CN105422005A - 水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置，钻井过程中能给钻头或者管柱施加均匀轴向冲击振动。其技术方案：主要由本体、脉冲发生装置和轴向振动装置组成；脉冲发生装置由导流体、叶轮座、叶轮、振荡喷嘴组成；轴向振动装置由压力受力面、活塞部、中心杆、碟簧部组成；活塞部由活塞套、油封、活塞组成；碟簧部由碟簧上压套、碟簧调节套、碟簧护套、碟簧组、碟簧芯杆和碟簧座组成。本发明与其他钻井工具相比，能够产生稳定均匀的轴向振动，在水平钻井中降低“托压”产生的摩阻；安装于钻铤与钻头之间时可以给钻头提供稳定均匀的轴向力，提高钻井效率。
Description
技术领域
本发明涉及到钻井工程领域，为一种新型的井下提速工具领域。
背景技术
(1)钻井过程中，破碎井底岩石的动力由地面动力系统通过井下钻具传递给钻头，传统钻井方式中动力的传输、转换、分配和利用等问题一直存在效率低下的问题，特别在大位移井、长水平井中，由于井筒与井壁接触面积增大，造成摩阻增大，形成“托压”现象，钻压无法传递到钻头，机械钻速低，钻井成本高。另一方面钻头在钻进过程中容易出现憋钻、跳钻等状况，影响稳定钻进，影响机械钻速。
(2)目前的轴向振动钻井工具采用的脉冲发生装置主要有阀式、射流式、射吸式等结构，这些工具结构及工作原理复杂，在井下特别是深井恶劣条件下使用寿命及稳定性、安全性无法满足钻井需求，影响了井下轴向振动钻井工具的大规模推广使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置，可将其安装在钻铤与钻铤之间，也可将其安装在钻头与钻铤之间。在大位移井、长水平井中，由于井筒与井壁接触面积增大，造成摩阻增大，形成“托压”现象，钻压无法传递到钻头。通过井下轴向振动钻具产生轴向振动，能够有效降低管柱与井壁之间的摩阻，将工具安装在近钻头位置时可以直接为钻头提供轴向振动力。但目前的轴向振动钻井工具结构复杂、可靠性低，无法满足井下复杂条件下长时间使用的要求，因而无法大规模推广。本发明在现有钻井条件下以及第一发明人发明专利(水力脉冲空化射流装置与钻头，专利公开号：CN200989162)基础上，利用水力能量产生的脉冲压力波动，在压力波升高时，同时碟簧组压缩聚集能量。压力降低时，碟簧组释放能量。利用压力波动和碟簧组聚集和释放能量带动中心杆往复运动，达到井下轴向振动的目的。本发明工具结构简单，易损件少，使用寿命长，能够适应目前复杂条件下大位移井、水平井钻井需求。
为了实现上述目的，该发明采取了以下技术方案：一种水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置，包括一柱形的本体，本体由上筒和下筒组成。在本体中依次有脉冲发生装置和轴向振动装置。主要特征在于：脉冲发生装置由导流体、叶轮座、叶轮和叶轮轴、振动喷嘴、喷嘴座组成，安装时将其由上到下依次安装于上筒内，在顶端有弹性挡圈固定。轴向振动装置由活塞受力面、活塞部、碟簧部、中心杆组成。活塞部由内到外依次为活塞、油封、活塞套，安装时将油封套在活塞套上，将活塞按入活塞套。活塞上端与压力受力面相连，压力受力面上有对称的通孔，流体通过通孔进入中心杆。碟簧部由碟簧上压套、碟簧组、碟簧调节套组成，碟簧上压套上有碟簧芯杆，碟簧组套在碟簧芯杆上，外部有碟簧护套保护。
本发明的水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置与现有技术相比具备的优点和特点：
本发明提出的自进式旋转射流多孔喷嘴主要通过多个前向孔眼以三维速度独立破岩，然后以轨道扫描的形式联合钻出一定孔径规则孔眼。主要具有以下优点：
利用流体产生水力脉冲的压力波动，作用配合碟簧组的能量聚集和释放，带动中心杆往复运动，产生轴向振动。在钻铤之间安装时，可以有效降低大位移井、水平井的摩阻，克服“托压”现象。在近钻头处安装时，能够直接给钻头提供轴向振动力，促进钻头均匀稳定受力。
该钻井工具结构简单，运动部件和易损件少，可靠性高，使用寿命长，有广阔的发展应用前景。
附图说明
以下附图对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明工具的范围。
图1为本发明的水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置的装配示意图；
图2为本发明碟簧组压缩时示意图；
图3为本发明的压力受力面俯视图；
图4为本发明的碟簧上压套所在截面仰视图；
图5为本发明的碟簧座所在截面俯视图；
附图标记说明：
1-上筒；2-下筒；3-导流体；4-叶轮及轴；5-叶轮座；6-振荡喷嘴；7-喷嘴座；8-压力受力面；9-活塞套；10-活塞；11-油封；12-碟簧上压套；13-碟簧护套；14-碟簧组；15-碟簧芯杆；16-碟簧调节套；17-碟簧座；18-中心杆。；
具体实施方式
图1为本发明碟簧自然状态时装配示意图，本发明包括本体、脉冲发生装置和轴向振动装置组成。本体由上筒(1)和下筒(19)组成，通过公、母扣相连。脉冲发生装置由导流体(3)、叶轮座(5)、叶轮和叶轮轴(4)、振动喷嘴(6)、喷嘴座(7)组成，安装时将叶轮和轴(4)安装于叶轮座(5)内，然后依次将导流体(3)、叶轮座(5)、振动喷嘴(6)、喷嘴座(7)安装于上筒(1)内。轴向振动装置由压力受力面(8)、活塞部、碟簧部、中心杆(18)组成；活塞部由内到外依次为活塞(10)、油封(11)、活塞套(9)，安装时在活塞套(9)上油封口内装入油封(11)，将活塞套(9)放入上筒(1)内，将压力受力面(8)和活塞(10)按入活塞套(9)；将中心杆(18)与压力受力面(8)通过扣相连；碟簧部由碟簧上压套(12)、碟簧组(14)、碟簧调节套(16)、碟簧座(17)组成，碟簧组(14)中间有碟簧芯杆(15)，外部有碟簧护套(13)保护，碟簧部套在中心杆(18)上，下部固定在碟簧座(17)上。将碟簧部装入下筒(2)，将下筒(2)与上筒(1)的公母扣相连接，
图2为本发明的碟簧组压缩时示意图。如图2所示，当脉动压力升高时，压力受力面(8)带动活塞(10)和中心杆(18)向前运动，中心杆(18)带动碟簧上压套(12)压缩碟簧组(14)，碟簧组(14)聚集能量。
图3为本发明的压力受力面俯视图，压力受力面(8)上有两个对称的通孔，通孔与中心杆(18)通道相连，用于流通钻井液。在实际应用中，可以通过调节通孔大小调节脉动压力大小，达到调节轴向振动力大小的目的。
图4为本发明的碟簧上压套所在截面仰视图。碟簧上压套(12)用于压缩碟簧组(14)，其为12个实心柱体，对称分布在圆周面上，柱体截面大于碟簧内径而小于碟簧外径。
图5为本发明的碟簧座所在截面俯视图。碟簧座(17)用于固定碟簧下端，其上的凹槽用于碟簧芯杆(15)进出。
工作时，连续流动的钻井液经过导流体(3)，在导流体内改变流动方向，对叶轮(4)进行高速冲击。叶轮(4)旋转周期性改变流道面积，产生脉冲压力波动，经过振荡喷嘴(6)放大后作用在压力受力面(8)上。在脉动压力升高时，压力受力面(8)带动活塞(10)和中心杆(18)向前运动，中心杆(18)带动碟簧上压套(12)压缩碟簧组(14)，碟簧组聚集能量。当脉动压力降低时，作用在压力受力面(8)上的作用力减小，碟簧组(14)释放能量，带动碟簧上压套(12)、中心杆(18)、活塞(10)向后运动。碟簧组安装于碟簧护套内，在圆周上对称分布着12个碟簧组放置孔，如图4，5所示，实际应用中，可根据实际需要选择安放碟簧组的数量达到调节轴向振动力的目的。钻井液通过压力受力面(8)上的通孔进入中心杆(18)内，由于油封的密封作用，钻井液不会溢入中心杆外。由此在脉动压力和碟簧弹力作用下实现井下的轴向振动。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，基于本发明的其他实现形式在本发明的范围之内。
Claims (5)
1.一种水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置，其特征为：利用水力能量产生的脉冲压力波动，在压力波升高时，同时碟簧组压缩聚集能量。压力降低时，碟簧组释放能量；利用压力波动和碟簧组聚集和释放能量带动中心杆往复运动，达到井下轴向振动的目的；为达到上述目的，装置组成为：一柱形的本体、脉冲发生装置和轴向振动装置组成；本体由上筒和下筒组成，通过公、母扣相连；脉冲发生装置由导流体、叶轮座、叶轮及轴、振动喷嘴、喷嘴座组成；轴向振动装置由压力受力面、活塞部、碟簧部、中心杆组成；活塞部由内到外依次为活塞、油封、活塞套；碟簧部由碟簧上压套、碟簧组、碟簧调节套、碟簧座组成；碟簧组中间有碟簧芯杆，外部有碟簧护套保护；压力受力面与活塞通过直扣相连，然后连接到中心杆上；碟簧部套在中心杆上，下部固定在碟簧座上。
2.如权利要求1所述的水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置，其特征为：脉冲发生装置利用水力能量产生脉冲压力波动，工作时流体通过导流体冲击叶轮转动产生脉冲压力波动，脉动压力作用经过振荡喷嘴放大；为达到上述目的：脉冲发生装置由导流体、叶轮座、叶轮及轴、振动喷嘴、喷嘴座组成(详见本专利申请人专利水力脉冲空化射流装置及钻头，公开号：CN200989162)。
3.如权利要求1所述的水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置，其特征为：活塞部承受脉冲压力波动作用，在收到脉动压力变化时活塞可往复运动；为达到上述目的，其具体组成为：油封套在活塞套上，活塞被按入活塞套；压力受力面与活塞相连；压力受力面上对称位置有中心通孔，与中心杆通孔相连。
4.如权利要求1所述的水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置，其特征为：碟簧组在工作时周期性的聚集和释放能量，与水力脉冲作用耦合带动中心杆往复运动；为实现上述目的：碟簧部由碟簧上压套、碟簧组、碟簧调节套、碟簧座组成，碟簧上压套上有碟簧芯杆，碟簧组套在碟簧芯杆上，外部有碟簧护套保护；碟簧组下端固定在碟簧座上。
5.如权利要求1所述的水力脉冲与碟簧耦合驱动轴向振动钻井方法与装置，其特征为：中心杆在水力脉冲与碟簧的共同作用下能够轴向往复运动；为实现上述目的：碟簧部套在中心杆上，中心杆上部外径大于碟簧上压套内径；中心杆上部与压力受力面相连。
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