CN116498213A - 改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本申请涉及改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，包括：钻具本体，其包括壳体和轴杆，壳体为空心管状结构，轴杆位于壳体内且可在所述壳体内转动；静阀总成，其包括与壳体同轴连接的静阀壳体，静阀壳体内设有静阀流道；动阀总成，该动阀总成与静阀总成轴向间隙配合，其包括固定在轴杆顶部的动阀座，动阀座设有动阀流道；动阀总成相对于静阀总成做偏心转动以周期性改变所述静阀流道和动阀流道之间的过流面积。本申请的动阀总成与静阀总成间隙配合，静阀总成将其承受的轴向力直接传递给静阀壳体，而不直接传递给动阀总成。因此可以减小轴杆承担额外的轴向力、旋转摩擦阻力和弯矩，延长了螺杆钻具的轴杆和轴承系统使用寿命，提高了螺杆钻具整机效率。

Description

改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具

技术领域

本申请涉及螺杆钻具技术领域，特别涉及改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具。

背景技术

螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。

在石油开采领域中，大位移井、中短曲率半径井和水平井定向作业时，由于钻柱受到井壁摩擦阻力的作用，无法向钻头施加准确的钻压，严重影响钻进效率，因此减小钻柱摩擦阻力，有效送进钻柱，向钻头准确施加钻压是解决复杂井钻井技术的一个重要问题。

振荡器螺杆钻具是减小螺杆钻具摩擦阻力、有效传递钻压的有效工具，该工具通过脉冲压力产生的周期性的轴向振动，有效减小钻井过程中钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻井破岩效率。

目前常见的振荡螺杆钻具脉冲装置采用静阀和动阀采用端面配合，转子及与其连接的动阀片一起绕定子壳体偏心旋转，偏心运动使得动阀片、静阀片之间的过流面积周期性改变，实现水力脉冲振荡。在静阀装置中设计有弹簧，通过弹簧保证静阀片与动阀片配合面始终保持摩擦接触。

工作时静阀在水力压力作用下产生轴向位移，静阀将其承受的轴向力传递给与螺杆钻具轴杆连接的动阀，螺杆钻具轴杆受到很大的轴向力、旋转摩擦阻力和弯矩，增加了螺杆钻具轴杆、轴承系统的载荷应力，降低了螺杆钻具整机效率。同时因静阀产生的轴向力作用在动阀及其所在的轴杆上，脉冲装置产生的振荡力只有部分作用于螺杆钻具壳体上，降低了螺杆钻具减磨降阻效果。

发明内容

本申请实施例提供改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，以解决相关技术中静阀产生的轴向力作用在动阀及其所在的轴杆上，轴杆受到很大的轴向力、旋转摩擦阻力和弯矩，增加了螺杆钻具轴杆、轴承系统的载荷应力，降低了螺杆钻具整机效率的问题。

本申请实施例提供了改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，包括：

钻具本体，所述钻具本体包括壳体和轴杆，所述壳体为空心管状结构，所述轴杆位于壳体内且可在所述壳体内转动；

静阀总成，所述静阀总成包括与壳体同轴连接的静阀壳体，所述静阀壳体内设有静阀流道；

动阀总成，所述动阀总成与静阀总成轴向间隙配合，其包括固定在轴杆顶部的动阀座，所述动阀座设有动阀流道；

所述动阀总成相对于静阀总成做偏心转动以周期性改变所述静阀流道和动阀流道之间的过流面积。

在一些实施例中：所述静阀总成还包括与静阀壳体的下端固定连接的静阀片，所述静阀流道位于静阀片上。

在一些实施例中：所述静阀壳体的下端设有将静阀片固定在静阀壳体上的定位锁紧套，所述定位锁紧套与静阀壳体螺纹连接以限制所述静阀片朝动阀座的方向移动。

在一些实施例中：所述静阀片与静阀壳体之间预设有使静阀片朝远离动阀座方向运动的轴向间隙或弹性件；

所述静阀片同轴位于定位锁紧套内，所述静阀片与定位锁紧套之间设有调节静阀片与动阀座轴向间隙的第一调节垫片。

在一些实施例中：所述静阀片与定位锁紧套之间通过平键或花键连接，所述平键或花键以限制静阀片在定位锁紧套内周向转动。

在一些实施例中：所述动阀座靠近静阀片的一端设有动阀片，所述动阀流道位于动阀片上，且所述动阀片与静阀片之间的轴向间距为0.2-6mm；

所述动阀座上开设有与动阀流道连通的多个旁通流道。

在一些实施例中：所述壳体包括相互丝扣连接的定子壳体和防掉壳体，所述轴杆包括位于定子壳体内的螺杆转子，以及位于防掉壳体内的防掉杆；

所述动阀座螺纹连接在防掉杆的上端，所述防掉杆的下端与螺杆转子连接，所述防掉杆上设有防掉垫片。

在一些实施例中：所述防掉杆的下端与螺杆转子之间通过接头螺纹连接，所述接头与防掉杆之间设有调节动阀总成与静阀总成轴向间隙的第二调节垫片。

在一些实施例中：所述静阀壳体顶端设有螺纹孔，所述静阀流道位于静阀壳体的下端，所述螺纹孔和静阀流道之间连通有水力增强放大腔，所述水力增强放大腔的直径大于螺纹孔和静阀流道的直径。

在一些实施例中：所述静阀流道的轴线与静阀壳体的轴线共线，所述动阀流道的轴线朝远离静阀流道的轴线偏移，所述动阀流道的轴线与静阀流道的轴线的间距为5-15mm。

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改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，由于本申请的振荡脉冲螺杆钻具设置了钻具本体，该钻具本体包括壳体和轴杆，壳体为空心管状结构，轴杆位于壳体内且可在所述壳体内转动；静阀总成，该静阀总成包括与壳体同轴连接的静阀壳体，静阀壳体内设有静阀流道；动阀总成，该动阀总成与静阀总成轴向间隙配合，其包括固定在轴杆顶部的动阀座，动阀座设有动阀流道；动阀总成相对于静阀总成做偏心转动以周期性改变所述静阀流道和动阀流道之间的过流面积。

因此，本申请的螺杆钻具带动动阀总成工作时，钻井液流经静阀流道和动阀流道的流通面积发生周期性变化，静阀流道上端产生脉冲水力压力，由于动阀总成与静阀总成轴向间隙配合，静阀总成将其承受的轴向力直接传递给静阀壳体，而不直接传递给动阀总成。因此可以减小轴杆承担额外的轴向力、旋转摩擦阻力和弯矩，延长了螺杆钻具的轴杆和轴承系统使用寿命，提高了螺杆钻具整机效率。

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为本申请实施例的结构示意图；

图2为本申请另一实施例的结构示意图；

图3为本申请又一实施例的结构示意图；

图4为图3中A处的局部放大图。

附图标记：

1、钻具本体；11、定子壳体；12、螺杆转子；13、防掉壳体；14、防掉杆；15、接头；16、第二调节垫片；17、防掉垫片；

2、静阀总成；21、静阀壳体；22、静阀流道；23、静阀片；24、定位锁紧套；25、第一调节垫片；26、水力增强放大腔；27、轴向间隙；

3、动阀总成；31、动阀座；32、动阀片；33、动阀流道；34、旁通流道。

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改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其能解决相关技术中静阀产生的轴向力作用在动阀及其所在的轴杆上，轴杆受到很大的轴向力、旋转摩擦阻力和弯矩，增加了螺杆钻具轴杆、轴承系统的载荷应力，降低了螺杆钻具整机效率的问题。

参见图1所示，本申请实施例提供了改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，包括：

钻具本体1，该钻具本体1包括壳体和轴杆，壳体为空心管状结构，轴杆位于壳体内且可在壳体内转动。在正常钻井施工时，泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入壳体，在壳体的进、出口形成一定的压力差，推动轴杆绕壳体的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。

静阀总成2，该静阀总成包括位于壳体的顶部并与壳体同轴丝扣连接的静阀壳体21，在静阀壳体21内设有静阀流道22。静阀总成2的静阀壳体21通过丝扣与壳体同轴固定连接，以使静阀总成2产生的轴向震荡脉冲传递至壳体上，将井下钻柱和井壁之间的静摩擦力转换成动摩擦力，缓解钻柱的托压。

动阀总成3，该动阀总成3与静阀总成2轴向间隙配合，动阀总成3其包括固定在轴杆顶部的动阀座31，动阀座31上设有动阀流道33。轴杆带动动阀总成3相对于静阀总成2做偏心转动以周期性改变静阀流道22和动阀流道33之间的过流面积，从而产生周期性的压力脉冲，这种压力脉冲作用在上部的静阀壳体21上，从而使壳体产生轴向蠕动。

本申请实施例的螺杆钻具带动动阀总成3工作时，钻井液流经静阀流道22和动阀流道33的流通面积发生周期性变化，静阀流道22上端产生脉冲水力压力，由于动阀总成3与静阀总成2轴向间隙配合，静阀总成2将其承受的轴向力直接传递给静阀壳体21，而不直接传递给动阀总成3。因此可以减小轴杆承担额外的轴向力、旋转摩擦阻力和弯矩，延长了螺杆钻具的轴杆和轴承系统使用寿命，提高了螺杆钻具整机效率。

在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，该振荡脉冲螺杆钻具的静阀总成2还包括与静阀壳体21的下端固定连接的静阀片23，静阀流道22位于静阀片23上。静阀片23与静阀壳体21的下端采用过盈配合连接并焊接固定，也可以采用螺纹固定连接。如图1所示，该静阀总成2的静阀片23与静阀壳体21也可以采用一体式设计，该实施例可以最大限度减小了静阀总成2的零件数量，静阀片23的表面镀铬或喷涂碳化钨处理，防止冲蚀。

在一些可选实施例中：参见图3和图4所示，本申请实施例提供了改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，该振荡脉冲螺杆钻具的静阀壳体21的下端设有将静阀片23固定在静阀壳体21上的定位锁紧套24。定位锁紧套24与静阀壳体21螺纹连接以限制静阀片23朝动阀座31的方向移动。静阀片23外圆和定位锁紧套24的内孔配合，以将静阀片23与静阀壳体21的下端固定连接。

静阀片23与静阀壳体21之间预设有使静阀片23朝远离动阀座31方向运动的轴向间隙27或弹性件；静阀片23的上端面和静阀壳体21内孔限位台肩面之间设计轴向间隙27或弹性件，用于防止钻具本体内部轴杆相对壳体整体向上运动时撞击静阀片23，增大动阀总成3与静阀总成2之间的摩擦力，导致动静阀片23磨损或损坏。

在一些可选实施例中：参见图3和图4所示，本申请实施例提供了改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，该振荡脉冲螺杆钻具的静阀片23同轴位于定位锁紧套24内，静阀片23与定位锁紧套24之间设有调节静阀片23与动阀座31轴向间隙的第一调节垫片25。静阀片23与定位锁紧套24之间通过平键或花键连接，平键或花键以限制静阀片23在定位锁紧套24内周向转动。

本申请实施例的第一调节垫片25用于调节静阀片23与动阀座31之间的端面间隙，保证脉冲压力值在设计范围内，静阀片23与动阀座31之间的端面间隙越大，作用在静阀总成2上的脉冲压力值越小，但需要避免静阀片23与动阀座31相互接触摩擦。静阀片23与定位锁紧套24之间通过平键或花键连接，防止静阀片23相对定位锁紧套24旋转。

在一些可选实施例中：参见图1至图4所示，本申请实施例提供了改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，该振荡脉冲螺杆钻具的动阀座31靠近静阀片23的一端设有动阀片32，动阀流道33位于动阀片32上，且动阀片32与静阀片23之间的轴向间距为0.2-6mm。动阀片32与静阀片23之间的具体轴向间距的可根据所需要的脉冲力大小计算得到。在动阀座31上开设有与动阀流道33连通的多个旁通流道34，旁通流道34用于将钻井液引入壳体和轴杆之间的啮合面，驱动螺杆钻具轴杆旋转。

在一些可选实施例中：参见图1至图4所示，本申请实施例提供了改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，该振荡脉冲螺杆钻具的壳体具体包括相互丝扣连接的定子壳体11和防掉壳体13，轴杆包括位于定子壳体11内的螺杆转子12，以及位于防掉壳体13内的防掉杆14。动阀座31螺纹连接在防掉杆14的上端，防掉杆14的下端与螺杆转子12连接，在防掉杆14上设有防掉垫片17。防掉垫片17最大外圆直径大于防掉壳体13最小内孔直径，当螺杆钻具壳体之间连接螺纹失效，用于防止螺杆转子12及与螺杆转子12连接的下端零件落井。

防掉杆14的下端与螺杆转子12之间通过接头15螺纹连接，接头15与防掉杆14之间设有调节动阀总成3与静阀总成2间隙的第二调节垫片16。第二调节垫片16用于补偿螺杆转子12和防掉杆14的长度误差和轴承间隙，其作用是通过调节静阀总成2与动阀总成3的配合间隙，保证脉冲压力值在设计范围内。

在一些可选实施例中：参见图1至图3所示，本申请实施例提供了改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，该振荡脉冲螺杆钻具的静阀壳体21顶端设有螺纹孔，静阀流道22位于静阀壳体21的下端，螺纹孔和静阀流道22之间连通有水力增强放大腔26，该水力增强放大腔26的直径大于螺纹孔和静阀流道22的直径。

本申请实施例在静阀总成2的静阀壳体21的内孔设置有水力增强放大腔7，该水力增强放大腔26位于静阀壳体21的螺纹孔和静阀流道22之间，水力增强放大腔26的直径大于螺纹孔和静阀流道22的直径，增加了水力压力作用面积，可以提高轴向振荡力，减小管柱压力。该结构适用于强化参数钻井需要，可进一步提高机械钻速。

在一些可选实施例中：参见图1至图3所示，本申请实施例提供了改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，该振荡脉冲螺杆钻具的静阀流道22的轴线与静阀壳体21的轴线共线，动阀流道33的轴线朝远离静阀流道22的轴线偏移，动阀流道33的轴线与静阀流道22的轴线的间距为5-15mm。动阀流道33的轴线与静阀流道22的轴线的间距具体可根据所需要的脉冲力大小计算得到。

工作原理：

本申请利用钻井泥浆通过泥浆泵，经钻杆进入螺杆钻具上方壳体内孔，钻井液经过静阀总成2的静阀流道22、动阀流道33、动阀座31的旁通流道34，进入定子壳体11，驱动螺杆转子12转动。螺杆转子12转动的同时，一方面螺杆转子12转动带动下部万向轴和传动轴工作，另一方面转子带动上部的防掉杆14运动，因防掉杆14上装有动阀片32，由于轴杆中心线与壳体中心线存在偏心距，防掉杆14带动动阀片32绕静阀片23偏心运动，使得静阀流道22和动阀流道33之间的流道面积呈周期性加大和减小，从而产生周期性的压力脉冲，这种压力脉冲作用在上部的静阀壳体21上，从而使壳体轴向蠕动，将井下钻柱和井壁之间的静摩擦力转换成动摩擦力，缓解钻柱的托压。

本申请结构简单，不仅具有常规螺杆钻具的动力和安全性，而且能利用螺轩钻具本身富余能量，提供给静阀总成2，从而产生轴向振荡所需的脉冲压力波，是井下钻柱能够顺利的将钻压传递给钻头，提高钻进效率，相对于其他同类工具，本申请减小了螺杆钻具轴杆所受的轴向力和旋转摩擦阻力，延长了振荡脉冲螺杆钻具使用寿命、提高了振荡脉冲螺杆钻具整机效率，对提高钻井效率、缩短钻井周期具有显著作用。同时，脉冲本申请螺杆钻具压力调整方便，可以通过调整静阀流道22和动阀流道33的过流面积、轴向间距或偏心距来调整水力脉冲压力。

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.改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于，包括：

钻具本体(1)，所述钻具本体(1)包括壳体和轴杆，所述壳体为空心管状结构，所述轴杆位于壳体内且可在所述壳体内转动；

静阀总成(2)，所述静阀总成(2)包括与壳体同轴连接的静阀壳体(21)，所述静阀壳体(21)内设有静阀流道(22)；

动阀总成(3)，所述动阀总成(3)与静阀总成(2)轴向间隙配合，其包括固定在轴杆顶部的动阀座(31)，所述动阀座(31)设有动阀流道(33)；

所述动阀总成(3)相对于静阀总成(2)做偏心转动以周期性改变所述静阀流道(22)和动阀流道(33)之间的过流面积。

2.如权利要求1所述的改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于：

所述静阀总成(2)还包括与静阀壳体(21)的下端固定连接的静阀片(23)，所述静阀流道(22)位于静阀片(23)上。

3.如权利要求2所述的改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于：

所述静阀壳体(21)的下端设有将静阀片(23)固定在静阀壳体(21)上的定位锁紧套(24)，所述定位锁紧套(24)与静阀壳体(21)螺纹连接以限制所述静阀片(23)朝动阀座(31)的方向移动。

4.如权利要求3所述的改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于：

所述静阀片(23)与静阀壳体(21)之间预设有使静阀片(23)朝远离动阀座(31)方向运动的轴向间隙(27)或弹性件；

所述静阀片(23)同轴位于定位锁紧套(24)内，所述静阀片(23)与定位锁紧套(24)之间设有调节静阀片(23)与动阀座(31)轴向间隙的第一调节垫片(25)。

5.如权利要求3所述的改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于：

所述静阀片(23)与定位锁紧套(24)之间通过平键或花键连接，所述平键或花键以限制静阀片(23)在定位锁紧套(24)内周向转动。

6.如权利要求2所述的改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于：

所述动阀座(31)靠近静阀片(23)的一端设有动阀片(32)，所述动阀流道(33)位于动阀片(32)上，且所述动阀片(32)与静阀片(23)之间的轴向间距为0.2-6mm；

所述动阀座(31)上开设有与动阀流道(33)连通的多个旁通流道(34)。

7.如权利要求1所述的改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于：

所述壳体包括相互丝扣连接的定子壳体(11)和防掉壳体(13)，所述轴杆包括位于定子壳体(11)内的螺杆转子(12)，以及位于防掉壳体(13)内的防掉杆(14)；

所述动阀座(31)螺纹连接在防掉杆(14)的上端，所述防掉杆(14)的下端与螺杆转子(12)连接，所述防掉杆(14)上设有防掉垫片(17)。

8.如权利要求7所述的改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于：

所述防掉杆(14)的下端与螺杆转子(12)之间通过接头(15)螺纹连接，所述接头(15)与防掉杆(14)之间设有调节动阀总成(3)与静阀总成(2)轴向间隙的第二调节垫片(16)。

9.如权利要求1所述的改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于：

所述静阀壳体(21)顶端设有螺纹孔，所述静阀流道(22)位于静阀壳体(21)的下端，所述螺纹孔和静阀流道(22)之间连通有水力增强放大腔(26)，所述水力增强放大腔(26)的直径大于螺纹孔和静阀流道(22)的直径。

10.如权利要求1所述的改善轴杆受力的振荡脉冲螺杆钻具，其特征在于：

所述静阀流道(22)的轴线与静阀壳体(21)的轴线共线，所述动阀流道(33)的轴线朝远离静阀流道(22)的轴线偏移，所述动阀流道(33)的轴线与静阀流道(22)的轴线的间距为5-15mm。