一种低压耗高幅值水力脉冲装置及方法

摘要

本发明提供了一种低压耗高幅值水力脉冲装置及方法，解决了现有技术中水力脉冲装置水力脉冲幅值较小的技术问题。它包括外壳体（10）、定阀座（20）和动阀（30）；外壳体（10）内部设壳体内腔；外壳体（10）上设泄流口（11）；定阀座（20）固定在壳体内腔中；定阀座（20）内部设有阀座内腔；所述定阀座（20）设有节流口（21）、旁通口（22）和流道（23）；动阀（30）滑动连接在壳体内腔和阀座内腔中。本发明结合水力正脉冲装置和水力负脉冲装置的优势，水力脉冲振幅更大，压力波沿管柱内传播得更远，钻柱振动的长度更长，管柱和井壁之间摩擦力更小。

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲生成领域，具体涉及一种低压耗高幅值水力脉冲装置及方法。

背景技术

随着石油、天然气、地热、地矿等资源的开采难度越来越大，定向井、长水平井、大位移井越来越多，管柱和井壁之间的摩擦阻力较大，使得钻井过程中钻头脱压严重，钻进效率低。

为了解决管柱和井壁摩擦阻力大的问题，通常的会在钻柱中加装水力脉冲装置，通过水力脉冲产生的轴向振动，将管柱和井壁的静摩擦转化为动摩擦，减小管柱和井壁之间的摩擦阻力。目前商业化的两类水力脉冲装置，一种类型是NOV的水力振荡器，通过定转子驱动形式进行改变过流面积进而产生脉冲压力，过流面积变小时，阀上游压力变大，过流面积变大时，阀上游压力回复常压，这类水力脉冲装置能够使钻井循环压耗增加4～5MPa，但在机泵管汇条件差的井队，由于难以提供高泵压，将无法使用传统水力脉冲装置；另一种类型是CT energy的负脉冲水力振荡器，通过泄流通道的周期性开启，对管柱内流体进行泄压，从而产生周期性水力脉冲，这类水力脉冲装置的最大优点是不会额外增加钻井的循环压耗，但是这类水力脉冲装置产生的水力脉冲幅值受下部工具串压耗的影响，如水力脉冲装置下部工具串压耗较小，则产生的水力脉冲幅值也会很小。然而目前的两类水力脉冲装置，产生的水力脉冲幅值都较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压耗高幅值水力脉冲装置，以解决现有技术中水力脉冲装置水力脉冲幅值较小的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种低压耗高幅值水力脉冲装置，包括外壳体、定阀座和动阀；所述外壳体内部设有壳体内腔；所述外壳体上设有泄流口；所述定阀座固定在壳体内腔中；所述定阀座内部设有阀座内腔；所述定阀座下部设有节流口和流道；所述定阀座上还设有旁通口；所述动阀滑动连接在壳体内腔和阀座内腔中；所述动阀上设有动阀泄流口和动阀旁通口；所述动阀的中心设有中心流道。

所述外壳体、定阀座和动阀三者的轴线重合。

所述动阀沿轴线方向做轴向往复运动；所述动阀绕轴线做周向往复运动。

所述外壳体上设有至少一个泄流口；泄流口可以是圆孔或其它形状的通道。

所述定阀座设有至少一个旁通口；旁通口可以是圆孔或者其它形状的通道。

所述动阀设有至少一个动阀泄流口；动阀泄流口可以是圆孔其它形状的通道。

所述动阀设有至少一个动阀旁通口；动阀旁通口可以是圆孔或者其它形状的通道。

所述动阀泄流口和泄流口形成泄流通道；所述动阀旁通口和旁通口形成旁通通道。

本发明至少可以产生如下技术效果：

本发明结合水力正脉冲装置和水力负脉冲装置的优势，产生更大的水力脉冲振幅，使压力波沿管柱内传播得更远，钻柱振动的长度更长，管柱和井壁之间的摩擦力更小。

附图说明

图1是本发明实施例第一位置的结构示意图；

图2是本发明实施例第二位置的结构示意图；

图3是本发明实施例第三位置的结构示意图；

图4是本发明实施例第四位置的结构示意图；

图5是本发明实施例产生的压力波形图；

图6是本发明实施例关闭状态的结构示意图；

图7是图6中A-A的剖视图；

图8是图6中B-B的剖视图；

图9是本发明实施例开启状态的结构示意图；

图10是图9中A-A的剖视图；

图11是图9中B-B的剖视图。

图中：10-外壳体；11-泄流口；12-旁通流道；13-出口流道；20-定阀座；21-节流口；22-旁通口；23-流道；30-动阀；31-动阀泄流口；32-动阀旁通口；33-中心流道。

具体实施方式

如图1所示，一种低压耗高幅值水力脉冲装置，包括外壳体10、定阀座20和动阀30；所述外壳体10内部设有壳体内腔；所述外壳体10上设有泄流口11；所述定阀座20固定在壳体内腔中，定阀座20和外壳体10之间形成旁通流道12；所述定阀座20内部设有阀座内腔；所述定阀座20下部设有节流口21和流道23，节流口21的过流面积远小于中心流道33，形成节流效应；所述定阀座20上还设有旁通口22；所述动阀30滑动连接在壳体内腔和阀座内腔中；所述动阀30上设有动阀泄流口31和动阀旁通口32；所述动阀30的中心设有中心流道33。

作为可选的实施方式，所述外壳体10、定阀座20和动阀30三者的轴线重合，保证动阀30能在外壳体10和定阀座20中做轴向往复运动和周向往复运动。

作为可选的实施方式，所述动阀30沿轴线方向做轴向往复运动；所述动阀30绕轴线做周向往复运动。

作为可选的实施方式，所述外壳体10上设有至少一个泄流口11；泄流口11可以是圆孔或其它形状的通道。

作为可选的实施方式，所述定阀座20设有至少一个旁通口22；旁通口22可以是圆孔或者其它形状的通道。

作为可选的实施方式，所述动阀30设有至少一个动阀泄流口31；动阀泄流口31可以是圆孔其它形状的通道。

作为可选的实施方式，所述动阀30设有至少一个动阀旁通口32；动阀旁通口32可以是圆孔或者其它形状的通道。

作为可选的实施方式，动阀泄流口31和泄流口11形成泄流通道；动阀旁通口32和旁通口22形成旁通通道；动阀30相对外壳体10和定阀座20运动，使泄流通道和旁通通道周期性的开启和关闭。

作为可选的实施方式，所述测压件可为压力传感器。

本发明的工作流程为：

当动阀30沿轴线方向仅做轴向往复运动时，本发明具有四个临界点位置，第一位置如图1所示，此时，动阀30运动到最下端的位置，泄流通道全部开启，旁通通道全部开启；第二位置如图2所示，泄流通道即将开始关闭，旁通通道即将开始关闭；第三位置如图3所示，泄流通道关闭完成，旁通流通关闭完成；第四位置如图4所示，动阀30运动到最上端的位置，泄流通道完全关闭，旁通流通完全关闭。

动阀30向上运动到最上端位置，由第三位置运动到第四位置，此过程动阀30运动的距离为L2，泄流通道和旁通通道完全关闭；动阀30向下运动，由第四位置运动到第三位置，此过程动阀30运动的距离为L2，泄流通道和旁通通道完全关闭；上述两个过程中，所有流体依次经中心流道33、节流口21、出口流道13流出水力脉冲装置，由于节流口21的节流效应，测压件测量发现，水力脉冲装置上部的流体为高压，产生如图5中所示水平波峰段。

动阀30继续向下运动，由第三位置运动到第二位置，此过程中泄流通道和旁通通道逐渐开启直至完全打开，一部分流体通过泄流通道排出，一部分流体通过旁流流道流过水力脉冲装置，测压件测量发现，此过程水力脉冲装置上部的压力快速降低，产生如图5中所示的向下斜线段。

动阀30继续向下运动至最下端，由第二位置运动到第一位置，泄流通道和旁通通道完全开启，此过程运动的距离为L1；动阀30向上运动，由第一位置运动到第二位置，泄流通道和旁通通道完全开启，运动距离为L1。此时，一部分流体经动阀泄流口31和泄流口11流入水力脉冲装置的外部，水力脉冲装置外部的压力比中心流道33的压力低很多；一部分流体经动阀旁通口32、旁通口22、旁通流道12、流道23，一部分流体经节流口21，并在出口流道13汇合流出水力脉冲装置，测压件测量发现，水力脉冲装置上部的流体为低压，产生如图5中所示的水平波谷段。

动阀30继续向上运动，由第二位置运动到第三位置，此过程中泄流通道和旁通通道逐渐关闭直至完全关闭，随着泄流通道和旁通通道的过流面积减小，测压件测量发现，水力脉冲装置上部的流体压力逐渐增加，产生如图5中所示的向上斜线段。

上述的几个过程形成一个完整周期，产生一个如图5所示的类似矩形的水力脉冲波形图。水力脉冲装置产生的压力振幅比仅打开和关闭泄流通道，或者仅打开和关闭旁通通道所能产生的压力振幅要大很多。另外，还可以通过控制L1和L2的距离比值，来控制矩形水力脉冲中波峰和波谷的宽度，当开启的长度L1大于关闭长度L2，产生相同压力振幅的情况下，水力脉冲装置的压耗会更低。

当动阀30绕轴线做周向往复运动时，本发明具有关闭和开启两个状态。如图6-8所示的关闭状态，其泄流通道和旁通通道均关闭，流体依次经中心流道33、节流口21和出口流道13流出水力脉冲装置。

如图9-11所示的开启状态，其泄流通道和旁通通道均开启；一部分流体经动阀泄流口31和泄流口11排出，此时水力脉冲装置外部的压力比中心流道33中的压力低很多；一部分流体经节流口21，并在出口流道13汇合流出水力脉冲装置。

动阀30顺时针旋转，使水力脉冲装置由关闭状态切换到开启状态，泄流通道和旁通通道同时打开，由于一部分流体通过泄流通道排出，并且向下流过水力脉冲装置的过流面积突然增大，测压件测量发现，水力脉冲装置上部的压力突然降低；随后动阀30继续顺时针旋转，泄流通道和旁通通道保持打开状态，测压件测量发现，水力脉冲装置上部的压力维持在低压状态；动阀30继续顺时针旋转，使水力脉冲装置由开启状态切换到关闭状态，泄流通道和旁通通道同时关闭，测压件测量发现，由于节流口21的节流效应，水力脉冲装置上部的流体压力增加；随后动阀30继续顺时针旋转，泄流通道和旁通通道保持关闭状态，测压件测量发现，水力脉冲庄子上部的压力维持在高压状态。随着动阀30的旋转运动，泄流通道和旁通通道周期性的开启和关闭，从而形成周期性的水力脉冲。

通过上述的结构，水力脉冲装置产生的压力振幅比仅打开和关闭泄流通道，或者仅打开和关闭旁通通道所产生的压力振幅要大很多，从而使压力波沿管柱内传播的更远，钻柱振动的长度更长，管柱和井壁之间的摩擦力更小。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。