专利名称：石油钻井用三维水力振动器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种石油钻井用三维水力振动器，属石油钻井工具设计技术领域。
技术背景在石油钻井的过程中，特别是在大位移井和水平井的钻井过程中，管柱的摩擦阻力是需要解决的核心问题，它直接决定和影响大位移井和水平井的最大延伸。通常情况下，大位移井和水平井的位移与垂深之比大于或者等于2，其井斜角的下限值必超过63° ,并且由于一般大位移井都有一个垂直段,贝U其最大井斜角一般在70°以 上；大位移井的斜深多达几千米，对于水平井，井眼轨迹近似达到水平，井眼通常继续在油层里延伸油层厚度的六倍。在这样的情况下，大位移井和水平井钻柱的自重绝大部分将压向井壁，钻柱和井壁之间将产生很大的摩擦力，从而导致钻柱滑动困难，使钻柱承受较大扭矩，使钻进速度缓慢，还有可能发生卡钻事故。
发明内容为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种石油钻井用三维水力振动器，能够有效克服大位移井和水平井钻柱与井壁之间的摩擦阻力、降低钻柱与井壁之间的扭矩，避免卡钻事故的发生，具有大幅度提高钻井效率，降低钻井成本的特点。本实用新型是通过如下技术方案来实现上述目的的。在石油钻井用三维水力振动器的结构中，设置有流量控制阀、轴向振动器、过滤接头、螺杆马达动力接头、液力脉冲发生器；所述的流量控制阀由阀体、阀芯、弹簧、阀座组成；阀芯、弹簧、阀座安装在阀体内；阀芯安装在弹簧的上方，弹簧的下端安装在阀座上，阀座固定安装在阀体的内壁上；阀芯能在阀体内轴向移动；阀体的上端与钻柱通过螺纹相连接；阀体的下端与心轴的上端通过螺纹相连接；在阀体上相对于阀芯与阀座结合处的位置开有旁通阀孔；所述的轴向振动器由心轴、上接头、蝶形弹簧、中空活塞、下接头组成；心轴的上端与阀体的下端通过螺纹相连接；上接头的上端与心轴通过花键相连接；上接头的下端与下接头的上端通过螺纹相连接；下接头的下端与过滤接头外壳的上端通过螺纹相连接；心轴的下端安装在上接头和下接头的中空腔内，在下接头的中空腔内，中空活塞通过螺纹连接安装在心轴的下端；蝶形弹簧安装在心轴与下接头之间的中空腔内，安装在心轴的凸缘和下接头的台肩之间；所述的过滤接头由过滤筛、防掉连杆、过滤接头外壳组成；过滤接头外壳的上端与下接头的下端通过螺纹相连接；过滤接头外壳的下端与螺杆马达外壳的上端通过螺纹相连接；过滤筛、防掉连杆安装在过滤接头外壳内；过滤筛安装在防掉连杆的上方；在防掉连杆的上端面上开有圆孔用来增加泥浆流入的流量；在过滤筛上开有过滤孔能够将泥浆中比较大的固体颗粒过滤掉；所述的螺杆马达动力接头由螺杆马达外壳、橡胶定子、转子组成；螺杆马达外壳的上端与过滤接头外壳的下端通过螺纹相连接；螺杆马达外壳的下端与发生器外壳的上端通过螺纹相连接；橡胶定子、转子安装在螺杆马达外壳内；橡胶定子固定安装在螺杆马达外壳的内壁上；转子安装在橡胶定子中；转子的上端和防掉连杆的下端通过螺纹相连接；所述的液力脉冲发生器由发生器外壳、连接器、PDC轴承动环、PDC轴承静环、固定接头组成；发生器外壳的上端与螺杆马达外壳的下端通过螺纹相连接；连接器、PDC轴承动环、PDC轴承静环、固定接头安装在发生器外壳内；连接器的上端与转子的下端通过螺纹相连接；连接器的下端与PDC轴承动环通过螺纹相连接；固定接头的上端与PDC轴承静环通过螺纹相连接；固定接头的下端与发生器外壳通过螺纹相连接；在PDC轴承静环的圆周边开有过流孔；转子旋转和偏心振动时，其运动通过连接器直接传递到PDC轴承动环上，从而使流经PDC轴承静环上的过流孔的泥浆过流面积产生循环的变化，从而产生圆周方向上的振动。本实用新型与现有的技术相比，可灵活控制泥浆的流量和速度，过滤掉泥浆中较大的固体颗粒，通过轴向振动器产生沿轴向方向上的位移；通过螺杆马达动力接头产生圆周方向的偏心振动力，使液力脉冲发生器的过流面积的变化来产生钻柱沿圆周方向上的脉动，从而有效克服大位移井和水平井钻柱与井壁之间的摩擦阻力、降低钻柱与井壁之间的扭矩，避免卡钻事故的发生，具有大幅度提高钻井效率，降低钻井成本的特点。
图I为本实用新型的总体结构示意图。图2为本实用新型的连接器部分开有过流通道的结构示意图。在图中1.阀体、2.阀芯、3.弹簧、4.阀座、5.心轴、6.上接头、7.蝶形弹簧、8.中空活塞、9.下接头、10.过滤筛、11.防掉连杆、12.过滤接头外壳、13.螺杆马达外壳、14.橡胶定子、15.转子、16.连接器、17.发生器外壳、18. PDC轴承动环、19. PDC轴承静环、20.固定接头、21.芳通阀孔。
具体实施方式
本实用新型石油钻井用三维水力振动器由流量控制阀、轴向振动器、过滤接头、螺杆马达动力接头、液力脉冲发生器组成；所述的流量控制阀由阀体I、阀芯2、弹簧3、阀座4组成；阀芯2、弹簧3、阀座4安装在阀体I内；阀芯2安装在弹簧3的上方，弹簧3的下端安装在阀座4上，阀座4固定安装在阀体I的内壁上；在流入的泥浆和弹簧力的作用下，阀芯2能在阀体I内轴向移动；用来调节泥浆的流入速度和流入总量；阀体I的上端与钻柱通过螺纹相连接；阀体I的下端与心轴5的上端通过螺纹相连接；在阀体I上相对于阀芯2与阀座4结合处的位置开有旁通阀孔21 ;当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯2下移，流量控制阀被关闭，即旁通阀孔21被关闭，此时的泥浆全部由阀体I向下流经阀座4;当泥浆流量值过小或停泵时，所产生的压力不足以克服弹簧3的弹力和静摩擦力时，弹簧3把阀芯2向上顶起，流量控制阀被打开，即旁通阀孔21处于开启位置，此时的部分泥浆可以从阀体I和井壁之间的环形空间进入旁通阀孔21，然后向下流经阀座4 ;另一部分泥浆从阀体I的轴向正常向下流经阀座4 ;所述的轴向振动器由心轴5、上接头6、蝶形弹簧7、中空活塞8、下接头9组成；心轴5的上端与阀体I的下端通过螺纹相连接；上接头6的上端与心轴5通过花键相连接；上接头6的下端与下接头9的上端通过螺纹相连接；下接头9的下端与过滤接头外壳12的上端通过螺纹相连接；心轴5的下端安装在上接头6和下接头9的中空腔内，心轴5可以在中空腔内滑动；轴向振动器内部的钻井液压力与外环之间的正压力差使得心轴5在中空腔内可上下移动；在下接头9的中空腔内，中空活塞8通过螺纹连接安装在心轴5的下端；蝶形弹簧7安装在心轴5与下接头9之间的中空腔内，安装在心轴5的凸缘和下接头9的台肩之间；位于上接头6的螺纹接头端和中空活塞8之间，蝶形弹簧7在轴向产生弹簧抵抗力，并且周期性的被压缩或者伸长；由于从流量控制阀流入振动器的泥浆的流量和速度不断变化以及蝶形弹簧7作用，使得心轴5在中空腔内上下移动，从而轴向振动器产生沿轴向方向上的位移；所述的过滤接头由过滤筛10、防掉连杆11、过滤接头外壳12组成；过滤接头外壳12的上端与下接头9的下端通过螺纹相连接；过滤接头外壳12的下端与螺杆马达外壳13的上端通过螺纹相连接；过滤筛10、防掉连杆11安装在过滤接头外壳12内；过滤筛10安装在防掉连杆11的上方；在防掉连杆11的上端面上开有圆孔用来增加泥浆流入的流量；在过滤筛10上开有过滤孔能够将泥浆中比较大的固体颗粒过滤掉；所述的螺杆马达动力接头由螺杆马达外壳13、橡胶定子14、转子15组成；螺杆马达外壳13的上端与过滤接头外壳12的下端通过螺纹相连接；螺杆马达外壳13的下端与发生器外壳17的上端通过螺纹相连接；橡胶定子14、转子15安装在螺杆马达外壳13内；橡胶定子14固定安装在螺杆马达外壳13的内壁上；转子15安装在橡胶定子14中；转子15的上端和防掉 连杆11的下端通过螺纹相连接；能够有效的阻止转子15在轴向方向上的滑脱；橡胶定子14的内表面、转子15的外表面具有特殊的螺旋线结构；转子15采用单头结构，并且转子15和橡胶定子14之间形成密封腔结构；泥浆流入时，密封腔结构沿轴向方向具有一定的压力梯度，梯度性的压力推动转子15旋转，并且形成一种偏心振动；转子15在橡胶定子14内作偏心转动；所述的液力脉冲发生器由发生器外壳17、连接器16、PDC轴承动环18、PDC轴承静环19、固定接头20组成；发生器外壳17的上端与螺杆马达外壳13的下端通过螺纹相连接；发生器外壳17的下端与下面的钻柱通过螺纹相连接；连接器16、PDC轴承动环18、PDC轴承静环19、固定接头20安装在发生器外壳17内；连接器16的上端与转子15的下端通过螺纹相连接；连接器16的下端与PDC轴承动环18通过螺纹相连接；固定接头20的上端与PDC轴承静环19通过螺纹相连接；固定接头20的下端与发生器外壳17通过螺纹相连接；在PDC轴承静环19的圆周边开有过流孔；转子15旋转和偏心振动时，其运动通过连接器16直接传递到PDC轴承动环18上，从而使流经PDC轴承静环19上的过流孔的泥浆过流面积产生循环的变化，从而产生圆周方向上的振动。在连接器16上开有过流通道，与其相对应，在PDC轴承动环18和I3DC轴承静环19的中心也开有过流孔；当转子15旋转和偏心振动时，其运动通过连接器16直接传递到roc轴承动环18上，此时的泥浆从连接器16上的过流通道、PDC轴承动环18中心处的过流孔和PDC轴承静环19中心处的过流孔中通过；使得流经PDC轴承静环19上的过流孔的泥浆过流面积产生循环的变化。本实用新型的石油钻井用三维水力振动器由流量控制阀、轴向振动器、过滤接头、螺杆马达动力接头、液力脉冲发生器组成；流量控制阀用来调节流入振动器的泥浆的流量以及速度；轴向振动器用来产生沿轴向方向上的位移；过滤接头用来过滤较粗的泥浆成分；进入振动器的泥浆在螺杆马达动力接头里面形成一定的压差，推动螺杆马达里面的转子结构旋转，同时转子在橡胶定子里偏心振动；液力脉冲发生器通过PDC推力轴承静环和动环之间的过流面积循环的变化，从而产生圆周方向上的振动。[0014]本实用新型的石油钻井用三维水力振动器同时在轴向、圆周方向上产生的三维振动能够提闻大位移井和水平井的钻柱在下放过程中钻柱克服井壁对钻柱的阻力的能力；减少由于钻柱压力与底层压力之差较大造成的钻柱向井壁推靠以及卡钻等井下事故的发生，降低钻柱所受到的地层作用的扭矩。·
权利要求1.石油钻井用三维水力振动器，由流量控制阀、轴向振动器、过滤接头、螺杆马达动力接头、液力脉冲发生器组成；其特征在于所述的流量控制阀由阀体(I)、阀芯(2)、弹簧(3)、阀座(4)组成；阀芯(2)、弹簧(3)、阀座(4)安装在阀体(I)内；阀芯(2)安装在弹簧(3)的上方，弹簧(3)的下端安装在阀座(4)上，阀座(4)固定安装在阀体(I)的内壁上；阀芯(2)能在阀体(I)内轴向移动；阀体(I)的上端与钻柱通过螺纹相连接；阀体(I)的下端与心轴(5)的上端通过螺纹相连接；所述的轴向振动器由心轴(5)、上接头(6)、蝶形弹簧(7)、中空活塞(8)、下接头(9)组成；心轴(5)的上端与阀体(I)的下端通过螺纹相连接；上接头(6)的上端与心轴(5)通过花键相连接；上接头(6)的下端与下接头(9)的上端通过螺纹相连接；下接头(9)的下端与过滤接头外壳(12)的上端通过螺纹相连接；心轴(5)的下端安装在上接头(6)和下接头(9)的中空腔内，在下接头(9)的中空腔内，中空活塞(8)通过螺纹连接安装在心轴(5)的下端；所述的过滤接头由过滤筛(10)、防掉连杆(11)、过滤接头外壳(12)组成；过滤接头外壳(12)的上端与下接头(9)的下端通过螺纹相连接；过滤接头外壳(12)的下端与螺杆马达外壳(13)的上端通过螺纹相连接；过滤筛(10)、防掉连杆(11)安装在过滤接头外壳(12)内；过滤筛(10)安装在防掉连杆(11)的上方；所述的螺杆马达动力接头由螺杆马达外壳(13)、橡胶定子(14)、转子(15)组成；螺杆马达外壳(13)的上端与过滤接头外壳(12)的下端通过螺纹相连接；螺杆马达外壳(13)的下端与发生器外壳(17)的上端通过螺纹相连接；橡胶定子(14)、转子(15)安装在螺杆马达外壳(13)内；橡胶定子(14)固定安装在螺杆马达外壳(13)的内壁上；转子(15)安装在橡胶定子(14)中；转子(15)的上端和防掉连杆(11)的下端通过螺纹相连接；所述的液力脉冲发生器由发生器外壳(17)、连接器(16)、PDC轴承动环(18)、PDC轴承静环(19)、固定接头(20)组成；发生器外壳(17)的上端与螺杆马达外壳(13)的下端通过螺纹相连接；连接器(16)、PDC轴承动环(18)、PDC轴承静环(19)、固定接头(20)安装在发生器外壳(17)内；连接器(16)的上端与转子(15)的下端通过螺纹相连接；连接器(16)的下端与PDC轴承动环(18)通过螺纹相连接；固定接头(20)的上端与PDC轴承静环(19)通过螺纹相连接；固定接头(20)的下端与发生器外壳(17)通过螺纹相连接；在PDC轴承静环(19)的圆周边开有过流孔。
2.根据权利要求I所述的石油钻井用三维水力振动器，其特征在于在阀体(I)上相对于阀芯(2)与阀座(4)结合处的位置开有旁通阀孔(21)。
3.根据权利要求2所述的石油钻井用三维水力振动器，其特征在于蝶形弹簧(7)安装在心轴(5)与下接头(9)之间的中空腔内，安装在心轴(5)的凸缘和下接头(9)的台肩之间。
4.根据权利要求3所述的石油钻井用三维水力振动器，其特征在于在防掉连杆(11)的 上端面上开有圆孔用来增加泥浆流入的流量；在过滤筛(10)上开有过滤孔能够将泥浆中比较大的固体颗粒过滤掉。
5.根据权利要求4所述的石油钻井用三维水力振动器，其特征在于在连接器(16)上开有过流通道，与其相对应，在PDC轴承动环(18)和PDC轴承静环(19)的中心也开有过流孔。
专利摘要本实用新型涉及一种石油钻井用三维水力振动器，属石油钻井工具设计技术领域，由流量控制阀、轴向振动器、过滤接头、螺杆马达动力接头、液力脉冲发生器组成；其特征在于流量控制阀用来调节流入振动器的泥浆流量和速度；轴向振动器用来产生沿轴向方向上的位移；过滤接头用来过滤较粗的泥浆成分；进入振动器的泥浆在螺杆马达动力接头里面形成一定的压差，推动螺杆马达里面的转子结构旋转和偏心振动；液力脉冲发生器通过PDC推力轴承静环和动环之间的过流面积循环的变化，从而产生圆周方向上的振动。本实用新型同时在轴向、圆周方向上产生的三维振动能有效克服大位移井和水平井钻柱与井壁之间的摩擦阻力、降低钻柱与井壁之间的扭矩，避免卡钻事故的发生，具有大幅度提高钻井效率，降低钻井成本的特点。
文档编号E21B21/08GK202611591SQ20122021652
公开日2012年12月19日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者易先中, 张军锋 申请人:长江大学