CN104314471B - 基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，该装置包括上部受力传递总成、复位传扭总成和扭力激励传递总成；上部受力传递总成传振轴、限位环、主动扭力冲击体、主动扭力冲击体压紧块；复位传扭总成包括花键外筒、弹簧保护筒、弹簧、弹簧下封堵接头、传扭防护筒、限位接头；扭力激励传递总成包括从动扭力冲击体、转换接头；传振轴与主动扭力冲击体压紧块螺纹连接，主动扭力冲击体间隙配合安装于传振轴的主动扭力冲击体安装面上；从动扭力冲击体、转换接头通过螺纹连接；弹簧置于弹簧保护筒内。该装置可以实现轴向振动到周向高频扭力冲击振动的转化，并且振动频率可根据内部扭齿个数改变，从而产生满足现场需要的高频扭力冲击振动。
Description
技术领域
本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，用于石油、天然气钻井作业中将钻柱纵向振动转化为钻头周向高频扭力冲击振动。
背景技术
钻井现场实践表明，为PDC钻头施加周向高频冲击载荷可以提高钻头的破岩效率，加快钻井作业速度。为此，国内外设计了多种扭力冲击器来实现为PDC钻头施加周向高频冲击载荷的目的，主要包括：美国阿特拉公司的扭力冲击器、西南石油大学的扭转冲击钻井工具(申请号：200910058083.9)、中国石化集团胜利工程有限公司钻井工艺研究院的扭冲工具(申请号：201010511421.2)和中国石油大学(华东)的射流式扭转冲击钻井工具(专利申请号：201010511421.2)。虽然这些装置的结构各异，但具有共同的特点：扭力冲击的工作能量来源于钻井循环介质。钻井实践得出：随着井深的增加，钻井循环介质压耗增大。在极深的井，甚至出现循环介质仅能满足循环携岩而无其他能量的现象，在这种井内，上述装置工作状态会大受影响，极可能出现无法工作甚至影响钻井作业进行的可能；并且，当钻井循环介质为空气或者充气钻井液等可压缩系数较大的介质时，上述装置均难以正常工作。因此，探寻井下能量新来源，研发利用新能源的井下扭力冲击激励装置对于深井超深井扭力冲击钻井提速非常有意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种基于钻柱振动的的井下扭力冲击激励装置，利用钻井过程中有害的钻柱振动，通过振动转化结构产生钻头周向高频扭力冲击振动，利用振动转化结构实现钻柱纵向振动到钻头周向高频扭力冲击振动的转化，从而提高钻进速度。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，包括上部受力传递总成、复位传扭总成和扭力激励传递总成；其中：上部受力传递总成，包括：传振轴、限位环、主动扭力冲击体、主动扭力冲击体压紧块；复位传扭总成，包括：花键外筒、弹簧保护筒、弹簧、弹簧下封堵接头、传扭防护筒、限位接头；扭力激励传递总成包括：从动扭力冲击体、转换接头；传振轴与主动扭力冲击体压紧块螺纹连接，主动扭力冲击体间隙配合安装于传振轴的主动扭力冲击体安装面上，限位环螺纹连接安装于传振轴的限位螺纹上；花键外筒、弹簧保护筒、弹簧下封堵接头、传扭防护筒、限位接头通过螺纹连接；从动扭力冲击体、转换接头通过螺纹连接；弹簧置于弹簧保护筒内。
相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
1、基于钻柱振动的扭力冲击激励装置可以实现轴向振动到周向高频扭力冲击振动的转化，并且振动频率可根据内部扭齿个数改变，从而产生满足现场需要的高频扭力冲击振动；
2、基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置工作的能量来源于钻柱振动，能量随着井深的增加而增加，且装置的工作过程减小了振动的危害作用；
3、基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置的工作对钻井液的循环不构成影响，即使工具失效，钻井作业亦可继续进行，并且钻井液能量不会在装置内衰减；
4、基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置可应用于各种钻井作业之中，包括：欠平衡钻井、空气钻井及平衡钻井等。
5、基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置结构简单、性能稳定，使用过程不会为钻井作业带来其他方面的风险。
附图说明
图1是基于钻柱振动的扭力冲击激励装置初始位置图；
图2是基于钻柱振动的扭力冲击激励装置承受最大下冲击时装置状态图；
图3是传振轴结构图；
图4是主动扭力冲击体结构图；
图5是从动扭力冲击体结构图；
图6是图1中的A-A剖面示意图；
图7是图1中的B-B剖面示意图；
图8是图1中的C-C剖面示意图；
图9是图8中的D-D剖面示意图；
图10是主动扭力冲击体与从动扭力冲击体相对位置图；
图11是主动扭力冲击体与从动扭力冲击体配合关系图；
图中：1、传振轴，2、密封压盖，3、花键腔密封总成，4、花键外筒，5、弹簧保护筒，6、限位环，7、弹簧，8、弹簧腔密封总成，9、弹簧下封堵接头，10、分隔密封，11、主动扭力冲击体，12、主动扭力冲击体压紧块，13、传扭防护筒，14、从动扭力冲击体，15、限位接头，16、转换接头，101、紧扣圆柱面，102、滑动密封面，103、花键体，104、限位螺纹，105、弹簧内支撑圆柱面，106、主动扭力冲击体安装面，107、限位螺纹，1101、主动扭力冲击体上端面，1102、加长花键，1103、主动扭翼，1104、主动扭齿，1105、主动扭力冲击体限位端面，1106、主动扭力冲击体花键，1401、从动扭翼，1402、从动扭齿，1403、从动扭力冲击体防脱面，1404、转换螺纹，1405、从动扭力冲击体台阶面，1406、从动扭力冲击体限位端面。
具体实施方式
如图1、图2所示，基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，包括上部受力传递总成、复位传扭总成和扭力激励传递总成；其中：
上部受力传递总成，包括：传振轴1、限位环6、主动扭力冲击体11、主动扭力冲击体压紧块12；
复位传扭总成，包括：花键外筒4、弹簧保护筒5、弹簧7、弹簧下封堵接头9、传扭防护筒13、限位接头15；
扭力激励传递总成包括：从动扭力冲击体14、转换接头16；
传振轴1与主动扭力冲击体压紧块12螺纹连接，主动扭力冲击体11间隙配合安装于传振轴1的主动扭力冲击体安装面106上，限位环6螺纹连接安装于传振轴1的限位螺纹104上；花键外筒4、弹簧保护筒5、弹簧下封堵接头9、传扭防护筒13、限位接头15通过螺纹连接；从动扭力冲击体14、转换接头16通过螺纹连接；弹簧7置于弹簧保护筒5内。
如图3所示，所述的传振轴1沿着其轴线设有通长的圆孔，圆孔用于钻井液过流；圆孔的顶端带有钻铤扣，用于连接上部钻具组合；传振轴1外部由顶端到底端依次为：紧扣圆柱面101、滑动密封面102、花键体103、限位螺纹104、弹簧内支撑圆柱面105、主动扭力冲击体安装面106、限位螺纹107；滑动密封面102为镀铬圆柱面，滑动密封面102的直径小于紧扣圆柱面101的直径；花键体103齿顶圆直径与滑动密封面102外径相等，花键体103齿根圆直径大于限位螺纹104大径；限位螺纹104小径大于弹簧内支撑圆柱面105的直径；主动扭力冲击体安装面106外径小于弹簧内支撑圆柱面105直径；主动扭力冲击体安装面106直径大于限位螺纹107大径。
所述的花键外筒4为圆柱壳体，花键外筒4外侧的上部为端盖连接外螺纹、中部为圆柱面、下部为弹簧保护筒连接外螺纹，花键外筒4圆柱面部分的外径与传振轴1的紧扣圆柱面外径相等；花键外筒4内侧的上部为扶正圆筒、下部为内花键，扶正圆筒的内径略大于传振轴1滑动密封面102的外径；内花键与传振轴1的花键体103相配合，并形成花键润滑液腔，花键外筒4可相对于芯轴体1上下滑动；花键外筒4中部开有注油孔，注油孔用于向花键润滑液腔内注入润滑液，注油孔内安装注油孔堵头，用于防止润滑液流出。
花键外筒4顶端安装密封压盖2，花键外筒4的顶端内侧设有花键腔密封总成3，花键腔密封总成3用于防止花键润滑液腔内的润滑油流入环空；密封压盖2的外径与紧扣圆柱面101的外径相等，密封压盖2的顶端开有圆孔，该圆孔的直径略大于滑动密封面102的外径，该圆孔与滑动密封面形成密封允许的间隙；密封压盖2的侧壁内侧设有端盖螺纹，密封压盖2通过端盖螺纹与花键外筒4的端盖连接外螺纹连接；密封压盖2可以将花键腔密封总成3压紧于花键外筒4内，防止花键润滑液腔内的润滑油将花键腔密封总成3推出。
所述的弹簧保护筒5为圆柱壳体，弹簧保护筒5的外径与紧扣圆柱面101的外径相等；弹簧保护筒5内侧的上部为上螺纹、中部为弹簧外支撑面、下部为下螺纹；弹簧保护筒5的上螺纹连接花键外筒4的弹簧保护筒连接外螺纹，下螺纹用于连接弹簧下封堵接头9，弹簧外支撑面的内径大于弹簧直径2-6mm；弹簧保护筒5中部开有排气孔，在向花键润滑液腔内注入润滑液时排气孔用于将花键润滑液腔内部的空气排出，排气孔内安装排气孔堵头，排气孔堵头用于防止润滑液流出。
限位环6为中心带有内螺纹的圆筒，限位环6的外径略小于弹簧保护筒5弹簧外支撑面的内径，限位环6的外径大于花键外筒4花键基圆(即花键齿底圆)的直径，限位环6的内螺纹与传振轴1的限位螺纹104相配合，在起钻过程中为限位环6花键外筒4提供向上的力，限位环6的底面为弹簧7的上支撑面。
所述的弹簧下封堵接头9为圆柱壳体，外侧的上部为弹簧保护筒连接螺纹、中部为接头圆柱面、下部为传扭防护筒连接螺纹，内侧为接头内圆柱面；接头内圆柱面的直径略大于传振轴1弹簧内支撑圆柱面的外径，在接头内圆柱面上下两端分别设有两道密封槽，上端密封槽内设有弹簧腔密封总成8，下端密封槽内设有分隔密封10；接头圆柱面的直径与传振轴1紧扣圆柱面外径相等；弹簧保护筒连接螺纹用于连接弹簧保护筒5，传扭防护筒连接螺纹用于连接传扭防护筒13。
弹簧7为复位弹簧，弹簧7设置于限位环6下平面与弹簧下封堵接头9上平面之间，用于装置整体的复位；弹簧7采用螺旋弹簧与液体弹簧的组合或者碟形弹簧与液体弹簧的组合。
传扭防护筒13为圆柱壳体，圆柱壳体的外径与传振轴1紧扣圆柱面101外径相等；传扭防护筒13内侧由上到下依次为：弹簧下封堵接头连接螺纹、传扭防护筒花键、从动扭力冲击体承压面和下部连接扣；弹簧下封堵接头连接螺纹用于连接弹簧下封堵接头11；传扭防护筒花键用于与主动扭力冲击体11的主动扭力冲击体花键1106配合，将地面扭矩传至主动扭力冲击体11；从动扭力冲击体承压面用于支撑从动扭力冲击体，并限制从动扭力冲击体轴向位置；下部连接扣用于连接限位接头15。
连接限位接头15为圆柱壳体，圆柱壳体的外径与传振轴1紧扣圆柱面101外径相等，壳体顶端带有防护筒连接扣，用于连接传扭防护筒13；连接限位接头15沿着其轴线开有圆孔，该圆孔与从动扭力冲击体14的从动扭力冲击体限位端面1406间隙配合，用于实现对从动扭力冲击体14的扶正及限位。
如图4所示，主动扭力冲击体11外部侧面分布传扭花键，内部侧面为圆柱面，底端带有主动扭翼1103；传扭花键外部与传扭防护筒13的传扭防护筒花键配合用以传递扭矩，内部圆柱面与传振轴1的主动扭力冲击体安装面106配合用以扶正两者相对位置；主动扭翼1103内径小于主动扭力冲击体压紧块传扭12外径，外径与传扭花键的花键内基圆直径相等；主动扭翼型心位置带有加长花键1102；主动扭翼1103沿圆柱轴线的平面上布有主动扭齿1104，另一端为螺旋斜面，顶端为主动扭力冲击体限位端面1105。
如图5所示，从动扭力冲击体14顶端为从动扭翼1401，从动扭翼1401下端为传力筒；从动扭翼1401沿圆柱轴线的平面上布有从动扭齿1402，另一端为螺旋斜面，从动扭翼1401内径与主动扭翼1103内径相等，外径与主动扭翼1103外径相等；主动扭翼1103与从动扭力冲击体14的从动扭翼1401配合，通过主动扭翼1103上的主动扭齿1104与从动扭翼1401上的从动扭齿1402轴向运动时产生的相互错动产生周向扭力冲击振动；传力筒包含扶正部、限位部和下部连接螺纹，扶正部与传扭防护筒13内圆面配合，用于防止从动扭力冲击体14在传扭防护筒13内径向振动；限位部与安装于限位接头15之内，使得限位接头15位于从动扭力冲击体台阶面1405与转换接头16之间，仅转动而无轴向活动；下部连接螺纹用于连接转换接头16。
转换接头16为圆柱壳体，圆柱壳体的外径与传振轴1紧扣圆柱面101外径相等；内侧由上到下依次为从动扭力冲击体连接螺纹、钻井介质流道和钻头连接螺纹；动扭力冲击体连接螺纹用于连接从动扭力冲击体14，钻井介质流道用于钻井介质过流，钻头连接螺纹用于连接螺纹。
基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置实现原理如下：
传振轴1与主动扭力冲击体压紧块12螺纹连接，主动扭力冲击体11间隙配合安装于传振轴1的主动扭力冲击体安装面106上，限位环6螺纹连接安装于传振轴1的限位螺纹104上构成纵向振动总成；花键外筒4、弹簧保护筒5、弹簧下封堵接头9、传扭防护筒13、限位接头15通过螺纹连接否成扭矩传输中介总成；从动扭力冲击体14、转换接头16通过螺纹连接高频振动传输总成；弹簧7置于弹簧保护筒5内。
扭矩通过传振轴1的花键体103、花键外筒4内花键、花键外筒4、弹簧保护5、弹簧下封堵接头9、主动扭力冲击体11、从动扭力冲击体14、转换接头16传输至钻头。
当钻柱向下振动时，纵向振动总成中主动扭力冲击体11相对于扭矩传输中介总成中传扭防护筒13向下运动，由于限位接头15对从动扭力冲击体14限位作用导致从动扭力冲击体14仅能够相对于扭矩传输中介总成周向活动，主动扭力冲击体11的主动扭齿1104与从动扭齿1402发生相对运动，该运动导致从动扭力冲击体14在承受扭矩的同时相对于扭矩传输中介总成产生周向扭力冲击振动，从而实现扭冲。当钻柱向上振动时，纵向振动总成中主动扭力冲击体11相对于扭矩传输中介总成中传扭防护筒13向上运动，由于限位接头15对从动扭力冲击体14限位作用导致从动扭力冲击体14仅能够相对于扭矩传输中介总成周向活动，主动扭力冲击体11的主动扭齿1104与从动扭齿1402发生相对运动，该运动导致从动扭力冲击体14在承受扭矩的同时相对于扭矩传输中介总成产生周向扭力冲击振动，从而实现扭冲。
基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置既是通过钻柱的上下周期性振动，实现主动扭力冲击体11的主动扭齿1104与从动扭力冲击体14的从动扭齿1402发生高频周期性的相对运动，从而产生高频扭力冲击以达到提高PDC钻头破岩钻进效率目的的。
Claims (9)
1.一种基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，包括上部受力传递总成、复位传扭总成和扭力激励传递总成；其特征在于：上部受力传递总成，包括：传振轴、限位环、主动扭力冲击体、主动扭力冲击体压紧块；复位传扭总成，包括：花键外筒、弹簧保护筒、弹簧、弹簧下封堵接头、传扭防护筒、限位接头；扭力激励传递总成包括：从动扭力冲击体、转换接头；传振轴与主动扭力冲击体压紧块螺纹连接，主动扭力冲击体间隙配合安装于传振轴的主动扭力冲击体安装面上，限位环螺纹连接安装于传振轴的限位螺纹上；花键外筒、弹簧保护筒、弹簧下封堵接头、传扭防护筒、限位接头通过螺纹连接；从动扭力冲击体、转换接头通过螺纹连接；弹簧置于弹簧保护筒内；
所述的传振轴沿着其轴线设有通长的圆孔，圆孔的顶端带有钻铤扣，传振轴外部由顶端到底端依次为：紧扣圆柱面、滑动密封面、花键体、限位螺纹、弹簧内支撑圆柱面、主动扭力冲击体安装面、限位螺纹；滑动密封面为镀铬圆柱面，滑动密封面的直径小于紧扣圆柱面的直径；花键体齿顶圆直径与滑动密封面外径相等，花键体齿根圆直径大于限位螺纹大径；限位螺纹小径大于弹簧内支撑圆柱面的直径；主动扭力冲击体安装面外径小于弹簧内支撑圆柱面直径；主动扭力冲击体安装面直径大于限位螺纹大径。
2.根据权利要求1所述的基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，其特征在于：所述的花键外筒为圆柱壳体，花键外筒外侧的上部为端盖连接外螺纹、中部为圆柱面、下部为弹簧保护筒连接外螺纹，花键外筒圆柱面部分的外径与传振轴的紧扣圆柱面外径相等；花键外筒内侧的上部为扶正圆筒、下部为内花键，扶正圆筒的内径略大于传振轴滑动密封面的外径；内花键与传振轴的花键体相配合，并形成花键润滑液腔，花键外筒可相对于芯轴体上下滑动；花键外筒中部开有注油孔；
花键外筒顶端安装密封压盖，花键外筒的顶端内侧设有花键腔密封总成，花键腔密封总成用于防止花键润滑液腔内的润滑油流入环空；密封压盖的外径与紧扣圆柱面的外径相等。
3.根据权利要求2所述的基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，其特征在于：密封压盖的顶端开有圆孔，该圆孔的直径略大于滑动密封面的外径，该圆孔与滑动密封面形成密封允许的间隙；密封压盖的侧壁内侧设有端盖螺纹，密封压盖通过端盖螺纹与花键外筒的端盖连接外螺纹连接。
4.根据权利要求3所述的基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，其特征在于：所述的弹簧保护筒为圆柱壳体，弹簧保护筒的外径与紧扣圆柱面的外径相等；弹簧保护筒内侧的上部为上螺纹、中部为弹簧外支撑面、下部为下螺纹；弹簧保护筒的上螺纹连接花键外筒的弹簧保护筒连接外螺纹，下螺纹用于连接弹簧下封堵接头，弹簧外支撑面的内径大于弹簧直径2-6mm；弹簧保护筒中部开有排气孔，排气孔内安装排气孔堵头。
5.根据权利要求4所述的基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，其特征在于：限位环为中心带有内螺纹的圆筒，限位环的外径略小于弹簧保护筒弹簧外支撑面的内径，限位环的外径大于花键外筒花键基圆的直径，限位环的内螺纹与传振轴的限位螺纹相配合。
6.根据权利要求5所述的基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，其特征在于：所述的弹簧下封堵接头为圆柱壳体，外侧的上部为弹簧保护筒连接螺纹、中部为接头圆柱面、下部为传扭防护筒连接螺纹，内侧为接头内圆柱面；接头内圆柱面的直径略大于传振轴弹簧内支撑圆柱面的外径，在接头内圆柱面上下两端分别设有两道密封槽，上端密封槽内设有弹簧腔密封总成，下端密封槽内设有分隔密封；接头圆柱面的直径与传振轴紧扣圆柱面外径相等。
7.根据权利要求6所述的基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，其特征在于：弹簧为复位弹簧，弹簧设置于限位环下平面与弹簧下封堵接头上平面之间；弹簧采用螺旋弹簧与液体弹簧的组合或者碟形弹簧与液体弹簧的组合。
8.根据权利要求7所述的基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，其特征在于：传扭防护筒为圆柱壳体，圆柱壳体的外径与传振轴紧扣圆柱面外径相等；传扭防护筒内侧由上到下依次为：弹簧下封堵接头连接螺纹、传扭防护筒花键、从动扭力冲击体承压面和下部连接扣。
9.根据权利要求8所述的基于钻柱振动的井下扭力冲击激励装置，其特征在于：连接限位接头为圆柱壳体，圆柱壳体的外径与传振轴紧扣圆柱面外径相等，壳体顶端带有防护筒连接扣，连接限位接头沿着其轴线开有圆孔，该圆孔与从动扭力冲击体的从动扭力冲击体限位端面间隙配合；
主动扭力冲击体外部侧面分布传扭花键，内部侧面为圆柱面，底端带有主动扭翼；传扭花键外部与传扭防护筒的传扭防护筒花键配合用以传递扭矩，内部圆柱面与传振轴的主动扭力冲击体安装面配合用以扶正两者相对位置；主动扭翼内径小于主动扭力冲击体压紧块传扭外径，外径与传扭花键的花键内基圆直径相等；主动扭翼型心位置带有加长花键；主动扭翼沿圆柱轴线的平面上布有主动扭齿，另一端为螺旋斜面，顶端为主动扭力冲击体限位端面；
从动扭力冲击体顶端为从动扭翼，从动扭翼下端为传力筒；从动扭翼沿圆柱轴线的平面上布有从动扭齿，另一端为螺旋斜面，从动扭翼内径与主动扭翼内径相等，外径与主动扭翼外径相等；主动扭翼与从动扭力冲击体的从动扭翼配合，通过主动扭翼上的主动扭齿与从动扭翼上的从动扭齿轴向运动时产生的相互错动产生周向扭力冲击振动；传力筒包含扶正部、限位部和下部连接螺纹，扶正部与传扭防护筒内圆面配合，限位部与安装于限位接头之内，下部连接螺纹用于连接转换接头；
转换接头为圆柱壳体，圆柱壳体的外径与传振轴紧扣圆柱面外径相等；内侧由上到下依次为从动扭力冲击体连接螺纹、钻井介质流道和钻头连接螺纹。
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