CN111201365B - 振动组件和方法 - Google Patents

Abstract

一种井下振动组件包括定位在转子上方的阀，该转子至少部分地设置在定子内。转子可操作地悬挂在壳体的内孔内并配置成当流体流过振动组件时在定子内旋转。该阀包括旋转阀部分和固定阀部分，旋转阀部分和固定阀部分各自包括至少一个流体通道。旋转阀部分随着转子的旋转而旋转。在打开位置中，阀部分的流体通道对齐并且流体流过阀。在限制位置中，阀部分的流体通道部分地或完全地不对齐，从而暂时限制流体流穿过阀以产生压力脉冲。无阻碍的压力脉冲被传递通过阀上方的钻柱或连续管。

Description

振动组件和方法

发明背景

在油气井(oil and gas wells)的钻井(drilling)中，井下钻井马达和钻头被附接到钻柱的端部。大多数井下钻井马达包括在定子内旋转的转子。当相邻的钻头切穿地下地层(formation)以钻出井眼时，转子的旋转向该相邻的钻头提供振动。当钻柱的端部处的钻头将井眼更深地延伸到地层中时，钻柱穿过井眼的较高部分滑动。振动工具有时在钻头上方一定距离(例如，在钻头上方800-1500英尺)处被附接到钻柱。振动工具向钻柱的在振动工具上方的部分提供振动，从而促进钻柱穿过井眼的移动。

常规的振动工具包括动力部分，该动力部分由在定子内旋转的转子和定位在转子下方的阀制成。当转子旋转时，阀周期性地限制流体流过振动工具，这产生压力脉冲或水锤，该压力脉冲或水锤被传递通过动力部分并向上通过钻柱的在振动工具上方的部分。

本公开涉及以下内容：

条款1.一种井下振动组件，所述井下振动组件用于在钻头上方的钻柱中传递压力脉冲，所述井下振动组件包括：

正排量动力部分，所述正排量动力部分设置在壳体的内孔中，所述正排量动力部分包括至少部分地设置在定子内的转子，其中所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔内，以在流体流穿过所述正排量动力部分时在所述定子内旋转；以及

阀，所述阀在所述壳体的所述内孔内设置在所述正排量动力部分上方，所述阀包括旋转阀部分和固定阀部分，所述旋转阀部分和所述固定阀部分各自包括至少一个流体通道，其中所述旋转阀部分被配置成随着所述转子的旋转而旋转，以用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中，在所述打开位置中，所述旋转阀部分的所述流体通道与所述固定阀部分的所述流体通道对齐，其中，在所述限制位置中，所述旋转阀部分的所述流体通道至少部分地不与所述固定阀部分的所述流体通道对齐，以用于限制流体流穿过所述阀，以产生无阻碍的压力脉冲并使无阻碍的压力脉冲传递通过所述阀上方的所述钻柱。

条款2.如条款1所述的井下振动组件，其中所述旋转阀部分和所述固定阀部分各自包括中央通道，并且其中，在所述限制位置中，所述旋转阀部分的所述流体通道完全地不与所述固定阀部分的所述流体通道对齐，并且流体流行进通过所述旋转阀部分的所述中央通道和所述固定阀部分的所述中央通道。

条款3.如条款1所述的井下振动组件，其中所述固定阀部分被固定到所述壳体，以防止所述固定阀部分相对于所述壳体的旋转。

条款4.如条款3所述的井下振动组件，还包括螺母，所述螺母螺纹地固定到所述壳体的所述内孔的表面，其中所述螺母设置在所述固定阀部分上方并邻接所述固定阀部分的上表面。

条款5.如条款4所述的井下振动组件，还包括压缩套筒，所述压缩套筒设置在所述固定阀部分和所述壳体的所述内孔的所述表面之间，其中所述压缩套筒的上端邻接所述螺母。

条款6.如条款1所述的井下振动组件，还包括挠性轴，所述挠性轴将所述阀和所述转子互连，其中所述旋转阀部分被固定到所述挠性轴的上端，其中所述转子的上端被固定到所述挠性轴的下端，以将所述挠性轴和所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔中，并且其中所述挠性轴和所述旋转阀部分均随着所述转子的旋转而旋转。

条款7.如条款6所述的井下振动组件，还包括推力轴承和径向轴承，所述推力轴承和所述径向轴承设置在所述壳体的所述内孔内并围绕所述挠性轴设置。

条款8.如条款6所述的井下振动组件，其中所述挠性轴包括内孔，所述挠性轴的所述内孔从所述挠性轴的所述上端延伸至一个或更多个流体通道，所述一个或更多个流体通道从所述挠性轴的所述内孔延伸至所述挠性轴的外表面。

条款9.如条款1所述的井下振动组件，还包括：

适配器，所述适配器在所述壳体的所述内孔内固定到所述转子的上端；以及

挠性线，所述挠性线将所述阀和所述适配器在所述壳体的所述内孔内互连，其中所述挠性线的下端被附连到所述适配器的上端，其中所述挠性线被设置成穿过所述固定阀部分的中央孔，并且其中所述挠性线的上端被固定到所述旋转阀部分的中央孔，以从所述壳体的所述内孔中的所述旋转阀部分可操作地悬挂所述挠性线、所述适配器和所述转子，并且其中所述适配器、所述挠性线和所述旋转阀部分均随着所述转子的旋转而旋转。

条款10.如条款9所述的井下振动组件，其中所述挠性线由杆、绳索、链或缆线形成。

条款11.如条款1所述的井下振动组件，还包括冲击组件。

条款12.如条款11所述的井下振动组件，其中所述冲击组件包括：

第一子部件，所述第一子部件可操作地连接到所述壳体的上端，所述第一子部件包括内孔；

心轴，所述心轴至少部分地滑动地设置在所述第一子部件的所述内孔内并且延伸超过所述第一子部件的上端；以及

弹簧，所述弹簧设置在所述心轴的外表面和所述第一子部件的所述内孔的表面之间，其中所述弹簧通过所述心轴相对于所述第一子部件在任一方向上的轴向移动而被压缩。

条款13.如条款12所述的井下振动组件，还包括挠性子部件，所述挠性子部件固定在所述壳体的所述上端和所述冲击组件的所述第一子部件的下端之间。

条款14.如条款1所述的井下振动组件，其中所述井下振动组件定位在所述钻头上方至少500英尺处。

条款15.一种井下振动组件，所述井下振动组件用于在钻头上方的钻柱中传递压力脉冲，所述井下振动组件包括：

动力部分，所述动力部分设置在壳体的内孔中，所述动力部分包括至少一个转子，所述至少一个转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔内，以在流体流穿过所述动力部分时旋转；以及

阀，所述阀在所述壳体的所述内孔内设置在所述动力部分上方，所述阀包括旋转阀部分和固定阀部分，所述旋转阀部分和所述固定阀部分各自包括至少一个流体通道，其中所述旋转阀部分被配置成随着所述转子的旋转而旋转，以用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中，在所述打开位置中，所述旋转阀部分的所述流体通道与所述固定阀部分的所述流体通道对齐，其中，在所述限制位置中，所述旋转阀部分的所述流体通道至少部分地不与所述固定阀部分的所述流体通道对齐，以用于限制流体流穿过所述阀，以产生无阻碍的压力脉冲并使无阻碍的压力脉冲传递通过所述阀上方的所述钻柱。

条款16.一种向钻头上方的钻柱传递振动的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)提供井下振动组件，所述井下振动组件包括：正排量动力部分，所述正排量动力部分设置在壳体的内孔中，所述正排量动力部分包括至少部分地设置在定子内的转子，其中所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔内，以在流体流穿过所述正排量动力部分时在所述定子内旋转；以及阀，所述阀在所述壳体的所述内孔内设置在所述正排量动力部分上方，所述阀包括旋转阀部分和固定阀部分，所述旋转阀部分和所述固定阀部分各自包括至少一个流体通道，其中所述旋转阀部分被配置成随着所述转子的旋转而旋转，以用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中，在所述打开位置中，所述旋转阀部分的所述流体通道与所述固定阀部分的所述流体通道对齐，并且其中，在所述限制位置中，所述旋转阀部分的所述流体通道至少部分地不与所述固定阀部分的所述流体通道对齐，以用于限制流体流穿过所述阀；

(b)将所述井下振动组件固定在钻柱的两个部分之间或固定在连续管线上；

(c)将具有所述井下振动组件的所述钻柱或连续管线下降至井眼中；

(d)将流体泵送通过所述钻柱或连续管线并通过所述井下振动组件，以旋转所述转子和所述旋转阀部分，以用于使所述阀在所述打开位置和所述限制位置之间循环，其中每次所述阀处于所述限制位置中时，通过流体流的限制产生压力脉冲，并且其中所产生的压力脉冲产生所述钻柱或连续管线的拉伸和收缩，从而引发振动；以及

(e)将振动传递到所述井下振动组件上方的所述钻柱或连续管线，而压力脉冲不行进通过所述正排量动力部分。

条款17.如条款16所述的方法，其中步骤(b)还包括将所述壳体的上端固定到所述钻柱的第一部分并将所述壳体的下端固定到所述钻柱的第二部分。

条款18.如条款16所述的方法，其中步骤(b)还包括将所述壳体的上端固定到所述连续管线。

条款19.如条款16所述的方法，其中在步骤(a)中，所述井下振动组件还包括挠性轴，所述挠性轴将所述阀和所述转子互连，其中所述旋转阀部分被固定到所述挠性轴的上端，并且其中所述转子的上端被固定到所述挠性轴的下端，以将所述挠性轴和所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔中；并且其中步骤(d)还包括使所述挠性轴随着所述转子的旋转而旋转，并且使所述旋转阀部分随着所述挠性轴的旋转而旋转。

条款20.如条款16所述的方法，其中在步骤(a)中，所述井下振动组件还包括适配器，所述适配器在所述壳体的所述内孔内固定到所述转子的上端；以及挠性线，所述挠性线将所述阀和所述适配器在所述壳体的所述内孔内互连，其中所述挠性线的下端被附连到所述适配器的上端，其中所述挠性线被设置成穿过所述固定阀部分的中央孔，并且其中所述挠性线的上端被固定到所述旋转阀部分的中央孔，以从所述壳体的所述内孔中的所述旋转阀部分可操作地悬挂所述挠性线、所述适配器和所述转子；并且其中步骤(d)还包括使所述适配器随着所述转子的旋转而旋转，使所述挠性线随着所述适配器的旋转而旋转，以及使所述旋转阀部分随着所述挠性线的旋转而旋转。

条款21.如条款16所述的方法，其中步骤(d)还包括：所产生的压力脉冲拉伸所述钻柱或所述连续管线以产生振动。

条款22.如条款16所述的方法，其中在步骤(a)中，所述井下振动组件还包括冲击组件；并且其中步骤(d)还包括：所产生的压力脉冲轴向地激活所述冲击组件以产生振动。

附图简述

图1是振动组件的横截面视图。

图2A是振动组件的旋转阀部分的俯视图。

图2B是振动组件的固定阀部分(stationary valve segment)的俯视图。

图3是振动组件的另一个横截面视图。

图4是包括冲击组件(shock assembly)的振动组件的横截面视图。

图5是振动组件的可替代实施方案的横截面视图。

图6A是图5的振动组件的固定阀部分的俯视图。

图6B是图5的振动组件的旋转阀部分的俯视图。

优选实施方案的详细描述

本公开的振动组件可以被附接到钻柱并下降到井眼中。振动组件可以包括定位在动力部分上方的阀。动力部分可以是正排量动力部分、涡轮或者用于利用流体流(fluidflow)产生扭矩的任何其他液压马达机构。在一种实施方案中，动力部分是包括至少部分地设置在定子内的转子的正排量动力部分。转子被配置成当流体流过振动组件时在定子内旋转。阀可以包括旋转阀部分和固定阀部分，旋转阀部分和固定阀部分各自包括至少一个流体通道。旋转阀部分配置成随着转子的旋转而旋转，而固定阀部分保持固定(即不旋转)。在打开位置中，旋转阀部分的流体通道与固定阀部分的流体通道对齐，并且流体流过阀的这些流体通道。在限制位置中，旋转阀部分的流体通道不与固定阀部分中的流体通道对齐(例如，至少部分地不对齐)，从而暂时限制流体流过阀。流动限制产生了压力脉冲或水锤，该压力脉冲或水锤向上游传递，从而拉伸和收缩振动组件上方的钻柱或连续管线(coiledtubing line)。因为阀定位在动力部分上方，所以本公开的振动组件比常规的振动工具更有效地将压力脉冲传递到上方的钻柱。在某些实施方案中，振动组件还可以包括设置在振动组件的上端处的冲击组件。当存在冲击组件时，该冲击组件促进振动组件上方的钻柱相对于振动组件下方的钻柱的相对轴向移动，从而使振动组件上方的钻柱振动。

在一些实施方案中，挠性轴(flex shaft)或硬挺缆线(stiff cable)可以将阀和动力部分互连。挠性轴或缆线的上端可以被附接到旋转阀部分，并且挠性轴或缆线的下端可以被附接到转子。以这种方式，挠性轴或缆线将扭矩从转子传递到旋转阀部分，以随着转子的旋转而旋转该旋转阀部分。

图1图示了本公开的振动组件的一种实施方案。振动组件10包括阀12、附接到阀12的下端的挠性轴14、附接到挠性轴14的下端的转子16以及至少部分地围绕转子16设置的定子18。阀12包括旋转阀部分20和固定阀部分22。在该实施方案中，旋转阀部分20定位在固定阀部分22下方，但是其他实施方案可以包括定位在固定阀部分22上方的旋转阀部分20。振动组件10还可以包括具有内孔的一个或更多个管状壳体部分，其中阀12、挠性轴14、转子16和定子18设置在该内孔内。

参考图2A和图2B，旋转阀部分20可以由包括流体通道24和26以及中央通道28的板或盘形成。固定阀部分22可以由包括流体通道30和32以及中央通道34的板或盘形成。在打开位置中，旋转阀部分20的通道24、26至少部分地与固定阀部分22的通道30、32对齐，以允许流体流过阀12。当旋转阀部分20的通道24、26不与固定阀部分22的通道30、32对齐时，流体流可以被暂时限制。在该限制位置中，流体分别流过旋转阀部分20和固定阀部分22的中央通道28、34，以保证最小的流体流以驱动定子18中的转子16。

在其他实施方案中，旋转阀部分20和固定阀部分22不包括中央通道。而是，阀部分20、22的流体通道布置成使得在限制位置中，旋转阀部分20的至少一个流体通道与固定阀部分22的流体通道部分地对齐，以保证最小的流体流以驱动定子18中的转子16。

现在参考图3，旋转阀部分20被固定到挠性轴14的上端36，使得旋转阀部分20随着挠性轴14一起旋转。挠性轴14的中央孔38从上端36延伸到流体通道40。挠性轴14可以包括任意数量的流体通道40，以支持流体流穿过中央孔38。包围中央孔38的挠性轴14的上部部分可以由两个或更多个部分(诸如部分42、44)形成。推力轴承46和径向轴承48可以围绕部分42设置，并且径向轴承48可以邻接部分44的上端。固定阀部分22设置在旋转阀部分20和螺母50之间。压缩套筒52可以围绕固定阀部分22和挠性轴14的上部部分的部分42设置。压缩套筒52的上端可以邻接螺母50的下端。固定阀部分22可以通过螺母50被保持在非旋转且固定的位置中。径向轴承48可以通过压缩套筒52和螺母50被保持。在流体通道40下方，挠性轴14可以由足够长度的杆或棒形成，以提供柔性来抵消多叶转子的偏心运动。挠性轴14的下端54可以被固定到转子16的上端56。在一种实施方案中，挠性轴14和转子16可以螺纹地连接。以这种方式，转子16通过挠性轴14悬挂在定子18内。

壳体60可以包括内孔61。壳体60可以由壳体部分62、64、66和68形成，每个壳体部分包括内孔。螺母50可以螺纹地连接到壳体部分64的内孔。径向轴承48可以接合壳体部分64的肩部，以支撑推力轴承46、压缩套筒52和固定阀部分22，从而将挠性轴14和转子16可操作地(operatively，可运转地)悬挂在壳体60的内孔61内。定子18可以固定在壳体部分66的内孔内。壳体部分68可以包括安全肩部70，该安全肩部70被设计成在转子16从挠性轴14断开的情况下或在挠性轴14从壳体部分64断开的情况下捕获转子16。壳体部分68还可以包括流体旁路72，以允许流体流在转子16接合安全肩部70的情况下穿过内孔61。

仍然参考图3，振动组件10可以通过将壳体部分62螺纹地连接到第一钻柱部分并将壳体部分68连接到第二钻柱部分而被固定在钻柱内。流体可以被泵送通过第一钻柱部分的内孔并泵送到壳体60的内孔61中。在阀12处于打开位置中的情况下，流体可以流过固定阀部分22的流体通道30、32和旋转阀部分20的流体通道24、26。流体流可以继续进入挠性轴14的中央孔38中并通过挠性轴14的流体通道40流出，以返回到壳体60的内孔61。流体可以围绕壳体60的内孔61中的挠性轴14流动并围绕转子16的上端56流动。转子16包括多个叶部(lobe)，该多个叶部与定子18的一定数量的空腔相关。当流体到达定子18时，流体流过定子18和转子16之间的空腔。这种流体流导致转子16在定子18内旋转。以这种方式，转子16和定子18形成正排量动力部分。流体流在定子18的下端74处流出，以返回到壳体60的内孔61，并继续流入振动组件10下方的第二钻柱部分的内孔中。

随着通过定子18的流体流旋转转子16，挠性轴14和旋转阀部分20随着扭矩传递到这些元件而被旋转。旋转阀部分20相对于固定阀部分22旋转，这使阀12在打开位置和限制位置之间循环，在限制位置中，流体流被限于旋转阀部分20和固定阀部分22的中央通道28、34。流体流的限制产生了压力脉冲或水锤，该压力脉冲或水锤向上游传递到振动组件10上方的钻柱。重复的压力脉冲产生导致振动组件10上方的钻柱中的拉伸和收缩，从而促进振动并使钻柱容易通过井眼移动。振动可以减少钻柱的外表面和井眼的内表面之间的摩擦。

在可替代实施方案中，动力部分由涡轮或用于利用流体流产生扭矩的任何其他液压马达机构形成。动力部分包括至少一个转子元件，该至少一个转子元件被配置成随着流体流穿过动力部分而旋转。转子元件可操作地连接到旋转阀部分，使得旋转阀部分随着转子的旋转而旋转。

图4图示了本公开的振动组件的另一种可替代实施方案。振动组件80包括与上文结合振动组件10所描述的相同的特征，其中相同的参考数字指示与上文所描述的相同的结构和功能。振动组件80还包括一体形成的冲击组件82，该冲击组件82被设计成利用通过振动组件80传递的压力脉冲来促进相邻钻柱中的轴向移动。在其他实施方案中，单独的冲击组件可以放置在振动组件上方。在还有的其他实施方案中(如图1至图3中所图示的)，振动组件可以在没有冲击组件的情况下(诸如振动组件与连续管一起使用的应用)工作。

在图4中图示的实施方案中，冲击组件82可以包括第一子部件(sub)84和心轴86，该心轴86至少部分地滑动地设置在第一子部件84的内孔88内。心轴86的上端90在第一子部件84的上端92上方延伸。冲击组件82还可以包括活塞98和弹簧100。活塞98可以螺纹地固定到心轴86的下端106。弹簧100围绕心轴86设置并设置在第一子部件84的内孔88内。弹簧100被配置成随着心轴86相对于第一子部件84在两个方向上的轴向移动而被压缩。冲击组件82还可以包括挠性子部件118。挠性子部件118的下端可以被固定到阀12上方的壳体部分62的上端。以这种方式，冲击组件82设置在壳体60上方。挠性子部件118的上端可以被固定到冲击组件82的第一子部件84的下端。冲击组件82的心轴86的上端90可以被固定到钻柱部分，以将振动组件80定位在钻柱中。通过阀12产生的压力脉冲可以导致心轴86相对于第一子部件84在沿着轴线的两个方向上(即，在两个轴向方向上)移动。

图5图示了本公开的振动组件的另一种可替代实施方案，其中相同的参考数字指示与上文所描述的相同的结构和功能。振动组件130包括设置在转子16和定子18上方的阀132，转子16和定子18都设置在壳体60的内孔61内，壳体60包括壳体部分62、134、66和68。振动组件130还包括适配器136和挠性线(flex line)138，该适配器136和挠性线138将阀132和转子16互连。适配器136的下端140被固定到转子16的上端56，并且适配器136的上端142被固定到挠性线138的下端144。阀132可以包括旋转阀部分146和固定阀部分148。固定阀部分148可以接合壳体部分134的内肩部149并由壳体部分134的内肩部149支撑。旋转阀部分146可以定位在固定阀部分148的上方和螺母50的下方，螺母50螺纹地连接到壳体部分134的内孔的表面。以这种方式，转子16通过适配器136、挠性线138和旋转阀部分146悬挂在壳体60的内孔61内和定子18内。旋转阀部分146的外表面150由径向套筒151径向地引导。径向套筒151的上端邻接螺母50的下端，并且径向套筒151的下端邻接固定阀部分148的上端。固定阀部分148可以通过由螺母50通过径向套筒151施加的压缩力而被保持在非旋转且固定的位置中。

现在参考图6A和图6B，固定阀部分148可以由包括流体通道152和153以及中央孔154的板或盘形成。旋转阀部分146可以由包括流体通道156和中央孔158的板或盘形成。在打开位置中，旋转阀部分146的通道156至少部分地与固定阀部分148的通道152或通道153对齐，以允许流体流过阀132。在限制位置中，旋转阀部分146的通道156(至少部分地)不与固定阀部分148的通道152、153对齐。

再次参考图5，挠性线138设置成穿过固定阀部分148的中央孔154。挠性线138的上端160被固定到旋转阀部分146的中央孔158。由于由转子16产生的压降，挠性线138处于张紧状态中，并且固定阀部分148起到作用在旋转阀部分146上的推力轴承的作用。挠性线138可以由缆线、绳索、杆、链或具有足够刚度以在适配器136和旋转阀部分146之间传递扭矩的任何其它结构形成。例如，挠性线138可以由钢制的绳索或缆线形成。挠性线138可以通过夹紧、焊接(braising)、楔入、利用固定螺栓或任何其他合适的方式被固定到中央孔158。转子16的旋转可以旋转适配器136、挠性线138和旋转阀部分146。转子16在壳体62的内孔61内的悬挂布置允许在轴16和阀132之间使用挠性线138(而不是刚性挠性轴)，这相比常规的振动工具减少了振动组件130的总长度和重量。

振动组件130可以通过将壳体部分62螺纹地连接到第一钻柱部分并将壳体部分68连接到第二钻柱部分而被固定在钻柱内。流体可以被泵送通过第一钻柱部分的内孔并泵送到壳体60的内孔61中。当阀132处于打开位置中时，流体可以流过旋转阀部分146的流体通道156和固定阀部分148的流体通道152或153。流体流可以围绕挠性线138、围绕适配器135并且围绕转子16的上端56继续进入壳体60的内孔61中。随着通过定子18的流体流旋转转子16(如上文所描述的)，适配器136、挠性轴138和旋转阀部分146随着扭矩传递到这些元件而被旋转。旋转阀部分146相对于固定阀部分148旋转，这使阀132在打开位置和限制位置之间循环，在限制位置中，通过阀132的流体流被限制。流体流的限制产生了压力脉冲或水锤，该压力脉冲或水锤向上游传递到振动组件130上方的钻柱。重复的压力脉冲产生导致钻柱的拉伸和收缩，从而在振动组件130上方的钻柱中引发振动，从而促进钻柱通过井眼的移动并使钻柱容易通过井眼移动。振动可以减少钻柱的外表面和井眼的内表面之间的摩擦。

在一种实施方案中，振动组件130还包括冲击组件，诸如冲击组件82。冲击组件促进振动组件130上方的钻柱相对于振动组件130下方的钻柱的轴向移动(在两个方向上)。

在常规的振动工具中，阀定位在正排量动力部分下方。在常规的振动工具的阀中产生的压力脉冲必须在被传递到上方的钻柱之前传递通过正排量动力部分。因为动力部分被设计成将液压能转换成机械能，所以常规的振动工具的正排量动力部分通过将一定量的液压能转换成机械能以克服转子和定子之间的摩擦而使用由下方的阀产生的压力脉冲的液压能的一部分，该摩擦是由正排量动力部分本身的机械效率来限定的。此外，常规的振动工具中的定子的橡胶或其他柔性材料当与转子接触时被压缩，这在压力脉冲在被传递到上方的钻柱之前被迫使行进通过正排量动力部分时抑制了压力脉冲的幅度。

在本公开的振动组件中，阀设置在动力部分上方。由阀产生的压力脉冲被传递到上方的钻柱，而不行进越过动力部分。换句话说，本公开的振动组件将无阻碍的压力脉冲或水锤传递到上方的钻柱或连续管。因此，本公开的振动组件比常规的振动工具更有效地将压力脉冲或水锤和振动能量传递到上方的钻柱。

如本文所使用的，“上方”和任何其他较大高度或纬度的指示也意指上游，并且“下方”和任何其他较小的高度或纬度的指示也意指下游。如本文所使用的，“钻柱”应包括一系列钻柱部分和连续管线。

虽然已经描述了优选的实施方案，但是应当理解的是，这些实施方案仅仅是说明性的，并且当所附的权利要求符合全范围的等同物时，本发明的范围将仅由所附的权利要求限定，本领域技术人员根据对本发明的查阅自然地想到许多变化和修改。

Claims (18)

1.一种井下振动组件，所述井下振动组件用于在钻头上方的钻柱中传递压力脉冲，所述井下振动组件包括：

正排量动力部分，所述正排量动力部分设置在壳体的内孔中，所述正排量动力部分包括至少部分地设置在定子内的转子，其中所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔内，以在流体流穿过所述正排量动力部分时在所述定子内旋转；

阀，所述阀在所述壳体的所述内孔内设置在所述正排量动力部分上方，所述阀包括旋转阀盘和固定阀盘，所述旋转阀盘和所述固定阀盘各自包括至少一个轴向地穿过其延伸的流体通道，其中所述旋转阀盘被配置成随着所述转子的旋转而旋转，以用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中，在所述打开位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，其中，在所述限制位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道至少部分地不与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，以用于限制流体流穿过所述阀，以产生无阻碍的压力脉冲并使无阻碍的压力脉冲传递通过所述阀上方的所述钻柱；

螺母，所述螺母螺纹地固定到所述壳体的所述内孔的表面，其中所述螺母设置在所述固定阀盘上方并邻接所述固定阀盘的上表面；以及

压缩套筒，所述压缩套筒设置在所述固定阀盘和所述壳体的所述内孔的所述表面之间，其中所述压缩套筒的上端邻接所述螺母。

2.如权利要求1所述的井下振动组件，其中所述旋转阀盘和所述固定阀盘各自包括中央通道，并且其中，在所述限制位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道完全地不与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，并且流体流行进通过所述旋转阀盘的所述中央通道和所述固定阀盘的所述中央通道。

3.如权利要求1所述的井下振动组件，其中所述固定阀盘被固定到所述壳体，以防止所述固定阀盘相对于所述壳体的旋转。

4.如权利要求1所述的井下振动组件，还包括挠性轴，所述挠性轴将所述阀和所述转子互连，其中所述旋转阀盘被固定到所述挠性轴的上端，其中所述转子的上端被固定到所述挠性轴的下端，以将所述挠性轴和所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔中，并且其中所述挠性轴和所述旋转阀盘均随着所述转子的旋转而旋转。

5.如权利要求4所述的井下振动组件，还包括推力轴承和径向轴承，所述推力轴承和所述径向轴承设置在所述壳体的所述内孔内并围绕所述挠性轴设置。

6.如权利要求4所述的井下振动组件，其中所述挠性轴包括内孔，所述挠性轴的所述内孔从所述挠性轴的所述上端延伸至一个或更多个流体通道，所述一个或更多个流体通道从所述挠性轴的所述内孔延伸至所述挠性轴的外表面。

7.如权利要求1所述的井下振动组件，其中所述井下振动组件定位在所述钻头上方至少500英尺处。

8.一种井下振动组件，所述井下振动组件用于在钻头上方的钻柱中传递压力脉冲，所述井下振动组件包括：

正排量动力部分，所述正排量动力部分设置在壳体的内孔中，所述正排量动力部分包括至少部分地设置在定子内的转子，其中所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔内，以在流体流穿过所述正排量动力部分时在所述定子内旋转；

阀，所述阀在所述壳体的所述内孔内设置在所述正排量动力部分上方，所述阀包括旋转阀盘和固定阀盘，所述旋转阀盘和所述固定阀盘各自包括至少一个轴向地穿过其延伸的流体通道，其中所述旋转阀盘被配置成随着所述转子的旋转而旋转，以用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中，在所述打开位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，其中，在所述限制位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道至少部分地不与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，以用于限制流体流穿过所述阀，以产生无阻碍的压力脉冲并使无阻碍的压力脉冲传递通过所述阀上方的所述钻柱；

适配器，所述适配器在所述壳体的所述内孔内固定到所述转子的上端；以及

挠性线，所述挠性线将所述阀和所述适配器在所述壳体的所述内孔内互连，其中所述挠性线的下端被附连到所述适配器的上端，其中所述挠性线被设置成穿过所述固定阀盘的中央孔，并且其中所述挠性线的上端被固定到所述旋转阀盘的中央孔，以从所述壳体的所述内孔中的所述旋转阀盘可操作地悬挂所述挠性线、所述适配器和所述转子，并且其中所述适配器、所述挠性线和所述旋转阀盘均随着所述转子的旋转而旋转。

9.如权利要求8所述的井下振动组件，其中所述挠性线由杆、绳索、链或缆线形成。

10.一种井下振动组件，所述井下振动组件用于在钻头上方的钻柱中传递压力脉冲，所述井下振动组件包括：

动力部分，所述动力部分设置在壳体的内孔中，所述动力部分包括至少一个转子，所述至少一个转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔内，以在流体流穿过所述动力部分时旋转；

阀，所述阀在所述壳体的所述内孔内设置在所述动力部分上方，所述阀包括旋转阀盘和固定阀盘，所述旋转阀盘和所述固定阀盘各自包括至少一个轴向地穿过其延伸的流体通道，其中所述旋转阀盘被配置成随着所述转子的旋转而旋转，以用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中，在所述打开位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，其中，在所述限制位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道至少部分地不与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，以用于限制流体流穿过所述阀，以产生无阻碍的压力脉冲并使无阻碍的压力脉冲传递通过所述阀上方的所述钻柱；以及

冲击组件，所述冲击组件包括：

第一子部件，所述第一子部件可操作地连接到所述壳体的上端，所述第一子部件包括内孔；

心轴，所述心轴至少部分地滑动地设置在所述第一子部件的所述内孔内并且延伸超过所述第一子部件的上端；以及

弹簧，所述弹簧设置在所述心轴的外表面和所述第一子部件的所述内孔的表面之间，其中所述弹簧通过所述心轴相对于所述第一子部件的轴向移动而被压缩。

11.如权利要求10所述的井下振动组件，还包括挠性子部件，所述挠性子部件固定在所述壳体的所述上端和所述冲击组件的所述第一子部件的下端之间。

12.一种向钻头上方的钻柱传递振动的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)提供井下振动组件，所述井下振动组件包括：正排量动力部分，所述正排量动力部分设置在壳体的内孔中，所述正排量动力部分包括至少部分地设置在定子内的转子，其中所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔内，以在流体流穿过所述正排量动力部分时在所述定子内旋转；以及阀，所述阀在所述壳体的所述内孔内设置在所述正排量动力部分上方，所述阀包括旋转阀盘和固定阀盘，所述旋转阀盘和所述固定阀盘各自包括至少一个轴向地穿过其延伸的流体通道，其中所述旋转阀盘被配置成随着所述转子的旋转而旋转，以用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中，在所述打开位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，并且其中，在所述限制位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道至少部分地不与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，以用于限制流体流穿过所述阀；螺母，所述螺母螺纹地固定到所述壳体的所述内孔的表面，其中所述螺母设置在所述固定阀盘上方并邻接所述固定阀盘的上表面；以及压缩套筒，所述压缩套筒设置在所述固定阀盘和所述壳体的所述内孔的所述表面之间，其中所述压缩套筒的上端邻接所述螺母；

(b)将所述井下振动组件固定在钻柱的两个部分之间或固定在连续管线上；

(c)将具有所述井下振动组件的所述钻柱或连续管线下降至井眼中；

(d)将流体泵送通过所述钻柱或连续管线并通过所述井下振动组件，以旋转所述转子和所述旋转阀盘，以用于使所述阀在所述打开位置和所述限制位置之间循环，其中每次所述阀处于所述限制位置中时，通过流体流的限制产生压力脉冲，并且其中所产生的压力脉冲产生所述钻柱或连续管线的拉伸和收缩，从而引发振动；以及

(e)将振动传递到所述井下振动组件上方的所述钻柱或连续管线，而压力脉冲不行进通过所述正排量动力部分。

13.如权利要求12所述的方法，其中步骤(b)还包括将所述壳体的上端固定到所述钻柱的第一部分并将所述壳体的下端固定到所述钻柱的第二部分。

14.如权利要求12所述的方法，其中步骤(b)还包括将所述壳体的上端固定到所述连续管线。

15.如权利要求12所述的方法，其中在步骤(a)中，所述井下振动组件还包括挠性轴，所述挠性轴将所述阀和所述转子互连，其中所述旋转阀盘被固定到所述挠性轴的上端，并且其中所述转子的上端被固定到所述挠性轴的下端，以将所述挠性轴和所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔中；并且其中步骤(d)还包括使所述挠性轴随着所述转子的旋转而旋转，并且使所述旋转阀盘随着所述挠性轴的旋转而旋转。

16.如权利要求12所述的方法，其中步骤(d)还包括：所产生的压力脉冲拉伸所述钻柱或所述连续管线以产生振动。

17.如权利要求12所述的方法，其中在步骤(a)中，所述井下振动组件还包括冲击组件；并且其中步骤(d)还包括：所产生的压力脉冲轴向地激活所述冲击组件以产生振动。

18.一种向钻头上方的钻柱传递振动的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)提供井下振动组件，所述井下振动组件包括：正排量动力部分，所述正排量动力部分设置在壳体的内孔中，所述正排量动力部分包括至少部分地设置在定子内的转子，其中所述转子可操作地悬挂在所述壳体的所述内孔内，以在流体流穿过所述正排量动力部分时在所述定子内旋转；以及阀，所述阀在所述壳体的所述内孔内设置在所述正排量动力部分上方，所述阀包括旋转阀盘和固定阀盘，所述旋转阀盘和所述固定阀盘各自包括至少一个轴向地穿过其延伸的流体通道，其中所述旋转阀盘被配置成随着所述转子的旋转而旋转，以用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中，在所述打开位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，并且其中，在所述限制位置中，所述旋转阀盘的所述流体通道至少部分地不与所述固定阀盘的所述流体通道对齐，以用于限制流体流穿过所述阀；

(b)将所述井下振动组件固定在钻柱的两个部分之间或固定在连续管线上；

(c)将具有所述井下振动组件的所述钻柱或连续管线下降至井眼中；

(d)将流体泵送通过所述钻柱或连续管线并通过所述井下振动组件，以旋转所述转子和所述旋转阀盘，以用于使所述阀在所述打开位置和所述限制位置之间循环，其中每次所述阀处于所述限制位置中时，通过流体流的限制产生压力脉冲，并且其中所产生的压力脉冲产生所述钻柱或连续管线的拉伸和收缩，从而引发振动；以及

(e)将振动传递到所述井下振动组件上方的所述钻柱或连续管线，而压力脉冲不行进通过所述正排量动力部分；

其中在步骤(a)中，所述井下振动组件还包括适配器，所述适配器在所述壳体的所述内孔内固定到所述转子的上端；以及挠性线，所述挠性线将所述阀和所述适配器在所述壳体的所述内孔内互连，其中所述挠性线的下端被附连到所述适配器的上端，其中所述挠性线被设置成穿过所述固定阀盘的中央孔，并且其中所述挠性线的上端被固定到所述旋转阀盘的中央孔，以从所述壳体的所述内孔中的所述旋转阀盘可操作地悬挂所述挠性线、所述适配器和所述转子；并且其中步骤(d)还包括使所述适配器随着所述转子的旋转而旋转，使所述挠性线随着所述适配器的旋转而旋转，以及使所述旋转阀盘随着所述挠性线的旋转而旋转。

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