水力脉冲振动冲击装置及其钻井装置的制作方法

本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种水力脉冲振动冲击装置及其钻井装置。

背景技术：

由于对油气资源的需求不断增加，浅层地区的油气资源量己经不能够满足需求，油气钻井向着深井甚至是超深井发展，钻井过程越来越多的遇到硬地层和复杂岩层，从而影响钻进的速度。另外，在钻遇硬地层时，由于地层岩石具有强研磨性，就会出现钻井效率低，钻头寿命短，钻井周期长，钻井成本高的问题，制约着整体开发的效益。

振动冲击钻井技术是在常规的旋转钻井的基础上发展起来的钻井新技术，其在钻头的上面连接振动冲击器。工作过程中，冲击器就会产生纵向的周期性的冲击载荷，然后再通过钻头将载荷作用到地层上，达到冲击载荷和静压旋转共同作用破碎岩石的效果，由于振动冲击器的作用产生的周期性冲击载荷通过钻头作用到地层岩石上面，使得岩石产生体积破碎，从而大大的提高了钻井的速度。另外，振动冲击器在工作的过程中产生高频率的冲击周期性的作用到钻头上，可以减少或者消除钻头工作中可能产生的粘滑振动。这样，一方面可以提高机械钻速；另一方面，在一定程度上保护了钻头，延长了钻头的使用时间，起下钻的次数也会减少，从而降低了石油钻井的成本。

但是，振动冲击钻井技术尚未大面积推广使用，该钻井技术与装置的研究也相对滞后，导致目前钻井成本和速度不高。

技术实现要素：

本申请的一个目的是提供一种水力脉冲振动冲击装置及其钻井装置，以能够给钻头施加稳定均匀的轴向振动，提高钻头的破岩效率，同时保持钻头平稳钻进，进而提升钻井速度。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种水力脉冲振动冲击装置，包括：

脉冲发生单元；所述脉冲发生单元能够周期性地改变过流面积以将流过的液体调制为脉冲射流；

轴向振动冲击单元；所述轴向振动冲击单元能被所述脉冲射流所推动做轴向往复运动。

作为一种优选的实施方式，所述脉冲发生单元包括：动力机构、以及脉冲机构；所述动力机构包括涡轮定子以及涡轮转子；所述脉冲机构包括动盘阀以及固定不动的定盘阀；所述涡轮转子通过中心轴连接所述动盘阀；所述动盘阀相对于所述定盘阀转动时将过流面积改变。

作为一种优选的实施方式，所述水力脉冲振动冲击装置包括外管；所述脉冲发生单元安装在所述外管内；其中，

所述动盘阀固定在所述中心轴的下端；所述动力机构固定套设于所述中心轴外；所述外管内固定有盘阀座；所述定盘阀固定在所述盘阀座中；所述动盘阀可转动地位于所述定盘阀的上方。

作为一种优选的实施方式，所述中心轴外在所述动力机构的上方还套设有第一扶正轴承以及在所述动力机构的下方还套设有第二扶正轴承；所述涡轮转子和所述中心轴通过涡轮转子卡环锁紧；所述涡轮转子卡环的上方通过卡簧限位；所述涡轮定子通过涡轮定子卡环锁紧固定在所述外管内；所述涡轮定子卡环与所述外管通过螺纹连接；所述涡轮转子卡环与所述中心轴通过螺纹连接；所述中心轴的上端和所述外管之间设有悬挂转动单元。

作为一种优选的实施方式，所述悬挂转动单元包括轴承座、转动轴承、轴承密封盖；所述轴承密封盖上方通过锁紧螺母固定；所述转动轴承安装在所述轴承座中并套设于所述中心轴的上端外；所述轴承密封盖配合所述轴承座下方内侧与所述中心轴之间的密封环形成u形密封。

作为一种优选的实施方式，所述中心轴包括上连接段、第一直径段、锥体部、第二直径段；所述上连接段位于所述第一直径段的上方，所述悬挂转动单元套设于所述上连接段外；所述锥体部位于所述第一直径段的下方，且位于所述第二直径段的上方；所述第一直径段的直径大于所述第二直径段的直径；所述锥体部位于第一直径段形成限位台阶；所述动力机构套设于所述第一直径段外并被所述限位台阶限位；所述动盘阀连接在所述第二直径段的下端。

作为一种优选的实施方式，所述动盘阀包括沿周向分布的多个第一扇形遮挡部分；沿周向相邻两个所述第一扇形遮挡部分之间具有第一扇形间隔间隙；所述第一扇形遮挡部分沿周向的至少一侧的侧壁设有连通槽；

所述动盘阀包括沿周向分布的多个第二扇形遮挡部分；沿周向相邻两个所述第二扇形遮挡部分之间具有第二扇形间隔间隙；所述第二扇形遮挡部分的形状与所述第一扇形间隔间隙的形状相匹配；所述第二扇形间隔间隙的形状与所述第一扇形遮挡部分的形状相匹配。

作为一种优选的实施方式，所述轴向振动冲击单元包括冲击杆、限位套、活塞和密封环；其中，所述限位套套于所述冲击杆上，所述限位套下端与所述冲击杆转动限位配合；所述活塞与所述冲击杆连接；所述限位套与所述外管的下端通过螺纹连接；所述冲击杆的下端用于连接钻头。

作为一种优选的实施方式，所述限位套和所述冲击杆的横截面为多边形结构，以形成转动限位。

一种水力脉冲振动冲击钻井装置，包括：钻头；如上任意一项实施方式所述的水力脉冲振动冲击装置；所述水力脉冲振动冲击装置连接在所述钻头的上方。

有益效果：

本申请一个实施例所提供的水力脉冲振动冲击装置设有脉冲发生单元以及轴向振动冲击单元，利用脉冲发生单元可以将连续流动的钻井液调制成脉冲射流，而产生压力脉动，推动轴向振动冲击机构的活塞受力面做往复运动，从而实现水力脉冲射流和机械冲击的耦合，给钻头施加稳定均匀的轴向振动，提高破岩效率，保持钻头平稳钻进。该装置也可以安装在钻杆中间，在钻大位移井及水平井时产生轴向振动，减小“托压”造成的钻压传递问题。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的水力脉冲振动冲击钻井装置的结构示意图；

图2是图1的剖面结构示意图；

图3是图1的部分结构示意图；

图4是图1的中心轴结构示意图；

图5是图1的a-a剖视图；

图6是图1的定盘阀结构示意图；

图7是图1的动盘阀结构示意图；

图8是图1的轴承座结构示意图；

图9是图8的剖面示意图；

图10是图1的轴承密封盖剖面示意图；

图11是图1的上接头结构示意图；

图12是图1的涡轮转子卡环结构示意图；

图13是图1的涡轮定子卡环结构示意图；

图14是图1的涡轮定子结构示意图。

附图标记说明：

图1中：1.钻头；2.冲击杆；3.限位套；4.外管；5.活塞；6.盘阀座；7.定盘阀；8.动盘阀；9.中心轴；10.第二扶正主轴承；11.动力机构；12.第一扶正主轴承；13.涡轮定子卡环；14.涡轮转子卡环；15.轴承座；16.转动轴承；17.上接头；18.密封环；19.锁紧螺母；20.轴承密封盖；21.密封环；22.卡簧；23.密封环；24.密封环。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图14。本申请一个实施例中提供一种水力脉冲振动冲击装置，该水力脉冲振动冲击装置可以应用但不限于钻井装置中。具体的，该水力脉冲振动冲击装置可直接安装在钻头1上部，给钻头1施加稳定均匀的轴向振动，提高钻头1的破岩效率，同时保持钻头1平稳钻进；也可以安装在钻杆中间，在大位移井及水平井钻进时，产生轴向振动，减小“托压”造成的钻压传递问题。相应的，本申请一个实施例中还提供一种水力脉冲振动冲击钻井装置100，包括：钻头1；水力脉冲振动冲击装置。其中，所述水力脉冲振动冲击装置连接在所述钻头1的上方。

在本实施例中，该水力脉冲振动冲击装置包括：脉冲发生单元；所述脉冲发生单元能够周期性地改变过流面积以将流过的液体调制为脉冲射流；轴向振动冲击单元；所述轴向振动冲击单元能被所述脉冲射流所推动做轴向往复运动。

本实施例所提供的水力脉冲振动冲击装置设有脉冲发生单元以及轴向振动冲击单元，利用脉冲发生单元可以将连续流动的钻井液调制成脉冲射流，而产生压力脉动，推动轴向振动冲击单元(的活塞5)受力面做往复运动，从而实现水力脉冲射流和机械冲击的耦合，给钻头1施加稳定均匀的轴向振动，提高破岩效率，保持钻头1平稳钻进。该装置也可以安装在钻杆中间，在钻大位移井及水平井时产生轴向振动，减小“托压”造成的钻压传递问题。

本实施例所提供的水力脉冲振动冲击装置水力脉冲射流可以改善井底流场，提高净化和清岩效率，减少压持和重复破碎；井底产生瞬时负压脉冲，改变井底岩面应力状态。

具体的，所述脉冲发生单元包括：动力机构11、以及脉冲机构。动力机构11采用涡轮组进行提供动力，在本实施例中，所述动力机构11包括涡轮定子111以及涡轮转子112。所述脉冲机构包括动盘阀8以及固定不动的定盘阀7。所述涡轮转子112通过中心轴9连接所述动盘阀8。涡轮转子112通过中心轴9带动动盘阀8周期性转动。所述动盘阀8相对于所述定盘阀7转动时将过流面积改变。

本实施例所提供的水力脉冲振动冲击装置利用涡轮定子111和涡轮转子112的涡轮组作为动力机构11，与传统转盘钻机相比，能很好地改善钻柱的受力情况，延长钻柱的使用寿命，且可提高井底的比功率。

在本实施例中，所述水力脉冲振动冲击装置包括外管4。所述脉冲发生单元安装在所述外管4内。外管4的上端固定连接上接头17。上接头17的下端通过外螺纹连接所述外管4的上端。上接头17和外管4之间设置密封环18进行密封连接。其中，所述动盘阀8固定在所述中心轴9的下端。所述动力机构11固定套设于所述中心轴9外。所述外管4内固定有盘阀座6。所述定盘阀7固定在所述盘阀座6中。所述动盘阀8可转动地位于所述定盘阀7的上方。

在本实施例中，所述中心轴9外在所述动力机构11的上方还套设有第一扶正轴承12以及在所述动力机构11的下方还套设有第二扶正轴承10。所述涡轮转子112和所述中心轴9通过涡轮转子卡环14锁紧。所述涡轮转子卡环14的上方通过卡簧22限位。涡轮转子112固定套设于中心轴9外，带动中心轴9一同转动。涡轮转子112包括涡轮叶片，多个涡轮转子112沿轴向依次固定套设在中心轴9外。涡轮定子111固定套设于涡轮转子112外。涡轮定子111结构如图14所示，多个涡轮定子111沿轴向排布，并与涡轮转子112间隔设置。所述涡轮定子111通过涡轮定子卡环13(如图13所示)锁紧固定在所述外管4内。所述涡轮定子卡环13与所述外管4通过螺纹连接。所述涡轮转子卡环14(如图12所示)与所述中心轴9通过螺纹连接。所述中心轴9的上端和所述外管4之间设有悬挂转动单元。

请参阅图2、图8至图10。所述悬挂转动单元包括轴承座15、转动轴承16、轴承密封盖20。所述轴承密封盖20上方通过锁紧螺母19固定。所述转动轴承16安装在所述轴承座15中并套设于所述中心轴9的上端外。轴承座15具有阶梯孔152，供中心轴9的上端(下述上连接段)穿过。轴承座15在阶梯孔152外的外壁上具有流通孔151，以供液体(例如钻井液)通过，进入动力机构11中，将涡轮转子112驱动。转动轴承16和轴承密封盖20套设于中心轴9外且位于阶梯孔152中，所述轴承密封盖20配合所述轴承座15下方内侧与所述中心轴9之间的密封环21形成u形密封。

如图2至图4所示，所述中心轴9包括上连接段91、第一直径段92、锥体部93、第二直径段94。所述上连接段91位于所述第一直径段92的上方，所述悬挂转动单元套设于所述上连接段91外。所述锥体部93位于所述第一直径段92的下方，且位于所述第二直径段94的上方。所述第一直径段92的直径大于所述第二直径段94的直径。所述锥体部93位于第一直径段92形成限位台阶。外管4的内壁具有承托台阶，承托台阶和限位台阶位于同一高度，第二扶正轴承10被承托台阶和锥体部93的限位台阶同时承托限位。所述动力机构11套设于所述第一直径段92外并被所述限位台阶限位。所述动盘阀8连接在所述第二直径段94的下端。

如图7所示，所述动盘阀8包括沿周向分布的多个第一扇形遮挡部分81。沿周向相邻两个所述第一扇形遮挡部分81之间具有第一扇形间隔间隙82。在本实施例中，动盘阀8具有中心孔84固定套设于中心轴9的下端。动盘阀8具有两个第一扇形遮挡部分81、两个第一扇形间隔间隙82。第一扇形遮挡部分81、第一扇形间隔间隙82相间隔分布。第一扇形遮挡部分81所对应的圆心角为90度，第一扇形间隔间隙82所对应的圆心角90度。第一扇形遮挡部分81和第一扇形间隔间隙82的形状可以相匹配。

如图6所示，所述定盘阀7包括沿周向分布的多个第二扇形遮挡部分71。沿周向相邻两个所述第二扇形遮挡部分71之间具有第二扇形间隔间隙72。所述第二扇形遮挡部分71的形状与所述第一扇形间隔间隙72的形状相匹配。所述第二扇形间隔间隙72的形状与所述第一扇形遮挡部分71的形状相匹配。在本实施例中，定盘阀7固定在盘阀座6内，其形状与动盘阀8相似。定盘阀7具有两个第二扇形遮挡部分71、两个第二扇形间隔间隙72。第二扇形遮挡部分71、第二扇形间隔间隙72相间隔分布。第二扇形遮挡部分71所对应的圆心角为90度，第二扇形间隔间隙72所对应的圆心角90度。所述定盘阀7和动盘阀8沿轴向之间互不贴合，以避免产生摩擦干扰动盘阀8的转动，且二者之间的轴向间隙在3毫米以下，保证过流面积可以在动盘阀8的转动下被周期性改变。

为避免动盘阀8和定盘阀7存在关断状态(过流面积趋近于0，此时，第二扇形遮挡部,71与第一扇形间隔间隙82相对齐，第一扇形遮挡部分81与第二扇形间隔间隙72相对齐)而引起憋压损坏的问题，所述第一扇形遮挡部分81沿周向的至少一侧的侧壁设有连通槽83。如图7所示，第一扇形遮挡部分81的两侧均设有半圆柱结构的连通槽83。当然，连通槽83还可以以连通孔的形式设置在第一扇形遮挡部分81上。如此，在动盘阀8和定盘阀7相错开至过流面积最小时，依然可以通过该连通槽83将上下连通，实现钻井液的过流泄压，避免存在憋压过度的问题。

继续参阅图2。所述轴向振动冲击单元包括冲击杆2、限位套3、活塞5和密封环24。其中，所述限位套3套于所述冲击杆2上，所述限位套3下端与所述冲击杆2转动限位配合。所述活塞5与所述冲击杆2连接；所述限位套3与所述外管4的下端通过螺纹连接。所述冲击杆2的下端用于连接钻头1。所述限位套3和所述冲击杆2的横截面为多边形结构，以形成转动限位。密封环24固定套设于活塞5上，将活塞5与限位套3之间密封。密封环23设置在限位套3上，将限位套3和外管4之间密封。

在安装脉冲发生单元时，将动盘阀8固定于中心轴9下端；然后依次套入第一扶正轴承12、涡轮组(动力机构11)和第二扶正轴承10，卡在中心轴9下侧锥体部形成的限位台阶处。动力机构11的上侧用涡轮转子卡环14将中心轴9与涡轮转子112锁紧，涡轮转子卡环14上方用卡簧22限位。涡轮转子卡环14与中心轴9通过螺纹连接固定。将装配好动盘阀8和动力机构11、中心轴9(图3所示结构)从外管4的上端装入外管4内。下侧第二扶正轴承10的外圆卡在锥体部的限位台阶处，上侧用涡轮定子卡环13将涡轮定子111锁紧，涡轮定子卡环13与外管4通过螺纹连接。然后，再从外管4的上端依次装入轴承座15、转动轴承16、轴承密封盖20。轴承密封盖20上方用锁紧螺母19固定。轴承密封盖20利用u形密封原理，配合轴承座15下方内侧与中心轴9之间的密封环21，防止钻井液进入转动轴承16内损伤转动轴承16，以确保转动轴承16的使用寿命。再将定盘阀7固定于盘阀座6中，从外管4的下端装入。外管4的上端通过直螺纹连接上接头17，为保证水力密封，连接处同样装有密封环。

在安装轴向振动冲击单元时，先将限位套3套于冲击杆2上，限位套3下端与冲击杆2配合位置横截面为如图5所示的六边形结构(也可以为其他多边形结构，例如三角形、四边形、五边形等等，优选的，为正多边形结构)，限制限位套3和冲击杆2二者之间相对转动且允许二者之间存在轴向相对位置。然后将活塞5与冲击杆2连接，活塞5上端面装有固定螺栓，以防止活塞5与冲击杆2之间脱扣。再将限位套3与外管4的下端通过螺纹连接。冲击杆2的下端可直接连接钻头1或者钻头上接头。在本实施例中，所述钻头上接头与所述钻头1一体成型。

钻进过程中，连续流动的钻井液通过轴承座15，高速冲击涡轮叶片(涡轮转子112)，推动涡轮转子112带动中心轴9及下端的动盘阀8高速旋转。动盘阀8和定盘阀7分别布置有相同数量均匀分布的间隔间隙(扇形、圆形、方形或者三角形)，二者相对转动，会导致流道面积周期性改变。由此将连续射流调制成脉冲射流，产生脉冲压力波动，直接作用于其下方活塞5的受力面上。脉动压力升高时，受力面推动活塞5和冲击杆2向前运动；脉动压力降低时，作用在受力面的压力减小，活塞5带动冲击杆2收回。如此在水力脉冲作用下，活塞5带动冲击杆2做往复运动，给钻头1或者钻具提供轴向振动能量，改善钻压传递条件，提高钻进效率，其振动频率与脉动频率有关。

本申请上述实施例所提供的涡轮驱动式水力脉冲振动冲击钻井装置，通过内外部件配合实现水力脉冲射流和机械振动冲击的耦合，从而能够达到下述技术效果：

(1)水力脉冲改善井底流场，提高净化和清岩效率，减少压持和重复破碎；井底产生瞬时负压脉冲，改变井底岩面应力状态。

(2)涡轮组作为动力机构11，其具有压耗小、寿命长等优点，可保证工具使用寿命，达到增产增益的效果。

(3)高频振动冲击(旋冲钻井)岩石，形成破碎坑，冲击波导致岩石内部出现宏观裂纹，降低岩石破碎强度，加快破岩速度。

本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。