CN117418787A - 液力振荡保扭提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液力振荡保扭提速工具，包括：壳体、活塞、第一芯轴、第二芯轴、第三芯轴、弹簧和花键轴；所述壳体设有第一流道和第二流道；所述活塞上有第三流道和第四流道，活塞上表面与壳体内表面间形成上腔；所述第一芯轴与活塞之间螺纹连接，且第一芯轴下表面与壳体内表面形成下腔；所述第二芯轴上开有端口用来泄压；所述第三芯轴与第二芯轴螺纹连接；所述弹簧位于第三芯轴外表面与壳体内表面间形成的环形空间中；所述花键轴设有螺旋外花键，与壳体上的螺旋键槽滑动连接从而实现轴向移动；本发明带来有益效果是：结构简单，无需安装涡轮轴和涡轮叶片等复杂部件，且花键轴上的螺旋花键可有效释放钻进过程中产生的反扭矩。

Description

液力振荡保扭提速工具

技术领域

本发明涉及石油及天然气钻井工具技术领域，具体涉及为一种液力振荡保扭提速工具。

背景技术

随着油气资源开采逐渐转向更深处的地层中，大斜度井、大位移井、长水平井等复杂结构井越来越多，在钻进过程中，钻机带动钻柱破碎岩石向地下钻进，钻出预定深度的井眼以形成获取石油或天然气的通道。常规钻井时，钻具组合与井壁之间处于静摩擦状态，无论是直井、定向井还是水平井，钻进过程中钻柱与井壁之间的摩阻都是影响钻速的重要因素，由钻具组合与井壁摩擦所造成的额外扭矩与摩阻导致机械钻速低，工具面控制困难，单趟钻进尺很少，对钻柱和钻头造成严重的磨损等问题。当累计摩阻力超过所施加钻压时，就会出现托压现象，迫使管柱发生正旋弯曲或螺纹屈曲。对于定向井和水平井而言，高摩阻还会形成弯曲井眼，从而造成钻机钻达最大深度的能力降低，甚至会影响到油井产量。特别在水平井钻井过程中，钻具在井眼曲率较大的井段，或在过长水平段会产生较大摩阻、托压现象，无法有效施加钻压。研究发现泥浆通过钻具时可造成泥浆压力大小周期性变化，从而使钻具承受周期性的轴向冲击力，引起钻具在钻进过程中产生振动，将钻具与井眼之间的静摩擦转换为动摩擦，降低摩擦力并改善钻压提高机械钻速。

目前国内外研发的振荡器多以涡轮轴和涡轮叶片为动力部件，通过周期性改变内部压力产生周期性振动，其部件多、结构复杂导致安装维护难度大；由于采用涡轮轴，导致长度尺寸较大，振动力随长度增加而衰减，并且存在易变形而加剧金属疲劳的可能。

发明内容

本发明为一种液力振荡保扭提速工具，仅依靠液力振荡方式实现振动，结构简单易于安装。

振荡工具包括：壳体、活塞、第一芯轴、第二芯轴、第三芯轴、弹簧和花键轴；

所述壳体呈筒状且设有第一中心流道、第一流道和第二流道；所述活塞与壳体螺纹连接，活塞两侧开有第一节流孔、第二节流孔和第三流道、第四流道；活塞上表面与壳体内表面间形成上腔；所述第一芯轴与活塞螺纹连接且设有第二中心流道，第二中心流道与第一中心流道常通；第一芯轴下表面与壳体内表面形成下腔；

所述第二芯轴与第一芯轴螺纹连接且设有第三中心流道，第三中心流道与第二中心流道常通；第二芯轴上有第一端口和第二端口且与第三中心流道常通；所述第三芯轴与第二芯轴螺纹连接；所述弹簧位于第三芯轴外表面与壳体内表面间形成的环形空间中，壳体上设有上体弹簧止动器和下体弹簧止动器限制弹簧的轴向位移；所述花键轴与第三芯轴螺纹连接且与壳体上的键槽配合，从而实现轴向移动；

当钻井液由第一中心流道流入上腔时，经过活塞处的第一节流孔和第二节流孔进入第二中心流道，同时进入上腔的钻井液使其充压并作用在活塞的上表面；活塞带动第一芯轴、第二芯轴、第三芯轴和花键轴沿轴线向下移动至极限位置，弹簧受压并位于第二芯轴与下体弹簧止动器之间，第一流道与第三流道接通，第二流道与第四流道接通；

当钻井液由第一流道和第二流道进入下腔时，使其充压并作用在第一芯轴下表面，

驱动第一芯轴带动活塞、第二芯轴、第三芯轴和花键轴沿轴线向上移动至极限位置；此时钻井液由第二芯轴上的第一端口、第二端口流出，随后流入第三中心流道使下腔泄压，弹簧回弹至壳体上的上体弹簧止动器和下体弹簧止动器之间。

进一步地，所述壳体上有第一流道和第二流道，其中流道总数量为4～8个，自上而下轴线延伸并沿周向均匀分布。

进一步地，所述活塞上有第三流道和第四流道，其中流道总数量为4～8个沿周向均匀分布，第一流道与第三流道，第二流道与第四流道间接接通，使钻井液由上腔可以顺利流入下腔。

进一步地，所述第二芯轴上开有第一端口和第二端口，与第三中心流道流体耦合用来泄压，端口周向均匀分布且总数量为4～8个，经第一流道流入下腔的钻井液由第一端口流出，经第二流道流入下腔的钻井液由第二端口流出。

进一步地，所述活塞与壳体之间、所述第一芯轴与壳体之间、所述第二芯轴与壳体之间均设有密封装置。

进一步地，所述花键轴外表面设有螺旋外花键，并与壳体内表面上的螺旋键槽滑动连接。

进一步地，壳体、第一芯轴、第二芯轴、第三芯轴均为以轴线为回转轴线的回转体。

本发明的有益效果是，结构简单，使用方便，仅依靠液力振荡即可实现周期性振动，从而达到降低钻柱与井眼之间的摩擦，且与配置直花键的工具相比，配置螺旋花键的工具既可增加周期性向下和扭转的冲程力，又可以解决钻进产生较大反扭距时，破坏钻井工具和顶驱设备的情况。

附图说明

图1为活塞向上移动至极限位置的结构示意图；

图2为活塞向下移动至极限位置的结构示意图；

图3为图2中A-A向剖视图；

图4为图2中B-B向剖视图；

图5为花键轴的结构图；

附图标记说明：

1壳体；11第一流道；12第二流道；13上体弹簧止动器；14下体弹簧止动器；

15螺旋键槽；101第一中心流道；102第二中心流道；103第三中心流道；2活塞；21第一节流孔；22第二节流孔；23第三流道；24第四流道；3上腔；4第一芯轴；5下腔；6第二芯轴；61第一端口；62第二端口；7第三芯轴；8弹簧；

9花键轴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图3所示，一种液力振荡保扭提速工具，包括：壳体1、活塞2、第一芯轴3、第二芯轴6、第三芯轴7、弹簧8和花键轴9。所述壳体1呈筒状且设有第一中心流道101，所述活塞2两侧开有第一节流孔21、第二节流孔22，所述第一芯轴4设有第二中心流道102，所述第二芯轴6设有第三中心流道103，其中第一中心流道101、第一节流孔21、第二节流孔22、第二中心流道102、第三中心流道103常通，如此设置的目的在于：以使工作时由第一中心流道101进入的钻井液，经过第一节流孔21、第二节流孔22的过程中，通过过流面积减少，流通压力增大的方式，加大进入到第二中心流道102、第三中心流道103的钻井液的压力，进而达到加大钻井液压力的目的。

所述活塞2与第一芯轴4、第一芯轴4与第二芯轴6、第二芯轴6与第三芯轴7、第三芯轴7与花键轴9间均通过螺纹连接，如此设置的目的在于：以使活塞2、第一芯轴4、第二芯轴6、第三芯轴7和花键轴9可以整体相对壳体1轴向移动，以避免芯轴与壳体1发生“脱节”的问题。

所述活塞2上表面与壳体1内表面间形成上腔3，所述第一芯轴4下表面与壳体1内表面间形成下腔5，壳体1上有自其上端沿轴线向下延伸而成的第一流道11和第二流道12，活塞2上有第三流道23和第四流道24，第一流道11、第二流道12与第三流道23、第四流道24间接接通，如此设置的目的在于：当钻井液由第一中心流道101进入上腔3使其充压后，可沿壳体1上的第一流道11和第二流道12进入下腔5并使上腔3泄压。

所述第二芯轴6上有第一端口61和第二端口62且与第三中心流道103常通，如此设置的目的在于：当下腔5充压驱动第一芯轴4、第二芯轴6向上移动后，钻井液由第一端口61和第二端口62流入第三中心流道103，使下腔5泄压。

所述弹簧8位于第三芯轴7外表面与壳体1内表面间形成的环形空间中，壳体1上设有上体弹簧止动器13和下体弹簧止动器14限制弹簧8的轴向移动。如此设置的目的在于：以使活塞2向下移动时，在弹簧8的作用下处于极限位置(参照说明书附图2)，使钻井液由上腔3进入下腔5；当下腔5充压驱动活塞2上移时，弹簧8回弹至上体弹簧止动器13处(参照说明书附图1)，使下腔5泄压，从而避免活塞2定位不准导致钻井液无法由第一中心流道101流入上腔3，再经流道进入下腔5，进而导致振荡工具下方钻柱无法实现轴向往复运动。

花键轴9的外表面上均匀设置有螺旋外花键，花键轴9的外花键与壳体1上的螺旋键槽15滑动连接(参照说明书附图4、附图5)。如此设置的目的在于：配置螺旋花键可以产生轴向和旋转冲程复合的扭转振动，有效增加周期性向下和扭转的冲程力；当钻进过程中产生反扭距时可通过螺旋花键释放，从而避免钻井工具和顶驱设备破坏。

当钻井液由第一中心流道101流入上腔3时，经过活塞2处的第一节流孔21和第二节流孔22进入第二中心流道102，同时进入上腔3的钻井液使其充压并作用在活塞2的上表面，活塞2带动第一芯轴4、第二芯轴6、第三芯轴7和花键轴9沿轴线向下移动至极限位置(参照说明书附图2)，弹簧8受压并位于第二芯轴6与下体弹簧止动器13之间，第一流道11与第三流道23接通，第二流道12与第四流道24接通，上腔3中的钻井液进入下腔5。

当钻井液由第一流道11和第二流道12进入下腔5时，使其充压并作用在第一芯轴4的下表面，驱动第一芯轴4带动活塞2、第二芯轴6、第三芯轴7和花键轴9沿轴线向上移动至极限位置(参照说明书附图1)；下腔5中的钻井液经由第二芯轴6上的第一端口61和第二端口62流出，随后流入第三中心流道103使下腔5泄压，弹簧8回弹至上体弹簧止动器13和下体弹簧止动器14之间。

在钻井液冲击的作用下，活塞2、第一芯轴4、第二芯轴6、第三芯轴7和花键轴9往复来回运动，从而将该振荡工具下方管柱与井壁接触的静摩擦力转换为滑动摩擦力，进而达到降低摩阻的目的。

该振荡工具取消了涡轮轴和涡轮叶片，减少弯曲变形从而延长使用寿命，且结构相对简单便于安装修护。

作为优选方案，所述壳体1上有第一流道11和第二流道12，其中流道总数量为4～8个，自上而下沿轴线延伸并沿周向均匀分布，从而增加钻井液的流量，提高振动强度。

作为优选方案，所述活塞2上有第三流道23和第四流道24，其中流道总数量为4～8个并周向均匀分布，第一流道11与第三流道23、第二流道12与第四流道24间接接通(参照说明书附图3)。

作为优选方案，所述第二芯轴6上开有第一端口61和第二端口62与第三中心流道103流体耦合用来泄压，端口周向均匀分布且总数量为4～8个，经第一流道11流入下腔5的钻井液由第一端口61流出，经第二流道12流入下腔5的钻井液由第二端口62流出。

作为优选方案，所述活塞2与壳体1之间、所述第一芯轴4与壳体1之间、所述第二芯轴6与壳体1之间均设有密封装置，避免第一芯轴4下端面受到的压力变小而导致振动减弱，影响振动效果。

作为优选方案，所述壳体1、第一芯轴4、第二芯轴6、第三芯轴7均为以轴线为回转中心的回转体。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，不能以其限制发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖范畴。

Claims (7)

1.一种液力振荡保扭提速工具，其特征在于：振荡工具包括：壳体(1)、活塞(2)、第一芯轴(4)、第二芯轴(6)、第三芯轴(7)、弹簧(8)和花键轴(9)；所述壳体(1)呈筒状且设有第一中心流道(101)、第一流道(11)和第二流道(12)；所述活塞(2)与壳体(1)螺纹连接，活塞(2)两侧开有第一节流孔(21)、第二节流孔(22)和第三流道(23)、第四流道(24)；活塞(2)上表面与壳体(1)内表面间形成上腔(3)；所述第一芯轴(4)与活塞(2)螺纹连接且设有第二中心流道(102)，第二中心流道(102)与第一中心流道(101)常通；第一芯轴(4)下表面与壳体(1)内表面形成下腔(5)；所述第二芯轴(6)与第一芯轴(4)螺纹连接且设有第三中心流道(103)，第三中心流道(103)与第二中心流道(102)常通；第二芯轴(6)上有第一端口(61)和第二端口(62)且与第三中心流道(103)常通；所述第三芯轴(7)与第二芯轴(6)螺纹连接；所述弹簧(8)位于第三芯轴(7)外表面与壳体(1)内表面间形成的环形空间中，壳体(1)上设有上体弹簧止动器(13)和下体弹簧止动器(14)限制弹簧(8)的轴向位移；所述花键轴(9)与第三芯轴(7)螺纹连接且与壳体(1)上的螺旋键槽(15)滑动连接，从而实现轴向移动；

当钻井液由第一中心流道(101)流入上腔(3)时，经过活塞(2)处的第一节流孔(21)和第二节流孔(22)进入第二中心流道(102)，与此同时进入上腔(3)的钻井液使其充压并作用在活塞(2)的上表面；活塞(2)带动第一芯轴(4)、第二芯轴(6)、第三芯轴(7)和花键轴(9)沿轴线向下移动至极限位置，弹簧(8)受压并位于第二芯轴(6)与下体弹簧止动器(13)之间，第一流道(11)与第三流道(23)接通，第二流道(12)与第四流道(24)接通；

当钻井液由第一流道(11)和第二流道(12)进入下腔(5)时，使其充压并作用在第一芯轴(4)下表面，驱动第一芯轴(4)带动活塞(2)、第二芯轴(6)、第三芯轴(7)和花键轴(9)沿轴线向上移动至极限位置；此时钻井液由第二芯轴(6)上的第一端口(61)、第二端口(62)流出，随后流入第三中心流道(103)使下腔(5)泄压，弹簧回弹至壳体(1)上的上体弹簧止动器(13)和下体弹簧止动器(14)之间。

2.根据权利要求1所述的液力振荡保扭提速工具，其特征在于：所述壳体(1)上有第一流道(11)和第二流道(12)，其中流道总数量为4～8个，自上而下沿轴线延伸沿周向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的液力振荡保扭提速工具，其特征在于：所述活塞(2)上有第三流道(23)和第四流道(24)，其中流道总数量为4～8个并沿周向均匀分布，第一流道(11)与第三流道(23)，第二流道(12)与第四流道(24)间接接通。

4.根据权利要求1所述的液力振荡保扭提速工具，其特征在于：所述第二芯轴(6)上开有第一端口(61)和第二端口(62)与第三中心流道(103)流体耦合用来泄压，端口周向均匀分布且总数量为4～8个，经第一流道(11)流入下腔(5)的钻井液由第一端口(61)流出，经第二流道(12)流入下腔(5)的钻井液由第二端口Ⅱ(62)流出。

5.根据权利要求1所述的液力振荡保扭提速工具，其特征在于：所述活塞(2)与壳体(1)之间、所述第一芯轴(4)与壳体(1)之间、所述第二芯轴(6)与壳体(1)之间均设有密封装置。

6.根据权利要求1所述的液力振荡保扭提速工具，其特征在于：所述花键轴(9)外表面设有螺旋外花键，并与壳体(1)内表面上的螺旋键槽(15)滑动连接。

7.根据权利要求1所述的液力振荡保扭提速工具，其特征在于：壳体(1)、第一芯轴(4)、第二芯轴(6)和第三芯轴(7)均为以轴线为回转轴线的回转体。