一种钻井水力驱动振荡器及使用方法与流程

本发明涉及一种油气钻井用工具及方法，特别涉及一种钻井水力驱动振荡器及使用方法。

背景技术：

随着石油工业的发展，目前油田钻井已由原来的定向井逐渐向水平井发展，而在水平井钻进过程中，由于钻具自身重力作用，造成钻具在钻进时与井壁摩阻过大，严重影响钻速，甚至造成钻具托压不能加压到钻头。因此降低摩阻、减少卡钻事故，增加动钻压、提高钻井效率是当前钻井工程中迫切需要解决的问题。研究发现泥浆通过钻具时可造成泥浆压力大小周期性变化，从而使钻具承受周期性的轴向冲击力，引起该钻具在钻进过程中产生振动，因此能减少钻具与井壁的摩擦，改善钻压传递的效果，提高对工具面的控制，进而达到提高钻速、节约钻井成本的目的。

现有水力振荡器如专利ZN102704842A一种钻井用水力振荡器、CN103696693A钻井用水力振荡器，其结构类似，都是由震动机构和动力总成组成，其动力总成主要是由单头马达组成，当流体流经动力部分时驱动芯轴转动，从而使动阀片在一个平面上往复运动，由于动阀片和静阀片的相搓或重合导致上游压力产生压力降周期性的作用在弹簧短节上，从而使工具整体周期性的震动。

由于工具具有螺杆的特性内部有橡胶定子从而限制了其使用寿命，根据现场使用情况反馈在水泥浆中其使用寿命在150小时左右，由于其寿命短使用成本高饱受诟病。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种钻井水力驱动振荡器及使用方法。

其技术方案是包括震动短节（1）和壳体（2），所述的震动短节（1）的下端设有防脱卡扣（4），所述防脱卡扣（4）和壳体（2）之间设有弹簧（3），所述的壳体（2）和震动短节（1）之间设有组合密封装置（23）用于阻挡了井筒内泥浆进入震动短节（1）；

所述壳体（2）内设有动力机构，所述动力机构包括分流器（5）、滚针轴承（6）、支撑爪（7）、组合密封圈（8）、主轴（9）、叶轮（13）、叶轮挡销（14）、转子（18）、转子挡销（19）、定子（22），所述分流器（5）设有主轴室，且分流器（5）的外侧通过支撑爪（7）固定在壳体（2）内壁，且主轴室与主轴（9）相连通，所述主轴（9）与主轴室下部与主轴（9）相连部分设有组合密封圈（8）阻挡泥浆不能进入主轴室，使滚针轴承（6）工作顺畅；

所述主轴（9）的中部和下部分别设置有叶轮挡销（14）和转子挡销（19），所述的叶轮挡销卡（14）与叶轮（13）配合连接，所述的转子挡销（19）与转子（18）配合连接，主轴（9）的底部安装在定子（22）的中心，通过泥浆流动来驱动叶轮（13）转动，叶轮（13）转动进而使主轴（9）转动并带动转子（18）转动。

优选的，上述叶轮（13）上部设有上半月挡环（12），所述上半月挡环（12）通过上挡圈（11）固定在主轴（9）的凹槽内，所述上半月挡环（12）外部设有上半月卡环护帽（10），所述上半月卡环护帽（10）通过螺纹连接在主轴（9）上；所述叶轮（13）的下部通过叶轮挡销（14）配合。

优选的，上述转子（18）的上部设有下半月挡环（17），所述下半月挡环（17）通过下挡圈（16）固定在主轴（9）的凹槽内，所述下半月挡环（17）的外部有下半月环护帽（15），所述下半月环护帽（15）通过螺纹连接在主轴（9）上；所述转子（18）的下部与转子挡销（19）配合。

优选的，上述定子（22）焊接在壳体（2）的内腔中，所述定子（22）中有设有多个泄流孔。

优选的，弹簧（3）为55crsiA材质制成。

优选的，上述支撑爪（7）通过螺纹连接在分流器（5）上，且所述支撑爪（7）两两垂直固定在壳体（2）内壁。

优选的，上述转子（18）上有多个泄流孔。

优选的，上述叶轮（13）上设有叶片，所述叶片根据占叶轮高度的比例不同分为1/2、2/3、1/3或3/4四种型号，根据叶片的角度不同分为30°、45°或60°三种。

本发明提到的一种钻井水力驱动振荡器的使用方法，包括以下步骤：

壳体内的泥浆驱动叶轮（13），叶轮（13）带动固定在主轴（9）上的转子（18），依靠转子（18）和定子（22）的交错重合产生压力波动，当转子（18）和定子（22）重合时壳体上游压力升高，上游压力的升高导致弹簧（3）压缩；当转子（18）和定子（22）交错重合时壳体的上游压力释放，上游压力的释放使弹簧（3）释放，产生周期性的变化，由于泥浆压力周期性的变化使震动短节内的弹簧（3）不断压缩释放，从而使震动短节（1）周期性震动，震动短节（1）周期性震推动整个钻柱的运动，形成振荡。

本发明的有益效果是：本发明提到的纯机械结构的使用寿命长，由于采用叶轮结构替代了原有的螺杆马达使工具尺寸变短，通过泥浆的流通带动叶轮转动，通过叶轮的转动带动同为主轴上的转子，转子与定子的相搓重合，导致上游泥浆压力产生周期性的变化，由于泥浆压力周期性的变化使震动短节内的弹簧不断压缩释放，从而使震动短节周期性震动；震动短节周期性震推动整个钻柱的运动，由于钻柱的运动使钻具静摩擦转化为动摩擦从而减小了钻具与井壁的摩擦，改善钻压的传递效果，进而达到提高钻速、节约成本的目的。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是叶轮的俯视图；

附图3是叶轮的侧面结构示意图；

附图4是转子的结构示意图；

图中：震动短节1，壳体2、弹簧3，防脱卡扣4，分流器5、滚针轴承6、支撑爪7、组合密封圈8、主轴9、上半月卡环护帽10、上挡圈11、上半月挡环12、叶轮13、叶轮挡销14、下半月环护帽15、下挡圈16、下半月挡环17、转子18、转子挡销19、 轴承20、轴承护帽21、定子22、组合密封圈23、泄流孔24；叶片13.1。

具体实施方式

结合附图1-4，对本发明作进一步的描述：

本发明提到的一种钻井水力驱动振荡器，包括震动短节1和壳体2，所述的震动短节1的下端设有防脱卡扣4，所述防脱卡扣4和壳体2之间设有弹簧3，所述的壳体2和震动短节1之间设有组合密封装置23用于阻挡了井筒内泥浆进入震动短节1；

所述壳体2内设有动力机构，所述动力机构包括分流器5、滚针轴承6、支撑爪7、组合密封圈8、主轴9、叶轮13、叶轮挡销14、转子18、转子挡销19、定子22，所述分流器5设有主轴室，且分流器5的外侧通过支撑爪7固定在壳体2内壁，且主轴室与主轴9相连通，所述主轴9与主轴室下部与主轴9相连部分设有组合密封圈8阻挡泥浆不能进入主轴室，使滚针轴承6工作顺畅；

所述主轴9的中部和下部分别设置有叶轮挡销14和转子挡销19，所述的叶轮挡销卡14与叶轮13配合连接，所述的转子挡销19与转子18配合连接，主轴9的底部安装在定子22的中心，通过泥浆流动来驱动叶轮13转动，叶轮13转动进而使主轴9转动并带动转子18转动。

其中，上述叶轮13上部设有上半月挡环12，所述上半月挡环12通过上挡圈11固定在主轴9的凹槽内，所述上半月挡环12外部设有上半月卡环护帽10，所述上半月卡环护帽10通过螺纹连接在主轴9上；所述叶轮13的下部通过叶轮挡销14配合。

参照附图1，上述转子18的上部设有下半月挡环17，所述下半月挡环17通过下挡圈16固定在主轴9的凹槽内，所述下半月挡环17的外部有下半月环护帽15，所述下半月环护帽15通过螺纹连接在主轴9上；所述转子18的下部与转子挡销19配合。

其中，上述定子22焊接在壳体2的内腔中，所述定子22中有设有四个泄流孔，弹簧3为55crsiA材质制成。

上述支撑爪7通过螺纹连接在分流器5上，且所述支撑爪7两两垂直固定在壳体2内壁；转子18上有四个泄流孔，上述叶轮13上设有叶片，所述叶片根据占叶轮高度的比例不同分为1/2、2/3、1/3或3/4四种型号，根据叶片的角度不同分为30°、45°或60°三种，根据现场泥浆排量的情况来选择叶轮的具体型号，具体参数配置如下：

本发明提到的一种钻井水力驱动振荡器的使用方法，包括以下步骤：

壳体内的泥浆驱动叶轮13，叶轮13带动固定在主轴9上的转子18，依靠转子18和定子22的交错重合产生压力波动，当转子18和定子22重合时壳体上游压力升高，上游压力的升高导致弹簧3压缩；当转子18和定子22交错重合时壳体的上游压力释放，上游压力的释放使弹簧3释放，产生周期性的变化，由于泥浆压力周期性的变化使震动短节内的弹簧3不断压缩释放，从而使震动短节1周期性震动，震动短节1周期性震推动整个钻柱的运动，形成振荡。

另外，需要说明的是：本发明提供一种纯机械式、靠泥浆驱动叶轮，叶轮带动固定在主轴上的转子，依靠转子和定子的交错重合产生压力波动，泥浆产生周期性的变化，由于泥浆压力周期性的变化使震动短节振荡。本发明使原来静止钻具的静摩擦转化成动摩擦，静摩擦转换成动摩擦时摩擦因素降低25%左右解决水平井拖压问题；推动钻具给钻头施加高频的冲击力增加钻头破岩能量延长了钻头的使用寿命；使用寿命长在1000小时左右；增加了水平井靶区的延伸能力；提高了滑动过程中工具面的控制能力；水平井靶区提高机械钻速显著改善钻压在钻进过程中的损失（减少井壁与管柱之间的摩阻）可以使附近的钻具组合产生小幅度的轴向振动，显著提高井下钻具组合的重力（钻压）传递到钻头，另外使钻具组合在与井壁纵向上的静摩擦变为动摩擦， 显著的减小摩阻值。从而减小各种钻进过程中、特别是在使用井下动力钻具的定向钻进的过程中的井下钻具组合钻压的损失， 减小钻柱的粘滑振动。 当前越来越多井眼轨迹都是比较弯曲的，这使常规井下动力钻具组合在大位移井的钻进中所能到达的深度受到限制，通过发生纵向振动这一性能可以使井下动力钻具在大位移井的钻进中突破这一限制，做到靶点更远。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。