專利名稱：可打撈井下蓄能式水力脈沖工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油天然氣勘探開發(fā)中鉆井工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鉆井過程中，由鉆頭牙齒機(jī)械破碎并從母巖分離開的巖屑往往被很大的壓差壓持 在井底，這種現(xiàn)象被稱為“巖屑?jí)撼中?yīng)”。這樣被壓持在井底的巖屑被重復(fù)切削后變成細(xì) 粉巖屑，這種細(xì)粉的存在對(duì)鉆井過程產(chǎn)生巨大危害(1)細(xì)粉和井底的泥餅粘混在一起形成井底覆蓋層。在泥巖中鉆進(jìn)甚至形成粘性 很大的塑性團(tuán)塊，它和井底覆蓋層構(gòu)成鉆頭牙輪和牙齒與井底巖石之間的“墊層”。從而影 響了鉆速，加快了鉆頭的磨損；(2)巖屑粉末混入鉆井泥漿，影響泥漿性能和泥漿固相處理；(3)在井壁形成虛濾餅，影響井壁穩(wěn)定。容易出現(xiàn)起鉆撥活塞，鉆柱抽汲引起井壁 垮塌，誘發(fā)井噴，甚至粘卡鉆具，造成井下事故；(4)使用PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭容易吸附鉆屑，產(chǎn)生泥包，增加扭矩，減弱切削能 力，減緩鉆速，降低水力效率，甚至發(fā)生卡鉆現(xiàn)象。為解決鉆井中的上述問題，提高鉆井效率，必須及時(shí)清潔井底巖屑。在鉆井條件不 變的條件下，最理想的方式就是利用井底水力脈沖工具來實(shí)現(xiàn)。基于瞬變流理論的水力脈 沖工具將泥漿連續(xù)射流轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛悦}沖射流，改變井底流場(chǎng)的壓力狀況，脈沖射流產(chǎn)生 的動(dòng)壓力更有利于井底巖屑的啟動(dòng)，提高井底凈化效果。而現(xiàn)有的水力脈沖工具普遍存在脈沖壓力小，脈沖頻率高，工具壽命短，應(yīng)用效果 不明顯等技術(shù)缺陷，難以達(dá)到預(yù)期效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于提供一種可打撈井下蓄能式水力脈沖工具，整個(gè)工具安裝于鉆鋌短節(jié) 內(nèi)，下接鉆頭。鉆井中，當(dāng)泥漿經(jīng)鉆柱到達(dá)該工具時(shí)，泥漿帶動(dòng)工具動(dòng)作，脈沖調(diào)質(zhì)機(jī)構(gòu)周期 性阻斷泥漿過流通道，將泥漿連續(xù)射流轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛悦}沖射流，及時(shí)清潔井底巖屑，提高機(jī) 械鉆速。為達(dá)到上述目的，該發(fā)明采用了以下技術(shù)方案可打撈井下蓄能式水力脈沖鉆井 工具由打撈頭、蓄能器、磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和脈沖調(diào)質(zhì)機(jī)構(gòu)等組成。脈沖定 子在工具最下端，與減速機(jī)外殼下端用螺紋連接，行星減速機(jī)構(gòu)安裝在減速機(jī)外殼內(nèi)；減速 機(jī)外殼頂端與隔離套下端用螺紋連接，內(nèi)磁力傳動(dòng)組件和外磁力傳動(dòng)組件分別安裝在隔離 套的內(nèi)外側(cè)；隔離套頂端與蓄能器外殼下端用螺紋連接，蓄能器外殼頂端通過接頭與打撈 頭連接，打撈頭位于工具最上端。蓄能器由蓄能器外殼、充氣閥總成、接頭和活塞等組成；蓄能器外殼圓周上有一圓 孔，接頭中心有一通孔；充氣閥總成、接頭、蓄能器外殼和活塞等形成一個(gè)密閉氣體腔；活 塞、蓄能器外殼、平衡活塞和隔離套等形成泥漿腔。
磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由外磁力傳動(dòng)組件、內(nèi)磁力傳動(dòng)組件和隔離套等組成；外磁力傳動(dòng) 組件由橡膠軸承、渦輪和外磁鋼組成，橡膠軸承和外磁鋼鑲嵌在渦輪殼體內(nèi)；內(nèi)磁力傳動(dòng)組 件由磁軸、內(nèi)磁鋼和磁鋼套組成，磁鋼套裝在磁軸上，內(nèi)磁鋼鑲嵌在磁鋼套內(nèi)。行星減速機(jī)構(gòu)由輸入軸、輸出軸、行星齒輪系、減速機(jī)外殼和滾動(dòng)軸承組成。脈沖調(diào)質(zhì)機(jī)構(gòu)由脈沖定子和脈沖轉(zhuǎn)子組成；脈沖定子圓周上有兩個(gè)泥漿通道口， 脈沖轉(zhuǎn)子外周有兩個(gè)葉片。工具連接處及活塞密封處均裝有密封圈，平衡活塞、隔離套、減速機(jī)外殼、脈沖定 子、密封活塞和旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封等形成一個(gè)密閉腔，腔內(nèi)充滿潤滑油。脈沖轉(zhuǎn)子裝在輸出軸上，輸入軸與磁軸用鍵連接，滾動(dòng)軸承分別安裝在磁軸、輸入 軸和輸出軸上。該發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)工具運(yùn)動(dòng)部件浸在充滿潤滑油的密封腔內(nèi)，該油腔通過平衡活塞與外部泥漿 溝通，達(dá)到內(nèi)外壓力平衡，以此可大大提高運(yùn)動(dòng)件壽命；(2)特有的蓄能機(jī)構(gòu)不僅可吸收鉆柱內(nèi)的壓力波動(dòng)，防止鉆具產(chǎn)生疲勞破壞，而且 對(duì)鉆頭產(chǎn)生流量脈動(dòng)，大大提高井底巖屑凈化效果；(3)具有可打撈、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、脈沖壓力高、脈沖頻率低、壽命長及使用效果好等優(yōu)
點(diǎn)ο


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖1為可打撈井下蓄能式水力脈沖工具上半部分結(jié)構(gòu)剖面2為可打撈井下蓄能式水力脈沖工具下半部分結(jié)構(gòu)剖面3為圖2中A-A截面的剖視圖。圖4為可打撈井下蓄能式水力脈沖工具安裝示意圖1-鉆鋌短節(jié)；2-可打撈井下蓄能式水力脈沖工具；3-鉆頭；4-打撈頭；5-充氣閥 總成；6-密封圈；7-接頭；8-密閉氣體腔；9-活塞；10-蓄能器外殼；11-泥漿腔；12-平衡 活塞；13-橡膠軸承；14-滾動(dòng)軸承；15-渦輪；16-外磁鋼；17-磁鋼套；18-內(nèi)磁鋼；19-磁 軸；20-隔離套；21-輸入軸；22-行星齒輪系；23-減速機(jī)外殼；24-輸出軸；25-密封活塞； 26-旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封；27-脈沖轉(zhuǎn)子；28-脈沖定子；29-泥漿通道口 ； 30-轉(zhuǎn)子葉片。
具體實(shí)施例方式參見圖1、圖2，打撈頭4、接頭7、蓄能器外殼10、隔離套20、減速機(jī)外殼23和脈沖 定子28等自上而下用螺紋連接組成整個(gè)工具的外殼，螺紋連接處均裝有密封圈6。工具最 大外徑小于鉆桿接頭內(nèi)徑，通過打撈頭4與打撈工具配套使用，便于工具回收和投放。打撈 頭4與脈沖定子28對(duì)工具兼起定位和扶正作用。平衡活塞12、隔離套20、減速機(jī)外殼23、 密封活塞25、旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封26以及密封圈6等組成一個(gè)密閉腔，內(nèi)部充滿潤滑油。工具的內(nèi) 磁力傳動(dòng)組件、行星齒輪系22、滾動(dòng)軸承14、輸入軸21和輸出軸24等都浸泡在潤滑油中， 與外部泥漿隔離，保證了這些運(yùn)動(dòng)部件的正常工作并提高可靠性。蓄能器由蓄能器外殼10、充氣閥總成5、接頭7和活塞9等組成；蓄能器外殼10圓周上有一圓孔，接頭7中心有一通孔；充氣閥總成5、接頭7、蓄能器外殼10和活塞9等形成 一個(gè)密閉氣體腔8，在儀器下井之前內(nèi)部預(yù)先沖入一定壓力的氮?dú)?；活?、蓄能器外殼10、 平衡活塞12和隔離套20等形成泥漿腔11，當(dāng)工具周圍泥漿壓力有波動(dòng)時(shí)，泥漿可以通過蓄 能器外殼10圓周上的圓孔進(jìn)出泥漿腔11。磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由外磁力傳動(dòng)組件、內(nèi)磁力傳動(dòng)組件和隔離套20組成；外磁力傳動(dòng) 組件由橡膠軸承13、渦輪15和外磁鋼16組成，橡膠軸承13和外磁鋼16鑲嵌在渦輪15殼 體內(nèi)；內(nèi)磁力傳動(dòng)組件由磁軸19、內(nèi)磁鋼18和磁鋼套17組成，磁鋼套17裝在磁軸19上， 內(nèi)磁鋼18鑲嵌在磁鋼套17內(nèi)。外磁力傳動(dòng)組件和內(nèi)磁力傳動(dòng)組件靠磁力耦合作用，實(shí)現(xiàn) 動(dòng)力傳動(dòng)。行星減速機(jī)構(gòu)由輸入軸21、輸出軸24、行星齒輪系22、減速機(jī)外殼23和滾動(dòng)軸承 14等組成。通過行星減速機(jī)構(gòu)減速后，可以得到所需的輸出軸24的轉(zhuǎn)速范圍。脈沖調(diào)質(zhì)機(jī)構(gòu)由脈沖定子28和脈沖轉(zhuǎn)子27組成；脈沖定子28圓周上有兩個(gè)泥漿通道口 29，脈沖轉(zhuǎn)子27外周有兩個(gè)葉片30，當(dāng)脈沖轉(zhuǎn)子27旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片30便周期性的阻 斷泥漿通道口 29。工具內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部分由內(nèi)磁力傳動(dòng)組件、輸入軸21、行星齒輪系22、輸出軸24及脈沖轉(zhuǎn)子27等依次連接組成。下面進(jìn)一步說明本發(fā)明的工作原理。如圖4所示，可打撈井下蓄能式水力脈沖工具2使用時(shí)安裝在鉆頭3上面的鉆鋌 短節(jié)1中。在鉆井作業(yè)過程中，泥漿經(jīng)鉆柱到達(dá)鉆鋌短節(jié)1后，驅(qū)動(dòng)渦輪15旋轉(zhuǎn)，渦輪15的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過外磁力傳動(dòng)組件外磁鋼16和內(nèi)磁力傳動(dòng)組件內(nèi)磁鋼18的耦合作用，帶動(dòng)磁 軸19旋轉(zhuǎn)，磁軸19帶動(dòng)輸入軸21旋轉(zhuǎn)，輸入軸21經(jīng)行星齒輪系22帶動(dòng)輸出軸24旋轉(zhuǎn)， 最后輸出軸24帶動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)子27旋轉(zhuǎn)。脈沖轉(zhuǎn)子27在旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片30將截?cái)嗝}沖定子28 上的兩個(gè)泥漿通道口 29，周期性的改變泥漿過流面積，從而將泥漿連續(xù)射流轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖射 流。脈沖射流有利于井底破碎巖屑起動(dòng)，及時(shí)凈化井底，避免巖屑重復(fù)破損，從而提高鉆頭 壽命和機(jī)械鉆速。脈沖壓力和脈沖頻率是影響巖屑清潔的兩個(gè)最重要的參數(shù)。脈沖壓力靠調(diào)節(jié)泥漿 通道口 29的面積變化率來實(shí)現(xiàn)，面積變化率越大，脈沖壓力越大。脈沖頻率靠調(diào)節(jié)脈沖轉(zhuǎn)子27的旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)。脈沖轉(zhuǎn)子27的旋轉(zhuǎn)速度取決于 渦輪15的旋轉(zhuǎn)速度和行星齒輪系22的減速比。首先，根據(jù)鉆井泥漿排量和比重等參數(shù)合 理設(shè)計(jì)渦輪15的葉片形狀和數(shù)量，來控制渦輪15的旋轉(zhuǎn)速度，然后選定合適的行星齒輪系 22的減速比，便得到所需的脈沖轉(zhuǎn)子27的旋轉(zhuǎn)速度，即脈沖轉(zhuǎn)子27的旋轉(zhuǎn)速度等于渦輪 15的旋轉(zhuǎn)速度除以行星齒輪系22的減速比。本發(fā)明便于實(shí)現(xiàn)較低的脈沖頻率。蓄能器的存在具有兩大功能，一是吸收由于泥漿過流面積變化而在鉆柱內(nèi)產(chǎn)生的 壓力波動(dòng)，保護(hù)鉆具；而是對(duì)鉆頭產(chǎn)生流量脈動(dòng)，進(jìn)一步提高巖屑清潔效果。蓄能器的工作 原理是這樣的當(dāng)葉片30截?cái)嗄酀{通道口 29時(shí)，泥漿過流面積變小，鉆鋌1內(nèi)的泥漿壓力 升高，部分泥漿便通過蓄能器外殼10圓周上的圓孔進(jìn)入工具泥漿腔11，壓縮氣體腔8;當(dāng)葉 片30轉(zhuǎn)過泥漿通道口 29時(shí)，泥漿過流面積變大，鉆鋌1內(nèi)的壓力降低，部分泥漿又會(huì)通過 蓄能器外殼10圓周上的圓孔流出工具泥漿腔11。部分泥漿周期性的進(jìn)出泥漿腔11便實(shí)現(xiàn) 了吸收壓力波動(dòng)和產(chǎn)生流量脈動(dòng)兩大效果。以上僅是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種方法，基于此發(fā)明原理的其它實(shí)現(xiàn)形式在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
可打撈井下蓄能式水力脈沖工具，主要由打撈頭(4)、蓄能器、磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和脈沖調(diào)質(zhì)機(jī)構(gòu)等組成，其特征在于脈沖定子(28)在工具最下端，與減速機(jī)外殼(23)下端用螺紋連接，行星減速機(jī)構(gòu)安裝在減速機(jī)外殼(23)內(nèi)；減速機(jī)外殼(23)頂端與隔離套(20)下端用螺紋連接，內(nèi)磁力傳動(dòng)組件和外磁力傳動(dòng)組件分別安裝在隔離套(20)的內(nèi)外側(cè)；隔離套(20)頂端與蓄能器外殼(10)下端用螺紋連接，蓄能器外殼(10)頂端通過接頭(7)與打撈頭(4)連接，打撈頭(4)位于工具最頂端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可打撈井下蓄能式水力脈沖工具，其特征在于蓄能器由蓄 能器外殼(10)、充氣閥總成(5)、接頭(7)和活塞(9)等組成；蓄能器外殼(10)圓周上有一 圓孔，接頭(7)中心有一通孔；充氣閥總成(5)、接頭(7)、蓄能器外殼(10)和活塞(9)等形 成一個(gè)密閉氣體腔(8)；活塞(9)、蓄能器外殼(10)、平衡活塞(12)和隔離套(20)等形成 泥漿腔(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可打撈井下蓄能式水力脈沖工具，其特征在于磁力傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)由外磁力傳動(dòng)組件、內(nèi)磁力傳動(dòng)組件和隔離套(20)組成；外磁力傳動(dòng)組件由橡膠軸承 (13)、渦輪(15)和外磁鋼(16)組成，橡膠軸承(13)和外磁鋼(16)鑲嵌在渦輪(15)殼體 內(nèi)；內(nèi)磁力傳動(dòng)組件由磁軸(19)、內(nèi)磁鋼(18)和磁鋼套(17)組成，磁鋼套(17)裝在磁軸 (19)上，內(nèi)磁鋼(18)鑲嵌在磁鋼套(17)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可打撈井下蓄能式水力脈沖工具，其特征在于行星減速機(jī) 構(gòu)由輸入軸(21)、輸出軸(24)、行星齒輪系(22)、減速機(jī)外殼(23)和滾動(dòng)軸承(14)等組 成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可打撈井下蓄能式水力脈沖工具，其特征在于脈沖調(diào)質(zhì)機(jī) 構(gòu)由脈沖定子(28)和脈沖轉(zhuǎn)子(27)組成；脈沖定子(28)圓周上有兩個(gè)泥漿通道口(29)， 脈沖轉(zhuǎn)子(27)外周有兩個(gè)葉片(30)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可打撈井下蓄能式水力脈沖工具，其特征在于工具連接處 及活塞密封處均裝有密封圈(6)，平衡活塞(12)、隔離套(20)、減速機(jī)外殼(23)、脈沖定子 (28)、密封活塞(25)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封(26)等形成一個(gè)密閉腔，腔內(nèi)充滿潤滑油。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可打撈井下蓄能式水力脈沖工具，其特征在于脈沖轉(zhuǎn)子 (27)裝在輸出軸(24)上，輸入軸(21)與磁軸(19)用鍵連接，滾動(dòng)軸承(14)安裝在磁軸 (19)、輸入軸(21)和輸出軸(24)上。
全文摘要
本發(fā)明公開一種石油鉆井用可打撈井下蓄能式水力脈沖工具，由打撈頭、蓄能器、磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星減速機(jī)構(gòu)及脈沖調(diào)質(zhì)機(jī)構(gòu)等組成。內(nèi)磁力傳動(dòng)組件、輸入軸、行星齒輪系和輸出軸等浸在充滿潤滑油的密封腔內(nèi)，確保運(yùn)動(dòng)件壽命。整個(gè)工具安裝于鉆鋌短節(jié)內(nèi)，下接鉆頭，鉆井中，當(dāng)泥漿經(jīng)鉆柱到達(dá)該工具時(shí)，泥漿帶動(dòng)工具動(dòng)作，將泥漿連續(xù)射流轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖射流，脈沖射流有利于井底破碎巖屑起動(dòng)，及時(shí)凈化井底，避免巖屑重復(fù)破損，從而提高鉆頭壽命和機(jī)械鉆速。蓄能器不僅可吸收鉆柱內(nèi)的壓力波動(dòng)，而且對(duì)鉆頭產(chǎn)生流量脈動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)清巖效果。它具有可打撈、壽命長、脈動(dòng)壓力大、脈沖頻率低及使用效果好等優(yōu)點(diǎn)，可滿足深井、超深井及硬地層鉆井需要。
文檔編號(hào)E21B31/12GK101988377SQ20091016243
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者任福興, 周燕, 安慶寶, 尹文波, 曲剛, 梁錦明, 江正清, 王新峰, 董懷榮 申請(qǐng)人:中國石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究院