一种用于钻井的三维隔振工具的制作方法

1.本发明涉及油田开采领域，具体涉及一种用于钻井的三维隔振工具。


背景技术：

2.在油井钻井过程中，随着深井、超深井及大位移水平井的勘探开发，钻遇地层的复杂性也不断增加，导致整个井下钻具受力也更加复杂。因此，井下的钻柱经常需要承受不同方向，不同程度的剧烈振动。例如上部钻杆屈曲后的突然释放、下部钻头跳钻等引起的轴向振动，以及钻头粘滑引起的扭转振动等。这些振动造成钻柱会造成井下钻柱的疲劳破坏和钻头寿命的缩短，影响钻井效率。而当振动严重时还会耦合叠加引发共振问题，造成钻井事故。
3.现有的钻井用减振工具通常是安装于底部钻具组合中，通过弹簧等减振装置部分吸收钻头处的纵向振动，从而减轻对钻头的破坏。这些装置一定程度上缓解了轴向振动问题，但无法解决深井及超深井中钻柱的扭转振动、不同方向的耦合共振等问题。


技术实现要素：

4.针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于钻井的三维隔振工具。本发明的用于钻井的三维隔振工具能够同时降低井下钻柱的轴向振动和扭转振动，同时有效防止井下钻柱的不同方向的耦合共振。
5.根据本发明，提供了一种用于钻井的三维隔振工具，包括：外筒体以及伸入所述外筒体的内筒体所述外筒体和内筒体之间具有能够将旋转运动化为直线运动的连接件。
6.其中，在所述连接件上还设置有弹性件，所述弹性件能够阻碍所述连接件沿直线运动，从而阻碍外筒体和内筒体之间的相对旋转。
7.在一个优选的实施例中，所述连接件设置为套设在所述内筒体外壁上的接头，所述连接件与外筒体通过螺旋齿相连接。
8.在一个优选的实施例中，所述连接件通过花键与内筒体相连接，使得连接件能够相对于外筒体沿轴向移动。
9.在一个优选的实施例中，在所述内筒体伸入外筒体的一端的端部还设置有限制内筒体移动行程的限位件。
10.在一个优选的实施例中，所述限位件构造为套设在内筒体上的圆环，在所述外筒体的内壁上设置有能够与所述限位件形成抵接的台阶部。
11.在一个优选的实施例中，在所述连接件与所述弹性件之间还设置有降阻元件，所述连接件与弹性件通过降阻元件相连接。
12.在一个优选的实施例中，在所述外筒体与内筒体的径向间还设置有密封件，所述密封件布置在所述连接件远离弹性件的一侧。
13.在一个优选的实施例中，在所述内筒体的外壁上还设置有与外筒体内壁相接的刮切件，所述刮切件布置在所述密封件远离弹性件的一侧。
14.在一个优选的实施例中，所述弹性件设置为由多个碟簧组成的碟簧阵列，所述的多个碟簧沿内筒体的轴向均匀布置。
15.在一个优选的实施例中，所述的用于钻井的三维隔振工具安装在钻具中和点的上部。
附图说明
16.下面将参照附图对本发明进行说明。
17.图1显示了根据本发明的一个实施例的用于钻井的三维隔振工具的示意图。
18.图2为图1所示的所述的用于钻井的三维隔振工具沿a-a’方向的剖视图。
19.在本技术中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
20.下面通过附图来对本发明进行介绍。
21.图1显示了根据本发明的一个实施例的用于钻井的三维隔振工具100。如图1所示，所述的用于钻井的三维隔振工具100包括连接在钻柱(未示出)上的外筒体10，所述外筒体10构造为管状，在所述外筒体10内限定有第一内腔12。同时，所述用于钻井的三维隔振工具100还包括内筒体20。所述内筒体20伸入所述第一内腔12从而与外筒体10形成连接。在所述内筒体20内限定有第二内腔22，所述第二内腔22形成为井下流体流通的通道。
22.在本发明中，所述外筒体10和内筒体20的自由端分别连接在井下钻柱(未示出)和钻头(未示出)上或相邻的钻柱之间。在正常的钻井过程中，井下的钻头与钻柱会分别与外筒体10和内筒体20保持同步旋转。
23.如图1所示，在所述外筒体10和内筒体20之间设置有连接件30。所述连接件30能够将外筒体10和内筒体20之间的旋转运动化为直线运动。具体地，在所述外筒体10和内筒体20的径向间形成有腔体25。所述连接件30构造为套设在所述内筒体20外壁上的位于所述腔体25内的接头。同时，在所述连接件30与腔体25的侧壁之间形成有间隙40。
24.如图1所示，在所述连接件30靠近外筒体10的上端面32上设置有外螺旋齿321，在所述外筒体10的内壁上设置有与所述外螺旋槽321相适配的内螺旋齿322。所述外螺旋齿321与内螺旋齿322相配合，从而形成一个螺旋配合结构325。由此，当所述外筒体10相对于连接件30发生相对旋转时，能够使得连接件30相对于外筒体10沿轴向移动。
25.图2为图1所示的所述的用于钻井的三维隔振工具100沿a-a’方向的剖视图。如图2所示，在所述连接件30靠近内筒体的一侧的下端面34上设置有花键342。所述连接件30通过花键342与内筒体20相连接。所述花键342能够在保证内筒体20与连接件30保持同步转动传递扭矩的同时，保证内筒体20能够相对于外筒体10沿轴向运动。
26.而容易理解，随着所述外筒体10和内筒体20沿轴向的相对位置的改变，会使得所述间隙40的长度发生改变。
27.如图1所示，在所述间隙40内还设置有弹性件42，所述弹性件42的两端分别与所述连接件30和所述间隙40的侧壁相连接。由此，当所述外筒体10在外力作用下进行旋转时，会使得所述连接件30和外筒体10之间发生相对旋转。此时在所述螺旋配合结构325的作用下，
所述连接件会在所述内筒体20上相对于内筒体20沿轴向移动。在这一移动的过程中，所述连接件30会压缩所述弹性件42，使得所述弹性件42变形从而产生一个阻碍连接件30继续相对于外筒体10沿轴向移动的弹力。
28.当所述弹力大于外筒体10和内筒体20之间的转动摩擦力后，所述外筒体10和连接件30会在轴向上保持相对静止，此时外筒体10和连接件30只能保持同步旋转，带动内筒体20和外筒体10保持同步旋转。此时便可通过外筒体10带动内筒体20进行旋转，进行正常的钻井作业。
29.在正常的钻井作业中，当钻头或钻柱转动受阻时，会导致所述外筒体10和内筒体20同步旋转的状态被打破，二者产生生相对旋转的趋势。当外筒体10和内筒体20产生相对旋转的趋势后，在螺旋配合结构325的作用下，所述连接件30会重新产生相对于外筒体10的轴向移动的趋势，从而压缩所述弹性件42。此时在所述弹性件42的弹力作用下，所述弹性件42会阻碍所述连接件30相对于外筒体10沿轴向移动，进而阻碍外筒体10和连接件30之间的相对旋转。
30.而由于所述连接件30和内筒体20始终保持同步旋转，因此此时所述弹性件42会阻碍外筒体10和内筒体20之间的相对旋转，由此达到周向隔振的效果。
31.当钻头因为跳钻等原因沿轴向相对于沿轴向相对于钻柱振动时，会带动内筒体20相对于外筒体10沿轴向振动。在这一过程中，由于所述内筒体20通过花键342与所述连接件30相连接，因此所述内筒体20能够自由地相对于连接件30沿轴向移动，这一移动过程只会使得内筒体20沿轴向伸入或伸出外筒体10一段位移，不会带动连接件30相对于外筒体10旋转或相对于外筒体10沿轴向移动，因此这一移动过程不会干扰外筒体10的正常转动。
32.因此，本发明的三维隔振工具100可以保证本发明的用于钻井的三维隔振工具100两端的钻柱各自的轴向振动独立，不会产生耦合共振。
33.如图1所示，在一个优选的实施例中，在所述内筒体20伸入外筒体10的一端的端部还设置有限位件50，所述限位件50构造为套设在内筒体20上的圆环。同时，在所述外筒体10的内壁上设置有能够与所述限位件50形成抵接的台阶部55。在所述内筒体20由于振动伸入外筒体10的过程中，所述限位件50会最终抵接在台阶部55上，从而阻碍所述内筒体20继续沿轴向移动，达到轴向限位的效果。
34.在本发明中，所述弹性件42优选地设置为由多个碟簧组成的碟簧阵列，所述的多个碟簧沿内筒体20的轴向均匀布置。相较于普通的弹性件，碟簧安装所需的空间小，能够更好地安装于较小的腔体25内。同时，碟簧的负荷较大，能够有效提高所述弹性件42的作用力。
35.如图1所示，在所述连接件30与所述弹性件42之间还设置有降阻元件38，所述连接件30与弹性件42通过降阻元件38相连接。所述降阻元件38优选地设置为转动轴承。所述降阻元件38能够在连接件30与外筒体10发生相对转动时降低连接件30所受到的摩擦阻力，从而降低连接件30的磨损，提高连接件30的使用寿命。
36.如图1所示，在所述外筒体10与内筒体20的径向间还设置有密封件43，所述密封件43布置在所述连接件30远离弹性件42的一侧。所述密封件43例如可以是密封圈，其可以封闭筒体10与内筒体20径向间的腔体25，避免所属腔体25与外筒体10外侧的井下空间联通，从而导致所述第二内腔22内的流体在压差作用下流动至外筒体10外部的井下空间中。
37.同时，在所述内筒体20的外壁上还设置有与外筒体10内壁相接的刮切件45，所述刮切件45布置在所述密封件43远离弹性件42的一侧。所述刮切件45能够在外筒体10和内筒体20沿轴向发生相对运动时清理外筒体内壁上的泥浆等杂质，防止泥浆中的固态颗粒与密封件43接触，破坏密封效果。
38.除此以外，所述的用于钻井的三维隔振工具100优选地连接在钻具中和点的上部。使得井下钻具始终能够对述用于钻井的三维隔振工具100施加一个拉力，保证所述用于钻井的三维隔振工具100始终保持在一定的拉伸状态。由此保证外筒体10与内筒体20的轴向间始终具有一定的自由行程。同时防止井下钻柱的重力挤压外筒体10，致使外筒体10沿轴向移动，导致弹性件42提前被压缩。
39.以下简述根据本发明的用于钻井的三维隔振工具100的工作过程。
40.本发明的用于钻井的三维隔振工具100在钻井时连接在井下的钻柱之间，随着钻柱一同下入油井之中。在钻头钻进的过程中，当钻头与钻柱之间发生相对旋转时，在所述螺旋配合结构325的作用下，所述连接件30会沿轴向相对于外筒体10移动，从而使得弹性件42发生弹性形变。此时，所述弹性件42的弹力会吸收扭转振动的扭矩，降低钻头与钻柱之间的相对旋转，从而在周向上实现钻头和钻柱之间的减振目的。
41.当钻头由于跳钻等因素相对于钻柱沿轴向发生振动时，由于所述三维隔振工具100在入井时始终处于拉伸状态，因此所述内筒体20可在一定的行程范围内沿轴向伸入外筒体10中，不会影响外筒体10，由此实现外筒10体和内筒体20轴向间的振动隔离。进一步地，当内筒体20轴向移动位移超过这段自由行程后，会带动连接件30一起运动，从而压缩弹性件42，弹性件42产生格外的弹力阻碍内筒体的轴向振动，起到辅助减振的效果。
42.通过在周向上和轴向上的共同减振，可以实现井下钻柱的三维减振效果。
43.最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。