一种负压脉冲振荡工具的制作方法

本发明属于石油与天然气钻探工程井下工具技术领域，涉及一种在大位移井、长水平井等复杂结构井开采中能有效减少摩阻、传递钻压进而提高钻速和开采效率的负压脉冲振荡工具。

背景技术：

在石油和天然气工业中，随着大斜度井、水平井在钻井工程中应用的逐渐发展，特别是水平段钻进深度不断加大。钻柱及钻具工具串与井壁或套管内壁之间的摩阻越来越大，严重影响钻进速度，有时会造成管柱弯曲甚至锁定。为解决上述问题，国内外许多公司相继研发了不同原理的降磨减阻工具，用于降低钻具与井壁的摩阻，提高钻井效率。

降磨减阻工具主要应用于石油天然气钻井工程，用于使钻柱及钻具工具串在轴向上产生振动，将静摩擦力转变成动摩擦力，降低钻柱及钻具工具串钻进过程中与井壁或套管内壁之间的摩擦阻力，实现钻头的高效破岩。现阶段常用的降磨减阻工具大多需要管柱轴向移动且结构复杂，降磨减阻效果不明显，使用寿命不长等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种负压脉冲振荡工具，它具有高振动幅度、可调节的压力脉冲的特点，解决了现有技术中降磨减阻工具结构复杂、降磨减阻效果不明显等问题，提高了钻井效率，缩短了钻井时间。

本工具可以被配置用于井下振动场景，配合振荡短节，以产生高幅度压力脉冲，可以根据需求改变工具实现的压力分布以改变脉冲的幅度和频率。

本发明所采用的技术方案是：

本负压脉冲振荡工具主要有4部分组成：振荡部分、动力部分、传动部分和回转部分。其中上接头通过螺纹与花键外筒连接，振荡短节内部设置有数组复位碟簧，活塞与振荡短节螺纹连接后与缸筒形成密封；螺杆定子与螺杆转子为整个工具提供动力；绕轴分别与螺杆转子和水帽相连，轴承轴与水帽通过平键连接后，与硬质合金轴承组、串轴承组共同组成了传动部分；动阀相对于定阀作相对旋转运动并组成了回转部分；流体通过上接头的内流道进入工具，从旁通喷嘴和下接头的内流道排出工具。根据现场作业的井况的不同，4个部分均可做不同的调整来满足现在作业的需求。

在作业过程中，流体从上接头内进入负压脉冲振荡工具，经过工具的振荡部分流道后，带动螺杆转子在螺杆定子中做旋转运动，螺杆转子下方连接着绕轴，绕轴将螺杆转子的偏心旋转运动转化为无偏心的旋转运动，绕轴下方与轴承轴部分及动阀相连。这样，螺杆转子产生的转速及扭矩通过绕轴及轴承轴直接输出到了动阀上。同时，定阀通过下接头上的旁通喷嘴，限制住了其轴向串动和周向位移，直接固定在下接头的内通道中不会随着其他零部件的旋转而产生运动。

本发明的工具内部的动阀会随着螺杆转子做周向旋转运动，定阀则固定在下接头内不旋转、不轴向运动。动阀的底部有一个与定阀的底部形状相同的孔，因此在动阀做周向旋转运动时，与定阀配合，使工具内部流道的节流面积产生周期性的变化。

流体经过本发明的工具内部流道的节流面积周期性变化，可实现工具的负压脉冲，使工具产生一个周期性变化的轴向冲击力，带动整个井下工具串以及钻杆或者连续油管进行轴向振动。

同时，动阀的侧面有一个旁通通孔，与下接头上的旁通喷嘴对应，使其在旋转时，流体能够周期性地经过旁通喷嘴喷射出，一方面可以帮助工具更好地泄压，避免工具的压降过高，另一方面能周期性地给工具一个径向方向的反作用力，使工具能周期性地产生一个径向振动。

正是因为该工具有了周期性的轴向振动和径向振动，使井下工具串以及钻杆或者连续油管与井壁或套管之间的摩擦阻力又静摩擦变为动摩擦，减少了其摩擦系数。能显著提高井下工具串以及钻杆或者连续油管在大位移井、水平井的延伸能力。

本发明的工具可以单独使用，也可与其他振动工具组合使用，或者与一个或多个井下工具组合使用。

附图说明

图1是本发明实施例1负压脉冲振荡工具的结构示意图。

图2是本发明实施例2负压脉冲振荡工具的结构示意图。

图3是本发明实施例3负压脉冲振荡工具的结构示意图。

图4是本发明实施例4负压脉冲振荡工具的结构示意图。

图5是本发明实施例5负压脉冲振荡工具的结构示意图。

图6是本发明实施例6负压脉冲振荡工具的结构示意图。

图7是本发明动阀与定阀旋转配合示意图。

其中，1.上接头；2花键外筒；3.振荡短节；4.复位碟簧；5.活塞；6.缸筒；7.螺杆定子；8.螺杆转子；9.绕轴；10.定子转接筒；11.水帽；12.轴承外筒；13.硬质合金轴承组；14.串轴承组；15.平键；16.轴承轴；17.动阀；18.定阀；19.旁通喷嘴；20.下接头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明专利进行详细说明。

参考图1，实施例1中负压脉冲振荡工具主要有4部分组成：振荡部分、动力部分、传动部分和回转部分。根据现场作业的井况的不同，4个部分均可做不同的调整来满足现在作业的需求。

振荡部分由上接头1，花键外筒2，振荡短节3，复位碟簧4，活塞5，缸筒6所组成。其中复位碟簧4可将负压脉冲振荡工具工作时产生轴向液压冲击力转化为轴向往复运动，可进一步增强负压脉冲振荡工具的振动幅度，进一步减少井下工具串及钻杆或者连续油管的摩擦系数。根据井底工况的不同，可对复位碟簧4的性能进行选择与更换，提供不同的振动幅度来匹配现场的作业需求。

动力部分由螺杆定子7和螺杆转子8组成，在流体经过螺杆定子7和螺杆转子8之间的间隙时，流体会带动螺杆转子8在螺杆定子7中作高速旋转运动，为下端的回转部分提供动力。根据井底工况的不同，可对螺杆定子7和螺杆转子8的性能进行选择与更换，如定转子的头数比、工作排量、输出扭矩、转速等参数，提供不同的技术参数来匹配现场的作业需求。

传动部分由绕轴9，水帽11，硬质合金轴承组13，串轴承组14，平键15，轴承轴16所组成。绕轴9将螺杆转子7的偏心旋转运动转化为无偏心的旋转运动，绕轴9下方与水帽11螺纹连接，水帽11通过平键15与轴承轴16连接进行传动。

定子转接筒10与轴承外筒12将硬质合金轴承组13和串轴承组14的外圈轴向固定，轴承轴16与定阀17将硬质合金轴承组13和串轴承组14的内圈轴向固定。

回转部分由动阀17和定阀18组成，定阀18在下接头20内部固定不动，动阀17则高速旋转运动，参照图7，动阀17和定阀18相对运动，使流道面积周期性地减小和增大，工具的压降也周期性地增大和减小。通过这种原理，工具内部将流体的液压力转化为轴向周期振动。流道面积最大时，动阀17的侧面有一个旁通通孔，与下接头20上的旁通喷嘴对应，使其在旋转时，流体能够周期性地经过旁通喷嘴喷射出，一方面可以帮助工具更好地泄压，避免工具的压降过高，另一方面能周期性地给工具一个径向方向的反作用力，使工具能周期性地产生一个径向振动。

参照图2，实施例2与实施例1基本相似，其区别在于实施例2没有振荡部分，包括花键外筒2、振荡短节3、复位碟簧4、活塞5、缸筒6，因为某些应用场景中，振荡部分不会起太大作用或者会起反作用，故该实施例将振荡部分取消。

参照图3，实施例3与实施例1基本相似，其区别在于实施例3没有旁通喷嘴19，该实施例可应用在循环压力不大，且需要高强度轴向振动的应用场景中。

参照图4，实施例4与实施例2基本相似，其区别在于实施例4没有旁通喷嘴19，该实施例可应用在循环压力不大，不需要振荡部分且需要高强度轴向振动的应用场景中。

参照图5，实施例5与实施例1基本相似，其区别在于实施例5旁通喷嘴19有2组，且呈对称分布，该实施例可应用在高频率径向振动，或者循环压力比较大的应用场景中。

参照图6，实施例6与实施例2基本相似，其区别在于实施例6旁通喷嘴19有2组，且呈对称分布，该实施例可应用在高频率径向振动，且不需要振荡部分，或者循环压力比较大的应用场景中。

参照图7，动阀17和定阀18相对旋转运动时，流道面积周期性地减小和增大，工具的压降也周期性地减小和增大。

实施例7与实施例1基本相似，其区别在于实施例7的动力部分由螺杆定子7和螺杆转子8变成了涡轮，由涡轮将动力传递给传动轴部分和回转部分。