CN111456717A - 吸振增压耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及井下钻井工具领域中的一种吸振增压耦合器，主要由上接头、中心轴、外壳体、密封装置、花键副、中心孔、弹簧、上阀座、传压孔、下阀座、下接头组成。吸振增压耦合器安装在单弯动力钻具和随钻测控仪器中间，既能防护单弯动力钻具振动对精密随钻测控仪器的损伤，又能将单弯动力钻具旋转制动时的高液压转化为脉动冲击力，并施加到钻头上，辅助提高破岩效率，是一种结构简单、操作方便、成本低廉、安全可靠的新型工具。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探装置领域的一种钻井井下工具，尤其是一种吸振增压耦合器。
背景技术
在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探等领域中，单弯动力钻具、精密无线随钻测控仪器是目前国内外复杂结构井钻井最常用的井下工具，单弯动力钻具的输出端连接钻头，在钻井液作用下驱动钻头旋转破岩，输入端则连接无线随钻测控仪器。在钻进过程中，由于岩层不均质、井壁不规则等因素的影响，单弯动力钻具在驱动钻头旋转破岩时会产生剧烈的振动，不仅影响精密无线随钻测控仪器的稳定性，甚至损坏内部元器件无法修复，而且还导致单弯动力钻具旋转制动，引起地面机泵压力急剧升高，造成憋泵，严重影响钻井效率。国内外资料调研分析表明，针对“钻头+ 单弯动力钻具+无线随钻测控仪器”的钻井工艺，目前未见到用于解决上述问题的相关工具设备。
发明内容
本发明的目的是为了最大限度的降低单弯动力钻具的振动，保护精密无线随钻测控仪器，避免单弯动力钻具旋转制动时高液压引起的憋泵，同时还能将高液压转化为施加在钻头上的脉动冲击力，辅助提高钻头破岩效率，进一步提高钻井施工作业效率，降低成本，改善井眼质量，提高井下安全性，为石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探领域提供一种吸振增压耦合器。
本发明的技术方案是：
一种吸振增压耦合器，包括中心轴、外壳体，其中：所述中心轴轴向设有中心孔，在中心轴外壁沿轴向间隔设有花键副和下凸台，中心轴底部向上设有一段传压孔，传压孔延伸至下凸台的上端面；所述外壳体套装在上接头下方的中心轴外部，外壳体上端部与上接头底部保持一定间隔，外壳体内壁沿轴向间隔设有花键槽和上阀座、下阀座，花键槽与中心轴上的花键副构成轴向滑动配合，上阀座下端面与中心轴的下凸台上端面构成阻挡配合，在下阀座与中心轴外凸台之间的环空内套装弹簧B；所述中心轴与外壳体构成轴向滑动密封配合。
上述方案进一步包括：
在中心轴下凸台和花键副之间的外壁上还设有一个或几个上凸台，与之对应的外壳体内壁上也设有一个或几个内凸台，在中心轴的上凸台下方与外壳体内凸台之间环空内套装有弹簧。
所述中心轴下凸台的传压孔是向上倾斜至上端面。
所述传压孔的入口处安装过滤装置。
在中心轴的上端连接上接头，且上接头底部与外壳体上端部保持一定间隔，在外壳体下端设有下接头。
所述中心轴与外壳体是通过密封装置构成轴向滑动密封配合。
所述密封装置包括设置在中心轴与外壳体顶部之间安装密封装置A和设置在上阀座、下阀座与中心轴之间的密封装置C、密封装置D。
在花键副和弹簧所在的环空内充满润滑油。
本发明的吸振增压耦合器既能防护单弯动力钻具振动对无线随钻测控仪器的损伤，又能缓冲单弯动力钻具旋转制动时的高液压，避免憋泵停泵的发生，同时还要满足现有钻井工艺的技术要求和设备要求，并且结构简单、成本低廉、操作和维护方便。
附图说明
图1是本发明的吸振增压耦合器结构剖视图。
图中：1-上接头、2-中心轴、3-外壳体、4-密封装置A、5-花键副、6- 中心孔、7-密封装置B、8-弹簧A、9-密封装置C、10-上阀座、11-传压孔、 12-弹簧B、13-密封装置D、14-下阀座、15-下接头。
具体实施方式
下面结合附图来详细描述本发明。
实施例1，参照附图1，一种吸振增压耦合器，包括中心轴2、外壳体 3，其中：所述中心轴2轴向设有中心,6，在中心轴2外壁沿轴向间隔设有花键副5和下凸台，中心轴2底部向上设有一段传压孔11，传压孔11延伸至下凸台的上端面；所述外壳体3套装在上接头1下方的中心轴2外部，外壳体3上端部与上接头1底部保持一定间隔，外壳体3内壁沿轴向间隔设有花键槽和上阀座10、下阀座14，花键槽与中心轴2上的花键副5构成轴向滑动配合，上阀座10下端面与中心轴2的下凸台上端面构成阻挡配合，在下阀座14与中心轴2外凸台之间的环空内套装弹簧B12；所述中心轴2 与外壳体3构成轴向滑动密封配合。
上述实施例1中可以采用单一弹簧和阀座组合结构，适合地下震动较小的地质层。
实施例2，在实施例1的基础上，中心轴2下凸台和花键副5之间的外壁上还设有一个或几个上凸台，与之对应的外壳体3内壁上也设有一个或几个内凸台，在中心轴2的上凸台下方与外壳体3内凸台之间环空内套装有弹簧。图1中给出的是双弹簧吸振结构。
所述中心轴2下凸台的传压孔11是向上倾斜至上端面。
所述传压孔11的入口处安装过滤装置，优选过滤网或者过滤阀。
在中心轴2的上端连接上接头1，且上接头1底部与外壳体3上端部保持一定间隔，间隔长度满足弹簧最大伸缩变量即可，在外壳体3下端设有下接头15。
所述中心轴2与外壳体3是通过密封装置构成轴向滑动密封配合。
所述密封装置包括设置在中心轴2与外壳体3顶部之间安装密封装置 A4、B7和设置在上阀座10、下阀座14与中心轴2之间的密封装置C9、密封装置D13。
在花键副5和弹簧所在的环空内充满润滑油。
典型实施例3，参照附图1，吸振增压耦合器主要由上接头1、中心轴 2、外壳体3、密封装置A4、花键副5、中心孔6、弹簧8、上阀座10、传压孔11、下阀座14、下接头15组成。上接头1连接在中心轴2的上端，外壳体3下端加工下接头15。中心轴2内部加工中心孔6，中心轴2与外壳体3之间安装密封装置A4和密封装置B7。中心轴2上部设有花键副5，花键副5位于密封装置A4和密封装置B7之间，中心轴2穿入外壳体3中，并通过花键副5与外壳体3内花键槽构成轴向滑动配合。
中心轴2设有上凸台和下凸台，外壳体3内孔设有两凸台结构的上阀座10和下阀座14，上阀座10在中心轴2下凸台上方，上阀座10与中心轴2上凸台之间安装弹簧A8，下阀座14与中心轴2下凸台之间安装弹簧 B12。中心轴2内壁上设有传压孔11，传压孔11为通孔，连通上阀座10 底部和下阀座14底部，传压孔11一端开口在中心轴2底部，一端开口在上阀座10和中心轴2下凸台之间。上阀座10底部的传压孔11是倾斜的，便于岩屑排出，传压孔11的入口处安装过滤装置。
中心轴2与外壳体3之间安装密封装置A4和密封装置7，花键副5位于密封装置A4和密封装置B7之间；上阀座10与中心轴2上凸台之间设有密封装置C9，下阀座14与中心轴2下凸台之间设有密封装置D13，密封装置优选密封圈或者密封环。密封装置A4和密封装置B7之间的空间内充满润滑油；上阀座10与中心轴2上凸台之间空间充满润滑油。
上阀座10、下阀座14可安装多组(等同于技术方案中的内凸台)，其受力面积可相同也可不同，弹簧A8、弹簧B12也可安装多组，其回复力可相同也可不同。
在复杂结构井钻井过程中，吸振增压耦合器安装在单弯动力钻具和无线随钻测控仪器中间，其上接头1与无线随钻测控仪器连接，下接头15与单弯动力钻具连接，钻井液进入吸振增压耦合器后，经过中心轴2内部的中心孔6进入单弯动力钻具，使得单弯动力钻具的输出端开始旋转，进而驱动钻头旋转破岩。钻压由中心轴2经过上阀座10与中心轴2之间的弹簧 A8、下阀座14与中心轴2之间的弹簧B12传递至外壳体3上，进而经单弯动力钻具传递至钻头，因此在钻压的作用下，两组弹簧均处于压缩状态。地面驱动设备产生的扭矩经过钻柱传递至吸振增压耦合器的中心轴2，然后经中心轴2与外壳体3之间的花键副5传递至外壳体，进而传递至单弯动力钻具和钻头。
当单弯动力钻具与钻头发生剧烈振动时，振动能量向上传递至吸振增压耦合器的外壳体3，由于吸振增压耦合器的中心轴2与无线随钻测控仪器连接，外壳体3与单弯动力钻具连接，而外壳体3与中心轴2之间又安装弹簧，因此振动能量被弹簧吸收缓冲，从而保护无线随钻测控仪器避免受到振动的损伤。
当单弯动力钻具输出扭矩不足，钻头不能旋转破碎岩层时，钻头瞬间停止转动，即单弯动力钻具瞬间制动，此时钻具内部液压力急剧升高，高液压力向上进入吸振增压耦合器后，作用在下阀座14底部，推动吸振增压耦合器的外壳体3相对于中心轴2向上移动，并压缩中心轴2与下阀座14 之间的弹簧B12，与此同时，高液压力经过传压孔11进入到上阀座10底部，也推动吸振增压耦合器的外壳体3相对于中心轴2向上移动，并压缩中心轴2与上阀座10之间的弹簧B12。根据力学原理可知，液压力不变，外壳体3的受力面积扩大一倍，则外壳体3受到的液压推力增大一倍，此时外壳体3相对于中心轴2迅速上移，由于吸振增压耦合器的外壳体3通过下接头15与单弯动力钻具连接，因此外壳体3上移时，单弯动力钻具也随着上移，进而带动钻头上移，这就使得钻头的切削齿脱离井底岩石。当钻头瞬间脱离井底时，制动单弯动力钻具和钻头的反扭矩瞬间消失，单弯动力钻具和钻头重新开始旋转破岩，钻具内液压力降低，使得作用在吸振增压耦合器的外壳体3、上阀座10和下阀座14底部的推力降低，在弹簧回复力的作用下，吸振增压耦合器的外壳体3相对中心轴2向下移动，进而推动单弯动力钻具和钻头向下移动，使钻头重新接触井底岩石进行破岩，并且吸振增压耦合器的外壳体3在迅速下移时产生冲击力，最终作用在钻头上，上述过程重复循环，就实现了将单弯动力钻具的制动能量转化为施加在钻头上的脉动冲击力的功能，从而进一步提高了钻头的破岩效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果经现场井下测试结果表明，利用吸振增压耦合器能够使复杂结构井的钻井效率平均提高83.6％-107.6％，尤其是在中硬以上岩层中钻进时，提速效果更加显著，且钻井质量符合设计标准，达到了在国内现有装备和工艺技术基础上，低成本、高效率完成复杂结构井钻井施工的目的，吸振增压耦合器主要特点就在于保护了精密无线随钻测控仪器，防止了振动损坏，大大降低了因仪器损坏而起钻更换的频率，大幅缩减了非钻井生产时间，同时将单弯动力钻具制动能量转化为钻头上的脉动冲击力，进一步提高了钻头的破岩效率，化害为利，吸振增压耦合器的研制成功，对于提高我国复杂结构井钻井工艺技术水平和国际市场竞争力，提供了有力的技术支撑。
Claims (8)
1.吸振增压耦合器，包括中心轴(2)、外壳体(3)，其特征在于：所述中心轴(2)轴向设有中心孔(6)，在中心轴(2)外壁沿轴向间隔设有花键副(5)和下凸台，中心轴(2)底部向上设有一段传压孔(11)，传压孔(11)延伸至下凸台的上端面；所述外壳体(3)套装在上接头(1)下方的中心轴(2)外部，外壳体(3)上端部与上接头(1)底部保持一定间隔，外壳体(3)内壁沿轴向间隔设有花键槽和上阀座(10)、下阀座(14)，花键槽与中心轴(2)上的花键副(5)构成轴向滑动配合，上阀座(10)下端面与中心轴(2)的下凸台上端面构成阻挡配合，在下阀座(14)与中心轴(2)外凸台之间的环空内套装弹簧B(12)；所述中心轴(2)与外壳体(3)构成轴向滑动密封配合。
2.根据权利要求1所述的吸振增压耦合器，其特征是：在中心轴(2)下凸台和花键副(5)之间的外壁上还设有一个或几个上凸台，与之对应的外壳体(3)内壁上也设有一个或几个内凸台，在中心轴(2)的上凸台下方与外壳体(3)内凸台之间环空内套装有弹簧。
3.根据权利要求1或2所述的吸振增压耦合器，其特征是：所述中心轴(2)下凸台的传压孔(11)是向上倾斜至上端面。
4.根据权利要求3所述的吸振增压耦合器，其特征是：所述传压孔(11)的入口处安装过滤装置。
5.根据权利要求1或2所述的吸振增压耦合器，其特征是：还包括上接头(1)和下接头(15)，上接头(1)连接在中心轴(2)的上端，且上接头(1)底部与外壳体(3)上端部保持一定间隔，外壳体(3)下端设有下接头(15)。
6.根据权利要求1或2所述的吸振增压耦合器，其特征是：所述中心轴(2)与外壳体(3)是通过密封装置构成轴向滑动密封配合。
7.根据权利要求6所述的吸振增压耦合器，其特征是：所述密封装置包括设置在中心轴(2)与外壳体(3)顶部之间安装密封装置A(4)和设置在上阀座(10)、下阀座(14)与中心轴(2)之间的密封装置C(9)、密封装置D(13)。
8.根据权利要求7所述的吸振增压耦合器，其特征是：在花键副(5)和弹簧所在的环空内充满润滑油。
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