CN104165027A - 石油钻井用三维涡轮振动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油钻井用三维涡轮振动器，属石油钻井工具设计技术领域，由流量控制阀、轴向振动器、涡轮偏心接头、液力脉冲发生器组成；流量控制阀用来调节流入振动器的泥浆的流量以及速度；轴向振动器用来产生沿轴向方向上的位移；涡轮偏心接头通过涡轮节将泥浆的水力转化为主轴的旋转运动和圆周方向偏心的振动，液力脉冲发生器通过PDC推力轴承静环和动环之间的过流面积循环的变化，从而产生圆周方向上的振动。本发明的石油钻井用三维涡轮振动器同时在轴向、圆周方向上产生的三维振动，能够有效克服大位移井和水平井钻柱与井壁之间的摩擦阻力、降低钻柱与井壁之间的扭矩，避免卡钻事故的发生，具有大幅度提高钻井效率，降低钻井成本的特点。

Description

石油钻井用三维涡轮振动器

技术领域：

本发明涉及一种石油钻井用三维涡轮振动器，属石油钻井工具设计技术领域。

背景技术：

在石油钻井的过程中，特别是在大位移井和水平井的钻井过程中，管柱的摩擦阻力是需要解决的核心问题，它直接决定和影响大位移井和水平井的最大延伸。

通常情况下，大位移井和水平井的位移与垂深之比大于或者等于2，其井斜角的下限值必超过63°，并且由于一般大位移井都有一个垂直段，则其最大井斜角一般在70°以上；大位移井的斜深多达几千米，对于水平井，井眼轨迹近似达到水平，井眼通常继续在油层里延伸油层厚度的六倍。在这样的情况下，大位移井和水平井钻柱的自重绝大部分将压向井壁，钻柱和井壁之间将产生很大的摩擦力，从而导致钻柱滑动困难，使钻柱承受较大扭矩，使钻进速度缓慢，还有可能发生卡钻事故。

发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石油钻井用三维涡轮振动器，能够有效克服大位移井和水平井钻柱与井壁之间的摩擦阻力、降低钻柱与井壁之间的扭矩，避免卡钻事故的发生，具有大幅度提高钻井效率，降低钻井成本的特点。

本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。

在石油钻井用三维涡轮振动器的结构中，设置有流量控制阀、轴向振动器、涡轮偏心接头、液力脉冲发生器；所述的流量控制阀由阀体、阀芯、弹簧、旁通阀孔、阀套组成；阀芯、弹簧、阀套从上至下依次安装在阀体内；阀芯安装在弹簧的上方，弹簧的下端安装在阀套上，阀套固定安装在阀体的内壁上；阀芯能在阀体内轴向移动；阀体的上端与钻柱通过螺纹相连接；阀体的下端与心轴的上端通过螺纹相连接；在阀体上相对于阀芯与阀套结合处的位置开有旁通阀孔；所述的轴向振动器由心轴、上接头、蝶形弹簧、中空活塞、下接头组成；心轴的上端与阀体的下端通过螺纹相连接；上接头的上端与心轴通过花键相连接；上接头的下端与下接头的上端通过螺纹相连接；下接头的下端与涡轮接头外壳的上端通过螺纹相连接；心轴的下端位于上接头和下接头的中空腔内；在下接头的中空腔内，中空活塞通过螺纹连接安装在心轴的下端；蝶形弹簧安装在心轴与下接头之间的中空腔内，安装在心轴的凸缘和下接头的台肩之间；所述的涡轮偏心接头由涡轮接头外壳、偏心块、扶正轴承、主轴、涡轮节组成；涡轮接头外壳的上端与下接头的下端通过螺纹相连接；涡轮接头外壳的下端与液力脉冲发生器的发生器外壳的上端通过螺纹相连接；主轴安装在涡轮接头外壳内，在主轴上从上至下依次安装有偏心块、扶正轴承和涡轮节；偏心块固定在主轴的顶端面；偏心块位于扶正轴承的上端；扶正轴承固定在涡轮节的上端，用来对涡轮节起支撑作用；所述的液力脉冲发生器由连接器、发生器外壳、PDC轴承动环、PDC轴承静环、固定接头组成；发生器外壳的上端与涡轮接头外壳的下端通过螺纹相连接；连接器、PDC轴承动环、PDC轴承静环、固定接头从上至下依次安装在发生器外壳内；连接器的上端与主轴的下端通过螺纹相连接；连接器的下端与PDC轴承动环通过螺纹相连接；固定接头的上端与PDC轴承静环通过螺纹相连接；固定接头的下端与发生器外壳通过螺纹相连接；在PDC轴承静环的园周边开有过流孔。

主轴旋转和偏心振动时，其运动通过连接器直接传递到PDC轴承动环上，从而使流经PDC轴承静环上的过流孔的泥浆过流面积产生循环的变化，从而产生圆周方向上的振动。

本发明与现有的技术相比，可通过流量控制阀来控制泥浆的速度和总量，控制灵活；通过轴向振动器产生轴向方向上的振动，为钻头的冲击作用产生一个预期的间歇作用的力；通过涡轮偏心接头上的偏心块提供给主轴圆周方向偏心的振动；采用涡轮节将泥浆的水力转化为主轴的旋转运动，并且将旋转运动转化为液力脉冲发生器的偏心运动，使液力脉冲发生器旋转过程中过流面积的变化来产生钻柱沿圆周方向上的脉动，从而有效克服大位移井和水平井钻柱与井壁之间的摩擦阻力、降低钻柱与井壁之间的扭矩，避免卡钻事故的发生，具有大幅度提高钻井效率，降低钻井成本的特点。

附图说明:

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的连接器部分开有过流通道的结构示意图。

在图中:1.阀体、2.阀芯、3.弹簧、4.旁通阀孔、5.阀套、6.心轴、7.上接头、8.蝶形弹簧、9.中空活塞、10.下接头、11.涡轮接头外壳、12.偏心块、13.扶正轴承、14.主轴、15.涡轮节、16.连接器、17.发生器外壳、18.PDC轴承动环、19.PDC轴承静环、20.固定接头。

具体实施方式：

本发明石油钻井用三维涡轮振动器由流量控制阀、轴向振动器、涡轮偏心接头、液力脉冲发生器组成；所述的流量控制阀由阀体1、阀芯2、弹簧3、旁通阀孔4、阀套5组成；阀芯2、弹簧3、阀套5从上至下依次安装在阀体1内；阀芯2安装在弹簧3的上方，弹簧3的下端安装在阀套5上，阀套5固定安装在阀体1的内壁上；在流入的泥浆和弹簧力的作用下，阀芯2能在阀体1内轴向移动，用来调节泥浆的流入速度和流入总量；阀体1的上端与钻柱通过螺纹相连接；阀体1的下端与心轴6的上端通过螺纹相连接；在阀体1上相对于阀芯2与阀套5结合处的位置开有旁通阀孔4；当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯2下移，流量控制阀被关闭，即旁通阀孔4被关闭，此时的泥浆全部由阀体1向下流经阀套5；当泥浆流量值过小或停泵时，所产生的压力不足以克服弹簧3的弹力和静摩擦力时，弹簧3把阀芯2向上顶起，流量控制阀被打开，即旁通阀孔4处于开启位置，此时的部分泥浆可以从阀体1和井壁之间的环形空间进入旁通阀孔4，然后向下流经阀套5；另一部分泥浆从阀体1的轴向正常向下流经阀套5。所述的轴向振动器由心轴6、上接头7、蝶形弹簧8、中空活塞9、下接头10组成；心轴6的上端与阀体1的下端通过螺纹相连接；上接头7的上端与心轴6通过花键相连接；上接头7的下端与下接头10的上端通过螺纹相连接；下接头10的下端与涡轮接头外壳11的上端通过螺纹相连接；心轴6的下端位于上接头7和下接头10的中空腔内；心轴6可以在中空腔内滑动；轴向振动器内部的钻井液压力与外环之间的正压力差使得心轴6在中空腔内可上下移动；在下接头10的中空腔内，中空活塞9通过螺纹连接安装在心轴6的下端；蝶形弹簧8安装在心轴6与下接头10之间的中空腔内，安装在心轴6的凸缘和下接头10的台肩之间，位于上接头7的螺纹接头端和中空活塞9之间，蝶形弹簧8在轴向产生弹簧抵抗力，并且周期性的被压缩或者伸长；由于从流量控制阀流入振动器的泥浆的流量和速度不断变化以及蝶形弹簧8的作用，使得心轴6在中空腔内上下移动，从而使轴向振动器产生沿轴向方向上的位移。所述的涡轮偏心接头由涡轮接头外壳11、偏心块12、扶正轴承13、主轴14、涡轮节15组成；涡轮接头外壳11的上端与下接头10的下端通过螺纹相连接；涡轮接头外壳11的下端与液力脉冲发生器的发生器外壳17的上端通过螺纹相连接；主轴14安装在涡轮接头外壳11内，在主轴14上从上至下依次安装有偏心块12、扶正轴承13和涡轮节15；偏心块12固定在主轴14的顶端面；偏心块12位于扶正轴承13的上端；扶正轴承13固定在涡轮节15的上端，用来对涡轮节15起支撑作用；高压泥浆通过扶正轴承13流入到涡轮节15中；偏心块12能够和主轴14一起旋转，并且在圆周方向产生一种小幅度的不均匀的偏心振动；涡轮节15能够将泥浆的水力运动转化为主轴14的旋转运动；涡轮节15根据实际的钻采速度和效率可以有不同结构；扶正轴承13可以根据涡轮节15提供的扭矩大小来配置的耐磨轴承，从而实现对涡轮节15的有效支撑。所述的液力脉冲发生器由连接器16、发生器外壳17、PDC轴承动环18、PDC轴承静环19、固定接头20组成；发生器外壳17的上端与涡轮接头外壳11的下端通过螺纹相连接；发生器外壳17的下端与下面的钻柱通过螺纹相连接；连接器16、PDC轴承动环18、PDC轴承静环19、固定接头20从上至下依次安装在发生器外壳17内；连接器16的上端与主轴14的下端通过螺纹相连接；连接器16的下端与PDC轴承动环18通过螺纹相连接；固定接头20的上端与PDC轴承静环19通过螺纹相连接；固定接头20的下端与发生器外壳17通过螺纹相连接；在PDC轴承静环19的园周边开有过流孔；主轴14旋转和偏心振动时，其运动通过连接器16直接传递到PDC轴承动环18上，从而使流经PDC轴承静环19上的过流孔的泥浆过流面积产生循环的变化，从而产生圆周方向上的振动。

在连接器16上开有过流通道，与其相对应，在PDC轴承动环18和PDC轴承静环19的中心也开有过流孔；当主轴14旋转和偏心振动时，其运动通过连接器16直接传递到PDC轴承动环18上，此时的泥浆从连接器16上的过流通道、PDC轴承动环18中心处的过流孔和PDC轴承静环19中心处的过流孔中通过；使得流经PDC轴承静环19上的过流孔的泥浆过流面积产生循环的变化。

本发明的石油钻井用三维涡轮振动器由流量控制阀、轴向振动器、涡轮偏心接头、液力脉冲发生器组成；流量控制阀用来调节流入振动器的泥浆的流量以及速度；轴向振动器用来产生沿轴向方向上的位移；涡轮偏心接头通过涡轮节将泥浆的水力转化为主轴的旋转运动和圆周方向偏心的振动，液力脉冲发生器通过PDC推力轴承静环和动环之间的过流面积循环的变化，从而产生圆周方向上的振动。

本发明的石油钻井用三维涡轮振动器同时在轴向、圆周方向上产生的三维振动能够提高大位移井和水平井的钻柱在下放过程中钻柱克服井壁对钻柱的阻力的能力；减少由于钻柱压力与底层压力之差较大造成的钻柱向井壁推靠以及卡钻等井下事故的发生，降低钻柱所受到的地层作用的扭矩。

Claims (4)

1.石油钻井用三维涡轮振动器，由流量控制阀、轴向振动器、涡轮偏心接头、液力脉冲发生器组成；其特征在于所述的流量控制阀由阀体(1)、阀芯(2)、弹簧(3)、旁通阀孔(4)、阀套(5)组成；阀芯（2）、弹簧（3）、阀套(5)从上至下依次安装在阀体（1）内；阀芯（2）安装在弹簧（3）的上方，弹簧（3）的下端安装在阀套(5)上，阀套(5)固定安装在阀体（1）的内壁上；阀芯（2）能在阀体（1）内轴向移动；阀体（1）的上端与钻柱通过螺纹相连接；阀体（1）的下端与心轴（6）的上端通过螺纹相连接；所述的轴向振动器由心轴(6)、上接头(7)、蝶形弹簧(8)、中空活塞(9)、下接头（10）组成；心轴（6）的上端与阀体（1）的下端通过螺纹相连接；上接头（7）的上端与心轴（6）通过花键相连接；上接头（7）的下端与下接头（10）的上端通过螺纹相连接；下接头（10）的下端与涡轮接头外壳（11）的上端通过螺纹相连接；心轴（6）的下端位于上接头（7）和下接头（10）的中空腔内；在下接头（10）的中空腔内，中空活塞（9）通过螺纹连接安装在心轴（6）的下端；所述的涡轮偏心接头由涡轮接头外壳（11）、偏心块（12）、扶正轴承（13）、主轴（14）、涡轮节（15）组成；涡轮接头外壳（11）的上端与下接头（10）的下端通过螺纹相连接；涡轮接头外壳（11）的下端与液力脉冲发生器的发生器外壳（17）的上端通过螺纹相连接；主轴（14）安装在涡轮接头外壳（11）内，在主轴（14）上从上至下依次安装有偏心块（12）、扶正轴承（13）和涡轮节（15）；偏心块（12）固定在主轴(14)的顶端面；偏心块（12）位于扶正轴承（13）的上端；扶正轴承（13）固定在涡轮节（15）的上端，用来对涡轮节（15）起支撑作用；所述的液力脉冲发生器由连接器（16）、发生器外壳（17）、PDC轴承动环（18）、PDC轴承静环（19）、固定接头（20）组成；发生器外壳（17）的上端与涡轮接头外壳（11）的下端通过螺纹相连接；连接器（16）、PDC轴承动环（18）、PDC轴承静环（19）、固定接头（20）从上至下依次安装在发生器外壳（17）内；连接器（16）的上端与主轴（14）的下端通过螺纹相连接；连接器（16）的下端与PDC轴承动环（18）通过螺纹相连接；固定接头（20）的上端与PDC轴承静环（19）通过螺纹相连接；固定接头（20）的下端与发生器外壳（17）通过螺纹相连接；在PDC轴承静环（19）的园周边开有过流孔。

2.根据权利要求1所述的石油钻井用三维涡轮振动器，其特征在于在阀体(1)上相对于阀芯(2)与阀套(5)结合处的位置开有旁通阀孔(4)。

3.根据权利要求2所述的石油钻井用三维涡轮振动器，其特征在于蝶形弹簧（8）安装在心轴（6）与下接头（10）之间的中空腔内，安装在心轴（6）的凸缘和下接头（10）的台肩之间。

4.根据权利要求3所述的石油钻井用三维涡轮振动器，其特征在于在连接器（16）上开有过流通道，与其相对应，在PDC轴承动环（18）和PDC轴承静环（19）的中心也开有过流孔。