CN111270995B - 扭摆式低压耗减托压随钻工具及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扭摆式低压耗减托压随钻工具及其工作方法，该工具由扭摆‑轴向振动花键总成、平衡活塞总成、增压活塞总成组成；所述扭摆‑轴向振动花键总成包括花键芯轴，所述花键芯轴外设有花键外筒，所述花键外筒前端的内表面设有前端刮塞组件及第一M型刮塞密封圈；所述花键芯轴下部设有碟簧组件。本工具采用增压活塞结构，工具在较小的振荡压力下，也能产生较高的振荡力，增压活塞总成采用模块式结构，可以多级串联，因此可以在距离钻头更远的距离选择安放本发明工具，对更长的钻柱产生振荡力，提高减托压效果。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻采井下工具技术领域，特别是涉及一种扭摆式低压耗减托压随钻工具，主要用于石油钻井提速。
背景技术
随着大位移井数量的增加和水平位移的不断延伸，其钻进模式面临着更大的挑战，水力振荡器通过简单有效的方式解决这个难题，提出了一个独特而又有效的途径。平稳的钻压传递，甚至在方位角变化很大的复杂地层中，提高对钻头工具面的调整能力，以使钻达更远的目的层；在钻进中不需过多的工作来调整工具面，保持工具面的稳定，提高机械钻速。但是，目前常用的响应周期波动压力的钻柱振荡力输出工具，受制于如下几个方面的问题：
1)单一的轴向振荡力输出，水平段降低摩擦阻力能力有限；
2)受制于密封件的性能需求，轴-孔钢体公差过小，岩屑微粒容易卡阻芯轴，导致工具不振荡；
3)工具内部没有采用油封结构，泥浆进入工具花键及碟簧腔体内，导致振荡空间被填满，工具不振荡；
4)耐磨密封件对油基泥浆中复杂的化学组分及高温的不配伍导致的密封快速失效，工具入井时间较短；
5)振荡活塞面积较小，需要较大的振荡压力才能推动更长的钻柱，这导致循环压耗较高，在深井长水平段中后期，达到泥浆泵极限；
6)工具内部密封件与芯轴的摩擦力较大，一方面大大降低了振荡力的有效值，另一方面导致密封件快速失效；
7)工具内的液体运移受到阻尼作用，导致更高频振荡响应能力弱，工具内的阻尼力导致的高频振荡力有效值低下。
总之，现有的钻柱振荡力输出工具存在严重的阻尼、卡阻、摩擦力大、磨损大、化学耐受性差、耐高温性能差、耐高压性差等缺陷，导致现场应用效果不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种扭摆式低压耗减托压随钻工具及其工作方法。本发明的工具主要用于解决钻井提速降低、长水平段及多段制井身轨迹滑动钻进托压严重等问题，由于复合了扭摆和轴向两种方式的振动，使得钻柱在这一复合振荡方式作用下呈现螺旋振荡，这种振荡方式更加有效的降低钻柱与裸眼井壁的摩擦阻力，有利于传递钻压、稳定工具面，实现高速钻井的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：一种扭摆式低压耗减托压随钻工具，由扭摆-轴向振动花键总成、平衡活塞总成、至少一组增压活塞总成组成；所述扭摆-轴向振动花键总成包括花键芯轴，所述花键芯轴外设有花键外筒，所述花键外筒前端的内表面设有前端刮塞组件及第一M型刮塞密封圈；所述花键芯轴下部设有碟簧组件。
其中，所述花键芯轴外表面均布有螺旋花键，所述花键外筒内表面设有螺旋花键槽，所述螺旋花键与所述螺旋花键槽的形状、大小相匹配；所述扭摆-轴向振动花键总成封装在油封筒体内。
其中，所述螺旋花键为7根，所述螺旋花键槽为8个，其中一个螺旋花键槽内不设有螺旋花键，形成空腔。
其中，所述花键芯轴、所述花键外筒以及碟簧组件之间充填有润滑油。
所述前端刮塞组件由依次排列的J型刮塞、矩形橡胶刮塞及矩形刮塞组成，所述J型刮塞和矩形刮塞由玻纤PEEK材料制成。
其中，所述平衡活塞总成包括平衡活塞外筒，所述平衡活塞外筒内设有平衡活塞，平衡活塞外筒与平衡活塞之间设有第一U型低阻滑动密封和T型低阻滑动密封，平衡活塞的后端设有刮塞，平衡活塞中部设有注脂空腔，平衡活塞尾端设有注脂孔，所述注脂孔上设有注脂油塞，平衡活塞的外表面设有耐磨支撑环。
其中，所述增压活塞总成主要由增压活塞外筒和增压活塞、第二M型刮塞密封圈、第二U型低阻滑动密封、耐磨支撑环、T型低阻滑动密封、刮塞、注脂空腔和注脂油塞等组成。
当增压活塞总成的数量大于1组时，所有的增压活塞总成依次首尾串联连接。
其中，所述T型低阻滑动密封由一对L型支持环和T型氟橡胶密封圈组合而成。
所述第一U型低阻滑动密封和第二U型低阻滑动密封均由一对三角支撑环、一对矩形支撑环和一个U型氟橡胶密封圈组合而成。
所述三角支撑环由低摩擦系数的铜制开口金属环制成，所述矩形支撑环由高纤PEEK材料制成，所述U型氟橡胶密封圈为具有自补偿功能的高效密封圈。
其中，所述注脂空腔内完全充满黄油。
其中，所述扭摆式低压耗减托压随钻工具与振荡压力发生工具的上部相连接。
扭摆式低压耗减托压随钻工具的工作方法：振荡压力发生工具的螺杆转子在泥浆动力驱动下，产生旋转，带动动盘阀发生偏心旋转，与定盘阀的过流面积发生周期变化，导致钻杆内部发生压力脉冲变化；扭摆式低压耗减托压随钻工具响应这一压力脉冲变化。
同现有技术相比，本发明的突出效果在于：
(1)本发明工具采用较大的轴孔公差间隙，更有利于降低重载芯轴与外筒高频相对运动过程中的密封摩擦阻力，大幅度降低微小岩屑颗粒进入轴孔公差间隙导致的卡阻情况，显著提高振荡力，同时降低密封件的磨损，显著提高使用寿命。
(2)本发明工具的花键芯轴采用油封方式封装在花键外筒内部，用高性能润滑油充填其空隙之中，有效的避免了泥浆侵入花键空隙填塞花键及碟簧，显著降低金属运动件之间的摩擦系数，显著提高振荡力。
(3)本发明工具采用增压活塞结构，工具在较小的振荡压力下，也能产生较高的振荡力，增压活塞总成采用模块式结构，可以多级串联，因此可以在距离钻头更远的距离选择安放本发明工具，对更长的钻柱产生振荡力，提高减托压效果。
(4)本发明工具在于泥浆接触的芯轴及外筒上采用组合刮塞、M型刮塞、T型低阻滑动密封、U型低阻滑动密封等不同的密封组件组合，可以在芯轴微量破损、180℃以上高温以及70MPa以上高压情况下，保持长效密封，可适度补偿芯轴金属零件微量外径磨损，本发明工具显著提高高温高压工况的使用寿命，对于更加广泛的深井、超深井、油基泥浆适应性显著提升。
下面结合附图说明和具体实施例对本发明所述的扭摆式低压耗减托压随钻工具及其工作方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明扭摆式低压耗减托压随钻工具的结构示意图；
图2为本发明扭摆式低压耗减托压随钻工具的整体示意图；
图3为与本发明扭摆式低压耗减托压随钻工具相连接的一种脉冲发生器示意图；
图4为图1中A-A向的花键芯轴与花键外筒的剖面结构示意图；
图5为花键芯轴与花键外筒立体结构示意图；
图6为图1中Ⅰ部分的局部放大的剖面示意图；
图7为图1中Ⅱ部分的局部放大的剖面示意图；
图8为图1中Ⅲ部分的局部放大的剖面示意图。
其中，1.花键芯轴，2.花键外筒，3.碟簧组件，4.平衡活塞外筒，5.平衡活塞，6.定位环，7.增压活塞外筒，8.增压活塞，9.下接头，11.注油塞，12.注脂塞，13.下芯轴；
101.前端刮塞组件，103.第一U型低阻滑动密封，104.T型低阻滑动密封，106.第二U型低阻滑动密封，107.耐磨支撑环；
201.三角支撑环，202.矩形支撑环，203.U型氟橡胶密封圈，206.刮塞，207.L型支持环，208.T型氟橡胶密封圈，209.注脂空腔，210.注脂孔，211.注脂塞，212.耐磨支撑环；
301.J型刮塞，302.矩形橡胶刮塞，303.矩形刮塞，304.第一M型刮塞密封圈，308.第二M型刮塞密封圈；
401.螺旋花键，402.空腔，403.螺旋花键槽，500.扭摆式低压耗减托压随钻工具，600.振荡压力发生工具，601.螺杆转子，602.动盘阀，603.定盘阀。
具体实施方式
如图1-2所示，扭摆式低压耗减托压随钻工具500由扭摆-轴向振动花键总成、平衡活塞总成、增压活塞总成组成。
扭摆-轴向振动花键总成集中封装在油封筒体内，扭摆-轴向振动花键总成包括花键芯轴1，所述花键芯轴1外设有花键外筒2，所述花键外筒2前端的内表面设有前端刮塞组件101及第一M型刮塞密封圈304；所述花键芯轴1下部设有碟簧组件3。
如图4-5所示，花键芯轴1外表面均布有螺旋花键401，所述花键外筒2内表面设有螺旋花键槽403，所述螺旋花键401与所述螺旋花键槽403的形状、大小相匹配；其有益结果是当花键外筒2与花键芯轴1发生轴向位移时，会产生扭向摆动，使得下部的钻柱发生一定角度的旋转，当然这个旋转升角要控制在钻柱旋转扭矩不会推动花键外筒2发生轴向位移的角度内，并且不会导致钻头工具面发生摆动，二者取最小值，即：工具下部的钻柱发生扭摆但工具面不发生漂移。
螺旋花键401为7根，所述螺旋花键槽403为8个，其中一个螺旋花键槽内不设有螺旋花键，形成空腔402。其有益结果是，花键芯轴1与花键外筒2以及碟簧组件3之间的润滑油充填物在机械高速往复运动时，不会对运动机械发生抽吸和阻尼情况。这一做法的有益结果是工具的高频振荡相应能力增强，工具内的阻尼力降低。
所述花键芯轴1、所述花键外筒2以及碟簧组件3之间充填有润滑油；用高性能润滑油充填其空隙之中，有效的避免了泥浆侵入花键空隙填塞花键及碟簧，显著降低金属运动件之间的摩擦系数，显著提高振荡力。
如附图6所示，前端刮塞组件101由J型刮塞301、矩形橡胶刮塞302、矩形刮塞303依次紧密排列组成，J型刮塞301和矩形刮塞303由玻纤PEEK材料制成，具有较高的强度可以刮除密封轴上的硬质沉积物，第一M型刮塞密封圈304兼具了刮塞和密封的双重功能，并且具有补偿功能，当橡胶发生一定程度的磨损活塞密封轴外径轻微破损或磨损，不会影响密封效果。
其中，一个有益实例是轴孔公差间隙0.4mm，在油基泥浆温度180℃、压力70MPa工况下，密封轴上坑蚀直径不超过3mm，深度不超过0.4mm时，可以继续工作，不会丧失密封性能。这种组合密封可以允许花键芯轴1和花键外筒2之间较大的公差间隙。这一做法的有意结果是，更有利于降低重载芯轴与外筒高频相对运动过程中的密封摩擦阻力，大幅度降低微小岩屑颗粒进入轴孔公差间隙导致的卡阻情况，显著提高振荡力，同时降低密封件的磨损，显著提高使用寿命。
如图1、图7所示，平衡活塞总成包括平衡活塞外筒4，所述平衡活塞外筒4内设有平衡活塞5，平衡活塞5套在下芯轴13上，增压活塞8与下芯轴13下端螺纹固定连接，因此形成上下双级活塞。平衡活塞外筒4的上部壁面上设有注油塞11。
平衡活塞5的下方设有定位环6，定位环6的下方为增压活塞外筒7的上端。增压活塞外筒7的上端位于平衡活塞外筒4的下端内部。
平衡活塞外筒4与平衡活塞5之间设有T型低阻滑动密封104，平衡活塞5与下芯轴13之间设有第一U型低阻滑动密封103。平衡活塞5的后端设有刮塞206，平衡活塞5中部设有注脂空腔209，平衡活塞5尾端设有注脂孔210，所述注脂孔210上设有注脂油塞211，平衡活塞5的外表面设有耐磨支撑环212。将高温黄油从注脂油塞211端口注入，通过注脂孔210进入注脂空腔209，将里面完全充满黄油，这些黄油能够显著降低密封组件在外筒和芯轴上的摩擦力，保护密封。
T型低阻滑动密封104由从外至内排列的一对L型支持环207和T型氟橡胶密封圈208组合而成。如图8所示，第一U型低阻滑动密封103由从外至内依次排列的一对三角支撑环201、一对矩形支撑环202和一个U型氟橡胶密封圈203组合而成，其中三角支撑环201由低摩擦系数的铜制开口金属环制成，矩形支撑环202由高纤PEEK材料制成，U型氟橡胶密封圈203是一种具有自补偿功能的高效密封圈，这种组合的有意结果是，密封件可以在较大公差下，实现高温高压动密封，并且摩擦系数很低，降低高频往复运动下的密封件磨损，应对芯轴局部损坏及微量磨损。较低的摩擦系数，有利于工具轻巧的往复运动，提高振荡力。
增压活塞总成主要由增压活塞外筒7和增压活塞8、第二M型刮塞密封圈308、第二U型低阻滑动密封106、耐磨支撑环107、T型低阻滑动密封、刮塞、注脂空腔和注脂油塞等组成。其中，增压活塞外筒7的上部壁面上设有注脂塞12。第二U型低阻滑动密封106、耐磨支撑环107和第二M型刮塞密封圈308位于增压活塞外筒7的内壁面与下芯轴13的外壁面之间。
与第一U型低阻滑动密封103相同，第二U型低阻滑动密封106同样由从外至内依次排列的一对三角支撑环201、一对矩形支撑环202和一个U型氟橡胶密封圈203组合而成。
增压活塞总成的密封零件设置方式(如T型低阻滑动密封、刮塞、注脂空腔和注脂油塞)均参照平衡活塞总成中相应的密封零件，二者的零部件结构与使用原理相同，在此不再一一赘述。
增压活塞外筒7的尾端与下接头9相连接。当增压活塞总成的数量大于1组时，所有的增压活塞总成依次首尾串联连接，最下端的一组增压活塞总成的增压活塞外筒与下接头9相连接。
扭摆式低压耗减托压随钻工具500接于振荡压力发生工具600上部，如图3所示，振荡压力发生工具600为螺杆式压力脉冲发生器，螺杆转子601在泥浆动力驱动下，产生旋转，带动动盘阀602发生偏心旋转，与定盘阀603的过流面积发生周期变化，导致钻杆内部发生压力脉冲变化。
扭摆式低压耗减托压随钻工具500响应这一压力脉冲变化，其中，当动盘阀602旋转与定盘阀603过流面积逐渐减小时，钻杆内压力逐渐升高，会在定盘阀603上产生液压推力，这一推力迫使振荡压力发生工具600向下(即图中向右)位移的作用力。另外，钻杆内压力逐渐升高，也会分别在平衡活塞总成的右端面和增压活塞总成的右端面上产生液压推力(即图中向左)，这一推力迫使下芯轴13连动花键芯轴1产生向上位移的作用力。向上位移的作用力与向下位移的作用力互为作用力与反作用力，因此，压缩碟簧3使得本发明扭摆式低压耗减托压随钻工具500长度伸长，有益的结果是伸长量为3-10mm。换言之，在钻杆内的压力升高，会推动振荡压力发生工具600及其下部的钻具向井底位移3-10mm。
其中当动盘阀602旋转与定盘阀603过流面积逐渐增大时，钻杆内压力逐渐降低，在定盘阀603上的液压推力逐渐降低，碟簧3使得本发明扭摆式低压耗减托压随钻工具500长度恢复到初始长度。换言之，在钻杆内的压力降低，会拉动振荡压力发生工具600及其下部的钻具向上位移3-10mm。
上述压力脉动变化频率为3-12Hz，本发明扭摆式低压耗减托压随钻工具500长度伸长和恢复也会相应按这个频率发生，使得本发明下部的钻杆钻具高频的做轴向往复运动，加上扭向的往复运动，下部钻具与岩石裸眼井壁的摩擦由静摩擦转换为轴-扭两个方向的往复动摩擦，显著降低钻具与井壁的摩擦阻力，便于钻具顺利滑入井底。
增压活塞总成为独立总成结构，可以根据不同的施工井钻井工艺需求，将增压活塞增加到3级甚至更多，从而加大振荡推力。工具采用增压活塞结构，工具在较小的振荡压力下，也能产生较高的振荡力，增压活塞采用模块式结构，可以多级串联，因此可以在距离钻头更远的距离选择安放本发明工具，对更长的钻柱产生振荡力，提高减托压效果。
一个有益实例是当振荡压力发生工具600的节流压耗仅为2.5MPa时，本发明所述工具的振荡推力可以达到35kN以上，在页岩气水平井可以推动140米以上的钻具发生扭摆-振荡，显著降低钻井滑动托压，机械钻速与旋转导向接近，经济效益十分突出。
本发明的工具在与泥浆接触的芯轴及外筒上采用前端刮塞组件101、M型刮塞密封圈304、T型低阻滑动密封104、第一U型低阻滑动密封103等不同的密封组件组合，可以在芯轴微量破损、180℃以上高温以及70MPa以上高压情况下，保持长效密封，可适度补偿芯轴金属零件微量外径磨损，本发明工具显著提高高温高压工况下的使用寿命，对于更加广泛的深井、超深井、油基泥浆适应性显著提升。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种扭摆式低压耗减托压随钻工具，其特征在于：由扭摆-轴向振动花键总成、平衡活塞总成、至少一组增压活塞总成组成；所述扭摆-轴向振动花键总成包括花键芯轴，所述花键芯轴外设有花键外筒，所述花键外筒前端的内表面设有前端刮塞组件及第一M型刮塞密封圈；所述花键芯轴下部设有碟簧组件；
所述花键芯轴外表面均布有螺旋花键，所述花键外筒内表面设有螺旋花键槽，所述螺旋花键与所述螺旋花键槽的形状、大小相匹配；所述扭摆-轴向振动花键总成封装在油封筒体内；所述螺旋花键为7根，所述螺旋花键槽为8个，其中一个螺旋花键槽内不设有螺旋花键，形成空腔；
所述花键芯轴、所述花键外筒以及碟簧组件之间充填有润滑油；
所述前端刮塞组件由依次排列的J型刮塞、矩形橡胶刮塞及矩形刮塞组成；
所述平衡活塞总成包括平衡活塞外筒，所述平衡活塞外筒内设有平衡活塞，平衡活塞外筒与平衡活塞之间设有第一U型低阻滑动密封和T型低阻滑动密封，平衡活塞的后端设有刮塞，平衡活塞中部设有注脂空腔，平衡活塞尾端设有注脂孔，所述注脂孔上设有注脂油塞，平衡活塞的外表面设有耐磨支撑环；
所述增压活塞总成主要由增压活塞外筒和增压活塞、第二M型刮塞密封圈、第二U型低阻滑动密封、耐磨支撑环、刮塞、T型低阻滑动密封、注脂空腔和注脂油塞组成；
增压活塞外筒的上端位于平衡活塞外筒的下端内部；
所述T型低阻滑动密封均由一对L型支持环和T型氟橡胶密封圈组合而成；
所述第一U型低阻滑动密封和第二U型低阻滑动密封均由一对三角支撑环、一对矩形支撑环和一个U型氟橡胶密封圈组合而成；
所述三角支撑环由低摩擦系数的铜制开口金属环制成，所述U型氟橡胶密封圈为具有自补偿功能的高效密封圈；所述注脂空腔内均完全充满黄油。
2.根据权利要求1所述的扭摆式低压耗减托压随钻工具，其特征在于：所述J型刮塞和矩形刮塞由玻纤PEEK材料制成。
3.根据权利要求1所述的扭摆式低压耗减托压随钻工具，其特征在于：所述矩形支撑环由高纤PEEK材料制成。
4.根据权利要求1所述的扭摆式低压耗减托压随钻工具，其特征在于：当增压活塞总成的数量大于1组时，所有的增压活塞总成依次首尾串联连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的扭摆式低压耗减托压随钻工具，其特征在于：所述扭摆式低压耗减托压随钻工具与振荡压力发生工具的上部相连接。
6.一种根据权利要求5所述的扭摆式低压耗减托压随钻工具的工作方法，其特征在于：振荡压力发生工具的螺杆转子在泥浆动力驱动下，产生旋转，带动动盘阀发生偏心旋转，与定盘阀的过流面积发生周期变化，导致钻杆内部发生压力脉冲变化；扭摆式低压耗减托压随钻工具响应这一压力脉冲变化。
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