CN114165547A - 一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置及减震方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置及减震方法，其中旋转磁铁可以通过旋转调节磁极，拨片呈“T”字形卡在旋转装置套筒内的左右两个带有防旋滑槽的推动装置套筒中间，带有防旋滑槽的推动装置套筒中间部位分布有推移卡扣，小齿轮分别和大齿轮、齿式推杆齿块啮合，旋转推杆会被45°转块带动旋转；减震装置中带有防旋滑槽的推动装置套筒内有齿式推杆滑块、一级推杆滑块的防旋转滑槽，有拨片向上运动的空间，有推移卡扣前后运动的空间。本发明为适应井下复杂环境，设计为纯机械结构，无电子原件。运用螺杆的精准传动完成弹簧减震和磁极互换“来时斥、分时吸”的有效配合，其独特的减震方法不仅保证了减震装置的使用寿命，还通过减少冲击和震动对钻头钻具造成的伤害，延长钻头钻具使用寿命，提高钻井效率。

Description

一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置及减震方法

技术领域

本发明涉及一种减震装置和减震方法，尤其涉及一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置及减震方法。

背景技术

当今社会的繁荣与日常的生活已经离不开石油能源，所以石油行业占据了关键的地位，成为了国民经济的命脉。在国内，石油储存在地下上千米甚至高达万米的地下位置中，因此在石油勘探开发过程中钻井工程是非常重要的。在钻井过程中会经常出现跳钻、顿钻、涡动等现象，尤其在钻到砾石层或软硬交错、岩性非均质地层时跳钻现象更为严重。钻头的磨损和损坏容易导致钻头的机械转速低、寿命短等结果，甚至钻具自身折断等失效现象。传统的减震装置普遍装有弹簧减震装置，但是弹簧受压缩后回弹，同样会将与先前差别不大的力回弹给钻头，这样会使钻头上下攒动，损害钻头的使用寿命。所以减少弹簧回弹可以有效抑制钻头跳钻，能够提高钻进的速度、减轻钻头磨损，对于缩短钻井周期、节约钻井成本有重要的意义。因此针对以上问题，设计一种复合型减震装置和减震方法就显得尤为重要。

发明内容

为了减少钻井中震动、钻头冲击和弹簧回弹带来的损害，克服现有技术的缺陷，本发明的目的是解决一些技术问题：提供一种减震、缓冲效果好，冲击衰退快，纯机械结构，能适应井下复杂环境的一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置及减震方法。

一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置及减震方法，本发明包含减震装置上基座、上部环形螺杆、永磁体、弹簧基座、减震器外套筒、减震内弹簧、减震外弹簧、减震器小套筒、旋转磁体、竖直传动螺杆、螺杆固定装置、旋转轴、下部环形螺杆、下基座、钻柱、防冲击块、钻头、推动装置弹簧、大齿轮、小齿轮、齿式推杆、旋转推杆、一级推杆、拨片、拨齿、推移卡扣、小齿轮固定轴、齿式推杆齿块、旋转推杆固定块、45°转块、45°旋齿、一级推杆滑块、推移卡扣压缩弹簧、齿式推杆滑块、带有防旋滑槽的推动装置套筒、旋转装置套筒。减震装置上基座与钻柱通过螺纹连接，下基座与钻头通过螺纹连接，上部环形螺杆与减震装置上基座构成滑动结构，下部环形螺杆穿过带有防旋滑槽的推动装置套筒和螺杆固定装置，竖直传动螺杆上下端分别连接在减震装置上基座和螺杆固定装置内。减震器外套筒套在减震器小套筒外部，减震外弹簧位于减震器外套筒和减震器小套筒外部，减震内弹簧位于减震器外套筒和减震器小套筒内部，减震器外套筒和减震器小套筒安装在弹簧基座上，拨片与拨齿相接触。齿式推杆上方与带有防旋滑槽的推动装置套筒之间有推动装置弹簧，齿式推杆、旋转推杆和一级推杆在带有防旋滑槽的推动装置套筒内有上下活动空间，带有防旋滑槽的推动装置套筒内均匀分布有20个推移卡扣，推移卡扣后带有推移卡扣压缩弹簧，旋转推杆与45°转块斜面接触。永磁体为N极，旋转磁体上部分为S极，下部分为N极，旋转装置套筒内镶嵌左右两个带有防旋滑槽的推动装置套筒。

带有防旋滑槽的推动装置套筒可以通过其防滑槽结构限制齿式推杆滑块、一级推杆滑块的旋转，带有防旋滑槽的推动装置套筒内部设有拨片向上运动的空间，以及推移卡扣前后运动的空间。

大齿轮和小齿轮相互咬合，小齿轮与齿式推杆相互咬合；大齿轮通过旋转轴与旋转磁体相连，小齿轮位置被小齿轮固定轴所固定。

一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置的减震方法：该方法包括以下步骤：

当钻头收到冲击时，减震内弹簧和减震外弹簧受压缩，竖直传动螺杆向上运动并带动上部环形螺杆和下部环形螺杆顺时针转动，拨片推动齿式推杆、旋转推杆和一级推杆向上运动，齿式推杆带动旋转磁体转为N极，旋转磁体换磁方向结束后拨片会继续随着下部环形螺杆的旋转而拨动，一级推杆会复位，旋转推杆和齿式推杆位置被推移卡扣固定。

当减震内弹簧和减震外弹簧回弹时，竖直传动螺杆向下运动并带动上部环形螺杆和下部环形螺杆逆时针运动，拨片再次推动一级推杆向上运动，一级推杆带动旋转推杆旋转，随后后拨片会继续随着下部环形螺杆的旋转而拨动，齿式推杆、旋转推杆和一级推杆会复位，这次，旋转推杆和齿式推杆位置不会被推移卡扣固定，齿式推杆带动旋转磁体转为S极。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1.本发明通过弹簧弹力与两磁极之间相互作用力巧妙地实现缓冲减震，减震减冲击效果好，吸震能力强，很大程度上保证完井周期。

2.本发明弹簧受力经磁力调节，缓冲能力增强且不会吸收多余的冲击能量，延长弹簧的使用寿命。

3.本发明减震装置为纯机械结构，没有使用电子元件，受外界因素影响低，加工容易且便于维修，内部通过螺杆传动，精准有效，使用寿命长，减震器整体分别与钻头和钻柱通过螺纹连接，拆卸简单。

4.本发明通过螺杆结构可将钻头扭转冲击转化为纵向冲击，该减震装置及减震方法可以实现对钻头纵向冲击和破碎岩石时扭转冲击的吸收。

附图说明：

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明减震装置整体示意图。

图4是本发明的旋转磁力装置示意图。

图5是本发明的旋转磁力装置的直观图。

图6是本发明的旋转磁力装置的推动装置剖面示意图。

图7是本发明的旋转磁力装置齿轮结构示意图。

图8是本发明的推动装置三杆示意图。

图9是本发明的卡扣装置示意图。

图10是本发明的拨片示意图。

图中：1.减震装置上基座；2.上部环形螺杆；3.永磁体；4.弹簧基座；5.减震器外套筒；6.减震内弹簧；7.减震外弹簧；8.减震器小套筒；9.旋转磁体；10.竖直传动螺杆；11.螺杆固定装置；12.旋转轴；13.下部环形螺杆；14.下基座；15.钻柱；16.防冲击块；17.钻头；18.推动装置弹簧；19.大齿轮；20.小齿轮；21.齿式推杆；22.旋转推杆；23.一级推杆；24.拨片；25.拨齿；26.推移卡扣；27.小齿轮固定轴；28.齿式推杆齿块；29.旋转推杆固定块；30.45°转块；31.45°旋齿；32.一级推杆滑块；33.推移卡扣压缩弹簧；34.齿式推杆滑块；35.带有防旋滑槽的推动装置套筒；36.旋转装置套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1所示，减震装置上基座1与钻柱15通过螺纹连接，下基座14与钻头17通过螺纹连接，上部环形螺杆2与减震装置上基座1构成滑动结构，下部环形螺杆13穿过带有防旋滑槽的推动装置套筒35，竖直传动螺杆10上下端分别连接在减震装置上基座1和螺杆固定装置11内，通过减震器外套筒5内部可以控制减震器小套筒8上升高度，进而防止减震内弹簧6和减震外弹簧7过度压缩而疲劳失效；为防止高强度冲击对减震装置造成损害，在下基座14和钻头17之间设置有防冲击块16；为了防止齿式推杆21与带有防旋滑槽的推动装置套筒35上壁相撞，并保证齿式推杆21在减震完毕之后可以顺利复位，在齿式推杆21与带有防旋滑槽的推动装置套筒35之间增设推动装置弹簧18。

结合图4、图5、图6、图7、图8所示，减震过程中减震内弹簧6和减震外弹簧7持续受到压缩，减震器小套筒8在减震器外套筒5内向上运动，竖直传动螺杆10持续向上运动并带动上部环形螺杆2和下部环形螺杆13顺时针转动，在旋转装置套筒36内部，下部环形螺杆13启动，拨片24被拨齿25卡住，拨片24被慢慢抬起，进而推动一级推杆23向上运动，当拨片24被拨齿25限制至竖直状态后会变换行进方向，随着下部环形螺杆13转动而被拨齿25拨动，而一级推杆23会向下运动至复位；减震结束后减震内弹簧6和减震外弹簧7持续得到释放，减震器小套筒8在减震器外套筒5内向下运动，竖直传动螺杆10持续向下运动并带动上部环形螺杆2和下部环形螺杆13逆时针转动，在旋转装置套筒36内部，由于下部环形螺杆13转动方向改变，拨片24会再次被拨齿25卡住，下部环形螺杆13继续转动，拨片24再次被慢慢抬起，进而推动一级推杆23向上运动，当拨片24被拨齿25限制至竖直状态后会再次变换行进方向，随着下部环形螺杆13转动而被拨齿25拨动。

结合图4与图10所示，45°转块30会随着45°旋齿31的抬高而旋转，齿式推杆21和一级推杆23在带有防旋滑槽的推动装置套筒35上下运动过程中，会因为其表面分布的齿式推杆滑块34和一级推杆滑块32而被防滑槽限制旋转。

结合图6与图8所示，旋转推杆22向上运动的过程中会持续推动推移卡扣26向内部空间运动并压缩推移卡扣压缩弹簧33，旋转推杆22被抬高后会旋转，并将旋转推杆固定块29旋转至推移卡扣26上方，当上推动作结束后一级推杆23会向下运动，旋转推杆固定块29因为被推移卡扣26固定而阻止齿式推杆21和旋转推杆22向下运动，推动装置弹簧18被压缩；当旋转推杆22再次被一级推杆23推动向上推动时，旋转推杆22再次被抬高并旋转，这次旋转将旋转推杆固定块29旋转至两个推移卡扣26中间，当上推动作结束后旋转推杆固定块29会从推移卡扣26中间通过，推动装置弹簧18被释放并推动齿式推杆21和旋转推杆22将会向下运动。

结合图6、图7、图8所示，齿式推杆21上下运动的过程中其表面齿式推杆齿块28会带动小齿轮20转动，小齿轮20和大齿轮19啮合，小齿轮20的转动带动大齿轮19转动，和大齿轮19同轴的旋转磁体9也进行旋转，实现磁极变换。

操作时，当钻头17将冲击力传递到下基座14后，下基座14向上运动，减震内弹簧6和减震外弹簧7受到压缩，竖直传动螺杆10向上运动并带动上部环形螺杆2和下部环形螺杆13顺时针转动，拨片24因在下部环形螺杆13上的运动受拨齿25阻碍而向上运动，推动一级推杆23向上运动，45°转块30被45°旋齿31抬高并旋转带动旋转推杆22旋转，旋转推杆22与齿式推杆21向上运动，在此期间推移卡扣26被推动，齿式推杆齿块28向上运动带动小齿轮20进行转动，进而带动大齿轮19转动，大齿轮19将转动通过旋转轴12传递到旋转磁体9上，旋转磁体9变换为N极，与永磁体3的N极产生相斥的力，这个力阻止减震内弹簧6和减震外弹簧7受到压缩，通过这样来减少钻头17的冲击力，进而达到减震的效果。

减震结束后，下基座14向下运动，减震内弹簧6和减震外弹簧7得到释放，竖直传动螺杆10向下运动并带动上部环形螺杆2和下部环形螺杆13逆时针转动，拨片24因下部环形螺杆13改变转动方向，导致行进运动受拨齿25阻碍而向上运动，推动一级推杆23向上运动，一级推杆23与旋转推杆22接触后，45°转块30被45°旋齿31抬高并旋转带动旋转推杆22旋转，旋转推杆22与齿式推杆21向下运动，在此期间推移卡扣26仍然被推动，齿式推杆齿块28向下运动带动小齿轮20进行转动，进而带动大齿轮19转动，大齿轮19将转动通过旋转轴12传递到旋转磁体9上，旋转磁体9变换为S极与永磁体3的N极产生相吸的力，这个力阻止减震内弹簧6和减震外弹簧7复位，推移卡扣26复位，通过这样来减少弹簧减震带来的冲击力，进而达到减震的效果。

一方面当齿式推杆21带动旋转磁体9转为N极实现两极相斥，给予减震内弹簧6和减震外弹簧7压缩方向相反的力实现减震，旋转磁体9换磁方向结束后拨片24会继续随着下部环形螺杆13的旋转而拨动，一级推杆23向下运动，旋转推杆22会因旋转导致旋转推杆固定块29卡在推移卡扣26上，齿式推杆21不能向下运动，使得旋转磁体9的N极和永磁体3的N极之间有稳定的斥力；

另一方面当减震内弹簧6和减震外弹簧7回弹时，拨片24再次推动一级推杆23向上运动，一级推杆23带动旋转推杆22旋转，随后后拨片24会继续随着下部环形螺杆13的旋转而拨动，齿式推杆21、旋转推杆22和一级推杆23会复位，这次，旋转推杆22和齿式推杆21位置不会被推移卡扣26固定，齿式推杆21带动旋转磁体9转为S极，实现旋转磁体9的S极与永磁体3的N两极相吸，给予减震内弹簧6和减震外弹簧7回弹时方向相反的力实现减少回弹冲力，通过磁极的互换与双层环形弹簧的配合，实现对钻头震动、扭转冲击和弹簧回弹力的吸收，因此构成一种新型的减震方法。

Claims (4)

1.一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置及减震方法，它包含：减震装置上基座（1）、上部环形螺杆（2）、永磁体（3）、弹簧基座（4）、减震器外套筒（5）、减震内弹簧（6）、减震外弹簧（7）、减震器小套筒（8）、旋转磁体（9）、竖直传动螺杆（10）、螺杆固定装置（11）、旋转轴（12）、下部环形螺杆（13）、下基座（14）、钻柱（15）、防冲击块（16）、钻头（17）、推动装置弹簧（18）、大齿轮（19）、小齿轮（20）、齿式推杆（21）、旋转推杆（22）、一级推杆（23）、拨片（24）、拨齿（25）、推移卡扣（26）、小齿轮固定轴（27）、齿式推杆齿块（28）、旋转推杆固定块（29）、45°转块（30）、45°旋齿（31）、一级推杆滑块（32）、推移卡扣压缩弹簧（33）、齿式推杆滑块（34）、带有防旋滑槽的推动装置套筒（35）、旋转装置套筒（36）；其特征在于：所述的减震装置上基座（1）与钻柱（15）通过螺纹连接，下基座（14）与钻头（17）通过螺纹连接，上部环形螺杆（2）与减震装置上基座（1）构成滑动结构，下部环形螺杆（13）穿过带有防旋滑槽的推动装置套筒（35）和螺杆固定装置（11），竖直传动螺杆（10）上下端分别连接在减震装置上基座（1）和螺杆固定装置（11）内；所述的减震器外套筒（5）套在减震器小套筒（8）外部，减震外弹簧（7）位于减震器外套筒（5）和减震器小套筒（8）外部，减震内弹簧（6）位于减震器外套筒（5）和减震器小套筒（8）内部，减震器外套筒（5）和减震器小套筒（8）安装在弹簧基座（4）上，拨片（24）与拨齿（25）相接触；所述的齿式推杆（21）上方与带有防旋滑槽的推动装置套筒（35）之间有推动装置弹簧（18），齿式推杆（21）、旋转推杆（22）和一级推杆（23）在带有防旋滑槽的推动装置套筒（35）内有上下活动空间，带有防旋滑槽的推动装置套筒（35）内均匀分布有20个推移卡扣（26），推移卡扣（26）后带有推移卡扣压缩弹簧（33），旋转推杆（22）与45°转块（30）斜面接触；所述的永磁体（3）为N极，旋转磁体（9）上部分为S极，下部分为N极，旋转装置套筒（36）内镶嵌左右两个带有防旋滑槽的推动装置套筒（35）。

2.根据权利要求1所述的一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置及减震方法，其特征在于：所述的带有防旋滑槽的推动装置套筒（35）可以通过其防滑槽结构限制齿式推杆滑块（34）、一级推杆滑块（32）的旋转，带有防旋滑槽的推动装置套筒（35）内部设有拨片（24）向上运动的空间，以及推移卡扣（26）前后运动的空间。

3.根据权利要求1所述的一种复合型磁力调节钻头冲击减震装置及减震方法，其特征在于：所述的大齿轮（19）和小齿轮（20）相互啮合，小齿轮（20）与齿式推杆（21）相互啮合；大齿轮（19）通过旋转轴（12）与旋转磁体（9）相连，小齿轮（20）位置被小齿轮固定轴（27）所固定。

4.一种权利要求1-3之一所述的复合型磁力调节钻头冲击减震装置的减震方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

当钻头（17）受到冲击时，减震内弹簧（6）和减震外弹簧（7）受压缩，竖直传动螺杆（10）向上运动并带动上部环形螺杆（2）和下部环形螺杆（13）顺时针转动，拨片（24）推动齿式推杆（21）、旋转推杆（22）和一级推杆（23）向上运动，齿式推杆（21）带动旋转磁体（9）转为N极，旋转磁体（9）换磁方向结束后拨片（24）会继续随着下部环形螺杆（13）的旋转而拨动，一级推杆（23）会复位，旋转推杆（22）和齿式推杆（21）位置被推移卡扣（26）固定；

当减震内弹簧（6）和减震外弹簧（7）回弹时，竖直传动螺杆（10）向下运动并带动上部环形螺杆（2）和下部环形螺杆（13）逆时针运动，拨片（24）再次推动一级推杆（23）向上运动，一级推杆（23）带动旋转推杆（22）旋转，随后拨片（24）会继续随着下部环形螺杆（13）的旋转而拨动，齿式推杆（21）、旋转推杆（22）和一级推杆（23）会复位，这次，旋转推杆（22）和齿式推杆（21）位置不会被推移卡扣（26）固定，齿式推杆（21）带动旋转磁体（9）转为S极。

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