CN102704842A

CN102704842A - 一种钻井用水力振荡器

Info

Publication number: CN102704842A
Application number: CN2012101729359A
Authority: CN
Inventors: 涂辉; 信石玉; 陈涛; 车强
Original assignee: Petroleum Machinery Research Institute Of Jianghan Petroleum Administration Bureau China Petrochemical Corp; China Petrochemical Corp
Current assignee: Petroleum Machinery Research Institute Of Jianghan Petroleum Administration Bureau China Petrochemical Corp; China Petrochemical Corp
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明涉及一种钻井用水力振荡器，由水力驱动总成、定阀总成、底部总成、振动短节组成，振动短节与水力驱动总成相连，转子与振动阀相连，定阀总成安装在底部总成上，动力壳体与底部总成相连。钻井液驱动转子旋转，转子带动振动阀振动，使振动阀和定阀的流通孔相互交错，调制出简谐性压力波，压力波向上传递给碟形弹簧，带动振动壳体在轴向发生持续的简谐性振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度，同时压力波向下传递给钻头射流，促使破岩压力周期变化，有效破碎岩石。本发明具有结构简单、操作方便、安全可靠、压降低、适应性强、不影响钻具结构等特点，对于提高钻速、降低成本具有重要的意义。

Description

一种钻井用水力振荡器

技术领域

本发明涉及一种钻井用水力振荡器，特别涉及一种用于减小井壁摩擦阻力，提高破岩效率的钻井提速装置，属于石油、天然气钻井的配套装置。

背景技术

在钻井过程中，破岩方式是影响钻速的重要因素，井下遇阻或卡钻将严重影响钻井过程。随着当前的井眼越来越不规则，大位移井钻进模式面临更大的挑战。降低摩阻、减少常规钻井卡钻事故，增加动钻压、提高常规钻井的效率是当前钻井工程中迫切需要解决的问题。现场实践表明，对钻柱施加适当的周期性轴向振动，能有效减小钻进过程中钻具与井壁之间的摩擦阻力，提高常规钻井的破岩效率，减少常规钻井卡钻事故，并增加动钻压，适用于大位移井、定向钻井、水平钻井、垂直钻井、连续油管钻井等多种钻井方式。当前，国内钻井技术一直局限于单一功能工具的研发，如冲击器、震击器、水力加压器等，产品的技术性能和质量状况一直在低水平徘徊，难以满足钻井作业对质量好、可靠性高的井下工具产品的需求。主要表现在：一、受钻井液性能影响，射流不能稳定发挥冲击作用；二、冲击参数不合理，要求单次较高的冲击力以解除卡钻事故，但同时对钻井工具及钻头配套设备的性能提出了较高的要求，且容易破坏井壁的光滑性，使钻进系统稳定性下降，缩短钻具使用寿命；三、持续工作能力差，一般缓解井下卡钻事故需要停止钻进，以制造冲击力解决问题，之后在正常钻进中无法发挥作用，不能从根本上减小事故发生几率。上述因素制约了旋冲钻井技术的发展，钻井工程还未能从根本上解决依赖钻井液冲击性能、钻进摩擦阻力过大、震击效果不合适、对配套工具的要求高的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种钻井用水力振荡器，不依赖钻井液冲击性能、冲击参数不合理、可持续工作、从根本上避免卡钻事故提高钻井速度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种钻井用水力振荡器，主要包括由上至下布置且密封连接的振动短节、水力驱动总成、底部总成；其特征在于：振动短节主要包括振动壳体、碟形弹簧、和轴心加工有流道的芯轴，芯轴装入振动壳体中且能在壳体中上下滑动，芯轴与振动壳体之间不接触的壁体之间的空间为环形空间，碟形弹簧设置于环形空间中，芯轴与振动壳体相接触的壁体接触面之间设置密封连接；水力驱动总成主要包括动力壳体、设置于动力壳体中的定子、以及能够在定子中转动的转子，转子的下端与位于动力壳体内的定阀总成连接；所述的定阀总成主要包括与转子的下端连接的振动阀、设置于振动阀下方且与振动阀下表面接触的定阀、用于固定定阀且轴心加工有通孔的定阀锁紧座，定阀锁紧座与动力壳体之间设置密封连接；定阀总成安装在底部总成上，动力壳体与底部总成相连；底部总成轴心加工有流道。

按上述技术方案，所述的转子为单螺杆，相对应的定子的内壁为不干涉转子转动的、与转子的螺旋杆型相吻合、以动力壳体中心轴线对称的波浪线型曲面。

按上述技术方案，所述的振动阀设置有水平方向布置的振动阀流通孔，所述的振动阀流通孔为偏心于动力壳体中心轴线的圆孔；所述的定阀上设有圆心与动力壳体中心一致的圆形定阀流通孔。

按上述技术方案，所述的振动阀设置为能够随转子转动在定阀上方沿动力壳体内壁转动，且振动阀沿动力壳体内壁转动的同时阀体自身也同时旋转；相对应的，所述的振动阀流通孔设置为随振动阀转动而在定阀流通孔上方左右摆动，与定阀流通孔相互交错或重叠，且形成的重叠流通孔面积呈周期性变化；所述重叠流通孔面积呈周期性变化产生周期性变化的近似于简谐波的简谐性压力波。

按上述技术方案，振动短节振动的频率、振幅可调。

按上述技术方案，所述的振动阀与转子通过螺纹连接。

按上述技术方案，底部总成两端加工有螺纹，动力壳体两端加工有螺纹，振动壳体下端加工有螺纹；底部总成上端与动力壳体螺纹连接，下端与钻头螺纹连接；动力壳体上端与振动壳体下端螺纹连接；芯轴上端加工有螺纹，芯轴上端与钻柱螺纹连接。

工作时，钻井液驱动转子旋转，转子带动振动阀左右振动，使振动阀和定阀的流通孔相互交错，调制出近似于简谐波的简谐性压力波，压力波向上传递给碟形弹簧，带动振动壳体在轴向发生持续的简谐性振动，有效改善上方钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度，同时压力波向下传递给钻头射流，促使破岩压力周期变化，有效破碎岩石。振动短节振动的频率、振幅、通过调整水力驱动总成的结构尺寸、转子的结构尺寸、振动阀、定阀的结构尺寸、碟形弹簧的性能参数以及钻井液的流量来实现。

其原理是通过振动阀和定阀的流通孔相互交错，实现流道截面的变化，影响钻井液流量，调制出简谐性压力波，带动振动壳体在纵向发生持续的简谐性振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度，同时使钻头射流也发生周期性变化，提高破岩效率。

本发明将调制出的简谐性压力波转换为钻头的轴向机械振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度，同时使钻头射流也发生周期性变化，提高破岩效率，对实现优快钻井、降低生产成本具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施的钻井用水力振荡器的结构示意图。

图中：1.振动短节；2.水力驱动总成；3.定阀总成；4.底部总成；11.芯轴；12.振动壳体；13.密封；14.碟形弹簧；21.动力壳体；22.转子；23.定子；31.振动阀；32.定阀；33.定阀锁紧座；34.定阀密封。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

当采用本发明的钻井用水力振荡器产生机械振动时，振动短节1与水力驱动总成2相连，转子22与振动阀31相连，定阀总成3安装在底部总成4上，动力壳体21与底部总成4相连。

振动短节1主要包括振动壳体12、碟形弹簧14、和轴心加工有流道的芯轴11，芯轴11装入振动壳体12中且能在壳体12中上下滑动，芯轴11与振动壳体12之间不接触的壁体之间的空间为环形空间，碟形弹簧14设置于环形空间中，芯轴11与振动壳体12相接触的壁体接触面之间设置密封13连接。

水力驱动总成2主要包括动力壳体21、设置于动力壳体21中的定子23、以及能够在定子23中转动的转子22，转子22的下端与定阀总成3连接。

定阀总成3主要包括与转子22的下端连接的振动阀31、设置于振动阀31下方且与振动阀31下表面接触的定阀32、用于固定定阀32且轴心加工有通孔的定阀锁紧座33，定阀锁紧座33与动力壳体21之间设置定阀密封34连接；定阀总成3安装在底部总成4上，动力壳体21与底部总成4相连。

底部总成4轴心加工有流道，两端加工有螺纹。

转子22为单螺杆，相对应的定子23的内壁为不干涉转子转动的、与转子22的螺旋杆型相吻合、以动力壳体21中心轴线对称的波浪线型曲面。

振动阀31设置有水平方向布置的振动阀流通孔，所述的振动阀流通孔为偏心于动力壳体中心轴线的圆孔；定阀32上设有圆心与动力壳体21中心一致的圆形定阀流通孔；所述的振动阀31设置为能够随转子22转动在定阀32上方一边自转一边公转，即振动阀设置为能够随转子转动在定阀上方沿动力壳体内壁转动，且振动阀自身也同时旋转；相对应的，所述的振动阀流通孔设置为随振动阀31转动而在定阀流通孔上方左右摆动，与定阀流通孔相互交错或重叠，且形成的重叠流通孔面积呈周期性变化；所述重叠流通孔面积呈周期性变化产生周期性变化的近似于简谐波的简谐性压力波。转子22本身在适应定子内壁的形状时产生自转，所以与之连接的振动阀31也在自转；转子22及振动阀31直径小于动力壳体21直径，振动阀31与转子22连接点偏离定子中心轴，所以会产生贴着动力壳体21内壁的公转。

所述的振动阀31与转子22通过螺纹连接。

动力壳体21两端加工有螺纹，振动壳体12下端加工有螺纹；底部总成4上端与动力壳体21螺纹连接，下端与钻头螺纹连接；动力壳体21上端与振动壳体12下端螺纹连接；芯轴11上端加工有螺纹，芯轴11上端与钻柱螺纹连接。

当采用本发明产生机械振动时，钻井液驱动转子旋转，转子带动振动阀振动，使振动阀和定阀的流通孔相互交错，调制出近似于简谐波的简谐性压力波，压力波向上传递给碟形弹簧，带动振动壳体在轴向发生持续的简谐性振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度，同时压力波向下传递给钻头射流，促使破岩压力周期变化，有效破碎岩石。振动短节振动的频率、振幅、通过调整水力驱动总成的结构尺寸、转子的结构尺寸、振动阀、定阀的结构尺寸、碟形弹簧的性能参数以及钻井液的流量来实现。

以上仅是实现本发明的典型实施例，基于本发明的权利要求基本原理的其它形式在本发明范围之内。

Claims

1.一种钻井用水力振荡器，主要包括由上至下布置且密封连接的振动短节、水力驱动总成、底部总成；其特征在于：振动短节主要包括振动壳体、碟形弹簧、和轴心加工有流道的芯轴，芯轴装入振动壳体中且能在壳体中上下滑动，芯轴与振动壳体之间不接触的壁体之间的空间为环形空间，碟形弹簧设置于环形空间中，芯轴与振动壳体相接触的壁体接触面之间设置密封连接；水力驱动总成主要包括动力壳体、设置于动力壳体中的定子、以及能够在定子中转动的转子，转子的下端与定阀总成连接；所述的定阀总成主要包括与转子的下端连接的振动阀、设置于振动阀下方且与振动阀下表面接触的定阀、用于固定定阀且轴心加工有通孔的定阀锁紧座，定阀锁紧座与动力壳体之间设置密封连接；定阀总成安装在底部总成上，动力壳体与底部总成相连；底部总成轴心加工有流道。

2.根据权利要求1所述的钻井用水力振荡器，其特征在于：所述的转子为单螺杆，相对应的定子的内壁为不干涉转子转动的、与转子的螺旋杆型相吻合、以动力壳体中心轴线对称的波浪线型曲面。

3.根据权利要求1或2所述的钻井用水力振荡器，其特征在于：所述的振动阀设置有水平方向布置的振动阀流通孔，所述的振动阀流通孔为偏心于动力壳体中心轴线的圆孔；所述的定阀上设有圆心与动力壳体中心一致的圆形定阀流通孔。

4.根据权利要求3所述的钻井用水力振荡器，其特征在于：所述的振动阀设置为能够随转子转动在定阀上方沿动力壳体内壁转动，且振动阀沿动力壳体内壁转动的同时阀体自身也同时旋转；相对应的，所述的振动阀流通孔设置为随振动阀转动而在定阀流通孔上方左右摆动，与定阀流通孔相互交错或重叠，且形成的重叠流通孔面积呈周期性变化；所述重叠流通孔面积呈周期性变化产生周期性变化的近似于简谐波的简谐性压力波。

5.根据权利要求1或2或4所述的钻井用水力振荡器，其特征在于：振动短节振动的频率、振幅可调。

6.根据权利要求3所述的钻井用水力振荡器，其特征在于：振动短节振动的频率、振幅可调。

7.根据权利要求5所述的钻井用水力振荡器，其特征在于：所述的振动阀与转子通过螺纹连接。

8.根据权利要求1或2或4或6或7所述的钻井用水力振荡器，其特征在于：底部总成两端加工有螺纹，动力壳体两端加工有螺纹，振动壳体下端加工有螺纹；底部总成上端与动力壳体螺纹连接，下端与钻头螺纹连接；动力壳体上端与振动壳体下端螺纹连接；芯轴上端加工有螺纹，芯轴上端与钻柱螺纹连接。