CN115874940A - 一种射流式节流脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射流式节流脉冲发生器，包括：壳体；附壁射流元件；分流液压缸，分流液压缸包括主腔体、分别连通主腔体的第一流道和第二流道；设置在主腔体内的冲击组件，冲击组件将主腔体分成上液腔和下液腔，第一流道和第二流道分别与上液腔和下液腔连通；安装在分流液压缸下端的扶正挡圈；设置在扶正挡圈下方的过流阀，过流阀设有主阀口；其中，冲击组件包括活塞杆和固定套装在活塞杆上的活塞，活塞杆的下端向下延伸一部分，流经附壁射流元件的液体能够依次交替进入第一流道和第二流道，以推动活塞带动冲击组件沿主腔体往复运动，并使活塞杆的下端交替插入和退出主阀口，从而通过节流作用产生脉冲压力，并能够使冲击组件对扶正挡圈形成冲击。

Description

一种射流式节流脉冲发生器

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种射流式节流脉冲发生器。

背景技术

在大位移井、水平井钻井中，由于井斜角大，大井斜井段钻柱自重的绝大部分压向井壁，导致管柱和井眼之间摩阻较大，从而导致拖压，扭矩增大，进而使传递到钻头的钻压不连续或有限。随着大位移井数量的增加和水平位移的不断延伸，在钻进过程中面临着摩阻增加拖压、钻压无法有效传递等问题，这降低了钻具的机械钻速、减小了水平延伸能力，甚至无法钻达设计井深。在钻进施工过程中，仅依靠直井段钻具重量难以将管柱送进，工具面难以控制，导致所钻达水平段长度有限，施工作业效率低下。

在现有技术中，通常采用在井下管柱中引入压力脉冲发生工具及配套的轴向振动发生工具而形成振荡器，并通过周期性地改变流体过流面积产生压力脉冲，这种压力脉冲作用于配套的轴向振动发生工具，驱动钻具产生轴向蠕动，降低滑动钻进时的管柱与井壁的摩擦系数，减小管柱的摩擦阻力，消除钻柱托压现象，改善钻压传递效果、提高定向钻进效率。

水力振荡器是一种降摩减阻专用工具，通常由脉冲发生器、振动发生器两部分组成。目前，常见的脉冲发生器一般利用螺杆、涡轮驱动偏心阀盘组产生液压脉冲，这种作用原理的脉冲发生器阀盘容易发生冲蚀、破损、失效，严重影响工具使用后期的降摩阻防托压效果。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种射流式节流脉冲发生器，该射流式节流脉冲发生器能够产生脉冲压力，并能够使钻柱产生轴向蠕动，从而将静摩擦转变为动摩擦，非常有利于减少滑动钻进和旋转钻进时井壁与钻杆之间的摩擦，能够显著提高机械钻速及水平井延伸能力。

为此，根据本发明提供了一种射流式节流脉冲发生器，包括：构造成圆筒状的壳体；安装在所述壳体内的附壁射流元件；安装在所述附壁射流元件下端的分流液压缸，所述分流液压缸构造成包括主腔体、分别连通所述主腔体的第一流道和第二流道；设置在所述主腔体内的冲击组件，所述冲击组件将所述主腔体分成上液腔和下液腔，所述第一流道和所述第二流道分别与所述上液腔和所述下液腔连通；安装在所述分流液压缸的下端的扶正挡圈；以及设置在所述扶正挡圈的下方的过流阀，所述过流阀设有主阀口；其中，所述冲击组件包括活塞杆和固定套装在所述活塞杆上的活塞，所述活塞杆的下端向下延伸一部分，流经所述附壁射流元件的液体能够依次交替进入所述第一流道和所述第二流道，以推动所述活塞带动所述冲击组件沿所述主腔体往复运动，并使所述活塞杆的下端交替插入和退出所述主阀口，从而通过节流作用产生脉冲压力，并能够使所述冲击组件对所述扶正挡圈形成冲击。

在一个实施例中，所述第一流道和所述第二流道的入口端设置在所述分流液压缸的同一轴向端面上，且分别与所述附壁射流元件的第一出液口和第二出液口连通。

在一个实施例中，所述第一流道构造成沿轴向延伸至与所述主腔体的上部空间连通。

在一个实施例中，所述第二流道沿轴向延伸至与所述主腔体的下部空间连通，

所述第二流道构造成包括倾斜通道和与所述倾斜通道连通的直线通道，且所述直线通道形成于所述分流液压缸的侧壁内。

在一个实施例中，所述活塞杆的直径设置成小于所述扶正挡圈的内径，且小于所述主阀口的直径，从而使液体能够从所述活塞杆与扶正挡圈之间，以及活塞杆与所述主阀口之间形成的缝隙中流过。

在一个实施例中，所述活塞杆设有径向向外延伸的环形冲击块，所述活塞坐在所述环形冲击块的上端面上，所述环形冲击块的外径大于所述扶正挡圈的内径，所述环形冲击块下能够对所述扶正挡圈形成冲击。

在一个实施例中，在所述附壁射流元件的上端设有导流帽，所述导流帽用于将液体导流至所述附壁射流元件的进液口。

在一个实施例中，所述壳体的两端分别设有上接头和下接头，所述上接头用于连接上部管柱，所述下接头用于连接下部钻具，在所述上接头的下端面与所述导流帽的上端面之间安装有垫片。

在一个实施例中，在所述扶正挡圈与所述过流阀之间安装有调整套，且所述过流阀的上下端面分别抵靠所述调整套的下端面和所述下接头的上端面。

在一个实施例中，所述扶正挡圈构造成包括圆筒状的本体部分和形成于所述本体部分外周表面上的环形凸起，

所述本体部分插入所述主腔体内，所述环形凸起的上下端面分别抵靠所述分流液压缸的下端面和所述调整套的上端面，所述冲击挡圈能够将所述冲击组件产生的冲击力传递给上部管柱和下部钻具。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

根据本发明的射流式节流脉冲发生器能够产生脉冲压力，并能够使钻柱产生轴向蠕动，从而将静摩擦转变为动摩擦，非常有利于减少滑动钻进和旋转钻进时井壁与钻杆之间的摩擦，显著改善了钻压传递，提高了定向效率，且能够显著提高机械钻速及水平井延伸能力，大大提高钻井效率和钻井作业效果。射流式节流脉冲发生器利用活塞杆上下运动而周期性堵塞过流通道以产生脉冲压力，同时与附壁射流元件自身产生的脉冲压力叠加，从而使得射流式节流脉冲发生器产生的脉冲压力幅值更大。与常见的利用螺杆、涡轮驱动偏心阀盘组产生液压脉冲的脉冲发生器相比，该射流式脉冲发生器能够显著提高其产生的脉冲压力，并且具有良好的抗冲蚀性能。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的射流式节流脉冲发生器的结构。

图2显示了图1所示射流式节流脉冲发生器中的冲击组件下行至冲击作用于扶正挡圈5的状态。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

在本申请中，需要说明的是，将根据本发明的射流式节流脉冲发生器下放到井筒中靠近井口的一端定义为上端或相似用语，而将远离井口的一端定义为下端或相似用语。另外需要说明的是，本申请中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”等均是针对所参照的附图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。

图1显示了根据本发明的射流式节流脉冲发生器100的结构。在实际应用中，射流式节流脉冲发生器100连接在钻井管柱中，射流式节流脉冲发生器100的上端通过管柱连接振动发生工具(未示出)，下端与钻杆或下部钻具(未示出)连接。

如图1所示，射流式节流脉冲发生器100包括构造成圆筒状的外壳1、安装在外壳1的内部的附壁射流元件2、分流液压缸3、设置在分流液压缸3的内部的冲击组件4、设置在流液压缸3的下端的扶正挡圈5，以及设置在扶正挡圈5的下方的过流阀6。在工作时，射流式节流脉冲发生器100流经附壁射流元件2的液体能够驱动冲击组件4往复运动，并能够使过流阀6的主阀口61的开口大小产生变化而形成节流，从而产生脉冲压力，同时能够使冲击组件4对扶正挡圈5形成冲击，进而传递给与射流式节流脉冲发生器100连接的钻柱和其他钻具。由此，射流式节流脉冲发生器100能够使钻柱产生轴向蠕动，从而将静摩擦转变为动摩擦，这非常有利于减少滑动钻进和旋转钻进时井壁与钻杆之间的摩擦，能够显著提高机械钻速及水平井延伸能力，大大提高钻井效率和钻井作业效果。此外，射流式节流脉冲发生器100产生的脉冲能够作用于连接在射流式节流脉冲发生器100上端的振动发生工具，驱使振动发生工具产生振动，进一步降摩减阻。

如图1所示，外壳1的上下两端分别固定连接有上接头7和下接头8，上接头7用于连接上部管柱，下接头8用于连接下部钻具。在一个实施例中，上接头7和下接头8均通过螺纹连接方式与外壳1形成固定连接。

在图1所示实施例中，外壳1的两端分别构造成负锥形连接扣，上接头7的下端构造成正锥形连接扣，上接头7与外壳1的上端通过正锥形连接扣与负锥形连接扣适配而形成固定连接。上接头7的上端通过负锥形连接扣与上部管柱适配而形成固定连接。同样地，下接头8的两端构造成正锥形连接扣，下接头8与外壳1的下端通过正锥形连接扣与负锥形连接扣适配而形成固定连接。下接头8的下端通过正锥形连接扣与下部钻具适配而形成固定连接。上接头7、下接头8的这种连接结构非常有利于保证外壳1与上部管柱、下部钻具之间的连接稳定性，并且安装方便快捷。

在本实施例中，上接头7的下端插入外壳1内，从而使上接头7的下端面在外壳1的靠近上端的内壁位置形成端面朝下的第一台阶。同样地，下接头8的上端插入外壳1内，从而使下接头8的上端面在外壳1的靠近下端的内壁位置形成端面朝上的第二台阶。第一台阶和第二台阶的功能作用将在下文进行介绍。

如图1所示，在附壁射流元件2的上端设有导流帽20，导流帽20用于将液体导流至附壁射流元件2的进液口21。导流帽20的内部设有阶梯孔，且阶梯孔的大直径端朝上而与上接头7连通，阶梯孔的小直径端朝下而与附壁射流元件2的进液口21连通。导流帽20的上下端面分别抵靠第一台阶和附壁射流元件2的上端面，从而形成轴向限定。导流帽20的这种结构非常有利于将来自上部管柱的液体导流进入附壁射流元件2。

在一个实施例中，可以在上接头7的下端面(第一台阶)与导流帽20的上端面之间安装垫片9。垫片9能够在安装时作为调整件，便于安装。同时，垫片9还有利于保证上接头7与外壳1之间的密封性。

根据本发明，分流液压缸3安装在附壁射流元件2的下端，且分流液压缸3的上端面与附壁射流元件2的下端面紧密贴合。

如图1所示，分流液压缸3构造成圆柱体形，在分流液压缸3的内部设有主腔体31、第一流道32和第二流道33，第一流道32和第二流道33分别连通主腔体3。第一流道32和第二流道33的入口端设置在分流液压缸3的同一轴向端面(图1中的上端面)上，并且第一流道32的入口端与附壁射流元件2的第一出液口22连通。第二流道33的入口端与附壁射流元件2的第二出液口23连通。优选地，第一流道32和第二流道33的入口端可以设置成在径向上相对分布。

第一流道32构造成沿轴向延伸至与主腔体31的上部空间连通。

第二流道33沿轴向延伸至与主腔体31的下部空间连通。第二流道33构造成包括倾斜通道331和与倾斜通道331连通的直线通道332，并且直通道332形成于分流液压缸3的侧壁内。

根据本发明，冲击组件4布置在分流液压缸3的主腔体31内，并且将主腔体31分成上液腔311和下液腔312。第一流道32与上液腔311连通，第二流道33与下液腔312连通。来自上部钻柱的液体流经附壁射流元件2，并在附壁射流元件2的作用下交替进入第一流道32和第二流道33，进而交替进入上液腔311和下液腔312，从而使得冲击组件4在液体压力作用下往复运动。

根据本发明，冲击组件4包括活塞杆41和固定套装在活塞杆41上的活塞42，活塞42与主腔体31的侧壁形成滑动密封。活塞杆41的处于活塞42的下端部分的长度大于处于活塞42的上端部分的长度，且活塞杆41的下端穿过扶正挡圈5向下延伸。布置在扶正挡圈5的下方的过流阀6设有主阀口61，活塞杆41的下端能够向下延伸至与主阀口61对应。由此，上液腔311形成于活塞42的上端面之上，下液腔312形成于活塞42之下。液体通过第一流道32进入上液腔311时，液体压力作用于活塞42的上端面而推动活塞42下行运动。液体通过第二流道33进入下液腔312时，液体压力作用于活塞42的下端面而推动活塞42上行运动。

在一个实施例中，活塞杆41设有径向向外延伸的环形冲击块43，活塞42坐在环形冲击块的上端面上，环形冲击块43的外径大于扶正挡圈5的内径，由此，冲击组件4能够下行运动至使环形冲击块43对扶正挡圈5形成冲击。活塞杆41的直径设置成小于扶正挡圈5的内径，且小于过流阀6的主阀口61的直径，从而使液体能够从活塞杆41与扶正挡圈5之间，以及活塞杆4与主阀口61之间形成的缝隙中流过。

由此，活塞42能够在液体压力作用下带动活塞杆41沿主腔体31做往复运动。活塞杆41在往复运动过程中，一方面，活塞杆41的下端交替插入和退出过流阀6的主阀口61，以使主阀口61的开口大小产生变化而形成节流，从而通过节流作用产生脉冲压力，另一方面，活塞杆41通过环形冲击块43对扶正挡圈5形成冲击，进而能够将产生的脉冲压力和冲击力传递给与射流式节流脉冲发生器100连接的钻柱和其他钻具。

在一个实施例中，为了避免过流阀6堵死，过流阀6还设有过流阀口62。过流阀口62设置于主阀口61的径向外侧。

根据本发明，冲击组件4的冲击行程取决于冲击组件4能够在主腔体31内的轴向运动范围，冲击组件4的冲击行程H为：

H＝L₁-L₂

其中，L₁为主腔体31的轴向长度，活塞杆41的上端面与环形冲击块43的下端面之间的距离L₂。射流式节流脉冲发生器100产生的脉冲幅值大小以及脉冲频率可以通过调整冲击组件4的冲击行程大小进行调节。冲击组件4的这种冲击行程能够保证射流式节流脉冲发生器100产生的脉冲压力的幅值满足需求。

如图1所示，扶正挡圈5固定安装在流液压缸3的下端。在过流阀6与扶正挡圈5之间安装有调整套10，调整套10的上下端面分别抵靠扶正挡圈5的下端面和过流阀6的上端面。同时，过流阀6的下端坐在下接头8的上端面(第二台阶)上。由此，调整套10能够对扶正挡圈5形成限位支撑，从而将扶正挡圈5固定安装于流液压缸3的下端。同时，调整套10在安装时作为调整件，便于安装。

根据本发明的一个实施例，扶正挡圈5构造成包括圆筒状的本体部分51和形成于本体部分51的外周表面上的环形凸起52。流液压缸3的下端构造成开口。扶正挡圈5的本体部分51从流液压缸3的下端开口插入，并与流液压缸3形成密封，由此主腔体31形成于流液压缸3与扶正挡圈5之间。扶正挡圈5的环形凸起52的上下端面分别抵靠分流液压缸3的下端面和调整套10的上端面，从而使扶正挡圈5固定安装在流液压缸3与调整套10之间。扶正挡圈5能够将冲击组件4产生的压力脉冲和冲击力依次通过环形凸起52、调整套10、下接头8传递给与射流式节流脉冲发生器100连接的上部管柱和下部钻具。

下面简述根据本发明的射流式节流脉冲发生器100的工作过程。在实际工作过程中，来自上部钻柱的液体流经附壁射流元件2，在附壁射流元件2的作用下液体交替进入第一流道32和第二流道33，进而交替进入上液腔311和下液腔312，进入上液腔311和下液腔312的液体产生的液体压力分别作用于活塞42的上端面和下端面，从而在液体压力作用下推动活塞42带动冲击组件4做往复运动。图1和图2显示了冲击组件4往复运动过程，图1显示了冲击组件4上行至高点的状态，图2显示了冲击组件4下行至冲击作用于扶正挡圈5的状态。冲击组件4在往复运动过程中，一方面，活塞杆41的下端交替插入和退出过流阀6的主阀口61，以使主阀口61的开口大小产生变化而形成节流，从而通过节流作用产生脉冲压力，另一方面，活塞杆41通过环形冲击块43对扶正挡圈5产生周期性地冲击，并且产生的脉冲压力和冲击力能够依次通过扶正挡圈5、调整套10、下接头8传递给与射流式节流脉冲发生器100连接的钻柱和其他钻具，使钻柱产生轴向蠕动，从而将静摩擦转变为动摩擦，由此实现降摩减阻。在这一过程中，附壁射流元件2本身也产生压力脉冲，其通过左右转换流道实现压力变换。由此，射流式节流脉冲发生器100利用活塞杆41上下运动而周期性堵塞过流通道，以产生脉冲压力，同时与附壁射流元件2自身产生的脉冲压力叠加，从而使得射流式节流脉冲发生器100产生的脉冲压力幅值更大。此外，射流式节流脉冲发生器100产生的脉冲能够作用于连接在射流式节流脉冲发生器100上端的振动发生工具，驱使振动发生工具产生振动，从而实现进一步降摩减阻。

根据本发明的射流式节流脉冲发生器100能够产生脉冲压力，并能够使钻柱产生轴向蠕动，从而将静摩擦转变为动摩擦，非常有利于减少滑动钻进和旋转钻进时井壁与钻杆之间的摩擦，显著改善了钻压传递，提高了定向效率，且能够显著提高机械钻速及水平井延伸能力，大大提高钻井效率和钻井作业效果。射流式节流脉冲发生器100利用活塞杆41上下运动而周期性堵塞过流通道以产生脉冲压力，同时与附壁射流元件2自身产生的脉冲压力叠加，从而使得射流式节流脉冲发生器100产生的脉冲压力幅值更大。与常见的利用螺杆、涡轮驱动偏心阀盘组产生液压脉冲的脉冲发生器相比，该射流式脉冲发生器100能够显著提高其产生的脉冲压力，并且具有良好的抗冲蚀性能。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射流式节流脉冲发生器，包括：

构造成圆筒状的壳体(1)；

安装在所述壳体内的附壁射流元件(2)；

安装在所述附壁射流元件下端的分流液压缸(3)，所述分流液压缸构造成包括主腔体(31)、分别连通所述主腔体的第一流道(32)和第二流道(33)；

设置在所述主腔体内的冲击组件(4)，所述冲击组件将所述主腔体分成上液腔(311)和下液腔(312)，所述第一流道和所述第二流道分别与所述上液腔和所述下液腔连通；

安装在所述分流液压缸的下端的扶正挡圈(5)；以及

设置在所述扶正挡圈的下方的过流阀(6)，所述过流阀设有主阀口(61)；

其中，所述冲击组件包括活塞杆(41)和固定套装在所述活塞杆上的活塞(42)，所述活塞杆的下端向下延伸一部分，流经所述附壁射流元件的液体能够依次交替进入所述第一流道和所述第二流道，以推动所述活塞带动所述冲击组件沿所述主腔体往复运动，并使所述活塞杆的下端交替插入和退出所述主阀口，从而通过节流作用产生脉冲压力，并能够使所述冲击组件对所述扶正挡圈形成冲击。

2.根据权利要求1所述的射流式节流脉冲发生器，其特征在于，所述第一流道和所述第二流道的入口端设置在所述分流液压缸的同一轴向端面上，且分别与所述附壁射流元件的第一出液口(22)和第二出液口(23)连通。

3.根据权利要求2所述的射流式节流脉冲发生器，其特征在于，所述第一流道构造成沿轴向延伸至与所述主腔体的上部空间连通。

4.根据权利要求2或3所述的射流式节流脉冲发生器，其特征在于，所述第二流道沿轴向延伸至与所述主腔体的下部空间连通，

所述第二流道构造成包括倾斜通道(331)和与所述倾斜通道连通的直线通道(332)，且所述直线通道形成于所述分流液压缸的侧壁内。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的射流式节流脉冲发生器，其特征在于，所述活塞杆的直径设置成小于所述扶正挡圈的内径，且小于所述主阀口的直径，从而使液体能够从所述活塞杆与扶正挡圈之间，以及活塞杆与所述主阀口之间形成的缝隙中流过。

6.根据权利要求5中任一项所述的射流式节流脉冲发生器，其特征在于，所述活塞杆设有径向向外延伸的环形冲击块(43)，所述活塞坐在所述环形冲击块的上端面上，所述环形冲击块的外径大于所述扶正挡圈的内径，所述环形冲击块能够对所述扶正挡圈形成冲击。

7.根据权利要求1中任一项所述的射流式节流脉冲发生器，其特征在于，在所述附壁射流元件的上端设有导流帽(20)，所述导流帽用于将液体导流至所述附壁射流元件的进液口(21)。

8.根据权利要求7所述的射流式节流脉冲发生器，其特征在于，所述壳体的两端分别设有上接头(7)和下接头(8)，所述上接头用于连接上部管柱，所述下接头用于连接下部钻具，在所述上接头的下端面与所述导流帽的上端面之间安装有垫片(9)。

9.根据权利要求8所述的射流式节流脉冲发生器，其特征在于，在所述扶正挡圈与所述过流阀之间安装有调整套(10)，且所述过流阀的上下端面分别抵靠所述调整套的下端面和所述下接头的上端面。

10.根据权利要求9所述的射流式节流脉冲发生器，其特征在于，所述扶正挡圈构造成包括圆筒状的本体部分(51)和形成于所述本体部分外周表面上的环形凸起(52)，

所述本体部分插入所述主腔体内，所述环形凸起的上下端面分别抵靠所述分流液压缸的下端面和所述调整套的上端面，所述冲击挡圈能够将所述冲击组件产生的冲击力传递给上部管柱和下部钻具。

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