CN104405287B

CN104405287B - 一种钻井用双脉冲水力振荡器

Info

Publication number: CN104405287B
Application number: CN201410552378.2A
Authority: CN
Inventors: 冯定; 孙巧雷; 鄢标; 夏成宇; 施雷
Original assignee: Yangtze University
Current assignee: Yangtze University
Priority date: 2014-10-19
Filing date: 2014-10-19
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2034-10-19
Also published as: CN104405287A

Abstract

本发明涉及一种钻井用双脉冲水力振荡器，属石油、天然气开采、钻井工具技术领域。它由振动短节总成、动力短节总成构成；其特点是：振动短节总成由花键芯轴、联接套、压力转换器、振荡壳体等组成；动力短节总成包括压紧套、涡轮轴；花键芯轴与联接套间安装有密封件，联接套与振荡壳体连接；振荡壳体下端与动力短节总成连接；动力短节总成上端的压紧套与振荡壳体连接，压紧套下端连接动力壳体，动力壳体的中心安装有涡轮轴；涡轮轴从上至下依次安装有扶正轴承、涡轮定子、涡轮转子、两组动阀及定阀、套筒、分流环、分流套、推力轴承。无径向摆动，可在小流量下实现较高频率的较大轴向振动，摩擦阻力小，增加有效钻压，提高了机械钻速。

Description

一种钻井用双脉冲水力振荡器

技术领域

本发明涉及一种钻井用双脉冲水力振荡器，属石油、天然气开采、钻井工具技术领域。

背景技术

在钻井过程中，影响大位移井和水平井钻速的重要因素是摩擦阻力。滑动钻井时，钻具组合与井壁处于静摩擦状态，摩阻较大，容易造成钻井托压或卡钻，严重影响钻进过程，对水平井的影响尤为严重。随着勘探开发的不断深入，大位移水平井和复杂状况井逐渐增多，如何降低摩擦阻力减少滑动钻井托压现象，增加有效钻压、提高常规钻井的效率，我国科研人员进行了大量探索和深入的研究。实践表明，对钻井柱施加适当的周期性的轴向振动，能有效减小钻进过程中钻具与井壁之间的摩擦阻力，将静摩擦力变为动摩擦力，增加有效钻压，提高机械钻速。

目前国内外研发的相应工具包括：冲击器、垂钻工具、旋转导向工具、水力加压器、减阻工具及震击器等，这些工具在一定程度上减小了摩阻，不过，这些工具的功能均比较单一，技术性能和质量还处于较低水平，存在以下缺陷：其一是受结构及材料的限制，未从根本上解决钻进摩阻过大、振荡效果不好的问题。其二是冲击参数不合理，要求产生较高的冲击力以及振荡频率以满足钻井需求，就必须配置更昂贵、更高性能的钻井工具和钻头等设备。其三是寿命较短，持续工作能力差，从而增加起下钻的次数，严重影响机械钻速。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可在较小流量下使用普通钻头和钻具组合，产生较高频率和较大轴向振动，有效减小钻具组合在钻井时的摩擦阻力；轴向产生的高频振动可产生类似于冲击钻井的效果，提高机械钻速；通过压力柔和变化的周期性破岩，可提高破岩效率；解决现有技术功能单一，性能和质量水平较低，须配置昂贵、高性能钻头和钻具组合才能达到冲击参数标准；受结构和材料限制，使用寿命短，持续工作能力差，导致起下钻次数多，严重阻滞机械钻进，未从根本上解决钻进摩阻过大、振荡效果不好问题的钻井用双脉冲水力振荡器。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的

该钻井用双脉冲水力振荡器由振动短节总成、动力短节总成构成；其特征在于：振动短节总成与动力短节总成通过螺纹连接；振动短节总成由花键芯轴、联接套、压力转换器、压紧螺母、振荡壳体组成；花键芯轴上端通过螺纹与钻杆连接，花键芯轴与联接套间安装有密封件，花键芯轴与联接套内壁滑动连接；联接套与振荡壳体通过螺纹连接；花键芯轴下外端与振荡壳体间安装有压力转换器；花键芯轴下端安装有压紧螺母，压紧螺母中心开制有流道；振荡壳体的下端通过螺纹与动力短节总成连接；

动力短节总成包括压紧套、涡轮轴；动力短节总成上端的压紧套通过螺纹与振荡壳体连接，压紧套的下端通过螺纹连接动力壳体，动力壳体的中心安装有涡轮轴；涡轮轴从上至下依次安装有上扶正轴承、涡轮定子、涡轮转子、下扶正轴承、动阀Ⅰ、动阀Ⅱ、定阀Ⅰ、定阀Ⅱ、套筒、分流环、分流套、推力轴承；

上扶正轴承与下扶正轴承间安装有多级涡轮定子和多级涡轮转子；动阀Ⅱ与推力轴承间安装有套筒；下扶正轴承的下端安装有定阀Ⅰ、定阀Ⅱ和动阀Ⅰ、动阀Ⅱ；分流环和分流套下端安装有推力轴承，动力壳体的上端通过螺纹与压紧套的下端连接；动力壳体的下端通过螺纹与下部接头的上端连接；上扶正轴承、下扶正轴承、涡轮轴的中段和下段均开制有流道；动阀Ⅰ、动阀Ⅱ、定阀Ⅰ、定阀Ⅱ均开制有相同的通孔；动阀Ⅰ、动阀Ⅱ、定阀Ⅰ、定阀Ⅱ的中心均与动力壳体和涡轮轴的中心保持一致。

本发明与现有技术相比的有益效果在于

该钻井用双脉冲水力振荡器采用涡轮作为动力转换机构，无需配置价格昂贵的高性能、高质量的钻头和钻具组合，由于无径向摆动，可在较小流量下，实现较高频率和较大的轴向振动，大大减小钻具组合在钻井时的摩擦阻力，使用寿命长。同时，利用两级动阀与定阀将产生的高频压力波传递给钻头射流，使破岩压力呈柔性的周期性变化而有效破岩，提高机械钻速。采用单个阀盘，动阀旋转一周即可实现两次压力脉冲；采用两级阀盘可实现两次压力脉冲的叠加，产生高幅值压力脉冲，增加振荡力；且可提供较小的轴向振动，在为钻头自身提供旋转切削力的同时，还能提供一定强度的冲击切削力，将静摩擦力转换为动摩擦力，增加有效钻压，有效提高机械钻速。很好地解决了现有技术功能单一，性能和质量水平较低，须配置昂贵、高性能钻头和钻具组合才能达到冲击参数标准；受结构和材料限制，使用寿命短，持续工作能力差，导致起下钻次数多，严重阻滞机械钻进，未从根本上解决钻进摩阻过大、振荡效果不好的问题。

附图说明

附图1为一种钻井用双脉冲水力振荡器的整体结构示意图；

附图2为一种钻井用双脉冲水力振荡器的振动短节总成的结构示意图；

附图3为一种钻井用双脉冲水力振荡器的动力短节总成的结构示意图。

图中：1、花键芯轴，2、联接套，3、压力转换器，4、压紧螺母，5、振荡壳体，6、上扶正轴承，7、下扶正轴承，8、动阀Ⅰ，9、动阀Ⅱ，10、分流环，11、分流套，12、推力轴承，13、下部接头，14、动力壳体，15、涡轮轴，16、套筒，17、定阀Ⅰ，18、定阀Ⅱ，19、涡轮转子，20、涡轮定子，21、压紧套，22、密封件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述：

该钻井用双脉冲水力振荡器由振动短节总成、动力短节总成构成；振动短节总成与动力短节总成通过螺纹连接；振动短节总成由花键芯轴1、联接套2、压力转换器3、压紧螺母4、振荡壳体5组成；花键芯轴1上端通过螺纹与钻杆连接，花键芯轴1与联接套2间安装有密封件22，花键芯轴1与联接套2内壁滑动连接；联接套2与振荡壳体5通过螺纹连接；花键芯轴1下端与振荡壳体5间安装有压力转换器3；即压力转换器3安装在花键芯轴1下端与振荡壳体5内侧的环形空间中；花键芯轴1下底端安装有压紧螺母4，压紧螺母4中心开制有流道；振荡壳体5的下端通过螺纹与动力短节总成连接；

动力短节总成包括压紧套21、涡轮轴15；动力短节上端的压紧套21通过螺纹与振荡壳体5连接，压紧套21的下端通过螺纹连接动力壳体14；动力壳体14的中心安装有涡轮轴15，涡轮轴15从上至下依次装有上扶正轴承6、涡轮定子20、涡轮转子19、下扶正轴承7、动阀Ⅰ8、动阀Ⅱ9、定阀Ⅰ17、定阀Ⅱ18、套筒16、分流环10、分流套11、推力轴承12；

上扶正轴承6与下扶正轴承7间安装有多级涡轮定子20和多级涡轮转子19；动阀Ⅱ9与推力轴承12间安装有套筒16；下扶正轴承7的下端安装有定阀Ⅰ17、定阀Ⅱ18和动阀Ⅰ8、动阀Ⅱ9；动阀Ⅰ8、动阀Ⅱ9转动改变定阀Ⅰ17、定阀Ⅱ18与动阀间的过流面积；分流环10和分流套11下端安装有推力轴承12，动力壳体14的上端通过螺纹与压紧套21的下端连接；动力壳体14的下端通过螺纹与下部接头13的上端连接；上扶正轴承6、下扶正轴承7、及涡轮轴15的中段和下段均开制有流道；大部分流体从涡轮轴15的流道通过，小部分流体沿分流环10从分流套11与套筒16间的流道通过；动阀Ⅰ8、动阀Ⅱ9、定阀Ⅰ17、定阀Ⅱ18均开制有相同的通孔；动阀Ⅰ8、动阀Ⅱ9、定阀Ⅰ17、定阀Ⅱ18的中心均与动力壳体14和涡轮轴15的中心保持一致。（参见附图1～3）

在涡轮轴15的中间装有两组相同的定阀Ⅰ17、定阀Ⅱ18和两组相同的动阀Ⅰ8、动阀Ⅱ9；两组动定阀在一个周期内产生两次压力脉冲，同时两组动定阀产生的压力脉冲的初始相位角相同。

上扶正轴承6与下扶正轴承7间安装有多级涡轮定子20和涡轮转子19，通过涡轮转子19驱动涡轮轴15转动，涡轮15轴带动两组动阀转动。

花键芯轴1中段的花键轴能够在振荡壳体5的花键槽内滑动。

分流环10、分流套11与套筒16间的流道能够通过部分钻井液，可对推力轴承12起到很好的润滑作用。

该钻井用双脉冲水力振荡器的工作过程如下：

由钻井泵输出的钻井液驱动涡轮转子19转动，涡轮转子19带动涡轮轴15转动，从而使动阀Ⅰ8、动阀Ⅱ9转动，在动阀Ⅰ8和动阀Ⅱ9周期性的转动过程中，动阀Ⅰ8和动阀Ⅱ9与定阀Ⅰ18和定阀Ⅱ19的过流面积发生周期性变化，使压紧螺母4下部的钻井液的压力呈周期性的变化，从而调制出简谐性压力波，同时控制两级动阀定阀的位置和距离，使两级简谐性压力波叠加，产生的叠加简谐性压力波向上传递给压力转换器3，最终使振动壳体5在轴向产生持续的简谐性振动，这种简谐性振动沿轴向传递到上部钻杆和下部钻杆，从而改善钻柱与井壁间的摩擦阻力。

采用该钻井用双脉冲水力振荡器，随着压紧螺母4下部的液体压力的周期性变化，通过涡轮轴15、两级动阀定阀将这种周期性压力波传递给钻头射流，使得破岩压力也呈周期性变化，由此提高了钻井组合的钻进速度和破岩的效率。

综上所述，该钻井用双脉冲水力振荡器具有以下优点：

a采用涡轮作为动力转换机构，无径向摆动，增加了振荡器的使用寿命。

b利用两级动阀定阀将产生的高频压力波传递给钻头射流，使破岩压力也呈周期性变化，能有效破岩，提高机械钻速。

c采用两级阀盘，可实现两次压力脉冲的叠加，产生高幅值的压力脉冲，增加振荡力。

d在定向作业过程中，水力振荡器的振动频率和MWD系统的频率不同，不会影响MWD/LWD数据的传输。

e由于水力振荡器可提供较小的轴向振动，既能为钻头提供自身的旋转切削力，又能提供一定强度的冲击切削，有利于提高机械钻速。

f将静摩擦力变为动摩擦力，增加有效钻压，提高机械钻速。

以上所述只是该发明的具体实施方式，上述举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后可以对上述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims

1.一种钻井用双脉冲水力振荡器，它由振动短节总成、动力短节总成构成；其特征在于：振动短节总成与动力短节总成通过螺纹连接；振动短节总成由花键芯轴（1）、联接套（2）、压力转换器（3）、压紧螺母（4）、振荡壳体（5）组成；花键芯轴（1）上端通过螺纹与钻杆连接，花键芯轴（1）与联接套（2）间安装有密封件（22），花键芯轴（1）与联接套（2）内壁滑动连接；联接套（2）与振荡壳体（5）通过螺纹连接；花键芯轴（1）下端与振荡壳体（5）间安装有压力转换器（3）；花键芯轴（1）下端安装有压紧螺母（4），压紧螺母（4）中心开制有流道；振荡壳体（5）的下端通过螺纹与动力短节总成连接；

动力短节总成包括压紧套（21）、涡轮轴（15）；动力短节总成上端的压紧套（21）通过螺纹与振荡壳体（5）连接，压紧套（21）的下端通过螺纹连接动力壳体（14），动力壳体（14）的中心安装有涡轮轴（15）；涡轮轴（15）从上至下依次安装有上扶正轴承（6）、涡轮定子（20）、涡轮转子（19）、下扶正轴承（7）、动阀Ⅰ（8）、动阀Ⅱ（9）、定阀Ⅰ（17）、定阀Ⅱ（18）、套筒（16）、分流环（10）、分流套（11）、推力轴承（12）；

上扶正轴承（6）与下扶正轴承（7）间安装有多级涡轮定子（20）和多级涡轮转子（19）；动阀Ⅱ（9）与推力轴承（12）间安装有套筒（16）；下扶正轴承（7）的下端安装有定阀Ⅰ（17）、定阀Ⅱ（18）和动阀Ⅰ（8）、动阀Ⅱ（9）；分流环（10）和分流套（11）下端安装有推力轴承（12），动力壳体（14）的上端通过螺纹与压紧套（21）的下端连接；动力壳体（14）的下端通过螺纹与下部接头（13）的上端连接；上扶正轴承（6）、下扶正轴承（7）、涡轮轴（15）的中段和下段均开制有流道；动阀Ⅰ（8）、动阀Ⅱ（9）、定阀Ⅰ（17）、定阀Ⅱ（18）均开制有相同的通孔；动阀Ⅰ（8）、动阀Ⅱ（9）、定阀Ⅰ（17）、定阀Ⅱ（18）的中心均与动力壳体（14）和涡轮轴（15）的中心保持一致。