CN112943085B - 一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，包括振动轴、导轨接头、振动节外壳、活塞、振动弹簧以及动力供给组件，其中，所述振动轴滑动穿过所述导轨接头，所述导轨接头远离振动轴的一端与振动节外壳固定相连，所述振动外壳内滑动设置有活塞，所述活塞固定于振动轴的外圆周，且所述活塞与导轨接头之间采用多组振动弹簧相连；所述振动轴具有流道一，所述活塞具有流道二，所述振动节外壳具有流道三，所述流道一与流道二以及流道三相连通，以便钻井液依次经过流道一、流道二以及流道三进入至动力供给组件中，所述动力供给组件由该钻井液驱动，且能够为活塞提供轴向振荡动力。

Description

一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置

技术领域

本发明涉及非常规储层钻进技术领域，具体是一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置。

背景技术

在非常规储层钻进过程中，钻柱与井壁之间的摩阻会影响着钻进速度，钻具与井壁之间的摩擦造成的额外扭矩与摩阻导致机械转速低甚至出现托压现象，严重影响钻进速度，因此如果减阻降摩成为关注的重点，现有的利用水力进行减阻降摩的装置，其作用力单一，仅依靠水力提供的轴向脉冲将钻具与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，效果一般。

因此，有必要提供一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：包括振动轴、导轨接头、振动节外壳、活塞、振动弹簧以及动力供给组件，其中，所述振动轴滑动穿过所述导轨接头，所述导轨接头远离振动轴的一端与振动节外壳固定相连，所述振动外壳内滑动设置有活塞，所述活塞固定于振动轴的外圆周，且所述活塞与导轨接头之间采用多组振动弹簧相连；

所述振动轴具有流道一，所述活塞具有流道二，所述振动节外壳具有流道三，所述流道一与流道二以及流道三相连通，以便钻井液依次经过流道一、流道二以及流道三进入至动力供给组件中，所述动力供给组件由该钻井液驱动，且能够为活塞提供轴向振荡动力。

进一步，作为优选，所述动力供给组件包括驱动节外壳、连接头、旋转轴、扶正座、定子一以及转子一，其中，所述驱动节外壳通过连接头连接至振动节外壳的下方，所述驱动节外壳中转动设置有旋转轴，所述旋转轴的外部同轴固定有扶正座，所述扶正座采用扶正轴承与驱动节外壳相连，所述旋转轴的下方同轴固定有转子一，所述转子一与定子一相配合传动，所述定子一固定内嵌于驱动节外壳的内壁上，所述旋转轴为空心结构，且所述旋转轴与转子一连接处设置有向外扩散的导流孔；

所述转子一的下方还同轴固定有驱动轴，所述驱动轴的外部固定有偏心动阀，所述偏心动阀的下方设置有固定在固定壳内壁的定阀，通过所述偏心动阀的周期性转动，能够与定阀相配合，提供周期性水力轴向脉冲。

进一步，作为优选，所述振动轴与导轨接头相接触部分均为阶梯型，以便在振动轴进行振动时，导轨接头能够为振动轴提供限位。

进一步，作为优选，各个所述振荡弹簧的外部沿其长度方向上阵列固定有多层同步环，每层多个同步环的外部共同支撑连接有安装环，所述安装环滑动设置在振动节外壳内。

进一步，作为优选，所述固定壳上还设置有径向振动组件，所述径向振动组件包括导向弧座、振荡爪、楔块一以及楔块二，其中，四个所述导向弧座圆周阵列嵌入在固定壳上，所述导向弧座中滑动设置有振荡爪，所述振荡爪朝向驱动轴的一端固定有楔块一，所述驱动轴的外圆周固定有1～2个与所述楔块一相配合的楔块二。

进一步，作为优选，所述楔块二的数量为1。

进一步，作为优选，所述楔块二的数量为2，且两个所述楔块二所构成的圆心角为锐角，且使得两个所述楔块二在运动过程中，能够同时与两个楔块一相接触或两个所述楔块二中仅有一个在同一时间与一个楔块一相接触。

进一步，作为优选，所述导向弧座的外部固定有密封拉紧环，所述密封拉紧环的内壁与振荡爪固定密封相连，且所述密封拉紧环能够为振荡爪提供朝向驱动轴的轴心方向的力。

进一步，作为优选，位于径向振动组件下方的驱动轴采用单向驱动连接件连接有转子二，所述转子二与定子二相配合传动，所述定子二固定内嵌在固定壳的内壁上，所述驱动轴的端部设置有钻头机构。

进一步，作为优选，所述单向驱动连接件包括安装环、棘爪和棘轮，其中，所述安装环固定内嵌在转子二的内壁上，所述安装环内圆周上阵列铰接有多个棘爪，所述各个所述棘爪以复位弹簧作为支撑，从而卡在棘轮的齿牙上，所述棘轮固定套设在驱动轴上，所述转子二的上下端还固定有与驱动轴转动相连的挡水板。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，具备以下有益效果：

本装置中，利用钻井液依次经过流道一、流道二以及流道三进入至动力供给组件中，从而能够利用钻井液冲击转子一，转子一与定子一相互啮合，利用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换，实现周期性转动，此时偏心动阀与定阀能够间歇性配合，从而控制过流面积，实现偏心动阀上端的压力周期性变化，该压力的周期性变化会经过活塞传递至振动轴上，从而通过钻柱的轴向振荡来减小钻柱与井眼之间的静摩擦力，进而改善钻压得传递，另外本装置中还设置有径向振动组件，一方面能够充分利用钻井液实现振荡爪径向振荡，另一方面振荡爪能够与井壁相抵靠，带动固定壳整体进行径向微振荡，改善其与井壁之间的静摩擦力，并且该径向振荡能够与轴向振荡相叠加，大幅度降低管柱与井壁间的总摩擦力，进一步实现降阻减摩。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中径向振动组件的结构示意图一；

图3为本发明中径向振动组件的结构示意图二；

图4为本发明中振动弹簧的安装示意图；

图5为本发明中单向驱动连接件的结构示意图；

图中：1、振动轴；2、导轨接头；3、振动节外壳；4、活塞；5、振动弹簧；6、流道一；7、流道二；8、流道三；9、驱动节外壳；10、连接头；11、旋转轴；12、扶正座；13、定子一；14、转子一；15、驱动轴；16、固定壳；17、偏心动阀；18、定阀；19、径向振动组件；20、单向驱动连接件；21、定子二；22、转子二；23、导向弧座；24、振荡爪；25、密封拉紧环；26、楔块一；27、楔块二；28、连接环；29、同步环；30、安装环；31、棘爪；32、棘轮。

具体实施方式

请参阅图1～5，本发明实施例中，一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：包括振动轴1、导轨接头2、振动节外壳3、活塞4、振动弹簧5以及动力供给组件，其中，所述振动轴1滑动穿过所述导轨接头2，所述导轨接头2远离振动轴1的一端与振动节外壳3固定相连，所述振动外壳3内滑动设置有活塞4，所述活塞4固定于振动轴1的外圆周，且所述活塞4与导轨接头2之间采用多组振动弹簧5相连；

所述振动轴1具有流道一6，所述活塞4具有流道二7，所述振动节外壳3具有流道三8，所述流道一6与流道二7以及流道三8相连通，以便钻井液依次经过流道一6、流道二7以及流道三8进入至动力供给组件中，所述动力供给组件由该钻井液驱动，且能够为活塞4提供轴向振荡动力，从而通过钻柱的轴向振荡来减小钻柱与井眼之间的静摩擦力，进而改善钻压得传递。

本实施例中，所述动力供给组件包括驱动节外壳9、连接头10、旋转轴11、扶正座12、定子一13以及转子一14，其中，所述驱动节外壳9通过连接头10连接至振动节外壳3的下方，所述驱动节外壳9中转动设置有旋转轴11，所述旋转轴11的外部同轴固定有扶正座12，所述扶正座12采用扶正轴承与驱动节外壳9相连，从而提高了旋转轴转动的稳定性，所述旋转轴11的下方同轴固定有转子一14，所述转子一14与定子一13相配合传动，所述定子一13固定内嵌于驱动节外壳9的内壁上，所述旋转轴11为空心结构，且所述旋转轴11与转子一14连接处设置有向外扩散的导流孔，从而能够利用钻井液冲击转子一14，转子一与定子一相互啮合，利用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换，实现周期性转动；

而所述转子一14的下方还同轴固定有驱动轴15，所述驱动轴15的外部固定有偏心动阀17，所述偏心动阀17的下方设置有固定在固定壳16内壁的定阀18，通过所述偏心动阀17的周期性转动，能够与定阀18相配合，提供周期性水力轴向脉冲，具体的，偏心动阀17与定阀18能够间歇性配合，从而控制过流面积，实现偏心动阀17上端的压力周期性变化，该压力的周期性变化会经过活塞传递至振动轴1上。

作为较佳的实施例，所述振动轴1与导轨接头2相接触部分均为阶梯型，以便在振动轴1进行振动时，导轨接头2能够为振动轴1提供限位。

作为较佳的实施例，各个所述振荡弹簧5的外部沿其长度方向上阵列固定有多层同步环29，每层多个同步环29的外部共同支撑连接有安装环30，所述安装环30滑动设置在振动节外壳3内，从而在振荡时，为振荡轴提供平稳的振荡力，减小了因活塞传递的无规则振荡力导致振动轴1的无规则振荡，从而影响钻压得传递。

本实施例中，如图2，所述固定壳16上还设置有径向振动组件19，所述径向振动组件19包括导向弧座23、振荡爪24、楔块一26以及楔块二27，其中，四个所述导向弧座23圆周阵列嵌入在固定壳16上，所述导向弧座23中滑动设置有振荡爪24，所述振荡爪朝向驱动轴15的一端固定有楔块一26，所述驱动轴15的外圆周固定有1～2个与所述楔块一26相配合的楔块二21。

本实施例中，所述楔块二的数量为1，此时驱动轴15的转动，会带动楔块二进行转动，而楔块二的转动会依次驱动四个楔块一26进行径向移动，楔块一的径向移动则带动四个方向上的振荡爪24依次伸长，一方面能够引起径向振荡，另一方面能够与井壁相抵靠，带动固定壳整体进行径向微振荡，改善其与井壁之间的静摩擦力，并且该径向振荡能够与轴向振荡相叠加，大幅度降低管柱与井壁间的总摩擦力。

在另一实施例中，所述楔块二的数量为2，且两个所述楔块二27所构成的圆心角为锐角，且使得两个所述楔块二27在运动过程中，能够同时与两个楔块一26相接触或两个所述楔块二27中仅有一个在同一时间与一个楔块一26相接触，需要解释的是，两个楔块二27在转动过程中，如图3，某一时间段内，两个楔块二分别会与两个楔块一相接触，此时其径向振荡为两个方向的力的叠加，并且由于两个楔块二与两个楔块一接触程度不同，这种不同包括仅有一个在同一时间与一个楔块一26相接触，其所能提供的径向力不同，并且这种不同实时变化，从而提高了其径向振荡的效果。

作为较佳的实施例，所述导向弧座23的外部固定有密封拉紧环25，所述密封拉紧环25的内壁与振荡爪24固定密封相连，且所述密封拉紧环25能够为振荡爪24提供朝向驱动轴15的轴心方向的力，从而方便其进行复位。

另外，位于径向振动组件19下方的驱动轴15采用单向驱动连接件20连接有转子二22，所述转子二22与定子二21相配合传动，所述定子二21固定内嵌在固定壳16的内壁上，所述驱动轴15的端部设置有钻头机构，也就是说，本装置的水力振荡的动力以及钻头机构的钻进动力均来自于转子一和定子一，另外，为了进一步利用水压，设置转子二和定子二，充分利用剩余压力，提高了钻进效率。

本实施例中，所述单向驱动连接件20包括安装环30、棘爪31和棘轮32，其中，所述安装环30固定内嵌在转子二22的内壁上，所述安装环30内圆周上阵列铰接有多个棘爪31，所述各个所述棘爪31以复位弹簧作为支撑，从而卡在棘轮32的齿牙上，所述棘轮32固定套设在驱动轴15上，所述转子二22的上下端还固定有与驱动轴15转动相连的挡水板。

在具体实施时，利用钻井液依次经过流道一6、流道二7以及流道三8进入至动力供给组件中，从而能够利用钻井液冲击转子一14，转子一与定子一相互啮合，利用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换，实现周期性转动，此时偏心动阀17与定阀18能够间歇性配合，从而控制过流面积，实现偏心动阀17上端的压力周期性变化，该压力的周期性变化会经过活塞传递至振动轴1上，从而通过钻柱的轴向振荡来减小钻柱与井眼之间的静摩擦力，进而改善钻压得传递，另外本装置中还设置有径向振动组件，一方面能够引起径向振荡，另一方面能够与井壁相抵靠，带动固定壳整体进行径向微振荡，改善其与井壁之间的静摩擦力，并且该径向振荡能够与轴向振荡相叠加，大幅度降低管柱与井壁间的总摩擦力，进一步实现降阻减摩。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：包括振动轴(1)、导轨接头(2)、振动节外壳(3)、活塞(4)、振动弹簧(5)以及动力供给组件，其中，所述振动轴(1)滑动穿过所述导轨接头(2)，所述导轨接头(2)远离振动轴(1)的一端与振动节外壳(3)固定相连，所述振动节外壳(3)内滑动设置有活塞(4)，所述活塞(4)固定于振动轴(1)的外圆周，且所述活塞(4)与导轨接头(2)之间采用多组振动弹簧(5)相连；

所述振动轴(1)具有流道一(6)，所述活塞(4)具有流道二(7)，所述振动节外壳(3)具有流道三(8)，所述流道一(6)与流道二(7)以及流道三(8)相连通，以便钻井液依次经过流道一(6)、流道二(7)以及流道三(8)进入至动力供给组件中，所述动力供给组件由该钻井液驱动，且能够为活塞(4)提供轴向振荡动力；

所述动力供给组件包括驱动节外壳(9)、连接头(10)、旋转轴(11)、扶正座(12)、定子一(13)以及转子一(14)，其中，所述驱动节外壳(9)通过连接头(10)连接至振动节外壳(3)的下方，所述驱动节外壳(9)中转动设置有旋转轴(11)，所述旋转轴(11)的外部同轴固定有扶正座(12)，所述扶正座(12)采用扶正轴承与驱动节外壳(9)相连，所述旋转轴(11)的下方同轴固定有转子一(14)，所述转子一(14)与定子一(13)相配合传动，所述定子一(13)固定内嵌于驱动节外壳(9)的内壁上，所述旋转轴(11)为空心结构，且所述旋转轴(11)与转子一(14)连接处设置有向外扩散的导流孔；

所述转子一(14)的下方还同轴固定有驱动轴(15)，所述驱动轴(15)的外部固定有偏心动阀(17)，所述偏心动阀(17)的下方设置有固定在固定壳(16)内壁的定阀(18)，通过所述偏心动阀(17)的周期性转动，能够与定阀(18)相配合，提供周期性水力轴向脉冲；

所述固定壳(16)上还设置有径向振动组件(19)，所述径向振动组件(19)包括导向弧座(23)、振荡爪(24)、楔块一(26)以及楔块二(27)，其中，四个所述导向弧座(23)圆周阵列嵌入在固定壳(16)上，所述导向弧座(23)中滑动设置有振荡爪(24)，所述振荡爪朝向驱动轴(15)的一端固定有楔块一(26)，所述驱动轴(15)的外圆周固定有1～2个与所述楔块一(26)相配合的楔块二(27)。

2.根据权利要求1所述的一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：所述振动轴(1)与导轨接头(2)相接触部分均为阶梯型，以便在振动轴(1)进行振动时，导轨接头(2)能够为振动轴(1)提供限位。

3.根据权利要求1所述的一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：各个所述振动弹簧(5)的外部沿其长度方向上阵列固定有多层同步环(29)，每层多个同步环(29)的外部共同支撑连接有安装环(30)，所述安装环(30)滑动设置在振动节外壳(3)内。

4.根据权利要求1所述的一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：所述楔块二的数量为1。

5.根据权利要求1所述的一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：所述楔块二的数量为2，且两个所述楔块二(27)所构成的圆心角为锐角，且使得两个所述楔块二(27)在运动过程中，能够同时与两个楔块一(26)相接触或两个所述楔块二(27)中仅有一个在同一时间与一个楔块一(26)相接触。

6.根据权利要求1所述的一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：所述导向弧座(23)的外部固定有密封拉紧环(25)，所述密封拉紧环(25)的内壁与振荡爪(24)固定密封相连，且所述密封拉紧环(25)能够为振荡爪(24)提供朝向驱动轴(15)的轴心方向的力。

7.根据权利要求1所述的一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：位于径向振动组件(19)下方的驱动轴(15)采用单向驱动连接件(20)连接有转子二(22)，所述转子二(22)与定子二(21)相配合传动，所述定子二(21)固定内嵌在固定壳(16)的内壁上，所述驱动轴(15)的端部设置有钻头机构。

8.根据权利要求7所述的一种基于水力振荡的非常规储层钻进减阻降摩装置，其特征在于：所述单向驱动连接件(20)包括安装环(30)、棘爪(31)和棘轮(32)，其中，所述安装环(30)固定内嵌在转子二(22)的内壁上，所述安装环(30)内圆周上阵列铰接有多个棘爪(31)，所述各个所述棘爪(31)以复位弹簧作为支撑，从而卡在棘轮(32)的齿牙上，所述棘轮(32)固定套设在驱动轴(15)上，所述转子二(22)的上下端还固定有与驱动轴(15)转动相连的挡水板。

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