CN109025818A - 横向振动减阻钻井工具 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种横向振动减阻钻井工具,包括中空的工具壳体,所述工具壳体内同轴转动套设中空的中心轴,所述中心轴的外壁与所述工具壳体的内壁之间呈径向间隔设置构成钻井液环空流道,所述钻井液环空流道内位于所述中心轴的两端设置能带动所述中心轴转动的驱动结构,所述中心轴的中部设置能转动产生横向振动的偏心部。该横向振动减阻钻井工具通过内部偏心部产生的横向振动改善钻柱与井壁之间的相对运动过程,降低钻柱和井壁之间的摩擦阻力,提升水平井水平延伸并提高机械钻速。
Description
技术领域
本发明涉及石油开发领域钻井工具,尤其涉及一种横向振动减阻钻井工具。
背景技术
随着现有钻井技术的发展,水平井的勘探开发比例越来越高。在水平井的勘探开发过程中,钻具由于重力作用紧贴在井壁上,使得钻柱在钻进过程中的摩擦阻力很大,较大的摩擦阻力会消耗很大一部分的钻压,使得钻压不能很好的施加到钻头处,严重影响钻进,降低机械钻速,限制水平井的延伸长度。
降低水平井的摩擦阻力是目前钻井工程中所亟需解决的问题之一。为了解决该问题,国内外一些学者研制了水力振荡器,该类工具主要是通过给钻柱施加轴向的往复振动载荷,增加钻柱和井壁之间的相对运动速度,通过降低钻柱和井壁之间的摩擦系数来减小摩擦阻力。但是,大部分水力振荡器是通过螺杆马达带动内部的配流盘转动,工具的压耗较大,在钻井作业中,过高的压耗会使得钻头处的水压较小,影响钻井液的携岩及辅助破岩的能力,不利于钻井作业。目前的水平井的水平长度一般都很长,采用一个水力振荡器的减阻效果有限,由于过高压耗问题,在钻井过程中很难同时使用多个水力振荡器,导致钻井效率低下。
由此,本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践,提出一种横向振动减阻钻井工具,以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种横向振动减阻钻井工具,克服现有技术中存在的钻柱与井壁摩擦力大、机械钻速低等问题,该横向振动减阻钻井工具通过内部偏心部产生的横向振动改善钻柱与井壁之间的相对运动过程,降低钻柱和井壁之间的摩擦阻力,提升水平井水平延伸并提高机械钻速。
本发明的目的是这样实现的,一种横向振动减阻钻井工具,包括中空的工具壳体,所述工具壳体内同轴转动套设中空的中心轴,所述中心轴的外壁与所述工具壳体的内壁之间呈径向间隔设置构成钻井液环空流道,所述钻井液环空流道内位于所述中心轴的两端设置能带动所述中心轴转动的驱动结构,所述中心轴的中部设置能转动产生横向振动的偏心部。
在本发明的一较佳实施方式中,所述偏心部为所述中心轴的外壁上外凸设置的偏心锤结构。
在本发明的一较佳实施方式中,所述驱动结构包括所述中心轴的外壁一端设置的轴向固定的第一涡轮结构,所述驱动结构还包括所述中心轴的外壁另一端设置的轴向固定的第二涡轮结构。
在本发明的一较佳实施方式中,所述工具壳体内设置直径呈减小设置的第一台阶部,所述第一涡轮结构靠近所述第一台阶部的一端轴向顶抵设置第一扶正轴承,所述第一扶正轴承和所述第一台阶部之间顶抵设置能轴向固定第一扶正轴承外圈的第一垫圈,所述中心轴上固定套设能轴向固定第一扶正轴承内圈的第一螺母;所述工具壳体内设置直径呈减小设置的第二台阶部,所述中心轴的外壁上设置直径呈增大设置的第三台阶部,所述第一涡轮结构的另一端轴向顶抵设置PDC止推轴承,PDC止推轴承外圈的另一端轴向顶抵于所述第二台阶部上,PDC止推轴承内圈的另一端轴向顶抵于所述第三台阶部上。
在本发明的一较佳实施方式中,所述工具壳体内设置直径呈减小设置的第四台阶部,所述中心轴的外壁上与所述第四台阶部相对的位置设置直径呈增大设置的第五台阶部,所述第二涡轮结构的一端轴向顶抵于所述第四台阶部和所述第五台阶部上,所述第二涡轮结构的另一端轴向顶抵设置第二扶正轴承,所述工具壳体内设置直径呈减小设置的第六台阶部,所述第二扶正轴承和所述第六台阶部之间顶抵设置能轴向固定第二扶正轴承外圈的套筒,所述中心轴上固定套设能轴向固定第二扶正轴承内圈的第二螺母。
在本发明的一较佳实施方式中,所述中心轴的轴向两端呈对称设置。
在本发明的一较佳实施方式中,所述第一涡轮结构和所述第二涡轮结构呈相同设置。
在本发明的一较佳实施方式中,所述第一涡轮结构和所述第二涡轮结构均包括4至8副涡轮副。
在本发明的一较佳实施方式中,所述工具壳体包括依次密封连接的中空的第一接头、第二接头和第三接头,所述第一接头靠近所述第二接头的一端套设于所述第二接头内,所述第一接头的端面构成所述第一台阶部,所述第二接头的内壁上设置所述第二台阶部和所述第四台阶部,所述第三接头靠近所述第二接头的一端套设于所述第二接头内,所述第三接头的端面构成所述第六台阶部。
由上所述,本发明的横向振动减阻钻井工具具有如下有益效果:
本发明的横向振动减阻钻井工具中,以钻井液为驱动介质,通过驱动结构转换一部分液动能为机械能,偏心部随中心轴高速转动的同时形成横向振动并作用在钻柱的外壁上,改善钻柱与井壁之间的相对运动过程,降低钻柱和井壁之间的摩擦阻力,提升水平井水平延伸并提高机械钻速;横向振动减阻钻井工具所消耗的压降较小,频率较高,可以在钻井过程中,在不同的位置放置多个该工具使用;横向振动减阻钻井工具的横向振动由偏心部的转动实现,不会产生流体的波动,不会影响泥浆脉动发生器的信号输出;本发明的横向振动减阻钻井工具具有结构简单、可靠性高、压降小的特点,有利于推广应用。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释,并不限定本发明的范围。其中:
图1:为本发明的横向振动减阻钻井工具的结构示意图。
图2:为本发明的中心轴的示意图。
图中:
100、横向振动减阻钻井工具;
1、工具壳体;
11、第一接头;12、第二接头;13、第三接头;
2、中心轴;
21、偏心部;
31、第一涡轮结构;32、第二涡轮结构;
41、第一台阶部;42、第二台阶部;43、第三台阶部;44、第四台阶部;45、第五台阶部;46、第六台阶部;
51、第一扶正轴承;52、PDC止推轴承;53、第二扶正轴承;
61、第一垫圈;62、第一螺母;63、套筒;64、第二螺母。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2所示,本发明提供一种横向振动减阻钻井工具100,钻井过程中串接于水平井水平段的钻杆上,采用钻井液为驱动介质;横向振动减阻钻井工具100包括中空的工具壳体1,工具壳体1内同轴转动套设中空的中心轴2,中心轴2的外壁与工具壳体1的内壁之间呈径向间隔设置构成钻井液环空流道,钻井液环空流道内位于中心轴2的两端设置能带动中心轴转动的驱动结构,中心轴2的中部设置能转动产生横向振动的偏心部21。本发明的横向振动减阻钻井工具中,偏心部21随中心轴2高速转动产生离心力,使得钻柱作用在井壁上的正压力出现往复的波动,该波动使钻柱和井壁之间的摩擦力出现往复的波动,波动过程中产生较小的摩擦力,该摩擦力使得钻柱更容易运动,改善钻柱与井壁之间的相对运动过程,降低钻柱和井壁之间的摩擦阻力,提升水平井水平延伸及提高机械钻速。
本发明的横向振动减阻钻井工具中,以钻井液为驱动介质,通过驱动结构转换一部分液动能为机械能,偏心部随中心轴高速转动的同时形成横向振动并作用在钻柱的外壁上,改善钻柱与井壁之间的相对运动过程,降低钻柱和井壁之间的摩擦阻力,提升水平井水平延伸并提高机械钻速;横向振动减阻钻井工具所消耗的压降较小,频率较高,可以在钻井过程中,在不同的位置放置多个该工具使用;横向振动减阻钻井工具的横向振动由偏心部的转动实现,不会产生流体的波动,不会影响泥浆脉动发生器(钻井过程中使用的发生器,现有技术)的信号输出;本发明的横向振动减阻钻井工具具有结构简单、可靠性高、压降小的特点,有利于推广应用。
进一步,如图2所示,偏心部21为中心轴的外壁上外凸设置的偏心锤结构。
进一步,如图1所示,驱动结构包括中心轴2的外壁一端设置的轴向固定的第一涡轮结构31,驱动结构还包括中心轴2的外壁另一端设置的轴向固定的第二涡轮结构32。第一涡轮结构31和第二涡轮结构32的转子均固定连接于中心轴2上,在本发明的一具体实施例中,中心轴2上设有用于固定连接第一涡轮结构31和第二涡轮结构32的转子的键槽。高速钻井液进入钻井液环空流道,在高速钻井液的冲击作用下,第一涡轮结构31和第二涡轮结构32的转子高速转动,并带动中心轴2高速转动。中心轴2的两端均设置涡轮结构,中心轴2的两端具有驱动力,使得中心轴2的转动更加稳定。
进一步,中心轴2的轴向两端呈对称设置。在本实施方式中,第一涡轮结构31和第二涡轮结构32呈相同设置。在本发明的一具体实施例中,第一涡轮结构31和第二涡轮结构32均包括4至8副涡轮副。
如图1所示,在本实施方式中,工具壳体1内设置直径呈减小设置的第一台阶部41,第一涡轮结构31靠近第一台阶部41的一端轴向顶抵设置第一扶正轴承51(第一涡轮结构31的转子顶抵于第一扶正轴承内圈,第一涡轮结构31的定子顶抵于第一扶正轴承外圈),第一扶正轴承51和第一台阶部41之间顶抵设置能固定(轴向和周向均固定)第一扶正轴承外圈的第一垫圈61,中心轴2上固定套设能轴向固定第一扶正轴承内圈的第一螺母62;第一扶正轴承51上设置贯通的钻井液过孔,第一垫圈61的内孔能够与钻井液过孔连通。工具壳体1内设置直径呈减小设置的第二台阶部42,中心轴2的外壁上设置直径呈增大设置的第三台阶部43,第一涡轮结构31的另一端轴向顶抵设置PDC止推轴承52(第一涡轮结构31的转子顶抵于PDC止推轴承内圈,第一涡轮结构31的定子顶抵于PDC止推轴承外圈),PDC止推轴承外圈的另一端轴向顶抵于第二台阶部42上,PDC止推轴承内圈的另一端轴向顶抵于第三台阶部43上。PDC止推轴承上设置贯通的钻井液过孔。第一螺母62、第一台阶部41、第一垫圈61、第一扶正轴承51、第一涡轮结构31、PDC止推轴承52、第二台阶部42和第三台阶部43共同实现中心轴2上部的轴向定位,第一扶正轴承外圈、第一涡轮结构31的定子和PDC止推轴承外圈轴向和周向均固定。
如图1所示,在本实施方式中,工具壳体1内设置直径呈增大设置的第四台阶部44,中心轴2的外壁上与第四台阶部44相对的位置设置直径呈增大设置的第五台阶部45,第二涡轮结构32的一端轴向顶抵于第四台阶部44和第五台阶部45上(第二涡轮结构32的定子顶抵于第四台阶部44上,第二涡轮结构32的转子顶抵于第五台阶部45上),第二涡轮结构32的另一端轴向顶抵设置第二扶正轴承53(第二涡轮结构32的定子顶抵于第二扶正轴承外圈上,第二涡轮结构32的转子顶抵于第二扶正轴承内圈上),工具壳体1内设置直径呈减小设置的第六台阶部46,第二扶正轴承53和第六台阶部46之间顶抵设置能轴向固定第二扶正轴承外圈的套筒63,中心轴2上固定套设能轴向固定第二扶正轴承内圈的第二螺母64。第二扶正轴承53上设置贯通的钻井液过孔,套筒63的内孔能够与钻井液过孔连通。第四台阶部44、第五台阶部45、第二涡轮结构32、第二扶正轴承53、第六台阶部46、套筒63和第二螺母64共同实现中心轴2下部的轴向定位,第二涡轮结构32的定子和第二扶正轴承外圈轴向和周向均固定。
进一步,如图1所示,为方便组装,工具壳体1包括依次密封连接的中空的第一接头11、第二接头12和第三接头13,第一接头11靠近第二接头12的一端套设于第二接头12内,第一接头11的端面构成第一台阶部41,第二接头12的内壁上设置第二台阶部42和第四台阶部44,第三接头13靠近第二接头12的一端套设于第二接头12内,第三接头13的端面构成第六台阶部46。在本发明的一具体实施例中,第一接头11、第二接头12和第三接头13之间均通过锥螺纹密封连接。
使用本发明的横向振动减阻钻井工具100进行水平井勘探开发时,将横向振动减阻钻井工具100串接于水平井水平段的钻杆上,高速钻井液通过第一接头内腔流入横向振动减阻钻井工具100内部,一部分钻井液通过中心轴2的内腔、第三接头内腔流向下游钻杆,一部分钻井液流向钻井液环空流道,在高速钻井液的冲击作用下,第一涡轮结构31和第二涡轮结构32的转子高速转动,并带动中心轴2高速转动。偏心部21随中心轴2高速旋转过程中产生离心力,该离心力使中心轴产生横向振动并通过第二接头12传递给钻杆,使得钻柱作用在井壁上的正压力出现往复的波动,该波动使钻柱和井壁之间的摩擦力出现往复的波动,波动过程中产生较小的摩擦力,该摩擦力使得钻柱更容易运动,改善钻柱与井壁之间的相对运动过程,降低钻柱和井壁之间的摩擦阻力,提升水平井水平延伸及提高机械钻速,流经钻井液环空流道的钻井液最终通过第三接头内腔流向下游钻杆。
由上所述,本发明的横向振动减阻钻井工具具有如下有益效果:
本发明的横向振动减阻钻井工具中,以钻井液为驱动介质,通过驱动结构转换一部分液动能为机械能,偏心部随中心轴高速转动的同时形成横向振动并作用在钻柱的外壁上,改善钻柱与井壁之间的相对运动过程,降低钻柱和井壁之间的摩擦阻力,提升水平井水平延伸并提高机械钻速;横向振动减阻钻井工具所消耗的压降较小,频率较高,可以在钻井过程中,在不同的位置放置多个该工具使用;横向振动减阻钻井工具的横向振动由偏心部的转动实现,不会产生流体的波动,不会影响泥浆脉动发生器的信号输出;本发明的横向振动减阻钻井工具具有结构简单、可靠性高、压降小的特点,有利于推广应用。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式,并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员,在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改,均应属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种横向振动减阻钻井工具,其特征在于,包括中空的工具壳体,所述工具壳体内同轴转动套设中空的中心轴,所述中心轴的外壁与所述工具壳体的内壁之间呈径向间隔设置构成钻井液环空流道,所述钻井液环空流道内位于所述中心轴的两端设置能带动所述中心轴转动的驱动结构,所述中心轴的中部设置能转动产生横向振动的偏心部。
2.如权利要求1所述的横向振动减阻钻井工具,其特征在于,所述偏心部为所述中心轴的外壁上外凸设置的偏心锤结构。
3.如权利要求1所述的横向振动减阻钻井工具,其特征在于,所述驱动结构包括所述中心轴的外壁一端设置的轴向固定的第一涡轮结构,所述驱动结构还包括所述中心轴的外壁另一端设置的轴向固定的第二涡轮结构。
4.如权利要求3所述的横向振动减阻钻井工具,其特征在于,所述工具壳体内设置直径呈减小设置的第一台阶部,所述第一涡轮结构靠近所述第一台阶部的一端轴向顶抵设置第一扶正轴承,所述第一扶正轴承和所述第一台阶部之间顶抵设置能轴向固定第一扶正轴承外圈的第一垫圈,所述中心轴上固定套设能轴向固定第一扶正轴承内圈的第一螺母;所述工具壳体内设置直径呈减小设置的第二台阶部,所述中心轴的外壁上设置直径呈增大设置的第三台阶部,所述第一涡轮结构的另一端轴向顶抵设置PDC止推轴承,PDC止推轴承外圈的另一端轴向顶抵于所述第二台阶部上,PDC止推轴承内圈的另一端轴向顶抵于所述第三台阶部上。
5.如权利要求4所述的横向振动减阻钻井工具,其特征在于,所述工具壳体内设置直径呈减小设置的第四台阶部,所述中心轴的外壁上与所述第四台阶部相对的位置设置直径呈增大设置的第五台阶部,所述第二涡轮结构的一端轴向顶抵于所述第四台阶部和所述第五台阶部上,所述第二涡轮结构的另一端轴向顶抵设置第二扶正轴承,所述工具壳体内设置直径呈减小设置的第六台阶部,所述第二扶正轴承和所述第六台阶部之间顶抵设置能轴向固定第二扶正轴承外圈的套筒,所述中心轴上固定套设能轴向固定第二扶正轴承内圈的第二螺母。
6.如权利要求5所述的横向振动减阻钻井工具,其特征在于,所述中心轴的轴向两端呈对称设置。
7.如权利要求5所述的横向振动减阻钻井工具,其特征在于,所述第一涡轮结构和所述第二涡轮结构呈相同设置。
8.如权利要求7所述的横向振动减阻钻井工具,其特征在于,所述第一涡轮结构和所述第二涡轮结构均包括4至8副涡轮副。
9.如权利要求5所述的横向振动减阻钻井工具,其特征在于,所述工具壳体包括依次密封连接的中空的第一接头、第二接头和第三接头,所述第一接头靠近所述第二接头的一端套设于所述第二接头内,所述第一接头的端面构成所述第一台阶部,所述第二接头的内壁上设置所述第二台阶部和所述第四台阶部,所述第三接头靠近所述第二接头的一端套设于所述第二接头内,所述第三接头的端面构成所述第六台阶部。
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