CN110566122A - 一种用于定向钻井作业的水力振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于定向钻井作业的水力振荡器，由动力短节和振动短节组成：其中动力短节包括动力外壳、轴承、转轴、叶片、连接架、旋转筒和活塞；振动短节包括滑套、滑轴、连接套和碟簧。本发明的优点在于采用旋转筒结构直接推动振动短节进行周期性往复振动，相对于传统利用水压变化的驱动方式，振荡频率减缓，且振荡幅度和周期更加稳定，有效避免了高频振动对井下高精密仪器的影响，保证钻具整体的工作稳定性；另外，本发明在使用时钻井液不会冲蚀水力振荡器的易损部件，包括滚轮、碟簧等，振荡器的使用寿命得到有效延长。
Description
技术领域
本发明涉及钻井设备技术领域，具体涉及一种用于定向钻井作业的水力振荡器。
背景技术
在定向钻井作业过程中,钻具组合或钻杆与井壁接触,造成钻具和井壁之间摩擦阻力较大，使钻压传递过程中损耗增大、钻进效率降低；随着井眼水平段加长，出现脱压、粘连、丢失工具现象越来越多，从而大大限制了钻进速度，制约了水平段长度的延伸，因此如何减小阻力、实现快速钻进和提高井水平段长度已成为业界关注的焦点。而水力振荡器在水力的作用下，可以产生沿钻具组合或者钻杆轴线方向上的振动，该振动可有效的改变轴向荷载的转换、降低摩擦阻力，有效传递稳定的钻压，从而有效解决钻具与井壁之间的摩擦阻力，防止钻具脱压，提高钻进速度，特别是有螺杆的滑动钻进过程中，可保护钻头提高机械钻速和钻头的进尺，缩短钻井周期，减少钻头的起下钻次数及卡钻的风险。
传统水力振荡器是由振动短节和动力短节组成，当钻井液经过动力短节时，驱动螺杆旋转，螺杆末端固定阀盘的过流孔设置在中心，与有偏心过流孔的振荡阀盘紧密配合，由于转子旋转，2个阀盘的过流孔发生周期性交错与重合，使工具下端过流面积发生周期性变化，导致工具上部压力产生周期性变化，形成脉冲压力。当压力升高时，钻井液压力推动活塞和芯轴压缩碟簧，芯轴伸出；而当压力降低时，芯轴回到原位，这样脉冲压力就引起了振动短节的轴向振动，改变钻柱与井壁的摩擦条件，达到降低摩阻和提速的目的。
然而，传统水力振荡器的振荡方式存在以下缺陷：由于钻井液流走或者积压的过程均是循序渐进的，但是过流面积变化右较快，所以使得内部水压变化周期过短，导致振荡频率较快，振荡幅度小且不稳定，这容易影响井下高精密仪器的正常工作，例如对MWD的测量产生影响，导致仪器无信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于定向钻井作业的水力振荡器，其解决了传统水力振荡器振荡频率太快、振荡幅度小且不稳定的缺陷。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种用于定向钻井作业的水力振荡器，由动力短节和振动短节组成：
所述动力短节包括动力外壳、轴承、转轴、叶片、连接架、旋转筒和活塞，所述转轴通过轴承活动连接在动力外壳内，所述叶片均匀布置在转轴上，所述旋转筒通过连接架安装在转轴的顶端，旋转筒由外筒和内筒粘接组成，所述内筒的高度大于外筒高度，且外筒的顶部端面设为起伏结构，所述活塞设在动力外壳的内壁上，且活塞的内侧与旋转筒的外筒紧密接触；
所述振动短节包括滑套、滑轴、连接套和碟簧，所述滑套连接在动力外壳的端部，所述滑轴活动设在滑套内部，所述连接套一端固定连接于滑轴上，另一端紧贴于旋转筒的内筒外壁，且在该端头设有支撑杆，所述支撑杆上设有滚轮，所述滚轮压在旋转筒的外筒顶部端面，所述碟簧一端连接于滑套，另一端连接于连接套。
进一步改进在于，所述外筒顶部端面上与筒心对称的任意两个点的高度相等，所述支撑杆和滚轮有两组，且对称设在连接套的端头。
进一步改进在于，所述外筒顶部端面的起伏结构由半径相等的外凸半圆弧面和内凹半圆弧面交替连接组成。
进一步改进在于，所述连接架为十字型结构或者三叉结构。
进一步改进在于，所述旋转筒的外筒由Al2O3耐磨陶瓷材料制成，内筒由耐磨橡胶材料制成，且在内筒的筒壁内部均匀嵌装有扩张环。
进一步改进在于，所述扩张环由两个夹板和若干根弹性棒组成，所述弹性棒弯曲成圆弧状后依次首尾串接围成环形圈，两块夹板分别夹在环形圈的两侧面，两块夹板之间通过螺钉固定连接，且螺钉交替分列在弹性棒的内侧和外侧。
进一步改进在于，所述旋转筒的外筒上设有若干条环形凹槽，所述活塞的内侧形成有与环形凹槽相匹配的环形突起，所述环形突起对应嵌在环形凹槽内。
本发明的有益效果在于：采用旋转筒结构直接推动振动短节进行周期性往复振动，相对于传统利用水压变化的驱动方式，振荡频率减缓，且振荡幅度和周期更加稳定，有效避免了高频振动对井下高精密仪器的影响，保证钻具整体的工作稳定性；另外，本发明在使用时钻井液不会冲蚀水力振荡器的易损部件，包括滚轮、碟簧等，振荡器的使用寿命得到有效延长。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为旋转筒与连接套的连接关系图；
图3为连接架的不同结构示意图，其中图3a为十字型结构，图3b为三叉结构；
图4为扩张环的结构示意图；
图中：1、动力外壳；2、轴承；3、转轴；4、叶片；5、连接架；6、活塞；7、外筒；8、内筒；9、起伏结构；10、滑套；11、滑轴；12、连接套；13、碟簧；14、支撑杆；15、滚轮；16、扩张环；17、夹板；18、弹性棒；19、环形凹槽；20、环形突起。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
结合图1至图4所示，一种用于定向钻井作业的水力振荡器，由动力短节和振动短节组成。
其中，动力短节包括动力外壳1、轴承2、转轴3、叶片4、连接架5、旋转筒和活塞6，转轴3通过轴承2活动连接在动力外壳1内，轴承2上设有一些透水孔（图中未示出），用于钻井液的流通；叶片4均匀布置在转轴3上，旋转筒通过连接架5安装在转轴3的顶端，旋转筒由外筒7和内筒8粘接组成，外筒7和内筒8的底部平齐，内筒8的顶部高度大于外筒7高度，且外筒7的顶部端面设为起伏结构9，活塞6设在动力外壳1的内壁上，且活塞6的内侧与旋转筒的外筒7紧密接触，用于动力外壳1与旋转筒之间的密封阻水。
另外，振动短节包括滑套10、滑轴11、连接套12和碟簧13，滑套10连接在动力外壳1的端部，滑轴11活动设在滑套10内部，连接套12一端固定连接于滑轴11上，另一端紧贴于旋转筒的内筒8外壁，且在该端头设有支撑杆14，支撑杆14上设有滚轮15，滚轮15压在旋转筒的外筒7顶部端面，碟簧13一端连接于滑套10，另一端连接于连接套12。
作为本发明的实施例结构，上述外筒7顶部端面上与筒心对称的任意两个点的高度相等，支撑杆14和滚轮15有两组，且对称设在连接套12的端头。由此，无论旋转筒怎么转动，两个滚轮15均能同时压在外筒7顶部端面上，保持升降的同步，这样能提供较好的支撑及驱动作用。
作为本发明的实施例结构，上述外筒7顶部端面的起伏结构9由半径相等的外凸半圆弧面和内凹半圆弧面交替连接组成。一般，外凸半圆弧面和内凹半圆弧面均各有两个，即外筒7转动一圈时，滚轮15在外筒7的顶部端面经过两次上升至最高处和两次下降至最低处，产生两个周期性的振荡，半圆弧形顶面的结构有助于增加滚轮15滚动时的平稳性。
作为本发明的实施例结构，上述连接架5为十字型结构或者三叉结构。由于连接架5中间需要流通钻井液通，所以在保证稳定的连接作用前提下，需要形成较大面积的流通路径。
作为本发明的实施例结构，上述旋转筒的外筒7由Al2O3耐磨陶瓷材料制成，Al2O3耐磨陶瓷材料能提供较高的强度以及耐磨性；而内筒8由耐磨橡胶材料制成，耐磨橡胶具有一定弹性和柔软性，能起到柔性密封作用，。另外，由于外筒8既要与连接套12相对高速转动，又要相对上下移动，内筒8与连接套12之间容易产生缝隙。所以为了提高内筒8的耐疲劳性能，在内筒8的筒壁内部均匀开设有环形孔，且在环形孔内嵌装有扩张环16，扩张环16每隔4-6cm嵌装一个，用于为内筒8提供环向扩张力，使内筒8始终与连接套12紧密贴合，保证钻井液不流出。
作为本发明的实施例结构，上述扩张环16由两个夹板17和若干根弹性棒18组成，弹性棒18弯曲成圆弧状后依次首尾串接围成环形圈，两块夹板17分别夹在环形圈的两侧面，两块夹板17之间通过螺钉固定连接，且螺钉交替分列在弹性棒18的内侧和外侧。由于每根弹性棒18均弯曲成圆弧状，且圆心朝内，其具有伸直的趋势，所以扩张环16具有整体向外扩张变形的趋势；两块夹板17的设置，能固定住每根弹性棒18使其不发生侧向（不与扩张环16同一平面的方向）形变，且能限制扩张环16形变的最小半径和最大半径。安装时，内筒8筒壁内部的环形孔半径为该最小半径和最大半径之间，这样扩张环16装入后，会始终对内筒8提供环向的扩张力。
需要说明的是，弹性棒18可采用弹性橡胶材质，或者半径小于0.5cm的合金材料，控制扩张力不要过大或过小，过小起不到支撑密封作用，过大会使内筒8与连接套12之间的摩擦力较大，对旋转筒的转动产生影响。
作为本发明的实施例结构，上述旋转筒的外筒7上设有若干条环形凹槽19，活塞6的内侧形成有与环形凹槽19相匹配的环形突起20，环形突起20对应嵌在环形凹槽19内，使得活塞6与外筒7之间活动接触，且提高了旋转筒的旋转稳定性以及密封性。
本发明的工作原理为：
钻井液从滑轴11中间的流道灌入，依次穿过连接套12、内筒8、连接架5和上部轴承2的内部，冲击转轴3上的叶片4，使叶片4和转轴3转动，转轴3带动连接架5以及旋转筒转动，此时滚轮15开始沿着外筒7的顶部端面滚动，起伏结构9使得滚轮15的高度发生周期性的高低变化。当滚轮15处于高处时，支撑着连接套12以及滑轴11往上移动，碟簧13压缩；当滚轮15处于低处时，滑轴11在碟簧13的作用下往下移动，回到原位。这样周期性的往复运动就引起了振动短节的轴向振动，改变钻柱与井壁的摩擦条件，达到降低摩阻和提速的目的。同时，由于设置了内筒8以及活塞6，使得钻井液只会在滑轴11、连接套12和内筒8的内部流通，而不会流至滑轴11、连接套12以及旋转筒与动力外壳1之间的空隙处，这样滚轮15、碟簧13等易损部件就不会受到冲蚀，有助于延长水力振荡器的使用寿命。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于定向钻井作业的水力振荡器，由动力短节和振动短节组成，其特征在于：
所述动力短节包括动力外壳（1）、轴承（2）、转轴（3）、叶片（4）、连接架（5）、旋转筒和活塞（6），所述转轴（3）通过轴承（2）活动连接在动力外壳（1）内，所述叶片（4）均匀布置在转轴（3）上，所述旋转筒通过连接架（5）安装在转轴（3）的顶端，旋转筒由外筒（7）和内筒（8）粘接组成，所述内筒（8）的高度大于外筒（7）高度，且外筒（7）的顶部端面设为起伏结构（9），所述活塞（6）设在动力外壳（1）的内壁上，且活塞（6）的内侧与旋转筒的外筒（7）紧密接触；
所述振动短节包括滑套（10）、滑轴（11）、连接套（12）和碟簧（13），所述滑套（10）连接在动力外壳（1）的端部，所述滑轴（11）活动设在滑套（10）内部，所述连接套（12）一端固定连接于滑轴（11）上，另一端紧贴于旋转筒的内筒（8）外壁，且在该端头设有支撑杆（14），所述支撑杆（14）上设有滚轮（15），所述滚轮（15）压在旋转筒的外筒（7）顶部端面，所述碟簧（13）一端连接于滑套（10），另一端连接于连接套（12）。
2.根据权利要求1所述的一种用于定向钻井作业的水力振荡器，其特征在于：所述外筒（7）顶部端面上与筒心对称的任意两个点的高度相等，所述支撑杆（14）和滚轮（15）有两组，且对称设在连接套（12）的端头。
3.根据权利要求1所述的一种用于定向钻井作业的水力振荡器，其特征在于：所述外筒（7）顶部端面的起伏结构（9）由半径相等的外凸半圆弧面和内凹半圆弧面交替连接组成。
4.根据权利要求1所述的一种用于定向钻井作业的水力振荡器，其特征在于：所述连接架（5）为十字型结构或者三叉结构。
5.根据权利要求1所述的一种用于定向钻井作业的水力振荡器，其特征在于：所述旋转筒的外筒（7）由Al2O3耐磨陶瓷材料制成，内筒（8）由耐磨橡胶材料制成，且在内筒（8）的筒壁内部均匀嵌装有扩张环（16）。
6.根据权利要求5所述的一种用于定向钻井作业的水力振荡器，其特征在于：所述扩张环（16）由两个夹板（17）和若干根弹性棒（18）组成，所述弹性棒（18）弯曲成圆弧状后依次首尾串接围成环形圈，两块夹板（17）分别夹在环形圈的两侧面，两块夹板（17）之间通过螺钉固定连接，且螺钉交替分列在弹性棒（18）的内侧和外侧。
7.根据权利要求1所述的一种用于定向钻井作业的水力振荡器，其特征在于：所述旋转筒的外筒（7）上设有若干条环形凹槽（19），所述活塞（6）的内侧形成有与环形凹槽（19）相匹配的环形突起（20），所述环形突起（20）对应嵌在环形凹槽（19）内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Room 1807, 497 Zhengli Road, Yangpu District, Shanghai Applicant after: Shanghai datan Energy Technology Co.,Ltd. Address before: Room 1807, 497 Zhengli Road, Yangpu District, Shanghai Applicant before: TARTAN ENERGY TECH (SHANGHAI) LTD. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant |