专利名称：可打捞井下蓄能式水力脉冲工具的制作方法
技术领域：
本发明属于石油天然气勘探开发中钻井工程领域。
背景技术：
钻井过程中，由钻头牙齿机械破碎并从母岩分离开的岩屑往往被很大的压差压持 在井底，这种现象被称为“岩屑压持效应”。这样被压持在井底的岩屑被重复切削后变成细 粉岩屑，这种细粉的存在对钻井过程产生巨大危害(1)细粉和井底的泥饼粘混在一起形成井底覆盖层。在泥岩中钻进甚至形成粘性 很大的塑性团块，它和井底覆盖层构成钻头牙轮和牙齿与井底岩石之间的“垫层”。从而影 响了钻速，加快了钻头的磨损；(2)岩屑粉末混入钻井泥浆，影响泥浆性能和泥浆固相处理；(3)在井壁形成虚滤饼，影响井壁稳定。容易出现起钻拨活塞，钻柱抽汲引起井壁 垮塌，诱发井喷，甚至粘卡钻具，造成井下事故；(4)使用PDC钻头钻进时，钻头容易吸附钻屑，产生泥包，增加扭矩，减弱切削能 力，减缓钻速，降低水力效率，甚至发生卡钻现象。为解决钻井中的上述问题，提高钻井效率，必须及时清洁井底岩屑。在钻井条件不 变的条件下，最理想的方式就是利用井底水力脉冲工具来实现。基于瞬变流理论的水力脉 冲工具将泥浆连续射流转变为周期性脉冲射流，改变井底流场的压力状况，脉冲射流产生 的动压力更有利于井底岩屑的启动，提高井底净化效果。而现有的水力脉冲工具普遍存在脉冲压力小，脉冲频率高，工具寿命短，应用效果 不明显等技术缺陷，难以达到预期效果。
发明内容
本发明在于提供一种可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，整个工具安装于钻铤短节 内，下接钻头。钻井中，当泥浆经钻柱到达该工具时，泥浆带动工具动作，脉冲调质机构周期 性阻断泥浆过流通道，将泥浆连续射流转变为周期性脉冲射流，及时清洁井底岩屑，提高机 械钻速。为达到上述目的，该发明采用了以下技术方案可打捞井下蓄能式水力脉冲钻井 工具由打捞头、蓄能器、磁力传动机构、行星齿轮减速机构和脉冲调质机构等组成。脉冲定 子在工具最下端，与减速机外壳下端用螺纹连接，行星减速机构安装在减速机外壳内；减速 机外壳顶端与隔离套下端用螺纹连接，内磁力传动组件和外磁力传动组件分别安装在隔离 套的内外侧；隔离套顶端与蓄能器外壳下端用螺纹连接，蓄能器外壳顶端通过接头与打捞 头连接，打捞头位于工具最上端。蓄能器由蓄能器外壳、充气阀总成、接头和活塞等组成；蓄能器外壳圆周上有一圆 孔，接头中心有一通孔；充气阀总成、接头、蓄能器外壳和活塞等形成一个密闭气体腔；活 塞、蓄能器外壳、平衡活塞和隔离套等形成泥浆腔。
磁力传动机构由外磁力传动组件、内磁力传动组件和隔离套等组成；外磁力传动 组件由橡胶轴承、涡轮和外磁钢组成，橡胶轴承和外磁钢镶嵌在涡轮壳体内；内磁力传动组 件由磁轴、内磁钢和磁钢套组成，磁钢套装在磁轴上，内磁钢镶嵌在磁钢套内。行星减速机构由输入轴、输出轴、行星齿轮系、减速机外壳和滚动轴承组成。脉冲调质机构由脉冲定子和脉冲转子组成；脉冲定子圆周上有两个泥浆通道口， 脉冲转子外周有两个叶片。工具连接处及活塞密封处均装有密封圈，平衡活塞、隔离套、减速机外壳、脉冲定 子、密封活塞和旋转动密封等形成一个密闭腔，腔内充满润滑油。脉冲转子装在输出轴上，输入轴与磁轴用键连接，滚动轴承分别安装在磁轴、输入 轴和输出轴上。该发明具有以下优点(1)工具运动部件浸在充满润滑油的密封腔内，该油腔通过平衡活塞与外部泥浆 沟通，达到内外压力平衡，以此可大大提高运动件寿命；(2)特有的蓄能机构不仅可吸收钻柱内的压力波动，防止钻具产生疲劳破坏，而且 对钻头产生流量脉动，大大提高井底岩屑净化效果；(3)具有可打捞、结构简单、脉冲压力高、脉冲频率低、寿命长及使用效果好等优
点ο
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1为可打捞井下蓄能式水力脉冲工具上半部分结构剖面2为可打捞井下蓄能式水力脉冲工具下半部分结构剖面3为图2中A-A截面的剖视图。图4为可打捞井下蓄能式水力脉冲工具安装示意图1-钻铤短节；2-可打捞井下蓄能式水力脉冲工具；3-钻头；4-打捞头；5-充气阀 总成；6-密封圈；7-接头；8-密闭气体腔；9-活塞；10-蓄能器外壳；11-泥浆腔；12-平衡 活塞；13-橡胶轴承；14-滚动轴承；15-涡轮；16-外磁钢；17-磁钢套；18-内磁钢；19-磁 轴；20-隔离套；21-输入轴；22-行星齿轮系；23-减速机外壳；24-输出轴；25-密封活塞； 26-旋转动密封；27-脉冲转子；28-脉冲定子；29-泥浆通道口 ； 30-转子叶片。
具体实施例方式参见图1、图2，打捞头4、接头7、蓄能器外壳10、隔离套20、减速机外壳23和脉冲 定子28等自上而下用螺纹连接组成整个工具的外壳，螺纹连接处均装有密封圈6。工具最 大外径小于钻杆接头内径，通过打捞头4与打捞工具配套使用，便于工具回收和投放。打捞 头4与脉冲定子28对工具兼起定位和扶正作用。平衡活塞12、隔离套20、减速机外壳23、 密封活塞25、旋转动密封26以及密封圈6等组成一个密闭腔，内部充满润滑油。工具的内 磁力传动组件、行星齿轮系22、滚动轴承14、输入轴21和输出轴24等都浸泡在润滑油中， 与外部泥浆隔离，保证了这些运动部件的正常工作并提高可靠性。蓄能器由蓄能器外壳10、充气阀总成5、接头7和活塞9等组成；蓄能器外壳10圆周上有一圆孔，接头7中心有一通孔；充气阀总成5、接头7、蓄能器外壳10和活塞9等形成 一个密闭气体腔8，在仪器下井之前内部预先冲入一定压力的氮气；活塞9、蓄能器外壳10、 平衡活塞12和隔离套20等形成泥浆腔11，当工具周围泥浆压力有波动时，泥浆可以通过蓄 能器外壳10圆周上的圆孔进出泥浆腔11。磁力传动机构由外磁力传动组件、内磁力传动组件和隔离套20组成；外磁力传动 组件由橡胶轴承13、涡轮15和外磁钢16组成，橡胶轴承13和外磁钢16镶嵌在涡轮15壳 体内；内磁力传动组件由磁轴19、内磁钢18和磁钢套17组成，磁钢套17装在磁轴19上， 内磁钢18镶嵌在磁钢套17内。外磁力传动组件和内磁力传动组件靠磁力耦合作用，实现 动力传动。行星减速机构由输入轴21、输出轴24、行星齿轮系22、减速机外壳23和滚动轴承 14等组成。通过行星减速机构减速后，可以得到所需的输出轴24的转速范围。脉冲调质机构由脉冲定子28和脉冲转子27组成；脉冲定子28圆周上有两个泥浆通道口 29，脉冲转子27外周有两个叶片30，当脉冲转子27旋转时，叶片30便周期性的阻 断泥浆通道口 29。工具内部旋转部分由内磁力传动组件、输入轴21、行星齿轮系22、输出轴24及脉冲转子27等依次连接组成。下面进一步说明本发明的工作原理。如图4所示，可打捞井下蓄能式水力脉冲工具2使用时安装在钻头3上面的钻铤 短节1中。在钻井作业过程中，泥浆经钻柱到达钻铤短节1后，驱动涡轮15旋转，涡轮15的 旋转运动通过外磁力传动组件外磁钢16和内磁力传动组件内磁钢18的耦合作用，带动磁 轴19旋转，磁轴19带动输入轴21旋转，输入轴21经行星齿轮系22带动输出轴24旋转， 最后输出轴24带动脉冲转子27旋转。脉冲转子27在旋转时，叶片30将截断脉冲定子28 上的两个泥浆通道口 29，周期性的改变泥浆过流面积，从而将泥浆连续射流转变为脉冲射 流。脉冲射流有利于井底破碎岩屑起动，及时净化井底，避免岩屑重复破损，从而提高钻头 寿命和机械钻速。脉冲压力和脉冲频率是影响岩屑清洁的两个最重要的参数。脉冲压力靠调节泥浆 通道口 29的面积变化率来实现，面积变化率越大，脉冲压力越大。脉冲频率靠调节脉冲转子27的旋转速度来实现。脉冲转子27的旋转速度取决于 涡轮15的旋转速度和行星齿轮系22的减速比。首先，根据钻井泥浆排量和比重等参数合 理设计涡轮15的叶片形状和数量，来控制涡轮15的旋转速度，然后选定合适的行星齿轮系 22的减速比，便得到所需的脉冲转子27的旋转速度，即脉冲转子27的旋转速度等于涡轮 15的旋转速度除以行星齿轮系22的减速比。本发明便于实现较低的脉冲频率。蓄能器的存在具有两大功能，一是吸收由于泥浆过流面积变化而在钻柱内产生的 压力波动，保护钻具；而是对钻头产生流量脉动，进一步提高岩屑清洁效果。蓄能器的工作 原理是这样的当叶片30截断泥浆通道口 29时，泥浆过流面积变小，钻铤1内的泥浆压力 升高，部分泥浆便通过蓄能器外壳10圆周上的圆孔进入工具泥浆腔11，压缩气体腔8;当叶 片30转过泥浆通道口 29时，泥浆过流面积变大，钻铤1内的压力降低，部分泥浆又会通过 蓄能器外壳10圆周上的圆孔流出工具泥浆腔11。部分泥浆周期性的进出泥浆腔11便实现 了吸收压力波动和产生流量脉动两大效果。以上仅是实现本发明的一种方法，基于此发明原理的其它实现形式在本发明的范围之内。
权利要求
可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，主要由打捞头(4)、蓄能器、磁力传动机构、行星齿轮减速机构和脉冲调质机构等组成，其特征在于脉冲定子(28)在工具最下端，与减速机外壳(23)下端用螺纹连接，行星减速机构安装在减速机外壳(23)内；减速机外壳(23)顶端与隔离套(20)下端用螺纹连接，内磁力传动组件和外磁力传动组件分别安装在隔离套(20)的内外侧；隔离套(20)顶端与蓄能器外壳(10)下端用螺纹连接，蓄能器外壳(10)顶端通过接头(7)与打捞头(4)连接，打捞头(4)位于工具最顶端。
2.根据权利要求1所述的可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，其特征在于蓄能器由蓄 能器外壳(10)、充气阀总成(5)、接头(7)和活塞(9)等组成；蓄能器外壳(10)圆周上有一 圆孔，接头(7)中心有一通孔；充气阀总成(5)、接头(7)、蓄能器外壳(10)和活塞(9)等形 成一个密闭气体腔(8)；活塞(9)、蓄能器外壳(10)、平衡活塞(12)和隔离套(20)等形成 泥浆腔(11)。
3.根据权利要求1所述的可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，其特征在于磁力传动机 构由外磁力传动组件、内磁力传动组件和隔离套(20)组成；外磁力传动组件由橡胶轴承 (13)、涡轮(15)和外磁钢(16)组成，橡胶轴承(13)和外磁钢(16)镶嵌在涡轮(15)壳体 内；内磁力传动组件由磁轴(19)、内磁钢(18)和磁钢套(17)组成，磁钢套(17)装在磁轴 (19)上，内磁钢(18)镶嵌在磁钢套(17)内。
4.根据权利要求1所述的可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，其特征在于行星减速机 构由输入轴(21)、输出轴(24)、行星齿轮系(22)、减速机外壳(23)和滚动轴承(14)等组 成。
5.根据权利要求1所述的可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，其特征在于脉冲调质机 构由脉冲定子(28)和脉冲转子(27)组成；脉冲定子(28)圆周上有两个泥浆通道口(29)， 脉冲转子(27)外周有两个叶片(30)。
6.根据权利要求1所述的可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，其特征在于工具连接处 及活塞密封处均装有密封圈(6)，平衡活塞(12)、隔离套(20)、减速机外壳(23)、脉冲定子 (28)、密封活塞(25)和旋转动密封(26)等形成一个密闭腔，腔内充满润滑油。
7.根据权利要求1所述的可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，其特征在于脉冲转子 (27)装在输出轴(24)上，输入轴(21)与磁轴(19)用键连接，滚动轴承(14)安装在磁轴 (19)、输入轴(21)和输出轴(24)上。
全文摘要
本发明公开一种石油钻井用可打捞井下蓄能式水力脉冲工具，由打捞头、蓄能器、磁力传动机构、行星减速机构及脉冲调质机构等组成。内磁力传动组件、输入轴、行星齿轮系和输出轴等浸在充满润滑油的密封腔内，确保运动件寿命。整个工具安装于钻铤短节内，下接钻头，钻井中，当泥浆经钻柱到达该工具时，泥浆带动工具动作，将泥浆连续射流转变为脉冲射流，脉冲射流有利于井底破碎岩屑起动，及时净化井底，避免岩屑重复破损，从而提高钻头寿命和机械钻速。蓄能器不仅可吸收钻柱内的压力波动，而且对钻头产生流量脉动，进一步增强清岩效果。它具有可打捞、寿命长、脉动压力大、脉冲频率低及使用效果好等优点，可满足深井、超深井及硬地层钻井需要。
文档编号E21B31/12GK101988377SQ20091016243
公开日2011年3月23日 申请日期2009年8月4日 优先权日2009年8月4日
发明者任福兴, 周燕, 安庆宝, 尹文波, 曲刚, 梁锦明, 江正清, 王新峰, 董怀荣 申请人:中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院