专利名称：一种井下水击式压力脉冲发生工具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油行业钻井技术领域，具体的说，是一种井下水击式压力脉冲 发生工具。
背景技术：
水力脉冲钻井是利用安装在井底的水力脉冲发生装置在井底产生压力脉冲波，压 力脉冲波作用在井底有利于清除井底岩屑、形成井底瞬时负压，提高钻进速度。水力脉冲发 生装置在原理上分为以下两种水力振荡式和节流式。水力振荡式压力波发生器通过流体振荡腔室结构，在振荡腔内产生压力振动，压 力振动在腔室内得到放大后，通过水力振荡腔室出口释放出来，从而形成压力脉动。从压力 振动产生的原理来看，这种水力振荡产生的脉动是与流体涡结构伴生的，所产生的压力波 动频率高、振幅小、衰减快。节流式压力波发生器通过改变过流面积可以产生压力脉冲，结构简单可靠。但是 过流面积改变有限且是渐进式的，而且没有信号放大设计，所以节流工具产生的水力波振 幅和频率特性受到很大制约，振幅也比较小，通过只有几个大气压，作用有限。以上两种水力脉冲发生装置，由于水力波发生原理的限制，在振幅与频率特性上 局限很大，没有得到大规模应用。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是，提供一种井下水击式压力脉冲发生工具，其通 过阀控流道周期性的开关，可以产生频率可调，振幅较高的水击式压力脉冲波，进而能提高 钻井速度。本实用新型专利的技术方案如下，一种井下水击式压力脉冲发生工具，其特征在 于，所述装置包括外部结构与内部结构，其外部结构包括一个外缸、一个上接头、一个下接 头，其内部结构包括一个导流体、一个阀轮组件、一个常开流道、一个喷嘴、两个阀控流道。 所述导流体设置于阀轮组件上端，所述阀轮组件设置于常开流道与阀控流道上端，所述阀 控流道通过所述阀轮组件而呈周期性地开关设置，阀控流道与常开流道并联。本实用新型 专利通过阀轮周期性转动开关阀控流道，产生水击式压力脉冲波。水击波发生原理是流体力学一种基本流动现象，流体在流道里流动，当流道里的 阀门开启与关闭时候，流体速度突然变化，那么流体中就会产生水击波，振幅相对其它压力 波大非常多。在石油钻井过程中，地面的钻井液是通过钻杆与钻铤中间的圆形流道输送到井底 的钻头上，钻井液通过钻头水眼形成高速射流喷射到井底岩石上，用来破岩和清洗井底岩 屑。本实用新型专利所述的井下水击式压力脉冲发生工具设置在钻铤与钻头之间，所述的 上接头与钻铤连接，所述的下接头与钻头连接。这样地面的钻井液通过所述的上接头进入 井下水击式压力脉冲发生工具，钻井液通过所述的导流体加速冲击到所述阀轮组件，所述阀轮组件周期性转动开关阀控流道，产生水击式压力脉冲波，水击式压力脉冲波通过钻头 水眼作用在井底岩石上，提高射流破岩与清洗岩屑效果，从而提高石油行业钻井速度。在优选的实施方式中，所述的井下水击式压力脉冲发生工具，其特征在于，所述导 流体具有一个逐渐收缩的流道，用于使流体加速并把流体引向所述阀轮组件，使流体高速 冲击所述阀轮组件的阀轮。在优选的实施方式中，所述阀轮组件包括一个阀轮和一个阀座，所述阀轮能转动 地安装在所述阀座中，所述阀轮具有多个阀体，所述阀座内具有多个与所述阀体数量相对 应的流体通道，所述阀体通过所述阀轮的转动能离开地挡止于所述流体通道的入口，所述 流体通道与所述阀控流道相连通。在石油钻井过程中，钻井液经所述的导流体加速后，冲击到所述的阀轮组件的所 述的阀轮上，所述的阀轮在钻井液的冲击下进行旋转，在旋转的过程中，所述阀轮上的所述 阀体进能周期性的离开或挡止所述阀座中的流体通道，从而周期性的控制所述阀控流道的 开关，所述的阀控流道周期性的开关，产生水击式压力脉冲。在优选的实施方式中，所述外缸中还设有一个节流组件，所述节流组件常设置在 所述常开流道下部。在本实用新型专利工具工作过程中，所述的阀控流道会产生周期性的开启与关 闭，当所述的阀控流道关闭时，钻井液只能通过所述的常开流道通过，当所述的阀控流道开 启时，阀控流道与常开流道并联，钻井液分成两股从常开流道与阀控流道通过，为了降低从 常开流道通过的流量，增加阀控流道的流量，那么需要在常开流道下部设置节流组件，这样 可以提高水击式压力波振幅。在优选的实施方式中，所述的井下水击式压力脉冲发生工具，其特征在于，所述节 流部件包括至少一个节流喷嘴。本实用新型的特点及优点是1、流体经过导流体收缩段加速后，高速冲击阀轮组件的阀轮，使阀轮在阀座内产 生旋转。阀轮与阀座配合，形成周期性开关，并控制阀控流道周期性的开启与关闭，阀控流 道突然开启与关闭时，产生水击式压力脉冲。2、利用水击式原理产生的脉冲压力波，振幅一般在兆帕数量级，振幅与频率可定 量计算与控制。这种水击压力波振幅与喷嘴尺寸、环空过流面积、流体流量、流体密度等 参数有关，通过调节上述参数，可以精确地控制水击波振幅，把水击波振幅控制在需要的大 小。水击波频率由阀轮转速与阀体的个数决定。3、基于水击波发生原理，阀轮旋转控制阀控流道开关，产生水击波，原理可靠，结 构简单，频率与振幅可调，具有比其他振动固井工具更好的应用前景。水击波作用在井底，有利于清除井底岩屑，提高钻进速度，钻井实践表 明，可以提高钻井速度10% -30%。
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本实用新型的发生装置在其阀控流道处于开启状态的剖面示意图；图IA是沿图1的A-A线的剖面示意图；图IB是沿图1的B-B线的剖面示意图；图IC是沿图1的C-C线的剖面示意图；图2是本实用新型的发生装置在其阀控流道处于关闭状态的剖面示意图；图2A是沿图2的A-A线的剖面示意图；图2B是沿图2的B-B线的剖面示意具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。其中，本文中所述的“上、下”是针对图1和图2所示的位置关系而言的。如图1、图1A-1C、图2和图2A-2B所示，本实用新型提出的井下水击式压力脉冲发 生工具，其包括一个外缸1，外缸内设有一个导流体2，常开流道3，两个阀控流道4和5，一 个阀轮组件6，所述阀轮组件6包括阀轮体61与阀座62，阀轮6能转动地安装在所述阀座 62中，阀控流道4和5通过阀轮组件而呈周期性地开关设置；外缸1的上端连接有一个上 接头7，外缸1的下端连接有一个下接头8。本实用新型在使用时是安装在钻杆的下端，钻头的上端，在钻井过程中，井下水击 式压力脉冲发生工具均处于工作状态，钻井液经过阀轮61进入常开流道3，使阀轮61在水 流冲击力作用下旋转，阀轮61的旋转会使阀控流道4和5处于周期性地开或关的状态，如 此阀控流道4和5周期性产生水击作用，交替产生水击膨胀波与水击压缩波，作用在井底， 提高钻井速度。在具体的实施方式中，阀轮组件6包括一个阀轮61和一个阀座62，阀轮61可转动 地安装在阀座62中，阀轮61具有多片阀体(此处具有四片阀体)，阀座62两侧都具有多个 与阀体数量相对应的流体通道63和64，每侧的流体通道63或64均与对应一侧的阀控流道 4或5相连通，阀体通过阀轮61的转动能离开地挡止于阀控流道4和5的入日63和64，也 就是说，由于阀轮61的旋转，流体通道的入口 63和64可处于被阀体挡止的状态，或者处于 没有被阀体挡止的状态。阀座62含有两个盖板65和66，中板67，两个盖板和中板可通过螺丝固定，固定后 形成常开流道3，同时阀轮61通过中轴68能转动地安装在所述阀座62中。当阀轮61的阀体挡止于阀控流道4和5的入口 63和64时，阀控流道4和5被关 闭(如图2和图2A所示)，在阀控流道4和5关闭瞬间，阀控流道4和5内流体流速瞬间滞 止，阀控流道上游产生水击压缩波，阀控流道下游产生水击膨胀波，向下传播作用到井底；当阀轮61的阀体没有挡止于阀控流道4和5的入口 63和64时，阀控流道4和5 被打开(如图1和图IA所示)，阀控流道4和5恢复过流，如此会在阀控流道4和5的上游 产生水击膨胀波，阀控下游产生水击压缩波，水击压缩波向下传播作用到井底。[0037]在较佳的实施方式中，外缸1中还设有一个节流喷嘴31，节流喷嘴31设置于常开 流道3的下部，以保持阀轮61附近流体一直处于过流状态，从而保证阀轮61连续旋转。另 外，通过调节节流喷嘴31的尺寸，可调节压力波的振幅。外缸1中的导流体2，采用收缩型的流道设计，导流体2设置于阀轮组件6的上部， 导流体2可将流体加速，并引向阀轮61，使阀轮61的转速提高。阀轮61的旋转会使阀控流 道4和5处于周期性地开或关的状态。外缸1的上端连接有一个上接头7，外缸1的下端连接有一个下接头8，上接头7内 具有一个贯通的内腔71，内腔71向下与外缸1连通，向上与钻杆内腔连通，上接头7与缸体 1之间可通过螺纹方式进行连接。下接头8内具有一个贯通的内腔81，内腔81向上与外缸 1连通，向下与钻头内腔连通，下接头8与钻头之间可通过螺纹方式进行连接。通过阀轮61 周期性的开关阀控流道4和5而交替产生的水击膨胀波和压缩波，经过出口 81向下与钻头 内腔连接，并经过钻头水眼向井底传播，作用在井底岩石上，以提高钻井速度。本实用新型可适用于常规钻井，小间隙钻井和超深井钻井过程，使用广泛。其中， 根据各自特点，可合理选择常开喷嘴尺寸，生成合适振幅的水击波，提高钻井速度。钻井实 践表明，采用本实用新型钻井速度可以提高10% -30%。以上所述仅为本实用新型的实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的可以 对本实用新型进行各种改动或变型而不脱离本实用实用新型的精神和范围。
权利要求一种井下水击式压力脉冲发生工具，其特征在于，所述装置包括外部结构与内部结构，其外部结构包括一个外缸、一个上接头、一个下接头，其内部结构包括一个导流体、一个阀轮组件、一个常开流道、一个喷嘴、两个阀控流道，所述导流体设置于阀轮组件上端，所述阀轮组件设置于常开流道与阀控流道上端，所述阀控流道通过所述阀轮组件而呈周期性地开关设置，阀控流道与常开流道并联，本实用新型专利通过阀轮周期性转动开关阀控流道，产生水击式压力脉冲波。
2.根据权利要求1所述的井下水击式压力脉冲发生工具，其特征在于，所述导流体具 有一个逐渐收缩的流道，用于使流体加速并把流体引向所述阀轮组件，使流体高速冲击所 述阀轮组件的阀轮。
3.根据权利要求1所述的井下水击式压力脉冲发生工具，其特征在于，所述阀轮组件 包括阀轮与阀座，阀轮能转动地安装在所述阀座中，所述阀轮具有多个阀体，所述阀座内具 有多个与所述阀体数量相对应的流体通道，所述阀体通过所述阀轮的转动能离开地挡止于 所述流体通道的入口，所述流体通道分别于所述两条阀控流道相连通。
4.根据权利要求1所述的井下水击式压力脉冲发生工具，其特征在于，所述常开流道 下部设有一个节流部件。
5.根据权利要求4所述的井下水击式压力脉冲发生工具，其特征在于，所述节流部件 包括至少一个节流喷嘴。
专利摘要本实用新型公开了一种井下水击式压力脉冲发生工具，其包括外部结构与内部结构，其外部结构包括一个外缸、一个上接头、一个下接头，其内部结构包括一个导流体、一个阀轮组件、一个常开流道、一个喷嘴、两个阀控流道。所述导流体设置在阀轮组件上端、所述阀轮组件设置于常开流道与阀控流道上端，所述阀控流道通过所述阀轮组件而呈周期性地开关阀控流道，阀控流道与常开流道并联，所述喷嘴设置在常开流道下端。本实用新型通过阀轮周期性转动开关阀控流道，产生水击式压力脉冲。
文档编号E21B7/18GK201687391SQ20102012458
公开日2010年12月29日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者薛亮 申请人:中国石油大学(北京)