CN103790527B - 井下高频压力脉冲发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下高频压力脉冲发生装置，包括：发生器外壳（1）和钻头短节（2），所述发生器外壳（1）内部依次设置有连接轴（6）和传动轴（13），所述传动轴（13）与所述发生器外壳（1）之间设置有相互适配的动力钻具转子（10）和动力钻具定子（11），所述传动轴（13）的一端设置有法兰盘（131），紧接所述法兰盘（131）设置有节流盘（14）；所述法兰盘（131）开设有水眼（132），所述节流盘（14）开设有水槽（141）。本发明通过在钻头处施加高频的压力脉冲，可以改善井底环境，提高钻井液携岩能力，有效减轻钻井液的压持效应，提高钻井速度，而现有的钻井设备无法达到这些效果。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井技术领域，特别涉及一种井下高频压力脉冲发生装置。
背景技术
随着地质勘探和钻井技术的发展和对钻井技术要求越来越高，对钻井设备的要求也越来越高。近年来，我国加大了对深部地层勘探的力度，在西部、四川盆地及周边地区的深井钻井数量逐年增加。在正常钻井条件下，PDC钻头能以极高的速度和效率钻穿地层。但是，PDC钻头在坚硬、固结岩层中会降低切削深度。这也意味着PDC切刀必须依靠研磨地层钻进，而不是剪切地层，这就会降低钻速（ROP），大大增加刀片磨损度。同时，由于井深的增加，钻井液对于地层的压持效应更加明显，增加了钻井的难度。随着油气钻井向深部发展，硬地层钻进的难题日益突出，如何改变这一状况成为钻井提速迫切需要解决的问题。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：通过在钻头处施加高频的压力脉冲，可以改善井底环境，提高钻井液携岩能力，有效减轻钻井液的压持效应，提高钻井速度，而现有的钻井设备无法达到这些效果。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种井下高频压力脉冲发生装置，该装置通过在钻头处施加高频的压力脉冲，可以改善井底环境，提高钻井液携岩能力，有效减轻钻井液的压持效应，提高钻井速度。同时，该装置产生的高频压力脉冲具有辅助破岩效果，可以减少钻井过程中钻头的粘滑现象，提高钻头寿命。所述技术方案如下：
提供了一种井下高频压力脉冲发生装置，所述装置包括：发生器外壳和钻头短节，所述发生器外壳为中空结构，所述发生器外壳和所述钻头短节固定连接；所述发生器外壳内部依次设置有连接轴和传动轴，所述传动轴的第一端与所述连接轴连接，所述传动轴的第二端设置于所述钻头短节内，所述传动轴的外周与所述发生器外壳的内壁之间设置有相互适配的动力钻具转子和动力钻具定子，所述传动轴的第二端设置有法兰盘，紧接所述法兰盘设置有节流盘；所述法兰盘上均匀开设有多个水眼，所述节流盘上均匀开设有多个水槽，在所述传动轴与所述节流盘径向相对旋转时，有预定数量的所述水眼与相同数量的所述水槽完全重合。
进一步地，所述法兰盘上均匀开设有六个水眼，所述节流盘上均匀开设有三个水槽，在所述传动轴与所述节流盘径向相对旋转时，至少有三个所述水眼与三个所述水槽完全重合。
进一步地，所述连接轴的外周与所述发生器外壳的内壁之间设置有悬挂挡盘，所述悬挂挡盘固定于所述发生器外壳上；所述连接轴的上端穿过所述悬挂挡盘的中心孔洞并通过防掉螺母固定于所述悬挂挡盘上。
进一步地，所述悬挂挡盘的中心孔洞内安装有耐磨滑动轴承，所述耐磨滑动轴承与所述悬挂挡盘之间为过盈配合，所述连接轴与所述耐磨滑动轴承之间为间隙配合。
进一步地，所述动力钻具转子固定于所述传动轴的外周上，所述动力钻具定子固定于所述发生器外壳的内壁上，所述动力钻具转子和所述动力钻具定子具有相互适配的多组涡轮或者螺杆。
进一步地，所述动力钻具定子与所述悬挂挡盘之间设置有防掉环，所述防掉环的上端面顶靠所述悬挂挡盘的下表面设置，所述防掉环的下端与所述动力钻具定子通过台阶配合设置。
进一步地，所述钻头短节的内部设置有安装台阶，所述节流盘通过所述安装台阶安装在所述钻头短节内。
进一步地，所述节流盘的外周壁上加工有承扭面，所述钻头短节的内壁面上对应地设置有相适配的承扭面，所述节流盘与所述钻头短节通过承扭面配合实现径向定位。
进一步地，所述悬挂挡盘上开设有贯通孔洞，所述动力钻具转子和所述动力钻具定子上开设有贯通槽孔，所述贯通孔洞、所述贯通槽孔、所述水眼和所述水槽在所述发生器外壳内贯通所述装置。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明的井下高频压力脉冲发生装置通过在钻头处施加高频的压力脉冲，可以改善井底环境，提高钻井液携岩能力，有效减轻钻井液的压持效应，提高钻井速度。另一方面，本装置在钻井过程中，通过产生的压力脉冲改善井底环境，提高坚硬地层的破岩效率、减少钻头粘滑、延长钻头寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的井下高频压力脉冲发生装置结构示意图；
图2是图1中R处的放大图示意图；
图3-图4是装置中传动轴转动一定角度时图1中A-A向剖面图；
图5是图1中B-B向剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例
本实施例提供了一种井下高频压力脉冲发生装置，参见图1，该井下高频压力脉冲发生装置包括：发生器外壳1和钻头短节2，该发生器外壳1为中空结构，发生器外壳1的中空内部用于安装井下高频压力脉冲发生装置的其他的零部件。该发生器外壳1的第一端具有连接接头，用于与外部设备相连接；该发生器外壳1的第二端设置有内螺纹，发生器外壳1在第二端和钻头短节2固定连接，对应地，钻头短节2的连接端设置有外螺纹，发生器外壳1与钻头短节2通过设置在它们之上的内外螺纹相互连接在一起。
继续参见图1，发生器外壳1内部依次设置有连接轴6和传动轴13，连接轴6设置在上端，传动轴13设置在下端。传动轴13的第一端与连接轴6连接，具体地，传动轴13的第一端开设有安装洞，该安装洞的内部周壁上设置有内螺纹，连接轴6的相应端设置有外螺纹，连接轴6的相应端伸入到传动轴13的安装洞内，并通过内外螺纹连接。传动轴13的第二端设置于钻头短节2内，传动轴13的第二端设置有法兰盘131，该法兰盘131的外径大小与钻头短节2该处的内径大小大致相同，法兰盘131能够相对于钻头短节2作径向旋转。
结合参见图2，紧接法兰盘131设置有节流盘14，即节流盘14设置在钻头短节2内，并且节流盘14的上端面紧靠法兰盘13的下端面设置。在法兰盘131上均匀开设有多个水眼132，在节流盘14上均匀开设有多个水槽141，在传动轴13与节流盘14径向相对旋转时，有预定数量的水眼132与相同数量的水槽141完全重合。优选地，在钻头短节2的内部设置有安装台阶21，节流盘14通过该安装台阶21安装在钻头短节2内，节流盘14与钻头短节2固定连接，并且节流盘14与钻头短节2一起同步旋转。更优选地，在节流盘14的外周壁上加工有承扭面，钻头短节2的内壁面上对应地设置有相适配的承扭面，节流盘14与钻头短节2通过承扭面配合实现径向定位。
作为优选的实施例，结合参见图3和图4，法兰盘131上均匀开设有六个水眼132，水眼132为的横截面形状为圆形，节流盘14上均匀开设有三个水槽141，水槽141的横截面形状是由两端为半圆弧、两侧为弧线组成的弧形槽，在传动轴13与节流盘14径向相对旋转时，至少有三个水眼132与三个水槽141完全重合。
传动轴13的外周与发生器外壳1的内壁之间设置有相互适配的动力钻具转子10和动力钻具定子11，动力钻具定子11通过固定螺栓12固定在发生器外壳1的内壁上，动力钻具转子10固定于传动轴13的外周上。具体地，动力钻具转子10的内部为中空状，且该中空的内部设置有内螺纹，在传动轴13的相应部位设置有外螺纹，动力钻具转子10与传动轴13通过内外螺纹固定连接。优选地，在动力钻具转子10的上端设置有台阶，动力钻具转子10的该台阶嵌固在传动轴13和连接轴6的连接结合处，该台阶对动力钻具转子10进行轴向定位。
继续参见图1，连接轴6上端的外周与发生器外壳1的内壁之间设置有悬挂挡盘3，该悬挂挡盘3通过螺栓固定于发生器外壳1上。连接轴6的上端穿过悬挂挡盘3的中心孔洞并通过防掉螺母7固定于悬挂挡盘3上。优选地，在悬挂挡盘3的中心孔洞内安装有耐磨滑动轴承8，耐磨滑动轴承8的内壁上镶嵌有硬质合金。该耐磨滑动轴承8与悬挂挡盘3之间为过盈配合，连接轴6与耐磨滑动轴承8之间为间隙配合，这样，连接轴6能够相对于耐磨滑动轴承8以及悬挂挡盘3作径向旋转，而耐磨滑动轴承8和悬挂挡盘3相对于发生器外壳1静止不动。
优选地，动力钻具转子10和动力钻具定子11具有相互适配的多组涡轮，动力钻具转子10和动力钻具定子11构成该井下高频压力脉冲发生装置的动力钻具。作为其他的实施例，该井下高频压力脉冲发生装置的动力钻具可以是一只螺杆。在动力钻具定子11与悬挂挡盘3之间设置有防掉环5，防掉环5的上端面顶靠悬挂挡盘3的下表面设置，防掉环5的下端与动力钻具定子11通过台阶配合设置。
优选地，在悬挂挡盘3上开设有贯通孔洞9，在动力钻具转子10和动力钻具定子11上开设有贯通槽孔101，贯通孔洞9、贯通槽孔101、水眼132和水槽141在发生器外壳1内贯通该井下高频压力脉冲发生装置。
该装置安装于钻头上使用，产生的压力脉冲可以有效传递到井底，衰减幅度小；该装置结构紧凑，不含任何橡胶件和电子元器件，可以耐高温210°；经实践验证，该装置产生压力脉冲频率高，是动力钻具转速的六倍；压力脉冲幅度可调范围大，通过改变传动轴水眼大小，可以实现压力脉冲0.1～2MPa范围内的调节。
该井下高频压力脉冲发生装置的工作原理是：
工作时，该井下高频压力脉冲发生装置的发生器外壳1上部连接正常钻具组合，钻头短节2的下部连接钻头。钻井液经由上部钻具水眼进入发生器外壳1的中心孔，再经过悬挂挡盘3四周均布的钻井液通道向下流动，到达动力钻具，即动力钻具转子10和动力钻具定子11处。钻井液经过动力钻具时带动动力钻具转子旋转，从而带动传动轴13旋转，其中，转速大小取决于钻井液的排量和密度。传动轴13旋转过程中，其下部法兰盘131上均布的六个水眼132周期性的与节流盘14上均布的三个水槽141发生完全重合，此时井底压力最高；旋转过程中最少能有三个水眼132与三个水槽141完全重合，此时井底压力最低。传动轴13每转动一周，六个水眼132与三个水槽141将发生六次完全重合，产生六次压力波动。因此，压力脉冲的频率为转速的六倍。当传动轴每转动60°时，发生一次压力波动的过程。本装置也可通过改变水眼大小改变压力脉冲的幅度，通过调整水眼和水槽的数量及位置改变压力脉冲的频率，且调节范围广。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种井下高频压力脉冲发生装置，其特征在于，所述装置包括：发生器外壳(1)和钻头短节(2)，所述发生器外壳(1)为中空结构，所述发生器外壳(1)和所述钻头短节(2)固定连接，所述钻头短节(2)的下部连接钻头；
所述发生器外壳(1)内部依次设置有连接轴(6)和传动轴(13)，所述传动轴(13)的第一端与所述连接轴(6)连接，所述传动轴(13)的第二端设置于所述钻头短节(2)内，所述传动轴(13)的外周与所述发生器外壳(1)的内壁之间设置有相互适配的动力钻具转子(10)和动力钻具定子(11)，所述传动轴(13)的第二端设置有法兰盘(131)，紧接所述法兰盘(131)设置有节流盘(14)；
所述法兰盘(131)上均匀开设有多个水眼(132)，所述水眼(132)的横截面形状为圆形，所述节流盘(14)上均匀开设有多个水槽(141)，所述水槽(141)的横截面形状是由两端为半圆弧、两侧为弧线组成的弧形槽，在所述传动轴(13)与所述节流盘(14)径向相对旋转时，至少有预定数量的所述水眼(132)与相同数量的所述水槽(141)完全重合。
2.根据权利要求1所述的井下高频压力脉冲发生装置，其特征在于，所述法兰盘(131)上均匀开设有六个水眼(132)，所述节流盘(14)上均匀开设有三个水槽(141)，在所述传动轴(13)与所述节流盘(14)径向相对旋转时，至少有三个所述水眼(132)与三个所述水槽(141)完全重合。
3.根据权利要求1所述的井下高频压力脉冲发生装置，其特征在于，所述连接轴(6)的外周与所述发生器外壳(1)的内壁之间设置有悬挂挡盘(3)，所述悬挂挡盘(3)固定于所述发生器外壳(1)上；
所述连接轴(6)的上端穿过所述悬挂挡盘(3)的中心孔洞并通过防掉螺母(7)固定于所述悬挂挡盘(3)上。
4.根据权利要求3所述的井下高频压力脉冲发生装置，其特征在于，所述悬挂挡盘(3)的中心孔洞内安装有耐磨滑动轴承(8)，所述耐磨滑动轴承(8)与所述悬挂挡盘(3)之间为过盈配合，所述连接轴(6)与所述耐磨滑动轴承(8)之间为间隙配合。
5.根据权利要求4所述的井下高频压力脉冲发生装置，其特征在于，所述动力钻具转子(10)固定于所述传动轴(13)的外周上，所述动力钻具定子(11)固定于所述发生器外壳(1)的内壁上，所述动力钻具转子(10)和所述动力钻具定子(11)具有相互适配的多组涡轮或者螺杆。
6.根据权利要求5所述的井下高频压力脉冲发生装置，其特征在于，所述动力钻具定子(11)与所述悬挂挡盘(3)之间设置有防掉环(5)，所述防掉环(5)的上端面顶靠所述悬挂挡盘(3)的下表面设置，所述防掉环(5)的下端与所述动力钻具定子(11)通过台阶配合设置。
7.根据权利要求3所述的井下高频压力脉冲发生装置，其特征在于，所述钻头短节(2)的内部设置有安装台阶(21)，所述节流盘(14)通过所述安装台阶(21)安装在所述钻头短节(2)内。
8.根据权利要求7所述的井下高频压力脉冲发生装置，其特征在于，所述节流盘(14)的外周壁上加工有承扭面，所述钻头短节(2)的内壁面上对应地设置有相适配的承扭面，所述节流盘(14)与所述钻头短节(2)通过承扭面配合实现径向定位。
9.根据权利要求4、6或者8所述的井下高频压力脉冲发生装置，其特征在于，所述悬挂挡盘(3)上开设有贯通孔洞(9)，所述动力钻具转子(10)和所述动力钻具定子(11)上开设有贯通槽孔(101)，所述贯通孔洞(9)、所述贯通槽孔(101)、所述水眼(132)和所述水槽(141)在所述发生器外壳(1)内贯通所述装置。
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