石油鑽井用三維渦輪振動器的製造方法

2024-02-23 22:21:15

石油鑽井用三維渦輪振動器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種石油鑽井用三維渦輪振動器，屬石油鑽井工具設計【技術領域】，由流量控制閥、軸向振動器、渦輪偏心接頭、液力脈衝發生器組成；流量控制閥用來調節流入振動器的泥漿的流量以及速度；軸向振動器用來產生沿軸向方向上的位移；渦輪偏心接頭通過渦輪節將泥漿的水力轉化為主軸的旋轉運動和圓周方向偏心的振動，液力脈衝發生器通過PDC推力軸承靜環和動環之間的過流面積循環的變化，從而產生圓周方向上的振動。本發明的石油鑽井用三維渦輪振動器同時在軸向、圓周方向上產生的三維振動，能夠有效克服大位移井和水平井鑽柱與井壁之間的摩擦阻力、降低鑽柱與井壁之間的扭矩，避免卡鑽事故的發生，具有大幅度提高鑽井效率，降低鑽井成本的特點。
【專利說明】石油鑽井用三維渦輪振動器

【技術領域】
:
[0001]本發明涉及一種石油鑽井用三維渦輪振動器，屬石油鑽井工具設計【技術領域】。

【背景技術】
:
[0002]在石油鑽井的過程中，特別是在大位移井和水平井的鑽井過程中，管柱的摩擦阻力是需要解決的核心問題，它直接決定和影響大位移井和水平井的最大延伸。
[0003]通常情況下，大位移井和水平井的位移與垂深之比大於或者等於2，其井斜角的下限值必超過63° ,並且由於一般大位移井都有一個垂直段,貝U其最大井斜角一般在70°以上；大位移井的斜深多達幾千米，對於水平井，井眼軌跡近似達到水平，井眼通常繼續在油層裡延伸油層厚度的六倍。在這樣的情況下，大位移井和水平井鑽柱的自重絕大部分將壓向井壁，鑽柱和井壁之間將產生很大的摩擦力，從而導致鑽柱滑動困難，使鑽柱承受較大扭矩，使鑽進速度緩慢，還有可能發生卡鑽事故。


【發明內容】

:
[0004]為了克服現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種石油鑽井用三維渦輪振動器，能夠有效克服大位移井和水平井鑽柱與井壁之間的摩擦阻力、降低鑽柱與井壁之間的扭矩，避免卡鑽事故的發生，具有大幅度提高鑽井效率，降低鑽井成本的特點。
[0005]本發明是通過如下技術方案來實現上述目的的。
[0006]在石油鑽井用三維渦輪振動器的結構中，設置有流量控制閥、軸向振動器、渦輪偏心接頭、液力脈衝發生器；所述的流量控制閥由閥體、閥芯、彈簧、旁通閥孔、閥套組成；閥芯、彈簧、閥套從上至下依次安裝在閥體內；閥芯安裝在彈簧的上方，彈簧的下端安裝在閥套上，閥套固定安裝在閥體的內壁上；閥芯能在閥體內軸向移動；閥體的上端與鑽柱通過螺紋相連接；閥體的下端與心軸的上端通過螺紋相連接；在閥體上相對於閥芯與閥套結合處的位置開有旁通閥孔；所述的軸向振動器由心軸、上接頭、蝶形彈簧、中空活塞、下接頭組成；心軸的上端與閥體的下端通過螺紋相連接；上接頭的上端與心軸通過花鍵相連接；上接頭的下端與下接頭的上端通過螺紋相連接；下接頭的下端與渦輪接頭外殼的上端通過螺紋相連接；心軸的下端位於上接頭和下接頭的中空腔內；在下接頭的中空腔內，中空活塞通過螺紋連接安裝在心軸的下端；蝶形彈簧安裝在心軸與下接頭之間的中空腔內，安裝在心軸的凸緣和下接頭的臺肩之間；所述的渦輪偏心接頭由渦輪接頭外殼、偏心塊、扶正軸承、主軸、渦輪節組成；渦輪接頭外殼的上端與下接頭的下端通過螺紋相連接；渦輪接頭外殼的下端與液力脈衝發生器的發生器外殼的上端通過螺紋相連接；主軸安裝在渦輪接頭外殼內，在主軸上從上至下依次安裝有偏心塊、扶正軸承和渦輪節；偏心塊固定在主軸的頂端面；偏心塊位於扶正軸承的上端；扶正軸承固定在渦輪節的上端，用來對渦輪節起支撐作用；所述的液力脈衝發生器由連接器、發生器外殼、PDC軸承動環、PDC軸承靜環、固定接頭組成；發生器外殼的上端與渦輪接頭外殼的下端通過螺紋相連接；連接器、PDC軸承動環、PDC軸承靜環、固定接頭從上至下依次安裝在發生器外殼內；連接器的上端與主軸的下端通過螺紋相連接；連接器的下端與PDc軸承動環通過螺紋相連接；固定接頭的上端與roc軸承靜環通過螺紋相連接；固定接頭的下端與發生器外殼通過螺紋相連接；在PDC軸承靜環的園周邊開有過流孔。
[0007]主軸旋轉和偏心振動時，其運動通過連接器直接傳遞到PDC軸承動環上，從而使流經PDC軸承靜環上的過流孔的泥漿過流面積產生循環的變化，從而產生圓周方向上的振動。
[0008]本發明與現有的技術相比，可通過流量控制閥來控制泥漿的速度和總量，控制靈活；通過軸向振動器產生軸向方向上的振動，為鑽頭的衝擊作用產生一個預期的間歇作用的力；通過渦輪偏心接頭上的偏心塊提供給主軸圓周方向偏心的振動；採用渦輪節將泥漿的水力轉化為主軸的旋轉運動，並且將旋轉運動轉化為液力脈衝發生器的偏心運動，使液力脈衝發生器旋轉過程中過流面積的變化來產生鑽柱沿圓周方向上的脈動，從而有效克服大位移井和水平井鑽柱與井壁之間的摩擦阻力、降低鑽柱與井壁之間的扭矩，避免卡鑽事故的發生，具有大幅度提高鑽井效率，降低鑽井成本的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0009]圖1為本發明的總體結構示意圖。
[0010]圖2為本發明的連接器部分開有過流通道的結構示意圖。
[0011]在圖中:1.閥體、2.閥芯、3.彈簧、4.旁通閥孔、5.閥套、6.心軸、7.上接頭、8.蝶形彈簧、9.中空活塞、10.下接頭、11.渦輪接頭外殼、12.偏心塊、13.扶正軸承、14.主軸、
15.渦輪節、16.連接器、17.發生器外殼、18.PDC軸承動環、19.PDC軸承靜環、20.固定接頭。

【具體實施方式】
:
[0012]本發明石油鑽井用三維渦輪振動器由流量控制閥、軸向振動器、渦輪偏心接頭、液力脈衝發生器組成；所述的流量控制閥由閥體1、閥芯2、彈簧3、旁通閥孔4、閥套5組成；閥芯2、彈簧3、閥套5從上至下依次安裝在閥體I內；閥芯2安裝在彈簧3的上方，彈簧3的下端安裝在閥套5上，閥套5固定安裝在閥體I的內壁上；在流入的泥漿和彈簧力的作用下，閥芯2能在閥體I內軸向移動，用來調節泥漿的流入速度和流入總量；閥體I的上端與鑽柱通過螺紋相連接；閥體I的下端與心軸6的上端通過螺紋相連接；在閥體I上相對於閥芯2與閥套5結合處的位置開有旁通閥孔4 ;當泥漿流量和壓力達到標準設定值時，閥芯2下移，流量控制閥被關閉，即旁通閥孔4被關閉，此時的泥漿全部由閥體I向下流經閥套5 ;當泥漿流量值過小或停泵時，所產生的壓力不足以克服彈簧3的彈力和靜摩擦力時，彈簧3把閥芯2向上頂起，流量控制閥被打開，即旁通閥孔4處於開啟位置，此時的部分泥漿可以從閥體I和井壁之間的環形空間進入旁通閥孔4，然後向下流經閥套5 ;另一部分泥漿從閥體I的軸向正常向下流經閥套5。所述的軸向振動器由心軸6、上接頭7、蝶形彈簧8、中空活塞9、下接頭10組成；心軸6的上端與閥體I的下端通過螺紋相連接；上接頭7的上端與心軸6通過花鍵相連接；上接頭7的下端與下接頭10的上端通過螺紋相連接；下接頭10的下端與渦輪接頭外殼11的上端通過螺紋相連接；心軸6的下端位於上接頭7和下接頭10的中空腔內；心軸6可以在中空腔內滑動；軸向振動器內部的鑽井液壓力與外環之間的正壓力差使得心軸6在中空腔內可上下移動；在下接頭10的中空腔內，中空活塞9通過螺紋連接安裝在心軸6的下端；蝶形彈簧8安裝在心軸6與下接頭10之間的中空腔內，安裝在心軸6的凸緣和下接頭10的臺肩之間，位於上接頭7的螺紋接頭端和中空活塞9之間，蝶形彈簧8在軸向產生彈簧抵抗力，並且周期性的被壓縮或者伸長；由於從流量控制閥流入振動器的泥漿的流量和速度不斷變化以及蝶形彈簧8的作用，使得心軸6在中空腔內上下移動，從而使軸向振動器產生沿軸向方向上的位移。所述的渦輪偏心接頭由渦輪接頭外殼
11、偏心塊12、扶正軸承13、主軸14、渦輪節15組成；渦輪接頭外殼11的上端與下接頭10的下端通過螺紋相連接；渦輪接頭外殼11的下端與液力脈衝發生器的發生器外殼17的上端通過螺紋相連接；主軸14安裝在渦輪接頭外殼11內，在主軸14上從上至下依次安裝有偏心塊12、扶正軸承13和渦輪節15 ;偏心塊12固定在主軸14的頂端面；偏心塊12位於扶正軸承13的上端；扶正軸承13固定在渦輪節15的上端，用來對渦輪節15起支撐作用；高壓泥漿通過扶正軸承13流入到渦輪節15中；偏心塊12能夠和主軸14 一起旋轉，並且在圓周方向產生一種小幅度的不均勻的偏心振動；渦輪節15能夠將泥漿的水力運動轉化為主軸14的旋轉運動；渦輪節15根據實際的鑽採速度和效率可以有不同結構；扶正軸承13可以根據渦輪節15提供的扭矩大小來配置的耐磨軸承，從而實現對渦輪節15的有效支撐。所述的液力脈衝發生器由連接器16、發生器外殼17、PDC軸承動環18、PDC軸承靜環19、固定接頭20組成；發生器外殼17的上端與渦輪接頭外殼11的下端通過螺紋相連接；發生器外殼17的下端與下面的鑽柱通過螺紋相連接；連接器16、PDC軸承動環18、PDC軸承靜環19、固定接頭20從上至下依次安裝在發生器外殼17內；連接器16的上端與主軸14的下端通過螺紋相連接；連接器16的下端與PDC軸承動環18通過螺紋相連接；固定接頭20的上端與PDC軸承靜環19通過螺紋相連接；固定接頭20的下端與發生器外殼17通過螺紋相連接；在PDC軸承靜環19的園周邊開有過流孔；主軸14旋轉和偏心振動時，其運動通過連接器16直接傳遞到PDC軸承動環18上，從而使流經PDC軸承靜環19上的過流孔的泥漿過流面積產生循環的變化，從而產生圓周方向上的振動。
[0013]在連接器16上開有過流通道，與其相對應，在PDC軸承動環18和I3DC軸承靜環19的中心也開有過流孔；當主軸14旋轉和偏心振動時，其運動通過連接器16直接傳遞到roc軸承動環18上，此時的泥漿從連接器16上的過流通道、PDC軸承動環18中心處的過流孔和PDC軸承靜環19中心處的過流孔中通過；使得流經PDC軸承靜環19上的過流孔的泥漿過流面積產生循環的變化。
[0014]本發明的石油鑽井用三維渦輪振動器由流量控制閥、軸向振動器、渦輪偏心接頭、液力脈衝發生器組成；流量控制閥用來調節流入振動器的泥漿的流量以及速度；軸向振動器用來產生沿軸向方向上的位移；渦輪偏心接頭通過渦輪節將泥漿的水力轉化為主軸的旋轉運動和圓周方向偏心的振動，液力脈衝發生器通過PDC推力軸承靜環和動環之間的過流面積循環的變化，從而產生圓周方向上的振動。
[0015]本發明的石油鑽井用三維渦輪振動器同時在軸向、圓周方向上產生的三維振動能夠提高大位移井和水平井的鑽柱在下放過程中鑽柱克服井壁對鑽柱的阻力的能力；減少由於鑽柱壓力與底層壓力之差較大造成的鑽柱向井壁推靠以及卡鑽等井下事故的發生，降低鑽柱所受到的地層作用的扭矩。
【權利要求】
1.石油鑽井用三維渦輪振動器，由流量控制閥、軸向振動器、渦輪偏心接頭、液力脈衝發生器組成；其特徵在於所述的流量控制閥由閥體(I)、閥芯(2)、彈簧(3)、旁通閥孔(4)、閥套(5)組成；閥芯(2)、彈簧(3)、閥套(5)從上至下依次安裝在閥體(I)內；閥芯(2)安裝在彈簧(3)的上方，彈簧(3)的下端安裝在閥套(5)上，閥套(5)固定安裝在閥體(I)的內壁上；閥芯(2)能在閥體(I)內軸向移動；閥體(I)的上端與鑽柱通過螺紋相連接；閥體(O的下端與心軸(6)的上端通過螺紋相連接；所述的軸向振動器由心軸￠)、上接頭(7)、蝶形彈簧(8)、中空活塞(9)、下接頭(10)組成；心軸(6)的上端與閥體(I)的下端通過螺紋相連接；上接頭(7)的上端與心軸(6)通過花鍵相連接；上接頭(7)的下端與下接頭(10)的上端通過螺紋相連接；下接頭(10)的下端與渦輪接頭外殼(11)的上端通過螺紋相連接；心軸(6)的下端位於上接頭(7)和下接頭(10)的中空腔內；在下接頭(10)的中空腔內，中空活塞(9)通過螺紋連接安裝在心軸(6)的下端；所述的渦輪偏心接頭由渦輪接頭外殼(11)、偏心塊(12)、扶正軸承(13)、主軸(14)、渦輪節(15)組成；渦輪接頭外殼(11)的上端與下接頭(10)的下端通過螺紋相連接；渦輪接頭外殼(11)的下端與液力脈衝發生器的發生器外殼(17)的上端通過螺紋相連接；主軸(14)安裝在渦輪接頭外殼(11)內，在主軸(14)上從上至下依次安裝有偏心塊(12)、扶正軸承(13)和渦輪節(15);偏心塊(12)固定在主軸(14)的頂端面；偏心塊(12)位於扶正軸承(13)的上端；扶正軸承(13)固定在渦輪節(15)的上端，用來對渦輪節(15)起支撐作用；所述的液力脈衝發生器由連接器(16)、發生器外殼(17 )、PDC軸承動環(18 )、PDC軸承靜環(19 )、固定接頭(20 )組成；發生器外殼(17 )的上端與渦輪接頭外殼(11)的下端通過螺紋相連接；連接器(16)、PDC軸承動環(18)、PDC軸承靜環(19)、固定接頭(20)從上至下依次安裝在發生器外殼(17)內；連接器(16)的上端與主軸(14)的下端通過螺紋相連接；連接器(16)的下端與PDC軸承動環(18)通過螺紋相連接；固定接頭(20)的上端與PDC軸承靜環(19)通過螺紋相連接；固定接頭(20)的下端與發生器外殼(17)通過螺紋相連接；在？0(:軸承靜環(19)的園周邊開有過流孔。
2.根據權利要求1所述的石油鑽井用三維渦輪振動器，其特徵在於在閥體(I)上相對於閥芯(2)與閥套(5)結合處的位置開有旁通閥孔(4)。
3.根據權利要求2所述的石油鑽井用三維渦輪振動器，其特徵在於蝶形彈簧(8)安裝在心軸(6)與下接頭(10)之間的中空腔內，安裝在心軸(6)的凸緣和下接頭(10)的臺肩之間。
4.根據權利要求3所述的石油鑽井用三維渦輪振動器，其特徵在於在連接器(16)上開有過流通道，與其相對應，在PDC軸承動環(18)和PDC軸承靜環(19)的中心也開有過流孔。
【文檔編號】E21B7/24GK104165027SQ201310181145
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年5月16日 優先權日:2013年5月16日
【發明者】易先中, 高德利, 萬文妮, 張軍鋒 申請人:長江大學