CN105909186A - 可泄压式钻柱减震器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可泄压式钻柱减震器，包括减震单元泄压单元，泄压单元包括：缸套，其同轴设置在连接筒内壁，形成第一密封面；泄压活塞，其外周上部、下部分别沿径向凹陷形成第一凹槽、中部向内凹陷形成第二凹槽，一个第一密封件环设在一个第一凹槽中；排管位于减震活塞和泄压活塞之间的部分沿径向开设有至少一个第一泄压孔，连接筒和缸套位于第一泄压孔以下的部分沿径向开设有至少一个第二泄压孔，第二泄压孔的直径小于第二凹槽的轴向长度。本发明能够在钻柱震动冲击力大于减震力极限时通过泄压单元泄压，在钻柱震动冲击力小于减震力极限时通过减震单元减震，有效吸收钻井过程中钻头和钻柱产生的有害震动。

Description

可泄压式钻柱减震器

技术领域

本发明涉及钻井工程领域。更具体地说，本发明涉及一种可泄压式钻柱减震器。

背景技术

钻进过程中，井筒内的钻柱运动以及钻头与地层的相互作用产生了无用的甚至有害的震动，这部分震动的能量来源以使地面的顶驱、转盘运动部件输出的机械能转化而来，二是钻井液的压力能转化而来，而随着井下动力钻柱的出现，钻井液引起的震动成为主要因素，对于减少震动的措施，吸震是目前应用最广泛的一种方式，它将有害的震动吸收以后以柔和的方式释放出来，不会造成能量的损失，但是这种方式吸震的能力有限，二是可以采用泄压这种更为有效的方式，但是泄压会造成能量的损失，因此将两者结合，对于振动比较小直接吸收、比较大泄压的方式。

目前，国内外的减震器型号和厂家众多，大致可以分为三类：一种是液压弹簧式减震器，一种是空气机械式减震器，另一种是全液压式减震器。上述所有的减震器都能够吸收或减缓钻进过程中钻柱的纵向震动和冲击载荷，从而维持正常的钻压，保护钻具和地面设备，降低钻井成本，提高钻井效率。但是，他们都还存在一个缺点：当钻柱震动冲击力大于减震器阻尼结构所能吸收的减震力极限时，被减震单元吸收一部分后剩余的冲击力仍将作用于钻具及钻头上，此时减震器不能将钻柱刚性震动完全转化为柔性震动，其明显表现出“失效”或者“部分失效”，导致钻具及钻头的疲劳破坏，最终带来一定的经济损失。目前解决这一问题的办法：提高减震器阻尼系数，但是提高阻尼系数势必带来了新的问题，当阻尼系数过大时，减震器近似于一根刚性钻柱，其减震效果大打折扣，仍然达不到将刚性震动转化为柔性震动的目的。因此，目前亟需一种能够在钻柱振动冲击力大的情况下能够泄压避免损坏钻柱钻头的减震器。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种可泄压式钻柱减震器，其能够在钻柱震动冲击力大于减震力极限时通过泄压单元泄压，在钻柱震动冲击力小于减震力极限时通过减震单元减震，有效吸收钻井过程中钻头和钻柱产生的有害震动。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种可泄压式钻柱减震器，其上端通过花键心轴、下端通过下接头分别与钻柱连接，所述钻柱减震器包括位于上部的减震单元和位于下部的泄压单元，所述泄压单元设置在由减震活塞、排管、连接筒与下接头形成的环形泄压空间中，所述泄压单元包括：

缸套，其同轴设置在所述连接筒内壁，所述缸套的下部向内延伸出一环形柱状凸台，形成第一密封面；

泄压活塞，其同轴设置在所述排管外周下端部、且与所述下接头间隔一定距离，所述泄压活塞的外周上部、下部分别沿径向凹陷形成一环形柱状第一凹槽、中部向内凹陷形成一环形柱状第二凹槽，一个第一密封件环设在一个所述第一凹槽中；

所述排管位于所述减震活塞和所述泄压活塞之间的部分沿径向开设有至少一个第一泄压孔，所述连接筒和所述缸套位于所述第一泄压孔以下的部分沿径向开设有至少一个第二泄压孔，所述第二泄压孔的直径小于所述第二凹槽的轴向长度；

其中，所述泄压活塞与所述第一密封件的尺寸设置为：所述钻柱减震器未泄压时，所述泄压活塞的外周与所述第一密封面形成缝隙，所述第一密封件与所述第一密封面接触并密封，所述第二泄压孔与所述第二凹槽连通。

优选的是，所述的可泄压式钻柱减震器，所述第一泄压孔和所述第二泄压孔的大小一致、数量相等、且沿径向的分布一一对应，数量均为2～10个。

优选的是，所述的可泄压式钻柱减震器，所述花键心轴的上部与花键套筒滑动连接、下部与所述排管固定连接，所述花键心轴、所述排管以及所述下接头的内部连通，形成供钻井液流动的路径，所述连接筒的上下部分别与所述花键套筒、所述下接头固定连接，所述减震活塞套设在所述排管与所述缸套之间，与所述花键心轴、所述花键套筒、所述连接筒、所述缸套以及所述排管同轴设置、并形成一密封的环形减震空间，以容置所述减震单元。

优选的是，所述的可泄压式钻柱减震器，所述缸套与所述连接筒通过过盈配合固定连接，所述排管与所述泄压活塞螺纹连接，所述花键心轴的上部通过滑动密封圈与所述花键套筒滑动连接、所述花键心轴的下部与所述排管螺纹连接，所述连接筒的上下部分别与所述花键套筒、所述下接头螺纹连接。

优选的是，所述的可泄压式钻柱减震器，所述减震单元包括至少一个碟簧和充满所述减震空间的硅油，所述碟簧同轴套设在所述花键心轴外周，所述花键心轴包括一体成型的第一部分和第二部分，所述第一部分的直径大于所述第二部分的直径，所述第一部分与所述第二部分的连接处形成一限制所述碟簧向上运动的止挡部，所述排管的上端部形成一限制所述碟簧向下运动的止挡部。

优选的是，所述的可泄压式钻柱减震器，所述缸套的上部向内延伸出一环形柱状凸台，形成第二密封面，所述第二密封面的轴向长度大于所述减震活塞的轴向长度，形成密封的环形减震空间。

优选的是，所述的可泄压式钻柱减震器，所述减震活塞的外周上部、下部分别沿径向凹陷形成一环形柱状第三凹槽，内壁上部、下部分别沿径向凹陷形成一环形柱状第四凹槽，一个第二密封件环设在一个所述第二凹槽中，一个第三密封件环设在一个所述第三凹槽中，所述减震活塞外周与所述第二密封面形成缝隙、内壁与所述排管的外周形成缝隙，所述第二密封件与所述第二密封面接触并密封，所述第三密封件与所述排管的外周接触并密封。

优选的是，所述的可泄压式钻柱减震器，所述减震活塞和所述泄压活塞均为金属材质，所述第一密封件、所述第二密封件以及所述第三密封件为环形橡胶制密封圈。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、本发明能够有效吸收钻井过程中钻头和钻柱产生的有害震动，且当钻具震动冲击力过大时，能够通过泄压以达到进一步减少钻柱震动冲击力的目的，能够减轻震动冲击力对地面设备、钻头及钻具的损害，提高钻头及钻具的使用寿命，降低钻井成本，具有结构简单，加工和装配方便的优点；

第二、本发明在钻柱轴向震动幅度过大、震动冲击力大于减震器减震单元所能吸收的减震力极限时，排管上的第一泄压孔、缸套和连接筒上的第二泄压孔连通，泄压口打开，钻柱内的钻井液进入井壁环空，钻井液压力降低，钻柱的震动冲击力降低到减震器减震单元所能吸收的减震力范围之内，避免钻柱长时间的刚性震动，从而减轻震动对钻头及其它钻具的损害，提高其使用寿命；第一泄压孔和第二泄压孔的尺寸规格和数量和布置使得钻井液可迅速导出，降低钻井液压力；

第三、钻井作业时，钻柱的最前端与钻头连接，通过钻头的旋转和冲击作用磨碎岩石，岩石破碎过程会有震动，钻井液通过地面的泵组由中心流道注入地下，然后把破碎的岩石由环空带至地面，将减震单元设置在减震空间内，钻柱震动冲击力在减震单元所能吸收的减震力极限以内时，花键套筒、连接筒、缸套和下接头相对于花键心轴、排管、泄压活塞做往复运动，吸收或减小钻井过程中钻头的冲击负荷、钻柱的震动负荷，以达到减震效果，从而保护钻头和钻具，达到降低钻井成本，提高钻井工作效率；可拆卸连接便于安装和更换零部件；

第四、碟簧与硅油形成减震单元，由于碟簧与排管的限制，套筒和连接筒的滑动距离有限，通过碟簧吸收钻柱一定幅度的轴向震动，将刚性震动转变成柔性震动；震动冲击之前，中心流道的钻井液压力与减震空间的压力相同，震动冲击下，中心流道的钻井液压力增大，减震空间的压力不变，减震活塞向上运动，震动消失后，中心流道的钻井液压力降低至平衡状态，第二密封件、第三密封件、第二密封面的设置，使得减震活塞在排管和连接筒的往复运动过程中，减震活塞不脱离第二密封面，保证减震空间与泄压空间不连通，保证密封；

第五、选用金属材质制作减震活塞和泄压活塞，当减震活塞、泄压活塞上下频繁移动，较大刚性能保证其始终与缸套之间的间隙，而在高压时，橡胶制第一密封件、第二密封件、第三密封件变形填充缝隙，实现密封。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的钻柱减震器结构示意图；

图2为减震单元和泄压单元正常减震时的局部放大图；

图3为排管相对于连接筒向下运动时减震单元和泄压单元泄压时的局部放大图；

图4为排管相对于连接筒向上运动时减震单元和泄压单元泄压时的局部放大图；

图5为所述的缸套的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、3、4、5所示，本发明提供一种可泄压式钻柱减震器，其上端通过花键心轴1、下端通过下接头12分别与钻柱连接，所述钻柱减震器包括位于上部的减震单元和位于下部的泄压单元，所述泄压单元设置在由减震活塞7、排管5、连接筒3与下接头12形成的环形泄压空间中，所述泄压单元包括：

缸套6，其同轴设置在所述连接筒3内壁，所述缸套6的下部向内延伸出一环形柱状凸台，形成第一密封面；

泄压活塞10，其同轴设置在所述排管5外周下端部、且与所述下接头12间隔一定距离，所述泄压活塞10的外周上部、下部分别沿径向凹陷形成一环形柱状第一凹槽、中部向内凹陷形成一环形柱状第二凹槽，一个第一密封件11环设在一个所述第一凹槽中；

所述排管5位于所述减震活塞7和所述泄压活塞10之间的部分沿径向开设有至少一个第一泄压孔，所述连接筒3和所述缸套6位于所述第一泄压孔以下的部分沿径向开设有至少一个第二泄压孔，所述第二泄压孔的直径小于所述第二凹槽的轴向长度；

其中，所述泄压活塞10与所述第一密封件11的尺寸设置为：所述钻柱减震器未泄压时，所述泄压活塞10的外周与所述第一密封面形成缝隙，所述第一密封件11与所述第一密封面接触并密封，所述第二泄压孔与所述第二凹槽连通。

在上述技术方案中，当钻柱存在较小的轴向震动时，花键套筒2、连接筒3、泄压活塞10、排管5、缸套6不停的做轴向往复运动，减震单元将钻柱刚性震动吸收，减震器将刚性震动转化成柔性震动，从而达到减震的目的，此时轴向的震动幅度较小，泄压活塞10和第一密封件11随着排管5上下往复运动，泄压活塞10的密封面和缸套6的密封面始终贴合，减震器中心流道和井壁环空被隔离。当钻柱轴向震动冲击力较大时，花键套筒2、连接筒3、泄压活塞10、缸套6、排管5不停的做轴向往复运动，导致减震单元只吸收了一部分的震动后就已经失效，减震器可以视为一根刚性钻柱，剩余一部分震动将直接作用于钻具及钻头上，给钻具和钻头的使用寿命带来危害，为了防止此类状况发生，将泄压活塞10和排管5通过螺纹连接在一起，当钻柱震动幅度较大还未足以致减震单元失效时，泄压活塞10的密封面和缸套6的密封面错开或者部分错开，两密封面贴合的长度变短不足以起到密封作用，一个来回泄压两次，当泄压活塞10和排管5相对于连接筒3向下运动超过一定的幅度后，如图3所示，位于下部的第一密封件11与第一密封面错位、位于上部的第一密封件11与第一密封面接触并密封，钻井液由泄压活塞10与第一密封面的缝隙流至第二凹槽流至第二泄压孔至导出，泄压活塞10密封失效，减震器中心流道的第一泄压孔、缸套6、连接筒3的第二泄压孔连通，减震器内钻井液进入井壁环空，起到泄压作用，从而降低钻柱轴向震动幅度；当泄压活塞10和排管5相对于连接筒3向上运动超过一定的幅度后，如图4所示，位于上部的第一密封件11与第一密封面错位、位于下部的第一密封件11与第一密封面接触并密封，钻井液由泄压活塞10与第一密封面的缝隙流至第二凹槽流至第二泄压孔至导出，泄压活塞10密封失效，减震器中心流道的第一泄压孔、排管5、缸套6泄压孔、连接筒3的第二泄压孔连通，减震器内泥浆进入井壁环空，起到泄压作用，通过减震器的泄压作用，降低钻柱轴向震动幅度，将震动力减小到减震单元能够吸收的减力范围之内，从而起到泄压减震的目的。能够有效吸收钻井过程中钻头和钻柱产生的有害震动，且当钻具震动冲击力过大时，能够通过泄压以达到进一步减少钻柱震动冲击力的目的，能够减轻震动冲击力对地面设备、钻头及钻具的损害，提高钻头及钻具的使用寿命，降低钻井成本，具有结构简单，加工和装配方便的优点。

在另一种技术方案中，所述的可泄压式钻柱减震器，所述第一泄压孔和所述第二泄压孔的大小一致、数量相等、且沿径向的分布一一对应，数量均为2～10个。第一泄压孔和第二泄压孔的尺寸规格和数量使得钻井液可迅速导出，降低钻井液压力。

在另一种技术方案中，所述的可泄压式钻柱减震器，所述花键心轴1的上部与花键套筒2滑动连接、下部与所述排管5固定连接，所述花键心轴1、所述排管5以及所述下接头12的内部连通，形成供钻井液流动的路径，所述连接筒3的上下部分别与所述花键套筒2、所述下接头12固定连接，所述减震活塞7套设在所述排管5与所述缸套6之间，与所述花键心轴1、所述花键套筒2、所述连接筒3、所述缸套6以及所述排管5同轴设置、并形成一密封的环形减震空间，以容置所述减震单元。钻井作业时，钻柱的最前端与钻头连接，通过钻头的旋转和冲击作用磨碎岩石，岩石破碎过程会有震动，钻井液通过地面的泵组由中心流道注入地下，然后把破碎的岩石由环空带至地面，将减震单元设置在减震空间内，钻柱震动冲击力在减震单元所能吸收的减震力极限以内时，花键套筒2、连接筒3、缸套6和下接头12相对于花键心轴1、排管5、泄压活塞10做往复运动，吸收或减小钻井过程中钻头的冲击负荷、钻柱的震动负荷，以达到减震效果，从而保护钻头和钻具，达到降低钻井成本，提高钻井工作效率。

在另一种技术方案中，所述的可泄压式钻柱减震器，所述缸套6与所述连接筒3通过过盈配合固定连接，所述排管5与所述泄压活塞10螺纹连接，所述花键心轴1的上部通过滑动密封圈与所述花键套筒2滑动连接、所述花键心轴1的下部与所述排管5螺纹连接，所述连接筒3的上下部分别与所述花键套筒2、所述下接头12螺纹连接。可拆卸连接便于安装和更换零部件。

在另一种技术方案中，所述的可泄压式钻柱减震器，所述减震单元包括至少一个碟簧4和充满所述减震空间的硅油，所述碟簧4同轴套设在所述花键心轴1外周，所述花键心轴1包括一体成型的第一部分和第二部分，所述第一部分的直径大于所述第二部分的直径，所述第一部分与所述第二部分的连接处形成一限制所述碟簧4向上运动的止挡部，所述排管5的上端部形成一限制所述碟簧4向下运动的止挡部。在上述技术方案中，当钻柱存在较小的轴向震动时，花键套筒2、连接筒3、缸套6不停的做轴向往复运动，碟簧4与硅油形成减震单元，由于碟簧4与排管5的限制，套筒和连接筒3的滑动距离有限，导致碟簧4不停地被压缩和恢复，碟簧4和硅油组成的减震单元将钻柱刚性震动吸收，减震器将刚性震动转化成柔性震动，从而达到减震的目的，此时轴向的震动幅度较小，泄压活塞10和第一密封件11随着排管5上下往复运动，泄压活塞10的密封面和缸套6的密封面始终贴合，如图2所示，减震器中心流道和井壁环空被隔离。

在另一种技术方案中，所述的可泄压式钻柱减震器，所述缸套6的上部向内延伸出一环形柱状凸台，形成第二密封面，所述第二密封面的轴向长度大于所述减震活塞7的轴向长度，形成密封的环形减震空间。第二密封面的设置，使得减震活塞7在排管5和连接筒3的往复运动过程中，减震活塞7在轴向长度上不脱离第二密封面，保证减震空间与泄压空间不连通，保证密封。

在另一种技术方案中，所述的可泄压式钻柱减震器，所述减震活塞7的外周上部、下部分别沿径向凹陷形成一环形柱状第三凹槽，内壁上部、下部分别沿径向凹陷形成一环形柱状第四凹槽，一个第二密封件8环设在一个所述第二凹槽中，一个第三密封件9环设在一个所述第三凹槽中，所述减震活塞7外周与所述第二密封面形成缝隙、内壁与所述排管5的外周形成缝隙，所述第二密封件8与所述第二密封面接触并密封，所述第三密封件9与所述排管5的外周接触并密封。震动冲击之前，中心流道的钻井液压力与减震空间的压力相同，震动冲击下，中心流道的钻井液压力增大，减震空间的压力不变，减震活塞7向上运动，震动消失后，中心流道的钻井液压力降低至平衡状态，第二密封件8、第三密封件9、第二密封面的设置，使得减震活塞7在排管5和连接筒3的往复运动过程中，减震活塞7不脱离第二密封面，保证减震空间与泄压空间不连通，保证密封。

在另一种技术方案中，所述的可泄压式钻柱减震器，所述减震活塞7和所述泄压活塞10均为金属材质，所述第一密封件11、所述第二密封件8以及所述第三密封件9为环形橡胶制密封圈。选用金属材质制作减震活塞7和泄压活塞10，当减震活塞7、泄压活塞10上下频繁移动，较大刚性能保证其始终与缸套6之间的间隙，而在高压时，橡胶制第一密封件11、第二密封件8、第三密封件9变形填充缝隙，实现密封。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的附图。

Claims (8)

1.一种可泄压式钻柱减震器，其上端通过花键心轴、下端通过下接头分别与钻柱连接，所述钻柱减震器包括位于上部的减震单元和位于下部的泄压单元，其特征在于，所述泄压单元设置在由减震活塞、排管、连接筒与下接头形成的环形泄压空间中，所述泄压单元包括：

缸套，其同轴设置在所述连接筒内壁，所述缸套的下部向内延伸出一环形柱状凸台，形成第一密封面；

泄压活塞，其同轴设置在所述排管外周下端部、且与所述下接头间隔一定距离，所述泄压活塞的外周上部、下部分别沿径向凹陷形成一环形柱状第一凹槽、中部向内凹陷形成一环形柱状第二凹槽，一个第一密封件环设在一个所述第一凹槽中；

所述排管位于所述减震活塞和所述泄压活塞之间的部分沿径向开设有至少一个第一泄压孔，所述连接筒和所述缸套位于所述第一泄压孔以下的部分沿径向开设有至少一个第二泄压孔，所述第二泄压孔的直径小于所述第二凹槽的轴向长度；

其中，所述泄压活塞与所述第一密封件的尺寸设置为：所述钻柱减震器未泄压时，所述泄压活塞的外周与所述第一密封面形成缝隙，所述第一密封件与所述第一密封面接触并密封，所述第二泄压孔与所述第二凹槽连通。

2.如权利要求1所述的可泄压式钻柱减震器，其特征在于，所述第一泄压孔和所述第二泄压孔的大小一致、数量相等、且沿径向的分布一一对应，数量均为2～10个。

3.如权利要求1所述的可泄压式钻柱减震器，其特征在于，所述花键心轴的上部与花键套筒滑动连接、下部与所述排管固定连接，所述花键心轴、所述排管以及所述下接头的内部连通，形成供钻井液流动的路径，所述连接筒的上下部分别与所述花键套筒、所述下接头固定连接，所述减震活塞套设在所述排管与所述缸套之间，与所述花键心轴、所述花键套筒、所述连接筒、所述缸套以及所述排管同轴设置、并形成一密封的环形减震空间，以容置所述减震单元。

4.如权利要求3所述的可泄压式钻柱减震器，其特征在于，所述缸套与所述连接筒通过过盈配合固定连接，所述排管与所述泄压活塞螺纹连接，所述花键心轴的上部通过滑动密封圈与所述花键套筒滑动连接、所述花键心轴的下部与所述排管螺纹连接，所述连接筒的上下部分别与所述花键套筒、所述下接头螺纹连接。

5.如权利要求4所述的可泄压式钻柱减震器，其特征在于，所述减震单元包括至少一个碟簧和充满所述减震空间的硅油，所述碟簧同轴套设在所述花键心轴外周，所述花键心轴包括一体成型的第一部分和第二部分，所述第一部分的直径大于所述第二部分的直径，所述第一部分与所述第二部分的连接处形成一限制所述碟簧向上运动的止挡部，所述排管的上端部形成一限制所述碟簧向下运动的止挡部。

6.如权利要求5所述的可泄压式钻柱减震器，其特征在于，所述缸套的上部向内延伸出一环形柱状凸台，形成第二密封面，所述第二密封面的轴向长度大于所述减震活塞的轴向长度，形成密封的环形减震空间。

7.如权利要求6所述的可泄压式钻柱减震器，其特征在于，所述减震活塞的外周上部、下部分别沿径向凹陷形成一环形柱状第三凹槽，内壁上部、下部分别沿径向凹陷形成一环形柱状第四凹槽，一个第二密封件环设在一个所述第二凹槽中，一个第三密封件环设在一个所述第三凹槽中，所述减震活塞外周与所述第二密封面形成缝隙、内壁与所述排管的外周形成缝隙，所述第二密封件与所述第二密封面接触并密封，所述第三密封件与所述排管的外周接触并密封。

8.如权利要求7所述的可泄压式钻柱减震器，其特征在于，所述减震活塞和所述泄压活塞均为金属材质，所述第一密封件、所述第二密封件以及所述第三密封件为环形橡胶制密封圈。