CN1476510A - 液力钻具组蓄压器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于钻具组中的液力蓄压器，该钻具组具有把流体供给到液力钻具组工具中的流体通道。该蓄压器包括：一个主体，它设置有连接装置，该连接装置把蓄压器连接到钻具组中；及一个膨胀室，当蓄压器通过连接装置连接到钻具组中时，该膨胀室与流体通道处于流体连通中。该膨胀室可以在第一容积和第二容积之间进行膨胀，而第二容积大于第一容积。此外，膨胀室设置有这样的装置：当流体通道内的流体压力增大时，该装置使膨胀室从第一容积运动到第二容积，并且当流体通道内的压力减小时，该装置使膨胀室从第二容积运动到第一容积。

Description

液力钻具组蓄压器
本发明涉及一种用于钻具组中的液力蓄压器，该钻具组具有把流体供给到液力钻具组工具中的流体通道。地下钻孔通常具有钻具组，该钻具组具有底孔组件，该底孔组件设置有一些工具，这些工具被成形成执行各种各样的功能。这些工具通常由通过钻具组所泵送的钻井液来提供动力。一些流体驱动的钻具组工具在整个时间内需要波动的流体量。这种工具的一个例子是用来驱动冲击钻头的冲击锤。在这种冲击锤的部分工作循环期间，流体的需要量高于平均时间的需要量，同时在另外部分的循环期间，这种需要量小于平均时间的需要量。其结果是，整个工具的压力也具有强烈的变化。在流体需要量较高的那部分循环期间，整个工具的压力小于平均时间的压力，并且在流体需要量较小的那部分循环期间，整个工具的压力大于平均时间的压力。这种压力变化通常称为水锤现象。它导致钻井效率降低，并且可能干扰其它的钻具组工具如以压力脉冲为基础的连通系统。
本发明的目的是提供一种这样的装置：该装置能够减少压力变化并且能够克服上述问题。
根据本发明，提供了一种用于钻具组中的液力蓄压器，该钻具组具有把流体供给到液力钻具组工具中的流体通道，该蓄压器包括：主体，它设置有连接装置，该连接装置把蓄压器连接到钻具组中；及膨胀室，当蓄压器通过连接装置连接到钻具组中时，该膨胀室与流体通道处于流体连通中，该膨胀室可以在第一容积和第二容积之间进行膨胀，而第二容积大于第一容积；其中膨胀室设置有这样的装置：当流体通道内的流体压力增大时，该装置使膨胀室从第一容积运动到第二容积，并且当流体通道内的压力减小时，该装置使膨胀室从第二容积运动到第一容积。
膨胀室的容积增大补偿了钻具组工具所产生的流体压力增大，并且膨胀室的容积减小补偿了该工具所产生的流体压力减小。因此，可以实现在钻具组内使流体压力基本保持不变。
借助于缸/活塞的布置使膨胀室在所述容积之间进行合适地运动，其中，在该缸内，活塞在第一位置和第二位置之间进行运动，而在第一位置上该膨胀室具有第一容积，在第二位置上该膨胀室具有第二容积。
在优选实施例中，蓄压器通过连接装置连接到钻具组上，其中所述液力钻具组工具是冲击锤，该冲击锤被布置来驱动钻具组的冲击钻头。为了使蓄压器/冲击锤组件的工作与所使用的钻头类型无关，因此优选的是，冲击锤被布置来接受来自膨胀室的第一股流体，而钻头被布置来接受来自流体通道的第二股流体，第一股流体与第二股流体是分开的。
在下文中，参照附图，借助例子更加详细地描述本发明，在这些附图中：
图1示意性地示出了本发明蓄压器处于第一模式中的实施例；
图2示意性地示出了图1的蓄压器处于第二模式中；
图3示意性地示出了本发明蓄压器的第一替换实施例；及
图4示意性地示出了本发明蓄压器的第二替换实施例。
参照图1，示出了具有流体通道2的钻具组1，本发明的液力蓄压器3布置到该流体通道中。钻具组1延伸到井眼(未示出)中，并且具有底孔组件(未示出)，该底孔组件包括液力冲击锤上，该冲击锤布置来驱动钻头。冲击锤根据缸内的往复运动活塞来进行工作，因此液力驱动的活塞运动涉及到通过钻具组供给到冲击锤中的、随时间改变的流体供给量。液力冲击锤设计成只在流体的流率超过某一阈值流率时才起作用，从而在没有驱动锤子的情况下允许钻井液通过井眼进行循环，从而例如清除井眼中的钻屑。
蓄压器3包括外径基本上等于钻具组1的内径的管形体4，该管形体4固定地连接到钻具组1的内表面上并且通过环形密封件6来密封。内管4设置有内径和外径都减小的下端部，该下端部形成了下文中所描述的膨胀室的管形入口8。管形入口8具有下端表面10，环形凹口12布置在表面10中，借助设置在入口8的壁部中的开口16使凹口12与入口8的外部处于流体连通中。
管形缸18由通过连接器20使它们相互连接起来的部分18a、18b形成，并且管形缸18的内径基本上等于入口8的外径，借助螺钉连接(未示出)使管形缸18在它的上端处连接到入口18上。缸18的外径小于钻具组的内径，因此在缸20和钻具组1之间形成了环形空间22。环形空间22在环形凹口12(通过开口16)和冲击锤的流体入口之间提供了流体连通。
活塞24可滑动地且可密封地布置在缸20中，该活塞包括活塞体26，活塞体26可密封地接合入口8的下端并且设置有通孔28。环形限流器29布置在通孔28中。活塞体26设置有与通孔对准的管形延伸部30，该延伸部30延伸到活塞体26的下方。管形延伸部30在位于蓄压器3上游的流体通道2(通过通孔28)的部分和钻头(未示出)的流体喷嘴之间提供了流体连通。延伸部30设置有两个较小的横向通道32，这些横向通道32在延伸部30的内部和外部之间提供了流体连通。螺旋压缩弹簧34布置在缸20中，并且位于活塞24内部环形台肩36之间，而该环形台肩36设置在缸的下端上。弹簧34沿着向上的方向推动活塞24，因此，在没有限制力的情况下，处于第一位置上的活塞24被偏压在入口8上，因此活塞体26可密封地接合入口8的下端。在活塞体26的上端、缸18的内表面和入口8的下端部之间限定出膨胀室38。当活塞处于第一位置上(图1)时，膨胀室具有第一相对较小的容积。
参照图2，它示出了图1的组件，其中活塞24从入口8处沿着轴向进行运动。活塞24的这个位置被称为第二位置，并且膨胀室38的相应容积被称为第二容积，其中第二容积大于第一容积。
弹簧34的特性被选择成：只要通过钻具组1泵出的流体的流率小于上述的阈值流率，就使活塞24保持在第一位置上。
图3所示的第一个替换蓄压器包括管形体40，该管形体40固定地、可密封地布置在钻具组(未示出)的流体通道中。与图1、2的实施例相类似，钻具组具有底孔组件(未示出)，该组件包括由液力冲击锤(未示出)所驱动的冲击钻头。管形体40设置有圆柱形孔42，该圆柱形孔42具有封闭的下端44和敞开的上端，该上端与钻具组的流体通道的上部处于流体连通中。活塞46可滑动地布置在孔42中，借助布置在活塞46和孔的下端44之间的螺旋压缩弹簧48来向上偏压该活塞。在孔42内，在活塞46和孔42的上端之间限定出膨胀室50。流体通道52设置在主体40中，该通道52在膨胀室50和钻具组的流体通道的下部之间提供流体连通。此外，主体40设置有较小的孔54，该孔54在位于活塞46下方的孔42部分和钻具组的外部之间提供了流体连通。
图4所示的第二个替换蓄压器包括管形体60，该管形体60固定地、可密封地布置在钻具组(未示出)的流体通道中。与图1、2、3的实施例相类似，钻具组具有底孔组件(未示出)，该组件包括由液力冲击锤(未示出)所驱动的冲击钻头。管形体60设置有圆柱形孔62，该圆柱形孔42具有下端64和敞开的上端，该下端64设置有通孔65，该上端与钻具组的流体通道的上部处于流体连通中。活塞66可滑动地布置在孔62中，借助布置在活塞66和孔的下端64之间的螺旋压缩弹簧68来向上偏压该活塞。在孔62内，在活塞66和孔62的上端之间限定出膨胀室70。活塞66设置有流体导管72，该流体导管72可滑动地延伸通过孔62的下端64的通孔65。导管72在膨胀室66和钻具组的流体通道的下部之间提供了流体连通。此外，主体60设置有较小的孔74，该孔74在位于活塞66下方的孔62部分和钻具组的外部之间提供了流体连通。
在正常使用图1、2的实施例期间，呈钻井液形式的液压流体通过钻具组泵送到底孔组件中。只要流体的流率小于阈值流率，那么活塞24保持在第一位置上并且流体从钻具组2的流体通道2流到蓄压器3中，在蓄压器3中，它通过通孔28和延伸部30到达钻头的流体喷嘴中。在活塞处于第一位置时，活塞的液压面积(即流体对着它进行流动的面积)等于入口8的内横截面积。
当钻具组内的流体流率超过阈值流率时，流体开始克服弹簧34的弹力而向下稍稍地推动活塞24。在活塞不与入口8接触时，活塞的液压面积突然增大到缸18的内横截面积。其结果是，活塞24逐渐向下运动到第二位置上，因此弹簧34明显地被压缩。在活塞24突然运动期间，横向通道32便于活塞24的内部和外部之间的流体压力平衡。
当活塞24处于第二位置时，部分流体从流体通道2流到膨胀室38中，并且从膨胀室通过开口16和环形空间22流到冲击锤的流体入口中。另外部分的流体通过通孔28和延伸部30流到钻头的流体喷嘴中。
冲击锤所消耗的、随时间改变的流体供给量引起冲击锤上游处的流体产生压力波动。在冲击锤活塞向上运动的冲程期间，当冲击锤上游处的流体压力增大时，膨胀室38内的压力也增大了，因此，借助活塞24克服弹簧34的弹力而向下运动，使得室38的容积增大。由于供给到钻具组中的流体供给量合拍地基本上保持不变，因此室34的增大容积的作用是减少位于蓄压器3上游处的钻具组内的流体压力。流体压力的减少补偿了由冲击锤的向上运动冲程所产生的压力增大。
相反地，在冲击锤活塞向下运动的冲程期间，当冲击锤上游处的流体压力减小时，膨胀室38内的压力也减小了，因此，借助弹簧34的弹力使活塞向上运动，使得室38的容积减小。室34的容积减小使得位于蓄压器3上游处的流体压力增大，因此补偿了由冲击锤的向下运动冲程所产生的流体减少。
因此，可以实现，蓄压器上游处的流体压力基本上保持不变，而与锤子随着时间改变的流体需要量无关。
第一替换实施例的正常工作(图3)基本上与图1、2的实施例的正常工作相类似。一个不同之处在于，活塞46没有通孔，因此所有的流体通过流体通道52而流到液力冲击锤中。在锤子活塞向上运动的冲程期间，当锤子上游处的流体压力增大时，膨胀室50内的压力也增大了，因此，借助活塞46克服弹簧48的弹力而向下运动，使得室50的容积增大。由于供给到钻具组中的流体供给量合拍地基本上保持不变，因此室50的增大容积的作用是减少位于蓄压器上游处的钻具组内的流体压力。流体压力的减少补偿了由冲击锤的向上运动冲程所产生的压力增大。
相反地，在冲击锤活塞向下运动的冲程期间，当冲击锤上游处的流体压力减小时，膨胀室50内的压力也减小了，因此，借助弹簧48的弹力使活塞向上运动，使得室50的容积减小。室50的容积减小使得位于蓄压器上游处的流体压力增大，因此补偿了由冲击锤的向下运动冲程所产生的流体减少。
第二替换实施例的正常工作(图4)与第一实施例的正常工作相类似，不同之处在于，现在，所有的流体通过流体导管72而流到液力冲击锤中，而不是通过第一替换实施例的流体通道52而流到冲击锤中。此外，在活塞66的向上和向下运动期间，流体导管72可滑动地通过开口65。
除了使用本发明的蓄压器来补偿冲击锤的压力变化外，还可以使用蓄压器来补偿由任何其它钻具组工具所产生的压力变化。

Claims (11)

1.一种用于钻具组中的液力蓄压器，该钻具组具有把流体供给到液力钻具组工具中的流体通道，该蓄压器包括：一个主体，它设置有连接装置，该连接装置把蓄压器连接到钻具组中；及一个膨胀室，当蓄压器通过连接装置连接到钻具组中时，该膨胀室与流体通道处于流体连通中，该膨胀室可以在第一容积和第二容积之间进行膨胀，而第二容积大于第一容积；其中膨胀室设置有这样的装置：当流体通道内的流体压力增大时，该装置使膨胀室从第一容积运动到第二容积，并且当流体通道内的压力减小时，该装置使膨胀室从第二容积运动到第一容积。
2.如权利要求1所述的蓄压器，其特征在于，借助于缸/活塞的布置使膨胀室在所述容积之间进行运动，其中，在该缸内，活塞在第一位置和第二位置之间进行运动，而在第一位置上该膨胀室具有第一容积，在第二位置上该膨胀室具有第二容积。
3.如权利要求2所述的蓄压器，其特征在于，缸/活塞装置设置有弹簧，该弹簧使活塞从第二位置偏压到第一位置上。
4.如权利要求2或者3所述的蓄压器，其特征在于，活塞处于第一位置上时的活塞液压面积小于处于第二位置上时的活塞液压面积。
5.如权利要求4所述的蓄压器，其特征在于，膨胀室设置有入口，该入口与流体通道处于流体连通中，该入口具有环形端，处于第一位置上的活塞被偏压在该环形端上，该环形端的直径小于活塞直径。
6.如权利要求2-5任一所述的蓄压器，其特征在于，当蓄压器借助连接装置连接到钻具组上时，该缸在钻具组中布置成基本上与环形空间同心，而该环形空间位于缸和钻具组之间，其中蓄压器具有出口，该出口与所述环形空间处于流体连通中。
7.如权利要求1-6任一所述的蓄压器，其特征在于，膨胀室具有出口，当蓄压器通过连接装置连接到钻具组上时，该出口与蓄压器下游处的一部分流体通道处于流体连通中。
8.如权利要求7所述的蓄压器，当根据权利要求2-6中的任意一个时，其特征在于，出口设置在活塞中。
9.如权利要求1-8任一所述的蓄压器，其特征在于，蓄压器借助连接装置连接到钻具组上，所述液力钻具组工具是冲击锤，该冲击锤被布置来驱动钻具组的冲击钻头。
10.如权利要求9所述的蓄压器，其特征在于，冲击锤被布置来接受来自膨胀室的第一股流体，而钻头被布置来接受来自流体通道的第二股流体，第一股流体与第二股流体是分开的。
11.基本上如参照附图在前文中所描述的一样的蓄压器。
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