高频转矩振荡器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
高频转矩振荡器
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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是本专利技术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专利技术。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文飞，周延军，肖新磊，沈亮，刘景男，夏文安，
申请(专利权)人：中石化石油工程技术服务有限公司，中石化胜利石油工程有限公司，中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11