CN105781418A - 一种可调振幅的水力脉冲发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可调振幅水力脉冲发生装置，包括有螺杆马达与水力脉冲阀组短节。马达由上接头、档板、定子总成和转子组成，钻井液通过马达时，驱动转子在衬套截面的长轴方向作直线往复运动；水力脉冲阀组短节包括过水接头、动阀、弹簧、衬环、定阀、压紧接头、下接头和定向键，定阀通过定向键与定子总成固定，通过定向键使定阀的偏心孔偏心方位与衬套截面的长轴方向一致，转子下部联接的动阀在定阀上做直线往复运动形成钻井液过流面积在不断的变化，振幅的调整通过将定阀的中心孔偏移距离大小实现，偏移的方向位于转子公转运动轨迹中心上。本发明的结构简单，阀件少，成本低，稳定可靠。

Description

一种可调振幅的水力脉冲发生装置

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井、修井作业工具领域，尤其是一种可调振幅的水力脉冲发生装置。

背景技术

石油、天然气勘探开发钻井过程中摩阻成为制约钻井发展、限制钻井水平段施工长度的主要因素。水力脉冲轴向振荡减阻工具可以通过在井眼内向上振荡钻具从而使钻具与井壁间静摩擦变为动摩擦来降低摩擦力实现钻压的准确传递。

然而在上述工具实际应用中，对于水力脉冲减阻钻井，如何提高水力脉冲轴向振荡减阻工具的振荡力一直困扰现场施工人员，目前普遍采取的盘阀偏心结构，通过采用椭圆孔的形式进行改变过流面积进而产生脉冲压力，如在专利公开号CN202883880U中叙述的一种马达驱动的钻柱轴向振荡减阻工具，该种类型工具结构无法实现按照现场实际需求来调节水力脉冲的振幅，仅能够在小范围幅度内调整水力脉冲振幅，使的该种类型工具现场应用时效果有限，无法更大范围有效破除钻具与井壁间的摩阻，振荡钻具的长度非常有限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种可调振幅的水力脉冲发生装置，用于提高水力脉冲轴向振荡减阻工具在用于大位移井钻井过程中通过自身产生的纵向振荡的振幅，从而来大幅度减少井下钻具组合与井眼之间摩阻，使钻压准确有效的传递到钻头上。

本发明的技术方案是：

一种可调振幅的水力脉冲发生装置，由螺杆马达与水力脉冲阀组短节两部分构成，螺杆马达包括定子总成3和转子4，其特征在于：水力脉冲阀组短节包括过水接头5、动阀6、弹簧7、衬套8、定阀9、压紧接头10和下接头11；其中，过水接头5连接在转子4的下部，动阀6套装在过水接头5下部，过水接头5与动阀6之间装配有弹簧7，通过弹簧7使动阀6与定阀9紧密结合，动阀6与定阀9的中心流道孔在其结合面上构成偏心孔配合；衬套8装配在定子总成3与动阀6环形空间内，衬套8具有跑道形状的截面；定阀9与定子总成3固定；下接头11连接在定子总成3下部，并通过压紧接头10将定阀9限定在定子总成3内；所述马达为1:2螺杆马达，转子4中心为偏心结构，且转子4沿衬套8截面的长轴方向作直线往复运动。

上述方案进一步包括：

动阀6中心流道孔为偏心孔，且满足动阀6中心孔偏心方向在转子4往复摆动的椭圆运动轨迹中心上。

定阀9中心流道孔为偏心孔，且满足定阀9中心孔偏心方向在转子4往复摆动的椭圆运动轨迹中心上。

定阀9通过定向键12轴向锁定在定子总成3内。

所述螺杆马达还包括档板2，档板2设置在定子总成3上部通过螺纹与定子总成3相连后对转子4进行轴向限位。

所述压紧接头10和下接头11为一体结构；在定子总成3上连接有上接头1。

本发明的设计原理：根据容积式钻井液单头马达（即1：2马达）的运动特性来看，在任意截面上，该截面上的螺杆截面中心沿衬套截面的长轴方向作直线往复运动，且所作的运动范围一定在定子内腔跑道型的有效截面内。并且转子在定子内腔作偏心距为e的行星运动，即既自转又公转运动。在1：2结构马达下，公转和自转的转速比为1：1，自转转速由钻井泥浆和马达每转排量共同决定。在螺杆—衬套副的任意断面上，螺杆转子断面中心位于衬套断面的长轴上；随着螺杆的转动，螺杆转子断面中心沿衬套断面的长轴方向作直线往复运动。

利用上述的转子在定子的截面上做直线往复运动，将转子下部联接的动阀与固定在定子总成内的定阀偏心配合，在转子转动的过程中，动阀在定阀上做来回往复运动，且随着运动位置的变化，两者形成的过流面积在不断的变化，最大面积为两者通孔重合时，即转子运动到定子的通孔处；最小面积为两者刚好偏移至最远处，即处于跑道型截面的另外一端。由于过流面积的不断变化，从而形成流体在此处的压力降不断的变化，从而形成轴向压力振荡。

综上，振荡发生机构是一个动阀和一个固定阀组成，动阀与正容积式钻井液马达的转子相连，定阀固定在接头的底部，由于为1：2的定转子比配置，当转子转动时，动阀作近线性的前后扫动，动阀在定阀上方扫动的过程中会周期性地对流道产生限制，总的流道面积将在最大与最小之间产生变化，从而在钻柱内产生希望的压力脉冲。

振幅的调整通过以下结构的限位方式实现：

将定阀的中心孔相对定阀截面中心偏移一个位置，定阀中心孔偏心距为e1，当e1=e（转子偏心距），且偏移的方向刚好在转子往复摆动的运动轨迹中心上时（定阀中心孔偏移位置在转子往复摆动长轴上），这种结构方案是转子带动动阀每转动一周，在动阀上只做一次来回运动，最大最小面积仅变化一次，引起轴向振荡一次。此时产生的水力脉冲最大，能够产生的水力脉冲振荡比无论哪种其他椭圆偏心结构或者其他偏心结构均大，且不会产生截流效应，产生憋泵问题。通过调整马达转子偏心距e，或者调整定阀的中心孔偏心距e1的大小（一般使e1﹤e），能够产生任意需要的水力脉冲振幅大小。

上述结构调整方式还可以通过调整动阀中心孔偏心距e2来实现，动阀中心孔e2的偏心方向也在转子往复摆动的定子橡胶内椭圆运动轨迹中心上。

本发明的可调振幅的水力脉冲发生装置应用于水力振荡工具的下部，通过产生的大幅度水力脉冲反馈至振荡短节内部的响应活塞上，产生相应的振荡力，振荡力的大小与水力脉冲振幅成正比关系，通过调整增大水力脉冲振幅，可以提高马达驱动的钻柱轴向振荡减阻工具振荡力，突破大位移井的钻进深度的限制，使大位移井的靶点更远，用最简单有效的方式加强动力钻具各方面的性能。

本发明通过利用螺杆的公转来实现动阀与定阀之间的往复摆动；定阀与动阀之间无串动，定阀始终直接贴在动阀上；动阀的结构特点，偏心与转子的偏心一致，利用马达的偏心来提供盘阀面积的变化，偏心越大，盘阀面积变化越大，通过偏心变化实现产生可调振幅的水力脉冲；动阀、定阀直接在定子壳体下端，结构简单，阀件少，成本低，稳定可靠。

附图说明

图1为可调振幅水力脉冲发生装置结构图；

图2为水力脉冲阀组短节示意图；

图3为可调振幅水力脉冲发生装置E-E剖面示意图；

图4为衬套断面结构图；

图5为动阀偏心结构示意图；

图6为工作时产生水力脉冲原理示意图；

图7为水力脉冲发生装置工作时示波仪显示脉冲曲线。

图中：1上接头，2档板，3定子总成，4转子，5过水接头，6动阀，7弹簧，8衬套，9定阀，10压紧接头，11下接头，12定向键。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步描述。

实施例1：

参见图1，可调振幅水力脉冲发生装置由1:2马达与水力脉冲阀组短节两部分构成。1:2马达包括上接头1、档板2、定子总成3、转子4，上接头1与定子总成3通过螺纹连接，定子总成3内部装配有转子4，档板2在定子总成3上部通过螺纹与定子总成3相连，挡板2在定子总成3内部限制转子4向上串动，钻井液通过1:2马达时，驱动转子4转动，根据1:2马达特性，转子4中心在定转子任意截面上沿衬套截面的长轴方向作直线往复运动。

参见图2，水力脉冲阀组短节包括过水接头5、动阀6、弹簧7、衬套8、定阀9、压紧接头10、下接头11、定向键12。过水接头5连接在转子4的下部，过水接头5下部套装动阀6，过水接头5与动阀6之间装配有弹簧7，通过弹簧7使动阀6与定阀9紧密结合，衬套8装配在定子总成3与动阀6环形空间内，用来装配时调整动阀6与定阀9的加工误差，定阀9通过定向键12与定子总成3固定，且通过定向键12使定阀9的偏心孔偏心方位与衬套8截面的长轴方向一致。

参见图3和图4，工作时，钻井液通过马达，再通过过水接头5，通过动阀6，利用转子4在定子总成3的截面上做直线往复运动，转子4下部联接的动阀6同样做直线公转，在转子4转动的过程中，动阀6在定阀9上做来回往复运动，且随着运动位置的变化，两者形成的面积在不断的变化，最大面积为两者通孔重合时，即转子运动到定子的通孔处；最小面积为两者刚好偏移至最远处，即处于跑道型截面的另外一端。由于过流面积的不断变化，从而形成流体在此处的压力降不断的变化，从而形成水力脉冲效应。

参见图6，振幅的调整通过将定阀9的中心孔偏移一个距离为e1(e1=e时产生水力脉冲振幅最大)的偏心距来实现，且偏移的方向刚好在转子往复摆动的运动轨迹中心上，这种结构转子4带动动阀6每转动一周，在动阀6上只做一次来回运动，最大最小面积仅变化一次，引起水力脉冲变化一个周期。若此时定阀9中心孔取偏心e1，且位置在转子往复摆动长轴上，产生的水力脉冲最大，能够产生的水力脉冲振荡比无论哪种其他椭圆偏心结构或者其他偏心结构均大，且不会产生截流效应，产生憋泵问题。通过调整马达转子4偏心e，或者调整定阀9的中心孔偏心距e1大小（e1﹤e），能够产生任意需要的水力脉冲振幅大小，水力脉冲发生装置工作时示波仪显示脉冲曲线参见图7。

实施例2：

振幅调整方式也可以通过调整动阀6的偏心距e2来实现。（实施例1的结构中定阀9为偏心孔，动阀6为居中中心孔），本实施例中，参照图5，动阀6中心孔具有偏心距e2而定阀9为居中中心孔（偏心距e1为0），动阀6中心孔偏心距e2的偏心方向在转子4往复摆动的定子橡胶内椭圆运动轨迹中心上，同样可以产生图7所示的水力脉冲曲线。

Claims (6)

1.一种可调振幅的水力脉冲发生装置，由螺杆马达与水力脉冲阀组短节两部分构成，螺杆马达包括定子总成（3）和转子（4），其特征在于：水力脉冲阀组短节包括过水接头（5）、动阀（6）、弹簧（7）、衬套（8）、定阀（9）、压紧接头（10）和下接头（11）；其中，过水接头（5）连接在转子（4）的下部，动阀（6）套装在过水接头（5）下部，过水接头（5）与动阀（6）之间装配有弹簧（7），通过弹簧（7）使动阀（6）与定阀（9）紧密结合，动阀（6）与定阀（9）的中心流道孔在其结合面上构成偏心孔配合；衬套（8）装配在定子总成（3）与动阀（6）环形空间内，衬套（8）具有跑道形状的截面；定阀（9）与定子总成（3）固定；下接头（11）连接在定子总成（3）下部，并通过压紧接头（10）将定阀（9）限定在定子总成（3）内；所述马达为1:2螺杆马达，转子（4）中心为偏心结构，且转子（4）沿衬套（8）截面的长轴方向作直线往复运动。

2.根据权利要求1所述的可调振幅的水力脉冲发生装置，其特征在于：动阀（6）中心流道孔为偏心孔，且满足动阀（6）中心孔偏心方向在转子（4）往复摆动的椭圆运动轨迹中心上。

3.根据权利要求1所述的可调振幅的水力脉冲发生装置，其特征在于：定阀（9）中心流道孔为偏心孔，且满足定阀（9）中心孔偏心方向在转子（4）往复摆动的椭圆运动轨迹中心上。

4.根据权利要求3所述的可调振幅的水力脉冲发生装置，其特征在于：定阀（9）通过定向键（12）轴向锁定在定子总成（3）内。

5.根据权利要求1或2、3、4所述的可调振幅的水力脉冲发生装置，其特征在于：所述螺杆马达还包括档板（2），档板（2）设置在定子总成（3）上部通过螺纹与定子总成（3）相连后对转子（4）进行轴向限位。

6.根据权利要求1或2、3、4所述的可调振幅的水力脉冲发生装置，其特征在于：所述压紧接头（10）和下接头（11）为一体结构；在定子总成（3）上连接有上接头（1）。