CN103174791B - 钻柱激振减阻工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气钻井工具领域，特别是涉及一种激励钻柱产生周期性振动的钻井减阻工具，该工具包括双母套筒和插装在其两端的上部双公接头和下部双公接头，双母套筒、上部双公接头和下部双公接头均为中空设置，该工具还包括动力装置和偏心轴，所述动力装置位于上部双公接头内；所述偏心轴与所述动力装置相连接，且偏心轴的同心段通过扶正轴承安装在双母套筒的中空腔内，其偏心段能在双母套筒内旋转。本发明使得钻柱作用在井壁上的正压力周期性的减小，使钻柱与井壁间的静摩擦变为动摩擦，显著减小钻柱与井壁之间的摩阻和扭矩，有效消除大斜度井长水平段、页岩气水平井钻进过程中存在的“拖压”和“粘滑振动”现象。

Description

钻柱激振减阻工具

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井工具领域，特别是涉及一种激发钻柱产生周期性振动的钻井减阻工具。

背景技术

在大斜度井（即钻井斜长与垂深之比大于2，井斜角在60o～86°的定向井）长水平段和页岩气水平井（井斜角达到或接近90°，井身沿着水平方向钻进一定长度的井）钻进过程中，部分钻柱靠在下井壁上，钻柱与井壁之间会产生很大的摩阻和扭矩，导致钻压和扭矩无法顺利地施加到钻头上，产生“拖压”现象，导致机械钻速很低；另，钻柱与井壁之间巨大的摩阻会使钻柱产生“粘滑振动”现象，钻头转速可以瞬间达到很大值，很容易造成钻柱破坏，因此在大斜度井长水平段、页岩气水平井钻进过程中，高摩阻和扭矩导致的“拖压”和“粘滑振动”成为影响钻进效率的重要因素。

针对大斜度井长水平段、页岩气水平井钻进过程中的“拖压”及“粘滑振动”现象导致钻进效率低下的问题，研究表明：振动可以改变摩擦副之间的摩擦状态，使摩擦副之间的摩擦系数降低，因此，如何将振动减阻技术应用于大斜度井长水平段、页岩气水平井钻柱减阻，以提高大斜度井长水平段、页岩气水平井的机械钻速和保障钻井安全，是高摩阻井钻井技术的一个重要方向。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：大斜度井长水平段、页岩气水平井钻进过程中存在的“拖压”和“粘滑振动”问题。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种钻柱激振减阻工具，该工具包括双母套筒和插装在其两端的上部双公接头和下部双公接头，所述双母套筒、上部双公接头和下部双公接头均为中空设置，该工具还包括动力装置和偏心轴，其中：所述动力装置位于上部双公接头内，用于提供旋转动力；所述偏心轴与所述动力装置相连接，且偏心轴的同心段通过扶正轴承安装在双母套筒的中空腔内，其偏心段能在双母套筒内旋转，用于提供周期性的偏心力，该偏心力驱使该工具产生周期性振动。

优选的，所述动力装置包括动力轴，所述动力轴的一端沿轴向延伸至双母套筒内。

优选的，所述偏心轴一端的同心段与动力轴通过联轴器固定连接。

优选的，所述偏心轴另一端的同心段延伸至所述下部双公接头内。

优选的，所述联轴器、偏心轴和动力轴内设置有相连通的中空腔。

优选的，所述偏心轴两端的同心段上分别设有与扶正轴承相卡合的轴肩，用于实现扶正轴承的轴向定位。

优选的，所述轴肩设置为套装在偏心轴上的定位套筒。

优选的，所述双母套筒包括内设有联轴器的上部双母套筒和内设有偏心轴偏心段的下部双母套筒，所述上部双母套筒和下部双母套筒通过中空的中部双公接头相连接。

优选的，所述中部双公接头和下部双公接头的中空腔内分别设有与偏心轴同心段相适配的密封装置。

优选的，所述下部双母套筒与偏心轴之间的空腔内充装有润滑油。

（三）有益效果

本发明提供的钻柱激振减阻工具，通过动力装置驱使偏心轴旋转产生偏心力，进而由该偏心力驱使减阻工具及其附近钻柱产生周期性的振动，使得钻柱作用在井壁上的正压力周期性的减小，使钻柱与井壁间的静摩擦变为动摩擦，显著减小钻柱与井壁之间的摩阻和扭矩，有效消除大斜度井长水平段、页岩气水平井钻进过程中存在的“拖压”和“粘滑振动”现象；进一步的，本发明的振动减阻工具，通过两端的双公接头可安装在钻柱的任意段，实用价值高；再进一步的，该减阻工具通过巧妙设置的密封装置，使得偏心轴及扶正轴承位于一密闭腔内，在该密闭腔内充装的润滑油起到对扶正轴承的润滑和散热作用，充分提高了该工具的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的实施例1结构原理图；

图2是本发明的实施例1的A向剖视图；

图3是本发明的实施例2结构原理图；

其中：1、双母套筒，1-1、上部双母套筒，1-2、下部双母套筒，2、上部双公接头，3、下部双公接头，4、动力装置，4-1、动力轴，5、偏心轴，5-1、同心段，5-2、偏心段，6、轴肩，7、中部双公接头，8、扶正轴承，8-1、上部扶正轴承，8-2、下部扶正轴承，9、密封装置，10、联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、2所示为本发明的实施例1，一种钻柱激振减阻工具，该工具包括双母套筒1、上部双公接头2和下部双公接头3，上部双公接头2和下部双公接头3分别插装在双母套筒1的两端，该工具通过上部双公接头2和下部双公接头3可连接在钻柱的任意段，提高了该工具的实用性。

双母套筒1、上部双公接头2和下部双公接头3均为中空设置，在中空腔内设置有用于产生偏心力的动力装置4和偏心轴5，以通过偏心力使该工具产生周期性振动，其中的动力装置4可以采用容积式马达、涡轮马达等，其位于上部双公接头2内，用于提供旋转动力，动力装置4的动力轴4-1沿轴向延伸至双母套筒1内，上部双公接头2与动力轴4-1间隙配合，以起到径向限位的效果，防止动力轴4-1与上部双公接头2发生相对晃动。上部双公接头可设置为拼接式等结构，以便于动力装置的安装。

偏心轴5与所述动力装置4相连接，优选的，将偏心轴5设置为两端为同心段5-1，而两端之间相应位置具有偏心段，偏心轴5一端的同心段5-1通过联轴器10与动力装置4的动力轴4-1相连接，由动力装置4的动力轴4-1驱使偏心轴5旋转，其中的联轴器10例如可以设置为双母接头，动力轴4-1和偏心轴5以螺纹连接或者多面棱柱与多面孔插接等方式连接在双母接头的两端，以降低加工难度；偏心轴5至少一端的同心段5-1通过扶正轴承8安装在在双母套筒1的中空腔内，图示的扶正轴承位于下端，显然，扶正轴承也可依据具体设计要求安装在上端的同心段上，或者如图3所示在两端的同心段上都安装有扶正轴承，由扶正轴承8实现对偏心轴5的径向及轴向的定位，防止偏心轴5与双母套筒1发生相对晃动，确保其只能发生同步振动；偏心轴5的偏心段5-2能够在双母套筒1内自由旋转，即双母套筒1内相应位置具有供给偏心轴5偏心段自由旋转的足够的空间。

上述的动力轴4-1、联轴器10及偏心轴5优选设置为中空式结构，其相连通的中空腔为钻井液通道，当该工具安装在钻柱的任意一段时，该中空式结构不阻断钻井液的流动，不会影响钻柱的正常作业。

据此，将该工具通过两端的上部双公接头2和下部双公接头3安装在钻柱上，由动力装置4通过动力轴4-1驱动偏心轴5旋转，产生偏心力，该偏心力促使偏心轴5发生周期性振动，由于偏心轴5通过扶正轴承8与双母套筒1相连接而只能同步振动，因而，偏心轴5带动双母套筒1同步进行周期性振动，进而，该工具驱动与其相连接的钻柱同步发生周期性振动，该周期性振动能够有效解决大斜度井长水平段、页岩气水平井钻进过程中存在的“拖压”和“粘滑振动”现象而导致钻井效率低下和钻柱易受损等问题。

显然，实施例1中为较简单和较为低成本的结构设计，而为了进一步提高运行的稳定性等性能，可以对旋转轴、双母套筒等结构进行相应的变形和改进，如图3所示即为改进后的一具体实施例（实施例2）。

该实施例是在实施例1的基础上进行了相应的改进，其与实施例1的区别至少包括：为加强偏心轴5的径向定位效果，将扶正轴承设置有两个，即图示位于偏心段上方的上部扶正轴承8-1和位于偏心段下方的下部扶正轴承8-2；与上部扶正轴承8-1和下部扶正轴承8-2相对应的，在偏心轴5两端的同心段5-1上分别设有一轴肩6，两个轴肩6分别与两个扶正轴承相卡合，用于扶正轴承的轴向定位，其中轴肩6优选设置为套装在偏心轴5上的定位套筒，以降低加工和组装难度；为更进一步提高运行的稳定性以及降低加工和组装难度，将双母套筒1设置为由中部双公接头7插接在一起的上部双母套筒1-1和下部双母套筒1-2，其中的联轴器10位于上部双母套筒1-1内，而偏心轴5的偏心段5-2以及上部扶正轴承8-1、两个轴肩6、下部扶正轴承8-2位于下部双母套筒1-2内，中部双公接头7与偏心轴5的同心段5-1为间隙配合，起到辅助限位的作用。另，将传动轴图示下端的同心段5-1沿轴向延长至下部双公接头3内，且该同心段5-1与下部双公接头3为间隙配合，以起到辅助限位的作用。

为充分提高该工具的使用寿命，需要对上部扶正轴承8-1和下部扶正轴承8-2进行润滑和散热，据此，在中部双公接头7和下部双公接头3的中空腔内分别设有与偏心轴5同心段5-1相适配的密封装置9，由密封装置9、下部双母套筒1-2形成一封闭腔室，在该腔室内，即下部双母套筒1-2与偏心轴5之间的空腔内充装润滑油，而偏心轴5的偏心段即在该封闭腔室内的润滑油环境中旋转，进而起到对上部扶正轴承8-1和下部扶正轴承8-2充分润滑和散热的作用，提高扶正轴承的使用寿命。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应当涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种钻柱激振减阻工具，该工具包括双母套筒和插装在其两端的上部双公接头和下部双公接头，所述双母套筒、上部双公接头和下部双公接头均为中空设置，其特征在于，该工具还包括动力装置和偏心轴，其中：

所述动力装置位于上部双公接头内，用于提供旋转动力；

所述偏心轴与所述动力装置相连接，且偏心轴的同心段通过扶正轴承安装在双母套筒的中空腔内，其偏心段能在双母套筒内旋转，用于提供周期性的偏心力，该偏心力驱使该工具产生周期性振动；

所述动力装置包括动力轴，所述动力轴的一端沿轴向延伸至双母套筒内，且上部双公接头与动力轴间隙配合；

所述偏心轴一端的同心段与动力轴通过联轴器固定连接；所述偏心轴另一端的同心段延伸至所述下部双公接头内；

所述偏心轴两端的同心段上分别设有与扶正轴承相卡合的轴肩用于实现扶正轴承的轴向定位，所述轴肩设置为套装在偏心轴上的定位套筒；

所述双母套筒包括内设有联轴器的上部双母套筒和内设有偏心轴偏心段的下部双母套筒，所述上部双母套筒和下部双母套筒通过中空的中部双公接头相连接；所述中部双公接头与偏心轴的同心段间隙配合；所述下部双公接头与偏心轴的同心段间隙配合。

2.根据权利要求1所述的钻柱激振减阻工具，其特征在于：所述联轴器、偏心轴和动力轴内设置有相连通的中空腔。

3.根据权利要求1所述的钻柱激振减阻工具，其特征在于：所述中部双公接头和下部双公接头的中空腔内分别设有与偏心轴同心段相适配的密封装置。

4.根据权利要求1所述的钻柱激振减阻工具，其特征在于：所述下部双母套筒与偏心轴之间的空腔内充装有润滑油。