CN106639944A - 一种涡轮式井下水力振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涡轮式井下水力振荡器，属石油井下设备技术领域。包括上壳体、下壳体、上接头、下接头、花键套和中间接头，上壳体和下壳体之间通过中间接头相互螺纹连接，下壳体的端头螺纹安装有下接头，上壳体的端头通过花键套螺纹安装有上接头；下壳体内通过涡轮轴端帽和推力轴承装有涡轮轴。该水力振荡器采用涡轮驱动，没有偏心运动引起的横向振动，对LWD、MWD等工具的信号采集工作不产生影响；通过自身轴向的周期性高频蠕动，使钻柱与井壁之间的摩擦条件发生变化、钻柱弹性送钻的瞬时滑动摩擦系数的增长速度降低，从而降低摩阻、提高机械钻速。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡轮式井下水力振荡器，属石油井下设备技术领域。
背景技术
近年来，随各大油田勘探技术的不断深入，油井井身结构复杂度逐渐增加，长水平、大斜度及多分支水平井等的数量增加等问题对钻井工程提出了新的现实要求，使水力振荡器等工具的发展空间和需求得到了提升。就如何提高水平井水平段长度和实现快速钻进等问题成为了石油产业相关研究关注的焦点。复杂的井身结构，不仅对钻井技术和方法提出了较高的要求，而且较大的井斜角使石油钻杆柱与井壁间的摩擦阻力明显增大，降低了钻压的传递效率，影响了机械钻进速度。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种由涡轮驱动，且耐高温、磨损能力强，以改善钻压传递效果的涡轮式井下水力振荡器。
本发明的技术方案是：
一种涡轮式井下水力振荡器，包括上壳体、下壳体、上接头、下接头、花键套和中间接头，其特征在于：上壳体和下壳体之间通过中间接头相互螺纹连接，下壳体的端头螺纹安装有下接头，上壳体的端头通过花键套螺纹安装有上接头；下壳体内通过涡轮轴端帽和推力轴承装有涡轮轴，涡轮轴上通过扶正轴承A和扶正轴承B装有涡轮组件，推力轴承一端的下壳体内通过阀座安装有阀盘；阀盘与涡轮轴螺纹连接；涡轮轴端帽一侧的上壳体内安装有台阶轴，台阶轴上通过台阶轴端帽装有活塞，活塞一侧的台阶轴上装有蝶形弹簧，蝶形弹簧与活塞接触连接。
所述的扶正轴承A通过涡轮轴端冒与涡轮轴螺纹固定，扶正轴承B通过涡轮轴轴肩固定在涡轮轴上。
所述的阀座与下接头螺纹连接。
所述的阀盘和阀座上分别设有两个对应的过流孔，阀盘和阀座的过流孔端面之间设置有间隙。
所述的花键套与台阶轴螺纹连接。
所述的台阶轴与上接头螺纹连接。
所述的上壳体与花键套螺纹连接。
所述的上壳体上设有排液孔。
本发明技术方案与现有技术相比的有益效果在于：
该水力振荡器的主体结构由纯金属零件组成，没有橡胶衬套等对高温比较敏感的元器件，在深井和超深井中也能有较好的工作性能；采用涡轮驱动，没有偏心运动引起的横向振动，对LWD、MWD等工具的信号采集工作不产生影响；通过自身轴向的周期性高频蠕动，使钻柱与井壁之间的摩擦条件发生变化、钻柱弹性送钻的瞬时滑动摩擦系数的增长速度降低，从而降低摩阻、提高机械钻速；轴承负载小，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的阀盘的截面结构示意图；
图3为本发明的阀座的截面结构示意图；
图4为图1中的A处放大结构示意图；
图5为图1中的B处放大结构示意图。
图中：1、上壳体，2、下壳体，3、上接头，4、下接头，5、花键套，6、中间接头，7、涡轮轴端帽，8、推力轴承，9、涡轮轴，10、扶正轴承A，11、扶正轴承B，12、定子，13、转子，14、阀座，15、阀盘，16、过流孔，17、台阶轴，18、台阶轴端帽，19、活塞，20、蝶形弹簧， 21、排液孔。
具体实施方式
该涡轮式井下水力振荡器包括上壳体1、下壳体2、上接头3、下接头4、花键套5和中间接头6。上壳体1和下壳体2之间通过中间接头6相互螺纹连接，下壳体2的端头螺纹安装有下接头4，上壳体1的端头通过花键套5螺纹安装有上接头3；上壳体1与花键套5之间螺纹连接。
下壳体2内通过涡轮轴端帽7和推力轴承8装有涡轮轴9，涡轮轴9上通过扶正轴承A10和扶正轴承B11装有涡轮组件。涡轮组件由依次安装在涡轮轴9上的涡轮定子12和转子13构成。扶正轴承A10通过涡轮轴端冒7与涡轮轴9螺纹固定，扶正轴承B11通过涡轮轴9的轴肩固定在涡轮轴9上，由此实现轴向定位并压紧定子12和转子13。
推力轴承8一端的下壳体2内通过阀座14安装有阀盘15；阀盘15与涡轮轴9螺纹连接，并随涡轮轴9旋转；阀座14与下接头4螺纹连接。阀盘15和阀座14上分别设有两个对应的过流孔16，阀盘15和阀座14的过流孔端面之间设置有间隙。
该水力振荡器的推力轴承8用来承受涡轮轴9的轴向力并保证涡轮轴9的对中性，推力轴承8一侧由涡轮轴9的轴肩进行轴向定位，推力轴承8另一侧由阀盘15定位。
阀盘15中心轴线处开设有通孔，以为推力轴承8减少载荷；阀盘15和阀座14的过流孔16端面之间的间隙，其目的是防止钻井液过流面积最小时***产生憋压现象。
涡轮轴端帽7一侧的上壳体1内安装有台阶轴17，台阶轴17分别与上接头3和花键套5螺纹连接。台阶轴17上通过台阶轴端帽18装有活塞19，活塞19一侧的台阶轴17上装有蝶形弹簧20，蝶形弹簧20与活塞19接触连接。上壳体1设置有排液孔21，用来将泄露进碟簧空间的钻井液排出到钻柱环形空间。
由于该水力振荡器的台阶轴17通过螺纹连接在上接头3上，且与花键套5的内台阶面形成台阶配合；从而可对套在台阶轴17上的多片碟形弹簧20构成的碟簧组通过活塞19和台阶轴17的轴肩端面进行轴向固定，并在提升钻柱时可防止卡钻等事故致使钻头掉落井底的现象。
该水力振荡器的上接头3、花键套5、台阶轴17、上壳体1、碟形弹簧20、活塞19、台阶轴端帽7构成振动短节。
涡轮轴端帽7、扶正轴承A10、定子12、转子13、涡轮轴9、扶正轴承B11、推力轴承8、下壳体2、下接头4构成动力短节。
该水力振荡器工作时，其上部通过上接头3与钻杆连接，下部通过下接头4与钻柱及钻头连接。工作过程中，钻杆内部高压钻井液的作用驱动涡轮组的转子13旋转，形成绕涡轮中心轴线的同心旋转运动，从而将高压钻井液的动能转化为高速旋转的机械能，并通过涡轮轴9传递到阀盘15，由于阀盘15与涡轮轴9螺纹连接且随涡轮轴9一起高速旋转，在阀盘15高速旋转时，阀盘15与阀座14上的过流孔16发生交错重叠，使钻井液在通过时的流通面积发生周期性变化，进而使阀盘15上游液流压力发生周期性变化，即产生了压力脉冲。
这一过程中，当阀盘15与阀座14之间的过流面积变小时，阀盘15上游压力升高，当过流面积最小时，即当阀盘15与阀座14的过流孔分别位于中心轴线两侧时，阀盘15上游高压液流压力达到极大值，极大的液流压力作用在活塞19和台阶轴17上使碟形弹簧20压缩并将钻井液的高压动能转变为碟簧势能进行存储，碟形弹簧20的压缩运动通过壳体将运动传递到钻头，从而使井底钻具向下振动。
当阀盘15与阀座14之间的过流面积变大时，阀盘15上游压力降低，当过流面积最大时，即当阀盘15与阀座14的过流孔分别位于中心轴线同一侧时，阀盘15上游高压液流压力达到极小值，由于钻压大于所述极小的液流压力，此前处于压缩状态的碟形弹簧20释放能量，碟形弹簧20伸长并通过该水力振荡器的壳体将运动传递到钻头，使钻头向上运动。由于涡轮组在高压钻井液作用下可提供稳定的旋转运动，并具有一定的周期，在周期性压力脉冲作用下，该水力振荡器即可产生沿轴向的周期性高频蠕动，使钻柱与井壁之间的摩擦条件发生变化、钻柱弹性送钻的瞬时滑动摩擦系数的增长速度降低，从而降低摩阻、提高机械钻速。
该水力振荡器的阀盘15上设置有压力平衡腔，通过将低压引入压力平衡装置内腔，可使液流压力作用在阀盘15的端面并产生一个沿轴向向上的作用力，该作用力可减小推力轴承8的负载，从而延长推力轴承8的工作寿命；进而延长该水力振荡器的使用寿命。
Claims (8)
1.一种涡轮式井下水力振荡器，包括上壳体（1）、下壳体（2）、上接头（3）、下接头（4）、花键套（5）和中间接头（6），其特征在于：上壳体（1）和下壳体（2）之间通过中间接头（6）相互螺纹连接，下壳体（2）的端头螺纹安装有下接头（4），上壳体（1）的端头通过花键套（5）螺纹安装有上接头（3）；下壳体（2）内通过涡轮轴端帽（7）和推力轴承（8）装有涡轮轴（9），涡轮轴（9）上通过扶正轴承A（10）和扶正轴承B（11）装有涡轮组件，推力轴承（8）一端的下壳体（2）内通过阀座（14）安装有阀盘（15）；阀盘（15）与涡轮轴（9）螺纹连接；涡轮轴端帽（7）一侧的上壳体（1）内安装有台阶轴（17），台阶轴（17）上通过台阶轴端帽（18）装有活塞（19），活塞（19）一侧的台阶轴（17）上装有蝶形弹簧（20），蝶形弹簧（20）与活塞（19）接触连接。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮式井下水力振荡器，其特征在于：所述的扶正轴承A（10）通过涡轮轴端冒（7）与涡轮轴（9）螺纹固定，扶正轴承B（11）通过涡轮轴轴肩固定在涡轮轴（9）上。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮式井下水力振荡器，其特征在于：所述的阀座（14）与下接头螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮式井下水力振荡器，其特征在于：所述的阀盘（15）和阀座（14）上分别设有两个对应的过流孔（16），阀盘（15）和阀座（14）的过流孔（16）端面之间设置有间隙。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮式井下水力振荡器，其特征在于：所述的花键套（5）与台阶轴（17）螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮式井下水力振荡器，其特征在于：所述的台阶轴（17）与上接头（3）螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的一种涡轮式井下水力振荡器，其特征在于：所述的上壳体（1）与花键套（5）螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的一种涡轮式井下水力振荡器，其特征在于：所述的上壳体（1）上设有排液孔（21）。
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