专利名称：一种井下高压水力脉冲发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油、天然气钻井的配套装置。
技术背景如何有效提高深部地层的破岩钻进效率是当前国内外钻井工程中迫切需要解决的一个问题，大幅增加井底射流的喷射速度，强化水射流的辅助破岩作用，甚至利用水射流直接破碎岩石是大幅提高深部地层破岩钻进效率的一个有效途径。通过大幅增加地面机泵功率和设备能力来增大井底射流速度的可行性已为实践所否定，以适当方法，在井底通过大幅增加很小一部分流体的压力来获得较高破岩钻进效率是目前最可行的一种方法。但是当前技术采用连续射流破岩的方法，要求流体压力达200Mpa左右，这对设备能力提出了极高的要求，使得设备结构趋于复杂，制造成本上升，系统稳定性下降，这也是为什么该设想提出已有相当一段时间，但却迟迟未能实现工业化应用的主要原因。水射流破岩机理研究发现，脉冲射流破岩的门限压力相对连续射流要低很多，而且在破岩效果相同的情况下，所需射流质量也要少，这提示我们，如果采用增压脉动的方式提高深部地层射流破岩效率，将可以大幅降低设备在井底的工作强度，从而在现有的工业制造条件下，可以有效提高设备运行的稳定性，使得在深井、超深井的钻进中，全面稳定提高机械钻速成为可能。
发明内容
本实用新型正是为解决现有技术手段结构复杂，系统可靠性低，难以有效提高当前深井、超深井钻井机械钻速而设计的，其原理是利用脉冲射流破岩的门限压力低的特性，简化结构设计，提高系统的稳定性和适应性，通过大幅增大井底的水力脉动峰值，同时又在井底产生局部负压，强化井底净化效果，有效提高射流破岩、辅助破岩钻进的效率，本实用新型的目的就是为现场提供一种更加适用的一种井下高压水力脉冲发生器。
本实用新型是这样来实现的，它由转换接头、滑阀上限位挡圈、滑阀、滑阀弹簧、滑阀下限位挡圈、滑阀缸套、活塞缸套、活塞、活塞弹簧、弹簧支架、增压缸、壳体及高压喷管组成，壳体下端与钻头相连，壳体上端通过转换接头与钻柱相连，增压缸装在壳体内部下端，增压缸的外缘加工有流道，弹簧支架装在增压缸上端，弹簧支架中部加工有通孔，弹簧支架的轴心周围加工有流道，活塞弹簧居中座放于弹簧支架上端，活塞的轴心周围加工有流道，将活塞配装入活塞缸套内，一起装入壳体内部，活塞缸套的下端面与弹簧支架上端面相接，活塞的小端伸入活塞弹簧内，穿过弹簧支架中心的通孔，然后配插入增压缸内，滑阀缸套内腔加工成进口端大出口端小的形状，将滑阀下限位挡圈和滑阀弹簧装入滑阀缸套内，滑阀配装入滑阀缸套内，滑阀的小端插入滑阀弹簧中，滑阀中心加工有流道，滑阀中心的流道的出口与活塞上端的堵头相接，在滑阀缸套的上端装入滑阀上限位挡圈，将转换接头与壳体相连，转换接头的下端面与滑阀上限位挡圈相接，增压缸的下端出口联接有高压喷管，高压喷管伸入钻头内部，钻井液经转换接头进入滑阀内部，因为活塞上端的堵头将滑阀中心的流道关闭，于是钻井液推动滑阀、活塞以一定速度下行，同时压缩活塞弹簧和滑阀弹簧，下行一定距离后，滑阀被滑阀缸套内滑阀下限位挡圈挡住，活塞则在惯性和钻井液压力联合作用下继续下行，这时活塞上端的堵头与滑阀下端脱离，滑阀中心的流道被打开，作用于滑阀上端的钻井液压力下降，滑阀在滑阀弹簧弹性力的作用下上行，直到与滑阀下限位挡圈碰接，活塞下行到一定位置，活塞的动能全部转化为弹簧的弹性势能后，活塞则在活塞弹簧弹性力的作用下上行，直到活塞上端的堵头与滑阀碰接将滑阀流道关闭，高速钻井液因阻断产生正水击，在滑阀的上腔形成很大的压力，同时滑阀下腔因上面液流不能下行，而原来的钻井液继续向下流动，压力急剧降低，即在上腔产生正水击的同时，下腔产生负水击，上下腔的压力差推动滑阀和活塞向下运动，下行一定距离后，滑阀被滑阀缸套内的滑阀下限位挡圈挡住，活塞则在惯性力和钻井液压力联合作用下继续下行，这时活塞上端的堵头与滑阀下端脱离，滑阀中心的流道被打开，作用于滑阀上端的钻井液压力下降，滑阀在滑阀弹簧弹性力的作用下上行，直到与滑阀上限位挡圈碰接，活塞下行到一定位置，活塞的动能全部转化为弹簧的弹性势能后，活塞在活塞弹簧弹性力的作用下上行，使得活塞上端的堵头与滑阀碰接，又将滑阀中心的流道关闭，又在滑阀的上下腔形成水击压力，上下腔的压力差推动滑阀和活塞向下运动，如此周而复始，通过活塞和滑阀的压差位移反馈，滑阀和活塞在水击压力、惯性力和弹簧弹性力的综合作用下往复运动，在活塞上行过程中，增压缸内形成负压，将井底的钻井液经高压喷管吸入增压缸内，由于高压喷管喷管的抽吸，在井底靠近高压喷管出口的局部产生负压，即水力脉动的低值，在滑阀和活塞下行的过程中，活塞下端挤压增压缸内的钻井液，由于滑阀的上端面面积是增压缸内腔截面面积的数倍，由帕斯卡原理知，此时增压缸内的钻井液由于挤压，其压力迅速大幅提高，以数倍于推动滑阀下行的压力经高压喷管高速喷向井底，形成水力脉动的高值，井底周期性的水力增压脉动和负压脉动有利于岩屑克服“压持效应”，促使岩屑启动和新的岩石破碎面暴露，强化井底的净化效果，改善井底附近岩石的受力状况，提高机械破岩钻进的效率，水力脉动的峰值和频率通过调整活塞弹簧和滑阀弹簧的刚度、活塞的行程、活塞和滑阀的重量、滑阀和增压腔的截面尺寸以及高压喷管的出口直径等来获得。
本实用新型创造性地利用脉冲射流破岩的门限压力相对连续射流要低很多，且在破岩效果相同的情况下，所需射流质量要小的特性，通过在井底形成高幅值、高峰值的井底水力脉动，即周期性的增压脉动和负压脉动，减少井底岩屑的“压持效应”，强化井底净化效果，提高射流破岩、辅助破岩钻进的效率，本实用新型具有结构简单、使用操作方便、安全可靠、适应性广等特点，对于提高深井、超深井钻井的机械钻速具有非常重要的实际意义。
图1一种井下高压水力脉冲发生器1.转换接头；2.滑阀上限位挡圈；3.滑阀；4.滑阀弹簧；5.滑阀下限位挡圈；6.滑阀缸套；7.活塞缸套；8.活塞；9.活塞弹簧；10.弹簧支架；11.增压缸；12.壳体；13.高压喷管具体实施方式
现结合说明书附图对本实用新型作进一步的描述。
当采用本实用新型产生水力脉动时，壳体下端与钻头相连，壳体上端通过转换接头与钻柱相连，增压缸装在壳体内部下端，增压缸的外缘加工有流道，弹簧支架装在增压缸上端，弹簧支架中部加工有通孔，弹簧支架的轴心周围加工有流道，活塞弹簧居中座放于弹簧支架上端，活塞的轴心周围加工有流道，将活塞配装入活塞缸套内，一起装入壳体内部，活塞缸套的下端面与弹簧支架上端面相接，活塞的小端伸入活塞弹簧内，穿过弹簧支架中心的通孔，然后配插入增压缸内，滑阀缸套内腔加工成进口端大出口端小的形状，将滑阀下限位挡圈和滑阀弹簧装入滑阀缸套内，滑阀配装入滑阀缸套内，滑阀的小端插入滑阀弹簧中，滑阀中心加工有流道，滑阀中心的流道的出口与活塞上端的堵头相接，在滑阀缸套的上端装入滑阀上限位挡圈，将转换接头与壳体相连，转换接头的下端面与滑阀上限位挡圈相接，增压缸的下端出口联接有高压喷管，高压喷管伸入钻头内部。
当采用本实用新型产生水力脉动时，钻井液经转换接头进入滑阀内部，因为活塞上端的堵头将滑阀中心的流道关闭，于是钻井液推动滑阀、活塞以一定速度下行，同时压缩活塞弹簧和滑阀弹簧，下行一定距离后，滑阀被滑阀缸套内滑阀下限位挡圈挡住，活塞则在惯性和钻井液压力联合作用下继续下行，这时活塞上端的堵头与滑阀下端脱离，滑阀中心的流道被打开，作用于滑阀上端的钻井液压力下降，滑阀在滑阀弹簧弹性力的作用下上行，直到与滑阀下限位挡圈碰接，活塞下行到一定位置，活塞的动能全部转化为弹簧的弹性势能后，活塞则在活塞弹簧弹性力的作用下上行，直到活塞上端的堵头与滑阀碰接将滑阀流道关闭，高速钻井液因阻断产生正水击，在滑阀的上腔形成很大的压力，同时滑阀下腔因上面液流不能下行，而原来的钻井液继续向下流动，压力急剧降低，即在上腔产生正水击的同时，下腔产生负水击，上下腔的压力差推动滑阀和活塞向下运动，下行一定距离后，滑阀被滑阀缸套内的滑阀下限位挡圈挡住，活塞则在惯性力和钻井液压力联合作用下继续下行，这时活塞上端的堵头与滑阀下端脱离，滑阀中心的流道被打开，作用于滑阀上端的钻井液压力下降，滑阀在滑阀弹簧弹性力的作用下上行，直到与滑阀上限位挡圈碰接，活塞下行到一定位置，活塞的动能全部转化为弹簧的弹性势能后，活塞在活塞弹簧弹性力的作用下上行，使得活塞上端的堵头与滑阀碰接，又将滑阀中心的流道关闭，又在滑阀的上下腔形成水击压力，上下腔的压力差推动滑阀和活塞向下运动，如此周而复始，通过活塞和滑阀的压差位移反馈，滑阀和活塞在水击压力、惯性力和弹簧弹性力的综合作用下往复运动，在活塞上行过程中，增压缸内形成负压，将井底的钻井液经高压喷管吸入增压缸内，由于高压喷管喷管的抽吸，在井底靠近高压喷管出口的局部产生负压，即水力脉动的低值，在滑阀和活塞下行的过程中，活塞下端挤压增压缸内的钻井液，由于滑阀的上端面面积是增压缸内腔截面面积的数倍，由帕斯卡原理知，此时增压缸内的钻井液由于挤压，其压力迅速大幅提高，以数倍于推动滑阀下行的压力经高压喷管高速喷向井底，形成水力脉动的高值，井底周期性的水力增压脉动和负压脉动有利于岩屑克服“压持效应”，促使岩屑启动和新的岩石破碎面暴露，强化井底的净化效果，改善井底附近岩石的受力状况，提高机械破岩钻进的效率，水力脉动的峰值和频率通过调整活塞弹簧和滑阀弹簧的刚度、活塞的行程、活塞和滑阀的重量、滑阀和增压腔的截面尺寸以及高压喷管的出口直径等来获得。
权利要求1.一种井下高压水力脉冲发生器其特征是壳体[12]下端与钻头相连，壳体[12]上端通过转换接头[1]与钻柱相连，增压缸[11]装在壳体[12]内部下端，增压缸[11]的外缘加工有流道，弹簧支架[10]装在增压缸[11]上端，弹簧支架[10]中部加工有通孔，弹簧支架[10]的轴心周围加工有流道，活塞弹簧[9]居中座放于弹簧支架[10]上端，活塞[8]的轴心周围加工有流道，将活塞[8]配装入活塞缸套[7]内，一起装入壳体[12]内部，活塞缸套[7]的下端面与弹簧支架[10]上端面相接，活塞[8]的小端伸入活塞弹簧[9]内，穿过弹簧支架[10]中心的通孔，然后配插入增压缸[11]内，滑阀缸套[6]内腔加工成进口端大出口端小的形状，将滑阀下限位挡圈[5]和滑阀弹簧[4]装入滑阀缸套[6]内，滑阀[3]配装滑阀缸套[6]内，滑阀[3]的小端插入滑阀弹簧[4]中，滑阀[3]中心加工有流道，滑阀[3]中心的流道的出口与活塞[8]上端的堵头相接，在滑阀缸套[6]的上端装入滑阀上限位挡圈[2]，将转换接头[1]与壳体[12]相连，转换接头[1]的下端面与滑阀上限位挡圈[2]相接，增压缸[11]的下端出口联接有高压喷管[13]，高压喷管[13]伸入钻头内部。
2.根据权利要求1所述的一种井下高压水力脉冲发生器，其特征是滑阀[3]和滑阀缸套[6]、增压缸[11]和活塞[8]采用密封配合联接。
专利摘要一种井下高压水力脉冲发生器其特征是由转换接头、滑阀上限位挡圈、滑阀、滑阀弹簧、滑阀下限位挡圈、滑阀缸套、活塞缸套、活塞、活塞弹簧、弹簧支架、增压缸、壳体及高压喷管组成，增压缸、弹簧支架、活塞弹簧、活塞缸套、活塞、滑阀缸套、滑阀下限位挡圈、滑阀弹簧、滑阀和滑阀上限位挡圈由下至上顺序装入壳体内部，壳体上端连接有转换接头，下端与钻头相连，增压缸的下端出口联接有高压喷管，高压喷管伸入钻头内部，直插井底，滑阀和活塞在水击压力、惯性力和弹簧弹性力的综合作用下往复运动，在井底形成周期性的增压脉动和负压脉动，减少岩屑的“压持效应”，强化井底净化效果，提高射流破岩、辅助破岩钻进的效率。
文档编号E21B7/18GK2685528SQ200420038848
公开日2005年3月16日 申请日期2004年3月9日 优先权日2004年3月9日
发明者倪红坚, 韩来聚, 马清明, 周明芳, 王瑞和 申请人:中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院