CN103410444A - 一种水力振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油开采技术领域内的一种便于向钻头有效施压、提高钻井效率的水力振荡器，包括依次密封连接的上接头、定子、外壳和下接头，定子内偏心设有转子，转子下端依次连接有万向轴上接头、万向轴和万向轴传动杆，万向轴传动杆下端与外壳密封连接，外壳下端与下接头螺纹密封连接，万向轴传动杆下端配合套装有振动阀，振动阀相对万向轴传动杆可沿配合面往复滑动，振动阀下端密封套装有与振动阀同步动作动阀板，下接头上端对应设有与动阀板紧贴的定阀板，动阀板和定阀板上分别设有大于半圆的扇形通道，转子、万向轴上接头和万向轴与定子及外壳之间设有便于液流通过的环空，万向轴传动杆设有与环空连通的通道，通道与振动阀腔及扇形通道连通。

Description

一种水力振荡器

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，特别涉及一种在大斜度井、水平井等复杂结构井开采中有效增加钻头钻压以提高钻速和开采效率的水力振荡器。 

背景技术

随着我国各大油田开发大斜度井、水平井及水平分支井等复杂结构井的数量增加,如何有效地向钻头施加钻压成为人们普遍关注的问题。目前钻井主要通过复合钻进和井下动力工具滑动钻进两种钻进方式。由于这些复杂结构沿程水力损耗增大,井底钻头可用水马力相当低,一般都是靠钻柱自身重量向钻头施加钻压破碎岩石。然而在大斜度井、大位移井及水平井的钻井施工中，这些传统的加压方式受到一定的限制，其存在的主要问题是： 

1、由于井斜较大，钻柱自身重量在井眼方向的分量小或近似为零，很难满足预先设计的钻压；

2、水平井中，由于钻柱自身重量对井壁的正压力大，增大了钻具在井壁上的摩阻，从而制约了向钻头上施加有效的钻压；

3、对于水平井，由于施工的水平段越来越长，然而在井斜大的井段施工过程中，往往会出现托压、粘卡等现象；

4、对于复合钻进、尤其是在井下动力工具滑动钻进过程中,无法保证给钻头施加真实、有效的钻压，严重影响全井平均机械钻速及钻井周期。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种便于向钻头有效施压、提高钻井效率，并且有效防止钻进过程中跳钻或托压的水力振荡器，以便于提高大斜度井和水平井等复杂结构井的钻井效率。 

本发明的目的是这样实现的，一种水力振荡器，包括依次密封连接的上接头、定子、外壳和下接头，所述定子内偏心设有转子，所述转子下端的外壳内依次连接有万向轴上接头、万向轴和万向轴传动杆，所述万向轴传动杆下端外周与外壳通过滑动轴承部件滑动密封连接，所述外壳下端内壁与下接头螺纹密封连接，所述万向轴传动杆下端配合套装有振动阀，所述振动阀相对万向轴传动杆可沿配合面往复滑动，所述振动阀下端密封套装有与振动阀同步动作动阀板，下接头上端对应设有与动阀板紧贴的定阀板，所述动阀板和定阀板上分别设有大于半圆的扇形通道，所述转子、万向轴上接头和万向轴与定子及外壳之间设有便于液流通过的环空，所述万向轴传动杆设有与环空连通的通道，所述通道与振动阀腔及扇形通道连通。 

本发明的水力振荡器，使用中，上部通过上接头与钻杆连接，下部通过下接头与钻柱及钻头连接，工作中，钻杆内的高压液体驱动转子自转，同时绕定子的中心公转，形成偏心复合转动将液压动力依次通过万向轴上接头、万向轴和万向轴传动杆传递给振动阀，并且，滑动轴承部件将上部的偏心复合转动转变为下部的同心转动，振动阀带动动阀板紧贴定阀板转动。在动阀板周期转动过程中，动阀板与定阀板的扇形通道的重叠面积从大向小，再从小到大周期性变化，使高压液流的流通面积也周期性变化，从而使振动阀上部的液流压力周期性的变化。当动阀板与定阀板的扇形通道重叠面积最小时，上部的高压液流通过振动阀的流通截面积最小，使上部流体压力增到最大，极大的液流压力通过振动阀及动阀板给定阀板一个极大的推力，并沿轴向将上部钻杆向下拉长并产生向下的弹性变形来推动动阀板以下的钻具及钻头；当动阀板与定阀板的扇形通道重叠面积最大时，上部的高压液流通过振动阀后的流通面积最大，液流压力降至最低，使定阀板上向下的推力大大缩小，使上部钻杆的弹性恢复，并沿轴向向上移动同时也拖动定阀板下部的钻柱上移。这种周期性的、高频率的往复位移，就会对钻具产生振荡，由于是液力作用下产生的周期变化，因此形成水力振荡作用，对井下钻具周期加压，实现井下高效钻进。 

因此本发明的水力振荡器结构有如下的有益效果： 

1、通过水力振荡器可使上部高压液流对下部的钻杆及钻头周期加压及振荡作用，实现真实、有效的施加钻压，并且避免水平井及大斜度井的加压中因重力分力、浮力和摩擦力影响而造成假加压的问题；

2、由于水力振荡器使上下钻杆及钻柱的连接成揉性连接，可以有效缓解钻具产生的横向和纵向振动，减少钻具的疲劳破坏、延长钻具和钻头的使用寿命，并避免产生跳钻现象；

3、振动阀的周期性振荡作用下在钻井过程中，使其上下钻具在井眼产生纵向往复运动，使钻具在井下的静摩擦变为动摩擦，大大降低了摩擦阻力，可有效减小因井眼轨迹而产生的托压现象，保证有效的钻压；

4、由于水力振荡器使钻头或下部钻具与钻柱的连接变为柔性连接，钻进过程中实现柔性加压钻进可以有效防止在砾岩层钻进时发生跳钻现象，提高机械钻速、钻头及钻具寿命和钻井质量，最大限度地吸收钻柱振动和钻头冲击力，延长了钻头与钻具的使用寿命。

为便于实现将上部的偏心复合转动转为下部的同心转动，所述滑动轴承部件包括与外壳内壁固定套装的滑动静轴承和固定套装在万向轴传动杆下部外周并与滑动静轴承滑动配合连接的滑动动轴承，所述滑动静轴承内壁固定设有与滑动动轴承配合的耐磨套，所述滑动静轴承与外壳配合连接面间设有密封圈。 

为便于实现转子的偏心复合运动，所述转子外周呈螺杆形，所述定子内壁的轴截面呈中心对称的波浪形，所述转子相对定子偏心设置并且当转子自转及绕定子中心公转时与定子的波浪形内壁互不干涉，所述转子下端与万向轴上接头上端螺纹密封连接。 

为便于减小转子偏子复合运动的阻力，所述万向轴与万向轴上接头和万向轴传动杆间分别通过万向节连接。 

为便于实现振动阀与万向传动杆的动力传动，所述振动阀上端向上延伸入万向轴传动杆内并通过配合设置的导向耐磨环往复滑动连接，所述振动阀下部外周与万向轴传动杆下部通过配合设置的花键传动连接。 

附图说明

图1本发明的水力振荡器的结构示意图。 

图2为图1中Ⅰ段的放大图。 

图3为万向轴传动杆的结构示意图。 

图4为图3的A—A向剖面图。 

图5振动阀的结构示意图。 

图6为图5的B—B剖面图。 

图7为图5的C—C剖面图。 

图8为下接头的结构示意图。 

图9为图8的D-D剖面图。 

图10为动阀板与定阀板的扇形通道重叠面积最小时的示意图。 

图11为图10的E-E剖面图。 

图12为动阀板与定阀板的扇形通道重叠面积最大时的示意图。 

其中，1 上接头；2定子；3转子；4万向轴上接头；5外壳；6万向轴；7万向轴传动杆；8滑动静轴承；8a耐磨套；9滑动动轴承；10振动阀；11动阀板；12定阀板；13下接头；14密封圈；15导向耐磨环。 

具体实施方式

如图1—图12为本发明的水力振荡器，包括依次密封连接的上接头1、定子2、外壳5和下接头13，定子2内偏心设有转子3，转子3下端的外壳5内依次连接有万向轴上接头3、万向轴6和万向轴传动杆7，万向轴传动杆7下端外周与外壳5通过滑动轴承部件滑动密封连接，外壳5下端内壁与下接头13螺纹密封连接，万向轴传动杆7下端配合套装有振动阀10，振动阀10相对万向轴传动杆7可沿配合面往复滑动，振动阀10下端密封套装有与振动阀10同步动作动阀板11，下接头13上端对应设有与动阀板11紧贴的定阀板12，动阀板11和定阀板12上分别设有大于半圆的扇形通道，转子3、万向轴上接头4和万向轴6与定子2及外壳5之间设有便于液流通过的环空，万向轴传动杆7设有与环空连通的通道，通道与振动阀腔及扇形通道连通；为便于实现下部部件的同心转动滑动轴承部件包括与外壳5内壁固定套装的滑动静轴承8和固定套装在万向轴传动杆7下部外周并与滑动静轴承8滑动配合连接的滑动动轴承9，滑动静轴承8内壁固定设有与滑动动轴承9配合的耐磨套8a，滑动静轴承8与外壳5配合连接面间设有密封圈14；为偏于转子3的偏心复合运动，转子3外周呈螺杆形，定子2内壁的轴截面呈中心对称的波浪形，转子3相对定子2偏心设置并且当转子自转及绕定子2中心公转时与定子2的波浪形内壁互不干涉，转子3下端与万向轴上接头4上端螺纹密封连接；万向轴6与万向轴上接头4和万向轴传动杆7间分别通过万向节连接；振动阀10上端向上延伸入万向轴传动杆7内并通过配合设置的导向耐磨环15往复滑动连接，振动阀10下部外周与万向轴传动杆7下部通过配合设置的花键传动连接。 

本发明的水力振荡器，使用中，上部通过上接头1与钻杆连接，下部通过下接头13与钻柱及钻头连接，工作中，钻杆内的高压液体驱动转子3自转，同时绕定子2的中心公转，形成偏心复合转动将液压动力依次通过万向轴上接头4、万向轴6和万向轴传动杆7传递给振动阀10，并且，滑动轴承部件将上部的偏心复合转动转变为下部的同心转动，振动阀10带动动阀板11紧贴定阀板12转动。在动阀板11周期转动过程中，动阀板11与定阀板12的扇形通道的重叠面积从大向小，再从小到大周期性变化，使高压液流的流通面积也周期性变化，从而使振动阀10上部的液流压力周期性的变化。当动阀板11与定阀板12的扇形通道重叠面积最小时，上部的高压液流通过振动阀10的流通截面积最小，使上部流体压力增到最大，极大的液流压力通过振动阀10及动阀板11给定阀板12一个极大的推力，并沿轴向将上部钻杆向下拉长并产生向下的弹性变形来推动动阀板11以下的钻具及钻头；当动阀板11与定阀板12的扇形通道重叠面积最大时，上部的高压液流通过振动阀10后的流通面积最大，液流压力降至最低，使定阀板12上向下的推力大大缩小，使上部钻杆的弹性恢复，并沿轴向向上移动同时也拖动定阀板11下部的钻柱上移。这种周期性的、高频率的往复位移，形成水力振荡作用，对井下钻具周期加压，实现井下高效钻进。 

本发明并不局限于上述实施例，凡是在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护的范围内。 

Claims (5)

1.一种水力振荡器，包括依次密封连接的上接头、定子、外壳和下接头，其特征在于，所述定子内偏心设有转子，所述转子下端的外壳内依次连接有万向轴上接头、万向轴和万向轴传动杆，所述万向轴传动杆下端外周与外壳通过滑动轴承部件滑动密封连接，所述外壳下端内壁与下接头螺纹密封连接，所述万向轴传动杆下端配合套装有振动阀，所述振动阀相对万向轴传动杆可沿配合面往复滑动，所述振动阀下端密封套装有与振动阀同步动作动阀板，下接头上端对应设有与动阀板紧贴的定阀板，所述动阀板和定阀板上分别设有大于半圆的扇形通道，所述转子、万向轴上接头和万向轴与定子及外壳之间设有便于液流通过的环空，所述万向轴传动杆设有与环空连通的通道，所述通道与振动阀腔及扇形通道连通。

2.根据权利要求1所述的水力振荡器，其特征在于，所述滑动轴承部件包括与外壳内壁固定套装的滑动静轴承和固定套装在万向轴传动杆下部外周并与滑动静轴承滑动配合连接的滑动动轴承，所述滑动静轴承内壁固定设有与滑动动轴承配合的耐磨套，所述滑动静轴承与外壳配合连接面间设有密封圈。

3.根据权利要求1所述的水力振荡器，其特征在于，所述转子外周呈螺杆形，所述定子内壁的轴截面呈中心对称的波浪形，所述转子相对定子偏心设置并且当转子自转及绕定子中心公转时与定子的波浪形内壁互不干涉，所述转子下端与万向轴上接头上端螺纹密封连接。

4.根据权利要求1所述的水力振荡器，其特征在于，所述万向轴与万向轴上接头和万向轴传动杆间分别通过万向节连接。

5.根据权利要求1所述的水力振荡器，其特征在于，所述振动阀上端向上延伸入万向轴传动杆内并通过配合设置的导向耐磨环往复滑动连接，所述振动阀下部外周与万向轴传动杆下部通过配合设置的花键传动连接。

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