CN109403866A - 节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器 - Google Patents
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Abstract
本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器属于石油作业设备技术领域，是由蠕动短节和动力短节的组合构成，蠕动短节和动力短节均为空心管状，蠕动短节通过其下方的下接头与动力短节上方的上接头螺纹连接，使得蠕动短节和动力短节中间形成脉冲通道。上接头的下口与定子套筒连接，定子套筒内匹配了螺杆转子，螺杆转子的上端与转子前支撑间隙配合、下端同轴固定了旋转阀盘，旋转阀盘与固定在定子套筒上的固定阀盘偏心间隙配合，定子套筒的下口连接了钻具下接头。本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器，将静摩擦转变为微小幅度的动摩擦，减少轴向摩擦和周向摩擦，从而解决马达托压，钻头损伤，钻具过度压缩，卡钻，扭矩波动，钻具倒扣风险加大，钻具疲劳等问题。
Description
技术领域
本发明属于石油作业设备技术领域，特别涉及一种节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器。
背景技术
钻具与井壁之间的静摩擦给定向井及水平井钻井施工带来了巨大挑战。根据方向，这种静摩擦可以分为两类：一是滑动钻进时产生的轴向摩擦，二是旋转钻进时产生的周向摩擦。轴向静摩擦导致了钻压无法有效传递；周向静摩擦导致了钻具旋转不连续。这两个现象给钻井作业制造各种问题：马达托压，钻头损伤，工具面难以控制，钻具过度压缩，卡钻，扭矩波动，钻具倒扣风险加大，钻具疲劳等。
发明内容
本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器，旨在于克服现有技术的不足，提供了一种新的技术方案。
本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器，是由蠕动短节和动力短节的组合构成，蠕动短节和动力短节均为空心管状，蠕动短节通过其下方的下接头与动力短节上方的上接头螺纹连接，使得蠕动短节和动力短节中间形成脉冲通道。蠕动短节由花键芯轴插接在套筒内构成，花键芯轴上方设有外部扩径的钻具上接头，花键芯轴的下部与套筒之间的环隙内安装碟形弹簧，花键芯轴的下端固定连接了活塞内筒，活塞内筒的上部与套筒之间的环隙内安装了助力活塞，套筒下端螺扣连接了活塞外筒，活塞外筒上部有内环缩径的限位支架与活塞内筒间隙配合，活塞内筒的下部与活塞外筒的间隙内固定了动力活塞，活塞外筒的下端螺扣连接了下接头，且下接头的上口缩径有活塞内筒的限位台。下接头与动力短节的上接头螺扣连接，上接头的下口与定子套筒连接，定子套筒内的上部安装有转子前支撑，定子套筒内匹配了螺杆转子，螺杆转子的上端与转子前支撑间隙配合、下端同轴固定了旋转阀盘，旋转阀盘与固定在定子套筒上的固定阀盘偏心间隙配合，定子套筒的下口连接了钻具下接头。
作为本发明的进一步改进，所述的固定阀盘中心上设有流通孔，螺杆转子与旋转阀盘连接的一端上设有介质入孔，旋转阀盘上设有偏心的脉冲调节孔，旋转阀盘的外径小于固定阀盘的外径并大于流通孔的直径。
作为本发明的进一步改进，所述的花键芯轴、活塞内筒、下接头、上接头、定子套筒和钻具下接头均为空心管状，脉冲通道由花键芯轴、活塞内筒、下接头、上接头、定子套筒、介质入孔、脉冲调节孔、流通孔和钻具下接头依次连通构成。
作为本发明的进一步改进，所述的活塞内筒在助力活塞与限位支架之间设有传压孔。
本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器，是一种利用钻井液为动力产生轴向蠕动的工具，动力短节将一部分钻井液的动能转化成压力脉冲，带动蠕动短节蠕动，蠕动短节将压力脉冲转化成钻具的机械能，将静摩擦转变为微小幅度的动摩擦，减少轴向摩擦和周向摩擦，从而解决马达托压，钻头损伤，工具面难以控制，钻具过度压缩，卡钻，扭矩波动，钻具倒扣风险加大，钻具疲劳等问题。
附图说明
图1是本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器的结构示意图；
图2是本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器的蠕动短节的结构示意图；
图3是本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器的动力短节的结构示意图；
图4是本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器的图2中A部结构放大图；
图5是本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器的图3中B部结构放大图；
图6-图10是本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器的脉冲调节孔运动轨迹示意图；
图11是本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器的脉冲强度随时间变化的曲线图。
具体实施方式
本发明的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器，是由蠕动短节1和动力短节2的组合构成，蠕动短节1和动力短节2均为空心管状，蠕动短节1通过其下方的下接头3与动力短节2上方的上接头4螺纹连接，中间形成脉冲通道24。蠕动短节1由花键芯轴5通过联接套26插接在套筒6内构成，联接套26座于套筒6上口、且在连接处设有耐磨环27。花键芯轴5上方设有外部扩径的钻具上接头7，连接上部钻具；花键芯轴5的下部与套筒6之间的环隙内安装碟形弹簧8，碟形弹簧8使活塞在压力脉冲处于低值时回弹；花键芯轴5的下端固定连接了活塞内筒9，活塞内筒9的上部与套筒6之间的环隙内安装了助力活塞10，套筒6下端螺扣连接了活塞外筒11，活塞外筒11上部有内环缩径的限位支架12与活塞内筒9间隙配合，活塞内筒9的下部与活塞外筒11的间隙内固定了动力活塞13，活塞外筒11的下端螺扣连接了下接头3，且下接头3的上口缩径有活塞内筒9的限位台14，活塞内筒9在助力活塞10与限位支架12之间设有传压孔25。
下接头3与动力短节2的上接头4螺扣连接，上接头4的下口与定子套筒15连接，定子套筒15内的上部安装有转子前支撑17，转子前支撑17一方面起限位作用，限制螺杆转子16的运动距离、防止螺杆转子上移，另一方面在转子前支撑17上安装有滤网，可对进入的介质进行过滤。定子套筒15内匹配了螺杆转子16，螺杆转子16的上端与转子前支撑17间隙配合、下端同轴固定了旋转阀盘18，旋转阀盘18与螺杆转子相连，与固定阀盘紧密配合，螺杆转子旋转时产生周期性过流面积，从而产生压力脉冲；旋转阀盘18与固定在定子套筒15上的固定阀盘19偏心间隙配合，固定阀盘与动短节的钻具下接头相连，与旋转阀盘紧密配合，螺杆转子旋转时产生周期性过流面积，从而产生压力脉冲；定子套筒15的下口连接了钻具下接头20。
固定阀盘19中心上设有流通孔21，螺杆转子16与旋转阀盘18连接的一端上设有介质入孔22，介质入孔22与脉冲调节孔23连通，旋转阀盘18上设有偏心的脉冲调节孔23，旋转阀盘18的外径小于固定阀盘19的外径并大于流通孔21的直径。花键芯轴5、活塞内筒9、下接头3、上接头4、定子套筒15和钻具下接头20均为空心管状，脉冲通道24由花键芯轴5、活塞内筒9、下接头3、上接头4、定子套筒15、介质入孔22、脉冲调节孔23、流通孔21和钻具下接头20依次连通构成。
本发明利用钻井液为动力产生轴向蠕动，钻井液从钻具上接头7进入工具内部，通过脉冲通道24从钻具下接头20的下口流出，当钻井液在脉冲通道24内流经定子套筒15时，螺杆转子16在流量驱动下旋转，将液体压力能转化为机械能，并带动旋转阀盘18以固定阀盘19的中心为中心点偏心旋转，在旋转阀盘18旋转时，通过改变脉冲调节孔23与流通孔21的连通面积，从而改变钻井液的通过流量，并将一部分钻井液的动能转化成向上传播的压力脉冲。螺杆转子16的旋转使得旋转阀盘18与固定阀盘19之间在开放位置和节流位置间往复运动，如图6-图10所示，周期性地改变了工具内的过流面积，进而产生周期性压力变化，即压力脉冲。
压力脉冲向上传播进入蠕动短节1，传递给动力活塞13，并通过传压孔25传递给助力活塞10，当压力脉冲峰值时，在动力活塞13与助力活塞10的共同作用下，使花键芯轴5行程推出；当压力脉冲处于低值时，在碟形弹簧8的反作用力作用下，将花键芯轴5推至原位，通过这种方式，蠕动短节1在周期性压力变化下重复轴向往复运动。因此，花键芯轴5与工具壳体（套筒6和活塞外筒11）之间产生相对蠕动，将静摩擦转变为微小幅度的动摩擦，从而减少轴向摩擦和周向摩擦。本发明的蠕动短节采用双活塞的设计，与单活塞相比，可以使工具压耗降低30%，从而降低了钻井作业的泵压。
本申请的碟形弹簧选用合金钢制成，其组成元素见表1，用上述元素制成的碟形弹簧的软硬程度可达到最佳平衡状态：既不过软使弹簧过早疲劳，也不过硬使得其影响芯轴推出的行程。
表1：
本申请的旋转阀盘和固定阀盘均由为98%碳化钨与2%钴制成。碳化钨中的微量元素比例见表2，此材质的阀盘可达到韧性与硬度的最佳平衡点。
表2：
Claims (4)
1.节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器，是由蠕动短节（1）和动力短节（2）的组合构成，其特征在于蠕动短节（1）和动力短节（2）均为空心管状，蠕动短节（1）通过其下方的下接头（3）与动力短节（2）上方的上接头（4）螺纹连接，使得蠕动短节（1）和动力短节（2）中间形成脉冲通道（24）；蠕动短节（1）由花键芯轴（5）插接在套筒（6）内构成，花键芯轴（5）上方设有外部扩径的钻具上接头（7），花键芯轴（5）的下部与套筒（6）之间的环隙内安装碟形弹簧（8），花键芯轴（5）的下端固定连接了活塞内筒（9），活塞内筒（9）的上部与套筒（6）之间的环隙内安装了助力活塞（10），套筒（6）下端螺扣连接了活塞外筒（11），活塞外筒（11）上部有内环缩径的限位支架（12）与活塞内筒（9）间隙配合，活塞内筒（9）的下部与活塞外筒（11）的间隙内固定了动力活塞（13），活塞外筒（11）的下端螺扣连接了下接头（3），且下接头（3）的上口缩径有活塞内筒（9）的限位台（14）；下接头（3）与动力短节（2）的上接头（4）螺扣连接，上接头（4）的下口与定子套筒（15）连接，定子套筒（15）内的上部安装有转子前支撑（17），定子套筒（15）内匹配了螺杆转子（16），螺杆转子（16）的上端与转子前支撑（17）间隙配合、下端同轴固定了旋转阀盘（18），旋转阀盘（18）与固定在定子套筒（15）上的固定阀盘（19）偏心间隙配合，定子套筒（15）的下口连接了钻具下接头（20）。
2.如权利要求1所述的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器，其特征在于固定阀盘（19）中心上设有流通孔（21），螺杆转子（16）与旋转阀盘（18）连接的一端上设有介质入孔（22），旋转阀盘（18）上设有偏心的脉冲调节孔（23），旋转阀盘（18）的外径小于固定阀盘（19）的外径并大于流通孔（21）的直径。
3.如权利要求1所述的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器，其特征在于花键芯轴（5）、活塞内筒（9）、下接头（3）、上接头（4）、定子套筒（15）和钻具下接头（20）均为空心管状，脉冲通道（24）由花键芯轴（5）、活塞内筒（9）、下接头（3）、上接头（4）、定子套筒（15）、溢流孔（22）、脉冲调节孔（23）、流通孔（21）和钻具下接头（20）依次连通构成。
4.如权利要求1所述的节率式高频水力脉冲振荡减阻提速器，其特征在于活塞内筒（9）在助力活塞（10）与限位支架（12）之间设有传压孔（25）。
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