专利名称：机械式多向减振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及油气井工程与地质勘探钻井技术领域。
背景技术：
现有的液压双向减振器工作原理，主要是利用液压缸内注入的201-100 甲基硅油作为液体弹簧，吸收钻进过程中钻柱轴向振动冲击负荷。另外，还 通过活塞内孔梯形螺旋与心轴连接，使钻柱的扭转振动冲击负荷转换成活塞 的轴向分力，变换为液压缸内压，从而保持稳定的钻头工作扭矩。(详见《钻 井工程技术手册》第5 3 0 5 3 2页一中国石化出版社，2 0 0 5年2月 第一版，2 0 0 6年1月第二次印刷。)多年来，液压双向减振器在油气田 钻井工程中，尤其当钻进硬地层、砾石层、软硬夹层及其它复杂地层时，为 减缓钻柱的轴向振动和扭转振动产生的冲击负荷、提高钻头的工作效率、避 免并下事故，发挥了一定作用。
申请人认为，从理论到国内外的应用实践都充分证明使用钻柱减振器 的真正意义在于消除或减缓钻柱旋转钻进过程中产生的振动和冲击动能、改 变钻柱的固有频率。也就是说，对钻柱减振器的基本性能要求，是能够把尽 可能多的具有破坏性的振动冲击能量转换为热能而及时消散掉；使钻柱的固 有频率远离激振频率，避免发生谐振。
但是，《钻井工程技术手册》中介绍的液压双向减振器却都忽视了钻柱 减振器的阻尼作用和正确改变钻柱固有频率的关键作用。因此，应用现场的 生产和测试证明，他们生产的工具在消除或减缓钻柱振动冲击负荷峰值及避 免钻柱谐振方面，效果并不明显。
另外，申请人还认为，有的液压双向减振器由于密封件设计不合理、橡胶件的耐温性能差以及密封部位制造精度太低或高压条件下液压缸变形等 原因导致减振器失效，不能满足深井、超深井高温高压和复杂地质条件下钻
进的要求。201-100甲基硅油作为现有液压双向减振器的液体弹簧使用，由 于其粘度很低，在高温(150。C以上)、高压(30MPa 70MPa)条件下旋转 钻进时很易泄漏，而硅油稍有泄漏就会导致工具失效。甚至有时因油塞或其 它密封部位渗漏，在长途运输过程中硅油不断漏失，待工具运到钻井现场时 已无法使用。尤其是目前我国硅油市场对各生产厂家硅油的体积压縮率尚无 技术指标要求，各生产厂家均无进行硅油体积压縮率的测试手段，于是大多 生产厂家是购进固体原料勾兌成不同粘度的硅油产品，均无产品体积压縮率 的性能指标介绍。减振器生产厂属盲目购进这种硅油当液体弹簧使用，其减 振器在井下的刚度性能及减振效果也无人能说清楚。
另外，由于对液压双向减振器的制造精度的要求较高，钢材的价格不断 上涨，硅油的市场价格也比较昂贵，致使液压双向减振器的总体成本居高不 下。
再则，减振器组装完毕进行地面试验时，在上述的压力条件下，试验人 员在高压"容器"和高压管路周围操作，有造成人身伤害的不安全隐患。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种机械式多向减振 器，使其集阻尼、减振、隔振于一体，并且成本低、安全性好、使用寿命长。
本发明的目的是这样实现的机械式多向减振器，包括上接头，上接头 的下端螺纹连接心轴，心轴包括由两级台阶过渡的、从上至下的大外径心轴、 中外径心轴和小外径心轴，大外径心轴外套置刮泥环座，刮泥环座的下端与 扶正筒螺纹连接，扶正筒包括从上至下的大内径扶正筒和小内径扶正筒，小 内径扶正筒的下端外螺纹连接花键筒，花键筒的下端内螺纹连接导筒；中外 径心轴与大内径扶正筒之间设有环形上液压腔，中外径心轴与小内径扶正筒之间设有阻尼环隙；中外径心轴与花键筒、导筒之间设有提升环、活塞、止
推轴承和上弹性体，提升环设置在扶正筒的下方，活塞设置在提升环的下方， 活塞包括活塞体和活塞接头，活塞体包括从上至下的大内径活塞体和小内径 活塞体，大内径活塞体上设有扭矩转换机构，所述小外径心轴与大内径活塞 体之间设有环形下液压腔，小内径活塞体的下端螺纹连接活塞接头，所述止 推轴承设置在活塞接头的下方，所述上弹性体设置在止推轴承的下方，在上 弹性体的下方、于导筒内设置导杆，导杆包括从上至下的大外径导杆和小外 径导杆，大外径导杆与小外径心轴的下端螺纹连接，小外径导杆与导筒之间 从上至下设有下弹性体和下接头，下接头与导筒的下端螺纹连接。
本发明通过以上设计，当钻柱轴向振动力向下时，轴向力迫使心轴向下 运动，压迫上液压腔的液压油经阻尼环隙向下流动。因阻尼环隙的流阻非常 大，使冲击动能部分转换为摩擦热能，经心轴和扶正筒、花键筒传递给水眼
和环空的钻井液消散掉。此时，由于上液压腔的容积Vi大于下液压腔的总 容积V2，于是高压油液推动活塞体、活塞密封总成、活塞接头和止推轴承向 下运动，使上弹性体压縮变形，以挤出一个与轴向力对应的V;。反之，上 弹性体上弹，推动止推轴承和活塞向上运动。此时下液压腔里的液压油在上 弹性体的压力下经阻尼环隙流向上液压腔，阻尼力同样消散掉向上的冲击动 能，使心轴处于稳定的工作状态。
目前国内外对钻柱扭转振动冲击的减缓方法多用橡胶或硅油作减振元 件。本发明的扭转振动冲击减振是采用环隙阻尼与复合组合碟簧的互补结 构。这种阻尼减振结构与橡胶和硅油结构相比较，既不存在老化问题，也不 可能因密封泄漏而失效。
本发明的有益效果是
1、本发明集阻尼、减振、隔振于一体。与现有的各类钻柱减振器相比， 它的功能更多，更能有效地消除或减缓钻柱的轴向振动、横向振动和扭转振动所产生的冲击负荷；改变钻柱的固有频率，使其远离常规钻进参数的谐振 区。在油气井工程与地质勘探钻井过程中，尤其在钻进硬地层、砾石层或其 他复杂地层时，该工具可使钻头、钻具及地面设备避免振动破坏，减缓钻柱 疲劳失效。为保证人身与设备安全，延长钻头使用寿命、提高钻井效率发挥
重要作用。
2、 本发明是国内外现有钻柱减振器中唯一能将扭转振动冲击负荷的减 振、隔振与轴向减振、隔振机构设计为两个独立的部分，既相互协调又互不 干扰。其减振、隔振元件不受压力、温度和密封质量的限制，极大地延长了 减振器的使用寿命，且使减振效果更好。
3、 自行研制的止推轴承能在井下小空间里承受巨大的周向和轴向交变 负荷，并填补了国内外市场的空白。
4、 目前国内外对钻柱扭转振动冲击的减缓方法多用橡胶或硅油作减振 元件。本发明的扭转振动冲击减振是采用环隙阻尼与复合组合碟簧的互补结 构。这种阻尼减振结构与橡胶和硅油结构相比较，既不存在老化问题，也不 可能因密封泄漏而失效。由于上、下弹性体采用的材质的改变，使减振器的 制造成本大幅度降低，而整体使用寿命比现有的钻柱减振器提高3-5倍。
5、 本发明的另一有益效果，即无论扭转刚度与固有频率，还是轴向刚 度与固有频率，都可以分别根据各自的阻尼系统和碟簧的厚度及组合方式进
行调整，满足每口井工程设计的需要。
所述扭矩转换机构包括直花键副和左向螺旋花键副，直花键副设置在大 内径活塞体与花键筒之间，左向螺旋花键副设置在中外径心轴与大内径活塞 体之间。本发明研制成功的新型力转换机构，左向螺旋花键与直花键分别置 于活塞体的内孔和外圆，设计使其自动实现扭矩与轴向力的平稳转换，且与 钻压的轴向力分离。转盘的工作扭矩通过方钻杆、钻杆、钻铤传递给机械式 多向减振器的上接头一心轴一左向螺旋花键副一活塞体一直花键副一花键筒一导筒一下接头一底部钻柱和钻头。钻头在破碎岩石过程和遇到卡阻时都 会给钻柱和减振器一个反扭矩或突然增大的扭转冲击负荷，有时会造成钻头 或钻柱的严重破坏或钻具断裂等井下事故。这一重大技术难题，由本发明的 扭转振动冲击减振机构给予有效解决。
由于钻柱正常工作旋转方向是顺时针。当工作扭矩在一个平稳的给定值 时，活塞沿着左向螺旋花键副的轴向分力，向下旋转滑动到一个力平衡位置。 此时，上弹性体受压縮，压縮力最终作用在心轴下端与导筒连接的螺纹上， 对钻压不构成影响。当突然增大的扭转冲击负荷传递给减振器时，转换机构 立即将巨大的扭矩峰值转换为推动活塞向下的轴向力。这个力作用给上弹性 体(复合组合碟簧)，使其压縮变形，在压缩变形同时，将冲击动能转换为 碟簧的摩擦热能消散掉，保护钻头、钻柱不受扭转冲击的破坏或加剧疲劳。
所述止推轴承包括分别呈筒形且同心布置的转子、定子，转子与定子相 对面之间分别设有相互匹配的凸凹台阶，在转子与定子相对面之间设置滚 子。在组装完成后止推轴承已经承受上弹性体的预压縮力。当扭矩增大推动 活塞向左旋转下移运动时，活塞接头推动转子逆时针旋转，并将轴向力传递 给滚子和定子。此时轴向力施加在上弹性体上。反之，当扭矩减小时，上弹 性体向上回弹，将推力向上施加给止推轴承。止推轴承的定子带动活塞顺时 针旋转上移，直至恢复到钻压与扭矩的合理匹配位置，即优选参数钻井技术 中所要求的最佳钻进状态。
为了加强密封性，所述大外径心轴与大内径扶正筒之间设有密封总成。
同理，所述活塞体与心轴之间、活塞接头与导筒之间分别设有活塞密封 总成。
所述小外径导杆与与导筒之间设有调节环，调节环设置在下弹性体的上 方。调节环对下弹性体的压力腔的油压起调节作用，使之不受井下温度的影 响。同理，所述小外径导杆与与导筒之间设有浮动活塞，浮动活塞设置在下 弹性体的下方。
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为本发明的局部示意图。 图3止推轴承的结构示意图。
图中，1上接头，2心轴，2-1大外径心轴，2-2中外径心轴，2-3小外 径心轴，3刮泥环座，4扶正筒，4-l大内径扶正筒，4-2小内径扶正筒，5 花键筒，6导筒，7下接头，8密封总成，9阻尼机构，9a上液压腔，9b阻 尼环隙，9c下液压腔，10提升环，11扭矩转换机构，lla直花键副，lib 左向螺旋花键副，12活塞，12-1活塞体，12-1-1大内径活塞体，12-1-2小 内径活塞体，12-2活塞密封总成，12-3活塞接头，13止推轴承，13a转子， 13b滚子，13c定子，14上弹性体，15调节环，16下弹性体，17浮动活塞， 18导杆，18-1大外径导杆，18-2小外径导杆。
具体实施例方式
如图1、 2所示，机械式多向减振器，包括上接头1，上接头2的下端 螺纹连接心轴2，心轴2包括由两级台阶过渡的、从上至下的大外径心轴2-1、 中外径心轴2-2和小外径心轴2-3，大外径心轴2-1外套置刮泥环座3，刮泥 环座3的下端与扶正筒4螺纹连接，扶正筒4包括从上至下的大内径扶正筒 4-l和小内径扶正筒4-2，小内径扶正筒4-2的下端外螺纹连接花键筒5，花 键筒5的下端内螺纹连接导筒6，导筒6的下端内螺纹连接下接头7。
大外径心轴2-1与大内径扶正筒4-1之间设有密封总成8。
中外径心轴2-2与大内径扶正筒4-1之间设有环形上液压腔9a，中外径 心轴2-2与小内径扶正筒4-2之间设有阻尼环隙9b。
中外径心轴2-2与花键筒5、导筒6之间从上至下依次设有提升环10、活塞12、止推轴承13和上弹性体14。活塞12包括活塞体12-1和活塞接头 12-3，活塞体12-1包括从上至下的大内径活塞体12-1-1和小内径活塞体 12-1-2，直花键副lla设置在大内径活塞体12-1-1与花键筒5之间，左向螺 旋花键副lib设置在中外径心轴2-2与大内径活塞体12-1-1之间。活塞体 12-1与心轴2之间、活塞接头12-3与导筒6之间分别设有活塞密封总成12-2。
小外径心轴2-3与大内径活塞体12-1-1之间设有环形下液压腔9c，小 内径活塞体12-1-2的下端螺纹连接活塞接头12-3。
在上弹性体14的下方、于导筒6内设置导杆18，导杆18包括从上至 下的大外径导杆18-1和小外径导杆18-2。大外径导杆18-1与小外径心轴2-3 的下端螺纹连接，小外径导杆18-2与导筒6之间从上至下设有调节环15、 下弹性体16、浮动活塞17和下接头7。
如图3所示，止推轴承13包括分别呈筒形且同心布置的转子13a、定 子13c，转子13a与定子13c相对面之间分别设有相互匹配的凸凹台阶，在 转子13a与定子13c相对面之间设置滚子13b。
权利要求
1、机械式多向减振器，其特征在于包括上接头，上接头的下端螺纹连接心轴，心轴包括由两级台阶过渡的、从上至下的大外径心轴、中外径心轴和小外径心轴，大外径心轴外套置刮泥环座，刮泥环座的下端与扶正筒螺纹连接，扶正筒包括从上至下的大内径扶正筒和小内径扶正筒，小内径扶正筒的下端外螺纹连接花键筒，花键筒的下端内螺纹连接导筒；中外径心轴与大内径扶正筒之间设有环形上液压腔，中外径心轴与小内径扶正筒之间设有阻尼环隙；中外径心轴与花键筒、导筒之间设有提升环、活塞、止推轴承和上弹性体，提升环设置在扶正筒的下方，活塞设置在提升环的下方，活塞包括活塞体和活塞接头，活塞体包括从上至下的大内径活塞体和小内径活塞体，大内径活塞体上设有扭矩转换机构，所述小外径心轴与大内径活塞体之间设有环形下液压腔，小内径活塞体的下端螺纹连接活塞接头，所述止推轴承设置在活塞接头的下方，所述上弹性体设置在止推轴承的下方，在上弹性体的下方、于导筒内设置导杆，导杆包括从上至下的大外径导杆和小外径导杆，大外径导杆与小外径心轴的下端螺纹连接，小外径导杆与导筒之间从上至下设有下弹性体和下接头，下接头与导筒的下端螺纹连接。
2、 根据权利要求1所述的机械式多向减振器，其特征在于所述扭矩 转换机构包括直花键副和左向螺旋花键副，直花键副设置在大内径活塞体与 花键筒之间，左向螺旋花键副设置在中外径心轴与大内径活塞体之间。
3、 根据权利要求1所述的机械式多向减振器，其特征在于所述止推 轴承包括分别呈筒形且同心布置的转子、定子，转子与定子相对面之间分别 设有相互匹配的凸凹台阶，在转子与定子相对面之间设置滚子。
4、 根据权利要求l所述的机械式多向减振器，其特征在于所述大外 径心轴与大内径扶正筒之间设有密封总成。
5、 根据权利要求1所述的机械式多向减振器，其特征在于所述活塞 体与心轴之间、活塞接头与导筒之间分别设有活塞密封总成。
6、 根据权利要求l所述的机械式多向减振器，其特征在于所述小外 径导杆与与导筒之间设有调节环，调节环设置在下弹性体的上方。
7、 根据权利要求1所述的机械式多向减振器，其特征在于所述小外 径导杆与与导筒之间设有浮动活塞，浮动活塞设置在下弹性体的下方。
全文摘要
机械式多向减振器，涉及油气井工程与地质勘探钻井领域，包括上接头，上接头的下端连接心轴，心轴包括大外径心轴、中外径心轴和小外径心轴，心轴外设有刮泥环座、扶正筒、花键筒、导筒，扶正筒包括大内径扶正筒和小内径扶正筒；中外径心轴与大内径扶正筒之间设有上液压腔，中外径心轴与小内径扶正筒之间设有阻尼环隙；心轴与花键筒、导筒之间设有活塞、止推轴承和上弹性体，活塞包括活塞体和活塞接头，活塞体包括大内径活塞体和小内径活塞体，活塞上设有扭矩转换机构，小外径心轴与大内径活塞体之间设有下液压腔，导杆与心轴的下端连接，导杆与导筒之间设有下弹性体和下接头，下接头与导筒的下端连接。本发明集阻尼、减振、隔振于一体，安全性好。
文档编号E21B17/02GK101608535SQ20091018146
公开日2009年12月23日 申请日期2009年6月29日 优先权日2009年6月29日
发明者健 张, 杨文俊, 祝庆国, 祝庆玉 申请人:扬州天业石油机械有限公司