CN2035792U - 钻具双向减振器 - Google Patents

Abstract

钻具双向减振器是一种能同时减缓或消除钻具纵向及扭转振动冲击载荷的新型井下工具，可实现维持正常钻压和稳定扭矩、减少钻具及地面设备振动损坏、提高钻进速度、降低钻进成本。钻具双向减振器的特征是它采用了减缓或消除纵向和扭转振动冲击载荷的最佳参数的活塞换向机构、实现动密封的多级组合密封及其防松结构，防止钻头掉落井内紧急保护的冲管卡圈，防松油塞、减振器扶正保护接头等结构。

Description

钻具双向减振器属于一种钻探工具是石油、地质最优化钻井工艺中不可缺少的井下工具之一，然而长期以来，石油、地质钻进过程中，在钻进深部硬地层、砾石层及断层破碎带地层时，由于现有钻具减振器均属纵向（单向）减振，而对扭转振动冲击载荷不能起减缓和消除作用，因而常常造成钻柱的磨损加剧和迅速疲劳破坏，甚至造成钻头、钻具的严重事故，从而使钻井效率降低、成本增加、给钻井生产带来危害。为解决此问题，国内、外都曾研制过钻具双向减振器，例如美国、苏联曾经研制了由橡胶硫化与心轴制成一体的钻具双向减振器（图8）、（图9），美国吉斯特公司、我国四川石油钻采工艺研究所曾经研制过大螺纹弹簧钻具双向减振器（图10），它们共同的缺点是承受载荷小，不耐高温、寿命短，并且受材料、加工工艺和费用的影响，不利于推广使用。美国1976年专利（专利号：3998443）曾经申请一种钻具双向减振器，但仅有原理图并无实施例，无法了解其全部结构与参数。

为满足科学钻井的需要和解决钻进中钻具损坏这一技术关键，发明人在国内现有仅能单向（纵向）减振的减振器（图6）基础上研制出本发明的钻具双向减振器，下面结合附图以适于与7英寸钻铤连接，用于81／2英寸至95／8英寸井眼中的SJ178型钻具双向减振器实施例对本发明加以说明。

图1、本发明的钻具双向减振器全图

图2、本发明钻具双向减振器的转换扭转振动冲击载荷的换向机构。

图3、本发明中独特的多级组合式密封结构

图4、防松油塞

图5、压紧帽和紧急保护弹簧卡圈

图6、国内现有钻具单向减振器

图7、美国1976年专利提供的钻具双向减振器原理图

图8、美国研制的橡胶元件双向减振器

图9、苏联研制的橡胶元件钻具双向减振器

图10、美国吉斯特公司和我国研制过的大螺纹弹簧钻具双向减振器

本发明的钻具双向减振器（图1）除与现有一般单向减振器一样由心轴〔1〕、活塞总成〔5〕、扶正外筒〔3〕及液压缸〔6〕及它们之间形成的阻尼机构〔N〕和工作腔的液体弹簧〔M〕等部分组成外、为了消除或减缓钻柱工作时的扭转振动冲击载荷，本发明设计了最佳参数的活塞换向机构〔5〕，这个机构（图2）是由花键外筒〔20〕，通过强度和耐磨性都很好的矩形花键付〔21〕与活塞连接，活塞内孔〔22〕通过强度和耐磨性都很好的梯形、短齿、九头、左旋螺旋付〔23〕与心轴〔2〕联接。当钻头在钻进过程中遇到硬地层或砾石层时，由于岩石对钻头阻力的随机变化，钻头受到一个反向扭转冲击载荷（图1），原动力给心轴一附加扭力，此扭力通过心轴，心轴与活塞间的缓冲趋动螺旋体及活塞〔5〕的外花键与花键外筒的内键（印花键付），并通过液压缸〔6〕和下扶正保护接头〔7〕传递给钻头，成为钻头的纵向移动的力，从而使钻头保持较恒定的扭矩，免于损坏，延长使用时间。本发明中螺旋件采用了一组最佳结构与参数，它们是九头、梯形短齿、左旋螺纹，其参数是

螺纹中径    D＝0.084m

螺旋升角    A＝28.62度

螺纹工作高度    H＝0.006m

螺纹有效圈数    N＝38

本发明的另一特点是钻具双向减振器（图1）的两头各装有一个可拆卸的带扶正棱〔8〕的扶正保护接头〔7〕，此两扶正保护接头上、下头分别要与钻铤和钻头连接，因而分别带有锥度为1：4（或1：6）的内螺纹与外螺纹。扶正保护接头的作用之一是起支承作用，减少钻柱在本减振器部位发生弯曲以保护减振器，另一用途是起保护减振器本体的作用，外径稍大于减振器本体的扶正保护接头的扶正棱〔8〕在减振器发生弯曲、变形的情况下首先受到磨损，当扶正棱磨损到不能使用时，可以方便的换上一个价格比减振器便宜的多的扶正保护接头，可拆卸的扶正保护接头还可以防止钻具双向减振器的螺纹由于经常拆卸钻头而磨损和由于泥浆的冲刷而刺坏由此造成整个钻具双向减振器的损坏。从而起到了保护钻具减振器本体的作用，延长了钻具双向减振器的使用寿命。扶正保护接头这一措施尽管在钻具中已有使用，但在钻具减振器上使用并且制成可拆卸的保护接头这还是首创。

钻具双向减振器内减振、阻尼油的密封是个很关键的问题，油的泄漏将会使减振器失去减振作用，并且钻进时钻井井温常高达180℃左右，减振器内的油压又有很广的变化范围（10MPa至100MMPa），减振器又常接触酸、碱，并要求长时间连续工作，因此油密封问题要很好的解决。本发明（图1）采用了多级组合式密封结构〔10〕，来满足高温、高压，耐酸碱、长时间连续工作的需要。这个结构（图3）是由氟橡胶；氟橡胶夹布；聚四氟乙烯加铜、石墨的混合料分别制成“V”形，“V“形和楔形的低压〔31〕、中压〔32〕、高压密封件〔33〕组合而成。三种材料密封件的软、硬度不同、它们几何形状不同、与轴配合的过盈量也不同，故可在不同压力下实现密封。例如，在减振器压力较低时，首先是低压密封件〔31〕的“V”形口受压环〔30〕顶压而张开，压紧油路两壁，随着油压的增高，低压密封件〔31〕的“V”形口越张越大，对两壁也越压越紧，到中压下，中压密封件的“V”形口也随压力的增加而张大，对密封壁的密封能力也随之加大，直至高压段，较硬材料制成的具有更强密封作用的楔形密封圈〔33〕也逐渐贴紧密封壁，侧唇边〔34〕也起到辅助密封作用，从而实现对高压油的密封。实验证明，本发明的多级组合密封结构在高温180℃和100MPa高压下连续工作1000小时以上仍能保持很好的密封效果。

本发明（图1）在静密封部位〔2〕均采用“O”型截面氟橡胶环密封。

本发明（图1）在油、气进、出口处〔4〕采用顶部装有“O”型截面氟橡胶环〔42〕和矩型尼龙材料制成的垫片〔41〕带尼龙摩擦销〔44〕的锥度为1：16的螺钉〔43〕组成的防松油塞（图4）。

本发明的钻具双向减振器（图1）还有防止下端多级组合密封结构松动的保护结构〔11〕即如图5所示的多级组合密封结构下端装有防止密封结构下滑的压帽〔52〕和防止压帽松动的双螺母（又称并帽〔51〕结构。万一双螺母〔51〕和压帽〔52〕都先后松动下滑，在下接头内孔还有一台阶〔54〕，可防止其下滑使密封失效本发明钻具双向减振器在冲管〔9〕的下端卡入二个弹簧卡圈〔53〕，它是为了防止有可能发生的钻具沿液压缸与下接头（本发明中为扶正保护接头）在接合螺纹中（图1、图5中的“B”部位）断裂，造成钻头掉入井内的紧急保护结构即当钻具沿液压缸与下接头（本发明中为扶正保护接头〔7〕）的结合螺纹的公扣根部〔B〕发生断裂时，在钻井下部有限空间里弹簧卡圈可暂时挂住“B”以下的钻具及钻头而使其不会立即落入井中，免得为打捞落入井中的钻头而造成很大的麻烦。

在本发明的钻具双向减振器中为了节约材料、降低成本、将以往的单根心轴改为二段即由心轴〔1〕和冲管〔9〕通过螺纹和“O”型截面密封圈〔2〕连接而成。

使用本发明的钻具双向减振器还必须注意要真空注油，这样才能保证减振器中充满油而正常工作。

经实验证明，本发明的钻具双向减振器不仅具有结构新颖、设计合理、减振效果明显；基本消除钻具刺扣、粘扣、断裂损坏等现象。而且，井下钻具破坏减少事故率达98.2％；单只钻头的平均使用寿命提高15小时左右（过去一般单只寿命为40小时左右），减少了起、下钻次数；降低工人劳动强度；减少钻具长途运输修理的费用；钻井成本降低，钻井效率提高。四只本发明钻具双向减振器在五口探资井使用13个月获得直接经济效益达114万元，各项经济技术指标均达到了国际先进水平。实验还证明，本发明钻具双向减振器可开发系列产品，可在国内各油田推广使用。

Claims (7)

1、一种能够吸收或减缓钻进过程中产生的纵向和扭转振动冲击载荷的钻具双向减振器其特征在于它采用最佳参数的转换扭转振动冲击载荷的活塞换向机构在高温、高压下连续运转的多级组合式密封结构和减振器上、下扶正保护接头等结构。

2、根据权利要求1  所述的钻具双向减振器其特征在于转换扭转振动冲击载荷的活塞换向机构中活塞内孔与心轴联接的一组九头、梯形、短齿、左旋螺旋付的参数是：

螺纹中径  D＝0.084m

螺旋升角  A＝28.62度

螺纹工作高度  H＝0.006m

螺纹有效圈数  N＝38

3、根据权利要求1  所述的钻具双向减振器其特征在于在有相对运动  储有高压油部位，为防止高压油的泄漏，采用了由氟橡胶夹布、聚四氟乙稀和铜、石墨混合料分别按照“V”形、“V”形和楔形制成的低压、中压、高压密封件组成的多级组合式密封结构。在其它静密封部位采用了“O”形截面氟橡胶密封圈密封。

4、根据权利要求1  所述的钻具双向减振器其特征在于为防止钻柱在减振器部位发生弯曲，避免减振器本体磨损和连接螺纹磨损或被泥浆冲刷、刺坏、在本减振器上、下端头分别装有可拆卸、带内锥或外锥（锥度为1：4或1：6）螺纹，直径大于减振器体的耐磨扶正棱和通过“O”形截面密封圈分别与心轴和液压缸连接的上、下扶正保护接头。

5、根据权利要求1  所述的钻具双向减振器其特征在于减振器冲管与液压缸多级组合密封结构的下端装有压紧帽和防止压紧帽松动的双螺母（又称并帽）冲管下端装有防止钻具头部断裂的紧急保护弹簧卡圈。

6、根据权利要求1  所述的钻具双向减振器其特征还在于在阻尼油和减振器的进、出口处采用了由矩形尼龙垫片，“O”形截面氟橡胶密封圈及带尼龙磨擦销的螺钉组合而成的防松油塞。

7、根据权利要求1  所述的钻具双向减振器，其特征还在于其心轴由两段即心轴与冲管通过锥螺纹加“O”形截面氟橡胶密封圈连接而成。

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