CN212454298U - 钻头三轴振动稳定器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钻头三轴振动稳定器，钻头三轴振动稳定器主要由外壳体、弹簧、中心轴、支撑块组成。外壳体与中心轴之间安装弹簧，中心轴上加工安装楔形体，支撑块安装在外壳体上，支撑块与楔形体配合，外壳体与中心轴分别加工花键模块，并相互配合。钻头三轴振动稳定器安装在钻头上部，不仅能够吸收缓冲钻头轴向振动，还能将轴向振动能量转化为径向支撑力，即将钻头固定在井壁上，降低钻头横向振动幅度，达到提高钻头工作稳定性的目的。钻头三轴振动稳定器能进一步提高钻头稳定性，有效保护钻头，延长使用寿命，是一种结构简单、操作方便、成本低廉、安全可靠的钻井井下工具。

Description

钻头三轴振动稳定器

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探领域的井下工具，尤其是钻头三轴振动稳定器。

背景技术

在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探领域中，钻头是破碎岩石的关键工具之一，但随着井深的不断增加，岩石越来越硬，不均质性也越严重，使得钻头在高速旋转破岩的稳定性越来越差，不仅降低了破岩效率，而且大幅减少了钻头的使用寿命。钻头破岩的不稳定性，直接导致了井下振动的产生，进而影响整体钻柱系统的振动，即钻头是井下振动的主要发生源。钻头旋转破岩状态失稳后，就会形成复杂的振动，研究表明，钻头振动主要是三轴方向，即沿着井眼轴线的轴向与两个横向（井眼的径向），钻头的振动不是单一存在的，而是同时存在且相互影响的一个复杂状态。为了抑制钻头振动，保持钻头旋转破岩的稳定性，国内外研制了多项技术及配套装置，主要分为两方面，一方面是通过改变钻井工艺或工程参数的方法降低钻头振动，如减小钻压、钻头转速；另一方面是利用专用减振工具，但目前国内外的专用工具主要是针对钻头的轴向减振，对于钻头的横向减振研究相对较少。

中国专利CN108179980A公开了《一种机械变径稳定器》，作为螺杆钻具配套工具用来消除螺杆钻具反扭角，解决定向井、水平井螺杆钻具滑动钻进定向困难，提高定向钻井速度，降低定向钻井成本。具体技术方案是：主要由上接头、销钉、传动轴、轴状翼板、下接头、端盖、双向凸轮、导向轮、单向凸轮和外筒组成。该实用新型在定向井、水平井钻井过程中，机械变径稳定器通常连接到螺杆钻具上部或上移一段距离钻具中，机械变径稳定器距离螺杆钻具越近，稳定工具面效果越好。摆工具面或复合钻进时，转盘(或顶驱)扭矩高于螺杆钻具反扭矩，井下钻具和螺杆钻具复合驱动钻头顺时针旋转，传动轴由上部钻具驱动顺时针旋转，双向凸轮轨道外侧璧推动轴状翼板向内运动，轴状翼板收回，机械变径稳定器相当于钻柱稳定器。滑动钻进时，转盘(或顶驱)不驱动井下钻具旋转，螺杆钻具驱动钻头顺时针旋转，传动轴由下部钻具驱动逆时针旋转，双向凸轮轨道内侧璧和单向凸轮共同推动轴状翼板向外运动，轴状翼板伸出且嵌进井壁，阻止螺杆钻具反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角，彻底解决螺杆钻具滑动钻进定向困难。

但是钻头破岩形成的井眼并不是规则的，这就使得钻头不是完全处于满眼旋转状态，但理论与现场实践表明，钻头在井眼中满眼旋转时，即完全与井壁贴合，钻头就处于最稳定的旋转状态。因此，现有钻井工艺和设备技术中，存在钻头高速旋转破岩的稳定性差、钻头振动大的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种最大限度的提高钻头旋转破岩的稳定性，降低钻头振动的不利影响，防止钻头切削齿过早崩损，延长钻头使用寿命，提高井下安全性的钻头三轴振动稳定器。

为了解决以上技术问题，本实用新型是通过采用以下技术方案方式实现的：

钻头三轴振动稳定器，包括外壳体、中心轴、支撑块和弹簧，其中：

所述外壳体上部带有接头，下部内壁设有内凸花键模块，中段设有环形凹槽，在环形凹槽处周向分布有多个导孔；所述中心轴底部带有接头，中段下部设有与外壳体内凸花键模块配合的花键模块，花键模块上部为周向分布的多个楔形体，楔形体上部的中心轴与外壳体构成环形弹簧腔；所述弹簧设置在环形弹簧腔内；所述支撑块与外壳体上的导孔构成径向滑动密封配合，支撑块的内端面与楔形体构成滑动限位配合，将楔形体的轴向运动转化为支撑块的径向运动。

上述方案进一步包括：

所述支撑块的内端与楔形体之间通过异形凸头和异形凹槽滑动限位配合。优选的，所述支撑块的内端与楔形体之间通过T形凸头和T形凹槽滑动限位配合。

所述支撑块伸出的端面是球面形。优选的，所述支撑块伸出的端面镶嵌防磨片或者涂覆防磨层。

所述外壳体的导孔和楔形体与支撑块的数量均为-个。优选的，所述外壳体的导孔和楔形体与支撑块的数量均为个，且均匀分布。

所述中心轴楔形体上方设置弹簧挡环，弹簧设置在弹簧挡环之上。

所述中心轴和外壳体的空间内充满润滑油。

本实用新型的钻头三轴振动稳定器安装在钻头上部，钻柱的扭矩经外壳体、花键模块驱动钻头旋转破岩。当钻头发生轴向振动，且轴向振动幅值较小时，中心轴的轴向位移量较小，弹簧被压缩并吸收缓冲轴向振动能量，且支撑块不会伸出；当钻头轴向振动幅值较大时，中心轴的轴向位移量也会增大，由于楔形体安装在中心轴上，因此楔形体也会随之产生较大的轴向位移，而且支撑块与楔形体之间是配合连接，就使得支撑块径向伸出，即将中心轴的轴向位移转化为支撑块的径向位移，支撑块径向伸出并与井壁发生接触，井壁限制了支撑块的伸出量，进而限制了中心轴的轴向位移量，也就限制了钻头的轴向振动幅值，从而控制了钻头的三轴振动幅值，振动幅值越小，振动剧烈程度越低，也就越有利于保持钻头在井底的稳定性。当钻头的轴向振动减小或消失后，中心轴在弹簧恢复力的作用下向下移动，楔形体也随之向下移动，并使支撑块缩回至原位。

由于钻头是井下振动的主要发生源，且钻头三轴振动稳定器直接与钻头相连接，即距离振动发生源较近，因此钻头三轴振动稳定器的减振稳定效果非常显著，而常规减振装置安装距离钻头较远，即距离振动发生源较远，导致减振效果较差。现场测试结果表明，钻头三轴振动稳定器能够完全满足国内现有钻井工艺的技术要求，平均机械钻速提高166%-289%，尤其是在我国西北、西南等工区的深井、超深井钻井过程时，提速效果非常显著，大幅缩短了钻井周期、降低了钻井成本，取得了较大的经济效益和社会效益。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：（1）钻头三轴振动稳定器直接与钻头相连接，即距离振动发生源较近，对钻头的减振稳定效果非常显著；（2）钻井提速效果明显；（3）钻头三轴振动稳定器还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便、成本低廉的特点，便于大范围推广使用。

附图说明

图1是依据本实用新型所提出的钻头三轴振动稳定器结构示意图。

图中：1.外壳体，2.弹簧，3.中心轴，4.支撑块，5.楔形体，6.花键模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。

实施例1

一种钻头三轴振动稳定器，包括外壳体1、中心轴3、支撑块4和弹簧2，其中：

所述外壳体1上部带有接头，下部内壁设有内凸花键模块6，中段设有环形凹槽，在环形凹槽处周向分布有多个导孔；所述中心轴3底部带有接头，中段下部设有与外壳体1内凸花键模块6配合的花键模块6，花键模块6上部为周向分布的多个楔形体5，楔形体5上部的中心轴3与外壳体1构成环形弹簧腔；所述弹簧设置在环形弹簧腔内；所述支撑块4与外壳体1上的导孔构成径向滑动密封配合，支撑块4的内端面与楔形体5构成滑动限位配合，将楔形体5的轴向运动转化为支撑块4的径向运动。

实施例2

上述实施例进一步包括：

所述支撑块4的内端与楔形体5之间通过异形凸头和异形凹槽滑动限位配合。

所述支撑块4伸出的端面是球面形且镶嵌防磨片或者涂覆防磨层。

所述外壳体1的导孔和楔形体5与支撑块4的数量均为2个，且对称分布。

所述中心轴3和外壳体1的空间内充满润滑油。

实施例3

参照说明书附图1，钻头三轴振动稳定器主要由外壳体1、弹簧2、中心轴3、支撑块4、楔形体5、花键模块6组成。外壳体1与中心轴3之间安装弹簧2，中心轴3上加工安装楔形体5，支撑块4安装在外壳体1的径向通孔上，支撑块4后部与楔形体5的斜面接触。支撑块4与楔形体5配合将楔形体5的轴向运动转化为支撑块4的径向运动，使得支撑块4前部可以伸出或者缩回外壳体1。外壳体1与中心轴3分别加工花键模块6，外壳体1与中心轴3通过花键模块6构成花键配合。

弹簧2所处空间内充满润滑油，楔形体5所处空间内充满润滑油。支撑块4是三组或三组以上，均布。支撑块4与楔形体5的配合面上加工T型槽或燕尾槽。支撑块4伸出外壳体1的端面是球面形而且镶嵌防磨片。

工作原理：钻头三轴振动稳定器安装在钻头上部，钻柱的扭矩经外壳体1、花键模块6驱动钻头旋转破岩。

当钻头发生轴向振动，且轴向振动幅值较小时，中心轴3的轴向位移量较小，弹簧2被压缩并吸收缓冲轴向振动能量，且支撑块4不会伸出。

当钻头轴向振动幅值较大时，中心轴3的轴向位移量也会增大，由于楔形体5安装在中心轴3上，因此楔形体5也会随之产生较大的轴向位移，而且支撑块4与楔形体5之间是配合连接，就使得支撑块4径向伸出，即将中心轴的轴向位移转化为支撑块4的径向位移。支撑块4径向伸出并与井壁发生接触，井壁限制了支撑块4的伸出量，进而限制了中心轴3的轴向位移量，也就限制了钻头的轴向振动幅值，从而控制了钻头的三轴振动幅值，振动幅值越小，振动剧烈程度越低，也就越有利于保持钻头在井底的稳定性。

当钻头的轴向振动减小或消失后，中心轴3在弹簧2恢复力的作用下向下移动，楔形体5也随之向下移动，并使支撑块4缩回至原位。

由于钻头是井下振动的主要发生源，且钻头三轴振动稳定器直接与钻头相连接，即距离振动发生源较近，因此钻头三轴振动稳定器的减振稳定效果非常显著，而常规减振装置安装距离钻头较远，即距离振动发生源较远，导致减振效果较差。

Claims (9)

1.钻头三轴振动稳定器，包括外壳体（1）、中心轴（3）、支撑块（4）和弹簧（2），其特征在于：

所述外壳体（1）上部带有接头，下部内壁设有内凸花键模块（6），中段设有环形凹槽，在环形凹槽处周向分布有多个导孔；所述中心轴（3）底部带有接头，中段下部设有与外壳体（1）内凸花键模块（6）配合的花键模块（6），花键模块（6）上部为周向分布的多个楔形体（5），楔形体（5）上部的中心轴（3）与外壳体（1）构成环形弹簧腔；所述弹簧设置在环形弹簧腔内；所述支撑块（4）与外壳体（1）上的导孔构成径向滑动密封配合，支撑块（4）的内端面与楔形体（5）构成滑动限位配合，将楔形体（5）的轴向运动转化为支撑块（4）的径向运动。

2.根据权利要求1所述的钻头三轴振动稳定器，其特征在于：所述支撑块（4）的内端与楔形体（5）之间通过异形凸头和异形凹槽滑动限位配合。

3.根据权利要求2所述的钻头三轴振动稳定器，其特征在于：所述支撑块（4）的内端与楔形体（5）之间通过T形凸头和T形凹槽滑动限位配合。

4.根据权利要求1、2或3所述的钻头三轴振动稳定器，其特征在于：所述支撑块（4）伸出的端面是球面形。

5.根据权利要求4所述的钻头三轴振动稳定器，其特征在于：所述支撑块（4）伸出的端面镶嵌防磨片或者涂覆防磨层。

6.根据权利要求5所述的钻头三轴振动稳定器，其特征在于：所述外壳体（1）的导孔和楔形体（5）与支撑块（4）的数量均为2-6个。

7.根据权利要求6所述的钻头三轴振动稳定器，其特征在于：所述外壳体（1）的导孔和楔形体（5）与支撑块（4）的数量均为3个，且均匀分布。

8.根据权利要求7所述的钻头三轴振动稳定器，其特征在于：所述中心轴（3）楔形体（5）上方设置弹簧挡环，弹簧（2）设置在弹簧挡环之上。

9.根据权利要求7所述的钻头三轴振动稳定器，其特征在于：所述中心轴（3）和外壳体（1）的空间内充满润滑油。

Images