CN109162645B - 脉冲加压发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲加压发生器，包括管柱和脉冲件，脉冲件活动设置在管柱内，脉冲件上设置有进液通道和出液通道，脉冲件内设置有压力腔、节流通道、变向通道、涡流腔、分流通道和过流通道，压力腔和节流通道均位于脉冲件的上部；分流通道对称设置在节流通道的下方，节流通道分别与进液通道、分流通道和压力腔的两端相通；变向通道和涡流腔依次设置在分流通道的下方，涡流腔与出液通道相通；过流通道对称设置在变向通道两侧；变向通道的两端分别通过过流通道与分流通道相通。本发明能使钻井流循环往复地流动，形成周期性的脉冲压力波，使管柱产生振荡，将管柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，达到降低摩擦力和避免管柱卡钻的效果。
Description
技术领域
本发明涉及油气开采钻井设备技术领域，具体地说涉及一种脉冲加压发生器。
背景技术
随着石油钻采技术的发展，多分支井、大斜度井、水平井等技术已成为重要开采手段。其显著特点是水平位移大，分支较多，从而导致管柱在井眼内的摩阻和扭矩很大，以及钻压难以加上等问题。在这些复杂井眼轨迹的钻井作业过程中，管柱在井下几乎不能顺利钻达设计井段，严重影响了开发作业过程。
在钻井作业过程中，管柱和井壁之间通常是静摩擦，较大的静摩擦力一方面阻碍了管柱顺利入井，另一方面加剧了管柱以及配套工具的磨损。近年来，我国通过重大专项计划，针对管柱磨损设计出了各种各样的减摩降阻工具，其中将管柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦成为了研究者的设计思路。
目前，围绕减摩降阻设计出的工具主要有两种：一种是被动式减摩工具，常见的是滑动轴承式的减摩套，该类工具将管柱与井壁的摩擦转换为工具外套和工具本体之间的摩擦，但该类工具在一次煤层气开发作业中通常需要使用几十甚至上百个，成本偏高。另一种是主动式减摩工具，通过产生振动将管柱与井壁的静摩擦转变为动摩擦，动摩擦摩阻较小，可以提高轴向载荷传递效率从而提高钻进效率。但目前现有的主动式减摩工具均结构复杂，轴向尺寸较长，可靠性有待提高，成本较高。
中国专利公告号为CN207144825U的现有技术在2018年3月27日公开了一种转轮动力的水力振荡器，其技术方案为：它由花键轴、上壳体、下壳体、中间接头和下接头构成，上壳体内通过连接套安装有花键轴，上壳体的一端通过中间接头螺纹安装有下壳体，下壳体的端头螺纹安装有下接头；下接头与中间接头之间的下壳体内通过上扶正轴承安装有转轮，转轮一侧的下壳体内通过下扶正轴承安装有转阀；转阀与转轮螺纹连接。该水力振荡器具有结构简单紧凑，活动件少，成本低廉的特点。工作过程中随着转轮的转动，使过流面积得以周期性改变，由此产生间歇压力脉冲，从而带动振动短节产生周期性轴向振动，由此将将钻柱与井壁的静摩擦变为动摩擦，可有效降低摩阻，提高钻井效率，降低钻井成本。但在实际使用过程中，该水力振荡器仍然存在着如下缺陷：1.核心元件未作有效的耐冲蚀和耐磨处理，不能够有效的延长使用寿命。2.扶正轴承和转阀的稳定性无法得到有效的保障，一旦扶正轴承和转阀的功能失效整个水力振荡器就失去功能。3.该水力振荡器的结构并不能有效地解决钻进过程中出现的托压现象。4.该水力振荡器的结构较为复杂，过多的连接点会造成工具后期维修和维护困难，影响产品使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种脉冲加压发生器，本发明能够使钻井液循环往复地流动，形成周期性的脉冲压力波，使管柱产生振荡效果，将管柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，从而达到降低摩擦力和避免管柱卡钻以及托压事故的效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种脉冲加压发生器，其特征在于：包括管柱、脉冲件和接头，所述接头固定在管柱的端部，所述脉冲件活动设置在管柱内，所述脉冲件的上部和下部分别设置有进液通道和出液通道，脉冲件内设置有压力腔、节流通道、变向通道、涡流腔、分流通道A、分流通道B、过流通道A和过流通道B，压力腔和节流通道均位于脉冲件的上部；分流通道A和分流通道B对称设置在节流通道的下方，节流通道的一端与进液通道相通，另一端分别与分流通道A、分流通道B和压力腔的两端相通；变向通道和涡流腔依次设置在分流通道的下方，且涡流腔与出液通道相通；过流通道A和过流通道B对称设置在变向通道两侧用于连通压力腔和涡流腔；变向通道的进液端通过过流通道A与分流通道A相通，变向通道的出液端通过过流通道B与分流通道B相通，且变向通道的出液方向与分流通道B的出液方向相反。
所述脉冲件内设置有环形腔体，环形腔体内从上至下依次设置有环形件、分流件和变向件，分流件对称设置在环形件与变向件之间，所述节流通道设置在环形件上，所述压力腔由环形件与环形腔体的上部配合形成，所述的分流通道由分流件与变向件配合形成，所述变向通道设置在变向件上，所述涡流腔由变向件与环形腔体的下部配合形成，所述的过流通道由分流件、变向件与环形腔体的两侧配合形成。
所述变向件包括两个对称设置的鱼形纹状结构件，变向通道由两个结构件配合形成。
所述变向通道为S形通道。
所述压力腔环绕在进液通道四周，且压力腔与进液通道同心设置。
所述涡流腔与出液通道同心设置。
所述进液通道、出液通道、压力腔、节流通道、变向通道、涡流腔、分流通道A、分流通道B、过流通道A和过流通道B的内壁上均喷涂或覆焊有碳化钨层。
所述脉冲件为由两个对称半柱体焊接而成的圆柱体。
所述管柱内壁上开设有环槽，所述脉冲件上固定设置有伸入环槽的限位销轴，限位销轴与环槽配合限制脉冲件轴向运动。
所述限位销轴均匀设置在脉冲件四周。
采用本发明的优点在于：
1、本发明在使用时，钻井液由进液通道进入节流通道，从节流通道流出的钻井液一部分进入压力腔（此时钻井液尚未形成撞击），其余钻井液继续向下运动，并通过分流通道A和分流通道B进行分流，经过分流通道A的钻井液一部分率先进入变向通道，然后流出并阻碍经分流通道B流出的钻井液进入涡流腔；另一部分钻井液则经过流通道A进入涡流腔，沿涡流腔的圆周做顺时针涡流运动；而分流通道B的钻井液在变向通道钻井液的作用下产生回流，与涡流腔的运动趋势相同，从而形成环流通路，最终从出液通道流出。此时压力腔内部的两股钻井液相遇，发生水击作用，产生较大的水击压力，压力腔内部的钻井液从两侧快速返回，在两侧分流通道与过流通道的交汇处切断钻井液的流动趋势，脉冲件内部钻井液出现瞬间停滞现象，内部压力急剧升高，强大压力推动钻井液继续恢复初始运行状态，压力降低，如此往复循环，形成周期性的脉冲压力波。在脉冲压力波的作用下，工具产生高频振荡效果，将管柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，从而降低摩擦力，避免管柱卡钻以及托压事故，改善钻压传递效果并提高机械钻速，从而提高油气开采的作业效率。
2、本发明中的脉冲件内设置有环形腔体，环形腔体内从上至下依次设置有环形件、分流件和变向件，环形件、分流件、变向件三者与环形腔体配合形成压力腔、节流通道、变向通道、涡流腔、分流通道A、分流通道B、过流通道A和过流通道B，该设置的优点在于结构简单，便于制造，且还具有流动性稳定等优点。
3、本发明中的变向通道由两个对称设置的鱼形纹状结构件配合形成，其优点在于有效的使钻井液在变向通道产生回流作用，从而形成环流通路。
4、本发明中的变向通道为S形通道，该结构设计是为了避免使用工具造成过多的压力损耗，有利于提高钻井液的辅助破岩能力。
5、本发明中的压力腔环绕在进液通道四周，且压力腔与进液通道同心设置。压力腔内两路钻井液相遇产生强大的水击作用，产生较大的水击压力，钻井液从压力腔的两侧快速返回。同心圆结构的设计是为了液体的流动灵活快捷。
6、本发明将涡流腔与出液通道同心设置，其优点在于钻井液的流场顺畅，从而使钻压传递的效果通过工具得到有效提高。
7、本发明在进液通道、出液通道、压力腔、节流通道、变向通道、涡流腔、分流通道A、分流通道B、过流通道A和过流通道B的内壁上均喷涂或覆焊有碳化钨层。由于工具在产生脉冲压力的同时，对内部零件冲蚀特别严重，因此对其表面进行处理能够有效地延长工具的使用寿命。
8、本发明中的脉冲件为由两个对称半柱体焊接而成的圆柱体，其优点在于便于加工制造。
9、本发明在管柱内壁上开设有环槽，在脉冲件上固定设置有伸入环槽的限位销轴，通过限位销轴与环槽配合能够限制脉冲件轴向运动，从而保证脉冲件能在管柱内顺利转动。
10、本发明将限位销轴均匀设置在脉冲件四周，其优点在于提高了限位效果，保证了脉冲件转动的顺利性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中脉冲件的结构示意图；
图中标号为：1、管柱，2、脉冲件，3、接头，4、进液通道，5、出液通道，6、压力腔，7、节流通道，8、变向通道，9、涡流腔，10、分流通道A，11、分流通道B，12、过流通道A，13、过流通道B，14、环形件，15、分流件，16、变向件。
具体实施方式
实施例1
一种脉冲加压发生器，包括管柱1、脉冲件2和接头3，所述接头3固定在管柱1的端部，所述脉冲件2活动设置在管柱1内，所述脉冲件2的上部和下部分别设置有进液通道4和出液通道5，脉冲件2内设置有压力腔6、节流通道7、变向通道8、涡流腔9、分流通道A10、分流通道B11、过流通道A12和过流通道B13，压力腔6和节流通道7均位于脉冲件2的上部；分流通道A10和分流通道B11对称设置在节流通道7的下方，节流通道7的一端与进液通道4相通，另一端分别与分流通道A10、分流通道B11和压力腔6的两端相通；变向通道8和涡流腔9依次设置在分流通道的下方，且涡流腔9与出液通道5相通；过流通道A12和过流通道B13对称设置在变向通道8两侧用于连通压力腔6和涡流腔9；变向通道8的进液端通过过流通道A12与分流通道A10相通，变向通道8的出液端通过过流通道B13与分流通道B11相通，且变向通道8的出液方向与分流通道B11的出液方向相反。
本实施例中，所述管柱1的上端和下端分别设置有内螺纹和外螺纹，所述接头3为中空结构，接头3的两端同样设置有外螺纹和内螺纹，管柱1通过内螺纹与接头3的外螺纹固定连接，接头3的内螺纹端用于连接其它钻具。所述管柱1的下端内部设置有用于安装脉冲件2的限位台阶，脉冲件2位于限位台阶与接头3之间。
进一步的，所述管柱1内壁上开设有环槽，所述脉冲件2上固定设置有伸入环槽的限位销轴，限位销轴的数量为多根，均匀设置在脉冲件2四周；使用时，限位销轴与环槽配合限制脉冲件2轴向运动，使脉冲件2只能径向转动。
本实施例中，所述脉冲件2为由两个对称半柱体焊接而成的圆柱体。
本实施例中，所述压力腔6环绕在进液通道4四周，且压力腔6与进液通道4同心设置，所述涡流腔9与出液通道5同心设置。
本实施例中，所述变向通道8为S形通道。
本实施例的工作原理为：
钻井液先经接头3内孔进入管柱1内部，再经进液通道4进入节流通道7，从节流通道7流出的钻井液一部分进入压力腔6（此时钻井液尚未形成撞击），其余钻井液继续向下运动，并通过分流通道A10和分流通道B11进行分流，经过分流通道A10的钻井液一部分率先进入变向通道8，然后流出并阻碍经分流通道B11流出的钻井液进入涡流腔9；另一部分钻井液则经过流通道A12进入涡流腔9，沿涡流腔9的圆周做顺时针涡流运动；而分流通道B11的钻井液在变向通道8钻井液的作用下产生回流，与涡流腔9的运动趋势相同，从而形成环流通路，最终从出液通道5流出。此时压力腔6内部的两股钻井液相遇，发生水击作用，产生较大的水击压力，压力腔6内部的钻井液从两侧快速返回，在两侧分流通道与过流通道的交汇处切断钻井液的流动趋势，脉冲件2内部钻井液出现瞬间停滞现象，内部压力急剧升高，强大压力推动钻井液继续恢复初始运行状态，压力降低，如此往复循环，形成周期性的脉冲压力波。在脉冲压力波的作用下，工具产生高频振荡效果，将管柱1与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，从而降低摩擦力，避免管柱1卡钻以及托压事故，改善钻压传递效果并提高机械钻速，从而提高油气开采的作业效率。
实施例2
一种脉冲加压发生器，包括管柱1、脉冲件2和接头3，所述接头3固定在管柱1的端部，所述脉冲件2活动设置在管柱1内，所述脉冲件2的上部和下部分别设置有进液通道4和出液通道5，脉冲件2内设置有压力腔6、节流通道7、变向通道8、涡流腔9、分流通道A10、分流通道B11、过流通道A12和过流通道B13，压力腔6和节流通道7均位于脉冲件2的上部；分流通道A10和分流通道B11对称设置在节流通道7的下方，节流通道7的一端与进液通道4相通，另一端分别与分流通道A10、分流通道B11和压力腔6的两端相通；变向通道8和涡流腔9依次设置在分流通道的下方，且涡流腔9与出液通道5相通；过流通道A12和过流通道B13对称设置在变向通道8两侧用于连通压力腔6和涡流腔9；变向通道8的进液端通过过流通道A12与分流通道A10相通，变向通道8的出液端通过过流通道B13与分流通道B11相通，且变向通道8的出液方向与分流通道B11的出液方向相反。
本实施例中，所述脉冲件2为由两个对称半柱体焊接而成的圆柱体，所述脉冲件2内设置有环形腔体，环形腔体内从上至下依次设置有环形件14、分流件15和变向件16，分流件15对称设置在环形件14与变向件16之间。其中，所述节流通道7设置在环形件14上，所述压力腔6由环形件14与环形腔体的上部配合形成，即环形件14与环形腔体上部内壁之间的区域形成压力腔6。所述的分流通道由分流件15与变向件16配合形成，即分流件15与变向件16之间的区域形成分流通道A10和分流通道B11。所述变向通道8设置在变向件16上，所述涡流腔9由变向件16与环形腔体的下部配合形成，即变向件16与环形腔体下部内壁之间的区域形成涡流腔9。所述的过流通道由分流件15、变向件16与环形腔体的两侧配合形成，即在压力腔6与涡流腔9之间，分流件15与环形腔体两侧内壁之间的区域和变向件16与环形腔体两侧内壁之间的区域形成过流通道。进一步的，所述变向件16包括两个对称设置的鱼形纹状结构件，变向通道8由两个结构件配合形成。其中，结构件为鱼形纹状是指结构件的形状与太极图中的鱼形纹相似，变向通道8由两个结构件配合形成是指两个结构件按太极图形布置，即其中一个结构件的鱼嘴端和鱼尾端分别对应另一个结构件的鱼尾端和鱼嘴端。
实施例3
本实施例与实施例1或实施例2基本相同，主要区别在于：
所述进液通道4、出液通道5、压力腔6、节流通道7、变向通道8、涡流腔9、分流通道A10、分流通道B11、过流通道A12和过流通道B13的内壁上均喷涂或覆焊有碳化钨层。
Claims (7)
1.脉冲加压发生器，其特征在于：包括管柱（1）、脉冲件（2）和接头（3），所述接头（3）固定在管柱（1）的端部，所述脉冲件（2）活动设置在管柱（1）内，所述脉冲件（2）的上部和下部分别设置有进液通道（4）和出液通道（5），脉冲件（2）内设置有压力腔（6）、节流通道（7）、变向通道（8）、涡流腔（9）、分流通道A（10）、分流通道B（11）、过流通道A（12）和过流通道B（13），压力腔（6）和节流通道（7）均位于脉冲件（2）的上部；分流通道A（10）和分流通道B（11）对称设置在节流通道（7）的下方，节流通道（7）的一端与进液通道（4）相通，另一端分别与分流通道A（10）、分流通道B（11）和压力腔（6）的两端相通；变向通道（8）和涡流腔（9）依次设置在分流通道的下方，且涡流腔（9）与出液通道（5）相通；过流通道A（12）和过流通道B（13）对称设置在变向通道（8）两侧用于连通压力腔（6）和涡流腔（9）；变向通道（8）的进液端通过过流通道A（12）与分流通道A（10）相通，变向通道（8）的出液端通过过流通道B（13）与分流通道B（11）相通，且变向通道（8）的出液方向与分流通道B（11）的出液方向相反；
所述脉冲件（2）内设置有环形腔体，环形腔体内从上至下依次设置有环形件（14）、分流件（15）和变向件（16），分流件（15）对称设置在环形件（14）与变向件（16）之间，所述节流通道（7）设置在环形件（14）上，所述压力腔（6）由环形件（14）与环形腔体的上部配合形成，所述的分流通道由分流件（15）与变向件（16）配合形成，所述变向通道（8）设置在变向件（16）上，所述涡流腔（9）由变向件（16）与环形腔体的下部配合形成，所述的过流通道由分流件（15）、变向件（16）与环形腔体的两侧配合形成；
所述变向件（16）包括两个对称设置的鱼形纹状结构件，变向通道（8）由两个结构件配合形成；
所述压力腔（6）环绕在进液通道（4）四周，且压力腔（6）与进液通道（4）同心设置。
2.如权利要求1所述的脉冲加压发生器，其特征在于：所述变向通道（8）为S形通道。
3.如权利要求1所述的脉冲加压发生器，其特征在于：所述涡流腔（9）与出液通道（5）同心设置。
4.如权利要求1所述的脉冲加压发生器，其特征在于：所述进液通道（4）、出液通道（5）、压力腔（6）、节流通道（7）、变向通道（8）、涡流腔（9）、分流通道A（10）、分流通道B（11）、过流通道A（12）和过流通道B（13）的内壁上均喷涂或覆焊有碳化钨层。
5.如权利要求1或2所述的脉冲加压发生器，其特征在于：所述脉冲件（2）为由两个对称半柱体焊接而成的圆柱体。
6.如权利要求1所述的脉冲加压发生器，其特征在于：所述管柱（1）内壁上开设有环槽，所述脉冲件（2）上固定设置有伸入环槽的限位销轴，限位销轴与环槽配合限制脉冲件（2）轴向运动。
7.如权利要求6所述的脉冲加压发生器，其特征在于：所述限位销轴均匀设置在脉冲件（2）四周。
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