CN110219595B - 一种新型水力振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型水力振荡器,包括外筒体、动力总成和阀体总成,所述外筒体由上接头、上套筒、下套筒以及下接头依次连接而成,所述阀体总成包括相互连接的动阀座和静阀座,所述阀体总成设置于下套筒和下接头内,所述动力总成包括入口阀、缸体总成、出口阀和转子,所述缸体总成位于入口阀和出口阀之间且由多级缸体连接组成,所述转子穿设于缸体总成内,所述转子的一端连接入口阀,转子的另一端连接动阀座,所述缸体内均设有同步回旋转动装置。本发明具有同步回旋马达驱动和全金属结构的特点,内部为全滚动摩擦,机械运动的摩擦阻力较低,可适应复杂工况,寿命长,泵效高,压耗低,易于制造维护,有良好的应用前景。

Description

一种新型水力振荡器
技术领域
本发明涉及石油井下水力脉冲提速工具领域。更具体地说,本发明涉及一种新型水力振荡器。
背景技术
随着各大油田开发,大斜度井、水平井和多分支水平井等复杂结构井应用的数量越来越多,井眼越来越不规则,井斜角大,滑动钻进模式的钻柱和井壁之间的摩阻越来越大,导致钻压传递效率低,严重制约了钻进速度和延伸能力。
自20世纪90年代以来,国内外多家石油公司致力于水力振荡器研发,目前具有代表性并已经商业化应用的是NOV研发的产品,大量实践表明,其水力振荡器结构简单,摩擦阻力降低75%-80%,定向效果好,广泛应用于大斜度井、水平井和多分支井等钻井作业中。
但商业化应用的螺杆式水力振荡器也存在突出的技术矛盾问题,即动力部分为2:1的单头螺杆马达,其一,其定子为橡胶,属于易损件,寿命较短,并且不适用于高温、盐水、腐蚀等复杂井况条件,在油基泥浆和水基泥浆混用下寿命会急剧缩短。其二,由于现场对压耗的控制十分严格,必须在保证驱动阀运动的条件下,协调好马达容积效率和螺杆的压耗之间的关系,使得螺杆马达的容积效率偏低,只有60%左右。提高水力振荡器的马达效率以及拓宽水力振荡器的工况适应性成是一个待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种不同于螺杆驱动方式,适用于超低压流体驱动场合的新型水力振荡器。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点,提供了一种新型水力振荡器,包括:外筒体、动力总成和阀体总成,所述外筒体由上接头、上套筒、下套筒以及下接头依次连接而成,所述阀体总成包括相互连接的动阀座和静阀座,所述阀体总成设置于下套筒和下接头内,所述动力总成包括入口阀、缸体总成、出口阀和转子,所述缸体总成位于入口阀和出口阀之间且由多级缸体连接组成,所述转子穿设于缸体总成内,所述转子的一端连接入口阀,转子的另一端连接动阀座,所述缸体内均设有同步回旋转动装置。
优选地,所述缸体外表面设有两个相互隔离的第一凹槽,第一凹槽分别与外筒体形成密封的入口腔室和出口腔室,第一凹槽上分别设有进液孔和出液孔。
优选地,所述缸体为中空的圆柱筒体,所述缸体内表面开设有轴向设置的第二凹槽,所述第二凹槽内设有密封片,所述第二凹槽底面开设有通孔,所述通孔内安装有压紧弹簧和固定螺钉。
优选地,所述密封片尾部通过通孔内设置的压紧弹簧以及固定螺钉紧固在缸体上,且由外筒体内表面限位。
优选地,所述同步回旋转动装置包括回转轮和滚筒,所述回转轮开设有偏心通孔并与转子键连接,所述滚筒通过滚动轴承设置在回转轮外周,所述密封片的头端呈弧形且在压紧弹簧复位力的作用下与滚筒线接触。
优选地,所述滚动轴承可为滚珠、滚针或滚轮。
优选地,所述入口阀和缸体总成之间设有上端板,所述上端板通过上密封盖与缸体总成固定连接,所述出口阀和缸体总成之间设有下端板,所述转子前端通过轴承Ⅰ与入口阀连接,所述转子中部通过轴承Ⅱ与下端板连接。
优选地,所述动阀座和静阀座之间设有相互贴合的动阀片和静阀片,所述动阀座连通出口阀和动阀片且设有多个流道孔,所述静阀片通过静阀座连接于下接头内壁。
优选地,所述动阀片开设有偏心流道孔,所述静阀片开设有同心流道孔,所述偏心流道孔和同心流道孔周期性重合和分离。
本发明至少包括以下有益效果:
1、同步回旋转动装置设置特有的滚动摩擦构造,相较于螺杆驱动方式,采用全滚动摩擦,机械运动的摩擦阻力较低,适用于超低压流体驱动的场合,且提高了关键零部件的使用寿命。
2、本水力振荡器采用全金属结构,没有橡胶件,适用于高温、盐水、酸性、腐蚀等复杂严苛的井况条件,可以在不同泥浆下混用,提高了使用寿命。
3、本水力振荡器相较于螺杆驱动方式,在保证低压耗的基础上,马达容积效率更高。
4、本水力振荡器采用的同步回旋结构,其零部件形状简单,便于加工制造,体积小重量轻,低成本高精度长寿命,维修保养也容易。
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是本发明中新型水力振荡器的剖视图;
图2是本发明中缸体的立体结构示意图;
图3是图1中A-A的剖视图。
图中:1-上接头;2-冲刷;3-入口阀;4-轴承Ⅰ;5-上密封压盖;6-上端板;7-上套筒;8-下端板;9-轴承Ⅱ;10-出口阀;11-垫片;12-下套筒;13-动阀座;14-动阀片;15-静阀片;16-静阀座;17-下接头;18-缸体总成;19-同步回旋转动装置;20-隔板;21-转子;22-紧固螺栓;1801-缸体;1802-固定螺钉;1803-压紧弹簧;1804-密封片;1901-回转轮;1902-滚动轴承;1903-滚筒;201-进液孔;202-出液孔;203-通孔;204-第二凹槽;301-入口腔室;302-出口腔室。
具体实施方式
下面结合实施例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。
需要说明的是,下述实施方案中所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法,所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得;在本发明的描述中,术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-3所示,本发明提供一种新型水力振荡器,包括外筒体、动力总成和阀体总成,外筒体由上接头1、上套筒7、下套筒12以及下接头17依次螺纹连接而成。
动力总成包括入口阀3、缸体总成18、出口阀10和转子21,缸体总成18位于入口阀3和出口阀10之间且由多级缸体连接组成,各级缸体间通过隔板20固定连接,入口阀3和缸体总成18之间设有上端板6,上端板6通过上密封盖与缸体总成18固定连接,出口阀10和缸体总成18之间设有下端板8,转子21穿设于缸体总成18内,转子21前端通过轴承Ⅰ4与入口阀3连接,转子21中部通过轴承Ⅱ9与下端板8连接,转子21后端连接动阀座13,缸体内均设有同步回旋转动装置19。
阀体总成包括相互连接的动阀座13和静阀座16,阀体总成设置于下套筒12和下接头17内,下接头17上端通过台阶限位固定设置有垫片11,动阀座13和静阀座16之间设有相互贴合的动阀片14和静阀片15,动阀座13连通出口阀10和动阀片14且设有多个流道孔,静阀片15通过静阀座16连接于下接头17内壁。动阀片14开设有偏心流道孔,静阀片15开设有同心流道孔,偏心流道孔和同心流道孔在转子21的作用下周期性重合和分离。
本实施例中,缸体1801外表面设有两个相互隔离的第一凹槽,第一凹槽分别与外筒体形成密封的入口腔室301和出口腔室302,第一凹槽上分别设有进液孔201和出液孔202。
入口阀3上通过紧固螺栓22连接有冲刷2,且入口阀3内具有多个流道孔,连通上接头1入口和缸体总成18中第一级缸体的入口腔室301,上一级缸体的出口腔室302与下一级缸体的入口腔室301对齐连接,出口阀10同样具有多个流道孔,连通缸体总成18中最后一级缸体的出口腔室302和阀体总成,从而建立多级缸体之间的流体通道。入口阀3和缸体总成18之间设有上端板6,出口阀10和缸体总成18之间设有下端板8,设置上端板6和下端板8将缸体总成18密封,防止压力泄露。
缸体1801为中空的圆柱筒体,缸体1801内表面开设有轴向设置的第二凹槽204,第二凹槽204内设有密封片1804,第二凹槽204底面开设有通孔203,通孔203内设置有压紧弹簧1803和固定螺钉1802,密封片1804的尾端在压紧弹簧1803和固定螺钉1802的作用下被紧固在缸体1801上,且由外筒体的内表面限位。
同步回旋转动装置19包括回转轮1901和滚筒1903,回转轮1901开设有偏心通孔203并与转子21键连接,滚筒1903通过滚动轴承1902设置在回转轮1901外周,滚动轴承1902可以是滚珠、滚针或滚轮,密封片1804的头部呈弧形且在通孔203内设置的压紧弹簧1803的复位作用力下与滚筒1902贴合,形成线接触密封,将缸体1801和滚筒1903之间的环形空间分隔成高压力腔和低压力腔。流体在压差的作用下,将流体动力转化为回转轮1901的旋转动力,进而带动转子21转动,使得阀体总成内动阀片14上的偏心流道孔和静阀片15上的同心流道孔周期性重合和分离。
在本实施例中,该新型水力振荡器工作时,流体从上接头1入口进入,流经入口阀3的流道孔、缸体总成18的入口腔室301、进液孔201,进入同步回旋转动装置19与缸体总成18之间的腔体,驱动同步回旋转动装置19在缸体总成18内壁转动,将流体运送自出液孔202、出口腔室302,逐级通过多级缸体总成18,从出口阀10的流道孔流出;最后从动阀座13的流道孔进入动阀片14和静阀片15的流道孔,再由下接头17流出。
多级同步回旋转动装置19在流体的作用下,将液力能转化为转子21的动能,带动转子21做周期性旋转运动,并传递到动阀座13及动阀片14。动阀座13和动阀片14固定在一起,且动阀片14和静阀片15贴合在一起,动阀片14相对于静阀片15做平面旋转运动,同时,动阀片14上设有偏心流道孔,静阀片15上设有同心流道孔,以便产生压力脉冲。在动阀片14旋转过程中,动阀片14和静阀片15上的流道孔周期性的重合和相错,使得流体的流通面积周期性的增大和变小,根据伯努利原理,面积的周期性变化导致流体压力的周期性变化,从而产生周期振动,这种振动沿沿轴向传递到上部钻杆和下部钻杆上,从而为钻头提供一定强度的冲击切削力,使钻柱与管壁之间的静摩擦力转换为动摩擦力,有效提高机械钻速。
该水力振荡器不同于现有的螺杆驱动式水力振荡器,采用同步回旋马达结构设计,内部为全滚动摩擦,机械运动的摩擦阻力较低,适用于超低压流体驱动的场合,且提高了关键零部件的使用寿命;该水力振荡器不仅提高了钻井速率而且与传统技术相比减少了能量消耗,同时采用全金属结构,适用于高温、盐水、酸性、腐蚀等复杂严苛的井况条件,延长了使用寿命,特别适合石油、天然气开采、钻井的施工需要。
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实施例。

Claims (7)

1.一种新型水力振荡器,其特征在于,包括:外筒体、动力总成和阀体总成,所述外筒体由上接头、上套筒、下套筒以及下接头依次连接而成,所述阀体总成包括相互连接的动阀座和静阀座,所述阀体总成设置于下套筒和下接头内,所述动力总成包括入口阀、缸体总成、出口阀和转子,所述缸体总成位于入口阀和出口阀之间且由多级缸体连接组成,所述转子穿设于缸体总成内,所述转子的一端连接入口阀,转子的另一端连接动阀座,所述缸体内均设有同步回旋转动装置;
所述缸体为中空的圆柱筒体,所述缸体内表面开设有轴向设置的第二凹槽,所述第二凹槽内设有密封片,所述第二凹槽底面开设有通孔,所述通孔内安装有压紧弹簧和固定螺钉;
所述同步回旋转动装置包括回转轮和滚筒,所述回转轮开设有偏心通孔并与转子键连接,所述滚筒通过滚动轴承设置在回转轮外周,所述密封片的头端呈弧形且在压紧弹簧复位力的作用下与滚筒线接触。
2.如权利要求1所述的新型水力振荡器,其特征在于,所述缸体外表面设有两个相互隔离的第一凹槽,第一凹槽分别与外筒体形成密封的入口腔室和出口腔室,第一凹槽上分别设有进液孔和出液孔。
3.如权利要求1所述的新型水力振荡器,其特征在于,所述密封片尾部通过通孔内设置的压紧弹簧以及固定螺钉紧固在缸体上,且由外筒体内表面限位。
4.如权利要求1所述的新型水力振荡器,其特征在于,所述滚动轴承可为滚珠、滚针或滚轮。
5.如权利要求1所述的新型水力振荡器,其特征在于,所述入口阀和缸体总成之间设有上端板,所述上端板通过上密封盖与缸体总成固定连接,所述出口阀和缸体总成之间设有下端板,所述转子前端通过轴承Ⅰ与入口阀连接,所述转子中部通过轴承Ⅱ与下端板连接。
6.如权利要求1所述的新型水力振荡器,其特征在于,所述动阀座和静阀座之间设有相互贴合的动阀片和静阀片,所述动阀座连通出口阀和动阀片且设有多个流道孔,所述静阀片通过静阀座连接于下接头内壁。
7.如权利要求6所述的新型水力振荡器,其特征在于,所述动阀片开设有偏心流道孔,所述静阀片开设有同心流道孔,所述偏心流道孔和同心流道孔周期性重合和分离。
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