高频转矩振荡器论文和设计-李文飞

全文摘要

本实用新型涉及钻井工具领域中的一种高频转矩振荡器，包括外壳体、中心轴、弹簧装置、冲锤、砧子和涡轮，其中：所述中心轴安装在外壳体内部，中心轴轴向设有中心孔道，冲锤安装在中心轴上，并通过导向球与中心轴构成滑动、旋转配合；弹簧装置设置在冲锤上部与外壳体之间，砧子设在冲锤下部的外壳体内；中心轴下部还设有径向旁通孔，涡轮设在旁通孔下部的中心轴上。该高频转矩振荡器具有压降低、效果显著的特点，能够完全满足国内直井、定向井、水平井复杂结构井的钻井工艺要求，是一种结构简单、操作方便、成本低廉、安全可靠的新型工具。

主设计要求

1.高频转矩振荡器，包括外壳体（1）、中心轴（2）、弹簧装置（4）、冲锤（5）、砧子（6）和涡轮（9），其特征在于：所述中心轴（2）安装在外壳体（1）内部，中心轴（2）轴向设有中心孔道，中心轴（2）外壁设有滑槽（10），滑槽（10）内放置滑动配合的导向球（11），冲锤（5）上设有凹槽（12），凹槽（12）与导向球（11）滑动配合，冲锤（5）安装在中心轴（2）上，并通过导向球（11）与中心轴（2）构成滑动、旋转配合；弹簧装置（4）设置在冲锤（5）上部与外壳体（1）之间，砧子（6）设在冲锤（5）下部的外壳体（1）内，在弹簧装置（4）的作用下，冲锤（5）与砧子（6）接触配合，且砧子（6）对冲锤（5）的转动限位，导向球（11）在凹槽（12）的下止点时，冲锤（5）高于砧子（6），砧子（6）对冲锤（5）解除转动限位；中心轴（2）下部还设有径向旁通孔（8），涡轮（9）设在旁通孔（8）下部的中心轴（2）上；所述滑槽（10）呈V形；所述凹槽（12）呈倒V形。

设计方案

2.根据权利要求1所述的高频转矩振荡器，其特征在于：所述冲锤（5）、砧子（6）是两组或两组以上，周向均匀分布。

3.根据权利要求1或2所述的高频转矩振荡器，其特征在于：所述滑槽（10）与导向球（11）是两组，周向均匀分布。

4.根据权利要求3所述的高频转矩振荡器，其特征在于：所述弹簧装置（4）、冲锤（5）、砧子（6）、滑槽（10）、导向球（11）所处的空间内充满润滑油。

5.根据权利要求4所述的高频转矩振荡器，其特征在于：中心轴（2）和外壳体（1）之间安装上密封装置（3），中心轴（2）与砧子（6）之间安装下密封装置（7）。

设计说明书

技术领域

本实用新型的高频转矩振荡器主要涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探工具领域。

背景技术

随着国家能源战略实施的深入化，石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探行业领域的深井、超深井、复杂结构井勘探开发的数量日益增加。在钻井过程中，随着井深的增加，岩石硬度越来越高，可钻性变差，严重影响了机械钻进效率的提升。现场钻井资料表明，深井段的平均机械钻速仅是其上部井段平均机械钻速的15%-30%，部分地区甚至低于8%。井下随钻测量仪器提供的数据表明，钻井过程中，由于钻头切削与地层岩石的作用，钻头上会产生剧烈的转速与转矩波动，即钻头卡滑振动。卡滑振动对钻头的危害较大，不仅极易造成钻头切削齿崩损，影响钻头寿命，严重降低钻头破岩效率，而且还会造成井下钻具接头松扣，导致钻具掉落井下复杂情况。钻头卡滑振动主要包括两个状态：（1）停滞状态，钻头因破岩扭矩不足停止转动，钻柱在转盘的驱动下继续扭转，当钻柱所积能量足以破碎岩层时，钻头继续转动；（2）高速转动状态，钻柱积蓄的能量瞬间释放，钻头在正反方向突然加速与减速，钻头角速度数倍于转盘转速，钻头所受岩层负载扭矩剧烈波动。卡滑振动是造成钻井功能紊乱的主要原因，其给钻井工程造成的主要影响包括：（1）增大钻头磨损，PDC钻头瞬间高速冲击运动将加速钻头失效；（2）卡滑振动造成的钻头无序运动降低钻井破岩能量效率，消耗钻机井下驱动装置提供的能量；（3）卡滑振动本身及其引起的其他振动加快下部钻具组合疲劳失效或粘扣，并引发井下电子仪器的早期失效；（4）降低钻进连续性及井身质量，增加纯钻进时间及起下钻次数，降低钻进效率。综上所述，深井、复杂结构井钻进时卡滑振动对钻井影响十分严重，造成了大量的人力及物力和成本的浪费，如何解决钻井卡滑振动问题已成为国内外争相研发的热点。

国内外研究及现场钻井实践证明，在钻头上施加圆周方向的高频转矩振荡，能够有效抑制钻头卡滑振动，并且能够大幅提高钻井破岩效率。2000年，加拿大Ulterra公司使用Torbuster工具配合PDC钻头，以1000～2400min-1的频率向钻头施加周向脉冲转矩破岩，有效抑制了钻头卡滑振动，延长了钻头使用寿命，扩展了PDC钻头适用范围，同时大幅提高了机械钻速，其在北美、亚太、中东、非洲均有广泛的应用，可提高机械钻速50％～300％，中等深度井段单趟进尺可达3000ｍ，深井超深井段单趟进尺可达1500ｍ。国内已在陆地和海上多个区块试验和推广了Torbuster工具钻井技术，在钻深井硬地层中取得了很好的提速效果，机械钻速提高幅度达90％～300％。国内多家高校及研究单位都针对Torbuster工具原理进行了分析研究，研制的相关工具都与其结构原理基本近似，主要是利用钻井液能量使摆锤往复摆动，从而在钻头上产生了周向击振效应，如：CN201810496627.9、CN201310586179.9、CN201610321016.1、CN201310698227.3、CN201310014444.6、CN201310108104.X、CN201410306930.X、CN201510166838.2，但在实际应用中发现，这种往复摆动式原理在提供正向击振效应的同时，也会产生反向击振效应，反向击振不仅消耗钻井液能量，而且对于抑制钻头卡滑振动是无效的，也不利于提高钻头破岩效率，与此同时，这种往复摆动式击振原理还存在压耗较高的缺点，使得国内现有机泵设备长时间处于高负载状态，容易造成设备损坏，而且研制的工具尺寸较长，不能满足定向井、复杂结构井等钻井工艺的要求，使用范围有限；因此国内相关机构提出了旋转击振原理的结构，如：CN201810257135.4、CN201420040141.1、CN201620602560.9、CN200910058083.9、CN201610399777.9，通过分析可以看出，这种旋转击振原理虽然改善了往复摆动式原理的高压耗，但加工精度要求较高难度大，零部件材质热处理工艺复杂，使用寿命较短，因此也不能满足国内钻井技术的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对上述问题，提出一种既能有效抑制钻井过程中的卡滑振动，又能产生高频低幅的转矩振荡，并且具有压耗小、结构简单、成本低的特点，同时满足直井、定向井、复杂结构井钻井工艺要求和现有钻井设备要求的高频转矩振荡器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

高频转矩振荡器，包括外壳体、中心轴、弹簧装置、冲锤、砧子和涡轮，其中：所述中心轴安装在外壳体内部，中心轴轴向设有中心孔道，中心轴外壁设有滑槽，滑槽内放置滑动配合的导向球，冲锤上设有凹槽，凹槽与导向球滑动配合，冲锤安装在中心轴上，并通过导向球与中心轴构成滑动、旋转配合；弹簧装置设置在冲锤上部与外壳体之间，砧子设在冲锤下部的外壳体内，在弹簧装置的作用下，冲锤与砧子接触配合，且砧子对冲锤的转动限位，导向球在凹槽的下止点时，冲锤高于砧子，砧子对冲锤解除转动限位；中心轴下部还设有径向旁通孔，涡轮设在旁通孔下部的中心轴上；所述滑槽呈V形；所述凹槽呈倒V形。

上述方案还包括：

所述冲锤、砧子是两组或两组以上，周向均匀分布。

所述滑槽与导向球是两组，周向均匀分布。

所述弹簧装置、冲锤、砧子、滑槽、导向球所处的空间内充满润滑油。

中心轴和外壳体之间安装上密封装置，中心轴与砧子之间安装下密封装置。

本实用新型的高频转矩振荡器抑制钻头卡滑振动效果非常显著，现场测试结果表明，中硬以上岩层钻井破岩效率平均提高92.3%-256.8%，钻头使用寿命平均提高76.9%，钻井质量符合设计标准，达到了在国内现有装备和工艺技术基础上，低成本、高效率完成钻井施工的目的，由于高频转矩振荡器具有压耗低、提速效果显著、使用成本低、安全可靠的优点，得到了现场使用单位的高度评价。

附图说明

图1是本实用新型的高频转矩振荡器结构示意图。

图2是图1高频转矩振荡器冲锤与砧子结构示意图。

图3是图1高频转矩振荡器滑槽与导向球结构前视图。

图4是图1高频转矩振荡器滑槽与导向球结构后视图。

图5是图1高频转矩振荡器初始状态时导向球位于滑槽下止点和凹槽上止点的示意图。

图6是图1高频转矩振荡器的导向球开始向滑槽上止点移动时的示意图。

图7是图1高频转矩振荡器的冲锤向上移动时的状态示意图。

图8是图1高频转矩振荡器的导向球位于冲锤凹槽下止点的状态示意图。

图中，1-外壳体、2-中心轴、3-上密封装置、4-弹簧装置、5-冲锤、6-砧子、7-下密封装置、8-旁通孔、9-涡轮、10-滑槽、11-导向球、12-凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细描述本实用新型。

实施例1

参照附图1-8，一种高频转矩振荡器，包括外壳体1、中心轴2、弹簧装置4、冲锤5、砧子6和涡轮9，其中：所述中心轴2安装在外壳体1内部，中心轴2轴向设有中心孔道，中心轴2外壁设有滑槽10，滑槽10内放置滑动配合的导向球11，冲锤5上设有凹槽12，凹槽12与导向球11滑动配合，冲锤5安装在中心轴2上，并通过导向球11与中心轴2构成滑动、旋转配合；弹簧装置4设置在冲锤5上部与外壳体1之间，砧子6设在冲锤5下部的外壳体1内，在弹簧装置4的作用下，冲锤5与砧子6接触配合，且砧子6对冲锤5的转动限位，导向球11在凹槽12的下止点时，冲锤5高于砧子6，砧子6对冲锤5解除转动限位；中心轴2下部还设有径向旁通孔8，涡轮9设在旁通孔8下部的中心轴2上；所述滑槽10呈V形；所述凹槽12呈倒V形。

上述方案还包括：

所述冲锤5与砧子6、滑槽10与导向球11均是两组，周向均匀分布。

实施例2

参照附图1至4，高频转矩振荡器主要由外壳体1、中心轴2、上密封装置3、弹簧装置4、冲锤5、砧子6、下密封装置7、旁通孔8、涡轮9、滑槽10、导向球11、凹槽12组成。中心轴2安装在外壳1体内部，两者之间安装上密封装置3，中心轴2上加工滑槽10，滑槽10呈V形，滑槽10内放置导向球11。冲锤5上设有凹槽12，凹槽12呈倒V形，凹槽12内放置导向球11，冲锤5安装在中心轴2上，并通过导向球11与中心轴2配合。冲锤5与外壳体1之间安装弹簧装置4，外壳体1内部安装砧子6，在弹簧装置4的作用下，冲锤5与砧子6接触配合，且砧子6对冲锤5的转动限位，导向球11在凹槽12的下止点时，冲锤5高于砧子6，砧子6对冲锤5解除转动限位。中心轴2与砧子6之间安装下密封装置7，中心轴2下部加工径向旁通孔8，中心轴2的下部安装涡轮9。

弹簧装置4、冲锤5、砧子6、滑槽10、导向球11所处的空间内充满润滑油。冲锤5、砧子6是两组或两组以上，周向均匀分布，滑槽10与导向球11是两组，周向均匀分布。

钻井过程中，高频转矩振荡器安装在钻头上部。初始状态时，导向球11位于滑槽10的下止点和凹槽12上止点之间（参照附图5），当钻井液进入高频转矩振荡器后，经过中心轴2、旁通孔8达到涡轮9，驱动涡轮9高速旋转，进而中心轴2也随之转动。在弹簧装置4作用下，冲锤5与砧子6是接触状态。随着中心轴2的转动，导向球11开始向滑槽10上止点移动（参照附图6）的同时，也驱动冲锤5开始旋转并加速。当冲锤5撞击到砧子6时，由于砧子6限制了冲锤5的转动惯量，冲锤5转速降低，但在中心轴2、滑槽10、导向球11以及凹槽12的作用下仍继续转动，此时冲锤5继续向上移动（参照附图7），并压缩弹簧装置4。冲锤5继续转动并上移至砧子6上部，此时导向球11位于凹槽的12下止点（参照附图8），中心轴2转矩通过滑槽10、导向球11、凹槽12驱动冲锤5继续转动。当冲锤5转过砧子6时，砧子6对冲锤5转动惯量的限制作用消失，冲锤5在继续转动的同时又在弹簧装置4的作用下迅速下移，直至与砧子6接触，滑槽10、导向球11、凹槽12的相对位置又恢复至初始状态（参照附图5），此时完成了一次转矩振荡。

随着钻井液的流动，涡轮驱动中心轴2不断高速旋转，上述过程不断重复，就实现了高频低幅转矩振荡的效应。转矩振荡频率与涡轮的转速密切相关，由于涡轮转速较高，因此产生的击振频率也较高，并且可以根据要求进行调节，只需要更换涡轮即可实现，非常方便。

本实用新型提供的高频转矩振荡器可实现连续旋转条件下的高频低幅转矩振荡效应，不仅能够有效抑制钻头卡滑振动，而且内部结构及外观尺寸较往复摆动式结构更加简化，消耗的钻井液能量更低，因此能够满足国内直井、定向井、大位移井、水平井复杂结构井钻井工艺的要求，即在符合现有钻井工艺和设备的基础上，既能产生高频低幅转矩振荡效应抑制钻头卡滑振动，又能辅助提高钻头破岩效率，对于我国深层油气资源矿产的开发具有重要意义。

设计图

高频转矩振荡器论文和设计

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主设计要求

设计方案

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