申请/专利权人：中国石油大学(北京)

申请日：2019-03-27

公开（公告）日：2024-03-26

公开（公告）号：CN109812231B

主分类号：E21B7/24

分类号：E21B7/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.26#授权;2019.06.21#实质审查的生效;2019.05.28#公开

摘要：本申请提供了一种脉冲振动提速工具，该脉冲振动提速工具包括：本体、转盘、以及多级振幅放大腔室。本体沿纵长方向延伸。转盘设置在本体内，转盘上开设有流道，流道沿转盘的轴向螺旋延伸，转盘上游的本体内壁上开设有与流道相连通的变截面通道。多级振幅放大腔室开设在转盘下游的本体内壁上。多级振幅放大腔室与流道相连通，以对本体产生周期性轴向振动。本发明的脉冲振动提速工具能缩短作业时间、提高钻进效率、降低工人的劳动强度。结构简单，振幅放大效果明显。而且该脉冲振动提速工具可以将钻具与井壁的静摩擦力转换为动摩擦力，降低了摩擦系数和摩擦力，提高了钻压的传递效果。

主权项：1.一种脉冲振动提速工具，其特征在于，包括：本体，其沿纵长方向延伸；转盘，其设置在所述本体内，所述转盘上开设有流道，所述流道沿所述转盘的轴向螺旋延伸，所述转盘上游的所述本体内壁上开设有与所述流道相连通的变截面通道；多级振幅放大腔室，其开设在所述转盘下游的所述本体内壁上，所述多级振幅放大腔室与所述流道相连通，以对所述本体产生周期性轴向振动；所述变截面通道的入口截面为圆形，出口截面为椭圆形；当流体经过所述转盘中的所述流道时，一侧所述流道的壁面受到所述流体的压力，所述流体将驱动所述转盘在所述本体内围绕所述本体的轴线转动，由此改变所述变截面通道与所述转盘之间的有效过流面积，当所述有效过流面积达到最小时，所述流体在所述变截面通道中将处于高压状态；当所述有效过流面积达到最大时，所述流体在所述变截面通道中将处于低压状态，所述流体的高低压交替将会影响所述转盘的旋转速度。

全文数据：脉冲振动提速工具技术领域本申请涉及石油、天然气开采、钻井工具领域，尤其涉及一种脉冲振动提速工具。背景技术随着大位移井、水平井的广泛使用，对钻具的要求越来越高。由于自重等原因，钻具在钻进过程中通常与井壁的摩阻较大，造成钻具托压，从而影响钻进效率。一旦托压现象出现就会造成机械钻速下降，如果有时钻具突然滑脱就会造成工具面变化，从而增加摆工具面难度，影响造斜效果，严重时会造成顿钻而损坏钻头和钻具，有时摩擦力和吸附力大时容易形成钻卡等井下事故，造成经济损失。对此，目前尚未有有效的解决方案。发明内容为了克服现有技术的上述缺陷，研究人员发现，对钻柱施加适当的周期性轴向振动，能将钻柱与井壁之间的摩擦由静摩擦变为动摩擦，由此可以减少钻井过程中的摩阻力，增大有效钻压，实现钻速提高的目的。对此，本发明所要解决的技术问题是提供一种脉冲振动提速工具，其可以克服现有工具中存在的结构设计复杂、通用性较差的问题，该脉冲振动提速工具实现了结构简单，操作方便且高效钻进的目的。本发明的具体技术方案是：本发明提供一种脉冲振动提速工具，包括：本体，其沿纵长方向延伸；转盘，其设置在所述本体内，所述转盘上开设有流道，所述流道沿所述转盘的轴向螺旋延伸，所述转盘上游的所述本体内壁上开设有与所述流道相连通的变截面通道；多级振幅放大腔室，其开设在所述转盘下游的所述本体内壁上，所述多级振幅放大腔室与所述流道相连通，以对所述本体产生周期性轴向振动。在优选的实施方式中，所述变截面通道的入口截面为圆形，出口截面为椭圆形。在优选的实施方式中，所述多级振幅放大腔室包括彼此连通且半径逐渐减小的一级腔室、二级腔室、以及三级腔室。在优选的实施方式中，所述转盘与所述一级腔室之间的所述本体内壁上具有凸起部，所述转盘与所述凸起部相抵接。在优选的实施方式中，所述转盘与所述凸起部接触的表面外缘处设置有第一滚动轴承。在优选的实施方式中，所述转盘与所述本体接触的侧壁周向设置有第二滚动轴承。在优选的实施方式中，所述流道等距均匀开设在所述转盘上。在优选的实施方式中，所述流道的数量为至少四个。在优选的实施方式中，所述多级振幅放大腔室还包括与所述三级腔室相连通的四级腔室，所述四级腔室内连接有钻具。在优选的实施方式中，所述一级腔室、所述二级腔室、以及所述三级腔室的连接处开设有倒角。借由以上的技术方案，本申请的有益效果在于：1本发明的脉冲振动提速工具在使用时，流体将由上部的变截面通道流入本体，经过转盘中的螺旋延伸的流道，最后通过下部的多级振幅放大腔室。将流体压力转化为转盘的机械能，驱使转盘在本体内围绕轴向转动，由此改变上部变截面通道与转盘之间的有效过流面积，进而能够实现有效的周期性轴向振动，并能缩短作业时间、提高钻进效率、降低工人的劳动强度。2本发明的脉冲振动提速工具结构简单，尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性，且振幅放大效果明显。3本发明的脉冲振动提速工具将钻具与井壁的静摩擦力转换为动摩擦力，降低了摩擦系数和摩擦力，提高了钻压的传递效果。参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。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。附图说明在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：图1为本申请实施方式的脉冲振动提速工具的结构示意图；图2为本申请实施方式的脉冲振动提速工具的等轴侧图；图3为本申请实施方式的脉冲振动提速工具的俯视图；图4a为本申请实施方式的脉冲振动提速工具变截面通道的主视图；图4b为本申请实施方式的脉冲振动提速工具变截面通道的A-A向截面示意图；图4c为本申请实施方式的脉冲振动提速工具变截面通道的俯视图；图5为本申请实施方式的脉冲振动提速工具的转盘等轴侧图；图6为本申请实施方式的脉冲振动提速工具的转盘的正视图；图7为本申请实施方式的脉冲振动提速工具的转盘的俯视图；图8为本申请实施方式的脉冲振动提速工具的转盘的C-C向截面示意图。以上附图的附图标记：1、变截面通道，2、转盘，3、一级腔室，4、二级腔室，5、三级腔室，6、四级腔室，7、流道，8、第一滚动轴承，9、第二滚动轴承，10、本体，11、凸起部，12、倒角具体实施方式下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是旨在于限制本申请。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。如图1和图2所示，本发明提供一种脉冲振动提速工具，该脉冲振动提速工具包括：本体10、转盘2、以及多级振幅放大腔室。本体10沿纵长方向延伸。转盘2设置在所述本体10内，所述转盘2上开设有流道7，所述流道7沿所述转盘2的轴向螺旋延伸，所述转盘2上游的所述本体10内壁上开设有与所述流道7相连通的变截面通道1。多级振幅放大腔室开设在所述转盘2下游的所述本体10内壁上；所述多级振幅放大腔室与所述流道7相连通，以对所述本体10产生周期性轴向振动。本发明的脉冲振动提速工具在使用时，流体可以通过变截面通道1进入本体的转盘2的流道7内，由于转盘2内的流道7呈螺旋形延伸，因此，当流体经过转盘2中的螺旋形流道7时，某侧的流道7的壁面受到流体的压力即推力，流体将驱动转盘2在本体10内围绕本体10的轴线转动。由此将会改变变截面流道1与转盘2之间的有效过流面积。当有效过流面积达到最小时，流体在变截面流道1中将处于高压状态；当有效过流面积达到最大时，流体在变截面流道1中将处于低压状态。进而，流体的高低压交替将会影响转盘的旋转速度，从而影响流体单位时间的内的有效过流量。流体从转盘2的流道7流出后，由上而下经过多级振幅放大腔室，由于位于下游的腔室的直径较小，流体将会撞击两腔室之间的连接处倒角12，即产生推力。这样，由于流体处于周期性高压状态，就会对下方振幅放大腔室的腔室之间的腔壁产生周期性的强推力，由此将会形成周期性的轴向振动。本发明的脉冲振动提速工具能缩短作业时间、提高钻进效率、降低工人的劳动强度。结构简单，尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性，且振幅放大效果明显。而且该脉冲振动提速工具可以将钻具与井壁的静摩擦力转换为动摩擦力，降低了摩擦系数和摩擦力，提高了钻压的传递效果。在本实施方式中，本体10大致呈圆柱形，其沿纵长方向延伸，转盘2通常设置在本体10内，其具有一定的厚度即轴向延伸的距离，请参见附图3和附图5，转盘2上的流道7可以呈螺旋形轴向延伸，且等距均匀开设在所述转盘2上。流道7的入口和出口分别开设在转盘2的两端面上。根据过流量需要，可以在转盘2上设置四个或四个以上的流道7，具体数量本申请不做任何限制，本领域技术人员可以根据实际需要合理设置。请参见附图4a，图4b，图4c，变截面通道1通常可以开设在转盘2上游的本体10内壁处。该变截面通道1的入口截面为圆形，出口截面为椭圆形，出口可以与转盘2的流道7相连通。理论上圆形截面通道的过流面积可以等于椭圆形截面通道的过流面积。变截面通道1通过改变截面形状，可以与其下方的转盘2相配合，改变流体的流向，使得下部的转盘2在流体的冲击下发生转动，最终形成脉冲流动。多级振幅放大腔室通常可以开设在转盘2下游的所述本体10的内壁上。所述多级振幅放大腔室可以包括彼此连通且半径逐渐减小的一级腔室3、二级腔室4、以及三级腔室5。所述一级腔室3、所述二级腔室4、以及所述三级腔室5的连接处可以开设有倒角12。该多级振幅放大腔室与所述流道7的出口相连通，以对所述本体10产生周期性轴向振动。另外，所述多级振幅放大腔室还包括与所述三级腔室5相连通的四级腔室6，所述四级腔室6内连接有钻具图中未示出，因此该四级腔室6的截面半径可以略大于该三级腔室5的截面半径。在一个优选的实施方式中，为了将转盘2放置于本体10内，所述转盘2可以在与所述一级腔室3之间的所述本体10内壁上开设有凸起部11，所述转盘2可以与所述凸起部11相抵接。如图6、图7和图8所示，当转盘2转动时，为了减小转盘2与邻近部件间的摩擦力，还可以在所述转盘2与所述凸起部11接触的表面外缘处设置第一滚动轴承8，在所述转盘2与所述本体10接触的侧壁周向设置有第二滚动轴承9。需要说明的是，本实施例提供的滚动轴承等可以选用任意合适的现有构造。为清楚简要地说明本实施例所提供的技术方案，在此将不再对上述部分进行赘述，说明书附图也进行了相应简化。但是应该理解，本实施例在范围上并不因此而受到限制。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，而是应该参照前述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，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。

权利要求：1.一种脉冲振动提速工具，其特征在于，包括：本体，其沿纵长方向延伸；转盘，其设置在所述本体内，所述转盘上开设有流道，所述流道沿所述转盘的轴向螺旋延伸，所述转盘上游的所述本体内壁上开设有与所述流道相连通的变截面通道；多级振幅放大腔室，其开设在所述转盘下游的所述本体内壁上，所述多级振幅放大腔室与所述流道相连通，以对所述本体产生周期性轴向振动。2.根据权利要求1所述的脉冲振动提速工具，其特征在于，所述变截面通道的入口截面为圆形，出口截面为椭圆形。3.根据权利要求1所述的脉冲振动提速工具，其特征在于，所述多级振幅放大腔室包括彼此连通且半径逐渐减小的一级腔室、二级腔室、以及三级腔室。4.根据权利要求1所述的脉冲振动提速工具，其特征在于，所述转盘与所述一级腔室之间的所述本体内壁上具有凸起部，所述转盘与所述凸起部相抵接。5.根据权利要求4所述的脉冲振动提速工具，其特征在于，所述转盘与所述凸起部接触的表面外缘处设置有第一滚动轴承。6.根据权利要求1所述的脉冲振动提速工具，其特征在于，所述转盘与所述本体接触的侧壁周向设置有第二滚动轴承。7.根据权利要求1所述的脉冲振动提速工具，其特征在于，所述流道等距均匀开设在所述转盘上。8.根据权利要求1所述的脉冲振动提速工具，其特征在于，所述流道的数量为至少四个。9.根据权利要求1所述的脉冲振动提速工具，其特征在于，所述多级振幅放大腔室还包括与所述三级腔室相连通的四级腔室，所述四级腔室内连接有钻具。10.根据权利要求1所述的脉冲振动提速工具，其特征在于，所述一级腔室、所述二级腔室、以及所述三级腔室的连接处开设有倒角。

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