CN115217418B - 全维减摩降阻振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全维减摩降阻振荡器，包括径向模块、万向模块、传动模块和轴向模块。其技术方案是：利用钻井液的能量转换，驱动涡轮旋转带动径向偏心轴运动，所产生的径向振动；轴向振动利用转子转动，进而带动动阀转动，定阀与壳体相连，不会随着转子转动，导致了定阀与动阀的孔隙面积的周期性变化，随着流体过流面积的周期性变化，当孔隙面积增大时，导致流体产生脉动挤压活塞进行轴向移动，压缩碟簧组，当孔隙面积减小时，碟簧组复位，推动活塞至初始位置，如此往复，产生轴向振动。本发明可以减小钻进过程中的摩擦阻力、提高机械钻速、增加水平进尺和缩短钻进周期。

Description

全维减摩降阻振荡器

技术领域

本发明涉及一种用于油气开发领域的全维减摩降阻振荡器，其主要应用于石油、天然气以及新能源（比如煤层气、页岩气、页岩油等）的开发工程。

背景技术

随着石油需求量的增加，石油开采开发技术也在不断发展，为提升油气采收率，获得更多油气产量，大位移井、深井和超深井的比重在不断增加，但以上几种井的井眼轨迹比较复杂，开采难度大，需要先进的开采技术，而且钻柱与井壁之间的摩擦阻力增大，在钻井开采过程中容易出现托压、卡钻等现象。

尤其是在钻进期间，钻杆与井壁间处于一定的相对稳定状态，此时的摩擦力为静态摩擦力，比其它时期的动摩阻要大，从而增大钻进的阻力，减少钻柱向钻头传递的动力，从而降低钻头的机械钻速，增加了钻井所需时间、钻井时间成本和经济成本增加，严重制约了新型钻井技术的发展。而且管柱摩阻大对钻井有很大的影响，例如在起下钻过程中，钻柱所受阻力增大；旋转钻进过程中，摩擦扭矩大，容易引起钻柱疲劳损坏；在滑动钻进过程中，可能出现加不上钻压，从而导致钻速降低；由于摩阻力很大，钻进过程中钻柱会对套管造成很大磨损，甚至磨穿；巨大的摩阻力会增加下套管的难度等。

目前，为了降低钻柱与井壁之间的摩擦，国内外普遍采用轴向冲击的方式，这种方法只是将静摩擦变为动摩擦，减摩降阻的效果是有限的。

发明内容

为了探索解决背景技术中所述的钻井过程中钻柱与井壁间摩擦阻力过大的问题，在钻井开采过程中容易出现托压、卡钻等现象，本发明提供了一种全维减摩降阻振荡器。本发明可以使钻柱产生一定频率和振幅的周期性的振动，使钻进过程中钻柱的滑动摩擦变成微幅振动的动摩擦，大幅度减小钻进过程中的摩擦阻力、提高机械钻速、增加水平进尺和缩短钻进周期。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种全维减摩降阻振荡器，其特征在于：所述全维减摩降阻振荡器上端通过螺纹连接钻柱，下端通过螺纹连接加重钻杆；所述全维减摩降阻振荡器包括径向模块、万向模块、传动模块和轴向模块；

所述径向模块包括位于径向振动外壳内部，产生径向振动的涡轮和径向偏心轴，以及轴承A；所述径向偏心轴的两端分别设有上导流孔、下导流孔，高压钻井液一部分通过径向偏心轴的中心流道，另一部分通过上导流孔流出，从小导流孔又流入径向偏心轴的中心流道；所述涡轮与径向偏心轴通过螺纹连接，并通过焊接加固；所述轴承A与径向偏心轴通过过盈配合连接；

所述万向模块包括万向轴外壳、传动件、活节、球座、连杆、球体，所述万向轴外壳与径向振动外壳通过螺纹连接；所述连杆两端对称安装有活节、球座和球体；所述连杆一端的活节与传动件通过螺纹连接，另一端的活节与传动轴通过螺纹连接；所述传动件与径向偏心轴通过螺纹连接；所述万向轴的功能是把径向模块的偏心运动转换成轴向模块所需要的中心回转运动；

所述传动模块包括传动轴、上TC轴承动圈、上TC轴承静圈、隔套、串轴承、下TC轴承动圈、下TC轴承静圈、下锁母和垫圈；所述传动轴包括传动轴上接头、传动轴下接头、传动轴上导流孔、传动轴下导流孔；所述传动轴上接头与传动轴下接头通过螺纹连接；所述传动轴下接头与转子通过键连接；所述隔套与上TC轴承静圈通过螺纹连接；所述上TC轴承动圈、串轴承、垫圈、下TC轴承静圈与传动轴同心装配；所述垫圈位于串轴承与下TC轴承静圈之间；所述下锁母与上TC轴承静圈通过螺纹连接；所述传动模块的作用为传递扭矩、轴向负载的转移以及承受径向负荷；

所述轴向模块包括转子、轴向动力外壳、定位件、动阀、定阀、轴向振动外壳、活塞、O型密封圈、碟簧组、下接头和轴承B；所述轴向动力外壳与上TC轴承静圈通过螺纹连接；轴向振动外壳与轴向动力外壳通过螺纹连接；所述定阀与轴向动力外壳相连；所述动阀与转子相连；这样当转子转动时，带动动阀转动，而定阀不动；所述动阀沿圆周方向设有2个动阀边孔，所述2个动阀边孔间隔180°；所述定阀沿圆周方向设有2个定阀边孔，所述2个定阀边孔间隔180°；所述O型密封圈位于活塞相应的凹槽内，防止钻井液进入碟簧组，影响碟簧的性能；所述下接头与活塞内圈通过螺纹连接；所述碟簧组位于下接头与活塞之间，碟簧组主要承受水力流量脉动所产生的水击压力，同时也起缓冲作用，避免振荡过程中下接头产生剧烈碰撞，延长全维减摩降阻振荡器使用寿命，随着周期性的水击压力，碟簧组也在储存能量和释放能量之间相互转化，提高了能量的使用效率；

所述全维减摩降阻振荡器的径向振动过程：全维减摩降阻振荡器的径向偏心轴连接钻柱，通过钻柱注入高压钻井液，首先，高压钻井液一部分通过径向偏心轴的中心流道，另一部分通过径向偏心轴的上导流孔，进入径向振动外壳与径向偏心轴之间的间隙，再由下导流孔流入径向偏心轴的中心流道，所述径向振动来自高压钻井液的能量转换，进入径向振动外壳与径向偏心轴之间的间隙高压钻井液驱动涡轮旋转带动径向偏心轴运动，从而产生的径向振动；由于径向振动的产生，使得钻柱与井壁的正压力发生改变，从而减少钻柱与井壁的摩阻，达到钻井提速的效果；

所述全维减摩降阻振荡器的轴向振动过程：高压钻井液从径向偏心轴的中心流道依次流过传动件的中心流道、传动件导流孔、传动轴上导流孔、传动轴的中心流道、传动轴下导流孔流至轴向模块；全维减摩降阻振荡器在工作时，传动模块将扭矩传递给转子，带动转子转动，进而带动动阀转动，又因为定阀与轴向动力外壳相连，不会随着转子转动，这样使得定阀与动阀的孔隙面积产生周期性变化，从而导致高压钻井液过流面积的周期性变化，会导致流体流量产生脉动，从而使活塞附近的钻井液产生水击现象，推动活塞轴向运动；当定阀与动阀的孔隙面积逐渐增大时，活塞压缩碟簧组，带动下接头产生轴向位移；当定阀与动阀的孔隙面积逐渐减小时，被压缩的碟簧组复位，推动活塞至初始点，如此往复，形成全维减摩降阻振荡器的轴向振动，将钻柱与井壁的摩擦力从静态摩擦力转化为动态摩擦力，从而大幅度降低了摩擦力。

进一步的，所述的轴承A满足密封性和耐腐蚀性，使钻井液从下导流孔流入径向偏心轴的中心流道。

进一步的，所述的涡轮有两个，对称安装在径向偏心轴的偏心块的两侧，其作用是将钻井液导流至径向振动外壳内壁产生部分径向振动。

进一步的，所述定位件包括上盖和下盖，上盖和下盖通过螺钉链接；所述轴承B位于定位件的上盖与下盖之间，避免被钻井液冲蚀；所述上盖与下盖沿圆周方向有15个孔，其中3个螺钉孔，12个导流孔；所述3个螺钉孔沿圆周方向相隔120°。

进一步的，所述轴向振动外壳内部设有凸台，限制活塞与下接头的移动范围。

进一步的，所述串轴承的轴承选用55SiMoVA轴承，主要用于承受轴向和径向联合载荷，并具有钻力传递、传动轴中心扶正的功能。

本发明的具有以下优点和有益效果：

（1）本发明全维减摩降阻振荡器通过径向偏心轴的偏心振动带动整体径向振动，从而减小钻柱与井壁之间的正压力，实现钻柱的减摩降阻；

（2）本发明通过轴向模块的动阀与定阀过流面积的变化，产生具有周期性的水力脉动，带动活塞往复移动，使下接头产生往复运动，使钻柱与井壁之间的摩擦转化为动摩擦，从而降低了摩擦力；

（3）本发明能完成传递转矩和钻进压力，并在轴向和径向实现全维振动，大大减少摩擦阻力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明图1中的A-A截面图；

图3是本发明图1中的B-B截面图；

图4是传动轴的结构示意图；

图5是动阀的结构示意图；

图6是静阀的结构示意图；

图7是径向偏心轴的结构示意图；

图8是传动件的结构示意图；

图9是万向模块的半剖结构示意图；

图10是轴向模块的局部示意图；

图11是定位件的结构示意图。

图中：1-径向振动外壳，2-涡轮，3-径向偏心轴，31-上导流孔，32-下导流孔，4-轴承A，5-万向轴外壳，6-传动件，61-传动件导流孔，7-活节，8-球座，9-连杆，10-球体，11-传动轴，111-传动轴上接头，112-传动轴下接头，113-传动轴上导流孔，114-传动轴下导流孔，12-上TC轴承动圈，13-上TC轴承静圈，14-隔套，15-串轴承，16-下TC轴承动圈，17-下TC轴承静圈，18-转子，19-轴向动力外壳，20-定位件，201-上盖，202-下盖，203-螺钉，204-导流孔，21-动阀，211-动阀边孔，22-定阀，221-定阀边孔，23-轴向振动外壳，24-活塞，25-O型密封圈，26-碟簧组，27-下接头，28-轴承B，29-下锁母，30-垫圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”；“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便与描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或零件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

在一个优选实施例中，如图1所示，所述全维减摩降阻振荡器包括径向模块、万向模块、传动模块和轴向模块；

在一个优选实施例中，如图1、图2、图7所示，所述径向模块包括位于径向振动外壳1内部，产生径向振动的涡轮2和径向偏心轴3，以及轴承A4；所述径向偏心轴3的两端分别设有上导流孔31、下导流孔32；所述涡轮2与径向偏心轴3通过螺纹连接，并通过焊接加固，防止径向偏心轴3在转动过程中涡轮2松动；所述轴承A4与径向偏心轴3通过过盈配合连接；

在一个优选实施例中，如图1、图8、图9所示，所述万向模块包括万向轴外壳5、传动件6、活节7、球座8、连杆9、球体10，所述万向轴外壳5与径向振动外壳1通过螺纹连接；如图9所示，所述连杆9两端对称安装有活节7、球座8和球体10；如图1所示，所述连杆9左端的活节7与传动件6通过螺纹连接，右端的活节7与传动轴11通过螺纹连接；所述传动件6与径向偏心轴3通过螺纹连接；

在一个优选实施例中，如图1、图3、图4所示，所述传动模块包括传动轴11、上TC轴承动圈12、上TC轴承静圈13、隔套14、串轴承15、下TC轴承动圈16、下TC轴承静圈17、下锁母29和垫圈30；所述传动轴11包括传动轴上接头111、传动轴下接头112、传动轴上导流孔113、传动轴下导流孔114；所述传动轴上接头111与传动轴下接头112通过螺纹连接；所述传动轴下接头112与转子18通过键连接；所述隔套14与上TC轴承静圈13通过螺纹连接；所述上TC轴承动圈12、串轴承15、垫圈30、下TC轴承静圈17与传动轴11同心装配；所述垫圈30位于串轴承15与下TC轴承静圈17之间，左端由隔套14定位，右端由垫圈30和下TC轴承静圈17定位；所述下锁母29与上TC轴承静圈13通过螺纹连接；所述传动模块的作用为：

(1)传递扭矩，传动轴11把力矩传递给井底的钻头，既要承担钻机的转矩，又要承担钻头的轴向和径向载荷；

(2)轴向负载的转移，轴向负荷通过上 TC轴承动圈12、串轴承15、下 TC轴承动圈16等传递到传动轴11上；在螺旋钻具钻进时，对传动轴11产生的力包括：其它零件如活节7、连杆9等的重力、电机轴向力、钻头水孔压力降所产生的活塞力和钻头的反作用力；

(3)承受径向负荷，由钻头向传动轴传递的横向力，主要由上TC轴承静圈13、下TC轴承静圈17共同承担；

在一个优选实施例中，如图1、图5、图6、图10、图11所示，所述轴向模块包括转子18、轴向动力外壳19、定位件20、动阀21、定阀22、轴向振动外壳23、活塞24、O型密封圈25、碟簧组26、下接头27和轴承B28；所述轴向动力外壳19与上TC轴承静圈13通过螺纹连接；轴向振动外壳23与轴向动力外壳19通过螺纹连接；所述定阀22与轴向动力外壳19相连；所述动阀21与转子18相连；如图5所示，所述动阀21沿圆周方向开有2个动阀边孔211，所述2个动阀边孔211间隔180°；如图6所示，所述定阀22沿圆周方向开有2个定阀边孔221，所述2个定阀边孔221间隔180°；所述O型密封圈25位于活塞24相应的凹槽内，防止钻井液进入碟簧组26，影响碟簧的性能；所述下接头27与活塞24内圈通过螺纹连接；所述碟簧组26位于下接头27与活塞24之间；

在一个优选实施例中，所述全维减摩降阻振荡器的径向振动过程：全维减摩降阻振荡器的径向偏心轴3连接钻柱，通过钻柱注入高压钻井液，首先，高压钻井液一部分通过径向偏心轴3的中心流道，另一部分通过径向偏心轴3的上导流孔31，进入径向振动外壳1与径向偏心轴3之间的间隙，再由下导流孔32流入径向偏心轴3的中心流道；所述径向振动来自高压钻井液的能量转换，进入径向振动外壳1与径向偏心轴3之间的间隙高压钻井液驱动涡轮2旋转带动径向偏心轴3运动，从而产生的径向振动；

在一个优选实施例中，所述全维减摩降阻振荡器的轴向振动过程：高压钻井液从径向偏心轴3的中心流道依次流过传动件6的中心流道、传动件导流孔61、传动轴上导流孔113、传动轴11的中心流道、传动轴下导流孔114流至轴向模块；全维减摩降阻振荡器在工作时，转子18转动，进而带动动阀21转动，定阀22与轴向动力外壳19相连，不会随着转子18转动，这样使定阀22上的定阀边孔221与动阀21上的动阀边孔211相互交错，使得定阀22和动阀21孔隙面积产生周期性变化，从而导致高压钻井液过流面积的周期性变化，从而使活塞24附近的钻井液产生水击现象，推动活塞24轴向运动；当动阀21上的动阀边孔211与定阀22上的定阀边孔221逐渐重合时，定阀22与动阀21的孔隙面积逐渐增大，活塞24压缩碟簧组26，带动下接头27产生轴向位移；当动阀21上的动阀边孔211与定阀22上的定阀边孔221逐渐远离时，定阀22与动阀21的孔隙面积逐渐减小时，被压缩的碟簧组26复位，推动活塞24至初始点，随着转子18的不断转动，当定阀22与动阀21的重合孔隙的面积增大时，钻井液的流量逐渐增大，与此同时作用在定阀22上的压力逐渐减少，减小的压力就是振动过程中产生的水击压力。随着过流面积逐渐的增大直至到最大，压力逐渐降低至最低，同时振动过程完成一个周期，如此往复，产生轴向振动。

在一个优选实施例中，所述的轴承A4满足密封性和耐腐蚀性，使钻井液从下导流孔32流入径向偏心轴3的中心流道。

在一个优选实施例中，如图1所示，所述的涡轮2有两个，分别安装在径向偏心轴3偏心块的两侧，通过螺纹和点焊进行固定。

在一个优选实施例中，如图1、图10、图11所示，所述定位件20包括上盖201和下盖202，如图11所示，所述上盖201和下盖202通过3个螺钉203链接；如图10所示，所述轴承B28位于上盖201与下盖202之间，防止被钻井液冲蚀而导致失效；如图11所示，所述上盖201与下盖202沿圆周方向有15个孔，其中3个螺钉孔，12个导流孔204；所述3个螺钉孔沿圆周方向相隔120°，导流孔204的作用为把从传动模块流过来的钻井液导流至轴向模块。

在一个优选实施例中，如图1所示，所述轴向振动外壳23内部设有凸台，防止活塞24与下接头27超出轴向振动的移动范围。

在一个优选实施例中，如图1所示，所述串轴承15的轴承选用55SiMoVA轴承，主要用于承受轴向和径向联合载荷，并具有钻力传递、传动轴中心扶正的功能。

以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种全维减摩降阻振荡器，其特征在于：所述全维减摩降阻振荡器上端通过螺纹连接钻柱，下端通过螺纹连接钻杆；所述全维减摩降阻振荡器包括径向模块、万向模块、传动模块和轴向模块；

所述径向模块包括位于径向振动外壳（1）内部，产生径向振动的涡轮（2）和径向偏心轴（3），以及轴承A（4）；所述径向偏心轴（3）的两端分别设有上导流孔（31）、下导流孔（32）；所述涡轮（2）与径向偏心轴（3）通过螺纹连接，并通过焊接加固；所述轴承A（4）与径向偏心轴（3）通过过盈配合连接；

所述万向模块包括万向轴外壳（5）、传动件（6）、活节（7）、球座（8）、连杆（9）、球体（10），所述万向轴外壳（5）与径向振动外壳（1）通过螺纹连接；所述连杆（9）两端对称安装有活节（7）、球座（8）和球体（10）；所述连杆（9）一端的活节（7）与传动件（6）通过螺纹连接，另一端的活节（7）与传动轴（11）通过螺纹连接；所述传动件（6）与径向偏心轴（3）通过螺纹连接；

所述传动模块包括传动轴（11）、上TC轴承动圈（12）、上TC轴承静圈（13）、隔套（14）、串轴承（15）、下TC轴承动圈（16）、下TC轴承静圈（17）、下锁母（29）和垫圈（30）；所述传动轴（11）包括传动轴上接头（111）、传动轴下接头（112）、传动轴上导流孔（113）、传动轴下导流孔（114）；所述传动轴上接头（111）与传动轴下接头（112）通过螺纹连接；所述传动轴下接头（112）与转子（18）通过键连接；所述隔套（14）与上TC轴承静圈（13）通过螺纹连接；所述上TC轴承动圈（12）、串轴承（15）、垫圈（30）、下TC轴承静圈（17）与传动轴（11）同心装配；所述垫圈（30）位于串轴承（15）与下TC轴承静圈（17）之间；所述下锁母（29）与上TC轴承静圈（13）通过螺纹连接；

所述轴向模块包括转子（18）、轴向动力外壳（19）、定位件（20）、动阀（21）、定阀（22）、轴向振动外壳（23）、活塞（24）、O型密封圈（25）、碟簧组（26）、下接头（27）和轴承B（28）；所述轴向动力外壳（19）与上TC轴承静圈（13）通过螺纹连接；轴向振动外壳（23）与轴向动力外壳（19）通过螺纹连接；所述定阀（22）与轴向动力外壳（19）相连；所述动阀（21）与转子（18）相连；所述动阀（21）沿圆周方向设有2个动阀边孔（211），所述2个动阀边孔（211）间隔180°；所述定阀（22）沿圆周方向设有2个定阀边孔（221），所述2个定阀边孔（221）间隔180°；所述O型密封圈（25）位于活塞（24）相应的凹槽内；所述下接头（27）与活塞（24）内圈通过螺纹连接；所述碟簧组（26）位于下接头（27）与活塞（24）之间；

所述全维减摩降阻振荡器的径向振动过程：全维减摩降阻振荡器的径向偏心轴（3）连接钻柱，通过钻柱注入高压钻井液，首先，高压钻井液一部分通过径向偏心轴（3）的中心流道，另一部分通过径向偏心轴（3）的上导流孔（31），进入径向振动外壳（1）与径向偏心轴（3）之间的间隙，再由下导流孔（32）流入径向偏心轴（3）的中心流道；所述径向振动来自高压钻井液的能量转换，进入径向振动外壳（1）与径向偏心轴（3）之间的间隙高压钻井液驱动涡轮（2）旋转带动径向偏心轴（3）运动，从而产生的径向振动；

所述全维减摩降阻振荡器的轴向振动过程：高压钻井液从径向偏心轴（3）的中心流道依次流过传动件（6）的中心流道、传动件导流孔（61）、传动轴上导流孔（113）、传动轴（11）的中心流道、传动轴下导流孔（114）流至轴向模块；全维减摩降阻振荡器在工作时，转子（18）转动，进而带动动阀（21）转动，定阀（22）与轴向动力外壳（19）相连，不会随着转子（18）转动，这样使定阀（22）与动阀（21）的孔隙面积产生周期性变化，从而导致高压钻井液过流面积的周期性变化，从而使活塞（24）附近的钻井液产生水击现象，推动活塞（24）轴向运动；当定阀（22）与动阀（21）的孔隙面积逐渐增大时，活塞（24）压缩碟簧组（26），带动下接头（27）产生轴向位移；当定阀（22）与动阀（21）的孔隙面积逐渐减小时，被压缩的碟簧组（26）复位，推动活塞（24）至初始点。

2.根据权利要求1所述的全维减摩降阻振荡器，其特征在于：所述的轴承A（4）满足密封性和耐腐蚀性，使钻井液从下导流孔（32）流入径向偏心轴（3）的中心流道。

3.根据权利要求1所述的全维减摩降阻振荡器，其特征在于：所述的涡轮（2）有两个，分别安装在径向偏心轴（3）偏心块的两侧。

4.根据权利要求1所述的全维减摩降阻振荡器，其特征在于：所述定位件（20）包括上盖（201）和下盖（202），上盖（201）和下盖（202）通过螺钉（203）链接；所述轴承B（28）位于上盖（201）与下盖（202）之间；所述上盖（201）与下盖（202）沿圆周方向有15个孔，其中3个螺钉孔，12个导流孔（204）；所述3个螺钉孔沿圆周方向相隔120°。

5.根据权利要求1所述的全维减摩降阻振荡器，其特征在于：所述轴向振动外壳（23）内部设有凸台，限制活塞（24）与下接头（27）的移动范围。

6.根据权利要求1所述的全维减摩降阻振荡器，其特征在于：所述串轴承（15）的轴承选用55SiMoVA轴承，主要用于承受轴向和径向联合载荷，并具有传递钻压、传动轴中心扶正的功能。