高频脉动液压发生器论文和设计-李文飞

全文摘要

本实用新型公开了一种高频脉动液压发生器，由二级活塞阀、传压孔、挡板、弹簧、一级活塞阀、一级过流孔、动阀、二级过流孔、定阀组成。一级过流孔构成的当量截流面积相对于二级过流孔构成的当量截流面积瞬间由大变小时，内部的液压力急剧升高，外壳体相对中心轴就会向上移动，并压缩弹簧。与此同时，液压力还作用在动阀上，瞬时高液压就会通过动阀、定阀、外壳体、下部钻具作用在钻头上，从而实现了柔性冲击的目的。高频脉动液压发生器安装在底部钻具组合中，距离钻头较近，利用液动能在钻头上产生高频低幅的柔性冲击力，既有利于提高钻头破岩效率，又能有效防止切削齿崩损，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.高频脉动液压发生器，包括上接头（1）、中心轴（2）、外壳体（3）、下接头（16），其特征在于：上接头（1）连接在中心轴（2）的上端，中心轴（2）上部套装在外壳体（3）内部，中心轴（2）与外壳体（3）之间通过花键副（4）构成轴向滑动密封配合，中心轴（2）内部设有中心孔，中心轴（2）上沿径向设有传压孔（6）和挡板（7），传压孔（6）位于挡板（7）的上部；外壳体（3）内部沿轴向间隔设置二级活塞阀（5）和一级活塞阀（9），二级活塞阀（5）位于传压孔（6）上部，一级活塞阀（9）位于挡板（7）下部，在一级活塞阀（9）和挡板（7）之间设有弹簧（8），传压孔（6）与二级活塞阀（5）、挡板（7）之间的空间连通；中心轴（2）连同挡板（7）与外壳体（3）及外壳体（3）内设置的二级活塞阀（5）和一级活塞阀（9）构成轴向滑动密封配合；在外壳体（3）下端部固定设有定阀（15），定阀（15）上加工数个二级过流孔（14），在定阀（15）上表面设有动阀（13），动阀（13）上加工数个一级过流孔（12），动阀（13）轴向固定有叶轮（11），动阀（13）连同叶轮（11）与定阀（15）构成旋转配合；下接头（16）设在外壳体（3）下端部。

设计方案

2.根据权利要求1所述的高频脉动液压发生器，其特征是：叶轮（11）上部安装导流模块（10）。

3.根据权利要求1或2所述的高频脉动液压发生器，其特征是：所述传压孔（6）数量是三组或三组以上，均布在中心轴（2）上。

4.根据权利要求3所述的高频脉动液压发生器，其特征是：所述传压孔（6）均为倾斜向下。

5.根据权利要求1或2所述的高频脉动液压发生器，其特征是：所述动阀（13）每个一级过流孔（12）不均匀分布，所述定阀（15）每个二级过流孔（14）不均匀分布。

6.根据权利要求5所述的高频脉动液压发生器，其特征是：所述动阀（13）每个一级过流孔（12）的直径相同或者不相同；所述定阀（15）每个二级过流孔（14）的直径相同或者不相同。

7.根据权利要求5所述的高频脉动液压发生器，其特征是：所述动阀（13）下表面与定阀（15）上表面均镶嵌防磨片。

8.根据权利要求1或2所述的高频脉动液压发生器，其特征是：所述中心轴（2）与外壳体（3）之间花键副（4）所处的空间内充满润滑油。

设计说明书

技术领域

本实用新型的高频脉动液压发生器主要涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探装置领域。

背景技术

在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探领域中，随着井深的不断增加，岩石越来越硬，严重制约了钻头的破岩效率。钻井实践证明，钻头旋转破岩的过程中，在钻头上施加一定频率的冲击力，能够有效提高钻头的破岩效率。常规冲击工具提供的是低频高幅冲击能量，一般都是刚性冲击能量，其破岩机理是利用较大幅值的冲击力在岩石表面产生较大裂纹，然后在钻头旋转的作用下使岩屑脱离井底，但在实际应用过程中发现，岩石越硬、冲击力越大时，初始时期内钻进效率显著提高，但随着时间的延长，钻进效率降低很快，其主要原因是冲击力造成钻头切削齿崩损，影响了破岩效率。国外研究表明，在钻头上施加高频低幅冲击能量时，不仅能够大幅提高钻进效率，而且不易损坏钻头切削齿，有利于延长钻头使用寿命，其机理在于，虽然较低幅值的冲击能量只在岩石表面产生较小的微裂纹，但在高频冲击的作用下，微裂纹扩展速率增加并连通形成较大裂纹，在钻头旋转的作用下岩屑脱离井底岩石母体。国内外资料调研分析表明，现有冲击辅助破岩工具产生的冲击频率不仅较低，而且都是刚性冲击，不能满足现场对于高频低幅冲击的工艺要求，因此，急需设计研制一种既能产生高频低幅冲击能量辅助提高钻头破岩效率，又能产生柔性冲击，防护钻头切削齿过早崩损，延长钻头使用寿命，同时还要满足现有钻井工艺的技术要求和设备要求，并且结构简单、成本低廉、维护方便的高频脉动液压发生器。

实用新型内容

本实用新型的目的为了最大限度的发挥高频低幅冲击能量的优势，达到辅助提高破岩效率，同时产生柔性冲击力，防止钻头切削齿过早崩损，延长钻头使用寿命，并且降低成本，改善井眼质量，提高井下安全性，提供高频脉动液压发生器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

高频脉动液压发生器，包括上接头、中心轴、外壳体、下接头，其中：上接头连接在中心轴的上端，中心轴上部套装在外壳体内部，中心轴与外壳体之间通过花键副构成轴向滑动密封配合，中心轴内部设有中心孔，中心轴上沿径向设有传压孔和挡板，传压孔位于挡板的上部；外壳体内部沿轴向间隔设置二级活塞阀和一级活塞阀，二级活塞阀位于传压孔上部，一级活塞阀位于挡板下部，在一级活塞阀和挡板之间设有弹簧，传压孔与二级活塞阀、挡板之间的空间连通；中心轴连同挡板与外壳体及外壳体内设置的二级活塞阀和一级活塞阀构成轴向滑动密封配合；在外壳体下端部固定设有定阀，定阀上加工数个二级过流孔，在定阀上表面设有动阀，动阀上加工数个一级过流孔，动阀轴向固定有叶轮，动阀连同叶轮与定阀构成旋转配合；下接头设在外壳体下端部。

上述方案进一步包括：

叶轮上部安装导流模块。

所述传压孔数量是三组或三组以上，均布在中心轴上。

所述传压孔均为倾斜向下。

所述动阀每个一级过流孔不均匀分布，所述定阀每个二级过流孔不均匀分布。

所述动阀每个一级过流孔的直径相同或者不相同；所述定阀每个二级过流孔的直径相同或者不相同。

所述动阀下表面与定阀上表面均镶嵌防磨片。

所述中心轴与外壳体之间花键副所处的空间内充满润滑油。

本实用新型的高频脉动液压发生器安装在底部钻具组合中，钻井过程中，钻井液进入高频脉动液压发生器，经过导流模块后驱动叶轮高速旋转，叶轮驱动动阀开始转动，钻井液经过动阀的一级过流孔和定阀的二级过流孔后进入下部钻具，由于一级过流孔与二级过流孔的孔径尺寸、数量、相对位置均不同。因此随着动阀的转动，动阀上全部一级过流孔的当量截流面积与定阀上的全部二级过流孔的当量截流面积周期性的发生变化，就使得钻井液的流速发生变化，进而使得钻井液的液压发生周期性的变化。由于动阀在叶轮的驱动下高速旋转，因此截流面积的变化频率较高，即钻井液压力的脉动变化频率较高。当一级过流孔构成的当量截流面积相对于二级过流孔构成的当量截流面积瞬间由大变小时，高频脉动液压发生器内部的液压力急剧升高，液压力既作用在一级活塞阀的下表面，也通过传压孔作用在二级活塞阀的下表面。由于中心轴通过上接头与上部钻具固定连接，因此在高液压力的作用下，高频脉动液压发生器的外壳体相对中心轴就会向上移动，并压缩弹簧。与此同时，液压力还作用在动阀上，瞬时高液压就会通过动阀、定阀、外壳体、下部钻具作用在钻头上，从而实现了柔性冲击的目的。传压孔倾斜向下，能够有效防止钻井液中的泥沙堵住。

随着叶轮及动阀的旋转，一级过流孔构成的当量截流面积相对于二级过流孔构成的当量截流面积瞬间由小变大时，高频脉动液压发生器内部的液压力降低，外壳体在弹簧恢复力的作用下，向下移动，并恢复至初始位置。随着钻井液的连续流动，上述动作不断重复，就产生了轴向高频柔性冲击。当井底钻头发生跳钻时，高频脉动液压发生器内部的弹簧也能够缓冲轴向振动，起到稳定钻压、保护钻头和上部精密测控仪器的作用。现场井下测试结果表明，高频脉动液压发生器能够满足直井、定向井、复杂结构井多种井型的工艺要求，钻井效率平均提高88.6%~120.8%，尤其是在中硬以上岩层中钻进时，提速效果更加显著，且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。

同时，高频脉动液压发生器还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便的特点。

附图说明

图1是依据本实用新型的一种高频脉动液压发生器结构示意图。

图2是图1中高频脉动液压发生器中心轴A-A截面结构示意图。

图3是图1中高频脉动液压发生器B-B截面结构示意图。

图中：1-上接头、2-中心轴、3-外壳体、4-花键副、5-二级活塞阀、6-传压孔、7-挡板、8-弹簧、9-一级活塞阀、10-导流模块、11-叶轮、12-一级过流孔、13-动阀、14-二级过流孔、15-定阀、16-下接头。

具体实施方式

实施例1

参照附图1，高频脉动液压发生器，包括上接头1、中心轴2、外壳体3、下接头16，其中：上接头1连接在中心轴2的上端，中心轴2上部套装在外壳体3内部，中心轴2与外壳体3之间通过花键副4构成轴向滑动密封配合，中心轴2内部设有中心孔，中心轴2上沿径向设有传压孔6和挡板7，传压孔6位于挡板7的上部；外壳体3内部沿轴向间隔设置二级活塞阀5和一级活塞阀9，二级活塞阀5位于传压孔6上部，一级活塞阀9位于挡板7下部，在一级活塞阀9和挡板7之间设有弹簧8，传压孔6与二级活塞阀5、挡板7之间的空间连通；中心轴2连同挡板7与外壳体3及外壳体3内设置的二级活塞阀5和一级活塞阀9构成轴向滑动密封配合；在外壳体3下端部固定设有定阀15，定阀15上加工数个二级过流孔14，在定阀15上表面设有动阀13，动阀13上加工数个一级过流孔12，动阀13轴向固定有叶轮11，动阀13连同叶轮11与定阀15构成旋转配合；下接头16设在外壳体3下端部。

上述实施例1进一步包括：

叶轮11上部安装导流模块10。

实施例2

如图1-3，高频脉动液压发生器主要由上接头1、中心轴2、外壳体3、花键副4、二级活塞阀5、传压孔6、挡板7、弹簧8、一级活塞阀9、导流模块10、叶轮11、一级过流孔12、动阀13、二级过流孔14、定阀15、下接头16组成。

中心轴2与外壳体3之间花键副4所处的空间内充满润滑油。传压孔6均布在中心轴2上，传压孔6的数量是三组或三组以上，传压孔6均为倾斜向下。动阀13每个一级过流孔12不均匀分布，定阀15每个二级过流孔14不均匀分布。动阀13每个一级过流孔12的直径相同或不同。定阀15每个二级过流孔14的直径相同或不同。动阀13下表面与定阀15上表面均镶嵌防磨片。

上接头1连接在中心轴2的上端，中心轴2内部加工中心孔。中心轴2与外壳体3内壁分别加工花键副4，构成轴向滑动密封配合。外壳体3内部安装二级活塞阀5，中心轴2径向加工传压孔6和挡板7，传压孔6位于挡板7的上部，传压孔6与二级活塞阀5、挡板7之间的空间连通。外壳体3内部安装一级活塞阀9，挡板7与一级活塞阀9之间安装弹簧8。定阀15固定安装在外壳体3内部，定阀15上加工二级过流孔14，动阀13位于定阀15上表面，动阀13上加工一级过流孔12。叶轮11固定安装在动阀13上，叶轮13上部安装导流模块10，外壳体3下部加工下接头16。

高频脉动液压发生器安装在底部钻具组合中，钻井过程中，钻井液进入高频脉动液压发生器，经过导流模块10后驱动叶11轮高速旋转，叶轮11驱动动阀13开始转动，钻井液经过动阀13的一级过流孔12和定阀15的二级过流孔14后进入下部钻具。由于一级过流孔12与二级过流孔14的孔径尺寸、数量、相对位置均不同，因此随着动阀13的转动，动阀13上全部一级过流孔12的当量截流面积与定阀15上的全部二级过流孔14的当量截流面积周期性的发生变化，就使得钻井液的流速发生变化，进而使得钻井液的液压发生周期性的变化。由于动阀13在叶轮11的驱动下高速旋转，因此截流面积的变化频率较高，即钻井液压力的脉动变化频率较高。

当一级过流孔12构成的当量截流面积相对于二级过流孔14构成的当量截流面积瞬间由大变小时，高频脉动液压发生器内部的液压力急剧升高，液压力既作用在一级活塞阀9的下表面，也通过传压孔6作用在二级活塞阀5的下表面。由于中心轴2通过上接头1与上部钻具固定连接，因此在高液压力的作用下，高频脉动液压发生器的外壳体3相对中心轴2就会向上移动，并压缩弹簧8。与此同时，液压力还作用在动阀13上，瞬时高液压就会通过动阀13、定阀15、外壳体3、下部钻具作用在钻头上，从而实现了柔性冲击的目的。传压孔6倾斜向下，能够有效防止钻井液中的泥沙堵住。

随着叶轮11及动阀13的旋转，一级过流孔12构成的当量截流面积相对于二级过流孔14构成的当量截流面积瞬间由小变大时，高频脉动液压发生器内部的液压力降低，外壳体3在弹簧8恢复力的作用下，向下移动，并恢复至初始位置。

随着钻井液的连续流动，上述动作不断重复，就产生了轴向高频柔性冲击；当井底钻头发生跳钻时，高频脉动液压发生器内部的弹簧也能够缓冲轴向振动，起到稳定钻压、保护钻头和上部精密测控仪器的作用。

设计图

高频脉动液压发生器论文和设计

高频脉动液压发生器论文和设计-李文飞

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

相关信息详情

猜你喜欢