CN109441356B - 基于凸轮与叶轮的水力振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油钻井等领域中的具有减阻提速的振荡器。其技术方案是：上接头、外壳体和下接头依次通过螺纹丝扣连接，节流阀板与上接头通过螺纹丝扣连接，节流阀板与圆柱销通过锁紧螺钉连接，圆柱销位于叶轮与节流阀板之间；叶轮轴、叶轮与叶轮外壳焊接为一体，叶轮外壳与外壳体之间安装有串轴承，串轴承上下两端通过内、外套筒定位，叶轮外壳与凸轮紧挨；凸轮与外壳体通过花键实现周向定位，凸轮下端与下接头紧挨，实现轴向定位。本发明的基于凸轮与叶轮的新型水力振荡器内部无橡胶结构设计，结构简单，并且可有效减小水平井、大位移井下部钻具与井壁的摩阻力，增强钻压传递能力，在提高钻井效率的同时，可避免粘卡等井下事故。

Description

基于凸轮与叶轮的水力振荡器

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程领域一种新型井下工具，特别是具有减阻提速功能的新型水力振荡器。

背景技术

近年来，随着我国工业的不断发展，石油、天然气的需求和开采量也日益增多。然而，为了缓解我国石油资源的短缺问题，人们开始向深井、超深井等环境条件严峻的领域进行石油开采。新型油气井开采使钻井工程面临更复杂的情况，为满足新钻井条件或新型油气资源(如煤层气、页岩气、海洋油气等)的需要，对应的新钻井方法与工具也不断发展。在水平井和大位移井中，随着入井深度增加，钻柱与井壁之间的摩擦力逐渐增大导致钻压损失，也不利于机械钻速的提高，同时还会严重影响钻井的靶径及井眼质量，这也是制约水平井、大位移井技术发展的一个重要因素。在解决这些问题的方法中，通过机械方式工作的井下工具利用钻井液实现能量转换，以此产生一定的预期振动，在近几年发展迅速。在井下钻柱引入水力振荡器，可以使钻柱产生一定频率和振幅的周期性的振动，使送进过程中的静摩阻变成动摩阻，在减小送进过程中的摩擦阻力、提高机械钻速、增加水平进尺和缩短钻进周期方面具有明显优势。钻井工程面临的地层工作环境复杂，钻井深度不断增加，导致钻头破岩效率不高钻头在钻进深井地层时，普遍存在钻进速度很慢、钻井花费的成本高，而钻井速度的提高关键在于如何提高钻头的破岩效率。同时，现场的泵压过高限制了钻井的排量，影响机械钻速和井眼清洁；并且可能发生多次的MWD故障、PDC钻头过早钝化和在油基泥浆和高温中不稳定表现和高故障率的现象。

为了解决现有问题发明设计出一种基于凸轮与叶轮的新型水力振荡器，利用钻井液实现能量转换，产生轴向振动，通过机身结构作用于钻头，实现钻进过程减摩降阻、增大钻头有效钻压、提高机械钻速、降低MWD故障以及延伸钻柱如井位移等目的。

发明内容

本发明的目的在于：为克服现有水平井、大位移井钻进摩阻大，井口钻压无法有效传递给钻头的不足，钻井液的携岩能力不高以及现有轴向振动工具使用效果不理想的问题，设计一种新型水力振荡器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于凸轮与叶轮的新型水力振荡器，由上接头、节流阀板、圆柱销、锁紧螺钉、叶轮、叶轮轴、叶轮外壳、串轴承、内套筒、外套筒、外壳体、凸轮、平键、下接头组成，其特征在于上接头、外壳体、下接头依次通过螺纹丝扣连接；节流阀板中间设有通孔，与上接头之间通过锁紧螺钉连接；圆柱销与节流阀板、上接头之间通过锁紧螺钉连接，圆柱销对叶轮进行限位；叶轮轴和叶轮通过焊接与叶轮外壳连接；叶轮外壳的上下端表面均为曲面，叶轮外壳在旋转的同时沿凸轮转动，实现轴向移动；叶轮外壳与外壳体之间安装有串轴承，可以减小叶轮外壳运动时的摩擦力；串轴承通过内套筒、外套筒实现固定，内套筒、外套筒卡在串轴承与外壳体之间，实现定位；叶轮轴为阶梯轴状，前端焊接有圆锥头，下端通过焊接与叶轮外壳相连，通过轴向移动，实现钻井液过流面积的变化，产生轴向振动；凸轮上端为曲面，紧挨叶轮外壳，下端紧挨下接头，实现轴向定位；凸轮与外壳体之间通过平键连接，实现周向定位。

本发明与现有技术比较，其有益效果是：(1)只需要较小的立管压力就可以产生轴向脉冲；(2)高频振动有效地克服了下部钻具的摩阻力，实现井口钻压的有效传递，提高机械钻速，同时因为工具本身的振动，防止钻具长时间贴在下井壁上，从而避免了粘卡等井下事故的发生。(3)没有类似马达的动力总成，由叶轮替代，可产生正脉冲压降，可以在提高钻速的同时降低泵压，减小对泵的消耗，延缓PDC钻头的钝化；(4)基于凸轮与叶轮的新型水力振荡器能提供一个频率可调的周期性轴向冲击力；(5)对MWD几乎无影响。

附图说明

图1为本发明所述的基于凸轮与叶轮的水力振荡器的结构示意图。

图中：1-上接头、2-节流阀板、3-圆柱销、4-锁紧螺钉、5-叶轮轴、6-叶轮、 7-叶轮外壳、8-串轴承、9-内套筒、10-外套筒、11-外壳体、12-凸轮、13-平键、 14-下接头。

图2为本发明所述的平键式叶轮三维示意图。

图3为本发明所述的花键式叶轮三维示意图。

图4为本发明所述的节流阀板的剖面图。

图中：2-节流阀板，4-锁紧螺钉。

图5为本发明所述的叶轮外壳三维示意图。

图6为本发明所述的凸轮三维示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：根据附图1所示，基于凸轮与叶轮的水力振荡器，由上接头、节流阀板、圆柱销、锁紧螺钉、叶轮、叶轮轴、叶轮外壳、串轴承、内套筒、外套筒、外壳体、凸轮、平键、下接头组成，其特征在于上接头1、外壳体11、下接头14依次通过螺纹丝扣连接；节流阀板2中间设有通孔，与上接头1之间通过锁紧螺钉4连接；圆柱销3与节流阀板2、上接头1 之间通过锁紧螺钉4连接，圆柱销3对叶轮6进行限位；叶轮轴5和叶轮6通过焊接与叶轮外壳7连接；叶轮外壳7的上下端表面均为曲面，叶轮外壳7在旋转的同时沿凸轮12转动，实现轴向移动；叶轮外壳7与外壳体11之间安装有串轴承8，串轴承8与叶轮外壳7之间采用间隙配合，可以减小叶轮外壳7运动时的摩擦力；串轴承8通过内套筒9、外套筒10实现固定，内套筒9、外套筒10卡在串轴承8与外壳体11之间，实现定位；叶轮轴5为阶梯轴状，前端焊接有圆锥头，下端通过焊接与叶轮外壳7相连，通过轴向移动，实现钻井液过流面积的变化，产生轴向振动；凸轮12上端为曲面，紧挨叶轮外壳7，下端紧挨下接头 14，实现轴向定位；凸轮12与外壳体11之间通过平键13连接，实现周向定位。

工作过程中，基于凸轮与叶轮的水力振荡器下部接螺杆动力钻具配合使用，通过产生轴向振动作用于下部钻具或连续油管工具串，显著减少摩阻并提高传递到钻头上的钻压，实现长水平段的钻磨作业。从钻柱流出的钻井液直接从上接头 1流入水力振荡器内部，从上接头1流过的钻井液冲击冲击叶轮6，带动叶轮轴 5和叶轮外壳7一起旋转，将钻井液的一部分压力势能转化成机械能，并伴随产生一定的轴向力。叶轮轴5、叶轮6和叶轮外壳7在作旋转运动的同时沿着凸轮 12转动，沿钻具井眼向前推进，产生轴向移动，同时产生轴向振动显著减小水平段施工中常见的阻力，圆柱销3对叶轮6进行限位。叶轮轴5的轴向移动改变了叶轮轴5与节流阀板2之间的过流面积，使工具内部压力产生周期性波动，从而使基于凸轮与叶轮的水力振荡器产生一个周期性振动，提高钻井液的携岩能力显著提高机械钻速。基于凸轮与叶轮的水力振荡器内部无橡胶结构设计，大大增强了该井下工具在高温、油基泥浆和受污染的液相环境中工作的稳定性。

Claims (2)

1.基于凸轮与叶轮的水力振荡器，由上接头、节流阀板、圆柱销、锁紧螺钉、叶轮、叶轮轴、叶轮外壳、串轴承、内套筒、外套筒、外壳体、凸轮、平键、下接头组成，其特征在于上接头(1)、外壳体(11)、下接头(14)依次通过螺纹丝扣连接；节流阀板(2)中间设有通孔，与上接头(1)之间通过锁紧螺钉(4)连接；圆柱销(3)与节流阀板(2)、上接头(1)之间通过锁紧螺钉(4)连接，圆柱销(3)对叶轮(6)进行限位；叶轮外壳(7)的上下端表面均为曲面，叶轮外壳(7)在旋转的同时沿凸轮(12)转动，实现轴向移动；叶轮外壳(7)与外壳体(11)之间安装有串轴承(8)，串轴承(8)通过内套筒(9)和外套筒(10)实现定位；叶轮轴(5)为阶梯轴状，前端焊接有圆锥头，下端通过焊接与叶轮外壳(7)相连，叶轮轴(5)的轴向移动将改变节流阀板(2)中间通孔钻井液过流面积的变化，如此往复，便会产生一个周期性波动，利用钻井液实现能量转换，产生轴向振动；凸轮(12)上端为曲面，紧挨叶轮外壳(7)，下端紧挨下接头(14)，实现轴向定位；凸轮(12)与外壳体(11)之间通过平键(13)连接，实现周向定位。

2.根据权利要求1所述的基于凸轮与叶轮的水力振荡器，其特征在于：所述的叶轮外壳(7)的上下表面均为曲面，可在旋转的同时沿着凸轮(12)转动，实现轴向移动，上端由圆柱销(3)对其进行限位。

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