CN206617103U - 周向减震工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种周向减震工具，该工具包括：电力供应系统以及与其电性连接的振动监控系统和周向减震执行系统；振动监控系统包括振动测量传感器和监控处理单元；周向减震执行系统包括第一壳体以及设置在所述第一壳体内的往复运动机构，该机构包括往返冲击锤和套设在所述往返冲击锤外的往返运动缸；往返冲击锤与往返运动缸之间形成有相隔离的往返腔体，往返冲击锤上设置有进液通孔，往返运动缸上设置有第一排液口，所述第一壳体设置有能与所述第一排液口相连通的第二排液口和钻头接头，其上端的内侧与往返冲击缸相连接，其外侧通过传力机构与所述第一壳体相连接。本实用新型提供的周向减震工具及方法，能减轻钻具周向的粘滑振动。

Description

周向减震工具

技术领域

本实用新型涉及石油、天然气钻井的配套装置领域，特别涉及一种周向减震工具。

背景技术

在钻井过程中，钻柱的振动主要包括：横向振动、纵向振动和扭向振动，以及上述三种振动的耦合振动。当钻遇硬度较高的地层时，钻具容易产生周向振动，损坏PDC(Polycrystalline Diamond Compact bit聚晶金刚石复合片)钻头的切削齿，影响钻头的使用效果，降低钻头寿命。

一般的，正常钻进过程中，PDC钻头在钻压的作用下不断吃入岩石，依靠钻柱提供的扭力不断旋转剪切破碎岩石。当地层岩石硬度高或钻头切入地层过深，钻头切削片处的扭矩不足以破岩时，钻头会暂时停止转动，而此时地表钻盘还在持续转动，此时上、下部钻杆出现不同转速。由于钻杆具有刚性，钻杆开始积聚扭矩能量。当钻杆积聚的扭矩能量大于钻头破岩能量时，钻头破碎岩石，此时钻柱上的扭矩能量突然释放，钻头会高速旋转。当钻柱的旋转速度降到静态摩阻起作用的临界值以下时停止旋转，上述这种持续周期约1～40s(秒)的“卡－滑”现象就是粘滑振动现象。由于上述粘滑振动过程也是一个能量积累和释放的过程，粘滑振动过程中扭矩的波动很大，这不仅会严重影响钻井效率，也威胁着钻井安全。例如，当实际的扭矩过大，甚至超过设备所能承受的扭矩极限时，会致使钻井无法进行。为了保证钻井能够持续稳定地进行，有必要提出一种周向减震工具，以消除上述周向的粘滑振动。

现有的周向减震工具通常由碟簧和多头螺纹副组合形成。该工具在使用时，由于多头螺纹副长时间使用时容易发生自锁导致工具失效，严重影响现场应用效果。

因此，有必要提出一种新的周向减震工具，以减轻钻具周向的粘滑振动，实现保护钻具和辅助提高钻头破岩效率的功能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种周向减震工具，以减轻钻具周向的粘滑振动，实现保护钻具，辅助提高钻头破岩效率的功能。

本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种周向减震工具，包括：

电力供应系统以及与所述电力供应系统电性连接的振动监控系统和周向减震执行系统；

所述振动监控系统包括振动测量传感器和监控处理单元；

所述周向减震执行系统包括第一壳体以及设置在所述第一壳体内的往复运动机构，该机构包括往返冲击锤和套设在所述往返冲击锤外的往返运动缸；

所述往返冲击锤与所述往返运动缸之间形成有相隔离的往返腔体，所述往返冲击锤上设置有进液通孔，所述进液通孔能与所述往返腔体相连通形成进液通道；

所述往返运动缸上设置有第一排液口，所述第一壳体设置有能与所述第一排液口相连通的第二排液口，所述往返腔体能依次与所述第一排液口、第二排液口相连通形成出液通道；

当所述监控处理单元根据所述振动测量传感器获取的振动信号控制所述电力供应系统向所述周向减震执行系统供电时，所述进液通道、出液通道与所述往复运动机构相连通，所述往返冲击锤、往返运动缸能作周向往返转动；

用于连接钻头的钻头接头，所述钻头接头上端的内侧与所述往返冲击缸相连接，其外侧通过传力机构与所述第一壳体相连接。

在优选的实施方式中，所述传力机构为花键与键槽的配合机构。

在优选的实施方式中，所述第一排液口的个数为偶数个，

所述第一壳体呈中空的圆柱体，其内壁上形成有连通所述第一排液口的环形排液槽。

在优选的实施方式中，所述周向减震执行系统还包括：

用于控制所述往返冲击锤上设置有进液通孔启闭的第一电磁密封块；

用于控制所述第一排液口启闭的第二电磁密封块；

与所述第一电磁密封块相配合的第一纵向压簧；

与所述第二电磁密封块相配合的第二纵向压簧；

所述第一电磁密封块、第二电磁密封块分别与所述监控处理单元电性连接；

所述进液通孔和所述第一排液口的个数相同且均为偶数个，所述第一电磁密封块交替控制一半所述进液通孔开启，另一半关闭；所述第二电磁密封块交替控制一半所述第一排液口开启，另一半关闭。

在优选的实施方式中，所述往返运动缸为变直径的中空圆柱体，其上部直径尺寸大于下部；其上部内孔截面由四段圆弧和四个直线段形成两个对称的扇形空间，所述往返运动缸下部内径小于或等于所述四段圆弧中直径较小的圆弧的直径；

所述往返冲击锤为中空的筒体，其下部外侧轮廓由四段圆弧和四个直线段形成两个对称的扇形凸起，

所述往返冲击锤凸起的扇形圆弧角度小于所述往返运动缸扇形空间的圆弧角度。

在优选的实施方式中，所述周向减震执行系统还包括：

设置在所述往返冲击锤上端的护套，其呈圆筒状，用于为所述第一纵向压簧和第一电磁密封块定位。

在优选的实施方式中，所述往复运动缸的外侧壁上设置有用于安装低压排液口和第二纵向压簧的第二电磁密封块卡槽。

在优选的实施方式中，所述周向减震执行系统还包括：设置在所述往返冲击缸上端并套设在所述往返冲击锤外的密封盖，用于在所述往返冲击缸与所述往返冲击锤之间形成密封的环形空腔。

在优选的实施方式中，所述电力供应系统包括：第二壳体、设置在所述壳体内的电池腔、密封设置在所述电池腔内的电池以及与所述电池电性连接的供电电缆，其中，所述电力供应系统还设置有用于流通钻井液的过流孔。

在优选的实施方式中，所述第二壳体的上端内侧设置有用于和上部钻具连接的内螺纹，下端外侧设置有用于和振动监控系统连接的外螺纹，其内部设置有用于对所述电池腔限位的限位台阶。

在优选的实施方式中，所述过流孔设置在所述电池腔上，或者设置在所述第二壳体上，或者由所述电池腔与所述第二壳体之间的间隙形成。

在优选的实施方式中，所述电池腔的上端和下端设置有法兰环，所述过流孔设置在所述法兰环上；所述法兰环抵靠在所述限位台阶上，且所述法兰环与所述第二壳体为间隙配合。

在优选的实施方式中，所述振动监控系统包括：第三壳体、设置在所述第三壳体上的振动测量传感器和监控处理单元，所述振动测量传感器和监控处理单元电性连接，并均由所述电力供应系统供电。

在优选的实施方式中，所述第三壳体的外壁上设置有：第一凹槽和与所述第一凹槽相匹配的传感器密封压盖，第二凹槽和与所述第二凹槽相匹配的监控处理单元密封压盖；

所述振动测量传感器设置在所述第一凹槽内，并通过所述传感器密封压盖密封；所述监控处理单元设置在所述第二凹槽内，并通过所述监控处理单元密封压盖密封。

本实用新型的特点和优点是：本申请提供的周向减震工具是一种井下闭环监测、分析、判断、控制一体化的周向减震工具，能够提高钻头破岩效率，保护钻具。具体的，该周向减震工具能实时采集、分析、判断井下周向振动情况，当监控处理单元根据所述振动测量传感器获取的振动信号控制所述电力供应系统向所述周向减震执行系统供电时，所述进液通道、出液通道与所述往复运动机构相连通，所述往返冲击锤、往返运动缸能作周向往返转动，并将该往返转动通过钻头接头传递给钻头，钻头的往返运动能有效地减轻钻具钻头周向黏滑振动，提高钻头破岩效率，保护钻头。

附图说明

图1是本申请实施方式中一种周向减震工具的结构示意图；

图2是本申请实施方式中一种周向减震工具的原理示意图；

图3是本申请实施方式中一种周向减震工具的第一壳体截面示意图；

图4是本申请实施方式中一种周向减震工具往返运动缸的截面示意图；

图5是本申请实施方式中一种周向减震工具往返冲击锤的截面示意图；

图6是本申请实施方式中一种周向减震工具A-A处剖视图；

图7是本申请实施方式中一种周向减震工具周向减震执行系统顺时针冲击运动状态示意图；

图8是本申请实施方式中一种周向减震工具周向减震执行系统逆时针冲击运动状态示意图；

图9是本申请实施方式中一种周向减震的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本实用新型的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型提供一种周向减震工具，以减轻钻具周向的粘滑振动，实现保护钻具和辅助提高钻头破岩效率的功能。

请参阅图1，本申请实施方式中提供了一种周向减震工具，其包括：电力供应系统以及与所述电力供应系统电性连接的振动监控系统和周向减震执行系统；所述振动监控系统包括振动测量传感器202和监控处理单元205；所述周向减震执行系统包括第一壳体301以及设置在所述第一壳体301内的往复运动机构，该机构包括往返冲击锤3011和套设在所述往返冲击锤3011外的往返运动缸305；所述往返冲击锤3011与所述往返运动缸305之间形成有相隔离的往返腔体30502，所述往返冲击锤3011上设置有进液通孔，所述进液通孔307能与所述往返腔体30502相连通形成进液通道；所述往返运动缸305上设置有第一排液口309，所述第一壳体301设置有能与所述第一排液口309相连通的第二排液口3010，所述往返腔体30502能依次与所述第一排液口309、第二排液口3010相连通形成出液通道；当所述监控处理单元205根据所述振动测量传感器202获取的振动信号控制所述电力供应系统向所述周向减震执行系统供电时，所述进液通道、出液通道与所述往复运动机构相连通，所述往返冲击锤和往返运动缸能作周向往返转动；所述第一壳体301具有相对的上端和下端，其下端通过传力机构连接有钻头接头3012，所述钻头接头3012用于连接钻头，以将往返转动产生的扭矩传递给钻头。

在本实施方式中，所述电力供应系统用于为减震工具提供电源，保证工具井下用电。对于井下工具用电，其电压常用规格包括：12V、36V。电力供应系统可使用电池供电，也可采用涡轮发电机供电，当然还可以通过其他形式进行供电，本申请在此并不作具体的限定。

以电池供电为例，电力供应系统可以包括：第二壳体101、电池腔密封盖102、电池腔103、电池105、带密封的电源出口106、供电电缆107，其中，所述电力供应系统还设置有用于流通钻井液的过流孔104。

其中，供电系统外壳体101可以呈中空的圆柱形，中空部分为贯通孔。具体的，所述第二壳体101的上端内侧可以设置有用于和上部钻具连接的内螺纹，下端外侧可以设置有用于和振动监控系统连接的外螺纹，其内部设置有用于对所述电池腔103限位的限位台阶。

所述过流孔104用于流通钻井液，具体的，该过流孔104可以设置在所述电池腔103上，或者设置在所述第二壳体101上，或者由所述电池腔103与所述第二壳体101之间的间隙形成，或者还可以为其他设置方式，本申请在此并不作具体的限定。此外，所述过流孔104的个数可以为一个也可以为多个，本申请在此并不作具体的限定，当所述过流孔104的个数为多个时，其可以沿着所述供电系统外壳体101的周向均匀布置。

进一步的，所述电池腔103上、下两端可以设有扶正、定位用的法兰环。所述过流孔104设置在所述法兰环上；所述法兰环抵靠在所述限位台阶上，且所述法兰环与所述第二壳体101为间隙配合。当井内钻井液在钻具内流通时，流经该电力供应系统时，可以经过所述过流孔104和所述法兰环与所述第二壳体101之间的间隙进行流通。

所述电池腔103和所述电池腔密封盖102相配合用于设置所述电池105，以将所述电池105与钻井液相隔离。具体的，所述电池腔103的形状和尺寸可以根据电池105的形状、大小进行确定，本申请在此并不作具体的限定。此外，所述电池腔103与所述电池腔密封盖102的配合方式可以为可拆卸连接，以便于电池105的拆装。例如，所述电池腔密封盖102可以为具有一定弹性的塞子，其通过过盈配合的方式设置在所述电池腔103的开口端。此外，在所述电池腔103的下部可以设置有带密封的电源出口106，供电电缆107通过该带密封的电源出口106将电输送到振动监控系统和周向减震执行系统。

在本实施方式中，所述振动监控系统用于实时监测、处理、分析井下钻具振动，依据程序设定，在需要的情况下，启动周向减震执行系统。

所述振动监控系统可以包括：第三壳体201、设置在所述第三壳体201上的振动测量传感器202和监控处理单元205，所述振动测量传感器202和监控处理单元205电性连接，并均由所述电力供应系统供电。

其中，所述第三壳体201可以中空的呈圆柱状，中空部分为贯通孔，其上下两端可以设置有接头，分别为上接头、下接头。该上接头的内侧可以设置有内螺纹，用于和第二壳体101相连接；该下接头的外侧可以设置有外螺纹，用于和周向减震执行系统相连。当然，所述第二壳体101与所述第三壳体201可以为一个壳体；另外，当为两个壳体时也可以通过其他连接方式进行连接，本申请在此并不作具体的限定。所述第三壳体201中设置有振动测量传感器202、监控处理单元205和供电电缆107。

具体的，所述第三壳体201的外壁上可以设置有：第一凹槽和与所述第一凹槽相匹配的传感器密封压盖203，第二凹槽和与所述第二凹槽相匹配的监控处理单元密封压盖204。所述振动测量传感器202设置在所述第一凹槽内，并通过所述传感器密封压盖203密封；所述监控处理单元205设置在所述第二凹槽内，并通过所述监控处理单元密封压盖204密封。

其中，所述振动测量传感器202用于获取钻具的振动信号，其具体形式以及安装方式等本申请在此并不作具体的限定。例如，所述振动测量传感器202可以通过螺纹安装在第三壳体201上。进一步的，传感器密封压盖203将振动测量传感器202密封，以防止井内钻井液进入所述振动测量传感器202内，影响其正常工作。当然，如果所述振动测量传感器202具有防水功能，该传感器密封压盖203可以省略。

所述监控处理单元205与所述振动测量传感器202电性连接，其可以接收振动测量传感器202的振动信号，并将该振动信号进行处理后与其预设的振动阈值进行对比，在该振动信号表示的钻具周向振动过大时，控制电力供应系统向周向减震执行系统供电，以启动所述周向减震执行系统进行周向减震。所述监控处理单元205形式以及安装方式等本申请在此并不作具体的限定。例如，所述监控处理单元205可以安装在第三壳体201上，进一步的，监控处理单元密封压盖204将监控处理单元205密封，以防止井内钻井液进入所述监控处理单元205。当然，如果所述监控处理单元205具有防水功能，该监控处理单元密封压盖204可以省略。

在所述第三壳体201上，可以设置有供电密封孔，与所述电池105连接的供电电缆107通过该第三壳体201上的供电密封孔将电分别输送到振动传感器202和监控处理单元205。

整体上，所述周向减震工具工作时，所述振动监控系统根据振动信号的大小控制周向减震执行系统的启动或停止。

具体的，请参阅图2，所述周向减震工具的工作原理如下。

监测处理单元首先以预设的采样频率采集振动测量传感器数据；然后对振动数据进行处理分析，并与预设的振动阈值进行对比；当井下振动数据大于振动阈值时，监测处理单元将执行信号传递给周向减震执行系统启动开关，电力供应系统向周向减震执行供电，开启周向减震系统以减轻钻具振动。当井下振动数据小于振动阈值，监测处理单元将执行信号传递给周向减震执行系统启动开关使得电力供应系统停止向周向减震系统供电，此时周向减震系统停止运行，从而实现了既能减震消除井下钻具周向振动对钻具、钻头的破坏，提高钻头破岩效率，又能有效提高工具寿命。

在本实施方式中，周向减震执行系统在通电时启动工作，断开电源时终止工作。所述周向减震执行系统包括：第一壳体301以及设置在所述第一壳体301内的往复运动机构。其中，所述往复运动机构包括：往返冲击锤3011和套设在所述往返冲击锤3011外的往返运动缸305。进一步的，还可以包括护套302、纵向压簧303、密封压盖304、第一电磁密封块306、第二电磁密封块308。

所述第一壳体301具有相对的上端和下端，其下端通过传力机构连接有钻头接头3012，所述钻头接头3012用于连接钻头，以将周向往返转动产生的扭矩传递给钻头。整体上，第一壳体301可以呈中空的圆柱形，其中空部分为贯通孔。进一步的，所述第一壳体301的贯通孔为变内径的台阶通孔。

所述第一壳体301的上部可以设置有内螺纹，用于和所述第三壳体201的下端相连接；其下部可以设置有用于传递扭矩的传力件，具体的，该传力件可以为花键。相应的，所述钻头接头3012上可以设置有与所述花键配合的键槽，所述花键和键槽配合形成所述传力机构。当然，所述传力机构的形式并不限于上述花键和键槽的形式，还可以为其他能够传递扭矩的形式，所属领域技术人员在本申请的技术精髓启示下，还可能做出其他的变更，但只要其实现的功能和效果与本申请相同或相似，均应涵盖于本申请保护范围内。

在所述第一壳体301的侧壁上可设置有第二排液口3010，用于排出往返运动缸305中的钻井液。具体的，该第二排液口3010的个数可以为偶数个，例如可以为两个，四个，六个等，本申请在此并不作具体的限定。所述第二排液口3010可以沿着轴向对称布置。进一步的，所述第一壳体301上还设置有用于连通所述第二排液口3010的环形排液槽30101。当往返运动缸305在往返冲击运动过程中，多个第一排液口309在同一个圆周上转动，在本实施方式中，通过采用环形排液槽30101的方式将他们连接在一起后，能用于传递高、低压力。

所述往返运动缸305可以为中空的圆柱体。具体的，所述往返运动缸305可以呈“T”形圆柱体，整体上，上端直径大、下端直径小。具体的，往返运动缸305上端内孔为四段圆弧和四个直线段组成的形状，四段圆弧是两个直径大小不等的圆弧，两个大直径圆弧段与四个直线段形成两个对称的扇形空间。往返运动缸305下部内孔为通孔，且通孔直径等于或小于上部小直径圆弧的直径。往返运动缸305上部大直径段设置有第一排液口309，用于排出往返运动缸305中的钻井液。所述第一排液口309的个数可以为偶数个。

所述往返冲击锤3011上部为圆筒形，下部为四段圆弧和四个直线段组成。两个大直径段圆弧和四段直线形成两个对称的扇形凸出块。往返冲击锤3011安装在往返运动缸305内，往返冲击锤3011的扇形凸起与往返运动缸305的扇形空间相配合，往返冲击锤3011扇形凸起对应的圆弧角度小于往返运动缸305的扇形空间对应的圆弧角度。往返冲击锤3011下部大直径段圆弧直径与往返冲击缸305上部内孔大直径圆弧直径相同，往返冲击锤3011下部小直径段圆弧直径与往返冲击缸305上部内孔小直径圆弧直径相同。

所述纵向压簧303处于压缩状态，其可以用于为与其抵接的第一电磁密封块、所述第二电磁密封块提供回复力。具体的，所述纵向压簧303可以包括第一纵向压簧和第二纵向压簧，其中第一纵向压簧用于与所述第一电磁密封块相配合；所述第二纵向压簧用于与所述第二电磁密封块相配合的第二纵向压簧。

所述往返冲击锤3011上设置有进液通孔307，用于流通钻井液。当所述进液通孔307与所述往返腔体30502相连通时，形成所述进液通道。具体的，所述进液通孔307的个数可以为偶数个。

在本实施方式中，当所述往返冲击锤3011的下部为四段圆弧和四个直线段组成的形状，且所述往返运动缸305上端内孔为四段圆弧和四个直线段组成的形状时，所述往返腔体30502为由所述往返冲击锤3011的下部与所述往返运动缸305的上部配合形成的四个扇形腔体。当然，所述往返腔体30502的具体形状和个数等可以根据所述往返冲击锤3011与往返运动缸305的具体形状和配合的不同而不同，本申请在此并不作具体的限定。

其中，在所述往返运动缸305的小直径段与大直径段过度的位置形成有一个限位台阶，所述往返冲击锤3011的扇形凸起部分卡设在所述限位台阶处。

所述第一电磁密封块306可以为圆弧条形，与纵向压簧303配合使用，通电时第一电磁密封块306向上推动，打开所述进液通孔307。

所述护套302可为圆筒状，安装在往返冲击锤3011内孔上端，用于纵向压簧303和第一电磁密封块306定位。

所述密封压盖304用于与往返运动缸305、往返冲击锤3011形成密封腔，在钻井液压力的作用下驱动往返冲击锤3011做周向冲击运动。具体的，所述密封压盖304可为圆环形，外径与往返运动缸305上部外径相同，内径与往返冲击锤3011上端圆柱段外径相同。

所述往返冲击缸305安装在第一壳体301的内孔台阶处，第一壳体301内孔台阶为往返冲运动缸305提供支撑。

在往返运动缸305与第一壳体301间设置有第二纵向压簧和第二电磁密封块308。第二电磁密封块308通电后，第二电磁密封块308向下运动，打开连通第二排液口3010和第一排液口309，排出往返运动缸305内的钻井液。往返冲击缸305下部通过螺纹与钻头接头3012相连，两种连接后周向减震系统外壳体301下部花键与钻头接头3012上部大直径段花键相配合，用于传递钻柱扭矩和往返运动缸305产生的额外往返冲击扭矩。

周向减震执行系统启动工作时，进液通孔307对应的第一电磁密封块306向上运动，打开进液通孔307，钻具内的高压钻井液可以通过该进液通孔307进入往返运动缸305与往返冲击锤3011之间的往返腔体30502。同时往返运动缸305的第二电磁密封块308向下运动，打开第一排液口309，使得所述第一排液口309与所述第二排液口3010相连通。

当高压钻井液进入往返运动缸305与往返冲击锤3011和密封压盖形成扇形密封空间时，高压钻井液推动往返冲击锤3011运动，当往返冲击锤3011运动到一个方向死点时，往返冲击锤3011冲击往返运动缸305，在冲击力的作用下，往返运动缸305运动，并通过下部钻头接头3012传递到钻头，此时通过第一电磁密封块306和第二电磁密封块308关闭现已打开的进液通孔307和第一排液口309，打开另外的进液通孔307和第一排液口309，高压钻井液反向推动往返冲击锤3011运动，当往返冲击锤3011运动到反向死点时，关闭已打开的进液通孔307和第一排液口309，打开另外进液通孔307和第一排液口309。往返冲击锤3011做往返冲击运动，往返运动液缸305在往返冲击锤3011的冲击作用下作往返运动，并通过下部花键传递到钻头。钻头的往返运动能有效地减轻钻具钻头周向黏滑振动，提高钻头破岩效率，保护钻头。

本申请所述的周向减震工具执行系统未启动时，周向减震工具执行系统外壳体301通过下部花键与钻头接头3012配合，将上部钻具扭矩传递到钻头破岩。周向减震工具执行系统启动后，配合花键一方面要传递上部钻具的扭矩用于钻头破岩，同时还传递往返运动缸305的周期性冲击扭矩，用于减轻钻具的周向黏滑振动，提高钻头破岩效率，保护钻头。

本申请所述的周向减震工具是一种井下闭环监测、分析、判断、控制一体化的周向减震工具，能够提高钻头破岩效率，保护钻具。具体的，该周向减震工具能实时采集、分析、判断井下周向振动情况，当井下周向振动超过设定振动阈值时，启动周向减震执行系统，减震钻具、钻头周向黏滑振动；当井下振动小于设定振动阈值时，停止周向减震执行系统。周向减震工具既能实时周向减震，又能有效提高工具本身寿命。

特别的，本申请所述的周向减震工具特别适用于硬地层、含砾地层、软硬交变地层，用于消除钻具周向黏滑振动，提高钻头破岩效率、延长钻头寿命、保护钻具。通过实验分析可知，本申请所述周向减震工具可提高钻头破岩效率40％以上。

在一个具体的应用场景下，如图1所示，周向减震工具包括：电力供应系统、振动监控系统和减震执行系统。

其中，电力供应系统为周向减震工具提供电源，保证工具井下用电。电力供应系统包括：第二壳体101、电池腔密封盖102、电池腔103、过流孔104、电池105、带密封的电源出口106、供电电缆107。其中，供电系统外壳体101为中空圆柱形，中空部分为台阶通孔。供电系统外壳体101上部与钻具通过螺纹连接的方式相连接，其下部也可以与第三壳体201通过螺纹连接的方式相连接。电池腔103上、下两端带有具有扶正、定位的法兰环，法兰环上设置有所述过流孔104。电池腔103对应的下法兰端面安放在供电系统外壳体101内台阶孔上，法兰环外径与供电系统外壳体101内孔间隙配合。电池105安放在电池腔103内，上部有电池腔密封盖102密封。电池腔103下部有带密封的电源出口106，供电电缆107通过下部带密封的电源出口106将电输送到振动监控系统和周向减震执行系统。

所述振动监控系统用于实时监测、处理、分析井下钻具振动，依据程序设定，在需要的情况下启动周向减震执行系统。所述振动监控系统包括：第三壳体201、振动测量传感器202、传感器密封压盖203、监控处理单元密封压盖204、监控处理单元205、数据传输线206。

第三壳体201呈中空的圆柱状，上下两端设置有螺纹，带螺纹的上端与第二壳体101相连，带螺纹的下端与减震执行系统外壳体301相连。振动测量传感器202通过螺纹安装在振动监控外壳体201上，传感器密封压盖203将振动测量传感器202密封。监控处理单元205安装在第三壳体201上，监控处理单元密封压盖204将监控处理单元205密封。供电电缆107通过振动监控外壳体201内孔上的供电密封孔将电分别输送到振动传感器202和监控处理单元205。振动测量传感器202通过数据传输线206将测量的数据信号传输至监测处理单元205。

监测处理单元205程序运行流程如图2所示，所述检测处理单元205可以包括振动数据采集器和分析处理振动数据模块，首先振动数据采集器根据程序设定的采样频率采集振动测量传感器数据，然后利用分析处理振动数据模块对振动数据进行处理分析，并与程序中设定的数据进行对比，判断周向振动强度是否大于设定值。若井下振动数据大于设定阈值，启动周向减震执行系统，以减轻钻具振动。当井下振动数据小于设定阈值，监测处理单元205将控制周向减震执行系统停止工作，从而达到能减震消除井下钻具周向振动对钻具、钻头的破坏，提高钻头破岩效率，又能有效提高工具寿命的目的。

所述周向减震执行系统在供电时启动，停止供电时终止工作。具体的，所述周向减震执行系统包括：第一壳体301、护套302、纵向压簧303、密封压盖304、往返运动缸305、第一电磁密封块306、第二电磁密封块308、往返冲击锤3011、钻头接头3012。

其中，第一壳体301为中空的圆柱形，中空部分为台阶通孔，其上部设置有连接螺纹，用于与第三壳体201下部螺纹相连，下部设置有花键，用于传递扭矩。如图3所示，第一壳体301上有2个对称的第二排液口3010，用于将返运动缸305中钻井液排至环空。两个排液口间通过环形排液槽30101相连通。

往返运动缸305为中空的“T”形状圆柱体，上端直径大、下端直径小。如图4所示，往返运动缸305上端内孔为四段圆弧和四个直线段组成的形状。四段圆弧包括两个大直径的圆弧和两个小直径的圆弧。两个大直径圆弧段与四个直线段形成两个对称的扇形空间，扇形空间对应圆弧角度为30°-175°。往返运动缸305下部内孔为通孔，且通孔直径等于或小于上部小直径圆弧的直径，用于形成钻井液流通通道。往返运动缸305上部大直径段有四个第一排液口309，用于排出往返运动缸中钻井液。图4中分别标记为309A和309B，相同标记的第一排液口在周向减震执行系统工作时具有一样的开关步骤。在所述往返运动缸305的侧壁上形成有第二电磁密封块卡槽30501，其用于定位安装第二电磁密封块308和纵向压簧303。具体的，所述第二电磁密封块卡槽30501在周向上的位置可以与所述第一排液口309相对。具体的，所述第二电磁密封块卡槽30501的个数可以与所述第二电磁密封块308以及第一排液口309相同，位置相匹配。当所述第一排液口309为共轭的四个时，如图4所示，所述第二电磁密封块卡槽30501为组内相轴向对称的30501A和30501B。通电时，第二电磁密封块308向下运动，以打开第一排液口309。

请结合参阅图5，所述往返冲击锤3011上部可呈圆筒形，下部可由四段圆弧和四个直线段组成。其中，两个大直径段圆弧和四段直线形成两个对称的扇形凸出块。扇形对应圆弧角度可为30°-150°，且往返冲击锤3011扇形凸起对应的圆弧角度小于往返运动缸305的扇形空间对应的圆弧角度。

所述往返冲击锤3011上有四个进液通孔307为钻井液提供流进通道，如图5所示，分别标记为307A和307B，相同标记的往返冲击锤进液通孔307在周向减震执行系统工作时具有一样的开关步骤。

所述第一电磁密封块306可以为圆弧条形，与纵向压簧303配合使用，安装在第一电磁密封块卡槽301101内，该第一电磁密封块卡槽3011001的个数与所述第一电磁密封块306以及进液通孔307的个数相同，位置相匹配。当所述进液通孔307为共轭的四个时，如图5所示，第一电磁密封块卡槽301101为组内轴向对称的301101A和301101B。通电时，第一电磁密封块306向上推动，打开进液通孔307。

所述护套302可以为圆筒状，安装在往返冲击锤3011内孔上端，用于为纵向压簧303和第一电磁密封块306定位。

所述密封压盖304可为圆环形，外径与往返运动缸305上部外径相同，内径与往返冲击锤3011上端圆柱段外径相同。

所述往返冲击缸305下部通过螺纹与钻头接头312相连，两者连接后周向减震系统外壳体301下部花键与钻头接头312上部大直径段花键相配合，用于传递钻柱扭矩和往返运动缸305产生的额外往返冲击扭矩。

往返运动缸305安装在第一壳体301内孔台阶处，第一壳体301内孔台阶为往返冲运动缸305提供支撑(图1所示)。图6是图1A-A向视图，往返冲击锤3011安装在往返运动缸305内，所述往返冲击锤3011的扇形凸起位于往返运动缸305的扇形空间中，往返冲击锤3011下部大直径段圆弧直径与往返冲击缸305上部内孔大直径圆弧直径相同，往返冲击锤3011下部小直径段圆弧直径与往返冲击缸305上部内孔小直径圆弧直径相同。

所述密封压盖304的作用是使得往返运动缸305与往返冲击锤3011形成上端密封的往返腔体30502。具体的，所述密封压盖304可以设置在所述往返冲击缸305上端并套设在所述往返冲击锤3011外。

如图7所示，周向减震执行系统顺时针转动冲击时，周向减震执行系统启动工作时，2个进液通孔307B对应第一电磁密封块卡槽301101B中的第一电磁密封块306向上运动，打开2个进液通孔307B，同时2个往返运动缸的低压排液口309B对应的第二电磁密封块卡槽30501B中的第二电磁密封块308向下运动，打开2个往返运动缸的低压排液口309B。钻具内高压钻井液通过2个进液通孔307B进入往返运动缸305与往返冲击锤3011和密封压盖304形成扇形密封空间，此时往返腔体30502已通过环形排液槽30101和第二排液口3010与低压环空钻井液相连。由于钻具内钻井液压力高于环空钻井液压力，往返冲击锤3011两面存在压差，因此在高压钻井液推动下，往返冲击锤3011顺时针转动运动。当往返冲击锤3011运动到一个方向死点时，往返冲击锤3011冲击往返运动缸305，在冲击力的作用下，使往返运动缸305运动，并通过下部钻头接头3012螺纹传递到钻头。另外，当返冲击锤311运动到一个方向死点时，通过第一电磁密封块306、第二电磁密封块308运动关闭现已打开的2个进液通孔307B和2个第一排液口309B。如图8所示，打开另外2个进液通孔307A和2个第一排液口309A。高压钻井液反向推动往返冲击锤3011做逆时针运动，当往返冲击锤3011运动到反向死点时，关闭已打开的2个进液通孔307A和2个第一排液口309A，打开另外2个进液通孔307B和2个第一排液口309B。往返冲击锤3011在往返运动缸305做着往返冲击运动(图7、图8所示)。往返运动液缸305在往返冲击锤3011的冲击作用下作往返运动，并通过下部花键传递到钻头。钻头的往返运动能有效地减轻钻具钻头周向黏滑振动，提高钻头破岩效率，保护钻头。

周向减震工具执行系统未启动时，周向减震工具执行系统外壳体301通过下部花键与钻头接头312配合，将上部钻具扭矩传递到钻头破岩。周向减震工具执行系统启动后，配合花键一方面要传递上部钻具的扭矩用于钻头破岩，同时还传递往返运动缸305的周期性冲击扭矩，用于减轻钻具的周向黏滑振动，提高钻头破岩效率，保护钻头。

请参阅图9，本申请实施方式中还提供了一种周向减震方法，该方法可以包括如下步骤：

步骤S10：通过振动测量机构获取钻具振动数据；

步骤S12：将获取的所述钻具振动数据与预设振动阈值对比；

步骤S14：当所述钻具振动数据大于所述预设振动阈值时，启动轴向减震执行系统。

在本实施方式中，所述振动测量机构可以包括振动测量传感器和监测处理单元。首先，可以通过所述振动测量传感器获取振动数据，然后所述监测处理单元将所述振动数据与其预存的预设振动阈值进行比对，当所述钻具振动数据大于所述预设振动阈值时，表示此时需要进行周向减震处理，相应的，启动轴向减震执行系统，进行周向减震。

在一个实施方式中，所述方法还可以包括：步骤S16：当所述钻具振动数据小于所述预设振动阈值时，持续执行所述振动测量机构获取钻具振动数据和数据对比的步骤。

此外，在一个具体的实施方式中，所述振动测量机构中的监测处理单元也可以以预定的频率获取所述测量传感器的振动数据，同样的，重复上述步骤12至步骤16。

本申请提供的周向减震方法是一种井下闭环监测、分析、判断、控制一体化的周向减震方法，能够实现钻具保护的自动控制，提高钻头破岩效率，保护钻具。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本实用新型的几个实施方式，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种周向减震工具，其特征在于，包括：

电力供应系统以及与所述电力供应系统电性连接的振动监控系统和周向减震执行系统；

所述振动监控系统包括振动测量传感器和监控处理单元；

所述周向减震执行系统包括第一壳体以及设置在所述第一壳体内的往复运动机构，该机构包括往返冲击锤和套设在所述往返冲击锤外的往返运动缸；

所述往返冲击锤与所述往返运动缸之间形成有相隔离的往返腔体，所述往返冲击锤上设置有进液通孔，所述进液通孔能与所述往返腔体相连通形成进液通道；

所述往返运动缸上设置有第一排液口，所述第一壳体设置有能与所述第一排液口相连通的第二排液口，所述往返腔体能依次与所述第一排液口、第二排液口相连通形成出液通道；

当所述监控处理单元根据所述振动测量传感器获取的振动信号控制所述电力供应系统向所述周向减震执行系统供电时，所述进液通道、出液通道与所述往复运动机构相连通，所述往返冲击锤、往返运动缸能作周向往返转动；

用于连接钻头的钻头接头，所述钻头接头上端的内侧与所述往返冲击缸相连接，其外侧通过传力机构与所述第一壳体相连接。

2.如权利要求1所述的周向减震工具，其特征在于，所述传力机构为花键与键槽的配合机构。

3.如权利要求1所述的周向减震工具，其特征在于，所述第一排液口的个数为偶数个，

所述第一壳体呈中空的圆柱体，其内壁上形成有连通所述第一排液口的环形排液槽。

4.如权利要求1所述的周向减震工具，其特征在于，所述周向减震执行系统还包括：

用于控制所述往返冲击锤上设置有进液通孔启闭的第一电磁密封块；

用于控制所述第一排液口启闭的第二电磁密封块；

与所述第一电磁密封块相配合的第一纵向压簧；

与所述第二电磁密封块相配合的第二纵向压簧；

所述第一电磁密封块、第二电磁密封块分别与所述监控处理单元电性连接；

所述进液通孔和所述第一排液口的个数相同且均为偶数个，所述第一电磁密封块交替控制一半所述进液通孔开启，另一半关闭；所述第二电磁密封块交替控制一半所述第一排液口开启，另一半关闭。

5.如权利要求4所述的周向减震工具，其特征在于，

所述往返运动缸为变直径的中空圆柱体，其上部直径尺寸大于下部；其上部内孔截面由四段圆弧和四个直线段形成两个对称的扇形空间，所述往返运动缸下部内径小于或等于所述四段圆弧中直径较小的圆弧的直径；

所述往返冲击锤为中空的筒体，其下部外侧轮廓由四段圆弧和四个直线段形成两个对称的扇形凸起，

所述往返冲击锤凸起的扇形圆弧角度小于所述往返运动缸扇形空间的圆弧角度。

6.如权利要求4所述的周向减震工具，其特征在于，所述周向减震执行系统还包括：

设置在所述往返冲击锤上端的护套，其呈圆筒状，用于为所述第一纵向压簧和第一电磁密封块定位。

7.如权利要求4所述的周向减震工具，其特征在于，所述往复运动缸的外侧壁上设置有用于安装低压排液口和第二纵向压簧的第二电磁密封块卡槽。

8.如权利要求1所述的周向减震工具，其特征在于，所述周向减震执行系统还包括：设置在所述往返冲击缸上端并套设在所述往返冲击锤外的密封盖，用于在所述往返冲击缸与所述往返冲击锤之间形成密封的环形空腔。

9.如权利要求1所述的周向减震工具，其特征在于，所述电力供应系统包括：第二壳体、设置在所述壳体内的电池腔、密封设置在所述电池腔内的电池以及与所述电池电性连接的供电电缆，其中，所述电力供应系统还设置有用于流通钻井液的过流孔。

10.如权利要求9所述的周向减震工具，其特征在于，所述第二壳体的上端内侧设置有用于和上部钻具连接的内螺纹，下端外侧设置有用于和振动监控系统连接的外螺纹，其内部设置有用于对所述电池腔限位的限位台阶。

11.如权利要求10所述的周向减震工具，其特征在于，所述过流孔设置在所述电池腔上，或者设置在所述第二壳体上，或者由所述电池腔与所述第二壳体之间的间隙形成。

12.如权利要求11所述的周向减震工具，其特征在于，所述电池腔的上端和下端设置有法兰环，所述过流孔设置在所述法兰环上；所述法兰环抵靠在所述限位台阶上，且所述法兰环与所述第二壳体为间隙配合。

13.如权利要求1所述的周向减震工具，其特征在于，所述振动监控系统包括：第三壳体、设置在所述第三壳体上的振动测量传感器和监控处理单元，所述振动测量传感器和监控处理单元电性连接，并均由所述电力供应系统供电。

14.如权利要求13所述的周向减震工具，其特征在于，所述第三壳体的外壁上设置有：第一凹槽和与所述第一凹槽相匹配的传感器密封压盖，第二凹槽和与所述第二凹槽相匹配的监控处理单元密封压盖；

所述振动测量传感器设置在所述第一凹槽内，并通过所述传感器密封压盖密封；所述监控处理单元设置在所述第二凹槽内，并通过所述监控处理单元密封压盖密封。