CN107762401B - 矩形波水力脉冲工作管柱下入工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，包括：外壳体，其为内中空的管状结构；活塞壳体，其套设在所述外壳体内；所述外壳体与所述活塞壳体之间形成环形的第一空腔；往复活塞，套设所述活塞壳体内，在活塞壳体内做往复运动；所述往复活塞下端与活塞壳体的内壁之间彼此相距一定距离，形成环形的第二空腔；活阀，其固定于所述往复活塞的底部；定阀，其为固定于活塞壳体顶部的环状结构，位于所述活阀下方；本发明通过采用以上的结构，具有以下的有益效果：工具产生的水力脉冲幅值更大，水锤冲击力更大，水锤作业时间更长，更有利于工作管柱的下入，且工具压耗更低，同时工具产生的水力脉冲增强岩屑移运。

Description

矩形波水力脉冲工作管柱下入工具

技术领域

本发明涉及工作管柱下入工具领域，尤其涉及一种矩形波水力脉冲工作管柱下入工具。

背景技术

近年来，随着水平井的日渐增多，建井的装备和方法不断地改进，井的水平段长度也随之越来越长。由于水平井位移长度的增加，导致工作管柱在到达目标井深之前就出现了机械自锁而无法到达目标井深，或由于钻压不足导致可钻桥塞磨铣缓慢，或因下入过程中受到摩擦阻力而影响其下入速度。

随着水平井位移长度与垂深的比值不断增大，作用在工作管柱上的有效重力随之减少，而相反地，与井筒接触产生摩擦的工作管柱长度会增加。除此以外，由于沉积在井眼底部的碎屑物，水平井段于工作管柱摩擦也会增高，仅仅用力推动工作管柱顶部仍然不能解决该问题，因为在负载相对较小或不足时工作管柱会发生屈曲现象。一旦工作管柱发生屈曲，接触点数量和接触点之间的作用力都会迅速增加，最终造成摩擦阻力大于作用在工作管柱上的向下推力。从而导致了工作管柱出现提前自锁、钻压不足、下入缓慢等系列问题。

目前工作管柱下入工具主要通过工具振动原理，将振动工具连接在工作管柱底部钻具组合上，通过振动工具帮助工作管柱下入更深的位移段。其中两种基本的方法是：1)机械惯性方法，2)中断流量方法。

机械惯性工具。通过流量使工具内部的质量部件产生直线或旋转运动，从而传递惯性振动到工作管柱上来。通常有两种方法可以实现：一种方法是使用偏心质量块驱动泥浆马达产生横向振动。另一种是使用线弹簧/质量装置伴随工具内部的流体流量产生振动。但这类系统在将液体能量能转换成机械振动能量方面的效果并不理想。

流量中断工具。采用一种阀的功能，对流经工具的流量进行限制。限制流量产生周期性变化，在流体泵入工具时引起振荡性回压。当振动工具中断流量时，工具上部的压力在水锤作用下增加，液柱减速流入工作管柱。增加的压力作用在工作管柱的液流区域，引起工作管柱延长，导致工作管柱向下的延伸运动。之后减小流量限制，工具上方的流体压力消除，工作管柱又收缩到它原来的长度。反复这一过程产生周期振动。

目前市场上，真正唯一有效的工作管柱下入工具就是利用流体中断技术的振动工具，这类工具在典型作业过程中能经受住数百万次循环作业。国外利用流体中断振动原理的下入工具中，应用较为成熟的共有三种类型，分别是射流流量调节工具、旋转阀工具、提升阀/弹簧-质量工具；这三类是工具的典型代表产品分别有TTS公司的XRV工具、NOV公司的Agitator工具、Tempress公司的Hydropull工具。

其中TTS公司的XRV工具结构简单，无任何运动部件，成本低，但工具产生水力脉冲频率较高，为28HZ左右，水力脉冲幅值较小，水锤力较小；NOV公司的Agitator由单头螺杆驱动动定阀组产生周期性的截流，工作频率为16HZ，工具产生压力脉冲为正弦波，工具脉冲幅值有限，且压耗较高，同时结构复杂、存在橡胶件，可靠性有待提高；Tempress公司的Hydropull产生冲击脉冲式的压力波，冲击波作用时间为1-2ms左右，冲击作用时间较短，水锤效果不明显。因此，迫切需要一种工作频率低、压耗低、水锤作用时间长、水锤冲击力大的工作管柱下入工具。

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矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，包括：

外壳体，其为内中空的管状结构；

活塞壳体，其为内中空的管状结构，套设在所述外壳体内；所述外壳体与所述活塞壳体之间形成环形的第一空腔；

往复活塞，套设所述活塞壳体内，在活塞壳体内做往复运动；所述往复活塞下端与活塞壳体的内壁之间彼此相距一定距离，形成环形的第二空腔；

活阀，其固定于所述往复活塞的底部，所述活阀的下端设置外锥面；

定阀，其为固定于活塞壳体底部的环状结构，位于所述活阀下方；所述定阀的上端设置与所述外锥面相配合的内锥面；

其中，所述活塞壳体顶部设有环状的第一过流孔，以供水流通过往下流动进入所述第一空腔内。

优选的是，所述的矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，还包括：

上接头，卡设在所述外壳体内，且位于所述活塞壳体上方，将所述活塞壳体固定在所述外壳体内；所述上接头的中心位置设置贯通的上中心孔。

优选的是，所述的矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，所述活塞壳体下端设有环状的第二过流孔，以供水流通过，从所述第一空腔内进入第二空腔内。

优选的是，所述的矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，所述外壳体内位于所述活塞壳体的下方的空间形成一与外界连通的排出流道；

所述定阀的内锥面向下凹陷形成旁通槽，以供水流通过，从所述第二空腔内进入所述排出流道，从而排出。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的矩形波水力脉冲工作管柱下入工具通过产生矩形的低频水力脉冲，增大水锤作用时间和水锤冲击力来提高工作管柱下入的能力；且水力脉冲波形为矩形波，相同工具压耗下，相较TTS公司XRV和NOV的Agitator，其水力脉冲幅值更大，水锤冲击力大，有利于工作管柱的下入；且本发明的矩形波水力脉冲工作管柱下入工具采用全金属结构，无任何橡胶部件，可靠性高，工作寿命优于NOV的Agitator。

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为本发明的第一种状态主视结构剖视示意图；

图2为本发明的第二种状态主视结构剖视示意图；

图中：1外壳体、11排出流道、2活塞壳体、21上过流孔、22下过流孔、23第二空腔、3上接头、31上中心孔、4动阀、41外锥面、5定阀、51内锥面、52旁通槽、53下中心孔、6往复活塞、7第一空腔。

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。

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、2所示，本发明提供一种矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，包括一个管状的外壳体1，外壳体1内设置往复运动装置、动阀4和定阀5，往复运动装置由往复活塞6和活塞壳体2组成，往复活塞6置于活塞壳体2内，往复活塞6在活塞壳体2内作往复运动，往复活塞6的下端和动阀4固定连接，动阀4随往复活塞6做往复运动，活塞壳体2的下端设置定阀5，活塞壳体2的上端设置上接头3，上接头3与壳体1螺纹连接，将活塞壳体2和定阀5固定在外壳体1内，活塞壳体2和外壳体1之间形成第一空腔7。

所述的动阀4和定阀5组成截流阀，动阀4为实心结构，下端设置外锥面41，定阀5设置内锥面51，内锥面51上设置有旁通槽52，通过动阀4的往复运动，实现过流面积的周期性变化，定阀5底部设置下中心孔53。

所述的活塞壳体2的上端设置有过流孔21，连通上接头3的上中心孔31和第一空腔7，活塞壳体2下端设置有过流孔22，连通第一空腔7和活塞壳体22的第二空腔23。

图1为矩形波水力脉冲工作管柱下入工具第一状态的结构示意图，此时往复活塞6处于下位，流体经上接头3的上中心孔31、过流孔21、第一空腔7、过流孔22，流入活塞壳体2的第二空腔23内，然后经旁通槽52流入排出流道11，由于旁通槽52的过流面积较小，由伯努利方程可知，旁通槽52的入口处及连通区域处于高压状态。

图2为矩形波水力脉冲工作管柱下入工具第二状态的结构示意图，此时往复活塞6处于上位，流体经上接头3的上中心孔31、过流孔21、第一空腔7、过流孔22，流入第二空腔23内，然后经旁通槽52和下中心孔53流入排出流道11，由于旁通槽52和下中心孔53的过流面积很大，由伯努利方程可知，此时旁通槽52和下中心孔53产生节流压差较小，旁通槽52的入口处及连通区域处于低压状态。

因此在两种状态的相互切换下，截流阀周期性的开启和关闭，在工具上部产生一个周期性的矩形压力脉冲，矩形压力脉冲的波形由往复活塞运动规律决定，其中往复运动活塞可以为水力驱动，电力驱动以及其他形式驱动。

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图例。

Claims (4)

1.一种矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，其特征在于，包括：

外壳体，其为内中空的管状结构；

活塞壳体，其为内中空的管状结构，套设在所述外壳体内；所述外壳体与所述活塞壳体之间形成环形的第一空腔；

往复活塞，套设所述活塞壳体内，在活塞壳体内做往复运动；所述往复活塞下端与活塞壳体的内壁之间彼此相距一定距离，形成环形的第二空腔；

活阀，其固定于所述往复活塞的底部，所述活阀的下端外侧设置外锥面；

定阀，其为固定于活塞壳体底部的环状结构，位于所述活阀下方；所述定阀的上端设置与所述外锥面相配合的内锥面；

其中，所述活塞壳体顶部设有环状的第一过流孔，以供水流通过往下流动进入所述第一空腔内。

2.如权利要求1所述的矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，其特征在于，还包括：

上接头，卡设在所述外壳体内，且位于所述活塞壳体上方，将所述活塞壳体固定在所述外壳体内；所述上接头的中心位置设置供水流通过的贯通的上中心孔。

3.如权利要求1所述的矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，其特征在于，所述活塞壳体下端设有环状的第二过流孔，以供水流通过，从所述第一空腔内进入第二空腔内。

4.如权利要求3所述的矩形波水力脉冲工作管柱下入工具，其特征在于，所述外壳体内位于所述活塞壳体的下方的空间形成一与外界连通的排出流道；

所述定阀的内锥面向下凹陷形成旁通槽，以供水流通过，从所述第二空腔内进入所述排出流道，从而排出。