CN113090201A - 一种轴力和扭力双向复合减震器以及减震方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种轴力和扭力双向复合减震器以及减震方法，包括减震本体，减震本体包括上筒体、中筒体与下筒体，上筒体、中筒体与下筒体内穿接有芯轴；上筒体与芯轴之间设置有轴向减震结构；中筒体与芯轴之间设置有周向减震结构；减震本体内设置有防止芯轴脱出的限位结构；上筒体、中筒体、下筒体与芯轴之间围合形成润滑油腔。本发明是一种能同时减缓或消除钻具纵向及扭转振动冲击载荷的新型井下工具,实现了维持正常钻压和稳定扭矩、减少钻具及地面设备振动损坏、提高钻进速度以及降低钻进成本；本发明双向减震机构均采用了机械式减震元件，减震效果好，适用范围广，适用于各种岩性、硬度的地层、且不受井底温度等工作环境因素的影响。
Description
技术领域
本发明涉及钻井减震工具技术领域，尤其涉及一种轴力和扭力双向复合减震器以及减震方法。
背景技术
随着深井、超深井的开采，在深度地层，地质构造越来越复杂，岩石硬度高，软硬混杂，造成井下钻进过程中扭转、纵向和横向冲击振动及憋跳钻严重，导致钻头、钻具和地面设备的振动破环，钻井周期长、钻井成本居高不下等问题越来越突出，所以需要采取钻具减震措施来消除振动的危害。
目前，经过多年的研究和应用证明，应用钻具减震器是解决钻具振动最为有效的方法，钻具减震器不仅能够调整底部钻具固有的振动和钻头的自激振荡频率提高钻头破岩效率，还能够吸收或减缓钻具振动的冲击力，从而提高钻速，降低钻井成本，提高钻井效率，在目前常用的减震器中，从原理上来讲，弹簧式减震器受井下条件的影响较小，工作频率范围较宽，其弱点是减震元件较易疲劳；气垫式减震器是在密封腔内注入一定压力的惰性气体，通过气室体积变化实现减震，特点是吸震效果好，但其致命弱点是密封结构复杂，而且注入的压力只能在地面预调，吸震范围有限；液压式减震器一种是采用可压缩硅油作为减震元件，还有一种是利用液压阻尼结构原理，其优点是使用寿命长，弱点是密封结构复杂，在使用过程汇总还要受到井温的影响。
在目前常用的减震器中，从功能结构上讲，一种是单向减震器，即具备单一功能的轴向或周向减震器，还有一种是双向减震器，即同时具备轴向和周向的双向减震器，现有的双向减震器都是在周向震级器的基础上，增加了梯形螺旋连接机构，并通过活塞换向机构，实现扭转振动和冲击载荷转换成周向振动和冲击载荷，再由周向减震机构吸收，整体结构仍然存在复杂化、减震范围小、受井下工况影响大、使用寿命短等问题，亟需进行改进。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处，提供一种轴力和扭力双向复合减震器以及减震方法，从而有效解决现有技术中存在的不足之处。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种轴力和扭力双向复合减震器，包括减震本体，所述减震本体包括由上至下依次可拆卸连接的上筒体、中筒体与下筒体，所述上筒体、中筒体与下筒体内穿接有芯轴；
所述上筒体与芯轴之间设置有轴向减震结构；
所述中筒体与芯轴之间设置有周向减震结构；
所述减震本体内设置有防止所述芯轴脱出的限位结构；
所述上筒体与下筒体上分别配合芯轴的上下两侧设置有上密封结构与下密封结构；
所述上筒体、中筒体、下筒体与芯轴之间围合形成润滑油腔，所述轴向减震结构以及周向减震结构均设置在所述润滑油腔内。
进一步，所述上筒体的顶部设置有用于和上部钻具相连接的上钻具螺纹，芯轴的底部设置有用于和下部钻具相连接的下钻具螺纹。
进一步，所述上筒体与中筒体之间以及中筒体与下筒体之间均通过锥螺纹结构进行连接。
进一步，所述轴向减震结构包括安装于上筒体与芯轴之间的轴向减震碟簧。
进一步，所述上筒体上配合轴向减震碟簧的顶部设置有承载面，所述芯轴上可拆卸的设置有承载套，减震碟簧的底部抵靠在承载套的顶部。
进一步，所述承载套通过螺纹结构与芯轴进行连接。
进一步，所述周向减震结构包括设置在中筒体与芯轴之间的周向减震板簧，周向减震板簧沿周向均匀的设置有多个。
进一步，所述中筒体与芯轴上分别配合周向减震板簧设置有外键槽与内键槽。
进一步，所述限位结构包括限位卡环，所述芯轴上配合限位卡环设置有环形卡槽，所述中筒体上配合限位卡环设置有限位部。
一种采用上述的轴力和扭力双向复合减震器的减震方法，将上筒体与上部钻具连接，将芯轴与下部钻具连接，钻井液通过上筒体与芯轴的中空内孔流入下部钻具处，上部钻具施加的钻压依次通过上筒体与轴向减震结构传递给芯轴，再传递给下部钻具组合，其钻压传递过程中因存在轴向减震结构的弹性作用，实现了把钻压由硬性传递变成了弹性传递，进而将下部钻具的轴向震动进行吸收；与此同时，上部钻具施加的扭矩通过上筒体、中筒体、周向减震结构传递给芯轴，然后再传递给下部钻具组合，其传递过程中因存在周向减震结构的弹性作用，实现了把扭矩由硬性传递变成了弹性传递，进而将下部钻具的周向震动进行吸收，通过轴向与周向震动的双重吸收，实现了钻压和扭矩的安全有效传递。
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：
1、本发明是一种能同时减缓或消除钻具纵向及扭转振动冲击载荷的新型井下工具,实现了维持正常钻压和稳定扭矩、减少钻具及地面设备振动损坏、提高钻进速度以及降低钻进成本。
2、本发明双向减震机构均采用了机械式减震元件，减震效果好，适用范围广，适用于各种岩性、硬度的地层、且不受井底温度等工作环境因素的影响；
3、本发明双向减震力分别可以通过调整轴向减震结构和周向减震结构的弹性参数或数量进行调节，调整方式相对灵活；
4、本发明为全金属机械结构，无电子元件，减震过程不会对电测仪器产生干扰，有利于MWD、LWD等随钻电测仪器的稳定工作。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为图1中B处的局部放大图；
图4为图1中C-C向剖视图；
图5为本发明实施例周向减震板簧的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-3所示，本实施例所述的一种轴力和扭力双向复合减震器，包括减震本体，减震本体包括由上至下依次可拆卸连接的上筒体1、中筒体2与下筒体3，在本实施例中，上筒体1与中筒体2之间以及中筒体2与下筒体3之间均通过锥螺纹结构进行连接，具体的，锥螺纹结构包括设置在上筒体1底端的内锥螺纹，设置在中筒体2顶端的外锥螺纹、设置在中筒体2底端的外锥螺纹、设置在下筒体3顶端的内锥螺纹，为了进一步提高锥螺纹结构的可靠性，可以在锥螺纹结构的两端设置密封圈等常见的密封结构。
上筒体1、中筒体2与下筒体3内穿接有芯轴4，在本实施例中，芯轴4的上端位于上筒体1内，上筒体1的顶部设置有用于和上部钻具相连接的上钻具螺纹101，上钻具螺纹101为锥螺纹，芯轴4的底端延伸至下筒体3的下方，并且芯轴4底部设置有用于和下部钻具相连接的下钻具螺纹401，下钻具螺纹101为锥螺纹。
上筒体1与芯轴4之间设置有轴向减震结构；
中筒体2与芯轴4之间设置有周向减震结构；
减震本体内设置有防止芯轴4脱出的限位结构；
上筒体1与下筒体3上分别配合芯轴4的上下两侧设置有上密封结构10与下密封结构11，在实施例中，上密封结构10与下密封结构 11均为橡胶密封套，具体的，上筒体1上配合上密封结构10设置有环形容纳槽，中筒体2与下筒体3之间形成用于安装下密封结构11的环形容纳槽。
上筒体1、中筒体2、下筒体3与芯轴4之间围合形成润滑油腔5，轴向减震结构以及周向减震结构均设置在润滑油腔5内，在中筒体2 上设置有润滑油注入口，润滑油注入口处可拆卸的设置有丝堵12，方便定时的对润滑油进行添加，保证润滑油腔5内的各个工作元件处于良好的工作状态中。
轴向减震结构包括安装于上筒体1与芯轴4之间的轴向减震碟簧 6，减震碟簧6套装在芯轴4上，上筒体1上配合轴向减震碟簧6的顶部设置有承载面102，芯轴4上可拆卸的设置有承载套7，减震碟簧6 的底部抵靠在承载套7的顶部，承载套7通过螺纹结构与芯轴4进行连接，将承载套7设置成可拆卸的结构，一来方便整个装置的组装，二来便于其磨损后进行更换。
周向减震结构包括设置在中筒体2与芯轴4之间的周向减震板簧 8，周向减震板簧8沿周向均匀的设置有多个，中筒体2与芯轴4上分别配合周向减震板簧8设置有外键槽201与内键槽402，如图3所示，周向减震板簧8的侧面形状为波浪形，其两侧分别抵靠在外键槽201 与内键槽402内，当芯轴4相对于中筒体2进行扭动的时候，周向减震板簧8被压缩，起到减震的作用。
限位结构包括限位卡环9，为了便于安装，限位卡环9采用两片拼接的形式，即采用两个半环的结构，芯轴4上配合限位卡环9设置有环形卡槽403，中筒体2上配合限位卡环9设置有限位部202，在本实施例中，限位部202为中筒体2的顶沿，此种结构大大的简化了内部结构，大大的降低了故障率，利于维护。
上述方案中安全连接和拉力传递机构为限位卡环和承载套双重安全保护，即一旦限位卡环出现问题，承载套也能够保障芯轴与减震本体之间的可靠限位，确保工具起出井筒，避免工具落井事故。
一种采用上述轴力和扭力双向复合减震器的减震方法，将上筒体1 与上部钻具连接，将芯轴4与下部钻具连接，钻井液通过上筒体1与芯轴4的中空内孔流入下部钻具处，上部钻具施加的钻压依次通过上筒体1与轴向减震结构传递给芯轴4，再传递给下部钻具组合，其钻压传递过程中因存在轴向减震结构的弹性作用，实现了把钻压由硬性传递变成了弹性传递，进而将下部钻具的轴向震动进行吸收；与此同时，上部钻具施加的扭矩通过上筒体1、中筒体2、周向减震结构传递给芯轴4，然后再传递给下部钻具组合，其传递过程中因存在周向减震结构的弹性作用，实现了把扭矩由硬性传递变成了弹性传递，进而将下部钻具的周向震动进行吸收，通过轴向与周向震动的双重吸收，实现了钻压和扭矩的安全有效传递。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种轴力和扭力双向复合减震器，其特征在于：包括减震本体，所述减震本体包括由上至下依次可拆卸连接的上筒体、中筒体与下筒体，所述上筒体、中筒体与下筒体内穿接有芯轴；
所述上筒体与芯轴之间设置有轴向减震结构；
所述中筒体与芯轴之间设置有周向减震结构；
所述减震本体内设置有防止所述芯轴脱出的限位结构；
所述上筒体与下筒体上分别配合芯轴的上下两侧设置有上密封结构与下密封结构；
所述上筒体、中筒体、下筒体与芯轴之间围合形成润滑油腔，所述轴向减震结构以及周向减震结构均设置在所述润滑油腔内。
2.根据权利要求1所述的一种轴力和扭力双向复合减震器，其特征在于：所述上筒体的顶部设置有用于和上部钻具相连接的上钻具螺纹，芯轴的底部设置有用于和下部钻具相连接的下钻具螺纹。
3.根据权利要求1所述的一种轴力和扭力双向复合减震器，其特征在于：所述上筒体与中筒体之间以及中筒体与下筒体之间均通过锥螺纹结构进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种轴力和扭力双向复合减震器，其特征在于：所述轴向减震结构包括安装于上筒体与芯轴之间的轴向减震碟簧。
5.根据权利要求4所述的一种轴力和扭力双向复合减震器，其特征在于：所述上筒体上配合轴向减震碟簧的顶部设置有承载面，所述芯轴上可拆卸的设置有承载套，减震碟簧的底部抵靠在承载套的顶部。
6.根据权利要求5所述的一种轴力和扭力双向复合减震器，其特征在于：所述承载套通过螺纹结构与芯轴进行连接。
7.根据权利要求1所述的一种轴力和扭力双向复合减震器，其特征在于：所述周向减震结构包括设置在中筒体与芯轴之间的周向减震板簧，周向减震板簧沿周向均匀的设置有多个。
8.根据权利要求7所述的一种轴力和扭力双向复合减震器，其特征在于：所述中筒体与芯轴上分别配合周向减震板簧设置有外键槽与内键槽。
9.根据权利要求1所述的一种轴力和扭力双向复合减震器，其特征在于：所述限位结构包括限位卡环，所述芯轴上配合限位卡环设置有环形卡槽，所述中筒体上配合限位卡环设置有限位部。
10.一种采用权利要求1-9任意一项所述的轴力和扭力双向复合减震器的减震方法，其特征在于：将上筒体与上部钻具连接，将芯轴与下部钻具连接，钻井液通过上筒体与芯轴的中空内孔流入下部钻具处，上部钻具施加的钻压依次通过上筒体与轴向减震结构传递给芯轴，再传递给下部钻具组合，其钻压传递过程中因存在轴向减震结构的弹性作用，实现了把钻压由硬性传递变成了弹性传递，进而将下部钻具的轴向震动进行吸收；与此同时，上部钻具施加的扭矩通过上筒体、中筒体、周向减震结构传递给芯轴，然后再传递给下部钻具组合，其传递过程中因存在周向减震结构的弹性作用，实现了把扭矩由硬性传递变成了弹性传递，进而将下部钻具的周向震动进行吸收，通过轴向与周向震动的双重吸收，实现了钻压和扭矩的安全有效传递。
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