一种氮气加速器及其加速方法与流程

1.本发明涉及一种氮气加速器及其加速方法，属于石油钻井卡钻时的解卡技术领域。


背景技术：

2.由于修井震击器受到井眼尺寸、钻柱强度等因素限制，制约了其额定工作拉力，使震击器的震击力难以增大。同时，在浅井中震击力对井架和提升系统的影响很严重，在弯曲的井眼中井壁的摩擦力会大大减弱震击力的震击作用，配接使用加速器可弥补震击器震击力的不足。
3.现有震击加速器常用的是液压式，液压腔内充满可压缩硅油。提拉钻柱的同时也驱动了加速器的活塞，硅油被压缩储能，如同串联了一个液体弹簧，在释放管柱的时候额外提供一个强大的助力，缺点液压加速器硅油弹力曲线是抛物线性(液压加速器的刚度取其中线性部分)，为了更多的储存能量，液压腔长度比较长，使得液压缸和心轴零件长度也长，加工难度增大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种氮气加速器及其加速方法，该氮气加速器能对接在其下方的钻铤和上击震击器的上部管柱起加速的作用，可以对卡点产生更强大的震击力，震击力比没有接氮气加速器时增大2至3倍，同时可以减缓震击后管柱回弹时的震动，对井下管柱及水泥环有保护作用，有利于提高修井质量。
5.本发明的技术方案：一种氮气加速器，包括内部运动管件和外部非运动管件，所述内部运动管件包括上接头、连接套、心轴以及活塞，所述上接头与连接套的上端螺纹连接，连接套的下端与心轴的上端螺纹连接，在心轴的外壁上固定连接有活塞；所述外部非运动管件包括内花键套、上缸筒、下缸筒以及下接头，所述内花键套的下端与上缸筒的上端螺纹连接，上缸筒的下端与下缸筒的上端螺纹连接，下缸筒的下端与下接头螺纹连接；所述上接头的下部外壁与内花键套的内壁滑动配合，所述心轴的外壁上部与下缸筒的内壁上部滑动配合，同时心轴的外壁下部与下接头的内壁上部滑动配合，在下缸筒的内壁中部开设有氮气腔，在氮气腔内填充有氮气，所述的活塞外壁与下缸筒中部的内壁滑动配合。
6.进一步，所述上接头的下部外壁上设置有与内花键套滑动配合的外花键。
7.进一步，所述心轴的中部外壁上由下至上依次设有一级台肩外螺纹、二级台肩外圆和三级台肩外圆，在一级台肩外螺纹上螺纹连接有定位套，在二级台肩外圆上套有活塞，且活塞限位在定位套与三级台肩外圆之间。
8.更进一步，所述活塞的外壁以及二级台肩外圆上均分别安装有第一孔用y形密封圈和第二孔用y形密封圈，且第一孔用y形密封圈和第二孔用y形密封圈向背安装，第一孔用y形密封圈的开口朝向氮气腔，第二孔用y形密封圈的开口朝向下接头。
9.进一步，所述上接头的外壁上设置有上部外圆台肩，且内花键套的上端通过上部
外圆台肩限位，在内花键套的内壁上部分别安装有第一o形圈和密封圈组件。
10.更进一步，所述密封圈组件包括第二o形圈以及对称地安装在第二o形圈两侧的斜挡圈和斜挡圈。
11.进一步，所述下缸筒的内壁上部以及下接头的内壁上部均分别安装有刮子和轴用y形密封圈。
12.进一步，所述下缸筒的侧壁上开设有与氮气腔连通的上气孔，在下接头的侧壁上开设有氮气腔连通的下气孔，在上气孔和下气孔的入口处分别螺纹连接有气堵和堵头。
13.同时，本发明还提供一种基于上述氮气加速器的加速方法，首先将氮气加速器通过上接头连接在上击震击器上，然后在下缸筒的氮气腔内充入一定压力的氮气，当上部管柱受拉时，上击震击器处于拉伸-延时阶段，此时管柱受拉产生弹性变形，氮气加速器的心轴以及活塞也在拉力作用下相对下缸筒自下向上运动，使下缸筒内的氮气受到压缩而储存能量，当上击震击器走完延时行程，且活塞进入震击腔时，上击震击器心轴系统进入自由冲程状态，氮气加速器所积蓄的能量与管柱的弹性势能一起突然释放，带动上击震击器心轴上的撞击头瞬间向上撞击，对卡点产生更强大的震击力，震击力比没有接氮气加速器时增大2至3倍，同时还可以减缓震击后管柱回弹时的震动，对井下管柱及水泥环有保护作用，有利于提高修井质量。
14.上述方法中，所述氮气腔内的氮气初始压力为15mpa，压缩比为1.3，其工作最大压力为19.5mpa。
15.由于采用上述技术方案，本发明的优点在于：
16.1、工作时,氮气加速器能对接在钻铤和上击震击器之间，起加速的作用，可以对卡点产生更强大的震击力，震击力比没有接氮气加速器时增大2至3倍，同时可以减缓震击后管柱回弹时的震动，对井下管柱及水泥环有保护作用，有利于提高修井质量，配接使用氮气加速器是提高震击解卡成功率的有效途经，氮气加速器能够使震击力十倍于管柱总成内钻铤的重量；
17.2、因氮气加速器的氮气弹簧的弹力曲线是平缓的，可以根据实际应用需要设计初始弹压力和压力增量，初始弹压力在工作前已经很大，不需要进行预压缩，而且可以提供不受行程长度制约、相对恒定的弹压力，氮气弹簧与常规弹性元件相比，它体积小、弹力大、行程短、工作平稳，制造精密，使用寿命长；
18.3、本发明可大幅度缩短氮气加速器长度，使震击加速器的总长变短，节约了材料，而且降低加工风险。
19.4、本发明氮气加速器的结构，液压腔长度比较短，使得液压缸和心轴零件长度比液压加速器的液压缸和心轴零件长度减少了35％，加工难度减低。
附图说明
20.图1是本发明的整体结构示意图；
21.图2是图1的a-a截面图；
22.图3是图1的e处放大图；
23.图4是轴用y形密封圈结构图；
24.图5是孔用y形密封圈结构图；
25.图6是弹性元件弹压力特性曲线图。
26.附图标记说明：1-上接头、2-内花键套、3-连接套、4-心轴、5-上缸筒、6-下缸筒、7-定位套、8-活塞；9-下接头；10-第一o形圈；11-第二o形圈；12-斜挡圈；13-垫圈；14-第三o形圈；15-刮子；16-轴用y形密封圈；17-第一孔用y形密封圈；18-第二孔用y形密封圈；19-气堵；20-堵头；21-氮气腔。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
28.本发明的实施例：本发明的氮气加速器及其加速方法的结构示意图如图1～3所示，包括内部运动管件和外部非运动管件，所述内部运动管件包括上接头1、连接套3、心轴4以及活塞8，所述上接头1与连接套3的上端螺纹连接，连接套3的下端与心轴4的上端螺纹连接，在心轴4的外壁上固定连接有活塞8；所述外部非运动管件包括内花键套2、上缸筒5、下缸筒6以及下接头9，所述内花键套2的下端与上缸筒5的上端螺纹连接，上缸筒5的下端与下缸筒6的上端螺纹连接，下缸筒6的下端与下接头9螺纹连接；所述上接头1的下部外壁与内花键套2的内壁滑动配合，所述心轴4的外壁上部与下缸筒6的内壁上部滑动配合，同时心轴4的外壁下部与下接头9的内壁上部滑动配合，在下缸筒6的内壁中部开设有氮气腔21，在氮气腔21内填充有氮气，所述的活塞8外壁与下缸筒6内壁中部滑动配合。
29.所述上接头1的下部外壁上设置有与内花键套2滑动配合的外花键，这样便可将内部运动管件和外部非运动管件通过上接头1与内花键套2的花键结构装配成一体，使氮气加速器可以传递扭矩，可以随着钻柱一起旋转。
30.所述心轴4的中部外壁上由下至上依次设有一级台肩外螺纹、二级台肩外圆和三级台肩外圆，在一级台肩外螺纹上螺纹连接有定位套7，在二级台肩外圆上套有活塞8，且活塞8位限位在定位套7与三级台肩外圆之间，设计三级台肩不仅安装方便，而且可以牢固地固定活塞8，保证其工作的稳定性。
31.所述下缸筒6的侧壁上开设有与氮气腔21连通的上气孔，在下接头9的侧壁上开设有氮气腔21连通的下气孔，在上气孔和下气孔的入口处分别螺纹连接有气堵19和堵头20，用于充入或排出氮气。
32.为了提高密封效果，在活塞8的外壁以及二级台肩外圆上均分别安装有第一孔用y形密封圈17和第二孔用y形密封圈18，且第一孔用y形密封圈17和第二孔用y形密封圈18向背安装。第一孔用y形密封圈的开口朝向氮气腔，第二孔用y形密封圈的开口朝向下接头。所述上接头1的外壁上设置有上部外圆台肩，且内花键套2的上端通过上部外圆台肩限位，在内花键套2的内壁上部分别安装有第一o形圈10和密封圈组件。所述密封圈组件包括第二o形圈11以及对称地安装在第二o形圈11两侧的斜挡圈13和斜挡圈12。所述下缸筒6的内壁上部以及下接头9的内壁上部均分别安装有刮子15和轴用y形密封圈16。
33.本发明根据氮气弹簧的密封设计原则，采用y形密封圈进行密封，y形密封圈是一种唇形密封圈。按照其安装位置的不同分为轴用和孔用两种形式，其结构形式如图4及图5所示。当y形密封圈装配到沟槽中后，y形密封圈具有自密封作用，即在不承受氮气压力的条件下依靠预压缩时沟槽和心轴对y形密封圈唇部的挤压变形可以实现初始密封。当充入氮
气后，随着氮气压力增加使得y形密封圈的密封性能更加可靠，且这种y形密封圈摩擦阻力较小，应用于往复运动密封结构中。
34.y形密封圈的材料选用氟橡胶，硬度范围为85～90ha，在充入氮气静密封状态下，氟橡胶的y形密封圈均满足气密封原则，且随着压力的增加，y形密封圈抵抗变形的能力越大，即抗剪切疲劳强度逐渐增大；随着压力的增加，最大接触压力逐渐增大，表明y形密封圈的密封能力逐渐增大，密封性可靠。
35.本发明在下缸筒6的氮气腔21内充入一定压力的氮气，形成氮气弹簧，氮气弹簧是一种柱塞式独立氮气弹簧，其动密封结构的核心部件是心轴、下缸套和y形密封圈，氮气弹簧初始充气压力为15mpa，压缩比为1.3，氮气弹簧的心轴处于压缩状态下其下缸套内氮气气体压力为19.5mpa。氮气弹簧的心轴、下缸套和y形密封圈组成的动密封结构整体是三维轴对称结构。
36.用氮气弹簧的工作过程，可以近似认为是等温膨胀和压缩过程，必须遵循波义耳一马略特气体状态方程。pv/t＝c，p1
×
v1＝p2
×
v2，氮气弹簧的振动频率f﹤0.2hz，此时刚度可认为是静刚度，并呈线性变化，弹压力特性曲线是平缓的，如图6所示。氮气加速器的氮气弹簧的弹力曲线是平缓的，最大特点是初始弹压力在工作前已经很大，不需要进行预压缩。可以根据实际需要确定初始弹压力和压力增量，弹压力大小可以通过初始充气压力来调节，而且可以提供不受行程长度制约、相对恒定的弹压力。能人为控制整个氮气加速器的加速大小，变得更加实用。氮气弹簧与金属弹簧、硅油弹簧相比，它体积小、弹力大、行程短、工作平稳，制造精密，使用寿命长优点
37.不同弹簧的弹压力特性曲线见图6，氮气弹簧与常规弹性元件相比，特弹压力特性曲线平缓以及不需要预紧等等。它具有钢丝弹簧、硅油弹簧等常规弹性元件难于完成的工作。它可简化氮气加速器设计和制造，方便氮气加速器安装和调整，延长氮气加速器的使用寿命，确保氮气加速器质量的稳定。它可以在震击系统中很方便实现压力恒定和延时动作，是一种井下震击加速的理想的氮气加速器。
38.本发明的工作原理：
39.首先将氮气加速器通过上接头1连接在上击震击器上，然后在下缸筒6的氮气腔21内充入15mpa的氮气，缩比为1.3，形成氮气弹簧，当上部钻柱受拉时，震击器处于拉伸-延时阶段，此时管柱受拉产生弹性变形，氮气加速器的心轴4以及活塞8也在拉力作用下相对下缸筒6自下向上运动，使下缸筒6内的氮气受到压缩而储存能量，氮气压力为19.5mpa，当上击震击器走完延时行程，且活塞8进入震击腔时，上击震击器心轴系统进入自由冲程状态，氮气加速器所积蓄的能量与管柱的弹性势能一起突然释放，带动上击震击器心轴上的撞击头瞬间向上撞击，对卡点产生更强大的震击力，震击力比没有接氮气加速器时增大2至3倍，同时还可以减缓震击后管柱回弹时的震动，对井下管柱及水泥环有保护作用，有利于提高修井质量。
40.震击完成后，氮气加速器的氮气弹簧恢复初始位置，心轴4以及活塞8返回氮气加速器的关闭位置，氮气弹簧即呈锁紧状态。