CN107503686B - 一种扭簧式水力振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油天然气开采钻井工具技术领域，涉及一种扭簧式水力振荡器，由振动短节和动力短节通过螺纹相互连接构成，其中振荡短节包括花键芯轴、振荡壳体、压力弹簧；动力短节包括上接头、壳体、上分流头、上推力轴承、上分流头端盖、扭转弹簧、回转叶片、芯轴、轴承、下部分流套、回转惯性配重、下分流套端盖、动阀盘、定阀盘、下推力轴承和下接头；采用扭转弹簧安装在芯轴上部的设计，通过改变扭转弹簧的设计参数，可调节该扭簧式水力振荡器的频率，在钻进过程中该扭簧式水力振荡器频率低，工具的使用寿命较长，且不影响井下高精密仪器；其结构简单，操作方便，成本低，应用广泛，环境友好。
Description
技术领域：
本发明属于石油天然气开采钻井工具技术领域，涉及一种扭簧式水力振荡器。
背景技术：
目前，由于海上开发、海油陆采、非常规开发等需求，水平井、大位移井、多分支井的数量越来越多，针对其钻井过程中出现的托压、卡滑等导致钻柱摩阻增加，钻井效率降低的问题，研究表明：钻进过程中，钻柱“低频、高幅”的轴向振动能有效降低摩阻。根据振动减阻原理，相关领域学者研制出了多种井下振动减阻装置，其中轴向水力振荡器取得了较好的应用效果。现有的轴向水力振荡器在现场实际应用中，虽然取得了一定的效果，但也暴露出了很多问题，其振动频率高，工具寿命短，周期性振动影响井下高精密仪器正常工作的问题，因此迫切需要设计一种新型结构的水力振荡器以满足石油、天然气开采、钻井的施工要求。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种扭簧式水力振荡器，钻进过程中实现轴向振动，并有效减小钻进过程中的摩擦阻力，提高机械钻速。
为了实现上述目的，本发明所述扭簧式水力振荡器由振动短节和动力短节通过螺纹相互连接构成，其中振荡短节包括花键芯轴、振荡壳体、压力弹簧；花键芯轴上套装有振荡壳体，振荡壳体和花键芯轴之间滑动连接；振荡壳体与花键芯轴之间安装有压力弹簧；动力短节包括上接头、壳体、上分流头、上推力轴承、上分流头端盖、扭转弹簧、回转叶片、芯轴、轴承、下部分流套、回转惯性配重、下分流套端盖、动阀盘、定阀盘、下推力轴承和下接头；壳体上端螺纹装有上接头，下端螺纹装有下接头；壳体内设置有芯轴，芯轴的上接头与上分流头通过上推力轴承连接，上分流头的下方焊接有上分流头端盖，上分流头端盖固定安装在主机壳体内壁上，上分流头下端的芯轴圆周上自上而下依次装有扭转弹簧、回转叶片、回转惯性配重和动阀盘；扭转弹簧的上端与上分流头端盖固定连接，下端与芯轴固定连接，芯轴上设有的回转惯性配重部位圆周上装有下部分流套，回转惯性配重顶部安装有轴承，下分流套端盖设置在下部分流套下方，下分流套端盖与下部分流套通过螺栓连接并与壳体固定连接，定阀盘安装在动阀盘下方，动阀盘与定阀盘之间开有通孔，动阀盘与定阀盘之间安装有下推力轴承；动阀盘通过销键与芯轴固定连接；定阀盘固定安装在主机壳体内壁上。
本发明所述上分流头、上分流头端盖、下部分流套和下分流套端盖的圆周上均开有流道。
本发明所述扭簧式水力振荡器工作时，先将动阀盘和定阀盘之间的通孔保持流通，钻井液依次流经振动短节、上分流头、上分流头端盖、回转叶片、下部分流套、下分流套端盖以及动阀盘与定阀盘间的通孔，具体过程为：流动的钻井液带动芯轴上的回转叶片旋转，从而带动动阀盘转动，动阀盘的转动将逐渐减小与定阀间的过流面积即动阀盘与定阀盘之间通孔面积，当动阀盘转动到通孔面积最小位置处，扭转弹簧使芯轴带动动阀盘回转，从而产生周期性变化的压力；动阀盘与定阀盘产生的压力波动向上传递给压力弹簧，压力弹簧带动振荡壳体做持续的简谐振动，该简谐振动沿轴向传递给相邻钻杆，将管柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，实现降摩减阻，提高机械钻速。
本发明所述扭转弹簧使芯轴带动动阀盘回转产生周期性变化压力的具体过程为：扭转弹簧由于芯轴与上分流头端盖圆周上的相对运动而产生扭转储能；动阀盘逐渐封堵其与定阀盘间过流面积，回转叶片逐渐远离主流道，受到的扭转冲击力逐渐减小，扭转弹簧扭转角度逐渐增加，回转叶片冲击能量与芯轴配重惯性能量转变为扭转弹簧弹性能；当回转叶片避开主流道时，扭转弹簧释放弹性能，带动芯轴旋转逐渐增加动阀盘与定阀盘间的过流面积，过流面积的周期性变化使该扭簧式水力振荡器内钻井液压力呈周期性变化从而产生压力脉冲，通过这种周期性回转方式，能避免振动频率过高影响井下高精密仪器现象的发生。
本发明与现有技术相比，采用扭转弹簧安装在芯轴上部的设计，通过改变扭转弹簧的设计参数，可调节该扭簧式水力振荡器的频率，在钻进过程中该扭簧式水力振荡器频率低，工具的使用寿命较长，且不影响井下高精密仪器；其结构简单，操作方便，成本低，应用广泛，环境友好。
附图说明：
图1为本发明所述振动短节的主体结构原理示意图。
图2为本发明所述动力短节的主体结构原理示意图。
图3为本发明所述扭簧式水力振荡器整体结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例所述扭簧式水力振荡器由振动短节和动力短节通过螺纹相互连接构成，其中振荡短节包括花键芯轴1、振荡壳体2、压力弹簧3；花键芯轴1上套装有振荡壳体2，振荡壳体2和花键芯轴1之间滑动连接；振荡壳体2与花键芯轴1之间安装有压力弹簧3；动力短节包括上接头4、壳体5、上分流头6、上推力轴承7、上分流头端盖8、扭转弹簧9、回转叶片10、芯轴11、轴承12、下部分流套13、回转惯性配重14、下分流套端盖15、动阀盘16、定阀盘17、下推力轴承18和下接头19；壳体5上端螺纹装有上接头4，下端螺纹装有下接头19；壳体5内设置有芯轴11，芯轴11的上接头与上分流头6通过上推力轴承7连接，上分流头6的下方焊接有上分流头端盖8，上分流头端盖8固定安装在主机壳体内壁上，上分流头6下端的芯轴11圆周上自上而下依次装有扭转弹簧9、回转叶片10、回转惯性配重14和动阀盘16；扭转弹簧9的上端与上分流头端盖8固定连接，下端与芯轴11固定连接，芯轴11上设有的回转惯性配重14部位圆周上装有下部分流套13，回转惯性配重14顶部安装有轴承12，下分流套端盖15设置在下部分流套13下方，下分流套端盖15与下部分流套13通过螺栓连接并与壳体5固定连接，定阀盘17安装在动阀盘16下方，动阀盘16与定阀盘17之间开有通孔，动阀盘16与定阀盘17之间安装有下推力轴承18；动阀盘16通过销键与芯轴11固定连接；定阀盘17固定安装在主机壳体5内壁上。
本实施例所述上分流头6、上分流头端盖8、下部分流套13和下分流套端盖15的圆周上均开有流道。
本实施例所述扭簧式水力振荡器工作时，先将动阀盘16和定阀盘17之间的通孔保持流通，钻井液依次流经振动短节、上分流头6、上分流头端盖8、回转叶片10、下部分流套13、下分流套端盖15以及动阀盘16与定阀盘17间的通孔，具体过程为：流动的钻井液带动芯轴11上的回转叶片10旋转，从而带动动阀盘16转动，动阀盘16的转动将逐渐减小与定阀间的过流面积即动阀盘16与定阀盘17之间通孔面积，当动阀盘16转动到通孔面积最小位置处，扭转弹簧9使芯轴11带动动阀盘16回转，从而产生周期性变化的压力；动阀盘16与定阀盘17产生的压力波动向上传递给压力弹簧3，压力弹簧3带动振荡壳体2做持续的简谐振动，该简谐振动沿轴向传递给相邻钻杆，将管柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，实现降摩减阻，提高机械钻速。
本实施例所述扭转弹簧9使芯轴11带动动阀盘16回转产生周期性变化压力的具体过程为：扭转弹簧9由于芯轴11与上分流头端盖8圆周上的相对运动而产生扭转储能；动阀盘16逐渐封堵其与定阀盘17间过流面积，回转叶片10逐渐远离主流道，受到的扭转冲击力逐渐减小，扭转弹簧9扭转角度逐渐增加，回转叶片10冲击能量与芯轴配重16惯性能量转变为扭转弹簧弹性能；当回转叶片10避开主流道时，扭转弹簧9释放弹性能，带动芯轴11旋转逐渐增加动阀盘16与定阀盘17间的过流面积，过流面积的周期性变化使该扭簧式水力振荡器内钻井液压力呈周期性变化从而产生压力脉冲，通过这种周期性回转方式，能避免振动频率过高影响井下高精密仪器现象的发生。
本实施例所述扭簧式水力振荡器相对于现有的其他水力振荡器降低了振动频率，延长了工具的使用寿命，满足石油、天然气开采、钻井的施工要求。
Claims (4)
1.一种扭簧式水力振荡器，其特征在于由振动短节和动力短节通过螺纹相互连接构成，其中振荡短节包括花键芯轴、振荡壳体、压力弹簧；花键芯轴上套装有振荡壳体，振荡壳体和花键芯轴之间滑动连接；振荡壳体与花键芯轴之间安装有压力弹簧；动力短节包括上接头、壳体、上分流头、上推力轴承、上分流头端盖、扭转弹簧、回转叶片、芯轴、轴承、下部分流套、回转惯性配重、下分流套端盖、动阀盘、定阀盘、下推力轴承和下接头；壳体上端螺纹装有上接头，下端螺纹装有下接头；壳体内设置有芯轴，芯轴的上接头与上分流头通过上推力轴承连接，上分流头的下方焊接有上分流头端盖，上分流头端盖固定安装在主机壳体内壁上，上分流头下端的芯轴圆周上自上而下依次装有扭转弹簧、回转叶片、回转惯性配重和动阀盘；扭转弹簧的上端与上分流头端盖固定连接，下端与芯轴固定连接，芯轴上设有的回转惯性配重部位圆周上装有下部分流套，回转惯性配重顶部安装有轴承，下分流套端盖设置在下部分流套下方，下分流套端盖与下部分流套通过螺栓连接并与壳体固定连接，定阀盘安装在动阀盘下方，动阀盘与定阀盘之间开有通孔，动阀盘与定阀盘之间安装有下推力轴承；动阀盘通过销键与芯轴固定连接；定阀盘固定安装在主机壳体内壁上。
2.根据权利要求1所述扭簧式水力振荡器，其特征在于所述上分流头、上分流头端盖、下部分流套和下分流套 端盖的圆周上均开有流道。
3.根据权利要求2所述扭簧式水力振荡器，其特征在于所述扭簧式水力振荡器工作时，先将动阀盘和定阀盘之间的通孔保持流通，钻井液依次流经振动短节、上分流头、上分流头端盖、回转叶片、下部分流套、下分流套 端盖以及动阀盘与定阀盘间的通孔，具体过程为：流动的钻井液带动芯轴上的回转叶片旋转，从而带动动阀盘转动，动阀盘的转动将逐渐减小与定阀间的过流面积即动阀盘与定阀盘之间通孔面积，当动阀盘转动到通孔面积最小位置处，扭转弹簧使芯轴带动动阀盘回转，从而产生周期性变化的压力；动阀盘与定阀盘产生的压力波动向上传递给压力弹簧，压力弹簧带动振荡壳体做持续的简谐振动，该简谐振动沿轴向传递给相邻钻杆，将管柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，实现降摩减阻，提高机械钻速。
4.根据权利要求3所述扭簧式水力振荡器，其特征在于所述扭转弹簧使芯轴带动动阀盘回转产生周期性变化压力的具体过程为：扭转弹簧由于芯轴与上分流头端盖圆周上的相对运动而产生扭转储能；动阀盘逐渐封堵其与定阀盘间过流面积，回转叶片逐渐远离主流道，受到的扭转冲击力逐渐减小，扭转弹簧扭转角度逐渐增加，回转叶片冲击能量与芯轴配重惯性能量转变为扭转弹簧弹性能；当回转叶片避开主流道时，扭转弹簧释放弹性能，带动芯轴旋转逐渐增加动阀盘与定阀盘间的过流面积，过流面积的周期性变化使该扭簧式水力振荡器内钻井液压力呈周期性变化从而产生压力脉冲，通过这种周期性回转方式，避免振动频率过高影响井下高精密仪器现象的发生。
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