CN109707313A - 叶轮式多脉冲水力振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油钻井等领域中的具有促进排屑功能的水力振荡器。其技术方案是：上接头、上壳体、下壳体和下接头依次通过螺纹连接；叶轮通过平键与叶轮轴配合以实现其周向定位，并通过叶轮轴上的阶梯和锁紧螺母实现其轴向定位；叶轮芯轴、传动短节和阀芯依次通过螺纹连接；传动短节径向开有四个相互间隔90°的通孔，下端与动阀板通过螺纹连接；阀芯上端设有两个相互间隔180°的径向通孔；上接头中部开有两个相互间隔180°的通孔，零件装配之后上接头上的通孔与阀芯上的通孔处于径向同一平面内。本发明可产生轴向振动，有效减小水平井、大位移井下部钻具与井壁的摩阻力，能提高钻井液携岩能力，在提高钻井效率的同时，可避免粘卡等井下事故。

Description

叶轮式多脉冲水力振荡器

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程领域一种新型井下工具，特别是具有促进排屑功能的新型水力振荡器。

背景技术

近年来，随着我国工业的不断发展，石油、天然气的需求和开采量也日益增多。然而，为了缓解我国石油资源的短缺问题，人们开始向深井、超深井等环境条件严峻的领域进行石油开采。新型油气井开采使钻井工程面临更复杂的情况，为满足新钻井条件或新型油气资源(如煤层气、页岩气、海洋油气等)的需要，对应的新钻井方法与工具也不断发展。在水平井和大位移井中，随着入井深度增加，钻柱与井壁之间的摩擦力逐渐增大导致钻压损失，也不利于机械钻速的提高，同时还会严重影响钻井的靶径及井眼质量，这也是制约水平井、大位移井技术发展的一个重要因素。在解决这些问题的方法中，通过机械方式工作的井下工具利用钻井液实现能量转换，以此产生一定的预期振动，在近几年发展迅速。在井下钻柱引入水力振荡器，可以使钻柱产生一定频率和振幅的周期性的振动，使送进过程中的静摩阻变成动摩阻，在减小送进过程中的摩擦阻力、提高机械钻速、增加水平进尺和缩短钻进周期方面具有明显优势。钻井工程面临的地层工作环境复杂，钻井深度不断增加，导致钻头破岩效率不高钻头在钻进深井地层时，普遍存在钻进速度很慢、钻井花费的成本高，而钻井速度的提高关键在于如何提高钻头的破岩效率。

基于此，本文在现有研究基础上，提出一种新型的振荡器，利用钻井液实现能量转换，产生以轴向振动为主的复合振动，并结合机身结构参数与钻井参数，实现钻进过程减摩降阻、增大钻头有效钻压、提高机械钻速以及延伸钻柱入井位移等目的。

发明内容

本发明的目的在于：为克服现有水平井、大位移井钻进摩阻大，井口钻压无法有效传递给钻头的不足、钻井液的携岩能力不高以及现有轴向振动工具使用效果不理想的问题，设计一种新型叶轮式多脉冲水力振荡器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述的叶轮式多脉冲水力振荡器，由上接头、推力轴承、轴承挡环、O型密封圈A、喷嘴、O型密封圈B、耐磨衬套、O型密封圈C、阀芯、柱形连接块、上壳体、导流套、锁紧螺母、垫片、叶轮、平键A、叶轮套筒、叶轮轴、平键B、定位套筒A、滑动轴承、过流盘、支撑盘、定位套筒B、传动短节、下壳体、动阀板、静阀板、套筒、下接头组成，其特征在于上接头、上壳体、下壳体和下接头依次通过螺纹连接；上接头中部设置有4个相互间隔90°的径向通孔，通孔内设置有螺纹，喷嘴5装在上接头中部的4个径向通孔内，并通过螺纹固定其位置；推力轴承位于上接头与轴承挡环之间，轴承挡环位于阀芯上端，推力轴承下端设置有O型密封圈A；耐磨衬套位于阀芯与上壳体之间，并与上壳体之间采用过盈配合，与阀芯之间采用间隙配合，在耐磨衬套上下两边设置有O型密封圈B和O型密封圈C将其与钻井液隔开；阀芯上端设置有两个相互间隔180°的径向通孔，与柱形连接块通过平键A连接；柱形连接块与叶轮通过螺纹连接；导流套、叶轮套筒、过流盘、支撑盘位于下壳体内部，依次首尾接触，通过上壳体卡紧，实现其轴向定位；叶轮位于叶轮套筒内部，并通过平键B与叶轮轴配合实现其周向定位，通过锁紧螺母与叶轮轴上的阶梯将叶轮固定在叶轮轴上，实现其轴向定位；定位套筒B与叶轮轴之间采用过盈配合；滑动轴承位于过流盘与定位套筒A之间，滑动轴承内圈与定位套筒A采用过盈配合，滑动轴承外圈与过流盘采用过盈配合；叶轮轴、传动短节和动阀板依次通过螺纹连接，传动短节中部设置有4个相互间隔90°的过流通孔；套筒上端与静阀板紧挨，下端与下接头紧挨，实现对静阀板的定位。

本发明与现有技术比较，其有益效果是：(1)只需要较小的立管压力就可以产生脉冲；(2)叶轮式多脉冲水力振荡器可在振荡器前端与下端产生多个脉冲；(3)常规水力振荡器会使泵压升高，叶轮式多脉冲水力振荡器设有全新的旁通，可以在提高钻速的同时降低泵压，减小对泵的消耗；(4)叶轮式多脉冲水力振荡器可提供一个周期性低频轴向冲击力；(5)叶轮式多脉冲水力振荡器沿径向喷出的钻井液对井壁有清洁冲击的能力，有助于减摩，提高岩屑环空的运移与钻井液携岩能力。

附图说明

图1为本发明所述的叶轮式多脉冲水力振荡器的结构示意图。

图中：1-上接头、2-推力轴承、3-轴承挡环、4-O型密封圈A、5-喷嘴、6-O型密封圈B、7-耐磨衬套、8-O型密封圈C、9-阀芯、10-柱形连接块、11-平键A、12-上壳体、13-导流套、14-锁紧螺母、15-垫片、16-叶轮、17-平键B、18-叶轮套筒、19-叶轮轴、20-定位套筒A、21-滑动轴承、22-过流盘、23-支撑盘、24-定位套筒B、25-传动短节、26-下壳体、27-动阀板、28-静阀板、29-套筒、30-下接头。

图2为本发明图1中A-A面的截面图。

图3为本发明图1中B-B面的截面图。

图4为本发明所述的动、静阀板完全重合过流面积最大时的剖面图。

图5为本发明所述的动、静阀板运动时过流面积最小时的剖面图。

图中：26-动阀板，27-静阀板。

图6为本发明所述的柱形连接块剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

根据附图所示，所述叶轮式多脉冲水力振荡器，由上接头、推力轴承、轴承挡环、O型密封圈A、喷嘴、O型密封圈B、耐磨衬套、O型密封圈C、阀芯、柱形连接块、平键A、上壳体、导流套、锁紧螺母、垫片、叶轮、平键B、叶轮套筒、叶轮轴、定位套筒A、滑动轴承、过流盘、支撑盘、定位套筒B、传动短节、下壳体、动阀板、静阀板、套筒、下接头组成，其特征在于上接头1、上壳体11、下壳体26和下接头30依次通过螺纹丝扣连接；上接头1中部设置有4个相互间隔90°的径向通孔，通孔内设置有螺纹，喷嘴5装在上接头1中部的4个径向通孔内，并通过螺纹固定其位置；推力轴承2位于上接头1与轴承挡环3之间，轴承挡环3位于阀芯9上端，推力轴承2下端设置有O型密封圈A4；耐磨衬套7位于阀芯9与上壳体1之间，并与上壳体1之间采用过盈配合，与阀芯9之间采用间隙配合，在耐磨衬套7上下两边设置有O型密封圈B6和O型密封圈C8将其与钻井液隔开；阀芯9上端设置有两个相互间隔180°的径向通孔，与柱形连接块10通过平键A12连接；柱形连接块10与叶轮16通过焊接连接；导流套13、叶轮套筒18、过流盘22、支撑盘23位于下壳体内部，依次首尾接触，通过上壳体卡紧，实现其轴向定位；叶轮16位于叶轮套筒18内部，并通过平键B17与叶轮轴19配合实现其周向定位，通过锁紧螺母15与叶轮轴19上的阶梯将叶轮16固定在叶轮轴19上，实现其轴向定位；定位套筒B24与叶轮轴19之间采用过盈配合；滑动轴承21位于过流盘22与定位套筒A20之间，滑动轴承内圈与定位套筒B24采用过盈配合，滑动轴承外圈与过流盘22采用过盈配合；叶轮轴19、传动短节25和动阀板27依次通过螺纹连接，传动短节25中部设置有4个相互间隔90°的过流通孔；套筒29上端与静阀板28紧挨，实现对静阀板28的定位，下端与下接头30紧挨。

工作过程中，叶轮式多脉冲水力振荡器上部接减振器配合使用，从减震器流出的钻井液直接从上接头1流入本工具，钻井液流过导流套13冲击叶轮16，使叶轮旋转。冲击叶轮16后的钻井液从叶轮16下端流出，流经过流盘22上的通孔，进入传动短节25与下壳体26之间的环空，然后一部分钻井液再从传动短节25上的径向通孔进入传动短节内部，再随之流经动阀板27、静阀板28，最后从下接头30流出，进入下部钻具组合。由叶轮16产生的旋转运动通过柱形连接块10传递给阀芯9，使阀芯9做旋转运动。阀芯9做旋转运动时，当阀芯9上端的径向通孔与上接头1中部的径向通孔连通时，阀芯9内部的一部分钻井液从喷嘴5喷出，进入井眼环空，喷出的钻井液可以清洁井壁，搅动岩屑，增加钻井液的携岩能力。由于井眼环空的钻井液的压力要小于阀芯9内部钻井液的压力，故阀芯9内部钻井液从喷嘴5流出时，阀芯9内部钻井液的压力会降低；当阀芯9上端的径向通孔与上接头1中部的径向通孔错开，不连通时，阀芯9内部钻井液的压力会回升到初始值。阀芯9旋转一周时，阀芯9下端的径向通孔与上接头1中部的径向通孔在连通与不连通之间循环两次，使阀芯9内部钻井液的压力随之产生波动，如此反复，便会使立管压力产生一个周期性波动，利用钻井液实现能量转换，产生以轴向振动。传动短节25作旋转运动时，动阀板27跟着一起作旋转运动，一部分钻井液从传动短节25与下壳体26之间的环空经动阀板27的扇形通孔流入静阀板28，最后从下接头30流出，进入下部钻具组合。动阀板27的旋转运动改变了动阀板27与静阀板28之间钻井液的过流面积，过流面积的变化可产生脉冲压力波的变化，如此反复，便会产生周期性波动，轴向振动。

Claims (4)

1.叶轮式多脉冲水力振荡器，由上接头、推力轴承、轴承挡环、O型密封圈A、喷嘴、O型密封圈B、耐磨衬套、O型密封圈C、阀芯、柱形连接块、平键A、上壳体、导流套、锁紧螺母、垫片、叶轮、平键B、叶轮套筒、叶轮轴、定位套筒A、滑动轴承、过流盘、支撑盘、定位套筒B、传动短节、下壳体、动阀板、静阀板、套筒、下接头组成，其特征在于上接头(1)、上壳体(11)、下壳体(26)和下接头(30)依次通过螺纹连接；上接头(1)中部设置有4个相互间隔90°的径向通孔，通孔内设置有螺纹，喷嘴(5)装在上接头(1)中部的4个径向通孔内，并通过螺纹固定其位置；推力轴承(2)位于上接头(1)与轴承挡环(3)之间，轴承挡环(3)位于阀芯(9)上端，推力轴承(2)下端设置有O型密封圈A(4)；耐磨衬套(7)位于阀芯(9)与上壳体(1)之间，并与上壳体(1)之间采用过盈配合，与阀芯(9)之间采用间隙配合，在耐磨衬套(7)上下两边设置有O型密封圈B(6)和O型密封圈C(8)将其与钻井液隔开；阀芯(9)上端设置有两个相互间隔180°的径向通孔，与柱形连接块(10)通过平键A(12)连接；柱形连接块(10)与叶轮(16)通过螺纹连接；导流套(13)、叶轮套筒(18)、过流环(22)、支撑环(23)位于下壳体内部，依次相互接触，通过上壳体卡紧，实现其轴向定位；叶轮(16)位于叶轮套筒(18)内部，并通过平键B(17)与叶轮轴(19)配合实现其周向定位，通过锁紧螺母(15)将叶轮轴(19)上的台阶固定在叶轮轴(19)上，实现其轴向定位；定位套筒B(24)与叶轮轴(19)之间采用过盈配合；滑动轴承(21)位于过流盘(22)与定位套筒A(20)之间，滑动轴承内圈与定位套筒A(20)采用过盈配合，滑动轴承外圈与过流盘(22)采用过盈配合；叶轮轴(19)、传动短节(25)和动阀板(27)依次通过螺纹连接，传动短节(25)中部设置有4个相互间隔90°的过流通孔；套筒(29)上端与静阀板(28)紧挨，下端与下接头(30)紧挨，实现对静阀板(28)的定位。

2.根据权利要求1所述的动、静阀板，其特征在于动阀板(27)与传动短节(25)之间通过螺纹连接，动、静阀板中部均设有同心通孔，周向均匀分布有2个扇形过流孔。

3.根据权利要求1所述的叶轮式多脉冲水力振荡器，其特征在于上接头(1)中部的四个径向通孔处于同一平面内，工具装配体完成之后，阀芯(9)上端两个径向通孔处于上接头(1)中部的四个径向通孔所构成的平面内。

4.根据权利要求1所述的传动短节，其特征在于传动短节(25)径向开有四个相互间隔90°的通孔。