CN116464391A - 一种脉冲振荡发生装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及螺杆钻具技术领域，特别涉及一种脉冲振荡发生装置。脉冲振荡发生装置包括防掉接头，设置于防掉接头内腔中的动阀片与第二静阀片，以及阀杆。动阀片与第二静阀片同轴心设置，垂直于钻井液的流动方向，动阀片的截面为勒洛三角形，第二静阀片固定在静阀座上，第二静阀片开设有方形孔，方形孔的内孔边长等于动阀片的内接三角形边长；阀杆一端沿钻井液的流动方向设置在动阀片的下游，并与动阀片连接，另一端连接有马达，马达驱动阀杆带动动阀片旋转，且阀杆与动阀片同轴心安装。本申请实施例提供一种脉冲振荡发生装置，增强脉冲振荡结构的耐磨性，以解决相关技术中动静阀片接触摩擦时，阀片的接触面会产生较大的磨损的问题。

Description

一种脉冲振荡发生装置

技术领域

本申请涉及螺杆钻具技术领域，特别涉及一种脉冲振荡发生装置。

背景技术

随着世界范围内油气藏勘探开发力度不断加大，低压、低孔、低渗油气藏的开发越来越受到人们的重视，与之对应的是水平井、大位移井的应用越来越广泛。现有螺杆钻具是一种将泥浆作为驱动力的容积式井下动力钻具，它可以将钻井泥浆作为动力源带动马达的转子旋转，进而把扭矩和转速源源不断地传递给钻头。

现有的振荡脉冲发生装置实现的技术方案是将动阀片与马达转子连接，沿着钻井液的流动方向，动阀片安装在静阀片的下部，将动阀片与动阀座与支撑杆同轴心安装，并在动阀座的圆周面上开设泄流孔。

但是，当动静阀片产生接触式旋转时，会由于期性地旋转而产生较大的摩擦力，对于阀片的接触面会产生较大的磨损；若是使用非接触式的动静阀振荡结构，当螺杆钻具的串轴承、万向轴的支撑球运动副发生磨损时，螺杆钻具的马达转子等轴类部件会产生轴向位移，从而使得非接触式阀片的原有设计距离发生变化，脉冲压力也会偏离设计值，从而影响了螺杆钻具的振荡效果。

发明内容

本申请实施例提供一种脉冲振荡发生装置，增强脉冲振荡结构的耐磨性，以解决相关技术中动静阀片接触摩擦时，阀片的接触面会产生较大的磨损的问题。

为了达到以上目的，本申请实施例提供了一种脉冲振荡发生装置，其包括：

防掉接头，包括防掉接头内腔；

设置于防掉接头内腔中的动阀片与第二静阀片，所述动阀片与第二静阀片同轴心设置，垂直于钻井液的流动方向，所述动阀片的截面为勒洛三角形，所述第二静阀片固定在静阀座上，所述第二静阀片中心开设有方形孔，且方形孔的内孔边长等于动阀片的内接三角形边长；

阀杆，其一端沿钻井液的流动方向设置在动阀片的下游，并与动阀片连接，另一端连接有马达，所述马达用于驱动阀杆带动动阀片旋转，且所述阀杆与动阀片同轴心安装。

一些实施例中，所述动阀片与第二静阀片之间形成有腔室；

所述脉冲振荡发生装置还包括第一静阀片，所述第一静阀片固定在防掉接头内腔中，并位于动阀片朝向阀杆的一端，所述阀杆穿过第一静阀片设置，所述第一静阀片与阀杆同轴心安装，且所述第一静阀片上开设有通孔，所述通孔与腔室在轴向上的投影面积存在局部重合。

一些实施例中，所述第一静阀片与动阀片之间具有安装间隙，所述安装间隙为2～5mm。

一些实施例中，所述通孔具有多个，且多个所述通孔沿第一静阀片的周向等距分布。

一些实施例中，其还包括：

万向转接头，包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端与阀杆相连接，且沿钻井液的流动方向，第一连接端与第二连接端的中心线错位设置；

所述第一连接端与阀杆同轴心安装。

一些实施例中，所述第二连接端连接有支撑杆，所述支撑杆远离阀杆的一端连接有马达。

一些实施例中，所述马达包括马达转子和马达定子；

所述第一连接端与第二连接端的中心线之间的径向距离等于马达转子与马达定子的偏心距。

一些实施例中，沿钻井液的流动方向，所述防掉接头内腔包括依次设置的第一内腔和第二内腔，在所述第一内腔和第二内腔的相接处，第一内腔上设置有内腔台阶。

一些实施例中，所述第二内腔的内径自与第一内腔相连处，至远离第一内腔的方向减小。

一些实施例中，其还包括：

上接头，其沿钻井液的流动方向，连接在所述防掉接头的上游，所述静阀座设置在上接头与防掉接头相连处。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种脉冲振荡发生装置，由于动阀片与第二静阀片设置在防掉接头内腔中，动阀片位于第二静阀片的内腔，且动阀片的截面为勒洛三角形，第二静阀片中心开设有方形孔，方形孔的边长与动阀片的内接三角形边长相等，依据勒洛三角形在方形孔中的运动轨迹，动阀片在做定轴旋转时，其与第二静阀片的方形孔内腔始终有四个接触点，进而将方形孔的内腔分割为四个腔室，四个腔室如图7所示，在大部分时间，四个腔室的大小不一致，并具有周期性的变化，随着动阀片周期性地旋转，这四个腔室的过流面积也呈周期性变化，使钻井液产生初次振荡脉冲；

以及，阀杆一端与动阀片相连，另一端与马达相连，马达旋转，驱使阀杆旋转，进而带动动阀片在第二静阀片中周期性旋转，实现钻井液脉冲，由于动阀片与第二静阀片之间始终以点接触，使两者的磨损情况大大降低，增强了脉冲振荡结构的耐磨性，因此，能够解决相关技术中动静阀片接触摩擦时，阀片的接触面会产生较大的磨损的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的脉冲振荡发生装置的结构图；

图2为图1中左半边的放大图；

图3为图1中右半边的放大图；

图4为图1与图2中A处的放大图；

图5为图1与图3中B处的放大图；

图6为为图1与图3中C处的放大图；

图7为图6中E-E处的剖面图；

图8为图6中F-F处的剖面图；

图9为图1和图3中D处的放大图；

图10为本申请实施例提供的第二静阀片的截面图。

图中：1、马达；101、马达转子；102、马达定子；103、马达壳体；2、防掉接头；201、第一内腔；202、第二内腔；203、防掉接头内腔；204、防掉接头密封圈；205、内腔台阶；3、动阀片；4、第一静阀片；401、通孔；5、第二静阀片；501、方形孔；502、腔室；6、静阀座；601、静阀座密封圈；7、阀杆；701、阀杆密封圈；8、万向转接头；801、第一连接端；802、第二连接端；9、支撑杆；10、上接头；11、上接头内腔；12、上接头密封圈。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种脉冲振荡发生装置，其能解决相关技术中动静阀片接触摩擦时，阀片的接触面会产生较大的磨损的问题。

参见图1至图10所示，本申请提供了一种脉冲振荡发生装置(以下简称为发生装置)，包括防掉接头2、动阀片3、第二静阀片5和阀杆7，其中，防掉接头2包括防掉接头内腔203，动阀片3与第二静阀片5设置在防掉接头内腔203中；进一步地，动阀片3位于第二静阀片5的内腔中，并与第二静阀片5同轴心设置。

具体地，结合图1和图3所示，垂直于钻井液的流动方向，即垂直于图1中该发生装置的长度方向，动阀片3的截面为勒洛三角形，第二静阀片5固定在静阀座6上，且第二静阀片5的中心开设有方形孔501，动阀片3就设置在方形孔501中，方形孔501的内孔边长等于动阀片3的内接三角形边长。

进一步地，结合图1和图3所示，动阀片3连接有阀杆7，具体为阀杆7的一端沿钻井液的流动方向设置在动阀片3的下游，阀杆7的另一端连接有马达1，马达1用于驱动阀杆7带动动阀片3旋转。优选地，阀杆7与动阀片3同轴心安装。动阀片3在马达1和阀杆7的作用下实现定轴旋转，且动阀片3与第二静阀片5之间的通孔形成的过流面积会发生周期性变化，进而在该发生装置中产生周期性的振荡力，可以将钻柱与井壁之间的滑动摩擦变为振动摩擦，从而有效解决钻井托压的问题。

本申请实施例提供了一种脉冲振荡发生装置，由于动阀片3与第二静阀片5设置在防掉接头内腔203中，动阀片3位于第二静阀片5的内腔，且动阀片3的截面为勒洛三角形，第二静阀片5中心开设有方形孔501，方形孔501的边长与动阀片3的内接三角形边长相等，依据勒洛三角形在方形孔501中的运动轨迹，动阀片3在做定轴旋转时，其与第二静阀片5的方形孔501内腔始终有四个接触点，进而将方形孔的内腔分割为四个腔室，四个腔室如图7所示，在大部分时间，四个腔室的大小不一致，并具有周期性的变化，随着动阀片3周期性地旋转，这四个腔室的过流面积也呈周期性变化，使钻井液产生初次振荡脉冲；

以及，阀杆7一端与动阀片3相连，另一端与马达1相连，马达1旋转，驱使阀杆7旋转，进而带动动阀片3在第二静阀片5中周期性旋转，实现钻井液脉冲，由于动阀片3与第二静阀片5之间始终以点接触，使两者的磨损情况大大降低，增强了脉冲振荡结构的耐磨性，因此，能够解决相关技术中动静阀片接触摩擦时，阀片的接触面会产生较大的磨损的问题。

在一些可选的实施例中，参见图7、图8所示，动阀片3与第二静阀片5之间形成有腔室502。由于勒洛三角形的内接三角形边长等于方形孔501的边长，在马达1的转动下，动阀片3能够在方形孔501中做旋转运动，且结合图7和图8所示，分割出的腔室502面积不等，随着动阀片3周期性地旋转，这几个腔室502的过流面积呈周期性变化，使得钻井液产生初次振荡脉冲。

进一步地，参见该图1、图3所示，发生装置还包括第一静阀片4，第一静阀片4固定在防掉接头内腔203中，并位于动阀片3朝向阀杆7的一端。进一步地，阀杆7穿过第一静阀片4设置，并与阀杆7同轴心安装。

具体地，参见图6和图8所示，第一静阀片4上开设有通孔401，且通孔401与腔室502在轴向上的投影面积存在局部重合。需要说明的是，这里的轴向指的是平行于动阀片3转动轴线的方向。

随着动阀片3的周期性转动，腔室502的面积也发生周期性变化，产生第一次脉冲；再叠加位于动阀片3与第二静阀片5下游的第一静阀片4的通孔401，产生第二次脉冲，可以使得钻井液产生两次叠加的脉冲压力，脉冲振荡效果更好；此外，动阀片3与两个静阀片相配合的脉冲振荡结构，使得当其中一个静阀片出现损坏时，动阀片3能够与另一个静阀片之间仍然可以继续产生振荡脉冲，显著提升了振荡脉冲装置的可靠性。

可选地，通孔401具有多个，并均匀分布在第一静阀片4上，具体地，本申请提供了一个可行的实施例，即如图8所示的四个通孔401，四个通孔401可均匀间隔分布在以第一静阀片4的轴心为圆心，方形孔501的边长为半径的圆上。

可选地，第一静阀片4上用于避让阀杆7的中心孔直径大于阀杆7的外径，使阀杆7转动时不会产生运动干涉；钻井液可以由第一静阀片4的中心孔以及通孔401直接进入防掉接头内腔203，从而使钻井液的液压能输送到马达1。

在一些可选的实施例中，参见图6所示，第一静阀片4与动阀片3之间具有安装间隙，安装间隙可选为2～5mm。

具体地，由于第二静阀片5与动阀片3之间的腔室502产生周期性变化，使得过流面积也呈周期性变化，使钻井液产生初次振荡脉冲；而第一静阀片4上也设置有通孔401，且通孔401与腔室502在轴向上的投影面积存在局部重合，这会引起第二次振荡脉冲，两次振荡脉冲叠加，形成了复合脉冲振荡效果。使第一静阀片4与动阀片3之间具有安装间隙，可以加强两次振荡脉冲的脉动压力，不同间隙设置会产生不同的脉动压力，间隙越小则产生的波动压力越大；另一方面，设置安装间隙也避免了两个阀片的端面接触磨损的情况。需要说明的是，第一静阀片4与动阀片3也可以完全贴合，但会发生磨损。

在一些可选的实施例中，参见图1、图3和图5所示，该发生装置还包括万向转接头8，万向转接头8连接在阀杆7与马达1之间。

具体地，结合图3和图5所示，万向转接头8包括第一连接端801和第二连接端802，其中第一连接端801与阀杆7相连接，且第一连接端801与阀杆7同轴心安装。结合图6所示，第一连接端801与阀杆7之间设置有阀杆密封圈701。

进一步地，沿钻井液的流动方向，第一连接端801与第二连接端802的中心线错位设置，目的在于使马达1做偏心旋转运动时，可以利用万向转接头8自动将偏心运动转换成阀杆7的同轴心运动。

可选地，第二连接端802连接有支撑杆9，支撑杆9远离阀杆7的一端连接有马达1。

在一些可选的实施例中，参见图1和图2所示，马达1包括马达转子101和马达定子102，马达转子101与支撑杆9相连接，第一连接端801与第二连接端802的中心线之间的径向距离等于马达转子101与马达定子102之间的偏心距。具体地，由于第一连接端801与阀杆7连接，第二连接端802与支撑杆9连接，且支撑杆9又与马达转子101相连接，当支撑杆9与阀杆7的中轴线之间形成一定的偏心距后，该偏心距等于马达转子101与马达定子102之间的偏心距。马达转子101做偏心旋转运动时，可以利用万向转接头8自动将偏心运动转换成阀杆7的同轴心运动。

进一步地，马达1还包括马达壳体103，马达壳体103设置在马达转子101和马达定子102的外圈，并与防掉接头2螺纹连接。具体地，结合图2和图4所示，马达壳体103与防掉接头2之间设置有防掉接头密封圈204。

在一些可选的实施例中，参见图1、图3和图5所示，沿钻井液的流动方向，防掉接头内腔203包括依次设置的第一内腔201和第二内腔202，且在第一内腔201和第二内腔202的相接处，第一内腔201上设置有内腔台阶205。由于钻井液经过动阀片3与第二静阀片5、第一静阀片4，产生两次振荡脉冲，该振荡力会在防掉接头内腔203的内腔台阶205处产生周期性的振荡力。

可选地，结合图1、图3和图5所示，第二内腔202的内径自与第一内腔201相连处，至远离第一内腔201的方向减小，即自内腔台阶205过渡后，第二内腔202的直径由窄到宽，目的是降低脉动流体的流动速度，减少对支撑杆9以及马达1端面的冲蚀。

在一些可选的实施例中，参见图1和图3所示，该发生装置还包括上接头10，上接头10沿钻井液的流动方向连接在防掉接头2的上游，静阀座6设置在上接头10与防掉接头2相连处。具体地，第二静阀片5卡设在静阀座6上，且第二静阀片5与静阀座6之间设置有静阀座密封圈601，进一步加强两者的密封性。

具体地，结合图1、图3和图9所示，上接头10连接于防掉接头2内部，静阀座6远离第一静阀片4的一端抵接在上接头10上，可选地，上接头10与防掉接头2螺纹连接，且结合图9所示，上接头10与阀杆7之间设置有上接头密封圈12，进一步地，当钻井液从上接头内腔11进入第二静阀片5时，动阀片3由马达1提供旋转动能，从而周期性改变动阀片3与第一静阀片4之间的过流通孔的面积，对钻井液的流动产生周期性的扰动，从而实现压力的脉动；所产生的压力波会沿着动阀片3的上部(钻井液流动的上游方向)以及下部内腔中(钻井液流动的下游方向)传播。由于上接头10以上钻柱长度较大，所以压力波会逐渐衰减，而下部压力波在内腔台阶205处产生振荡力。需要说明的是，上述的“上游”、“下游”是以钻井液的流动方向为基础的。

本申请提供的一种脉冲振荡发生装置，其具有以下好处：

1、由勒洛三角形结构的动阀片3、开设有边长与动阀片3的内接三角形边长相等方形孔501的第二静阀片5，以及带有四个通孔401的第一静阀片4相互配合，使钻井液产生两次叠加的脉冲压力，脉冲振荡效果更好。

2、动阀片3与两个静阀片相配合，当其中一个静阀片损坏时，动阀片3与另一个静阀片之间仍然可以继续产生振荡脉冲，显著提升了振荡脉冲装置的可靠性。

3、勒洛三角形结构的动阀片3本体不开孔，显著增加了其工作强度和耐磨性，一方面动阀片3在第二静阀片5中做旋转运动时，始终保持点接触，避免了原有动阀片3与静阀片之间的面接触式偏心旋转运动而产生的端面磨损，另一方面，动阀片3与第一静阀片4之间为间隙配合，所以也避免了两个阀片的端面接触磨损情况。

4、勒洛三角形结构的动阀片3与第二静阀片5之间形成的内腔式过流面积的周期性变化，再加上第一静阀片4安装于动阀片3的下游位置，从而产生与钻井液流动方向相同的复合脉冲振荡力，同时，钻井液的水力能量可以直接作用于动阀片3的端面，从而产生与流动方向相同的水击力，并通过传动系统作用于钻头。因此，在实现脉冲振荡缓解托压问题的同时，还可以增加轴向冲击力，提高破岩效率。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种脉冲振荡发生装置，其特征在于，其包括：

防掉接头(2)，包括防掉接头内腔(203)；

设置于防掉接头内腔(203)中的动阀片(3)与第二静阀片(5)，所述动阀片(3)与第二静阀片(5)同轴心设置，垂直于钻井液的流动方向，所述动阀片(3)的截面为勒洛三角形，所述第二静阀片(5)固定在静阀座(6)上，所述第二静阀片(5)中心开设有方形孔(501)，且方形孔(501)的内孔边长等于动阀片(3)的内接三角形边长；

阀杆(7)，其一端沿钻井液的流动方向设置在动阀片(3)的下游，并与动阀片(3)连接，另一端连接有马达(1)，所述马达(1)用于驱动阀杆(7)带动动阀片(3)旋转，且所述阀杆(7)与动阀片(3)同轴心安装。

2.如权利要求1所述的脉冲振荡发生装置，其特征在于：

所述动阀片(3)与第二静阀片(5)之间形成有腔室(502)；

所述脉冲振荡发生装置还包括第一静阀片(4)，所述第一静阀片(4)固定在防掉接头内腔(203)中，并位于动阀片(3)朝向阀杆(7)的一端，所述阀杆(7)穿过第一静阀片(4)设置，所述第一静阀片(4)与阀杆(7)同轴心安装，且所述第一静阀片(4)上开设有通孔(401)，所述通孔(401)与腔室(502)在轴向上的投影面积存在局部重合。

3.如权利要求2所述的脉冲振荡发生装置，其特征在于：

所述第一静阀片(4)与动阀片(3)之间具有安装间隙，所述安装间隙为2～5mm。

4.如权利要求2所述的脉冲振荡发生装置，其特征在于：

所述通孔(401)具有多个，且多个所述通孔(401)沿第一静阀片(4)的周向等距分布。

5.如权利要求1所述的脉冲振荡发生装置，其特征在于，其还包括：

万向转接头(8)，包括第一连接端(801)和第二连接端(802)，所述第一连接端(801)与阀杆(7)相连接，且沿钻井液的流动方向，第一连接端(801)与第二连接端(802)的中心线错位设置；

所述第一连接端(801)与阀杆(7)同轴心安装。

6.如权利要求5所述的脉冲振荡发生装置，其特征在于：

所述第二连接端(802)连接有支撑杆(9)，所述支撑杆(9)远离阀杆(7)的一端连接有马达(1)。

7.如权利要求6所述的脉冲振荡发生装置，其特征在于：

所述马达(1)包括马达转子(101)和马达定子(102)；

所述第一连接端(801)与第二连接端(802)的中心线之间的径向距离等于马达转子(101)与马达定子(102)的偏心距。

8.如权利要求1所述的脉冲振荡发生装置，其特征在于：

沿钻井液的流动方向，所述防掉接头内腔(203)包括依次设置的第一内腔(201)和第二内腔(202)，在所述第一内腔(201)和第二内腔(202)的相接处，第一内腔(201)上设置有内腔台阶(205)。

9.如权利要求8所述的脉冲振荡发生装置，其特征在于：

所述第二内腔(202)的内径自与第一内腔(201)相连处，至远离第一内腔(201)的方向减小。

10.如权利要求1所述的脉冲振荡发生装置，其特征在于，其还包括：

上接头(10)，其沿钻井液的流动方向，连接在所述防掉接头(2)的上游，所述静阀座(6)设置在上接头(10)与防掉接头(2)相连处。