井下降摩减阻水力振动器

摘要

本发明公开一种井下降摩减阻水力振动器，包括筒体组件、振动组件；所述振动组件包括振动塞、振动机构、双作用液缸机构；所述双作用液缸机构包括内管体、内阀、外阀、以及套设于所述内管体外的滑块体；所述内管体包括上管和下管；其中，上管和滑块体之间具有上液压腔；所述滑块体能够在液压驱动下在第一位置和第二位置之间往复运动；所述滑块体在第一位置时，所述内阀关闭将所述上管的内部和所述上液压腔阻断，所述外阀打开将所述上液压腔和所述下管的内部相连通；所述滑块体在第二位置时压缩振动弹簧，所述内阀打开将所述上管的内部和所述上液压腔相连通，所述外阀关闭将所述上液压腔和所述下管的内部和所述上液压腔相连通。

说明书

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程技术领域，尤其涉及一种井下降摩减阻水力振动器。

背景技术

石油与天然气作为国家能源战略的重要部分，对保障国家的安全稳定具有极其重要的作用。国内外的大油田主要通过钻水平井、大位移井和多分支井等复杂结构井来提高油藏的采收率，从而降低开采成本。相对于一般的井身结构，水平井和大位移井等的显著特征就是它具有很大的摩阻扭矩，由于井斜角大、稳斜段长等特点，大斜段段管柱自重的绝大部分会压向井壁，增加了管柱下行阻力，所以会在管柱与井眼之间产生很大的摩擦力。因此，当管柱下入井时，入井的长度越长，所要克服的管柱与井眼的摩擦力就越大。摩擦力的存在，使传递到钻头上的有效钻压大大减小，降低了钻速，极大地限制了管柱的下入，同时也会造成管柱磨损。当摩擦力增大至足够大时，还会引起管柱产生正弦弯曲和螺旋屈曲，严重时还会造成井下管柱自锁。

在旋转钻井过程中，井下钻头的旋转动力由钻台上的驱动装置通过钻柱传递到钻头，由于钻柱与井壁之间的摩擦力的存在，使这种扭矩动力传递变的非常困难，加剧了有效驱动扭矩的损失，既影响了钻机效率的发挥，又减少了钻机的最大钻进能力。摩阻和扭矩的增大，给钻井施工以及后续的下套管工作带来了很大的困难。摩阻问题贯穿整个完井设计和井下作业全过程，是钻井工程的核心难题，而摩阻扭矩的预测和控制则是钻井过程成功与否的关键和问题所在。

因此，在钻井作业和下套管之前，对钻柱和套管进行摩阻扭矩的预测分析是非常有必要的，设计一种降摩减阻的工具将会极大地提高钻井的成功率以及延长井眼的极限。由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，设计了一种井下降摩减阻水力振动器，该装置具有良好的降摩减阻效果，同时可以降低实钻中摩擦系数，将对提高钻柱和套管的寿命以及钻井作业的安全起到重要作用。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种井下降摩减阻水力振动器，该工具能够在管柱入井过程中减小管柱与井壁的摩擦系数。

本发明的另一个目的是提供一种井下降摩减阻水力振动器，通过水力振动方式降低管柱的摩阻扭矩，极大地提高管柱的寿命以及钻井测试作业的成功率。

为实现上述至少一个目的，本发明采用如下技术方案：

一种井下降摩减阻水力振动器，包括上接头、下接头、连接于所述上接头和下接头之间的筒体组件、安装在所述筒体组件中的振动组件；所述筒体组件的外壁上设置有滚轮；

所述振动组件包括固定设置在所述筒体组件内部的振动塞、振动机构、双作用液缸机构；所述双作用液缸机构包括内管体、内阀、外阀、以及套设于所述内管体外的滑块体；所述内管体包括上管和下管；所述下管外套设有振动弹簧；

其中，上管和滑块体之间具有上液压腔；所述上管内部设有振动座；所述振动座上设有沿轴向贯通的通孔；所述振动机构包括振动杆、套设于所述振动杆上的复位弹簧；所述振动杆与所述振动塞相对设置且可轴向移动地安装于所述振动座的通孔上；所述复位弹簧向所述振动杆施加朝向所述振动塞移动的作用力；所述上管在所述振动座的上方还设有通入所述上液压腔的进液孔；

所述滑块体能够在液压驱动下在第一位置和第二位置之间往复运动；

所述滑块体在第一位置时，所述内阀关闭将所述上管的内部和所述上液压腔阻断，所述外阀打开将所述上液压腔和所述下管的内部相连通；

所述滑块体在第二位置时压缩所述振动弹簧，所述内阀打开将所述上管的内部和所述上液压腔相连通，所述外阀关闭将所述上液压腔和所述下管的内部和所述上液压腔相连通。

作为一种优选的实施方式，所述振动杆的上端固定有杆帽，所述振动杆的下端穿过所述通孔在所述振动座的下方固定连接有振动盘；所述复位弹簧套设于所述振动杆外并位于所述杆帽和所述振动座之间。

作为一种优选的实施方式，所述振动塞上设有多个节流孔，并在所述振动杆的上方设有与振动杆相对的顶杆。

作为一种优选的实施方式，所述滑块体具有贴合套设于所述上管外壁的上端、以及贴合套设于所述下管外壁的下端；所述内阀和所述外阀设置在所述滑块体的上端和下端之间。

作为一种优选的实施方式，所述内阀和所述外阀沿圆周方向间隔布置。

作为一种优选的实施方式，所述上管的下端设有贴合于所述滑块体内壁的上环形阀台；所述下管的上端设有贴合于所述滑块体内壁的下环形阀台；所述上环形阀台和所述下环形阀台还通过间隔斜板固定连接；

所述上环形阀台沿周向具有相间隔的上内阀孔和上外阀孔；所述下环形阀台具有与所述上内阀孔相对的下内阀孔以及与所述上外阀孔相对的下外阀孔；所述间隔斜板的上端靠近所述上外阀孔，并且下端靠近所述下内阀孔；

所述内阀包括位于所述上内阀孔和所述下内阀孔之间的内阀阀芯、以及穿设在所述上内阀孔和所述下内阀孔第一阀轴；

所述外阀包括：位于上外阀孔上方的上阀板、位于下外阀孔下方的下阀板、以及穿设在所述上外阀孔和所述下外阀孔将所述上阀板和下阀板相连接的第二阀轴。

作为一种优选的实施方式，所述上外阀孔和下外阀孔之间具有与下管的内部相通的外阀腔；所述上内阀孔和上外阀孔通入所述上液压腔；所述上内阀孔和下内阀孔之间具有与上管的内部相通的内阀腔；

作为一种优选的实施方式，所述下管和所述滑块体之间具有下液压腔；所述下外阀孔和下内阀孔与下液腔相通；

所述滑块体位于第一位置时，所述内阀阀芯将上内阀孔封堵并将下内阀孔打开，所述上阀板将上外阀孔打开并将下外阀孔关闭；

所述滑块体位于第二位置时，所述内阀阀芯将上内阀孔打开并将下内阀孔关闭，所述上阀板将上外阀孔关闭并将下外阀孔打开。

作为一种优选的实施方式，所述上管的上端设有位于所述振动塞下方的锥形腔；所述进液孔位于所述锥形腔的下方。

作为一种优选的实施方式，所述筒体组件包括相互套设内筒和外筒；所述滚轮可自由转动并固定在外筒上；所述外筒套在内筒的外层；所述的内筒通过丝扣与上接头、下接头连接。

有益效果：

本发明一个实施例所提供的井下降摩减阻水力振动器能够在管柱入井过程中减小管柱与井壁的摩擦系数，并通过水力振动方式降低管柱的摩阻扭矩，极大地提高管柱的寿命以及钻井测试作业的成功率。而且，在钻井和测试作业过程中，通过合理的布置振动器的数量和位置，将对管柱的安全性以及生产作业的顺利进行提供必要帮助。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的井下降摩减阻水力振动器结构示意图；

图2是图1的滑块体上冲程状态示意图；

图3是图1的滑块体下冲程状态示意图。

附图标记说明：1、上接头；2、外筒；3、滚轮；4、内筒；5、节流孔；6、振动塞；7、杆帽；8、复位弹簧；9、进液孔；10、振动盘；11、内阀；12、外阀；13、滑块体；14、振动弹簧；15、下接头；16、内管体；17、振动杆；18、振动座；19、锥形腔；110、内阀阀芯；121、上阀板；122、下阀板；131、上液压腔；132、下液压腔；161、上管；162、下管；163、间隔斜板；165、上环形阀台；166、下环形阀台。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1、图2、图3，本发明一个实施例提供一种井下降摩减阻水力振动器，包括上接头1、下接头15、连接于所述上接头1和下接头15之间的筒体组件、安装在所述筒体组件中的振动组件；所述筒体组件的外壁上设置有滚轮3。

所述振动组件包括固定设置在所述筒体组件内部的振动塞6、振动机构、双作用液缸机构。所述双作用液缸机构包括内管体16、内阀11、外阀12、以及套设于所述内管体16外的滑块体13。所述内管体16包括上管161和下管162。上管161和下管162相固定连接，彼此相对位置固定。所述下管162外套设有振动弹簧14。所述的双作用液缸机构可通过改变充满液体的滑块体13的往复运动来控制内阀11和外阀12的开关状态进行泄流，从而形成振动。

其中，上管161和滑块体13之间具有上液压腔131。所述上管161体内部设有振动座18。所述振动座18上设有沿轴向贯通的通孔。所述振动机构包括振动杆17、套设于所述振动杆17上的复位弹簧8。振动杆17穿设在振动座18的通孔上。所述振动杆17与所述振动塞6相对设置且可轴向移动地安装于所述振动座18的通孔上。所述复位弹簧8向所述振动杆17施加朝向所述振动塞6移动的作用力。所述上管161在所述振动座18的上方还设有通入所述上液压腔131的进液孔9。

所述滑块体13能够在液压驱动下在第一位置和第二位置之间往复运动。如图2、图3所示，滑块体13从第二位置向第一位置移动时为上冲程，从第一位置向第二位置移动时为下冲程。具体的，所述滑块体13在第一位置时，所述内阀11关闭将所述上管161的内部和所述上液压腔131阻断，所述外阀12打开将所述上液压腔131和所述下管162的内部相连通。所述滑块体13在第二位置时压缩所述振动弹簧14，所述内阀11打开将所述上管161的内部和所述上液压腔131相连通，所述外阀12关闭将所述上液压腔131和所述下管162的内部和所述上液压腔131相连通。

在本实施例中，所述振动塞6上设有多个节流孔5，并在所述振动杆17的上方设有与振动杆17相对的顶杆。顶杆居中设置在振动塞6上。所述上管161的上端设有位于所述振动塞6下方的锥形腔19。该锥形腔19通过设置于上管161上端的加速管部提供。所述进液孔9位于所述锥形腔19的下方。所述筒体组件包括相互套设内筒4和外筒2。所述滚轮3可自由转动并固定在外筒2上。所述外筒2套在内筒4的外层。所述的内筒4通过丝扣与上接头1、下接头15连接。

在本实施例中，振动杆17安装在振动座18上进行沿轴向上下移动，形成振动。具体的，所述振动杆17的上端固定有杆帽7。所述振动杆17的下端穿过所述通孔在所述振动座18的下方固定连接有振动盘10。所述复位弹簧8套设于所述振动杆17外并位于所述杆帽7和所述振动座18之间。振动杆17两端的杆帽7和振动盘10对振动杆17的位移进行限制。

在本实施例中，所述滑块体13具有贴合套设于所述上管161外壁的上端、以及贴合套设于所述下管162外壁的下端。所述内阀11和所述外阀12设置在所述滑块体13的上端和下端之间。其中，所述内阀11和所述外阀12沿圆周方向间隔布置。

本实施例所提供的井下降摩减阻水力振动器能够在管柱入井过程中减小管柱与井壁的摩擦系数，并通过水力振动方式降低管柱的摩阻扭矩，极大地提高管柱的寿命以及钻井测试作业的成功率。而且，在钻井和测试作业过程中，通过合理的布置振动器的数量和位置，将对管柱的安全性以及生产作业的顺利进行提供必要帮助。

在本实施例中，所述上管161的下端设有贴合于所述滑块体13内壁的上环形阀台165。所述下管162的上端设有贴合于所述滑块体13内壁的下环形阀台166。所述上环形阀台165和所述下环形阀台166还通过间隔斜板163固定连接。

所述上环形阀台165沿周向具有相间隔的上内阀孔和上外阀孔。所述下环形阀台166具有与所述上内阀孔相对的下内阀孔以及与所述上外阀孔相对的下外阀孔。所述间隔斜板163的上端靠近所述上外阀孔，并且下端靠近所述下内阀孔。

具体的，所述内阀11包括位于所述上内阀孔和所述下内阀孔之间的内阀11阀芯110、以及穿设在所述上内阀孔和所述下内阀孔第一阀轴。

所述外阀12包括：位于上外阀孔上方的上阀板121、位于下外阀孔下方的下阀板122、以及穿设在所述上外阀孔和所述下外阀孔将所述上阀板121和下阀板122相连接的第二阀轴。

具体的，所述上外阀孔和下外阀孔之间具有与下管162的内部相通的外阀12腔。所述上内阀孔和上外阀孔通入所述上液压腔131。所述上内阀孔和下内阀孔之间具有与上管161的内部相通的内阀11腔。进一步地，所述下管162和所述滑块体13之间具有下液压腔132。通过上环形阀台165和下环形阀台166将滑块体13和内管体16之间的环空封隔形成上液压腔131和下液压腔132。所述下外阀孔和下内阀孔与下液腔相通。

其中，所述滑块体13位于第一位置时，所述内阀11阀芯110将上内阀孔封堵并将下内阀孔打开，所述上阀板121将上外阀孔打开并将下外阀孔关闭。

所述滑块体13位于第二位置时，所述内阀11阀芯110将上内阀孔打开并将下内阀孔关闭，所述上阀板121将上外阀孔关闭并将下外阀孔打开。

本实施例所提供的井下降摩减阻水力振动器工作过程如下：

将上接头1和下接头15分别与上下管柱连接，整体管柱下入井后滚轮3与井壁接触促使滚轮3转动。上部管柱的液体通过上接头1进入该工具(井下降摩减阻水力振动器)内，由于节流孔5的存在，液体在上接头1和内筒4前端的空腔大量聚集，随后被节流孔5节流，沿着节流孔5快速流入振动塞与振动杆之间的空腔。然后，液体的一小部分顺着进液孔9进入滑块体13的上液压腔131中，而大部分液体由于压力过大会顶替振动杆17向下移动。

振动杆17向下移动会将复位弹簧压缩，随着复位弹簧的压缩，振动杆17逐渐被向下顶开一小段距离。振动座18的通孔被打开，液体通过振动座18的通孔流入双作用液缸机构内。此时，滑块体13处于第二位置(抑或第一位置和第二位置的中间某位置的作为初始位置)，内阀11处于上开下关，外阀12处于上关下开的状态。也即，内阀11的上内阀孔打开，下内阀孔关闭，外阀12的上外阀孔关闭，下外阀孔打开。液体通过内阀11进入滑块体13的内腔(上液压腔131)，随着进入液体的增多，液体推动滑块体13向上滑动，由于无法泄压而逐步形成较大压力。

当压力增大到一定临界状态时，滑块体13运动到第一位置，滑块体13推动内阀11和外阀12转换开关状态，内阀11形成上关下开，外阀12上开下关，也即，内阀11的下内阀孔打开，上内阀孔关闭，外阀12的下外阀孔关闭，上外阀孔打开。一部分液体进入滑块体13的下端内腔(下液压腔132)，快速推动滑块体13向下滑动，直至碰撞下振动弹簧14到第二位置。另外，一部分液体直接经外阀12进入到下管162的内部，直接流出下接头15，形成压力释放，振动杆17快速收缩撞击振动塞6结束一次振击过程，以此类推，达到连续振动效果。

在振动杆17复位后，由于液体基本只能通过进液孔进入到上液压腔中，进而振动杆17上方的液压会迅速积压增大，从而快速执行下一次的振击。

在钻井和测试作业过程中，合理的布置振动器的数量和位置，将对管柱的安全性以及生产作业的顺利进行提供必要帮助。

本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。