CN104405288A - 钻井用水力简谐振荡器 - Google Patents

Abstract

一种钻井用水力简谐振荡器，由动力总成、阀总成、底部总成、弹性短节组成，弹性短节与动力总成相连，螺旋叶片与阀片相连，定阀安装在底部总成上，动力壳体与底部总成相连。钻井液驱动螺旋叶片旋转，螺旋叶片带动阀片转动，使阀片和定阀的流通孔相互交错，调制出简谐性压力波，压力波向上传递至弹性短节部分，带动动力壳体在轴向发生持续的简谐性振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度。振动冲击力向下传递给钻头射流，促使破岩压力周期变化，有效破碎岩石。本发明具有结构简单、操作方便、安全可靠、压降低、适应性强、不影响钻具结构等特点，对于提高钻速、降低成本具有重要的意义。

Description

钻井用水力简谐振荡器

技术领域

本发明涉及一种石油、天然气钻井的配套装置，尤其是一种能减小井壁摩擦阻力，提高破岩效率的钻井提速装置，具体地说是一种钻井用水力简谐振荡器。

背景技术

    众所周知，在钻井过程中，破岩方式是影响钻速的重要因素，井下遇阻或卡钻将严重影响钻井过程。随着当前的井眼越来越不规则，大位移井钻进模式面临更大的挑战。降低摩阻、减少常规钻井卡钻事故，增加动钻压、 提高常规钻井的效率是当前钻井工程中迫切需要解决的问题。 现场实践表明，对钻柱施加适当的周期性轴向振动，能有效减小钻进过程中钻具与井壁之间的摩擦阻力，提高常规钻井的破岩效率，减少常规钻井卡钻事故，并增加动钻压，适用于大位移井、定向钻井、水平钻井、垂直钻井、连续油管钻井等多种钻井方式。当前，国内钻井技术一直局限于单一功能工具的研发，如冲击器、震击器、水力加压器等，产品的技术性能和质量状况一直在低水平徘徊，难以满足钻井作业对质量好、可靠性高的井下工具产品的需求。主要表现在：一、受钻井液性能影响，射流不能稳定发挥冲击作用；二、冲击参数不合理， 要求单次较高的冲击力以解除卡钻事故，但同时对钻井工具及钻头配套设备的性能提出了较高的要求，且容易破坏井壁的光滑性，使钻进系统稳定性下降，缩短钻具使用寿命；三、持续工作能力差，一般缓解井下卡钻事故需要停止钻进，以制造冲击力解决问题，之后在正常钻进中无法发挥作用，不能从根本上减小事故发生几率。上述因素制约了旋冲钻井技术的发展，钻井工程还未能从根本上解决依赖钻井液冲击性能、钻进摩擦阻力过大、震击效果不合适、对配套工具的要求高的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有的钻进工具效率差、易损坏和卡钻的问题，设计一种能减小井壁摩擦阻力，提高破岩效率的钻井用水力简谐振荡器。

本发明的技术方案是：

一种钻井用水力简谐振荡器，其特征是它包括：

一弹性短节1，该弹性短节1主要由振动壳体12和安装在振动壳体12中的能产生轴向简谐性振动的芯轴11组成，芯轴11上套装有弹簧14，弹簧的一端与振动壳体12内壁的用于与芯轴11配合的凸台15相抵，另一端与芯轴11上的台阶面16相抵，芯轴11插入振劝壳体12一端受压后压缩弹簧使芯轴11产生向上的运动，压力释放后，弹簧依靠张力使芯轴11向下运动，从而产生简谐性轴向振动；芯轴11的中心设有供钻井液体通过的通孔17；

一动力总成2，该动力总成2主要由动力壳体21和安装在动力壳体中的螺旋叶片22组成，动力壳体21的一端与弹性短节1的振动壳体12相连，安装螺旋叶片22的螺旋轴24的两端支承在带动供钻井液通过的通孔的轴承座23上，螺旋叶片22受到钻井液的作用而旋转进而带动螺旋轴24转动，螺旋轴24的下端螺纹连接有阀片31，阀片31上至少设有一个供钻井液通过的阀片孔35，在动力壳体21的下部与阀片32相对位置处固定安装有与阀片相配的定配32，定阀32上设有供安装钻井液通过的至少一个定阀孔36，阀片31在螺旋轴24的带动下转动的过程中，阀片孔35与定阀孔36周期性贯通，动力总成2中的钻井液的压力以相同的周期发生变化，从而推动芯轴11作轴向的周期性运动进而产生周期性简谐振动；所述的阀片孔设置为随阀片转动而在定阀孔上方往复运动，与定阀孔相互交错或重叠，且形成的重叠流通孔面积呈周期性变化；所述重叠流通孔面积呈周期性变化产生周期性变化的近似于简谐波的简谐性压力波；

一底部总成4，该底部总成4与动力壳体21的另一端相连，定阀孔36流出的钻井液周期性地进入底部总成4中，为钻井提供动力。

所述的弹簧14为碟形弹簧。

所述的芯轴11与凸台15配合的一段上套装有密封圈13。

所述的动力壳体21的两端均通过螺纹分别与振动壳体12和底部总成4相连。

所述的阀片孔35和定阀孔36偏心设置。

所述的定阀32通过定阀锁紧座33固定在动力壳体21的底部。

所述的定阀锁紧座33与动力壳体21之间安装有定阀密封圈34。

本发明的有益效果：

本发明具有结构简单、操作方便、安全可靠、压降低、适应性强、不影响钻具结构等特点，对于提高钻速、降低成本具有重要的意义。

本发明通过阀片和定阀的流通孔相互交错，实现流道截面的变化，影响钻井液流量，调制出简谐性压力波，带动振动壳体在纵向发生持续的简谐性振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度，同时使钻头射流也发生周期性变化，提高破岩效率。

本发明将调制出的简谐性压力波转换为钻头的轴向机械振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度，同时使钻头射流也发生周期性变化，提高破岩效率，对实现优快钻井、降低生产成本具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明产生简谐振动的阀片和定阀的放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图1-2所示。

一种钻井用水力简谐振荡器，它主要由弹性短节1、动力总成2和底部总成4组成，底部总成4两端加工有螺纹，动力壳体21两端加工有螺纹，振动壳体12下端加工有螺纹；底部总成4上端与动力壳体21螺纹连接，下端与钻头螺纹连接；动力壳体21上端与振动壳体12下端螺纹连接；弹性短节1主要由振动壳体12和安装在振动壳体12中的能产生轴向简谐性振动的芯轴11组成，芯轴装入振动壳体中且能在壳体中上下滑动，芯轴与振动壳体之间不接触的壁体之间的空间为环形空间，碟形弹簧14设置于环形空间中，芯轴与振动壳体相接触的壁体接触面之间设置密封圈13。芯轴11上端加工有螺纹，芯轴11上端与钻柱螺纹连接。芯轴11上套装有碟形弹簧14，碟形弹簧14的一端与振动壳体12内壁的用于与芯轴11配合的凸台15相抵，另一端与芯轴11上的台阶面16相抵，芯轴11插入振劝壳体12一端受压后压缩弹簧使芯轴11产生向上的运动，压力释放后，弹簧依靠张力使芯轴11向下运动，从而产生简谐性轴向振动；芯轴11的中心设有供钻井液体通过的通孔17，如图1所示。动力总成2主要由动力壳体21和安装在动力壳体中的螺旋叶片22组成，动力壳体21的一端与弹性短节1的振动壳体12相连，安装螺旋叶片22的螺旋轴24的两端支承在带动供钻井液通过的通孔的轴承座23上，螺旋叶片22受到钻井液的作用而旋转进而带动螺旋轴24转动，螺旋轴24的下端螺纹连接有阀片31（可采用圆盘状结构），阀片31上至少设有一个供钻井液通过的阀片孔35，在动力壳体21的下部与阀片32相对位置处固定安装有与阀片相配的定配32，定阀32上设有供安装钻井液通过的至少一个定阀孔36，阀片31在螺旋轴24的带动下转动的过程中，阀片孔35与定阀孔36周期性贯通，动力总成2中的钻井液的压力以相同的周期发生变化，从而推动芯轴11作轴向的周期性运动进而产生周期性简谐振动；所述的阀片孔设置为随阀片转动而在定阀孔上方往复运动，与定阀孔相互交错或重叠，且形成的重叠流通孔面积呈周期性变化；如图2所示，所述重叠流通孔面积呈周期性变化产生周期性变化的近似于简谐波的简谐性压力波；所述的定阀32通过定阀锁紧座33固定在动力壳体21的底部。底部总成4与动力壳体21的另一端相连，定阀孔36流出的钻井液周期性地进入底部总成4中，为钻井提供动力，所述的定阀锁紧座33与动力壳体21之间安装有定阀密封圈34。

详述如下： 

如图1所示，弹性短节1主要包括振动壳体12、碟形弹簧14、和轴心加工有流道的芯轴11，芯轴11装入振动壳体12中且能在壳体12中上下滑动，芯轴11与振动壳体12之间不接触的壁体之间的空间为环形空间，碟形弹簧 14 设置于环形空间中，芯轴 11 与振动壳体 12 相接触的壁体接触面之间设置密封13连接。动力总成2主要包括动力壳体21、设置于动力壳体21中的轴承座23、 以及支撑于轴承座23之间的能够转动的螺旋叶片22，螺旋叶片22的下端与阀总成3连接。阀总成3主要包括与螺旋叶片22的下端连接的阀片31、设置于阀片31下方且与阀片31下表面接触的定阀 32、用于固定定阀32且轴心加工有通孔的定阀锁紧座 33，定阀锁紧座33与动力壳体21之间设置定阀密封34连接；阀总成3安装在底部总成4上，动力壳体21与底部总成4相连。底部总成4轴心加工有流道，两端加工有螺纹。螺旋叶片22叶片设置于轴承座23之间，轴承座23固定在动力壳体21两端合适位置。

轴承座23为滑动轴承座，轴承座轴线四周加工有流道，且通过螺纹与动力壳体21连接。阀片31设置有水平方向布置的阀片流通孔，所述的阀片流通孔为偏心于动力壳体中心轴线的圆孔；定阀32上同样设有偏心于动力壳体21中心轴线的圆形定阀流通孔；所述的阀片31设置为能够随螺旋叶片22转动在定阀32上方旋转， 即阀片设置为能够随螺旋叶片转动在定阀上方沿动力壳体内壁转动，且阀片自身也同时旋转；相对应的，所述的阀片流通孔设置为随阀片31转动而在定阀流通孔上方往复运动，与定阀流通孔相互交错或重叠，且形成的重叠流通孔面积呈周期性变化；所述重叠流通孔面积呈周期性变化产生周期性变化的近似于简谐波的简谐性压力波。所述的阀片31与螺旋叶片22通过螺纹连接。动力壳体21两端加工有螺纹，振动壳体12下端加工有螺纹；底部总成4上端与动力壳体21螺纹连接，下端与钻头螺纹连接；动力壳体21上端与振动壳体12下端螺纹连接；芯轴11上端加工有螺纹，芯轴11上端与钻柱螺纹连接。

当采用本发明产生机械振动时，钻井液驱动螺旋叶片旋转，螺旋叶片带动阀片运动，使阀片和定阀的流通孔相互交错，调制出近似于简谐波的简谐性压力波，压力波向上传递给碟形弹簧，带动振动壳体在轴向发生持续的简谐性振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度。振动冲击力向下传递给钻头射流，促使破岩压力周期变化，有效破碎岩石。弹性短节振动的频率、振幅、通过调整动力总成的结构尺寸、螺旋叶片的结构尺寸、阀片、定阀的结构尺寸、碟形弹簧的性能参数以及钻井液的流量来实现。 

以上仅是实现本发明的典型实施例，基于本发明的权利要求基本原理的其它形式在本发明范围之内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种钻井用水力简谐振荡器，其特征是它包括：

一弹性短节（1），该弹性短节（1）主要由振动壳体（12）和安装在振动壳体（12）中的能产生轴向简谐性振动的芯轴（11）组成，芯轴（11）上套装有弹簧（14），弹簧的一端与振动壳体（12）内壁的用于与芯轴（11）配合的凸台（15）相抵，另一端与芯轴（11）上的台阶面（16）相抵，芯轴（11）插入振劝壳体（12）一端受压后压缩弹簧使芯轴（11）产生向上的运动，压力释放后，弹簧依靠张力使芯轴（11）向下运动，从而产生简谐性轴向振动；芯轴（11）的中心设有供钻井液体通过的通孔（17）；

一动力总成（2），该动力总成（2）主要由动力壳体（21）和安装在动力壳体中的螺旋叶片（22）组成，动力壳体（21）的一端与弹性短节（1）的振动壳体（12）相连，安装螺旋叶片（22）的螺旋轴（24）的两端支承在带动供钻井液通过的通孔的轴承座（23）上，螺旋叶片（22）受到钻井液的作用而旋转进而带动螺旋轴（24）转动，螺旋轴（24）的下端上安装有阀片（31），阀片（31）上至少设有一个供钻井液通过的阀片孔（35），在动力壳体（21）的下部与阀片（32）相对位置处固定安装有与阀片相配的定配（32），定阀（32）上设有供安装钻井液通过的至少一个定阀孔（36），阀片（31）在螺旋轴（24）的带动下转动的过程中，阀片孔（35）与定阀孔（36）周期性贯通，动力总成（2）中的钻井液的压力以相同的周期发生变化，从而推动芯轴（11）作轴向的周期性运动进而产生周期性简谐振动；

一底部总成（4），该底部总成（4）与动力壳体（21）的另一端相连，定阀孔（36）流出的钻井液周期性地进入底部总成（4）中，为钻井提供动力。

2.根据权利要求1所述的钻井用水力简谐振荡器，其特征是所述的弹簧（14）为碟形弹簧。

3.根据权利要求1所述的钻井用水力简谐振荡器，其特征是所述的芯轴（11）与凸台（15）配合的一段上套装有密封圈（13）。

4.根据权利要求1所述的钻井用水力简谐振荡器，其特征是所述的动力壳体（21）的两端均通过螺纹分别与振动壳体（12）和底部总成（4）相连。

5.根据权利要求1所述的钻井用水力简谐振荡器，其特征是所述的阀片孔（35）和定阀孔（36）偏心设置。

6.根据权利要求1所述的钻井用水力简谐振荡器，其特征是所述的定阀（32）通过定阀锁紧座（33）固定在动力壳体（21）的底部。

7.根据权利要求1所述的钻井用水力简谐振荡器，其特征是所述的定阀锁紧座（33）与动力壳体（21）之间安装有定阀密封圈（34）。