CN110593762A - 往复式低压高频水力脉冲振动器 - Google Patents

Abstract

本发明的往复式低压高频水力脉冲振动器属于振动或振荡方法钻井领域，是由振动短节和动力短节的组合构成，振动短节由花键芯轴插入在花键外筒及活塞外筒内构成，花键芯轴的中部与活塞外筒之间的环隙内安装有碟形弹簧，花键芯轴的下端固定连接了活塞内筒，活塞内筒从上至下依次固定有活塞Ⅰ、活塞Ⅱ和活塞Ⅲ，在活塞Ⅰ和活塞Ⅱ之间、活塞Ⅱ和活塞Ⅲ之间的活塞外筒的内表面分别固定了隔离环Ⅰ、隔离环Ⅱ；在定子套筒轴向内置了螺旋蜗杆，螺旋蜗杆的下端抵触圆盘支架，螺旋蜗杆下端面铰接的连杆与间隙配合于定子套筒中的振子阀锥的上端的中心处相铰接。本发明可以使工具压耗降低45%，同时解决马达托压、钻头损伤、卡钻、扭矩波动、钻具疲劳等问题。

Description

往复式低压高频水力脉冲振动器

技术领域

本发明涉及用振动或振荡方法钻井领域，特别涉及一种往复式低压高频水力脉冲振动器。

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，现有的工具还存在钻井液的过流面积不可调、工具压耗高等问题。申请号为2018113005317的公开技术在一定程度上解决了上述问题，但由于其活塞结构设计不合理，工作压耗和振动力量较高；脉冲发生装置为阀盘式的，导致转子扭矩较大，工作压耗较高，且容易磨损。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种往复式低压高频水力脉冲振动器。

本发明的往复式低压高频水力脉冲振动器，是由振动短节和动力短节的组合构成，所述的振动短节和动力短节均为空心管状，振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，使得振动短节和动力短节中间形成脉冲通道；振动短节由花键芯轴插入在花键外筒及活塞外筒内构成，花键外筒的下端与活塞外筒的上端螺纹连接，花键芯轴上方设有外部扩径的钻具上接头，花键芯轴的中部与活塞外筒之间的环隙内安装有碟形弹簧，花键芯轴的下端固定连接了活塞内筒，活塞内筒从上至下依次固定有活塞Ⅰ、活塞Ⅱ和活塞Ⅲ，在活塞Ⅰ和活塞Ⅱ之间、活塞Ⅱ和活塞Ⅲ之间的活塞外筒的内表面分别固定了隔离环Ⅰ、隔离环Ⅱ，活塞外筒的下端螺纹连接了下接头的上端，下接头的上端设有活塞的限位台；下接头的下端与上接头的上端螺纹连接，上接头的下端与定子套筒连接，定子套筒内的上部安装有转子前支撑架，在定子套筒轴向内置了螺旋蜗杆，螺旋蜗杆的上端与转子前支撑架间隙配合、螺旋蜗杆的下端抵触圆盘支架，圆盘支架固定在定子套筒内壁缩颈处，螺旋蜗杆下端面铰接的连杆与间隙配合于定子套筒中的振子阀锥的上端的中心处相铰接，定子套筒的下端与动力短节的底部接头螺纹连接，底部接头的下端连接钻具。

作为本发明的进一步改进，振子阀锥的上段是与定子套筒的内环面相间隙配合的柱塞、且该柱塞内环周的轴向有一个以上的冲水孔道，该振子阀锥的下段为圆锥体、该圆锥体与置于下方定子套筒内的底部接头上端的圆形梯台阀座相适配，振子阀锥外壁与定子套筒内壁均涂有碳化钨涂层。

作为本发明的进一步改进，活塞Ⅰ和活塞Ⅱ、活塞Ⅱ和活塞Ⅲ之间所在的活塞内筒上分别设有传压孔，隔离环Ⅰ和活塞Ⅱ、隔离环Ⅱ和活塞Ⅲ之间所在的活塞外筒上分别设有压力平衡孔。

作为本发明的进一步改进，花键芯轴、花键外筒、活塞内筒、活塞外筒、下接头、上接头、定子套筒和底部接头均为空心管状，脉冲通道由花键芯轴、活塞内筒、下接头、上接头、定子套筒、冲水孔道和底部接头依次连接构成。

作为本发明的进一步改进，花键外筒的顶部与花键芯轴之间设有顶部密封盖，花键外筒和活塞外筒上分别设有穿过其侧壁的注油口。

本发明的往复式低压高频水力脉冲振动器，是一种利用钻井液为动力产生轴向振动的工具，动力短节内连杆及振子阀锥结构将一部分钻井液的动能转化成压力脉冲，同时带动振动短节产生振动，振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，振动短节内三个活塞的设计，可以使工具压耗降低45%，同时解决马达托压、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为本发明的结构示意图；

图2为本发明振动短节的结构示意图；

图3为本发明动力短节的结构示意图；

图4为本发明振动短节的图2中A部结构放大图；

图5为本发明动力短节的图3中B部结构放大图；

图6为本发明的圆盘支架结构示意图。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明的往复式低压高频水力脉冲振动器，是由振动短节1和动力短节2的组合构成，振动短节1和动力短节2均为空心管状，振动短节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，使得振动短节1和动力短节2中间形成脉冲通道5。具体说是由花键芯轴6、花键外筒7、活塞内筒25、活塞外筒8、下接头3、上接头4、定子套筒16和底部接头23均为空心管状，脉冲通道5由花键芯轴6、活塞内筒25、下接头3、上接头4、定子套筒16、冲水孔道21和底部接头23依次连接构成。

所述的振动短节1由花键芯轴6插入在花键外筒7及活塞外筒8内构成，花键外筒7的顶部与花键芯轴6之间设有顶部密封盖26，防止工具内部的润滑油由此漏出，同时也防止井内的钻井液由此进入；花键外筒7内部有花键槽，与花键芯轴6外径上的花键啮合，防止花键芯轴6与花键外筒7发生相对旋转，花键外筒7的下端与活塞外筒8的上端螺纹连接，花键外筒7和活塞外筒8上分别设有穿过其侧壁的注油口27，维保工具时方便注入润滑油或排出润滑油，花键芯轴6上方设有外部扩径的钻具上接头9，花键芯轴6的中部与活塞外筒8之间的环隙内安装有碟形弹簧10，在压力脉冲和碟形弹簧10的共同作用下与花键外筒7及活塞外筒8产生相对运动，当压力脉冲处于波峰时弹簧压缩，当压力脉冲处于波谷时回弹，从而使花键芯轴6产生振动；花键芯轴6的下端固定连接了活塞内筒25，活塞内筒25从上至下依次固定有活塞Ⅰ11、活塞Ⅱ13和活塞Ⅲ15，活塞Ⅲ15位于活塞内筒25的最下端，在活塞Ⅰ11和活塞Ⅱ13之间、活塞Ⅱ13和活塞Ⅲ15之间的活塞外筒8的内表面分别固定了隔离环Ⅰ12、隔离环Ⅱ14，隔离环Ⅰ12和隔离环Ⅱ14固定在活塞外筒8的内表面，有密封功能，分别隔离活塞Ⅰ11和隔离活塞Ⅱ13使其独立工作，活塞Ⅰ11和活塞Ⅱ13、活塞Ⅱ13和活塞Ⅲ15之间所在的活塞内筒25上分别设有传压孔28，两个传压孔28分别将压力脉冲传递至活塞Ⅰ11和活塞Ⅱ13的横截面上，隔离环Ⅰ12和活塞Ⅱ13、隔离环Ⅱ14和活塞Ⅲ15之间所在的活塞外筒8上分别设有压力平衡孔24，当活塞Ⅱ13运动时，隔离环Ⅰ12和活塞Ⅱ13所组成的空间体积发生变化，其间的压力平衡孔24将外界与该空间连通，从而达到平衡；当活塞Ⅲ15运动时，隔离环Ⅱ14和活塞Ⅲ15所组成的空间体积发生变化，其间的压力平衡孔24将外界与该空间连通，从而达到平衡。活塞Ⅰ11、活塞Ⅱ13和活塞Ⅲ15在压力脉冲的作用下推动花键芯轴6上行，活塞外筒8的下端螺纹连接了下接头3的上端，下接头3的上端设有活塞的限位台34，下接头3保护了振动短节1的丝扣，同时与下部的动力短节2相连。

所述的动力短节2包括上接头4、定子套筒16和底部接头23，下接头3的下端与上接头4的上端螺纹连接，上接头4保护了动力短节2的丝扣，同时与上部的振动短节1相连，上接头4的下端与定子套筒16连接，定子套筒16内的上部安装有转子前支撑架17，防止螺旋蜗杆18上移，在定子套筒16轴向内置了螺旋蜗杆18，定子套筒16与螺旋蜗杆18共同组成液力螺杆马达、定转比为1：2，螺旋蜗杆18的上端与转子前支撑架17间隙配合、螺旋蜗杆18的下端抵触圆盘支架19，在定子套筒16内的下端环周设有耐摩层33，在定子套筒16内壁形成缩颈处，使得圆盘支架19固定在耐摩层33上端形成的缩颈处。圆盘支架19对螺旋蜗杆18进行支撑，防止螺旋蜗杆18下移，所述的圆盘支架19的中心设有孔道29（如图6），孔道29的直径小于螺旋蜗杆18的直径，孔道29外周的圆盘支架19有垂直穿过其的透孔32，钻井液穿过透孔32继续向下流。 螺旋蜗杆18下端面铰接的连杆20与间隙配合于定子套筒16中的振子阀锥22的上端的中心处相铰接，定子套筒16的下端与动力短节2的底部接头23螺纹连接，保护了动力短节2下部丝扣，同时底部接头23的下端连接钻具。

所述的振子阀锥22包括上段扩径段30和下段缩径段31，振子阀锥22的上段扩径段30是与定子套筒16下端耐摩层33的内环面相间隙配合的柱塞、且该柱塞扩径段30内环周的轴向设有四个以上均匀分布的冲水孔道21，使钻井液穿过振子阀锥22继续向下流动，该振子阀锥22的下段缩径段31为圆锥体、该圆锥体与置于下方定子套筒16内的底部接头23上端的圆形梯台阀座相适配，振子阀锥22外壁与耐摩层33的内壁均涂有碳化钨涂层，碳化钨涂层具有高耐磨性。

螺旋蜗杆18末端通过穿过孔道29的连杆20连接了的振子阀锥22，且螺旋蜗杆18底端连杆20的铰接点与轴心线相偏离，即连杆20上端的螺旋蜗杆18铰接点与下端振子阀锥22的铰接点不在同一轴线上。连杆20将螺旋蜗杆18的横向线性往复运动通过连杆20转化为振子阀锥22的沿钻具方向的上下往复运动，振子阀锥22的上下往复运动造成与动力短节2的底部接头23上端面的距离往复变化，造成工具内部的过流面积的周期性变化，从而产生压力脉冲。

钻井液从钻具上接头9进入工具内部，流经工具内部的花键芯轴6、活塞内筒25、下接头3、上接头4、定子套筒16与螺旋蜗杆18之间的螺旋空间、通过振子阀锥22的冲水孔道21，从底部接头23内流出。当钻井液通过定子套筒16与螺旋蜗杆18之间的螺旋空间时，螺旋蜗杆18在钻井液的流动压力驱动下旋转，将液体压力能转化为机械能，并带动螺旋蜗杆18的末端做线性往复运动，当螺旋蜗杆18的末端处于工具轴线中线位置时，在连杆20的作用下，振子阀锥22下行至低位，工具内的过流面积变小，当螺旋蜗杆18的末端处于左右极限位置时，在连杆20的作用下，振子阀锥22上行至高位，工具内的过流面积变大，过流面积的周期性改变造成了钻井液流速的周期性改变，进而产生周期性压力变化，即压力脉冲。本申请技术方案中的动力短节中的连杆20可以根据需求更换，利用动力短节2内创新型的连杆20及振子阀锥22结构产生压力脉冲，针对不同井的井况在本装置下井前可以选用不同长度的连杆20，达到振子阀锥22的在不同井内其过流面积可调的目的，可以实现粒径较大的堵漏材料通过。

压力脉冲向上传播进入振动短节1，传递给了活塞Ⅲ15，并通过在活塞内筒25上、于活塞Ⅱ13和活塞Ⅲ15之间的传压孔28传递给活塞Ⅱ13以及通过在活塞内筒25上、活塞Ⅰ11和活塞Ⅱ13之间的传压孔28传递给活塞Ⅰ11，当压力脉冲峰值时，在活塞Ⅰ11、活塞Ⅱ13和活塞Ⅲ15的共同作用下，使花键芯轴6形成推出；当压力脉冲处于低值时，在碟形弹簧10的反作用力作用下，将花键芯轴6推至原位，通过这种方式，振动短节1在周期性压力变化下重复轴向往复运动。因此，花键芯轴6与工具壳体，即花键外筒7及活塞外筒8之间产生相对运动，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。

本申请的技术方案中，振动短节1内采用三活塞的设计，有更低的工作压耗和更高的振动力量，与单活塞相比，可以使工具压耗降低45%，从而降低了钻井作业的泵压，并提高振动力；螺旋蜗杆18的扭矩较小，工作压耗较低，且不容易磨损；振子阀锥22结构设计使用寿命更长，压耗更低，并且允许较大的粒径的堵漏材料通过。

Claims (4)

1.往复式低压高频水力脉冲振动器，是由振动短节（1）和动力短节（2）的组合构成，其特征在于振动短节（1）和动力短节（2）均为空心管状，振动短节（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，使得振动短节（1）和动力短节（2）中间形成脉冲通道（5）；振动短节（1）由花键芯轴（6）插入在花键外筒（7）及活塞外筒（8）内构成，花键外筒（7）的下端与活塞外筒（8）的上端螺纹连接，花键芯轴（6）上方设有外部扩径的钻具上接头（9），花键芯轴（6）的中部与活塞外筒（8）之间的环隙内安装有碟形弹簧（10），花键芯轴（6）的下端固定连接了活塞内筒（25），活塞内筒（25）从上至下依次固定有活塞Ⅰ（11）、活塞Ⅱ（13）和活塞Ⅲ（15），在活塞Ⅰ（11）和活塞Ⅱ（13）之间、活塞Ⅱ（13）和活塞Ⅲ（15）之间的活塞外筒（8）的内表面分别固定了隔离环Ⅰ（12）、隔离环Ⅱ（14）；活塞外筒（8）的下端螺纹连接了下接头（3）的上端，下接头（3）的上端设有活塞的限位台；下接头（3）的下端与上接头（4）的上端螺纹连接，上接头（4）的下端与定子套筒（16）连接，定子套筒（16）内的上部安装有转子前支撑架（17），在定子套筒（16）轴向内置了螺旋蜗杆（18），螺旋蜗杆（18）的上端与转子前支撑架（17）间隙配合、螺旋蜗杆（18）的下端抵触圆盘支架（19），圆盘支架（19）固定在定子套筒（16）内壁缩颈处， 螺旋蜗杆（18）下端面铰接的连杆（20）与间隙配合于定子套筒（16）中的振子阀锥（22）的上端的中心处相铰接，定子套筒（16）的下端与动力短节（2）的底部接头（23）螺纹连接，底部接头（23）的下端连接钻具。

2.如权利要求1所述的往复式低压高频水力脉冲振动器，其特征在于振子阀锥（22）的上段是与定子套筒（16）的内环面相间隙配合的柱塞、且该柱塞内环周的轴向有一个以上的冲水孔道（21），该振子阀锥（22）的下段为圆锥体、该圆锥体与置于下方定子套筒（16）内的底部接头（23）上端的圆形梯台阀座相适配，振子阀锥（22）外壁与定子套筒（16）内壁均涂有碳化钨涂层。

3.如权利要求1所述的往复式低压高频水力脉冲振动器，其特征在于活塞Ⅰ（11）和活塞Ⅱ（13）、活塞Ⅱ（13）和活塞Ⅲ（15）之间所在的活塞内筒（25）上分别设有传压孔（28），隔离环Ⅰ（12）和活塞Ⅱ（13）、隔离环Ⅱ（14）和活塞Ⅲ（15）之间所在的活塞外筒（8）上分别设有压力平衡孔（24）。

4.如权利要求1所述的往复式低压高频水力脉冲振动器，其特征在于花键外筒（7）的顶部与花键芯轴（6）之间设有顶部密封盖（26），花键外筒（7）和活塞外筒（8）上分别设有穿过其侧壁的注油口（27）。