CN113719267A - 机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具。由中芯轴，碟簧上支座，碟簧外壳，碟簧组，下外壳，活塞轴，中接头，涡轮上接头，涡轮上止端盖，涡轮外壳，涡轮组，涡轮中芯轴，下固定套筒，往复阀套外壳，往复阀套，通孔阀，下接头，限位销钉，多级螺旋阀套，上固定套筒，引流套，涡轮轴承，轴承下支撑套等组成。其特征在于：利用多级螺旋阀套实现钻井液流体的流道变化，实现工具的启用和未启用；利用涡轮实现往复周期性压力变化，工具发生震荡。本发明很好的解决了提速工具在竖直段钻井过程中对井架、地面设备的损害，还节约了采用其他方式必需的一次起下钻过程所浪费的时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，属石油、天然气开采钻井工具技术领域。
背景技术
随着钻井技术的不断升级，中国石油与天然气工业的钻采方向逐渐由常规能源向非常规能源转变，钻井深度和难度都达到了空前的高度。随着井深的不断增加，非常规井的数量逐年增加，井况也越来越复杂，对提高钻进速度又形成了巨大的挑战。定向井、水平井在滑动钻进时,托压，黏卡严重，如何提高滑动钻进钻压传递的有效性，减少钻具与井壁间的静摩擦，一直是待解决的技术难题。近年来提出的钻井提速工具在一定程度上解决了上述问题，提高了钻井效率，但随之而产生的问题也是接踵而至。为解决水平井滑动钻井过程中的脱压问题，往往是在钻柱系统安装冲击提速工具，该工具可以产生高频的轴向冲击力，提高了钻井效率。在钻井过程中，一般分为竖直段和水平段，在竖直段钻井时，由于钻柱自身的重力原因基本不会出现脱压现象，但为了减少起下钻次数，在竖直段也会安装冲击工具，因此在竖直段由于冲击工具的存在，对地面井架等地面设备的破坏时无法避免的。若在竖直段不安装冲击工具，则必然多一次起下钻，浪费大量的时间和金钱。
针对以上问题，本文提出了一种机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，该工具利用非线性机械结构在竖直段不需要时关闭流道，工具不工作，在水平段需要时开启提速工具，工具工作。以此减少了对地面设备的损害，也避免了增加一次起下钻，节约了大量的时间，人力，物力和财力。
发明内容
本发明的目的在于：为了减少冲击工具在竖直段的轴向震动对钻柱系统、地面井架等设备的损害；也为了避免增加一次起下钻工序而浪费的时间、人力、物力和财力。设计了一种机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，可实现竖直钻井时关闭，水平钻井震荡频率可控的开启工具。
为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，由中芯轴，O型密封圈A，碟簧上支座，碟簧外壳，碟簧组，下外壳，活塞轴，O型密封圈B，中接头，涡轮上接头，O型密封圈D，涡轮上止端盖，涡轮外壳，涡轮组，涡轮中芯轴，下固定套筒，往复阀套外壳，往复阀套，通孔阀，下接头，限位销钉，多级螺旋阀套，O型密封圈C，上固定套筒，O型密封圈D，引流套，涡轮轴承，轴承下支撑套，O型密封圈E组成。其技术特征在于：中芯轴与碟簧上支座为间隙配合，二者之间安装有O型密封圈A，实现密封；碟簧外壳通过锥形螺纹分别与碟簧上支座和下外壳相连接，下外壳对碟簧组外缘起支撑作用；活塞轴与由中芯轴通过锥形螺纹连接，并对碟簧组内缘起支撑作用，所述活塞轴与下外壳为间隙配合，二者之间安装有O型密封圈B，实现密封；涡轮上接头通过锥形螺纹连接中接头和涡轮外壳；多级螺旋阀套与涡轮上接头通过限位销钉进行初始定位，多级螺旋阀套表面有阶梯运动槽；涡轮上止端盖与涡轮中芯轴通过普通螺纹连接，二者之间安装有O型密封圈D，所述涡轮上止端盖限制涡轮转子轴向运动；上固定套筒、下固定套筒分别对涡轮定子轴向定位；涡轮轴承通过轴承下支撑套和下固定套筒轴向定位，引流套对涡轮转子和涡轮轴承轴向定位；往复阀套外壳通过锥形螺纹与涡轮外壳和通孔阀连接，所述往复阀套外壳与往复阀套之间有花键连接，限制往复阀套的旋转；所述复阀套外壳与涡轮中芯轴通过往复螺旋槽传递运动，二者之间安装有O型密封圈E，实现密封；通孔阀通过锥形螺纹与下接头连接。
所述机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其技术特征在于：当工具未启用时，钻井液经过中芯轴内孔依次流经活塞轴内孔、中接头内孔、涡轮上接头内孔、多级螺旋阀套内孔、涡轮中芯轴内孔、往复阀套内孔、通孔阀的环周孔，最后从下接头内孔流出，工具不产生机械动作，工具未工作，此时工具的作用为仅为钻井液的流道；
所述机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其技术特征在于：当需要开启工具时，首先第一步，投入与斜面相对应的不可溶金属球，通过憋压剪断限位销钉，导向块复位到阶梯运动槽入口处，第二步憋压，涡轮上接头内孔处的导向块沿着多级螺旋阀套的阶梯运动槽运动，因此多级螺旋阀套则实现轴向运动，贯通旁通孔，此时旁通孔开放1/4流道。
所述机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其技术特征在于：当工具开启后，钻井液经过中芯轴内孔依次流经活塞轴内孔、中接头内孔、涡轮上接头内孔，通过多级螺旋阀套侧边孔流入涡轮组带动涡轮中芯轴旋转，钻井液经过涡轮组后经过引流套、涡轮中芯轴的斜孔流入涡轮中芯轴内孔、往复阀套内孔、通孔阀环周孔，最后从下接头内孔流出；随着涡轮中芯轴的旋转运动，涡轮中芯轴通过往复导向槽和传递块带动往复阀套实现往复运动，导向槽在换向过渡处有较大的圆角确保顺利过渡往复阀套内孔将与通孔阀的密封胶塞实现关-开-关周期变换。当工具内腔钻压升高时，压力驱动活塞轴压缩碟簧组，碟簧组将储存冲击能量，往复阀套内孔将与通孔阀的密封胶塞分离时，工具腔内压力释放，碟簧组冲击能量释放带动中芯轴运动，从而实现冲击震荡。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：所述投球开启为初次开启，为调节频率，可通过后续投入与副斜面配合的可溶金属球继续打开多级螺旋阀套的旁通孔面积，实现1/2或全开启。后续开启时，通过憋压利用压力剪断导向块，实现导向块的长度变化，由于阶梯运动槽的深度不同，迫使导向沿着既定阶梯运动槽运动。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：开启级数可结合工具实际工作情况进行调整，一般为3～5级。一般多级螺旋阀套的旁通孔开启面积为1/4，1/2，3/4或全开。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：涡轮中芯轴下部的自往复导向槽和往复阀套的传递块配合使用，往复行程在20-50mm的范围。可通过改变往复旋线的螺距控制开闭频率，频率可在5Hz～20Hz范围变化。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：所述花键抵抗因摩擦力而引起的扭矩，使得往复阀套仅能轴向运动，也限制了所述往复阀套的最低位置。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：传递块与往复阀套外壳内孔可为钢性连接或柔性连接。刚性连接时，直接在往复阀套外壳内孔内孔处加工；柔性连接时，通过螺钉连接传递块与往复阀套外壳。
所述机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：通过往复阀套的运动实现工具内部的压力波动变化，实现压力的释放和憋压。压力的释放和憋压转换为碟簧组的弹性势能，再通过能力的释放，转换为工具的轴向震动。
本发明与现有技术比较，其有益效果是：(1)本发明主体结构简单，可机械控制震荡频率(2)本发明采用涡轮驱动，具有工作可靠、压降小和耐高温等优点，没有偏心引起的径向振动，可提高钻具的稳定性和使用寿命，在非常规井中也有较好的适应性；(3)本发明采用往复式运动结构，可直接实现部件的轴向往复无需增加动力源；(4)本发明无电子元器件、操作方便、安全可靠、适应性强、对下部钻具影响小；(5)本发明可减小对其他地面设备的损害，降低钻井成本。
附图说明
图1为本发明的竖直井段钻井示意图；
图2为本发明的水平井段钻井示意图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明的涡轮中芯轴三维结构示意图；
图5为本发明的往复阀套三维结构示意图；
图6为本发明的通孔阀三维结构示意图；
图7为本发明的多级螺旋阀套三维结构示意图；
图8为本发明的多级螺旋阀套二维结构示意图；
图9为本发明的涡轮上接头二维结构示意图；
1-中芯轴，2-O型密封圈A，3-碟簧上支座，4-碟簧外壳，5-碟簧组，6-下外壳，7-活塞轴，8-O型密封圈B，9-中接头，10-涡轮上接头，11-O型密封圈D，12-涡轮上止端盖，13-涡轮外壳(13)，14-涡轮组，15-涡轮中芯轴，16-下固定套筒，17-往复阀套外壳，18-往复阀套，19-通孔阀，20-下接头，21-限位销钉，22-多级螺旋阀套，23-O型密封圈C，24-上固定套筒，25-O型密封圈D，26-引流套，27-涡轮轴承，28-轴承下支撑套，29-O型密封圈E，101-导向块，151-斜孔，152-往复导向槽，181-花键，182-传递块，191-密封胶塞，192-环周孔，221-旁通孔，222销钉定位槽，223-竖直槽，224-阶梯运动槽，225-主斜面，226-副斜面。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的,而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下,技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，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，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
根据附图所示，所述机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具由中芯轴1，O型密封圈A2，碟簧上支座3，碟簧外壳4，碟簧组5，下外壳6，活塞轴7，O型密封圈B8，中接头9，涡轮上接头10，O型密封圈D11，涡轮上止端盖12，涡轮外壳13，涡轮组14，涡轮中芯轴15，下固定套筒16，往复阀套外壳17，往复阀套18，通孔阀19，下接头20，限位销钉21，多级螺旋阀套22，O型密封圈C 23，上固定套筒24，O型密封圈D 25，引流套26，涡轮轴承27，轴承下支撑套28，O型密封圈E 29组成。其技术特征在于：中芯轴1与碟簧上支座3为间隙配合，二者之间安装有O型密封圈A2；碟簧外壳4通过锥形螺纹分别与碟簧上支座3和下外壳6相连接，下外壳6对碟簧组5起支撑作用；活塞轴7与由中芯轴1通过锥形螺纹连接，并对碟簧组5起支撑作用，所述活塞轴与下外壳6为间隙配合，二者之间安装有O型密封圈B8；涡轮上接头10与中接头9和涡轮外壳13均为通过锥形螺纹连接；多级螺旋阀套22与涡轮上接头10通过限位销钉21进行初始定位，二者之间还有阶梯运动槽224；涡轮上止端盖12与涡轮中芯轴15通过普通螺纹连接，二者之间安装有O型密封圈D 25，所述涡轮上止端盖12限制涡轮转子轴向运动；上固定套筒24、下固定套筒16分别对涡轮定子轴向定位；涡轮轴承27通过轴承下支撑套28和下固定套筒16轴向定位，引流套26对涡轮转子和涡轮轴承27轴向定位；往复阀套外壳17通过锥形螺纹与涡轮外壳13和通孔阀19连接，所述往复阀套外壳17与往复阀套18之间有花键181连接，限制往复阀套18的旋转；所述复阀套外壳17与涡轮中芯轴15通过往复螺旋槽传递运动，二者之间安装有O型密封圈E 29；通孔阀19通过锥形螺纹与下接头20连接。
本发明的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具依据设计具有两种工作状态，一种是工具未启用时，工具仅作钻井液的流道使用；另一种是工具开启时，工具通过涡轮提供动力，带动相应不见实现压力变化，继而激发工具轴向振荡。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于当工具未启用时，钻井液经过中芯轴1内孔依次流经活塞轴7内孔、中接头9内孔、涡轮上接头10内孔、多级螺旋阀套22内孔、涡轮中芯轴15内孔、往复阀套18内孔、通孔阀19的环周孔192，最后从下接头20内孔流出，工具不产生机械动作，工具未工作仅作钻井液的流道使用。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于当需要开启工具时，首先第一步，投入与主斜面225相对应的不可溶金属球，通过憋压剪断限位销钉21，实现多级螺旋阀套22的解锁，第二步憋压，涡轮上接头10内孔处的导向块101沿着多级螺旋阀套22的阶梯运动槽224运动，因此多级螺旋阀套22则实现轴向运动，贯通旁通孔221，此时旁通孔221开放1/4流道。当工具开启后，钻井液经过中芯轴1内孔依次流经活塞轴7内孔、中接头9内孔、涡轮上接头(10)内孔，通过多级螺旋阀套22的旁通孔221流入涡轮组14带动涡轮中芯轴15旋转，钻井液经过涡轮组14后经过引流套26、涡轮中芯轴15的斜孔151流入涡轮中芯轴15内孔、往复阀套18内孔、通孔阀19环周孔，最后从下接头20内孔流出；随着涡轮中芯轴15的旋转运动，涡轮中芯轴15通过往复导向槽152和传递块182带动往复阀套18实现往复运动，导向槽(152)在换向过渡处有较大的圆角确保顺利过渡，往复阀套18内孔将与通孔阀19的密封胶塞191实现关-开-关周期变换。当工具内腔钻压升高时，压力驱动活塞轴7压缩碟簧组5，碟簧组5将储存冲击能量，当工具腔内压力释放时，碟簧组5冲击能量释放带动中芯轴1运动，从而实现冲击震荡。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于为进一步详细说明后续开启的详细过程，需要详细阐述。所述投金属不可溶球开启为初次开启，为调节频率，可通过后续投入与副斜面226配合的可溶金属球继续打开多级螺旋阀套22的旁通孔面积，实现1/2或全开启。后续开启时，通过憋压利用压力剪断导向块101，实现导向块101的长度缩短，由于阶梯运动槽224的设计深度不同，导向块101的长度减短以后方能进入更浅一层的运动槽迫使导向沿着既定阶梯运动槽导向块101运动。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于开启级数可结合工具实际工作情况进行调整，一般为3～5级。一般多级螺旋阀套的旁通孔开启面积为1/4，1/2，3/4或全开。
所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于涡轮中芯轴(15)下部的自往复导向槽(152)和往复阀套(18)的传递块(182)配合使用，往复行程在20-60mm的范围。可通过改变往复旋线的螺距控制开闭频率，频率可在5Hz～20Hz范围变化。
机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于所述花键(181)抵抗因摩擦力而引起的扭矩，使得往复阀套(18)仅能轴向发生往复运动。
机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于传递块传递块182与往复阀套外壳17内孔可为钢性连接或柔性连接。刚性连接时，直接在往复阀套外壳17内孔处加工；柔性连接时，二者通过螺钉连接。
机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于通过往复阀套18的运动实现工具内部的压力波动变化，实现压力的释放和憋压。
机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于限位销钉21设计有密封圈，防止销钉剪断后压力损失；销钉数量为1～2个，剪断压力为5MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等。
Claims (7)
1.机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，由中芯轴(1)，O型密封圈A(2)，碟簧上支座(3)，碟簧外壳(4)，碟簧组(5)，下外壳(6)，活塞轴(7)，O型密封圈B(8)，中接头(9)，涡轮上接头(10)，O型密封圈D(11)，涡轮上止端盖(12)，涡轮外壳(13)，涡轮组(14)，涡轮中芯轴(15)，下固定套筒(16)，往复阀套外壳(17)，往复阀套(18)，通孔阀(19)，下接头(20)，限位销钉(21)，多级螺旋阀套(22)，O型密封圈C(23)，上固定套筒(24)，O型密封圈D(25)，引流套(26)，涡轮轴承(27)，轴承下支撑套(28)，O型密封圈E(29)组成；其技术特征在于：中芯轴(1)与碟簧上支座(3)为间隙配合，二者之间安装有O型密封圈A(2)；碟簧外壳(4)通过锥形螺纹分别与碟簧上支座(3)和下外壳(6)相连接，下外壳(6)对碟簧组(5)起支撑作用；活塞轴(7)与由中芯轴(1)通过锥形螺纹连接，并对碟簧组(5)起支撑作用，所述活塞轴与下外壳(6)为间隙配合，二者之间安装有O型密封圈B(8)；涡轮上接头(10)与中接头(9)和涡轮外壳(13)均为通过锥形螺纹连接；多级螺旋阀套(22)与涡轮上接头(10)通过限位销钉(21)进行初始定位，二者之间还有阶梯运动槽(224)；涡轮上止端盖(12)与涡轮中芯轴(15)通过普通螺纹连接，二者之间安装有O型密封圈D(25)，所述涡轮上止端盖(12)限制涡轮转子轴向运动；上固定套筒(24)、下固定套筒(16)分别对涡轮定子轴向定位；涡轮轴承(27)通过轴承下支撑套(28)和下固定套筒(16)轴向定位，引流套(26)对涡轮转子和涡轮轴承(27)轴向定位；往复阀套外壳(17)通过锥形螺纹与涡轮外壳(13)和通孔阀(19)连接，所述往复阀套外壳(17)与往复阀套(18)之间有花键(181)连接，限制往复阀套(18)的旋转；所述复阀套外壳(17)与涡轮中芯轴(15)通过往复螺旋槽传递运动，二者之间安装有O型密封圈E(29)；通孔阀(19)通过锥形螺纹与下接头(20)连接；
机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其技术特征在于：当工具未启用时，钻井液经过中芯轴(1)内孔依次流经活塞轴(7)内孔、中接头(9)内孔、涡轮上接头(10)内孔、多级螺旋阀套(22)内孔、涡轮中芯轴(15)内孔、往复阀套(18)内孔、通孔阀(19)的环周孔(192)，最后从下接头(20)内孔流出，工具不产生机械动作，工具未工作；当需要开启工具时，首先第一步，投入与主斜面(225)相对应的不可溶金属球，通过憋压剪断限位销钉(21)，第二步憋压，涡轮上接头(10)内孔处的导向块(101)沿着多级螺旋阀套(22)的阶梯运动槽(224)运动，因此多级螺旋阀套(22)则实现轴向运动，贯通旁通孔(221)，此时旁通孔(221)开放1/4流道；当工具开启后，钻井液经过中芯轴(1)内孔依次流经活塞轴(7)内孔、中接头(9)内孔、涡轮上接头(10)内孔，通过多级螺旋阀套(22)的旁通孔(221)流入涡轮组(14)带动涡轮中芯轴(15)旋转，钻井液经过涡轮组(14)后经过引流套(26)、涡轮中芯轴(15)的斜孔(151)流入涡轮中芯轴(15)内孔、往复阀套(18)内孔、通孔阀(19)环周孔，最后从下接头(20)内孔流出；随着涡轮中芯轴(15)的旋转运动，涡轮中芯轴(15)通过往复导向槽(152)和传递块(182)带动往复阀套(18)实现往复运动，导向槽(152)在换向过渡处有较大的圆角确保顺利过渡；往复阀套(18)内孔将与通孔阀(19)的密封胶塞(191)实现关-开-关周期变换；当工具内腔钻压升高时，压力驱动活塞轴(7)压缩碟簧组(5)，碟簧组(5)将储存冲击能量，当工具腔内压力释放时，碟簧组(5)冲击能量释放带动中芯轴(1)运动，从而实现冲击震荡。
2.根据权利要求1所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：所述投球开启为初次开启，可通过后续投入与副斜面A(226)配合的可溶金属球实现后续的开启工作；后续开启时，与初次开启步骤相同，通过投入可溶金属球的方式，同第二步过程中利用压力剪断导向块(101)，实现导向块(101)的长度变化，迫使导向块(101)沿着既定阶梯运动槽(224)运动；开启级数可结合工具实际工作情况进行调整，一般为3～5级。
3.根据权利要求1所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：涡轮中芯轴(15)下部的自往复导向槽(152)和往复阀套(18)的传递块(182)配合使用，往复行程在20-60mm的范围；可通过改变往复旋线的螺距控制开闭频率，频率可在5Hz～20Hz范围变化。
4.根据权利要求1所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：所述花键(181)抵抗因摩擦力而引起的扭矩，使得往复阀套(18)仅能轴向运动。
5.根据权利要求1所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：传递块(182)与往复阀套外壳(17)内孔可为钢性连接或柔性连接；刚性连接时，直接在往复阀套外壳(17)内孔处加工；柔性连接时，二者通过螺钉连接。
6.根据权利要求1所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：通过往复阀套(18)的运动实现工具内部的压力波动变化，实现压力的释放和憋压。
7.根据权利要求1所述的机械式非线性控制的近钻头可变频增压震荡工具，其特征在于：限位销钉(21)设计有密封圈，防止销钉剪断后压力损失；销钉数量为1～2个，剪断压力为5MPa。
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