CN210217611U - 高频液力击振工具 - Google Patents

Abstract

一种高频液力击振工具，包括中心轴、外壳体、弹簧、螺杆马达总成、阀座、锥阀、上凸轮、下凸轮、肋板和连杆机构；其中：在中心轴和外壳体之间设置花键副，构成轴向花键滑动配合；弹簧安装在中心轴与外壳体之间；阀座固定在外壳体内壁上，且位于中心轴的下部，锥阀与外壳体之间安装肋板，肋板与外壳体是固定安装，而锥阀能沿着肋板轴向移动；上凸轮固定安装在锥阀内部，下凸轮安装在上凸轮下方并且轴向限位，下凸轮与上凸轮形成凸轮传动配合；下凸轮与螺杆马达总成的转子之间通过连杆机构传动。高频液力击振工具能够完全满足国内直井、定向井、水平井等复杂结构井的钻井工艺要求，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

高频液力击振工具

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等工具领域的一种高频液力击振工具。

背景技术

在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探等领域中，随着井深的不断增加，岩石越来越硬，严重制约了钻头的破岩效率。钻井实践证明，钻头旋转破岩的过程中，在钻头上施加一定频率的冲击力，能够有效提高钻头的破岩效率。国内外现有冲击工具的原理主要是刚性冲击，且属于低频高幅冲击，即冲击能量很大，但频率较低，实际应用过程中发现，初始时期内钻进效率显著提高，但随着时间的延长，钻进效率降低很快，其主要原因是冲击力造成钻头切削齿崩损，影响了破岩效率，而且刚性冲击的零部件极易发生疲劳损坏，降低了冲击工具的使用寿命。国外研究表明，在钻头上施加高频低幅冲击能量时，不仅同样能够达到大幅提高钻进效率的目的，而且不易损坏钻头切削齿，有利于延长钻头使用寿命，其机理在于，单次较低幅值的冲击能量在岩石表面产生较小的微裂纹，然后在高频冲击的作用下，微裂纹扩展速率增加并连通形成较大裂纹，在钻头旋转剪切的作用下岩屑脱离井底岩石母体。国内外资料调研分析表明，现有冲击工具现场应用整体效果不理想，冲击工具内部零部件易疲劳损坏，使用寿命较低，而且现有冲击工具尺寸较长，延长了井下测控仪器的盲区范围，因此不能完全满足定向井、水平井、大位移井等复杂结构井的钻井工艺要求。与此同时，国外研究发现，利用液压力瞬时变化产生的冲击能量属于柔性冲击，既能辅助提高钻进效率，又能保护钻头防止切削齿崩损，而且冲击工具结构简单，使用寿命长。因此，急需设计研制一种既能产生高频低幅冲击能量辅助提高钻头破岩效率，又能产生柔性冲击，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、维护方便的高频液力击振工具。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了最大限度的发挥高频低幅冲击能量的优势，达到辅助提高破岩效率，同时利用液压力瞬时变化产生柔性冲击力，提供一种高频液力击振工具。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

高频液力击振工具，包括中心轴、外壳体、弹簧、螺杆马达总成、阀座、锥阀、上凸轮、下凸轮、肋板和连杆机构；其中：在中心轴和外壳体之间设置花键副，构成轴向花键滑动配合；弹簧安装在中心轴与外壳体之间；阀座固定在外壳体内壁上，且位于中心轴的下部，锥阀与外壳体之间安装肋板，肋板与外壳体是固定安装，而锥阀能沿着肋板轴向移动；上凸轮固定安装在锥阀内部，下凸轮安装在上凸轮下方并且轴向限位，下凸轮与上凸轮形成凸轮传动配合；下凸轮与螺杆马达总成的转子之间通过连杆机构传动。

上述方案进一步包括：

在中心轴下部还安装单向阀。

所述花键副、弹簧和外壳体所处的空间内充满润滑油。

所述肋板是三组或三组以上，周向均匀分布。

所述上凸轮和下凸轮的凸台是三组或三组以上。

现场测试表明，本实用新型的高频液力击振工具能够满足直井、定向井、复杂结构井等多种井型的工艺要求，滑动钻进与复合钻进时，提速效果非常显著，钻井效率平均提高91.6%-136.8%，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、高效率完成钻井施工的目的。

同时，高频液力击振工具还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便、成本低廉等特点，便于大范围推广使用。

附图说明

图1是一种高频液力击振工具结构示意图。

图2是图1中高频液力击振工具A-A截面结构示意图。

图中1-中心轴、2-外壳体、3-花键副、4-单向阀、5-弹簧、6-阀座、7-锥阀、8-上凸轮、9-下凸轮、10-肋板、11-连杆机构、12-螺杆马达总成。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本实用新型。

实施例1

参照附图1和2，高频液力击振工具，包括中心轴1、外壳体2、弹簧5、螺杆马达总成12、阀座6、锥阀7、上凸轮8、下凸轮9、肋板10和连杆机构11；其中：在中心轴1和外壳体2之间设置花键副3，构成轴向花键滑动配合；弹簧5安装在中心轴1与外壳体2之间；阀座6固定在外壳体2内壁上，且位于中心轴1的下部，锥阀7与外壳体2之间安装肋板10，肋板10与外壳体2是固定安装，而锥阀7能沿着肋板10轴向移动；上凸轮8固定安装在锥阀7内部，下凸轮9安装在上凸轮8下方并且轴向限位，下凸轮9与上凸轮8形成凸轮传动配合；下凸轮9与螺杆马达总成12的转子之间通过连杆机构11传动。

实施例2

如图1和2所示，高频液力击振工具主要由中心轴1、外壳体2、花键副3、单向阀4、弹簧5、阀座6、锥阀7、上凸轮8、下凸轮9、肋板10、连杆机构11、螺杆马达总成12。花键副3安装在中心1轴和外壳体2之间，并形成花键配合。中心轴1下部安装单向阀4，中心轴1与外壳体2之间安装弹簧5，阀座6安装在外壳体2内壁上，且位于中心轴1的下部。锥阀7与外壳体2之间安装肋板10，肋板10与外壳体2是固定安装，而锥阀7能沿着肋板10轴向移动。上凸轮8固定安装在锥阀7内部，下凸轮9安装在锥阀7内部，并与上凸轮8形成配合，下凸轮9与螺杆马达总成12的转子之间安装连杆机构11。

高频液力击振工具安装在底部钻具组合中，下部的螺杆马达总成12连接钻头。钻井过程中，钻井液进入高频液力击振工具后，驱动螺杆马达总成12旋转，并驱动钻头旋转破岩。钻压是由中心轴1、弹簧5、外壳体2、螺杆马达总成12传递至钻头上，钻井液驱动螺杆马达总成12的转子旋转时，根据螺杆马达原理可知，转子在自转的同时，也会产生公转，利用连杆机构11能够将转子的公转转换为下凸轮9的自转，且转速相同。

在钻井液压力的作用下，下凸轮9轴向限位，上凸轮8与下凸轮9啮合，上凸轮8与下凸轮9的凸台相对构成凸轮传动，下凸轮9转动时间歇的顶起上凸轮8。锥阀7位于阀座6之外，螺杆马达总成12驱动下凸轮9产生自转，上凸轮8固定在锥阀7内部，锥阀7在肋板10的限定下只能轴向移动而不能转动，因此下凸轮9转动时，就会驱动上凸轮8产生轴向移动，进而驱动锥阀7轴向移动。当锥阀7向上移动时，就会进入阀座6，瞬间缩小阀座6钻井液的过流面积。当高速流动的钻井液被瞬间节流时，就会在阀座6上部产生较大的柔性水击压力，并通过外壳体2、螺杆马达总成12传递至钻头，从而形成了液力击振效应。并且由于中心轴1下部安装有单向阀4，因此瞬时高液压不会沿中心轴1内部向上传播。随着下凸轮9的继续旋转，锥阀7又会离开阀座6，使得阀座6钻井液的过流面积瞬间增大，水击压力消失。

钻井液继续向下流动，上述过程不断重复，就在钻头上产生了液力击振效应，由于螺杆马达总成12转子公转转速远高于其自转转速，因此液力击振效应的产生频率也很高，即在钻头上产生了高频低幅的液力击振效应，从而达到辅助提高钻速的目的。

国内使用的螺杆马达多为单弯，其结构弯点到钻头的距离是影响螺杆马达控制井眼轨迹能力的关键参数，而本实用新型提供的高频液力击振工具中的螺杆马达总成与常规螺杆马达基本完全一样，因此能够满足国内直井、定向井、大位移井、水平井等复杂结构井的钻井轨迹控制工艺要求，即在符合现有钻井工艺和设备的基础上，又具有高频液力击振辅助提高钻进效率的功能，对于我国深层油气资源矿产的开发具有重要意义。

Claims (5)

1.高频液力击振工具，包括中心轴（1）、外壳体（2）、弹簧（5）、螺杆马达总成（12）；其特征在于还包括阀座（6）、锥阀（7）、上凸轮（8）、下凸轮（9）、肋板（10）和连杆机构（11）；在中心轴（1）和外壳体（2）之间设置花键副（3），构成轴向花键滑动配合；弹簧（5）安装在中心轴（1）与外壳体（2）之间；阀座（6）固定在外壳体（2）内壁上，且位于中心轴（1）的下部，锥阀（7）与外壳体（2）之间安装肋板（10），肋板（10）与外壳体（2）是固定安装，而锥阀（7）能沿着肋板（10）轴向移动；上凸轮（8）固定安装在锥阀（7）内部，下凸轮（9）安装在上凸轮（8）下方并且轴向限位，下凸轮（9）与上凸轮（8）形成凸轮传动配合；下凸轮（9）与螺杆马达总成（12）的转子之间通过连杆机构（11）传动。

2.根据权利要求1所述的高频液力击振工具，其特征在于：在中心轴（1）下部还安装单向阀（4）。

3.根据权利要求1或2所述的高频液力击振工具，其特征在于：所述花键副（3）、弹簧（5）和外壳体（2）所处的空间内充满润滑油。

4.根据权利要求1或2所述的高频液力击振工具，其特征在于：所述肋板（10）是三组或三组以上，周向均匀分布。

5.根据权利要求1或2所述的高频液力击振工具，其特征在于：所述上凸轮（8）和下凸轮（9）的凸台是三组或三组以上。

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