CN204851261U - 一种自动使流体产生周期性脉冲的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动使流体产生周期性脉冲的装置，流体孔道的底部设有流体底腔，流体底腔的底壁上分布有多个水眼，各水眼以流体孔道的轴线为中心均匀分布在同一个圆周上，流体底腔的底壁上安装有静阀盘，静阀盘上设有静阀盘水孔，各静阀盘水孔与水眼的孔径相同且分别与水眼一一对应贯通，静阀盘的上方覆盖有可绕轴线转动的动阀盘，动阀盘上设有至少一个动阀盘水孔，动阀盘水孔与静阀盘水孔的孔径相同且与静阀盘水孔位于同一个圆周上。动阀盘的中心固定在阀杆的下端，阀杆的上端头设有螺纹且安装有桨叶，桨叶的上下两端分别旋接有桨叶锁紧螺母将桨叶固定在阀杆上。该装置脉冲效果好，可以不借助于其它动力，且结构简单，制造成本低。

Description

一种自动使流体产生周期性脉冲的装置

技术领域

本实用新型涉及一种自动使流体产生周期性脉冲的装置，可用于矿业开采，属于脉冲设备技术领域。

背景技术

采矿行业常采用脉冲水射流系统来破碎大的岩石，在高压清洗设备上也经常用到脉冲射流提高清洗效果。在石油天然气钻井过程中，喷射钻井技术是通过在水眼处产生高速射流的方式进行井底岩屑的清洗和辅助机械破岩，以达到提高机械钻速的目的。现有的井下钻头装置包括共轴线的双母套筒、钻头接头和钻头本体，双母套筒的下端与钻头接头的上端相旋接，钻头接头的下端与钻头本体的上端相旋接，钻头本体的下端安装有刀翼，钻头本体的上端设有沿轴线向下延伸的流体底腔，流体底腔的底壁上分布有多个水眼，各水眼以流体孔道的轴线为中心均匀分布在同一个圆周上，各水眼分别向下延伸且分别与钻头本体下端面的喷孔相通，各喷孔中分别安装有喷嘴；双母套筒和钻头接头的中心设有与流体底腔相通的中心水道。工作时，钻柱驱动双母套筒、钻头接头和钻头本体旋转，钻头本体上的刀翼切削岩石，同时地面机泵将流体泵入井下，流体从钻柱、双母套筒和钻头接头的中心流道到达钻头本体的流体底腔，再从水眼进入喷嘴喷出，对井底岩屑进行清洗。

常规PDC钻头（即PolycrystallineDiamondCompactbit聚晶金刚石复合片钻头）与普通喷嘴组合，流体通过钻具内水眼、钻头内腔，从喷嘴流出，由于流体没有经过扰动，在井底产连续射流，这种连续射流虽然在一定程度上有助于水力破岩和清洗井底，但由于连续射流会在井底形成持续的正压力，对井底岩屑产生压持效应，不利于岩屑的即时清洗，易造成岩屑的重复切削，降低机械钻速。连续射流的射流冲击力和液柱的静压力会增加井底岩石的围压，使岩石的塑性增强，不利于岩石的破碎。随着井深的增加和地面机泵条件的限制，水眼处射流喷射速度会逐渐减小，严重降低了射流清岩和辅助破岩的效率，从而影响机械钻速。同时，传统的钻井作业中，流体为均匀的连续射流，存在水力能量分配和利用效率低等问题。

经过科学研究和生产实践证明：脉冲射流作为一种改变井底流场的射流方式与连续射流在射流清岩和辅助破岩机理方面存在差异，脉冲射流具有更好的辅助破岩和清岩效果。合理的射流脉冲压力的变化不仅能够起到良好的井底清洗效果，还可能达到辅助破岩甚至直接水力破岩的目的。目前，可进行钻井应用的脉冲射流钻井技术主要通过在钻头和钻柱中间安装脉冲接头或在水眼末端安装脉冲喷嘴来实现脉冲。

脉冲接头结构相对复杂，安全可靠性差；接头中脉冲发生装置的能量由流体提供，脉冲发生装置将流体的动能转化为流体的脉冲能量，连续流体流经脉冲接头时会产生相对较高的压力损耗，从而增加地面机泵的工作压力；而且脉冲射流发生的位置距离水眼至少0.5m左右，脉冲接头产生的脉冲射流不能直接作用于井底，脉冲射流经过钻头流道后实际作用于井底的脉冲效果会削弱。

脉冲喷嘴虽然能够将连续流体调整成脉冲流体，但脉冲效果相对较低。由于水眼孔径通常只有18mm，脉冲喷嘴的设计受到水眼孔径及自身强度要求的限制，产生的空化效果达不到最大化，随着井深的增加，井底围压增加，也会削弱脉冲喷嘴的脉冲效果，使得水力破岩和清洁井底的效果被削弱，提高机械钻速的程度也受到限制。

以上的脉冲射流工具为被动式结构，脉冲效果主要由流体流量和脉冲射流工具的内部结构决定，而脉冲射流工具的内部结构通常是固定的，无法根据现场情况及时进行改变。寻找新的脉冲射流产生方法和脉冲射流作用方式，对于提高机械钻速，缩短油气勘探周期，降低油气钻井成本具有非常重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种自动使流体产生周期性脉冲的装置，可以不借助于其它动力，且结构简单，制造成本低。

为解决以上技术问题，本实用新型的一种自动使流体产生周期性脉冲的装置，流体孔道的底部设有流体底腔，所述流体底腔的底壁上分布有多个水眼，各水眼以流体孔道的轴线为中心均匀分布在同一个圆周上，所述流体底腔的底壁上安装有静阀盘，所述静阀盘上设有静阀盘水孔，各所述静阀盘水孔与所述水眼的孔径相同且分别与所述水眼一一对应贯通，所述静阀盘的上方覆盖有可绕轴线转动的动阀盘，所述动阀盘上设有至少一个动阀盘水孔，所述动阀盘水孔与所述静阀盘水孔的孔径相同且与静阀盘水孔位于同一个圆周上。

相对于现有技术，本实用新型取得了以下有益效果：⑴当流体通过流体孔道到达钻头本体的流体底腔时，被动阀盘阻挡；由于静阀盘固定不动，当动阀盘转动时，动阀盘上的动阀盘水孔和静阀盘上的静阀盘水孔出现周期性的贯通或关闭。⑵当动阀盘水孔和静阀盘水孔的重合度高时，流体流经静阀盘水孔进入水眼的流量大，从水眼喷出的射流速度高、冲击力大，射流对井底的清洗效果好。⑶当动阀盘水孔和静阀盘水孔的重合度低时，流体流经静阀盘水孔进入水眼的流量小，从水眼喷出的射流速度低、冲击力小，射流对井底的清洗效果差。⑷随着动阀盘的旋转，流体被周期性分配到不同的水眼中，形成脉冲射流直接作用于井底。⑸当只有一只动阀盘水孔和静阀盘水孔完全重合，其余均不通时，流体底腔全截面上流体的能量全部集中于某一只水眼中，从该水眼喷出的射流速度最高、冲击力极大；动阀盘旋转一周，则每个喷嘴轮流喷出最强劲的射流且轮流关闭，达到最佳的脉冲效果。⑹动阀盘和静阀盘结构简单，加工成本低，制造周期短，适应性好，可以根据现场要求的不同排量，改变动阀盘水孔的孔径和个数，调整脉冲射流参数，使脉冲效果达到最优。

作为本实用新型的优选方案，所述动阀盘的中心固定在阀杆的下端，所述阀杆的上端头设有螺纹且安装有桨叶，所述桨叶的上下两端分别旋接有桨叶锁紧螺母将桨叶固定在所述阀杆上。当流体流过桨叶时，将驱动桨叶连续旋转，桨叶带动阀杆进而动阀盘转动，无需外部动力即可实现动阀盘上的动阀盘水孔和静阀盘上的静阀盘水孔周期性的贯通或关闭，且可以根据现场流体流量需要选择不同规格的桨叶，使动阀盘具有需要的转速；桨叶尺寸小，制造成本低，且更换方便快捷，利用流体孔道的空间，对原钻具的改造量小。

作为本实用新型的优选方案，所述轴承装置包括固定在流体孔道台阶上的轴承座，所述轴承座的内孔轴向中部安装有隔套，所述隔套的上下两端分别安装有推力轴承，所述推力轴承的外侧分别安装有密封套，上密封套的顶部与所述桨叶锁紧螺母之间支撑有上定位套，下密封套的底部与所述阀杆的轴肩之间支撑有下定位套；所述轴承座的上下端面的中心分别安装有轴承盖，所述上密封套和下密封套分别从所述轴承盖的中心孔中穿过。采用双推力轴承支撑，可以使阀杆的转动更加灵活稳定；采用隔套、上定位套、下定位套、上密封套和下密封套可以使阀杆得到很好的轴向定位。

作为本实用新型进一步的优选方案，所述轴承盖的法兰边与所述轴承座的端面之间分别安装有O形圈，所述轴承盖的中心分别设有穹窿形油封腔，所述油封腔中分别设有油封。O形圈及油封可以阻止流体进入轴承空间，保证轴承润滑良好。

作为本实用新型的优选方案，所述静阀盘水孔与所述水眼分别设有五只，所述动阀盘水孔设有三只。采用上三孔与下五孔的搭配，当某个动阀盘水孔与某个静阀盘水孔完全重合时，另两个动阀盘水孔分别与其它的静阀盘水孔交叉，此时相应喷嘴达到最大的过流面积，实现最大的流体流量，出现脉冲，动阀盘每转动24°即会依次在各喷嘴形成一个脉冲；同时保证整个钻头维持一定的过流面积S，保证流体的流量。

作为本实用新型的优选方案，所述静阀盘水孔与所述水眼分别设有五只，所述动阀盘水孔设有四只。采用上四孔与下五孔的搭配，动阀盘每转动18°即会依次在各喷嘴形成一个脉冲。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本实用新型。

图1为本实用新型自动使流体产生周期性脉冲的装置的结构示意图。

图2为图1中E部位的放大图。

图3为图1中动阀盘的俯视图。

图4为图1中静阀盘的俯视图。

图5为动阀盘与静阀盘的配合关系图。

图中：1.流体孔道；2.流体底腔；3.水眼；4.桨叶；5.桨叶锁紧螺母；6.阀杆；7.动阀盘；7a.动阀盘水孔；8.静阀盘；8a.静阀盘水孔；9.轴承座；10.隔套；11.推力轴承；12.轴承盖；13.油封；14a.上密封套；14b.下密封套；15a.上定位套；15b.下定位套。

具体实施方式

如图1至图5所示，本实用新型自动使流体产生周期性脉冲的装置，流体孔道1的底部设有流体底腔2，流体底腔2的底壁上分布有多个水眼3，各水眼3以流体孔道1的轴线为中心均匀分布在同一个圆周上，流体底腔2的底壁上安装有静阀盘8，静阀盘8上设有静阀盘水孔8a，各静阀盘水孔8a与水眼3的孔径相同且分别与水眼3一一对应贯通，静阀盘8的上方覆盖有可绕轴线转动的动阀盘7，动阀盘7上设有至少一个动阀盘水孔7a，动阀盘水孔7a与静阀盘水孔8a的孔径相同且与静阀盘水孔8a位于同一个圆周上。

当流体通过流体孔道1到达钻头本体的流体底腔2时，被动阀盘7阻挡；由于静阀盘8固定不动，当动阀盘7转动时，动阀盘7上的动阀盘水孔7a和静阀盘8上的静阀盘水孔8a出现周期性的贯通或关闭。当动阀盘水孔7a和静阀盘水孔8a的重合度高时，流体流经静阀盘水孔8a进入水眼3的流量大，从水眼3喷出的射流速度高、冲击力大，射流对井底的清洗效果好。当动阀盘水孔7a和静阀盘水孔8a的重合度低时，流体流经静阀盘水孔8a进入水眼3的流量小，从水眼3喷出的射流速度低、冲击力小，射流对井底的清洗效果差。

随着动阀盘7的旋转，流体被周期性分配到不同的水眼3中，形成脉冲射流直接作用于井底。当只有一只动阀盘水孔7a和静阀盘水孔8a完全重合，其余均不通时，流体底腔2全截面上流体的能量全部集中于某一只水眼3中，从该水眼3喷出的射流速度最高、冲击力极大；动阀盘7旋转一周，则每个喷嘴轮流喷出最强劲的射流且轮流关闭，达到最佳的脉冲效果。动阀盘7和静阀盘8结构简单，加工成本低，制造周期短，适应性好，可以根据现场要求的不同排量，改变动阀盘水孔7a的孔径和个数，调整脉冲射流参数，使脉冲效果达到最优。

动阀盘7的中心固定在阀杆6的下端，阀杆6的上端头设有螺纹且安装有桨叶4，桨叶4的上下两端分别旋接有桨叶锁紧螺母5将桨叶4固定在阀杆6上。当流体流过桨叶4时，将驱动桨叶4连续旋转，桨叶4带动阀杆6进而动阀盘7转动，无需外部动力即可实现动阀盘7上的动阀盘水孔7a和静阀盘8上的静阀盘水孔8a周期性的贯通或关闭，且可以根据现场流体流量需要选择不同规格的桨叶4，使动阀盘7具有需要的转速；桨叶4尺寸小，制造成本低，更换方便快捷，且利用流体孔道1的空间。

轴承装置包括固定在流体孔道1台阶上的轴承座9，轴承座9的内孔轴向中部安装有隔套10，隔套10的上下两端分别安装有推力轴承11，推力轴承11的外侧分别安装有密封套，上密封套14a的顶部与桨叶锁紧螺母5之间支撑有上定位套15a，下密封套14b的底部与阀杆6的轴肩之间支撑有下定位套15b；轴承座9的上下端面的中心分别安装有轴承盖12，上密封套14a和下密封套14b分别从轴承盖12的中心孔中穿过。采用双推力轴承11支撑，可以使阀杆6的转动更加灵活稳定；采用隔套10、上定位套15a、下定位套15b、上密封套14a和下密封套14b可以使阀杆6得到很好的轴向定位。

轴承盖12的法兰边与轴承座9的端面之间分别安装有O形圈，轴承盖12的中心分别设有穹窿形油封腔，油封腔中分别设有油封13。O形圈及油封13可以阻止流体进入轴承空间，保证轴承润滑良好。

静阀盘水孔8a与水眼3可以分别设有五只，动阀盘水孔7a可以设有三只。采用上三孔与下五孔的搭配，当某个动阀盘水孔7a与某个静阀盘水孔8a完全重合时，另两个动阀盘水孔7a分别与其它的静阀盘水孔8a交叉，此时相应喷嘴达到最大的过流面积，实现最大的流体流量，出现脉冲，动阀盘7每转动24°即会依次在各喷嘴形成一个脉冲；同时保证整个钻头维持一定的过流面积S，保证流体的流量。

静阀盘水孔8a与水眼3可以分别设有五只，动阀盘水孔7a可以设有四只。采用上四孔与下五孔的搭配，动阀盘7每转动18°即会依次在各喷嘴形成一个脉冲。

以上所述仅为本实用新型之较佳可行实施例而已，非因此局限本实用新型的专利保护范围。除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围内。本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (6)

1.一种自动使流体产生周期性脉冲的装置，流体孔道的底部设有流体底腔，所述流体底腔的底壁上分布有多个水眼，各水眼以流体孔道的轴线为中心均匀分布在同一个圆周上，其特征在于：所述流体底腔的底壁上安装有静阀盘，所述静阀盘上设有静阀盘水孔，各所述静阀盘水孔与所述水眼的孔径相同且分别与所述水眼一一对应贯通，所述静阀盘的上方覆盖有可绕轴线转动的动阀盘，所述动阀盘上设有至少一个动阀盘水孔，所述动阀盘水孔与所述静阀盘水孔的孔径相同且与静阀盘水孔位于同一个圆周上。

2.根据权利要求1所述的自动使流体产生周期性脉冲的装置，其特征在于：所述动阀盘的中心固定在阀杆的下端，所述阀杆的上端头设有螺纹且安装有桨叶，所述桨叶的上下两端分别旋接有桨叶锁紧螺母将桨叶固定在所述阀杆上。

3.根据权利要求2所述的自动使流体产生周期性脉冲的装置，其特征在于：还包括轴承装置，所述轴承装置包括固定在流体孔道台阶上的轴承座，所述轴承座的内孔轴向中部安装有隔套，所述隔套的上下两端分别安装有推力轴承，所述推力轴承的外侧分别安装有密封套，上密封套的顶部与所述桨叶锁紧螺母之间支撑有上定位套，下密封套的底部与所述阀杆的轴肩之间支撑有下定位套；所述轴承座的上下端面的中心分别安装有轴承盖，所述上密封套和下密封套分别从所述轴承盖的中心孔中穿过。

4.根据权利要求3所述的自动使流体产生周期性脉冲的装置，其特征在于：所述轴承盖的法兰边与所述轴承座的端面之间分别安装有O形圈，所述轴承盖的中心分别设有穹窿形油封腔，所述油封腔中分别设有油封。

5.根据权利要求1所述的自动使流体产生周期性脉冲的装置，其特征在于：所述静阀盘水孔与所述水眼分别设有五只，所述动阀盘水孔设有三只。

6.根据权利要求1所述的自动使流体产生周期性脉冲的装置，其特征在于：所述静阀盘水孔与所述水眼分别设有五只，所述动阀盘水孔设有四只。