CN115874936A - 一种双级活塞式振动短节 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双级活塞式振动短节，包括外筒组件，设置在所述外筒组件内的双级活塞，所述双级活塞包括沿轴向串接的第一级活塞和第二级活塞；以及设置在所述外筒组件内部的复位机构，所述复位机构为所述双级活塞提供恢复的力；其中，所述双级活塞在脉冲发生器发出的脉冲压力作用下沿轴向周期性振动。本发明接收脉冲发生器发出脉冲压力推动双级活塞周期性振动，从而带动钻柱周期性移动，使钻柱与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，减小整体的阻力。

Description

一种双级活塞式振动短节

技术领域

本发明涉及一种双级活塞式振动短节，属于油气勘探开发技术领域。

背景技术

随着非常规油气勘探开发的进程的加快，大位移井、水平井技术因其具有巨大经济效益并能够满足特殊作业目的而得以迅速推广应用。长水平段钻进过程中，随着井斜角的增大和裸眼井段长度的增加，钻柱由于重力作用与井壁长距离接触，钻柱与井壁间的摩阻(包括轴向摩擦力和摩擦扭矩)较大，导致滑动钻进时加不上钻压，工具面摆放困难、机械钻速很低。因此随着大位移井、水平井施工数量的增加，如何有效地减小钻柱的摩阻以提高机械钻速、增加井眼延伸能力成为研究和施工的重点之一。

目前，国内外应用于大位移井、水平井钻井的减摩阻方法主要有以下几个方面：钻井液性能的调节；加强井壁稳定性措施；加强固相控制技术；井眼轨迹的优化；优化钻具组合；使用各类减阻工具等。水力振荡器是一种降摩减阻专用工具，由脉冲发生器、振动发生器两部分组成，现有水力振荡器存在压降高、振动力小的问题，导致超长水平井减阻效果不明显，托压问题依然很严重。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种双级活塞式振动短节，通过脉冲发生器发出脉冲压力推动双级活塞周期性振动，从而带动钻柱周期性移动，使钻柱与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，减小整体的阻力。

本发明提出了一种双级活塞式振动短节，包括：

外筒组件，

设置在所述外筒组件内的双级活塞，所述双级活塞包括沿轴向串接的第一级活塞和第二级活塞；以及

设置在所述外筒组件内部的复位机构，所述复位机构为所述双级活塞提供恢复的力；

其中，所述双级活塞在脉冲发生器发出的脉冲压力作用下沿轴向周期性振动。

本发明的进一步改进在于，所述外筒组件包括第一活塞筒和第二活塞筒，所述第一级活塞在所述第一活塞筒内沿轴向移动，所述第二级活塞在所述第二活塞筒内沿轴向移动。

本发明的进一步改进在于，所述第一级活塞包括下部的活塞帽和上部的活塞管，所述活塞帽和所述活塞管的中部设置有沿轴向的流道，所述活塞帽的外径大于所述活塞管的外径；

其中，所述活塞帽在所述第一活塞筒内滑动，所述活塞管穿过所述第二活塞筒的下端并连接所述第二级活塞。

本发明的进一步改进在于，所述第二级活塞为环形结构，其下端设置有连接所述活塞管的下环形槽，上端设置有上环形槽，所述上环形槽连接有振动芯轴。

本发明的进一步改进在于，所述第一级活塞包括活塞帽，所述第二级活塞的下部设置有活塞管，所述活塞管向下延伸到第一活塞筒内，并与所述第一级活塞的活塞帽相连。

本发明的进一步改进在于，所述复位机构包括复位碟簧，所述复位碟簧设置在所述第二活塞筒内位于所述第二级活塞的上的空间。

本发明的进一步改进在于，所述第一活塞筒上设置有第一呼吸阀，所述第一呼吸阀位于所述第一级活塞的活塞帽的上侧。

本发明的进一步改进在于，所述第二活塞筒上设置有第二呼吸阀，所述第二呼吸阀位于所述第二级活塞的上侧；

所述活塞管的下部设置有压力通孔，所述压力通孔位于所述第二级活塞的下侧。

本发明的进一步改进在于，所述第二活塞筒的上端连接有防掉短节，所述防掉短节的上端连接有花键外筒，所述花键外筒的内壁上设置有内花键，所述振动芯轴的外壁上设置有与所述内花键相匹配的外花键。

本发明的进一步改进在于，所述防掉短节的内壁上设置有限位凹槽，所述振动芯轴的外壁上设置有防掉块，所述防掉块限定在所述限位凹槽内。

本发明的进一步改进在于，所述第二级活塞的下端设置有连接所述第一级活塞的活塞接头，所述活塞接头的内壁与所述活塞杆的外壁之间设置有滑动密封件；

所述第一级活塞与所述第一活塞筒之间、所述第二级活塞与所述第二活塞筒之间均通过滑动密封件相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述一种双级活塞式振动短节，其具有两级活塞，相对于一个活塞作用面积增大了一倍，作用在每个活塞上的脉冲压力相同，理论上脉冲推动力也增大一倍。

本发明实现了快速压缩碟簧伸出，强力振动，振动力更大、传播更远，水平段减阻效果更为明显。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的一个实施例的双级活塞式振动短节的结构示意图；

图2所示为本发明的一个实施例的双级活塞的结构示意图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：

1、外筒组件，2、双级活塞，3、复位碟簧，11、第一活塞筒，12、第二活塞筒，13、防掉短节，14、花键外筒，15、第一呼吸阀，16、第二呼吸阀，17、限位凹槽，18、花键，21、第一级活塞，22、第二级活塞，23、振动芯轴，24、活塞帽，25、活塞管，26、压力通孔，27、防掉块。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1示意性地显示了根据本发明的一种双级活塞式振动短节，其包括外筒组件1，所述外筒组件1包括若干段不同功能的筒状组件组合而成。外筒组件1的内部设置有双级活塞2，所述双级活塞2包括沿轴向串接的第一级活塞21和第二级活塞22。在外筒组件1的内部设置有复位机构，所述复位机构为所述双级活塞提供恢复的力，在工作过程中，脉冲发生器向双级活塞2发出脉冲压力，使双级活塞2沿轴向移动，从而发生周期性振动。

在根据本实施例所述的双级活塞式振动短节中，脉冲发生器发出的脉冲压力推动活塞向上移动，由于脉冲压力是周期性变化的，当压力较大时推动双级活塞2移动，当压力较小时复位机构推动双级活塞2复位，这样双级活塞2在脉冲压力和复位机构的作用下周期性振动，使钻杆周期性振动，将钻杆与井壁之间的静摩擦转换为动摩擦力，减小阻力。通过设置双级活塞2，在受到脉冲压力时其能够转化为双倍的推动力，从而使振动更为明显。

在一个实施例中，所述外筒组件1包括第一活塞筒11和第二活塞筒12，第一活塞筒11位于外筒组件1的下部，第二活塞筒12位于外筒组件1的中部。第一活塞筒11和第二活塞筒12首尾相接，其内部形成两段腔体，双级活塞2的第一级活塞21和第二级活塞22分别在两段腔体内。所述第一级活塞21在所述第一活塞筒11内沿轴向移动，所述第二级活塞22在所述第二活塞筒12内沿轴向移动。

在一个实施例中，如图1所示，所述第一级活塞21包括连接成一个整体的两部分，分别为活塞帽24和活塞管25，活塞帽24位于下部并限定在第一活塞筒11内，活塞管25向上延伸到第二活塞筒12内，并与第二活塞相连。其中，活塞帽24和活塞管25的中部设置有沿轴向的流道，所述活塞帽24的外径大于所述活塞管25的外径。

在根据本实施例所述的双级活塞式振动短节中，第一级活塞21的活塞帽24的中部设置流道，外壁与第一活塞筒11的内壁相接触，并滑动密封。其下侧的端面形成压差面，压差面受到脉冲压力的作用下推动第一级活塞21向上移动。

在一个实施例中，所述第二级活塞22为环形结构，其中部设有流道。第二级活塞22的下端设置有下环形槽，上端设置有上环形槽。下环形槽与活塞管25的底部相连，上环形槽连接有振动芯轴16。

在根据本实施例所述的双级活塞式振动短节中，环形的第二级活塞22的下端面与第一级活塞21相同，同样形成压差面，压差面受到脉冲压力的作用下推动第二级活塞22向上移动。

在另一个实施例中，如图2所示，所述第一级活塞21包括活塞帽24，所述第二级活塞22的下部设置有活塞管25，所述活塞管25向下延伸到第一活塞筒11内，并与所述第一级活塞21的活塞帽24相连。

在一个实施例中，所述复位机构包括复位碟簧3，所述复位碟簧3设置在所述第二活塞筒12内位于所述第二级活塞22的上的空间。复位碟簧3的一端卡接在外筒组件1上，另一端顶在第二级活塞22的上部。

在一个实施例中，所述第一活塞筒11上设置有第一呼吸阀15，所述第一呼吸阀15位于所述第一级活塞21的活塞帽24的上侧。通过设置第一呼吸阀15，第一级活塞21在向上移动的过程中活塞帽24上方的流体会通过第一呼吸阀15排出，第一级活塞21在向下移动的过程中外部的流体通过第一呼吸阀15进入活塞帽24上方的，使第一级活塞21能够顺利移动。

在一个实施例中，所述第二活塞筒12上设置有第二呼吸阀12，所述第二呼吸阀12位于所述第二级活塞22的上侧。所述活塞管25的下部设置有压力通孔26，所述压力通孔26位于所述第二级活塞22的下侧。

第二呼吸阀12与第一呼吸阀15的作用类似，能够保证第二级活塞22顺利移动，压力通孔26能够保证脉冲压力传递到第二级活塞22的下端面，从而保证第二级活塞22受到脉冲压力的作用。

在一个实施例中，所述第二活塞筒12的上端连接有防掉短节13，所述防掉短节13的上端连接有花键外筒14，所述花键外筒14的内壁上设置有内花键，所述振动芯轴16的外壁上设置有与所述内花键相匹配的外花键。

在根据本实施例所述的双级活塞式振动短节中，内花键和外花键可以是直花键，也可以是倾斜或螺旋式的花键18，可以根据实际的需要进行选择。花键可以保证双级活塞2和振动芯轴16在振动时不会发生偏斜，螺旋式的花键还能够保证钻杆在轴向移动时还能够沿周向转动，从而进一步提高了动摩擦力，减小了静摩擦力。

在一个实施例中，所述防掉短节13的内壁上设置有限位凹槽17，所述振动芯轴16的外壁上设置有防掉块27，所述防掉块27限定在所述限位凹槽17内。在双级活塞2带动振动芯轴16移动时，防掉块27在限位凹槽17内移动。限位凹槽17限定了防掉块27的移动位置，从而限定了振动芯轴16和双级活塞2的移动位置。

在一个实施例中，所述第二级活塞22的下端设置有连接所述第一级活塞21的活塞接头，所述活塞接头的内壁与所述活塞杆的外壁之间设置有滑动密封件。所述第一级活塞21与所述第一活塞筒11之间、所述第二级活塞22与所述第二活塞筒12之间均通过滑动密封件相连。

在一个优选的实施例中，所述外筒组件1的底部设置有下接头，下接头通过螺纹与第一活塞筒11相连。下接头用于连接下游组件，如脉冲发生器等。

本实施例所述双级活塞式振动短节的具体工作过程如下：脉冲发生器发出的脉冲压力作用到第一级活塞21的下端面，并通过压力通孔26传递到第二级活塞22的下方，并作用在第二级活塞22的下端面。复位碟簧3作用在第二级活塞22的上端面上，向第二级弹簧22以及第一级弹簧21施加向下的弹力。在脉冲发生器发出的脉冲压力处于压力较大的状态时，第一级活塞21和第二级活塞22在脉冲压力的推动作用下克服复位碟簧3的弹力而向上移动；当脉冲压力处于压力较小的状态时，复位碟簧3的弹力大于此压力，从而推动第一级活塞21和第二级活塞22向上移动；这样，在脉冲压力的一个变化周期内，第一级活塞21和第二级活塞22完成一次收缩，并带动振动芯轴23完成一次收缩。在脉冲压力周期性变化时，振动芯轴23不断地伸缩，并带动钻柱伸缩，钻柱与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，减小整体的阻力。

在本发明中，方位用语“上”、“下”均以双级活塞式振动短节的实际工作方位为参照。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种双级活塞式振动短节，其特征在于，包括：

外筒组件(1)，

设置在所述外筒组件(1)内的双级活塞(2)，所述双级活塞(2)包括沿轴向串接的第一级活塞(21)和第二级活塞(22)；以及

设置在所述外筒组件(1)内部的复位机构，所述复位机构为所述双级活塞(2)提供恢复的力；

其中，所述双级活塞(2)在脉冲发生器发出的脉冲压力作用下沿轴向周期性振动。

2.根据权利要求1所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述外筒组件(1)包括第一活塞筒(11)和第二活塞筒(12)，所述第一级活塞(21)在所述第一活塞筒(11)内沿轴向移动，所述第二级活塞(22)在所述第二活塞筒(12)内沿轴向移动。

3.根据权利要求2所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述第一级活塞(21)包括下部的活塞帽(24)和上部的活塞管(25)，所述活塞帽(24)和所述活塞管(25)的中部设置有沿轴向的流道，所述活塞帽(24)的外径大于所述活塞管(25)的外径；

其中，所述活塞帽(24)在所述第一活塞筒(11)内滑动，所述活塞管(25)穿过所述第二活塞筒(12)的下端并连接所述第二级活塞(22)。

4.根据权利要求3所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述第二级活塞(22)为环形结构，其下端设置有连接所述活塞管(25)的下环形槽，上端设置有上环形槽，所述上环形槽连接有振动芯轴(16)。

5.根据权利要求2所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述第一级活塞(21)包括活塞帽(24)，所述第二级活塞(22)的下部设置有活塞管(25)，所述活塞管(25)向下延伸到第一活塞筒(11)内，并与所述第一级活塞(21)的活塞帽(24)相连。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述复位机构包括复位碟簧(3)，所述复位碟簧(3)设置在所述第二活塞筒(12)内位于所述第二级活塞(22)的上的空间。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述第一活塞筒(11)上设置有第一呼吸阀(15)，所述第一呼吸阀(15)位于所述第一级活塞(21)的活塞帽(24)的上侧。

8.根据权利要求7所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述第二活塞筒(12)上设置有第二呼吸阀(12)，所述第二呼吸阀(12)位于所述第二级活塞(22)的上侧；

所述活塞管(25)的下部设置有压力通孔(26)，所述压力通孔(26)位于所述第二级活塞(22)的下侧。

9.根据权利要求8所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述第二活塞筒(12)的上端连接有防掉短节(13)，所述防掉短节(13)的上端连接有花键外筒(14)，所述花键外筒(14)的内壁上设置有内花键，所述振动芯轴(16)的外壁上设置有与所述内花键相匹配的外花键。

10.根据权利要求9所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述防掉短节(13)的内壁上设置有限位凹槽(17)，所述振动芯轴(16)的外壁上设置有防掉块(27)，所述防掉块(27)限定在所述限位凹槽(17)内。

11.根据权利要求10所述的双级活塞式振动短节，其特征在于，所述第二级活塞(22)的下端设置有连接所述第一级活塞(21)的活塞接头，所述活塞接头的内壁与所述活塞杆的外壁之间设置有滑动密封件；

所述第一级活塞(21)与所述第一活塞筒(11)之间、所述第二级活塞(22)与所述第二活塞筒(12)之间均通过滑动密封件相连。

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