CN108590530A - 一种基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置，其包括花键芯轴、花键套、本体、复位弹簧、泥浆脉冲发生器、形状记忆合金弹簧以及泥浆涡轮发电机，所述本体内具有腔体，所述复位弹簧、泥浆脉冲发生器、形状记忆合金弹簧以及泥浆涡轮发电机及其连接位于所述腔体内。本发明通过形状记忆合金弹簧的回复力和复位弹簧的弹力带动钻具在井内产往复运动，使钻具与井壁之间的静摩擦变为动摩擦从而减小滑动钻进时钻具与井壁间的摩擦阻力。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工具技术领域，具体涉及一种形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置。
背景技术
目前，随着国家油田开发大斜度井、水平井、水平分支井以及大位移井等复杂结构井的数量增加，提高钻头的钻探效率，有效地对钻头施加钻压。尤其是在水平井和大位移井的水平段钻进过程中，由于水平段钻柱的自身重量压向井壁的底侧，这样在钻柱外侧壁和井壁之间存在着较大的摩擦力，会导致钻具托现象，影响工作效率；此外，传统钻具也有采用水力振荡器来降低钻具的摩擦，该水力振荡器利用旋转阀脉冲原理，该原理的水力振荡器在结构上有阻断液流的不利之处，增加了对钻过程中的液体循环中的泵压。
综上所述，现有的钻具在钻井的过程中，存在着钻柱外壳与井壁之间存在着摩擦力较大，能耗较高，钻进效率低，钻井卡钻事故多的缺陷，亟待进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置，用以解决现有钻具存在着与井壁之间的摩擦力较大，能耗较高，钻进效率低，钻井卡钻事故多的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置，所述减小摩阻的装置包括花键芯轴、花键套、本体、复位弹簧、泥浆脉冲发生器、形状记忆合金弹簧以及泥浆涡轮发电机，所述本体内具有腔体，所述复位弹簧、泥浆脉冲发生器、形状记忆合金弹簧以及泥浆涡轮发电机位于所述腔体内；
所述花键套安装于所述本体的上端部，所述花键芯轴位于所述花键套中，所述花键芯轴位于所述花键套内的一端与所述复位弹簧的一端连接，所述复位弹簧的另一端与所述泥浆脉冲发生器连接；
所述泥浆涡轮发电机位于所述腔体的下端内侧，在所述泥浆发电机和所述泥浆脉冲发生器之间安装有形状记忆合金弹簧；
所述泥浆涡轮发电机与所述形状记忆合金弹簧电连接并对其加热，所述泥浆脉冲发生器将脉冲泥浆喷射到所述形状记忆合金弹簧上对其间隔冷却；所述形状记忆合金弹簧在所述复位弹簧、所述泥浆脉冲发生器以及所述泥浆涡轮发电机所发出电流的加热作用下伸长或收缩；所述形状记忆合金弹簧的伸缩带动钻具上下运动，所述减小摩阻的装置可使井内钻具与井壁的静摩擦变为动摩擦。
优选的，所述减小摩阻的装置还包括上接头和下接头，所述上接头与花键芯轴的另一端连接；
所述下接头与所述本体的下端固定连接。
优选的，所述形状记忆合金弹簧为单程记忆合金弹簧、双程记忆合金弹簧或者全程记忆合金弹簧。
优选的，所述花键套与所述本体的上端通过螺纹固定连接。
优选的，所述形状记忆合金弹簧的底部设有用于定位通电连接和传递载荷的外圆凸起部。
本发明基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置具有如下优点：
本发明通过形状记忆合金弹簧的回复力和复位弹簧的弹力带动钻具在井内产生往复运动，使钻具与井壁间的静摩擦变为动摩擦从而减小钻具与井壁间的摩擦阻力，与同类工具相比较，其可以大幅度降低能耗，减少钻井功率消耗，降低泵压，提高钻头水马力，本发明的减小摩阻的装置可以有效地减少滑动钻进过程中产生的托压现象，提高钻压的传递效率。
附图说明
图1为本发明的基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置，其包括花键芯轴7、花键套2、本体1、复位弹簧3、泥浆脉冲发生器4、形状记忆合金弹簧5以及泥浆涡轮发电机6，本体1内具有腔体，复位弹簧2、泥浆脉冲发生器4、形状记忆合金弹簧5以及泥浆涡轮发电机6位于腔体内；花键套2安装于本体1的上端部，花键芯轴7位于花键套2中，花键芯轴7位于花键套2内的一端与复位弹簧3的一端连接，复位弹簧3的另一端与泥浆脉冲发生器4连接，泥浆脉冲发生器4在腔体内可上下往复运动，泥浆脉冲发生器4在腔体内以一定的频率向位于泥浆脉冲发生器4下端的形状记忆合金弹簧5间隔一定时间喷射泥浆，由于泥浆的温度较低，使得形状记忆合金弹簧间隔一定时间冷却，形状记忆合金弹簧冷却时，在复位弹簧的作用力下推动泥浆脉冲发射器4，泥浆脉冲发生器4压缩形状记忆合金弹簧5，使其收缩；泥浆涡轮发电机6固定于腔体的下端内侧，在泥浆发电机6和泥浆脉冲发生器4之间安装形状记忆合金弹簧5；泥浆涡轮发电机6与形状记忆合金弹簧5电连接，泥浆涡轮发电机6将产生的电供给形状记忆合金弹簧5加热，形状记忆合金弹簧5发热变形，形状记忆合金弹簧5在加热状态下伸长，在泥浆涡轮发电机6断电或者有冷源对弹簧冷却后在外力作用下收缩，从而实现形状记忆合金弹簧5的收缩。
本发明的钻进装置还包括上接头8和下接头9，上接头8与花键芯轴7的另一端螺纹连接，上接头8内侧设有内螺纹，花键芯轴7外侧设有外螺纹。上接头8的另一端接地面钻具的压力施加装置；下接头9与本体1的下端通过螺纹固定连接，下接头9的外侧设有外螺纹，本体1的内侧设有内螺纹，下接头9接底端连接有钻头。上接头8和花键芯轴7之间设有密封圈，下接头9与本体1之间设有密封圈。
本发明的形状记忆合金弹簧5为随温度变化而自行伸长或收缩的弹簧，具体的，形状记忆合金弹簧为单程记忆合金弹簧、双程记忆合金弹簧或者全程记忆合金弹簧。单程记忆合金弹簧，其形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，只在加热过程中存在形状记忆，单程记忆合金弹簧，例如单程TiNi记忆合金弹簧。双程记忆合金弹簧，某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，例如CuZnAl双程记忆合金弹簧。全程记忆合金弹簧，加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，例如全程TiNi记忆合金弹簧。在具体应用的过程中，根据所采用的形状记忆合金弹簧的类型，而控制泥浆脉冲发生器对形状记忆合金弹簧的冷却以及泥浆涡轮发电机对形状记忆合金弹簧的通电加热，实现形状记忆合金弹簧的伸长或者收缩。
作为本发明的一个实施例中，本发明的复位弹簧和形状记忆合金弹簧均为蝶形弹簧。本发明的形状记忆合金弹簧所采用的合金具有单向记忆特性，该形状记忆合金弹簧的截面为平面圆弧或波浪圆弧状，其顶部为圆形且均布微波纹形，其底部受力部呈圆形外，还可包括与该底部一体成型的起到连接，定位通电和传递载荷等作用的外圆凸起部。
较佳的，形状记忆合金弹簧5与泥浆发电机6之间安装有温度控制器，温度控制器可以控制泥浆发电机与形状记忆合金弹簧之间的连接或断开。温度控制器控制泥浆发电机对形状记忆合金弹簧的加热频率与泥浆脉冲发生器对形状记忆合金弹簧喷射泥浆的频率相对应，以及在复位弹簧的作用下，实现形状记忆合金弹簧的伸长或收缩。
本发明一个实施例中，基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置的工作原理为：
形状记忆合金弹簧与泥浆涡轮发电机电连接，通电发热，使得形状记忆合金弹簧伸长。当泥浆经花键芯轴进入本体的腔体内，由泥浆脉冲发生器间隔一定时间喷射到形状记忆合金弹簧上时，使得形状记忆合金弹簧的间接冷却，冷却的形状记忆合金弹簧在复位弹簧的作用下收缩。这样，利用泥浆脉冲发生器对形状记忆合金弹簧进行冷却、复位弹簧进行恢复以及利用泥浆涡轮发电机发出的电流对形状记忆合金弹簧进行加热，使得花键芯轴与本体内侧壁之间发生相对运动。同时使得上接头与本体之间发生运动，带动整个钻具装置与井壁之间发生滑动摩擦。本发明利用形状记忆合金弹簧随温度变化的特性，将钻具与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，减小了整个钻具与井壁之间的摩擦阻力。
基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置在使用的过程中，从地面施加的钻压通过钻柱传递到花键芯轴上，花键芯轴压缩复位弹簧，复位弹簧的作用力压缩形状记忆合金弹簧，使形状记忆合金弹簧发生形变，并将钻压传递到下部钻柱上，最终传递到钻头。减小摩阻的装置在滑动钻进的过程中，泥浆通过泥浆脉冲发生器到达形状记忆合金弹簧，带动涡轮发电机发电，涡轮发电机发出的电流对形状记忆合金弹簧供电加热产生回复力；泥浆脉冲发生器产生的脉冲泥浆对形状记忆合金弹簧间隔冷却，形状记忆合金弹簧加热与冷却交替进行，使形状记忆合金弹簧产生持续的伸缩，形状记忆合金弹簧的伸缩力通过花键芯轴传递到钻进装置的上下钻柱，使钻具与井壁的静摩擦变为动摩擦，从而减小了摩擦阻力。
本发明减小摩阻的装置通过形状记忆合金弹簧的回复力带动钻具在井内产往复运动，使钻具与井壁之间的静摩擦变为动摩擦从而减小钻具与井壁间的摩擦阻力。与同类工具相比，本发明的减小摩阻的装置可以大幅度降低能耗，减少钻井功率消耗，降低泵压，提高钻头水马力，钻进装置可以有效的减少滑动钻进产生的托压现象，提高钻压的传递效率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置，其特征在于，
所述减小摩阻的装置包括花键芯轴、花键套、本体、复位弹簧、泥浆脉冲发生器、形状记忆合金弹簧以及泥浆涡轮发电机，所述本体内具有腔体，所述复位弹簧、泥浆脉冲发生器、形状记忆合金弹簧以及泥浆涡轮发电机位于所述腔体内；
所述花键套安装于所述本体的上端部，所述花键芯轴位于所述花键套中，所述花键芯轴位于所述花键套内的一端与所述复位弹簧的一端连接，所述复位弹簧的另一端与所述泥浆脉冲发生器连接；
所述泥浆涡轮发电机位于所述腔体的下端内侧，在所述泥浆发电机和所述泥浆脉冲发生器之间安装有形状记忆合金弹簧；
所述泥浆涡轮发电机与所述形状记忆合金弹簧电连接并对其加热，所述泥浆脉冲发生器将脉冲泥浆喷射到所述形状记忆合金弹簧上对其间隔冷却；所述形状记忆合金弹簧在所述复位弹簧、所述泥浆脉冲发生器以及所述泥浆涡轮发电机所发出电流的加热作用下伸长或收缩；所述形状记忆合金弹簧的伸缩带动钻具上下运动，所述减小摩阻的装置可使井内钻具与井壁的静摩擦变为动摩擦。
2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置，其特征在于，
所述减小摩阻的装置还包括上接头和下接头，所述上接头与花键芯轴的另一端连接；
所述下接头与所述本体的下端固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置，其特征在于，
所述形状记忆合金弹簧为单程记忆合金弹簧、双程记忆合金弹簧或者全程记忆合金弹簧。
4.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置，其特征在于，
所述花键套与所述本体的上端通过螺纹固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金弹簧的钻进减小摩阻的装置，其特征在于，
所述形状记忆合金弹簧的底部设有用于定位通电连接和传递载荷的外圆凸起部。
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