CN108643822A - 一种低压耗井下振动提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压耗井下振动提速工具。技术方案是：该低压耗井下振动提速工具由压力脉冲发生工具和振幅放大工具组成；压力脉冲发生工具内设有由涡轮驱动旋转的动阀片，并通过减速涡轮调节动阀片转速，动定阀组下部设有成U型的涡流振动装置，通过动阀片不断切换流道，使圆形涡腔内的流体在涡流状态和非涡流状态之间切换，当涡腔内流体处于涡流状态时，工具上部处于高压状态，当涡腔内流体处于非涡流状态时，工具上部压力处于低压状态，因此工具内产生周期性的压力脉冲；压力脉冲发生工具上部或者下部连接振幅放大工具，使底部钻具组合产生周期性的轴向振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻井速度。

Description

一种低压耗井下振动提速工具

本申请是申请号为：2016105506165、发明创造名称为：一种低压耗井下振动提速工具、申请日为：2016年07月14日的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及石油、天然气开采、钻井工具领域，尤其是一种低压耗井下振动提速工具。

背景技术

随着大斜度井、水平井的广泛应用，在钻进过程中，由于钻具自重作用，钻具在钻进时与井壁摩阻大，造成钻具托压，严重影响水平井钻进效率，因此降低摩阻、增加动钻压，提高钻井效率是当前钻井工程中迫切需要解决的问题。经研究发现，对钻柱施加适当周期性轴向振动，使钻柱与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，能大大减少钻井过程的摩阻，使有效钻压增加，从而达到提高机械钻速的目的。

现有的振动减摩阻工具如中国专利文献CN103696693A钻井用水力振荡器、CN102704842A一种钻井用水力振荡器所描述，其结构都采用单头螺杆马达驱动动阀口在一个平面上做往复运动，通过动阀口和定阀形成的过流面积差，产生周期性的压力波动，上述采用螺杆驱动的结构，因螺杆寿命的限制，通常在水基泥浆环境下使用寿命为150小时左右，在油基泥浆环境下使用寿命为80小时左右，其橡胶元件制约了该结构的使用寿命和使用工况等；也有中国专利文献如CN 104895517A一种涡轮驱动双阀水力振荡器、CN105089501A一种水力振荡器所描述，其结构都采用涡轮驱动动阀口转动，通过转动过程中与定阀形成过流面积差，产生周期性的压力波动，上述采用涡轮驱动的水力振荡器，因采用涡轮结构，在寿命上有很大改观，但涡轮的转速为800-2000转/分，相比螺杆140-360转/分的转速，涡轮驱动的振动工具振动频率为螺杆结构的5.5倍左右，过高的振动频率会削弱工具的振动效果，并且对MWD等井下仪器有破坏性的影响；同时由于以上专利都采用过流面积差使工具产生周期性的压力变化，因此造成工具自身压耗普遍偏大(约4.5-8MPa)，对钻井泵的要求较高，且长期在高压下作业易出现井下故障，造成财产损失和人员伤亡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低压耗井下振动提速工具，保证井下振动效果的同时，减小工具压耗，优选的方案中，能够实现振动频率可调，解决现有技术中涡轮驱动使振动频率过高的问题和工具使用寿命短的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种低压耗井下振动提速工具，包括压力脉冲发生工具和振幅放大工具，其特征是：

压力脉冲发生工具设有驱动涡轮驱动动阀片旋转，同时工具内设有减速涡轮调节动阀片的转速，动阀片下部设有定阀片，定阀片下部设有成U型的涡流振动装置；

振幅放大工具由外套通和芯轴组成，外套通由花键套筒、弹簧套筒、活塞套筒和下接头套筒依次连接而成，芯轴由花键芯轴、过渡芯轴、活塞芯轴和底部活塞连接而成，在弹簧套筒和花键芯轴之间设有碟簧组，碟簧组下部设有活塞套筒和活塞芯轴组成的驱动活塞组，驱动活塞组相合串联，其驱动活塞组数量可以为1个或者1个以上。

其特征是：涡流振动装置采用轴向对剖的结构，内设有成圆形的涡腔，两条进液槽与涡腔切向连接；涡腔的中心设有涡腔出口，涡腔出口与出液口连通。

其特征是：动阀片上设有动阀进液孔，动阀进液孔交替的与定阀片的两进液孔连通，定阀片的两进液孔与涡腔两进液槽连通。

其特征是：压力脉冲发生工具内设有中心轴，中心轴可旋转的支撑在壳体内，壳体和中心轴设有驱动涡轮，驱动涡轮下部设有减速涡轮，驱动涡轮和减速涡轮的数量课为任意个数，可任意组合，使中心轴转速可调，中心轴下端与动阀片固定连接。

其特征是：活塞套筒上设有与钻井环空连通的低压导流孔，活塞芯轴设有与中间流道连通的高压导流孔。

本发明提供的一种低压耗井下振动提速工具，通过采用以上的结构，具有以下的有益效果：

1、采用动、定阀片组件改变进入涡腔的流道，工具没有过流面积的变化，通过在涡腔内产生的涡流，在工具上部产生周期性的压力脉冲，相比过流面积变化引起的压差而言，工具压耗更低。

2、振幅放大工具采用多级活塞组串联的结构，可以在低压耗的情况下，相比较现有工具而言，相反的增加工具振动效果。

3、在优选的方案中，采用可调节级数的涡轮组件代替螺杆作为动力驱动，能避免螺杆驱动装置中因橡胶部件引起的工具寿命使用较短的问题，同时涡轮组件相比螺杆而言，工具的压耗较小，能适应任何泥浆体系，无温度限制。

4、采用减速涡轮与驱动涡轮组合使用，通过减速涡轮起到减速的效果，通过匹配驱动涡轮和减速涡轮，以控制中心轴的转速可调，从而实现低压耗井下振动提速工具的振动频率可调，能避免单独采用涡轮驱动造成工具振动频率过高引起的井下仪器损坏的问题。

5、本发明结构简单、长度短，采用全金属结构，具有使用寿命长的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的一种主视结构剖视示意图。

图2为本发明的另一主视结构剖视示意图。

图3为本发明的压力脉冲发生工具结构剖视示意图。

图4为本发明的涡流振动装置结构剖视示意图。

图5为本发明的振幅放大工具两级活塞串联结构剖视示意图。

图6为本发明的振幅放大工具三级活塞串联结构剖视示意图。

图中：上接头1，导流端盖2，中心轴3，扶正轴承4，驱动涡轮5，减速涡轮6，进液环7，导流环8，止推轴承9，调整环10，动阀片11，动阀进液口1101，定阀片12，定阀进液口1201，涡流振动装置13，涡腔进液槽1301，涡腔1302,涡腔出口1303,出液口1304，外壳体14，压力脉冲发生工具15，振幅放大工具16，花键芯轴17，花键套筒18，弹簧套筒19，碟簧组20，过渡芯轴21，活塞套筒22，低压导流孔23，活塞芯轴24，端部活塞25，下接头套筒26，高压导流孔27。

具体实施方式

如图1-2中，一种低压耗井下振动提速工具，压力脉冲发生工具15和振幅放大工具16，压力脉冲发生工具15可以连接在振幅放大工具16的上部，也可以连接在振幅放大工具16的下部，参见图1、2中。

如图3-4中，压力脉冲发生工具15的外壳体14内设有中心轴3，中心轴3可旋转的支承载外壳体14内，外壳体14和中心轴3设有驱动涡轮5，驱动涡轮5下部设有减速涡轮6，期驱动涡轮5和减速涡轮6的数量可为任意个，可任意组合，使中心轴3转速可调，中心轴3下端与动阀片11固定连接，动阀片11下部设有定阀片12，动阀片11和定阀片12组成动、定阀组，动阀片11上设有动阀进液孔1101，动阀进液孔1101交替的与定阀片12的两进液孔1201连通，定阀片12的两进液孔1201与涡流振动装置13的两进液槽1301连通，定阀片12的下部设有成U型的涡流振动装置13，参见图3。

涡流振动装置13采用采用轴向对剖的结构，内设有成圆形的涡腔1302，两条进液槽1301与涡腔1302切向连接；涡腔1302的中心设有涡腔出口1303，涡腔出口1303与出液口1304连通，当高速液流由进液槽1301进入，在涡腔1302内形成涡流，参见图4。

当流体经上接头1进入工具内部，经成锥形的导流端盖2，引导流体流入中心轴3与外壳体14之间的间隙中，流经驱动涡轮5和减速涡轮6，驱动涡轮5带动中心轴3旋转，减速涡轮6对中心轴3起减速作用，之后流体经导流环7流入中心轴3内部，经动阀片导流孔1101和定阀片导流孔1201进入涡流振动装置13，假设流体先进入涡流振动装置13的左进液槽1301，流体在涡腔1302内形成逆时针的涡流，动阀片11上部压力增加，处于压力脉冲的高压区，随着动阀片11的转动，液流切换到右进液槽1301，涡腔1302内的逆时针涡流开始消退，动阀片上部压力减小，处于压力脉冲的低压区，随着时间的推移，涡腔1302内顺时针涡流逐渐形成，动阀片11上部压力再次增加，处于压力脉冲高压区，如此反复，随着动阀片11的转动，在工具内形成周期性的压力波动。

如图5-6中，振幅放大工具16由外套通和芯轴组成，外套通由花键套筒18、弹簧套筒19、活塞套筒22和下接头套筒26依次连接而成，芯轴由花键芯轴17、过渡芯轴21、活塞芯轴24和底部活塞25连接而成，在弹簧套筒19和花键芯轴17之间设有碟簧组20，碟簧组20下部设有活塞套筒22和活塞芯轴24组成的驱动活塞组，驱动活塞组相合串联，其驱动活塞组数量可以为1个或者1个以上；活塞套筒22上设有与钻井环空连通的低压导流孔23，活塞芯轴24设有与中间流道连通的高压导流孔27，活塞下腔通过高压导流孔27与芯轴内高压液流连通，活塞上腔通过低压导流孔23与低压环空连通，由于压力脉冲发生工具的作用，芯轴内部产生一个周期性的压力波动，当芯轴内液体为高压时，作用在活塞两侧的压力推动芯轴伸出，压缩碟簧组20；当芯轴内液体为低压时，在碟簧组20的弹力作用下，碟簧组恢复，芯轴缩回。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种低压耗井下振动提速工具，包括所述压力脉冲发生工具(15)和振幅放大工具(16)，其特征是：

压力脉冲发生工具(15)设有驱动涡轮(5)驱动动阀片(11)旋转，同时工具内设有减速涡轮(6)调节动阀片(11)的转速，动阀片(11)下部设有定阀片(12)，定阀片(12)下部设有成U型的涡流振动装置(13)；

振幅放大工具(16)由外套通和芯轴组成，外套通由花键套筒(18)、弹簧套筒(19)、活塞套筒(22)和下接头套筒(26)依次连接而成，芯轴由花键芯轴(17)、过渡芯轴(21)、活塞芯轴(24)和底部活塞(25)连接而成，在弹簧套筒(19)和花键芯轴(17)之间设有碟簧组(20)，碟簧组(20)下部设有活塞套筒(22)和活塞芯轴(24)组成的驱动活塞组，所述驱动活塞组数量为1个或者1个以上；所述的涡流振动装置(13)采用轴向对剖的结构，内设有成圆形的涡腔(1302)，两条进液槽(1301)与涡腔(1302)切向连接；涡腔(1302)的中心设有涡腔出口(1303)，涡腔出口(1303)与出液口(1304)连通；动阀片(11)上设有动阀进液孔(1101)，动阀进液孔(1101)交替的与定阀片(12)的两进液孔(1201)连通，定阀片(12)的两进液孔(1201)与涡腔(13)两进液槽(1301)连通；

活塞套筒(22)上设有与钻井环空连通的低压导流孔(23)，活塞芯轴(24)设有与中间流道连通的高压导流孔(27)。