CN115874937A - 一种双向螺旋振动短节 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双向螺旋振动短节，包括外筒组件；设置在所述外筒组件内的活塞，所述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；以及设置在所述外筒组件内的振动芯轴，所述振动芯轴连接所述活塞并随所述活塞振动而沿轴向移动；其中，所述振动芯轴在沿轴向移动的同时还相对所述外筒组件转动。本发明接收脉冲发生器发出脉冲压力推动活塞周期性振动，从而带动钻柱周期性移动和转动，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

一种双向螺旋振动短节

技术领域

本发明涉及一种双向螺旋振动短节，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向螺旋振动短节，通过脉冲发生器发出脉冲压力推动双向螺旋振动短节周期性振动，从而带动钻柱周期性移动，在振动的过程中还沿周向发生一定的转动，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向螺旋振动短节，包括：

外筒组件；

设置在所述外筒组件内的活塞，所述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；以及

设置在所述外筒组件内的振动芯轴，所述振动芯轴连接所述活塞并随所述活塞振动而沿轴向移动；

其中，所述振动芯轴在沿轴向移动的同时还相对所述外筒组件转动。

本发明的进一步改进在于，所述活塞的两侧设置有振动机构。

本发明的进一步改进在于，所述外筒组件包括活塞外筒，所述活塞外筒的底部设置有下接头，上部通过连接外筒连接有防掉短节，所述防掉短节的上方设置有花键外筒。

本发明的进一步改进在于，所述活塞包括设置在下端的下活塞块和设置在上端的上活塞块，所述下活塞块在所述下接头内滑动，上活塞块在所述连接外筒内滑动；

并且，所述下活塞块和所述上活塞块之间通过活塞连接管相连。

本发明的进一步改进在于，所述振动芯轴的内壁上设置有台阶结构，所述振动芯轴与所述活塞连接管之间、所述活塞连接管与所述下活塞块之间形成阶梯状孔。

本发明的进一步改进在于，所述下活塞块为环形结构，其上端设置有环形的连接凸台，所述活塞连接管连接在所述连接凸台上；

所述上活塞块的上端的内侧设置有环形槽，所述振动芯轴安装在所述环形槽内。

本发明的进一步改进在于，所述花键外筒的内壁上设置有螺旋内花键，所述振动芯轴的外壁上设置有螺旋外花键，所述螺旋内花键和所述螺旋外花键在伸缩时转动配合。

本发明的进一步改进在于，所述振动机构包括设置在所述上活塞块的上方的上复位碟簧，以及设置在所述上活塞块的下方的下复位碟簧。

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，所述上活塞块的外壁和下活塞块的外壁上均设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述双向螺旋振动短节，通过脉冲发生器发出脉冲压力推动双向螺旋振动短节周期性振动，从而带动钻柱周期性移动，在振动的过程中还沿周向发生一定的转动，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。

本发明的活塞前后都有弹簧，能够快速伸出、快速回缩，振动更为快速迅捷，振动力传播更远。

本发明形成的螺旋振动包括轴向振动、周向振动，多种振动形式的耦合更有利于减小钻柱与井壁的摩擦力，动摩擦力更小，更有利于钻压的传递。

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向螺旋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振动芯轴的结构示意图。

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、活塞，3、振动芯轴，11、活塞外筒，12、连接外筒，13、下接头，14、防掉短节，15、花键外筒，16、限位凹槽，17、螺旋内花键，21、上活塞块，22、下活塞块，23、活塞连接管，24、密封件，25、上复位碟簧，26、下复位碟簧，31、防掉块，32、螺旋外花键。

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向螺旋振动短节，包括外筒组件1；所述外筒组件1由若干段不同功能的筒状组件组合而成。所述外筒组件1内设置有活塞2，所述活塞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。外筒组件1内的还设置有振动芯轴3，振动芯轴3设置在活塞2的上方，在活塞2往复移动时带动振动芯轴3沿轴向往复移动。其中，所述振动芯轴3在沿轴向移动的同时还相对所述外筒组件1转动。

在根据本实施例所述的双向螺旋振动短节中，脉冲发生器发出的脉冲压力推动活塞2沿轴向移动，由于脉冲压力是周期性变化的，活塞随着脉冲压力的变化而往复移动，带动振动芯轴3形成轴向振动。振动芯轴3连接钻杆，在振动时带动钻杆周期性振动，将钻杆与井壁之间的静摩擦转换为动摩擦力，减小阻力。同时，在沿轴向振动时还沿周向发生转动，进一步地提高动摩擦力、减少静摩擦力。

在一个实施例中，所述活塞的两侧设置有振动机构。振动机构在活塞移动时能够为活塞提供一个恢复的力。由于脉冲发生器发出的脉冲压力时周期性变化的，当压力较大时，推动活塞沿轴向向上移动，振动机构的为其提供一个恢复的推力，推力向下；当脉冲压力较小时，振动机构的推力大于脉冲发生器提供的压力，使活塞向下移动，形成一个振动的循环。

在一个实施例中，所述外筒组件1包括活塞外筒11，所述活塞外筒11的底部设置有下接头13，上部通过连接外筒12连接有防掉短节14，所述防掉短节14的上方设置有花键外筒15。

在本实施例中，活塞外筒11和连接外筒12为活塞的移动提供活动的空间，防掉短节14为芯轴提供限位的功能，保证其在一定范围内活动。花键外筒15为芯轴提供扭转的花键。

在一个实施例中，所述活塞包括设置在下端的下活塞块22和设置在上端的上活塞块21，所述下活塞块22在所述下接头13内滑动，上活塞块21在所述连接外筒12内滑动。并且，所述下活塞块22和所述上活塞块21之间通过活塞连接管23相连。

下活塞块22和上活塞块21均为环形的结构，中部设置有通孔，其与活塞连接管23共同构成供流体流通的通道。在下活塞的下端，形成环形的下端面，在下放的压力作用在下端面上时，形成压力差，从而推动活塞向上移动。

在一个实施例中，所述振动芯轴3的内壁上设置有台阶结构，所述振动芯轴3与所述活塞连接管23之间、所述活塞连接管23与所述下活塞块22之间形成阶梯状孔。

在一个实施例中，所述下活塞块22为环形结构，其上端设置有环形的连接凸台，所述活塞连接管23连接在所述连接凸台上。所述上活塞块21的上端的内侧设置有环形槽，所述振动芯轴3安装在所述环形槽内。

在根据本实施例所述的双向螺旋振动短节中，活塞连接管23套设在凸台结构的外部，使下活塞块22形成喷嘴式的结构，脉冲压力作用到下活塞块22时能够更容易带动下活塞块22移动。

在一个实施例中，所述花键外筒15的内壁上设置有螺旋内花键17，所述振动芯轴3的外壁上设置有螺旋外花键32，所述螺旋内花键17和所述螺旋外花键32在伸缩时转动配合。

通过设置螺旋内花键17和螺旋外花键32能够保证振动芯轴3在伸缩的时候还能在一定角度上转动，振动芯轴3带动钻杆移动的过程中将钻杆与井壁之间的静摩擦转换为动摩擦力，减少静摩擦力。

在一个实施例中，所述振动机构包括设置在所述上活塞块21的上方的上复位碟簧25，以及设置在所述上活塞块21的下方的下复位碟簧26。

在活塞向上移动时，压缩上复位碟簧25，上复位弹簧向上活塞块21提供一个向下的弹力；在活塞向下移动时，压缩下复位碟簧26，下复位碟簧26向上活塞块21提供一个向上的弹力。通过在上活塞块21的上下两端分别设置上复位弹簧和下复位弹簧，能够配合脉冲压力形成振动。

在一个实施例中，所述防掉短节14的内壁上设置有限位凹槽16，所述振动芯轴3的外壁上设置有防掉块31，所述防掉块31限定在所述限位凹槽16内。在活塞带动振动芯轴3移动时，防掉块31在限位凹槽16内移动。限位凹槽16限定了防掉块31的移动位置，从而限定了振动芯轴3和活塞的行程和移动位置。

在一个实施例中，所述上活塞块21的外壁和下活塞块22的外壁上均设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封件24。在活塞滑动的过程中，其外侧边缘的缝隙始终处于密封的状态，避免流体从边缘的缝隙流出。

在根据本实施例所述的双向螺旋振动短节工作过程中，活塞的下活塞块22接收到下方脉冲发生器发出的脉冲压力，在压力的作用下向上移动。移动时上活塞块21推动上复位碟簧25压缩，上复位碟簧25和下复位碟簧26向上活塞块21提供一个向下的恢复力。活塞推动振动芯轴3伸出，在花键外筒15的作用下振动芯轴3伸出的同时还发生一定的转动，带动钻杆转动伸出。当脉冲压力变小时，在上复位碟簧25和下复位弹簧的作用下推动活塞向下移动到原来的位置，从而带动振动芯轴3向下移动，并在花键外筒15的作用下发生一定的转动。上复位碟簧25和下复位碟簧26分别在活塞块21的前后，能够使活塞块21快速伸出、快速回缩，振动更为快速迅捷，振动力传播更远。活塞伸缩时带动振动芯轴3伸缩，振动芯轴3伸缩过程中还通过螺旋花键转动，从而带动钻杆移动并发生一定角度的转动，形成的螺旋振动包括轴向振动、周向振动，多种振动形式的耦合更有利于减小钻柱与井壁的摩擦力，动摩擦力更小，更有利于钻压的传递。

在本发明中，方位用语“上”、“下”均以双向螺旋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 (10)

1.一种双向螺旋振动短节，其特征在于，包括：

外筒组件(1)；

设置在所述外筒组件(1)内的活塞(2)，所述活塞(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；以及

设置在所述外筒组件(1)内的振动芯轴(3)，所述振动芯轴(3)连接所述活塞(2)并随所述活塞(2)振动而沿轴向移动；

其中，所述振动芯轴(3)在沿轴向移动的同时还相对所述外筒组件(1)转动。

2.根据权利要求1所述的双向螺旋振动短节，其特征在于，所述活塞(2)的两侧设置有振动机构。

3.根据权利要求2所述的双向螺旋振动短节，其特征在于，所述外筒组件(1)包括活塞外筒(11)，所述活塞外筒(11)的底部设置有下接头(13)，上部通过连接外筒(12)连接有防掉短节(14)，所述防掉短节(14)的上方设置有花键外筒(15)。

4.根据权利要求3所述的双向螺旋振动短节，其特征在于，所述活塞包括设置在下端的下活塞块(22)和设置在上端的上活塞块(21)，所述下活塞块(22)在所述下接头(13)内滑动，上活塞块(21)在所述连接外筒(12)内滑动；

并且，所述下活塞块(22)和所述上活塞块(21)之间通过活塞连接管(23)相连。

5.根据权利要求4所述的双向螺旋振动短节，其特征在于，所述振动芯轴(3)的内壁上设置有台阶结构，所述振动芯轴(3)与所述活塞连接管(23)之间、所述活塞连接管(23)与所述下活塞块(22)之间形成阶梯状孔。

6.根据权利要求5所述的双向螺旋振动短节，其特征在于，所述下活塞块(22)为环形结构，其上端设置有环形的连接凸台，所述活塞连接管(23)连接在所述连接凸台上；

所述上活塞块(21)的上端的内侧设置有环形槽，所述振动芯轴(3)安装在所述环形槽内。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的双向螺旋振动短节，其特征在于，所述花键外筒(15)的内壁上设置有螺旋内花键(17)，所述振动芯轴(3)的外壁上设置有螺旋外花键(32)，所述螺旋内花键(17)和所述螺旋外花键(32)在伸缩时转动配合。

8.根据权利要求7所述的双向螺旋振动短节，其特征在于，所述振动机构包括设置在所述上活塞块(21)的上方的上复位碟簧(25)，以及设置在所述上活塞块(21)的下方的下复位碟簧(26)。

9.根据权利要求8所述的双向螺旋振动短节，其特征在于，所述防掉短节(14)的内壁上设置有限位凹槽(16)，所述振动芯轴(3)的外壁上设置有防掉块(31)，所述防掉块(31)限定在所述限位凹槽(16)内。

10.根据权利要求9所述的双向螺旋振动短节，其特征在于，所述上活塞块(21)的外壁和下活塞块(22)的外壁上均设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封件(24)。

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