室的气体相连；当液压腔内弹簧组和液压油受压长度变短时，液压油可以通过液体通道流向气室。当阀门处于关的状态时，液压腔内的液压油不能通过液体通道与气室的气体相连；当弹簧组和液压油受压长度变短时，液压油只能承受压力、体积缩小。三、本发明弹性的改变导致钻柱弹性和共振频率的改变，脱离了共振区，实现了减振和避振。

Claims (2)

1.一种钻柱减振-避振器，包括管状外壳体和管状心轴，其特征是：外壳体的内孔为上段直径小下段直径大的台阶孔，在外壳体的上段内壁中设有振动检测控制模块和为振动检测控制模块提供电力的电池，心轴安装在外壳体的下段内孔中，心轴的顶端与外壳体的内孔上段间留有游隙，心轴的上部与外壳体的内壁间设有内密封圈，在心轴的外壁上设有心轴承载环，在外壳体的内壁上设有承托心轴承载环的外壳体承拉环，在外壳体的管壁中设有封闭的气室，气室下方的外壳体的内壁与心轴承载环上方的心轴间构成一个空腔，空腔中装有弹簧组和液压油，气室的底部设有与空腔联通的液体通道，在气室底部液体通道口上安装有阀门，在心轴下部的外壁上设有花键槽，外壳体与心轴用花键连接，且花键槽与外壳体承拉环间留有游隙，在外壳体的下端口与心轴间设有外密封圈。

2.根据权利要求1所述的钻柱减振-避振器，其特征是：在所述外壳体的顶端安装有上母接头，在心轴下端口上连接有下公接头。

Images