CN113638688A - 一种增强型脉动冲击载荷发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型脉动冲击载荷发生装置，包括上接头、外壳体、导流座、叶轮座、叶轮、一级放大腔、二级放大腔、活塞、密封圈、传动轴、碟簧组、碟簧调节片、传动套和下接头组。在钻进中，碟簧组将剧烈的钻柱振动缓解为频率稳定的振动，碟簧的压缩‑伸长将弹性势能转化为动能；同时钻井液沿着中心流道经叶轮后产生周期性的压力波动，流经到一级放大腔后，脉冲信号被放大，再流经二级放大腔后，形成效果更强的脉动冲击，流动的钻井液一部分以脉动冲击载荷形式作用到活塞横截面上使活塞带动传动轴以及钻头一起轴向运动，钻井液产生的压力与碟簧产生的弹力相互叠加，实现多种类能量的叠加，使钻头处产生更强的冲击效果，提高钻头作业效率。

Description

一种增强型脉动冲击载荷发生装置

技术领域

本发明涉及石油钻井开发、矿石开采等领域的机械装置，具体涉及一种增强型脉动冲击载荷发生装置。

背景技术

在钻井作业过程中，破碎井底岩石的动力由地面动力***通过井下钻具传递给钻头，传统钻井方式中动力的传输、转换、分配和利用等问题一直存在效率低下的问题。国内外相关研究表面在钻头处结合水力脉冲能有效的提高钻进效果，但由于技术原因等并没有很广泛的应用。同时在钻进过程中的钻柱振动剧烈会使扭矩出现剧烈波动、与地层摩擦阻力增强、钻柱使用寿命降低导致钻头破岩效率低，影响了钻进速度以及增加钻井成本。因此利用井底水力能量提高钻头冲击破岩效率并缓解钻柱振动，对提高钻井的机械钻速具有重要意义。

发明内容

为了提高钻头破岩效率，本发明提供一种增强型脉动冲击载荷发生装置。

一种增强型脉动冲击载荷发生装置，所述载荷发生装置包括依次通过螺纹连接的上接头、外壳体、传动套和下接头，上接头上端连接钻杆或钻铤，下接头下端连接钻头，上接头下端与外壳体上端内螺纹底部之间设置有垫圈，使上接头和外壳体内部有密闭的环形空隙，导流座、叶轮座、叶轮、一级放大腔、二级放大腔、活塞和传动轴依次设置在所述环形孔隙内，外壳体和传动轴之间有环形空间，在环形空间内设置有储能归位元件，所述导流座设置为有坡度的斜面，所述叶轮位于导流座的下方且转动连接在叶轮座腔内的一侧，所述二级放大腔下端与活塞之间存在间隙，所述活塞与外壳体之间设置有密封圈，外壳体上侧内壁上设置有第一环形台阶，所述活塞架设于第一环形台阶上端面上，所述外壳体与活塞过盈配合，活塞、传动轴、下接头和钻头可相对外壳体作相对轴向运动，外壳体旋转带动活塞、传动轴、下接头和钻头转动，传动套下端内壁设置有六方孔道，所述六方孔道与传动轴下端外壁上的六方花键配合，钻井液经叶轮后产生周期性的压力脉冲波动后在一级放大腔和二级放大腔协同作用使得钻井液的压力脉冲波动信号进行两次放大产生共振增压脉冲信号，增大钻头对井底岩石的冲击效果。

进一步地，所述传动轴中部设置有第二环形台阶面，第二环形台阶面上端与碟簧调节片螺纹连接，外壳体内壁第一环形台阶下端面与碟簧调节片中间设置有碟簧组件，碟簧组件上端卡在第一环形台阶上，碟簧组下端由传动轴上的碟簧调节片卡紧。

进一步地，所述上接头、导流座、叶轮座、一级放大腔、二级放大腔、活塞、传动轴和下接头的内部都设置钻井液中心流道，所述钻井液中心流道都处于同一轴向水平面。

进一步地，所述上接头、外壳体、活塞、传动轴和下接头均采用锥形螺纹连接且各连接处都设置有承压水平面。

进一步地，所述活塞、传动轴和下接头安装于外壳体的中心，活塞下端和传动轴上端用螺纹连接，下接头上端和传动轴下端用螺纹连接，传动套上端和外壳体下端采用螺纹连接。

进一步地，所述导流座、叶轮、叶轮座、一级放大腔和二级放大腔设置在上接头内部，导流座、叶轮座、一级放大腔和二级放大腔与上接头内壁滑动配合。

进一步地，所述一级放大腔和二级放大腔的放大腔的腔体长度为40-120mm，所述一级放大腔和二级放大腔的出口直径为10-40mm，所述一级放大腔的碰撞角角度30°-120°，二级放大腔的碰撞角角度为30°-90°，一级放大腔的内径为50mm-80mm，二级放大腔的内径为60mm-100mm。

进一步地，所述导流座间隙为15-40mm，所述叶轮的轮径为30-50mm，叶片外径为80-110mm，叶轮与非叶轮连接侧的叶轮座内腔之间的最短距离为3-20mm。

有益效果：本发明装置可利用碟簧组来缓解剧烈的钻柱振动，降低钻柱振动频率，减少的钻柱剧烈振动带来的风险。钻井液流经叶片后产生周期性的压力波动，流经一级放大腔后将压力脉冲信号放大，紧接着流经二级放大腔后将压力脉冲信号更进一步放大，形成具有更强力量的脉动冲击载荷一部分沿活塞、传动轴和下接头的中心流道从钻头水眼以脉冲射流形式喷出，另一部分以脉动冲击载荷形式作用到活塞横截面上，利用碟簧组的压缩-伸长产生的弹性势能与钻井液形成的脉动冲击能量的相互叠加，并结合钻头旋转产生的扭矩，可提高钻头作业效率，降低钻井工程的作业成本。

本发明装置结构简单，加工方便，效果更强，可应对多种不同地层结构。本装置利用叶轮和一级放大腔、二级放大腔可调节的特性改变钻井液产生的脉冲压力，增强其压力脉冲信号，形成更强的脉动冲击载荷作用到活塞面上，传递到钻头上并结合钻头旋转从而针对不同的地层产生不同程度的破岩效果；同时从中心流道流经的钻井液从钻头水眼以脉冲射流的形式喷出，起到了清理井底岩屑效果；本装置可缓解钻柱剧烈振动对钻头产生的硬冲击，利用碟簧组受压发生形变储存能量，与钻井液产生的水力能量相互组合并共同释放，传递到钻头上产生更好的破岩效果，实现多种能量的叠加组合，提高了钻井速度，面对不同的井底岩层更具有针对性，使井底作业工具发挥其最大的价值。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为工具压缩变形时示意图；

图3为工具伸长冲击时示意图；

图4为碟簧组示意图；

图5为传动套与外壳体下端六方花键配合示意图；

图6为叶轮结构与一级放大腔、二级放大腔结构参数定义示意图。

图中：1.上接头、2.导流座、3.叶轮、4.叶轮座、5.一级放大腔、6.二级放大腔、7.垫圈、8.活塞、9.密封圈、10.碟簧组、11.碟簧调节片、12.外壳体、13.传动轴、14.传动套、15.下接头、16.钻头、L1.一级放大腔腔长、L2.二级放大腔腔长、L3.叶轮叶片与非叶轮连接侧的叶轮座内腔之间的最短距离、L4.导流座间隙、

一级放大腔出口直径、

二级放大腔出口直径、

叶轮直径、

叶片外径、

一级放大腔内径、

二级放大腔内径、α.一级放大腔碰撞角角度、β.二级放大腔碰撞角角度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

根据附图，一种增强型脉动冲击载荷发生装置，沿着轴向依次包括.上接头1、外壳体12、传动套14和下接头15，上接头1上端连接钻杆或钻铤，上接头1下端和外壳体12螺纹连接，上接头1下端尾部与外壳体12上端内螺纹连接底部设置有垫圈7，使上接头1和外壳体12内部有密闭的环形空隙，活塞8、传动轴13和下接头15安装于外壳体12中心，活塞8下端和传动轴13上端用螺纹连接，下接头15上端和传动轴13下端用螺纹连接，传动套14上端和外壳体12下端采用螺纹连接，传动套14下端内壁设置有六方孔道，与传动轴13下端外壁上的六方花键配合，通过传动套14用来传递扭矩。传动轴13连接的活塞8和下接头，可相对于外壳体12进行轴向运动，作业过程中钻柱转动，外壳体12可带动活塞8、传动轴13和下接头15产生转动。外壳体12和传动轴13之间有环形空间，在环形空间内设置有碟簧组10和碟簧调节片11，碟簧组10设置是用来缓解钻柱剧烈振动来调整钻柱振幅变化，同时碟簧组10伸缩形变，产生的弹力通过传动轴上的环形台阶再传递给钻头。在上接头1内部依次设置有导流座2、叶轮3、叶轮座4、一级放大腔5和二级放大腔6，上接头1下端和外壳体12上部螺纹底端设置有垫圈7，二级放大腔6下端与活塞存在一定范围的间隙，使钻井液积压冲击活塞8。活塞8外侧设置有密封圈9，防止外壳体12内部有钻井液流入。外壳体12内壁设置有环形台阶面，与活塞8过盈配合，保证活塞8可以轴向移动且不会从外壳体12内脱离。导流座2、叶轮3、叶轮座4、一级放大腔5和二级放大腔6的内部都设置液体中心流道，导流座2设置为有坡度的斜面是为了对流经的钻井液产生加速度，叶轮3的转动使原本冲击井底的液体流经路线的横截面面积产生周期性变化，将连续稳定的液体流转换为具有脉冲效果的液体流，经过一级放大腔5时，脉冲流动液体通过流体的压力反馈将脉冲幅值放大并使之产生谐振，转换为具有脉冲谐振效果的液体流，以相对较高速射入相对静止的液体中,产生空化泡现象；流经二级放大腔6时，流动液体进入共振增压腔，腔体上游区域由于液体高速紊动射流进而更强烈的卷吸现象，结合它激压力扰动作用，在二级放大腔6内部产生共振增压现象，将液体流脉冲能量再次进行了放大，从二级放大腔6出口喷射出的流体具有更强的脉冲能量。形成的液压作用到活塞8的横截面上，与活塞8连接的传动轴13、下接头15产生轴向位移，钻井液产生的液压与碟簧组10压缩-伸长产生的弹力叠加后共同传递到钻头上，增大了钻头16对井底岩石的冲击效果。活塞8和下接头15分别与传动轴13上下两端都是锥形螺纹连接，活塞8、传动轴13和下接头15位于外壳体和传动套内部并设置有中心流道，具有更强脉冲特性的液体一部分冲击活塞8面的同时一部分沿中心流道继续流动，最后由钻头16的水眼喷射出具有脉冲特性的流体，起到清理井底破碎岩石的作用，提高了钻头16作业效率。

在钻进过程中，碟簧组将剧烈的钻柱振动缓解为频率稳定的振动，碟簧的压缩-伸长将弹性势能转化为动能；同时钻井液沿着中心流道经叶轮后产生周期性的压力波动，流经到一级放大腔后，脉冲信号被放大，再流经二级放大腔后，形成效果更强的脉动冲击，流动的钻井液一部分以脉动冲击载荷形式作用到活塞横截面上使活塞带动传动轴以及连接在下接头上的钻头一起轴向运动，钻井液产生的压力与碟簧产生的弹力相互叠加，实现多种类能量的叠加，使钻头处产生更强的冲击效果；另一部分通过中心流道以脉冲射流的形式从钻头水眼喷出，清理井底岩屑，提高钻头作业效率。

上接头下端面和外壳体上部锥形螺纹连接处底端设置有环形台阶面并安装有垫圈。上接头、以及上接头内部的导流座、叶轮座、一级放大腔、二级放大腔、活塞、传动轴、下接头的钻井液中心流道都处于同一轴向水平面；上接头、外壳体、活塞、传动轴和下接头均采用锥形螺纹连接，各连接处都设置有承压水平面。传动套内壁设置有六方孔道与传动轴下部花键配合，活塞、传动轴、下接头和钻头可与外壳体相对轴向运动，外壳体旋转可带动活塞、传动轴、下接头和钻头转动。传动轴中部设置有环形台阶面，环形台阶面上端设置有螺纹，与碟簧调节片螺纹连接，外壳体内壁环形台阶下端面与碟簧调节片中间的传动轴上放置碟簧组件，碟簧组件上端卡在外壳体内部台阶面上，碟簧组下端由传动轴上的碟簧调节片卡紧。

本发明优点一，外壳体内部设置有环形台阶面，与活塞过盈配合，保证活塞可以轴向移动且不会从外壳体内脱离，并且控制碟簧组变形范围，防止碟簧组抗压强度达到破坏极限。

本发明优点二，导流座、叶轮座、一级放大腔和二级放大腔相对于上接头内部是滑动配合，安装简单，拆卸方便，可以更换不同结构的叶轮、放大腔，根据现场实际要求调节不同频率的脉冲波动。钻井液流经叶轮时，叶轮转动产生周期性流道截面积的改变，进而产生周期性压力变化，再通过放大腔组合的变化，形成更强的脉动冲击载荷，一部分作用在活塞进而传递到钻头上，另一部分则由钻头水眼喷出脉冲射流达到提高机械钻速的要求。

作为本发明优点三，采用一级放大腔和二级放大腔，钻井液流经一级放大腔时，将流经叶轮元件产生的压力脉冲信号放大，将普通脉冲信号变成谐振脉冲信号并产生空化泡现象，流经二级放大腔时，由于其特殊的结构特性，可将谐振脉冲信号进一步放大产生更强的共振增压脉冲信号。其中，L1、L2的范围控制在40-120mm，L3的范围控制在3-20mm，L4的范围控制在15-40mm，φ1的范围控制在10-40mm、φ2的范围控制在10-40mm、φ3的范围控制在30-50mm、φ4的范围控制在80-110mm、φ5的范围是50mm-80mm、φ6范围是60mm-100mm、α的控制范围在30°-120°、β的控制范围在30°-90°。

作为本发明优点四，碟簧组设置是在缓解钻柱产生的剧烈振动的同时，碟簧组压缩变形储存能量，结合钻井液产生的压力脉冲载荷作用在活塞上，带动活塞、传动轴、下接头和钻头一起轴向移动，碟簧此时压缩-伸长产生的弹力和钻井液产生的液压相互叠加形成更强的能量作用在钻头上，提高钻头冲击破岩效率。

作为本发明优点五，碟簧调节片的设置是针对不同岩石破碎强度的地层，来调整工具下入前碟簧初始的形变情况，调节钻头破岩的冲击频率，以确保钻头发挥其最大的使用功效，提高钻井速率。

本发明工作过程为：连接钻柱的上接头随着钻柱的往复振动，通过连接的外壳体内部上的台阶面压缩碟簧，缓解钻柱剧烈振动并起到保护钻头作用，同时使碟簧受压形变储存能量；钻井液流经流道时，叶轮周期性的旋转产生的扰动作用使流体形成具有波动特性的脉冲射流，流经一级放大腔时具有脉冲特性的流体持续冲击内壁碰撞角后在腔室内形成轴对称的漩涡流动，与叶轮扰动作用产生的脉冲信号叠加并周期性增强；当流体进入二级脉冲放大腔后，流体冲击内壁碰撞角后产生新的反射信号与原有脉冲信号结合，又形成将脉冲信号放大的射流剪切层并在二级放大腔腔室内产生具有轴对称特性的的漩涡流动，漩涡流动的流体在腔体内持续与内壁碰撞角冲击，对流入二级放大腔的射流脉冲信号放大效果周期性增强。在二级放大腔和活塞之间有密闭环形空间，一部分钻井液产生的压力作用在活塞上同时叠加上碟簧压缩-伸长产生的弹力一并带动传动轴、下接头和钻头一起轴向往复运动，另一部分沿活塞、传动轴、下接头的中心流道从钻头水眼以脉冲射流形式喷出，再结合上钻头旋转，提高了钻头的机械钻速，降低了钻进时间，大大提高了工作效率，从而节约钻井成本。

总体来说，本发明是在钻进过程中多种能量组合进行工作，当碟簧调节片将碟簧组调好至相应的预紧力后，钻柱振动带动上接头和外壳体振动，遇到井底岩石对钻头向上的阻力，使碟簧组压缩变形，碟簧组的压缩变形一是可以缓解钻柱的剧烈振动，二是储存能量，与此同时当钻井液流经时使叶轮旋转，流经的钻井液压力产生持续的周期性变化，形成压力脉冲，再通过一级放大腔和二级放大腔对压力脉冲信号的双重放大，一部分在密闭环形空间增压后的钻井液作用到活塞面上，推动活塞、传动轴、下接头和钻头轴向运动，再叠加上碟簧组压缩-伸长变形中势能转化为动能所产生的能量，共同体现在钻头上对井底岩层的冲击；另一部分通过活塞、传动轴和下接头的中心流道，最后由钻头水眼以脉冲射流的形式喷出，清理井底碎石，再结合钻头本身的旋转，可提高钻头的机械钻速，进而提高钻头破岩效果。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种增强型脉动冲击载荷发生装置，所述载荷发生装置包括依次通过螺纹连接的上接头、外壳体、传动套和下接头，上接头上端连接钻杆或钻铤，下接头下端连接钻头，其特征在于，上接头下端与外壳体上端内螺纹底部之间设置有垫圈，使上接头和外壳体内部有密闭的环形空隙，导流座、叶轮座、叶轮、一级放大腔、二级放大腔、活塞和传动轴依次设置在所述环形孔隙内，外壳体和传动轴之间有环形空间，在环形空间内设置有储能归位元件，所述导流座设置为有坡度的斜面，所述叶轮位于导流座的下方且转动连接在叶轮座腔内的一侧，所述二级放大腔下端与活塞之间存在间隙，所述活塞与外壳体之间设置有密封圈，外壳体上侧内壁上设置有第一环形台阶，所述活塞架设于第一环形台阶上端面上，所述外壳体与活塞过盈配合，活塞、传动轴、下接头和钻头可相对外壳体作相对轴向运动，外壳体旋转带动活塞、传动轴、下接头和钻头转动，传动套下端内壁设置有六方孔道，所述六方孔道与传动轴下端外壁上的六方花键配合，钻井液经叶轮后产生周期性的压力脉冲波动后在一级放大腔和二级放大腔协同作用使得钻井液的压力脉冲波动信号进行两次放大产生共振增压脉冲信号，增大钻头对井底岩石的冲击效果。

2.根据权利要求1所述的一种增强型脉动冲击载荷发生装置，其特征在于，所述储能归位元件由碟簧调节片和多个碟簧组成的碟簧组件组成。

3.根据权利要求2所述的一种增强型脉动冲击载荷发生装置，其特征在于，所述传动轴中部设置有第二环形台阶面，第二环形台阶面上端与碟簧调节片螺纹连接，外壳体内壁第一环形台阶下端面与碟簧调节片中间设置有碟簧组件，碟簧组件上端卡在第一环形台阶下端，碟簧组下端由传动轴上的碟簧调节片卡紧。

4.根据权利要求1所述的一种增强型脉动冲击载荷发生装置，其特征在于，所述上接头、导流座、叶轮座、一级放大腔、二级放大腔、活塞、传动轴和下接头的内部都设置钻井液中心流道，所述钻井液中心流道都处于同一轴向水平面。

5.根据权利要求1所述的一种增强型脉动冲击载荷发生装置，其特征在于，所述上接头、外壳体、活塞、传动轴和下接头均采用锥形螺纹连接且各连接处都设置有承压水平面。

6.根据权利要求1所述的一种增强型脉动冲击载荷发生装置，其特征在于，所述活塞、传动轴和下接头安装于外壳体的中心，活塞下端和传动轴上端用螺纹连接，下接头上端和传动轴下端用螺纹连接，传动套上端和外壳体下端采用螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的一种增强型脉动冲击载荷发生装置，其特征在于，所述导流座、叶轮、叶轮座、一级放大腔和二级放大腔设置在上接头内部，导流座、叶轮座、一级放大腔和二级放大腔与上接头内壁滑动配合。

8.根据权利要求1所述的一种增强型脉动冲击载荷发生装置，其特征在于，所述一级放大腔和二级放大腔的放大腔的腔体长度为40-120mm，所述一级放大腔和二级放大腔的出口直径为10-40mm，所述一级放大腔的碰撞角角度30°-120°，二级放大腔的碰撞角角度为30°-90°，一级放大腔的内径为50mm-80mm，二级放大腔的内径为60mm-100mm。

9.根据权利要求1所述的一种增强型脉动冲击载荷发生装置，其特征在于，所述导流座高度为15-40mm，所述叶轮的轮径为30-50mm，叶片外径为80-110mm，叶轮与非叶轮连接侧的叶轮座内腔之间的最短距离为3-20mm。

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