一种圆柱凸轮驱动新型阀结构的涡轮式钻井提速工具

1.本发明涉及一种圆柱凸轮驱动新型阀结构的涡轮式钻井提速工具，属石油、天然气开采钻井工具技术领域。


背景技术：

2.由于石油资源紧缺和较大的需求量，石油开采技术也随之发展，以适应较大开采难度的具有复杂井身结构的油井和数量较大的长水平、大斜度及多分支水平井。许多新型钻井工具也随之被研发使用，使复杂、非常规的钻探成为可能。在长水平、大斜度及多分支水平井中，井眼轨迹复杂，钻柱与井壁之间的摩擦比常规竖井更大，导致托压、卡钻现象的出现，降低了钻井效率，延长开发周期。在滑动钻进过程中，钻柱与井壁之间保持相对静止的状态，静摩擦力比动摩擦力大，所以可以考虑将较大的静摩擦力转换为较小的动摩擦力，基于此钻井应用工具水力震荡器被研发和使用于钻采作业中，使钻具在轴向上产生周期性的振动，将静摩擦转换动摩擦，用于减少摩阻、增加水平进尺和提升钻速，以缩短钻井周期。
3.现有的钻井应用工具水力震荡器中：螺杆动力水力振荡器具有技术成熟、工作稳定和可靠等优点，但磨损严重且不耐高温；叶片动力水力振荡器具有结构简单、压降小等优点，但震荡力太小，工作不可靠；涡轮动力水力振荡器具有工作可靠、耐高温和压降小等优点，是水力振荡器发展的方向。阀控配流技术和配套钻进工艺对水力振荡器减阻效果影响大。传统阀片产生的脉冲幅值和频率难以稳定，且现有水力振荡器大多使用阀盘单一，在使用过程中动阀盘和定阀盘出现磨损严重现象，阀盘和阀片在流量脉冲的情况下冲蚀现象严重，需要经常更换阀片，造成成本的增大，效率降低。基于此，本文在现有研究的基础上，提出一种圆柱凸轮驱动新型阀结构的涡轮式钻井提速工具，用由圆柱凸轮结构驱动的新型阀代替传统阀片来产生水力脉冲。本发明允许在管柱内产生脉冲，使得脉冲幅度随流量或总流体压力在容易达到的范围内变化，不需要现场调整，并且能够产生可记录、可重复、可再生的脉冲，由于独特的设计，产生流体脉冲信号使用的功率较小。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：为了克服现有长水平、大斜度及多分支水平井等非常规井钻井摩擦大，造成的托压、粘卡，钻井液的携岩能力低和振动效果不理想的问题，设计一种圆柱凸轮驱动新型阀结构的涡轮式钻井提速工具。
5.为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种圆柱凸轮驱动新型阀结构的涡轮式钻井提速工具，由上接头、流体入口锥、新型阀口套、新型阀套、弹簧、o形密封圈a、新型阀、o形密封圈b、隔离套、套筒、套筒外壳、圆柱凸轮、外壳、心轴、涡轮、下接头组成，其技术特征在于，上接头和下接头通过螺纹连接在外壳两端；流体入口锥与新型阀套通过螺纹连接在新型阀口套两端；流体入口锥位于上接头与新型阀口套之间，相当于一个渐缩管，用于提升流体压差，提升压差效果的好坏与流体入口锥的锥角和小端直径与大端直径之比有关，在本发明中锥角大小为31
°
，小端直径为24mm，大端直径为58mm，这样流体入
口锥的损失系数小，压差提升大；新型阀口套3开有新型阀孔；新型阀套安装于新型阀口套的下端，其上开有先入次流体孔；新型阀位于新型阀套内部，新型阀处于开启位置时，其伸出新型阀套外端的圆弧半径和长度影响入口主流体的流量，新型阀的工作频率可以达到10hz到20hz，对整体脉冲震荡有一定的影响，新型阀在新型阀套下端形成新型阀压力室；新型阀套上的先入次流体孔允许先入次流体离开新型阀压力室，新型阀在上下压差和弹簧的作用下返回到相对于新型阀孔的打开位置；o形密封圈a安装于新型阀下端环槽内，用于将流体压力全部作用于新型阀上；弹簧安装于新型阀套与新型阀之间；心轴安装于外壳内，位于中心和轴向位置；套筒外壳位于新型阀套与心轴之间，并与之同心；套筒内表面有凸起部分；圆柱凸轮位于套筒内，圆柱表面开有沟槽与套筒内表面的凸起部分相配合，圆柱凸轮的沟槽的曲线直接影响套筒的行程，从而影响新型阀的运动路径，合理的沟槽曲线可以使新型阀恰好进入新型阀口套且能封堵住流体，提升新型阀的开合频率，圆柱凸轮的内部与心轴相连接。涡轮设置于心轴上，利用外壳内部另一台阶和下接头进行轴向定位；心轴安装于涡轮内，并因涡轮旋转，将线性流体流动转换为旋转流体流动，其中旋转流体流动运动通过心轴从涡轮转移到圆柱凸轮，涡轮的组数直接影响将线性流体流动转换为旋转流体流动的效率，本发明采用8涡轮组；隔离套利用新型阀套和外壳内部一台阶进行轴向定位，其环槽内装有两个o形密封圈b，在其一端面开有沟槽用以让先入次流体通过；套筒也可以在内表面开设凹槽，心轴也在与套筒相连的部分设计突起部分也可以达到相同的效果；所述的流体入口锥与上接头之间形成先入次流体入口通道；所述的外壳与流体入口锥、新型阀口套、新型阀套形成先入次流体环空通道；所述的新型阀套与隔离套形成先入次流体出口通道；所述的新型阀、新型阀口、新型阀压力室，将钻井液分为入口主流体和先入次流体；所述的先入次流体先进入先入次流体入口，再流经先入次流体环空，随后通过先入次流体孔进入新型阀后面的新型阀压力室，激活新型阀；所述的先入次流体通过先入次流体出口流出，使得先入次流体和入口主流体流重新组合以形成主流，然后该主流驱动所述涡轮旋转，心轴随涡轮转动，心轴驱动圆柱凸轮旋转，使与圆柱凸轮相配合的套筒上下移动，这种移动导致新型阀上下移动，关闭或开启新型阀孔，从而引起过流面积的改变，在钻柱中形成周期的脉冲振荡。
6.本发明与现有技术比较，其有益效果是：(1)该新型阀结构的涡轮式钻井应用工具主体结构由纯金属零件组成，较之螺杆动力驱动，没有橡胶衬套对高温的敏感的原件，有耐高温耐磨损的性能；(2)采用涡轮驱动，具有工作可靠、耐高温和压降小等优点，没有偏心引起的径向振动，对较为敏感的元件不会产生太大的影响，可以在较小的流量下引起较高频率的轴向振动，有效地减小了钻井时钻具与井壁之间的摩阻，提升钻井效率和钻具使用寿命；(3)采用新型阀结构，使得脉冲幅度随流量或总流体压力在容易达到的范围内变化，不需要现场调整，并且能够产生可记录、可重复、可再生的脉冲，由于独特的设计，产生流体脉冲信号使用的功率较小，新型阀结构简单、耐磨损、耐冲蚀、安全可靠、压降低、脉冲频率高、脉动幅值大；(4)该新型阀结构的涡轮式钻井应用工具具有机构简单、操作方便、安全可靠、适应性强、不影响钻具结构等特点，对提高钻速、钻井效率和钻具寿命有十分重要的意义。
附图说明
7.图1为本发明的结构示意图；
8.图中：1
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上接头、2
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流体入口锥、3
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新型阀口套、4
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新型阀套、5
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弹簧、6
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o形密封圈a、7
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新型阀、8
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o形密封圈b、9
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隔离套、10
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套筒、11
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套筒外壳、12
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圆柱凸轮、13
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外壳、14
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心轴、15
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涡轮、16
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下接头。
9.图2为图1的局部结构放大示意图；
10.图3为本发明的套筒的结构示意图；
11.图4为本发明圆柱凸轮的三维示意图。
具体实施方式
12.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
13.在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的,而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下,技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变，这些都应被视为属于本发明的范围。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元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”“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。
14.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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是旨在于限制本申请。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。
15.根据附图所示，所述新型阀结构的涡轮式钻井应用工具，主要由上接头1、流体入口锥2、新型阀口套3、新型阀套4、弹簧5、o形密封圈a6、新型阀7、o形密封圈b8、隔离套9、套筒10、套筒外壳11、圆柱凸轮12、外壳13、心轴14、涡轮15、下接头16组成，其技术特征在于，上接头1和下接头16通过螺纹连接在外壳13两端；流体入口锥2与新型阀套4通过螺纹连接在新型阀口套3两端；流体入口锥2位于上接头1与新型阀口套3之间，相当于一个渐缩管，用于提升流体压差，提升压差效果的好坏与流体入口锥的锥角和小端直径与大端直径之比有关，这样流体入口锥的损失系数小，压差提升大；新型阀口套3开有新型阀孔；新型阀7套安装于新型阀口套3的下端，其上开有先入次流体孔；新型阀7位于新型阀套4内部，并在新型阀7下端形成新型阀压力室；o形密封圈a6安装于新型阀7下端环槽内，用于将流体压力全部作用于新型阀7上；弹簧5安装于新型阀套4与新型阀7之间；心轴14安装于外壳13内，位于中心和轴向位置；套筒外壳11位于新型阀套4与心轴14之间，并与之同心；套筒10内表面有凸起部分；圆柱凸轮12位于套筒10内，圆柱表面开有沟槽与套筒10内表面的凸起部分相配合，内部与心轴14相连接。涡轮15安装于心轴14上，利用外壳13内部另一台阶和下接头16进行轴向定位，涡轮的组数直接影响将线性流体流动转换为旋转流体流动的效率；隔离套9利用新型阀套4和外壳13内部一台阶进行轴向定位，其环槽内装有两个o形密封圈b8，在其一端面开有沟槽用以让先入次流体通过；所述的流体入口锥2与上接头1之间形成先入次流体入
口通道；所述的外壳与流体入口锥1、新型阀口套3、新型阀套4形成先入次流体环空通道；所述的新型阀套4与隔离套形成先入次流体出口通道；所述的新型阀7、新型阀口、新型阀压力室，将钻井液分为入口主流体和先入次流体；所述的先入次流体先进导流体入口，再流经先入次流体环空通道，随后通过先入次流体孔进入新型阀后面的新型阀压力室，激活新型阀7；所述的先入次流体通过先入次流体出口流出，使得先入次流体和入口主流体流重新组合以形成主流，然后该主流驱动所述涡轮15旋转，心轴14随涡轮15转动，心轴14驱动圆柱凸轮12旋转，使与圆柱凸轮12相配合的套筒10上下移动，这种移动导致新型阀7上下移动，关闭或开启新型阀孔，从而引起过流面积的改变，在钻柱中形成周期的脉冲振荡；涡轮15的安装位置在新型阀7的上端或者下端都可以实现相同的效果；先入次流体环空通道的设计是为了减小新型阀开启时的所需压力，如果先入次流体环空通道堵塞，本发明依然能够实现周期性的脉冲振荡。
16.所述的心轴14位于涡轮15内，并因涡轮15旋转，将线性流体流动转换为旋转流体流动，其中旋转流体流动运动通过心轴14从涡轮转移到圆柱凸轮12。
17.所述的圆柱凸轮12的转速直接影响新型阀7开合的频率，新型阀7的工作频率范围能在10hz至20hz之间变化，从而影响压力脉冲的频率。
18.所述的新型阀套4上的先入次流体孔允许先入次流体离开新型阀7压力室，新型阀7在上下压差和弹簧5的作用下返回到相对于新型阀孔的打开位置。
19.本发明的新型阀结构的涡轮式钻井应用工具具体工作过程如下：
20.当钻井液在管柱中向下流入新型阀结构的涡轮式钻井应用工具时，钻井液从上接头1处进入在流体入口锥分2为入口主流体和先入次流体；在流体入口锥提升压差的作用下，入口主流体加速进入新型阀孔，围绕新型阀7流动，直到它流向新型阀套4下端同时，先入次流体先进入先入次流体入口，再流经先入次流体环空通道，随后通过所述先入次流体孔进入新型阀后面的新型阀压力室，较高压力的先入次流体将使新型阀7压缩弹簧5向上运动；先入次流体通过先入次流体出口流出，使得先入次流体和入口主流体流重新组合以形成主流，然后该主流驱动所述涡轮15旋转，心轴14随涡轮15转动，位于心轴14上的圆柱凸轮12也随之转动，使与圆柱凸轮12相配合的套筒10上下移动，这种移动也会驱使新型阀7向上移动，关闭新型阀孔，从而引起过流面积的改变；新型阀孔的关闭会导致新型阀孔上端压力增大，新型阀7在弹簧5的辅助作用下回到后部打开位置，允许主流体流经新型阀孔，此时处于新型阀压力室的先入次流体将从先入次流体孔处返回到先导环空通道并随之与主流体汇合；如此反复，便会在钻柱中产生一个周期性脉动波动，将动摩擦转化为静摩擦，有效地减小了钻井时钻具与井壁之间的摩阻，提升钻井效率和钻具使用寿命。