CN117231163A - 一种导向式多级泄流动阀座装置与螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导向式多级泄流动阀座装置，包括阀座本体和依次设置于阀座本体内腔中的弧形导流滑块及弹性组件，所述阀座本体的一端与防掉杆连接，另一端与动阀片同轴安装，所述弧形导流滑块靠近动阀片设置且与阀座本体的内腔间隙配合，所述弹性组件一端紧抵弧形导流滑块，另一端紧抵阀座本体，所述弧形导流滑块具有弧形缺口形成弧形面，所述阀座本体上沿钻井液流动方向间隔设置有至少两个贯通阀座本体内腔的泄流孔，所述弧形面的中心朝向泄流孔及动阀片围设形成的范围内。本发明可以减小动阀座内腔中钻井液流速的波动，改善动阀座被冲蚀引起的断裂问题，提升动阀座的耐冲蚀性能，保护振荡螺杆钻具的脉冲振荡功能，以提高破岩效率。

Description

一种导向式多级泄流动阀座装置与螺杆钻具

技术领域

本发明涉及石油开采用螺杆钻具技术领域。更具体地说，本发明涉及一种导向式多级泄流动阀座装置与螺杆钻具。

背景技术

随着中浅层油气勘探开发程度不断提高，油气发现难度逐渐增大，深层、超深层已成为油气增储的主体。目前大量深井、超深井、大位移井等复杂结构井在滑动钻进过程中钻柱和井壁之间产生比较大的摩擦阻力，使得钻压不能够有效地作用于钻头上，提速难题异常凸显，定向过程中容易出现托压现象，降低了定向钻井效率，严重时还会引发安全事故。因此，托压现象是目前水平井施工中迫切需要解决的一个重要问题。然而，振荡螺杆钻具是将水力振荡发生装置与常规螺杆钻具进行组合，其中振荡发生装置将振荡力传递到螺杆，螺杆本体产生拉拽力带动钻柱向下高频低幅蠕动，从而将钻柱与井壁之间所受到的滑动摩擦转变为振动摩擦，有效降低了摩擦阻力，可以改善钻井托压的问题，从而提升钻井效率，缩短钻井时间，降低钻井综合成本。其中，动、静阀片是产生振荡力的核心结构，从动阀片内孔进入动阀座内腔中的流体流速高，在内腔中不规则流动会对动阀座壁面产生高速冲击作用，最终在其壁面处出现严重的冲蚀而导致断裂，使得振荡螺杆失去振荡功能，因此对解决托压和提升钻井效率产生不利影响。

现有动阀座装置实现的技术方案，如CN203669746U、CN109403866A、CN104110215A等专利所涉及的，分别如图1至3所示，是将马达转子与动阀座进行直接或间接安装，然后将动阀片安装在动阀座上。当马达转子在钻井液的液力驱动作用下，带动动阀座在螺杆工具的内腔做偏心旋转运动时，会同步带动动阀片做偏心旋转。从动阀片内孔中进入的钻井液会进入到动阀座的内腔中，然后静阀座壁面处所开设的通孔进行泄流，然后进入到动阀座与螺杆钻具壳体之间的内腔中。

现有结构中动阀座下端通过螺纹或者其它安装方式直接或间接地与马达转子进行连接，在动阀座底端端面处没有开设过流通道，主要泄流通道位于圆周壁面处。不同技术方案之间的区别主要是表现在壁面处泄流孔的直径尺寸大小与布局位置、数量、形状等特征。当钻井液从动阀片内孔进入到动阀座的内腔后，此时流速较高且处于紊流状态的钻井液会有部分从泄流孔流出而进入到动阀座与螺杆钻具壳体之间的内腔中；还有部分钻井液并不能顺利地通过泄流孔流出，而是会与壁面产生撞击、转向、再撞击等剧烈的紊流状态，最终逐渐从泄流孔排出。在该流动过程中，因为流体无法顺利泄流而出现多次剧烈撞击动阀座壁面的情况，从而引起动阀座本体结构的严重冲蚀，甚至导致断裂情况的发生，最终使得振荡螺杆的无法产生脉冲振荡效果。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种导向式多级泄流动阀座装置与螺杆钻具，以解决背景技术中存在的改善动阀座的冲蚀以及断裂问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种导向式多级泄流动阀座装置，包括阀座本体和依次设置于阀座本体内腔中的弧形导流滑块及弹性组件，所述阀座本体的一端与防掉杆连接，另一端与动阀片同轴安装，所述弧形导流滑块靠近动阀片设置且与阀座本体的内腔间隙配合，所述弹性组件一端紧抵弧形导流滑块，另一端紧抵阀座本体，所述弧形导流滑块具有弧形缺口形成弧形面，所述弧形面厚度沿钻井液流动方向逐渐增大，所述阀座本体上沿钻井液流动方向间隔设置有至少两个贯通阀座本体内腔的泄流孔，所述弧形面的中心朝向泄流孔及动阀片围设形成的范围内。

优选的是，阀座本体的壁厚为非均匀分布，在开设有泄流孔的一侧厚度大于非开孔侧。

优选的是，阀座本体与动阀片连接的端面开设有凹槽，动阀片与凹槽过盈配合，动阀片的厚度大于凹槽深度，阀座本体的内腔过流截面尺寸等于动阀片的阀孔尺寸。

优选的是，弧形导流滑块的缺口大小略小于动阀片的阀孔大小且径向上恰好对应设置。

优选的是，所述弧形导流滑块朝向弹性组件的底部设置有延伸部，其延伸至弹性组件内，所述延伸部为半球形或圆柱形。

优选的是，所述阀座本体的内腔底部设置有弹簧支座，其为T字形，所述弹性组件为双层波形弹簧且恰好套设于弹簧支座上并紧抵于弹簧支座的台阶面，双层波形弹簧的外径不小于阀座本体的内腔直径。

优选的是，所述泄流孔设置有三个，且靠近动阀片的第一泄流孔设置为沿动阀片至其它泄流孔方向向外倾斜，倾斜角度为45-60度。

优选的是，采用导向式多级泄流动阀座装置进行泄流的方法为：

马达转子旋转时带动动阀座与动阀片做偏心旋转，当钻井液排量较小而不足以推动弧形导流滑块时，从动阀片的内孔中进入阀座本体的内腔中的钻井液在弧形导流滑块的圆弧面导流作用下，直接从第一级泄流孔进入到螺杆钻具的壳体与动阀座之间的腔体内；

当钻井液排量达到一定程度且提供的动能足以克服双层波形弹簧的弹力时，则弧形导流滑块会沿着钻井液流动方向向下滑动，当弧形导流滑块运动到一定位置时，第二级泄流孔会与弧形导流滑块上部的过流区域连通，从而使得进入动阀座内腔中的流体的过流面积增大，降低流体的流速；当排量继续增大时，流体会进一步推动弧形导流滑块向下运动，并压缩双层波形弹簧，最终将第三级泄流孔与弧形导流滑块上部过流区域连通，此时动阀座的部分内腔、第一级泄流孔、第二级泄流孔和第三级泄流孔全部连通，流体的过流面积达到最大状态；

当钻井液排量减小时且流体提供的动能不足以压缩双层波形弹簧时，则双层波形弹簧在恢复形变过程中推动弧形导流滑块沿着钻井液流动的反方向运动，此时过流截面积又会逐渐减小，当只有第一级泄流孔与弧形导流滑块上部过流区域连通时，此时过流面积达到最小初始状态。

本发明还提供了一种螺杆钻具，包括上述任一项所述的导向式多级泄流动阀座装置。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明在阀座本体内设置弧形导流滑块，其具有圆弧面结构，可以对进入动阀座内腔中的钻井液进行直接导向式泄流，可以减少改善钻井液在动阀座内腔中不规则流动对壁面产生的反复多次撞击的问题。

2、本发明动阀座中的弧形导流滑块通过双层波形弹簧连接，弹簧具有较好的缓冲能力且在径向方向的稳定性更好，通过压缩双层波形弹簧，一方面可以吸收动阀座内腔中钻井液的部分动能，另一方面减小弧形导流滑块在移动时径向方向的摆动，从而降低动阀座内腔中因钻井液剧烈的紊流状态所导致的阀座振动，使得阀座内腔中钻井液的流动状态更稳定。

3.本发明动阀座开设有多级泄流孔，配合弧形导流滑块的轴向往复移动，实现泄流孔的依次开合，可以根据排量的大小，自动调节动阀座的泄流面积，完成导向式自动且有序的多级泄流，可以减小动阀座内腔中钻井液流速的波动，改善动阀座被冲蚀引起的断裂问题，提升动阀座的耐冲蚀性能，保护振荡螺杆钻具的脉冲振荡功能，以提高破岩效率。

4、本发明的多级泄流孔的壁面进行加厚设计，可以提升耐冲蚀能力；同时第一泄流孔对应的钻井液流量大，将其设置为具有倾斜角度，可以尽快将钻井液泄流，进一步减小对壁面的冲蚀，提升耐冲蚀能力。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明背景技术中提到的现有动阀座装置结构示意图一；

图2为本发明背景技术中提到的现有动阀座装置结构示意图二；

图3为本发明背景技术中提到的现有动阀座装置结构示意图三；

图4为本发明螺杆钻具整体结构示意图；

图5为本发明导向式多级泄流动阀座装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，并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发明的限制。

本申请文中上端下端是相对于螺杆钻具工作时钻井液流动的方向而描述的，具体的上端指的是图1中的右端，下端指的是图1中的左端。

如图4和图5所示，本发明提供一种导向式多级泄流动阀座装置，包括阀座本体6和依次设置于阀座本体6内腔中的弧形导流滑块13及弹性组件，所述阀座本体6的一端与防掉杆10连接，另一端与动阀片5同轴安装，所述弧形导流滑块13靠近动阀片5设置且与阀座本体6的内腔间隙配合，所述弹性组件一端紧抵弧形导流滑块13，另一端紧抵阀座本体6，所述弧形导流滑块13具有弧形缺口形成弧形面，所述弧形面厚度沿钻井液流动方向逐渐增大，所述阀座本体6上沿钻井液流动方向间隔设置有至少两个贯通阀座本体6内腔的泄流孔，所述弧形面的中心朝向泄流孔及动阀片5围设形成的范围内。阀座本体6即动阀座位于螺杆钻具马达上方。依据动阀座的内腔直径尺寸，将弧形导流块13的圆弧形面的半径尺寸设置为65mm，以使得弧形导流块13能够对钻井液进行较优异的直接导向泄流作用，减少改善钻井液在动阀座内腔中不规则流动对壁面产生的反复多次撞击的问题。弹性组件的设置可以吸收动阀座内腔中钻井液的部分动能，从而降低动阀座内腔中因钻井液剧烈的紊流状态所导致的阀座振动，使得阀座内腔中钻井液的流动状态更稳定。

在另一种实施方案中，阀座本体6的壁厚为非均匀分布，在开设有泄流孔的一侧厚度大于非开孔侧。动阀座开设有三级泄流孔的壁面进行加厚设计，可以提升耐冲蚀能力。

在另一种实施方案中，阀座本体6与动阀片5连接的端面开设有凹槽，动阀片5与凹槽过盈配合，动阀片5的厚度大于凹槽深度，阀座本体6的内腔过流截面尺寸等于动阀片5的阀孔尺寸。

在另一种实施方案中，弧形导流滑块13的缺口大小略小于动阀片5的阀孔大小且径向上恰好对应设置，即弧形导流滑块13上端的开口恰好与动阀片5的阀孔对应贯通。

在另一种实施方案中，所述弧形导流滑块13朝向弹性组件的底部(即在弧形导流滑块13的最大直径处底部位置)设置有延伸部，其延伸至弹性组件内，所述延伸部为半球形或圆柱形。半球形结构可以完全包覆弧形导流滑块13的底部位置，弧形导流块13底部与阀座本体6内腔之间安放有弹性组件，例如双层波形弹簧，设计半球形结构可以形成延伸导向结构，且增大弧形导流滑块13底部与弹性组件之间的接触面积，从而形成相对比较稳定的同轴度配合，当然半球形结构也可以设置为圆柱形或凸台形等。

在另一种实施方案中，所述阀座本体6的内腔底部设置有弹簧支座16，其为T字形，所述弹性组件为双层波形弹簧，设置为双层，包括内圈弹簧14和外圈弹簧15且恰好套设于弹簧支座16上并紧抵于弹簧支座16的台阶面。沿着钻井液流动方向，在弧形导流滑块13的底部下方安装有双层波形弹簧，其内层和外层在生产的时候就已经连接；在径向上，弹簧外径尺寸与阀座内腔尺寸为小间隙配合，保证弹簧在压缩过程中的同轴度。利用该弹簧的目的是提升弧形导流滑块13在压缩弹簧时，弹簧具有较好的缓冲能力且在径向方向的稳定性更好，减小弧形导流滑块13在移动时径向方向的摆动。双层波形弹簧的内圈弹簧15安装在T字形的弹簧支座16上。弹簧支座16的最大直径处与阀座本体6的内腔之间为过盈配合进行定位安装。

在另一种实施方案中，所述泄流孔设置有三个，依次为第一级泄流孔19、第二级泄流孔18和第三级泄流孔17，且靠近动阀片5的第一泄流孔19设置为沿动阀片5至第二泄流孔18和第三泄流孔17方向向外倾斜，倾斜角度为45-60度。结合动阀座的长度、泄流孔的尺寸和倾角，同时考虑壁面强度问题，最终设定3个泄流孔，通过仿真分析判断流场分布，同时考虑动阀座的直径尺寸，可以设置第一级泄流孔19的直径尺寸大于第二级泄流孔18和第三级泄流孔17的直径尺寸；第二级泄流孔18第三级泄流孔17的直接尺寸相等。第一级泄流孔19的过流截面外方向与钻井液流动方向成45-60°夹角，依据流场仿真分析确定倾角，由于钻井液从动阀片5进入弧形导流滑块13，从第一泄流孔流出，第一泄流孔对应的钻井液流量大，通过将其设置为与弧形导流滑块13引导方向相同的倾斜角度，可以尽快进钻井液泄流，进一步减小对壁面的冲蚀。

采用导向式多级泄流动阀座装置进行泄流的方法为：

马达转子旋转时带动动阀座与动阀片做偏心旋转；

当进入动阀座内腔的钻井液排量较小而不足以推动弧形导流滑块13时，从动阀片5的内孔中进入阀座本体的内腔中的钻井液在弧形导流滑块13的圆弧面导流作用下，直接从第一级泄流孔19进入到螺杆钻具的壳体与动阀座之间的腔体内；钻井液在弧形导流滑块的定向导流作用下，实现第一级泄流；

当钻井液排量达到一定程度且提供的动能足以克服双层波形弹簧的弹力时，则弧形导流滑块13会沿着钻井液流动方向向下滑动，当弧形导流滑块13运动到一定位置时，第二级泄流孔18会与弧形导流滑块13上部的过流区域连通，从而使得进入动阀座内腔中的流体的过流面积增大，降低流体的流速，从而实现第二级泄流；当排量继续增大时，流体会进一步推动弧形导流滑块13向下运动，并压缩双层波形弹簧，最终将第三级泄流孔17与弧形导流滑块13上部过流区域连通，此时动阀座的部分内腔、第一级泄流孔19、第二级泄流孔18和第三级泄流孔17全部连通，流体的过流面积达到最大状态，从而实现三级泄流；第二级和第三级泄流口与动阀座内腔定向连通，实现第二级和第三级泄流；

当钻井液排量减小时且流体提供的动能不足以压缩双层波形弹簧时，则双层波形弹簧在恢复形变过程中推动弧形导流滑块13沿着钻井液流动的反方向运动，此时过流截面积又会逐渐减小，当只有第一级泄流孔19与弧形导流滑块13上部过流区域连通时，此时过流面积达到最小初始状态。

因此，随着不同排量的变化，通过弧形导流块的运动驱动弧形导流滑块作轴向往复运动，可以实现动阀座内腔中的钻井液的导向式自动且有序的多级泄流。因此，本申请的装置既可以解决动阀座内腔流体不规则流动所导致的动阀座冲蚀与断裂问题，同时还有利于保护振荡螺杆的脉冲振荡功能，以提高钻井效率。

本发明还提供一种螺杆钻具，如图4所示，包括上述的导向式多级泄流动阀座装置。其中，转换接头1通过母扣与钻杆连接，通过公扣与防掉接头9连接；O型密封圈2对转换接头1与静阀座3之间的连接部位进行密封；静阀片4安装在静阀座3内腔中，轴向上通过台阶面与静阀座3配合，径向方向为过盈配合。防掉接头9处还设置有防掉垫圈8，定子壳体11和转子12，均为螺杆钻机的常规结构。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种导向式多级泄流动阀座装置，其特征在于，包括阀座本体和依次设置于阀座本体内腔中的弧形导流滑块及弹性组件，所述阀座本体的一端与防掉杆连接，另一端与动阀片同轴安装，所述弧形导流滑块靠近动阀片设置且与阀座本体的内腔间隙配合，所述弹性组件一端紧抵弧形导流滑块，另一端紧抵阀座本体，所述弧形导流滑块具有弧形缺口形成弧形面，所述弧形面厚度沿钻井液流动方向逐渐增大，所述阀座本体上沿钻井液流动方向间隔设置有至少两个贯通阀座本体内腔的泄流孔，所述弧形面的中心朝向泄流孔及动阀片围设形成的范围内。

2.如权利要求1所述的导向式多级泄流动阀座装置，其特征在于，阀座本体的壁厚为非均匀分布，在开设有泄流孔的一侧厚度大于非开孔侧。

3.如权利要求1所述的导向式多级泄流动阀座装置，其特征在于，阀座本体与动阀片连接的端面开设有凹槽，动阀片与凹槽过盈配合，动阀片的厚度大于凹槽深度，阀座本体的内腔过流截面尺寸等于动阀片的阀孔尺寸。

4.如权利要求3所述的导向式多级泄流动阀座装置，其特征在于，弧形导流滑块的缺口大小略小于动阀片的阀孔大小且径向上恰好对应设置。

5.如权利要求1所述的导向式多级泄流动阀座装置，其特征在于，所述弧形导流滑块朝向弹性组件的底部设置有延伸部，其延伸至弹性组件内，所述延伸部为半球形或圆柱形。

6.如权利要求1所述的导向式多级泄流动阀座装置，其特征在于，所述阀座本体的内腔底部设置有弹簧支座，其为T字形，所述弹性组件为双层波形弹簧且恰好套设于弹簧支座上并紧抵于弹簧支座的台阶面，双层波形弹簧的外径不小于阀座本体的内腔直径。

7.如权利要求6所述的导向式多级泄流动阀座装置，其特征在于，所述泄流孔设置有三个，且靠近动阀片的第一泄流孔设置为沿动阀片至其它泄流孔方向向外倾斜，倾斜角度为45-60度。

8.如权利要求7所述的导向式多级泄流动阀座装置，其特征在于，采用导向式多级泄流动阀座装置进行泄流的方法为：

马达转子旋转时带动动阀座与动阀片做偏心旋转，当钻井液排量较小而不足以推动弧形导流滑块时，从动阀片的内孔中进入阀座本体的内腔中的钻井液在弧形导流滑块的圆弧面导流作用下，直接从第一级泄流孔进入到螺杆钻具的壳体与动阀座之间的腔体内；

当钻井液排量达到一定程度且提供的动能足以克服双层波形弹簧的弹力时，则弧形导流滑块会沿着钻井液流动方向向下滑动，当弧形导流滑块运动到一定位置时，第二级泄流孔会与弧形导流滑块上部的过流区域连通，从而使得进入动阀座内腔中的流体的过流面积增大，降低流体的流速；当排量继续增大时，流体会进一步推动弧形导流滑块向下运动，并压缩双层波形弹簧，最终将第三级泄流孔与弧形导流滑块上部过流区域连通，此时动阀座的部分内腔、第一级泄流孔、第二级泄流孔和第三级泄流孔全部连通，流体的过流面积达到最大状态；

当钻井液排量减小时且流体提供的动能不足以压缩双层波形弹簧时，则双层波形弹簧在恢复形变过程中推动弧形导流滑块沿着钻井液流动的反方向运动，此时过流截面积又会逐渐减小，当只有第一级泄流孔与弧形导流滑块上部过流区域连通时，此时过流面积达到最小初始状态。

9.一种螺杆钻具，其特征在于，包括上述权利要求1至8任一项所述的导向式多级泄流动阀座装置。