CN109236198B - 可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可调式钻柱轴向‑扭转耦合振动抑制装置，钻铤内部设置旋转阻尼结构和轴向阻尼结构；工作过程中，质量块吸收钻柱振动产生的能量，通过旋转弹性元件和旋转阻尼缸消耗旋转振动的能量，通过轴向弹簧和轴向阻尼缸消耗轴向振动产生的能量，整个转置都是通过凸台凹槽配合、卡接的方式装配，安装效率高，整个装置的阻尼、刚度、质量都可以调节，整个装置安装于钻铤内部，钻井液的冲刷有助于装置的降温，保证系统的工作性能，可在多根钻铤中安装多个减振装置，以抑制钻柱整体的振动。
Description
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，特别涉及可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置。
背景技术
在钻井过程中，随着钻孔的深度增加，钻柱的长度会持续增加，能够达到数千米的长度，此时，钻柱的刚度会大大降低，加上再生切削效应，极易使得钻柱产生自激振动。钻柱自激振动的频率与钻柱固有频率十分相近，易导致钻柱振动的加剧以致失稳，易导致钻柱过早的疲劳损坏，甚至会导致钻柱断裂。钻柱的自激振动主要表现为沿着钻柱长度方向的轴向振动以及沿着钻柱转动方向的扭转振动。研究表明，钻柱的轴向和扭转自激振动是相互耦合的，故单独对轴向或者扭转振动进行抑制效果并不理想。
现有技术中对于钻柱减振的方案主要分为被动式钻头单一振动消除方案和主动式钻头单一振动消除方案。对于被动式钻头单一振动消除方案，中国专利CN201610063514.0提出了一种将钻头扭转振动通过大螺距螺纹转换为钻头的轴向振动，利用双向碟簧吸收轴向振动并在油缸中消耗振动的方案，该方案实现了对扭转振动的抑制。对于主动式钻头单一振动消除方案，中国专利CN201710129696.1提出了一种利用振动测量传感器监测钻头振动同时控制电磁阀开关使得减振活塞工作的减振方案，该方案实现了闭环控制，一定程度上能够抑制钻头的轴向振动。
对于现有技术中的钻柱振动抑制装置，普遍存在以下不足：1、需要重新设计钻柱钻头连接装置，成本高，强度难以保证；2、现有减振装置的弹簧刚度、阻尼、质量都无法调节，导致减振效果不佳，甚至导致产生共振加剧钻柱的振动；3、现有减振装置都是单一抑制钻头的轴向振动或者将扭转振动转化为轴向振动再抑制，对于扭转振动的抑制效果较差；4、主动式钻头振动抑制装置需要安装传感器、电磁阀、电缆，面对恶劣的深井坏境可靠性差；5、被动式钻头振动抑制装置的钻头切削受力时就会压缩碟簧从而使得活塞在油缸中过早的运动，致使装置对于振动的敏感性差。
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可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，通过调整旋转阻尼缸中旋转叶片的数量，可以改变装置的阻尼，根据切削环境的不同，也可以方便的更换质量块的大小，扭转弹簧和压缩弹簧，轴向阻尼缸和压缩弹簧以及旋转阻尼缸和扭转弹簧的组合使用可以对钻柱轴向振动和扭转振动进行直接的抑制，整个装置内嵌于钻铤中，不会影响钻柱的强度，如果有必要，还可以在多跟钻柱中植入本装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，技术方案如下：
可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，钻铤内部设置旋转阻尼结构和轴向阻尼结构；
所述旋转阻尼结构包括圆柱中空型结构的旋转阻尼缸，所述旋转阻尼缸上部连接有转轴密封盖；所述旋转阻尼缸下方连接有通流透盖；所述旋转阻尼缸中间安装有旋转轴，所述旋转轴上部安装有旋转叶片；所述旋转轴中部与旋转弹性元件的转动端连接，所述旋转弹性元件的固定端与通流透盖下端相连；所述旋转轴下部连接有质量块；
所述轴向阻尼结构包括圆柱中空型结构的轴向阻尼缸，所述轴向阻尼缸下方固定有通流盘，所述轴向阻尼缸中间安装有轴向阻尼活塞，所述轴向阻尼活塞上端固定有连接盘，所述连接盘与质量块通过螺栓连接；
为保证旋转阻尼结构与轴向阻尼结构的轴线一致，连接销设置于旋转轴底部，所述连接销下端与连接盘中心相连；
上弹性元件设置于旋转轴中部下方，所述上弹性元件下端与质量块上端相连；
下弹性元件设置于连接盘下方，所述下弹性元件下端与轴向阻尼缸上端相连。
为便于更换及维修，所述通流透盖下方卡在上钻铤和下钻铤的连接处；所述通流盘卡在下钻铤和钻头的连接处。
所述旋转弹性元件为扭转弹簧，所述旋转轴侧面上方和下方均开设有对称的方形槽，所述旋转轴(6)中部设有凸台61，旋转弹性元件设置在所述凸台上，所述旋转轴中部凸台上开设有小孔，旋转弹性元件的转动端插入所述小孔中，所述旋转轴底部中央开设有销孔以便于设置销轴与轴向阻尼结构的轴线一致。
所述转轴密封盖中间有与旋转轴直径相等的沉孔。
所述旋转叶片中间通孔直径与旋转轴直径相等，所述旋转叶片中间设有对称的方形凸台。
所述质量块中间通孔直径与旋转轴直径相等，所述质量块中间设有对称的方形凸台。
所述通流透盖下部设有均布的通流孔，所述通流透盖下部直径大于上钻铤和下钻铤的内孔直径。
所述通流盘均匀开设有通流孔，所述通流盘的直径大于钻铤的内孔直径。
所述连接盘上端均匀开设有螺栓孔，所述连接盘中央开设有与所述旋转轴底部的销孔直径一样的销孔。
本发明至少包括以下有益效果：
1、通过旋转阻尼缸和轴向阻尼缸吸收振动能量，能够同时实现对钻柱轴向和旋转振动的抑制。
2、旋转叶片和质量块与旋转轴通过槽口连接，旋转阻尼缸和轴向阻尼缸卡于钻铤和钻头的连接处，这些连接方式便于安装和更换，可大大提高生产效率。
3、旋转阻尼可通过改变旋转叶片数量来改变，弹簧刚度可通过更换弹簧来改变，质量块重量可通过更换定制不同尺寸的质量块来改变，本减振装置能够更好地满足多种钻进环境下的振动抑制需要。
4、整个减振装置内置于钻铤内部，不会影响钻柱的连接强度。
5、旋转阻尼缸和轴向阻尼缸置于钻铤内部，钻井液的冲刷可以为阻尼缸降温，保证阻尼缸的耗能效果。
6、整个减振装置可安装于多根钻铤中间，能够消除钻柱整体的振动，以达到更好的振动抑制效果。
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为本发明的减振装置安装示意图；
图2为本发明的减振装置结构图；
图3-1为本发明的减振装置轴测图；
图3-2为本发明的减振装置轴向剖视轴测图；
图4-1为本发明的旋转轴与旋转弹性元件安装结构示意图；
图4-2为本发明的旋转轴结构示意图；
图5为本发明的旋转叶片结构示意图；
图6为本发明的质量块结构示意图
图中：1、旋转阻尼缸；2、转轴密封盖；3、通流透盖；4、上钻铤；5、下钻铤；6、旋转轴；7、旋转叶片；8、旋转弹性元件；9、质量块；10、轴向阻尼缸；11、通流盘；12、钻头；13、轴向阻尼活塞；14、连接盘；15、连接销；16、上弹性元件；17、下弹性元件，61凸台。
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。
根据图所示，本发明提供了可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，技术方案如下：
旋转阻尼缸1为圆柱中空型结构，所述旋转阻尼缸1上部连接有转轴密封盖2；所述旋转阻尼缸1下方连接有通流透盖3；所述通流透盖3下方卡在上钻铤4和下钻铤5的连接处；旋转阻尼缸1中间安装有旋转轴6，所述旋转轴6上部安装有旋转叶片7；所述旋转轴6中部上方安装有旋转弹性元件8，所述旋转弹性元件8与通流透盖3下端相连，所述旋转弹性元件8可以为扭转弹簧；所述旋转轴6下部连接有质量块9；
轴向阻尼缸10，其为圆柱中空型结构，所述轴向阻尼缸10下方焊接有通流盘11，所述通流盘11卡在下钻铤5和钻头12的连接处，所述轴向阻尼缸10中间安装有轴向阻尼活塞13，所述轴向阻尼活塞13上端焊接有连接盘14，所述连接盘14与质量块9通过螺栓连接；
连接销15，其设置于旋转轴6底部，所述连接销15下端与连接盘14中心相连；
上弹性元件16，其设置于旋转轴6中部下方，所述上弹性元件16下端与质量块9上端相连，所述上弹性元件16具体可以为压缩弹簧；
下弹性元件17，其设置于连接盘14下方，所述下弹性元件17下端与轴向阻尼缸10上端相连，所述下弹性元件17具体可以为压缩弹簧。
在上述的方案中，质量块9吸收钻柱振动产生的部分能量，通过旋转弹性元件8和旋转阻尼缸1消耗旋转振动的能量，通过轴向弹簧和轴向阻尼缸10消耗轴向振动产生的能量，在实际工程中，根据钻井环境的不同可以调节旋转叶片7数量、更换旋转弹性元件8、更换轴向弹簧、更换轴向阻尼缸10长度、更换质量块9来调节整个装置的旋转和轴向阻尼和刚度、质量块9质量，从而使得装置达到最佳的减振效果，整个转置都是通过凸台凹槽配合、卡接的方式装配，安装效率高，整个装置安装于钻铤内部，钻井液的冲刷有助于装置的降温，保证系统的工作性能，可在多根钻铤中安装多个减振装置，以抑制钻柱整体的振动。
一个优选方案中，所述旋转轴6侧面上方和下方均开设有对称的方形槽，所述旋转轴6中部设有凸台，所述旋转轴6中部凸台上开设有小孔，所述旋转轴6底部中央开设有销孔。凸台用来承载旋转弹性元件8，凸台上的小孔用来固定旋转弹性元件8的转动端。
在上述的方案中，所述旋转轴6的上方和下方的方形槽可以传递旋转叶片7和质量块9的扭矩，所述旋转轴6下方的方形槽可以使质量块9上下滑动。
一个优选方案中，所述转轴密封盖2中间有与旋转轴6直径相等的沉孔。
在上述的方案中，所述旋转轴6密封盖2中间的沉孔用于支撑所述旋转轴6的上端。
一个优选方案中，所述旋转叶片7中间通孔直径与旋转轴6直径相等，所述旋转叶片7外径小于阻尼缸内径，所述旋转叶片7中间设有对称的方形凸台。
在上述的方案中，所述旋转叶片7通过在阻尼缸中旋转，与阻尼液相互作用，把扭转振动转换为热能，从而减小扭转振动。
一个优选方案中，所述质量块9中间通孔直径与旋转轴6直径相等，所述质量块9中间设有对称的方形凸台。
在上述的方案中，所述质量块9可以在旋转轴6上上下滑动，质量块9转动时通过中间的方形凸台将扭矩传递给旋转轴6。
一个优选方案中，所述通流透盖3下部设有均布的通流孔，所述通流透盖3下部直径大于钻铤的内孔直径。
在上述的方案中，所述通流透盖3允许钻井液通过装置，不影响钻井液的正常流动。
一个优选方案中，所述通流盘11均匀开设有通流孔，所述通流盘11的直径大于钻铤的内孔直径。
在上述的方案中，所述通流盘11允许钻井液通过装置，不影响钻井液的正常流动。
一个优选方案中，所述连接盘14上端均匀开设有螺栓孔，所述连接盘14中央开设有与所述旋转轴6底部的销孔直径一样的销孔。
在上述方案中，所述连接盘与旋转轴轴心在同一直线上，保证了上下运动的灵活性。
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 (9)
1.可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，其特征在于，钻铤内部设置旋转阻尼结构和轴向阻尼结构；
所述旋转阻尼结构包括圆柱中空型结构的旋转阻尼缸(1)，所述旋转阻尼缸(1)上部连接有转轴密封盖(2)；所述旋转阻尼缸(1)下方连接有通流透盖(3)；所述旋转阻尼缸(1)中间安装有旋转轴(6)，所述旋转轴(6)上部安装有旋转叶片(7)；所述旋转轴(6)中部与旋转弹性元件(8)的转动端连接，所述旋转弹性元件(8)的固定端与通流透盖(3)下端相连；所述旋转轴(6)下部连接有质量块(9)；
所述轴向阻尼结构包括圆柱中空型结构的轴向阻尼缸(10)，所述轴向阻尼缸(10)下方固定有通流盘(11)，所述轴向阻尼缸(10)中间安装有轴向阻尼活塞(13)，所述轴向阻尼活塞(13)上端固定有连接盘(14)，所述连接盘(14)与质量块(9)通过螺栓连接；
连接销(15)设置于旋转轴(6)底部，所述连接销(15)下端与连接盘(14)中心相连；
上弹性元件(16)设置于旋转轴(6)中部下方，所述上弹性元件(16)下端与质量块(9)上端相连；
下弹性元件(17)设置于连接盘(14)下方，所述下弹性元件(17)下端与轴向阻尼缸(10)上端相连。
2.根据权利要求1所述的可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，其特征在于：所述通流透盖(3)下方卡在上钻铤(4)和下钻铤(5)的连接处；所述通流盘(11)卡在下钻铤(5)和钻头(12)的连接处。
3.根据权利要求1所述的可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，其特征在于：所述旋转轴(6)侧面上方和下方均开设有对称的方形槽，所述旋转轴(6)中部设有凸台(61)，所述旋转轴(6)中部凸台上开设有小孔，所述旋转轴(6)底部中央开设有销孔。
4.根据权利要求1所述的可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，其特征在于：所述转轴密封盖(2)中间有与旋转轴(6)直径相等的沉孔。
5.根据权利要求1所述的可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，其特征在于：所述旋转叶片(7)中间通孔直径与旋转轴(6)直径相等，所述旋转叶片(7)中间设有对称的方形凸台。
6.根据权利要求1所述的可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，其特征在于：所述质量块(9)中间通孔直径与旋转轴(6)直径相等，所述质量块(9)中间设有对称的方形凸台。
7.根据权利要求1所述的可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，其特征在于：所述通流透盖(3)下部设有均布的通流孔，所述通流透盖(3)下部直径大于上钻铤(4)和下钻铤(5)的内孔直径。
8.根据权利要求1所述的可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，其特征在于：所述通流盘(11)均匀开设有通流孔，所述通流盘(11)的直径大于钻铤的内孔直径。
9.根据权利要求1所述的可调式钻柱轴向-扭转耦合振动抑制装置，其特征在于：所述连接盘(14)上端均匀开设有螺栓孔，所述连接盘(14)中央开设有与所述旋转轴(6)底部的销孔直径一样的销孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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