阅读说明：本技术 一种圆柱凸轮式减阻工具 (Cylindrical cam type resistance reducing tool ) 是由 李思琪 陈卓 李卓伦 李玮 赵欢 田胜雷 于 2021-02-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及的是一种圆柱凸轮式减阻工具,它的外壳接头下端连接下接筒,分流器固定在外壳接头上,涡轮连接分流器,涡轮下端固定连接圆柱凸轮；上阀片套装并固定在圆柱凸轮外,下阀片套置在圆柱凸轮外并卡在下接筒上,下阀片与外壳接头过盈配合,推杆的下部为圆柱体,圆柱体的上端对称设置两个推块,每个推块上均设置连接孔,两个推块伸入到圆柱凸轮外,推杆通过连接钉连接在圆柱凸轮上,连接钉一端穿过连接孔伸入到运动凹槽中；推杆底部与传动套上部通过螺纹连接,传动套下端从下接筒穿出并与下接头上部通过螺纹连接,传动套开有进液孔。本发明产生高频轴线振动与稳定的脉冲射流,可以提高机械钻速,降低阻尼,能有效降低钻井成本。(The invention relates to a cylindrical cam type drag reduction tool, wherein the lower end of a shell joint of the cylindrical cam type drag reduction tool is connected with a lower connecting cylinder, a flow divider is fixed on the shell joint, a turbine is connected with the flow divider, and the lower end of the turbine is fixedly connected with a cylindrical cam; the upper valve plate is sleeved and fixed outside the cylindrical cam, the lower valve plate is sleeved outside the cylindrical cam and clamped on the lower connecting cylinder, the lower valve plate is in interference fit with the shell joint, the lower part of the push rod is a cylinder, two push blocks are symmetrically arranged at the upper end of the cylinder, each push block is provided with a connecting hole, the two push blocks extend into the outside of the cylindrical cam, the push rod is connected to the cylindrical cam through a connecting nail, and one end of the connecting nail penetrates through the connecting hole and extends into the moving groove; the bottom of the push rod is connected with the upper part of the transmission sleeve through threads, the lower end of the transmission sleeve penetrates out of the lower sleeve and is connected with the upper part of the lower connector through threads, and the transmission sleeve is provided with a liquid inlet hole. The invention generates high-frequency axial vibration and stable pulse jet, can improve the mechanical drilling speed, reduce the damping and effectively reduce the drilling cost.)

一种圆柱凸轮式减阻工具

技术领域

本发明涉及的是石油工程、采矿工程、岩土工程等领域所使用的钻井辅助高效破岩工具，具体涉及一种圆柱凸轮式减阻工具。

背景技术

随着油气能源使用的逐步增多，勘探技术的进步，油气井深度不断的增加，深井、超深井、水平井数目也随之增加。我国未来的开发重点之一是4500米以下的深部地层。在水平井、大位移井、深井、超深井等复杂井中，存在着机械钻速低，破岩效率低等问题，使得钻井成本大大提高。为了降低成本，满足新的钻井条件的要求，高效辅助破岩设备就显得格外重要。

针对水平井、大位移井、深井、超深井等复杂井钻进过程中存在的机械钻速低，破岩效率低等问题，大量实验表明：振动可以将静摩擦转变为动摩擦，从而使摩擦副之间的摩擦系数降低，因此将振动减阻技术应用于水平井、大位移井、深井、超深井，以提高机械钻速，破岩效率，是研究的一个重要方向。

目前，水力振动减阻工具主要使用螺杆马达驱动和弹簧复位的方式。公告号为CN207245619U的中国实用新型专利采用了螺旋定子与螺旋转子进行驱动，公开号为CN111395967A的中国发明专利申请采用了螺杆马达方式进行驱动，公告号为CN207245619U的中国实用新型专利采用蝶形弹簧进行复位和轴向振动，公开号为CN111425157A中国发明专利申请使用附壁弹簧进行复位和轴向振动。

螺杆驱动法有效率高、径向冲击动量很大等优点，但加工难度大，所以造价很高。通过弹簧进行复位和脉冲振动的方式具有加工简单，等优点，但是具有能量损耗大的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆柱凸轮式减阻工具，这种圆柱凸轮式减阻工具用来解决现有技术中在水平井、大位移井、深井、超深井等复杂井中，机械钻速低，破岩效率低等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种圆柱凸轮式减阻工具包括分流器、外壳接头、下接筒、涡轮、圆柱凸轮、推杆、传动套、下接头，外壳接头下端连接下接筒，分流器固定在外壳接头上，分流器的下端面设置涡轮安装孔，射流孔均匀分布在涡轮安装孔周围，涡轮通过涡轮安装孔连接分流器，涡轮下端固定连接圆柱凸轮；圆柱凸轮是一个阶梯式圆柱凸轮结构，具有三个轴段，其三个轴段外径从上到下呈梯次增大，上阀片套装并固定在圆柱凸轮外，下阀片套置在圆柱凸轮外并卡在下接筒上，下阀片与外壳接头过盈配合，与圆柱凸轮转动配合，上阀片和下阀片均具有过流通道，圆柱凸轮下部有波浪凹槽，波浪凹槽首尾相接且具有两个波峰和两个波谷，构成运动凹槽；推杆的下部为圆柱体，圆柱体的上端对称设置两个推块，每个推块上均设置连接孔，两个推块伸入到圆柱凸轮外，推杆通过连接钉连接在圆柱凸轮上，连接钉一端穿过连接孔伸入到运动凹槽中；推杆底部与传动套上部通过螺纹连接，传动套下端从下接筒穿出并与下接头上部通过螺纹连接，传动套开有进液孔。

上述方案中下接筒设有限位卡槽，可以限制传动套的轴向位移。

上述方案分流器开有8个射流孔，涡轮有6个叶片。

上述方案中上阀片、下阀片分别开有4个大小、形状完全相同的圆弧形过流通道。

上述方案中传动套开有4个进液孔。

上述方案中涡轮中心的涡轮轴上端伸入涡轮安装孔与分流器连接，涡轮中心的涡轮轴下部具有圆柱凸轮安装孔，圆柱凸轮上端伸入到圆柱凸轮安装孔中与涡轮轴固定连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明涡轮转子和分流器之间的配合作用对钻井液流干扰作用强，能够产生射流，使涡轮旋转效果十分明显。

2、本发明主要是通过涡轮，带动圆柱凸轮旋转，进而使得推杆周期性轴向运动，从而带动传动套和下接头轴向往复运动，因此对密封性没有那么高的要求。

3、本发明纵向振动频率，幅值受到分流器射孔的大小、数目、倾斜角度以及涡轮叶片数目的影响，便于调整，灵活多变。

4、本发明不存在弹簧等缓冲复位装置，减少了能量损耗。本发明采用涡轮圆柱凸轮驱动的方式，加工简单，成本较低，且本发明没有弹簧等复位装置，可以一定程度上减少能量损耗。

5.本发明为全金属结构，无电子元件与易损元件，冲击过程不会对电测仪器产生干扰，有利于MWD、LWD等随钻电测仪器的稳定工作，极大减少起下钻次数，提高钻井效率。

6.本发明产生高频轴线振动与稳定的脉冲射流，可以提高钻头牙齿吃入岩石的深度、加快岩屑脱离井底的速度，提高机械钻速，降低阻尼，能有效降低钻井成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a、图2b是本发明推杆的结构示意图；

图3a、图3b是本发明传动套的结构示意图；

图4a、图4b是本发明涡轮的结构示意图；

图5a、图5b是本发明圆柱凸轮的结构示意图；

图6a、图6b是本发明分流器的结构示意图；

图7是本发明上阀片的结构示意图；

图8是本发明下阀片的结构示意图。

图1中1.分流器、2.外壳接头、3.下接筒 、4.涡轮、5.圆柱凸轮、6.连接钉、7.推杆、8.上阀片、9.下阀片、10传动套、11.下接头、12.连接孔、13.进液孔、14.中空通孔、15.涡轮叶片、16.圆柱凸轮安装孔；17.运动凹槽 ；18.射流孔、19.涡轮安装孔；20.上阀片过流通道、21.上阀片安装孔；22.下阀片过流通道、23.下阀片安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1-图8所示，这种圆柱凸轮式减阻工具包括分流器1、外壳接头2、下接筒3、涡轮4、圆柱凸轮5、推杆7、传动套10、下接头11，外壳接头2下端连接下接筒3，分流器1固定在外壳接头2上，分流器1的下端面设置涡轮安装孔19，射流孔18均匀分布在涡轮安装孔19周围，涡轮4通过涡轮安装孔19连接分流器1，分流器1上开有射流孔18，通过改变过流面积从而改变钻井液流速，进而推动涡轮4旋转。涡轮4下端固定连接圆柱凸轮5，推杆7通过连接钉6连接在圆柱凸轮5上，推杆7底部与传动套10上部通过螺纹连接，传动套10下端从下接筒穿出并与下接头11上部通过螺纹连接，传动套10开有进液孔13。下接筒设有卡槽，可以限制传动套10的轴向位移。

如图1所示，外壳接头2套入下接筒 3，外壳接头2与下接筒 3螺纹连接；将分流器1与外壳接头2固连在一起，这样就可以将分流器1固定住；涡轮4中心的涡轮轴上端伸入涡轮安装孔19与分流器1连接，分流器1和涡轮4连接在一起，使得涡轮4可以旋转；参阅图4a、图4b，涡轮中心的涡轮轴下部具有圆柱凸轮安装孔16，圆柱凸轮5上端伸入到圆柱凸轮安装孔16中与涡轮轴固定连接，涡轮4底部与圆柱凸轮5采用螺纹连接，这样就可以使得圆柱凸轮5与涡轮4同轴转动；推杆7通过连接钉6连接在圆柱凸轮5上；推杆7底部与传动套10上部通过螺纹连接，传动套10底部与下接头11上部通过螺纹连接，这样就使得这三者共同运动。

上阀片8安装在圆柱凸轮5上，下阀片9卡在下接筒上，上阀片8、下阀片9不接触，可以减小摩擦对零件的破坏。上阀片8、下阀片9之间的转速各不相同，在阀片运动过程中，两阀片过流通道重合面积不断变化，使得钻井液的流速不断变化，从而加速辅助破岩效率；并且两阀片可以防止钻井液直接对圆柱凸轮进行冲蚀，从而延长工具使用寿命。

如图2a、图2b，推杆7的下部为圆柱体，圆柱体的上端对称设置两个推块，每个推块上均设置连接孔12，两个推块伸入到圆柱凸轮5外，推杆7通过连接钉6连接在圆柱凸轮5上，连接钉6一端穿过连接孔12伸入到运动凹槽17中，连接钉6另一端祼露在连接孔12外。

如图3a、图3b所示，传动套10上开有进液孔13和中空通孔14，通过上阀片8、下阀片9的钻井液可以经过传动套10上的进液孔13流入下接头11，进一步流入钻头，形成脉冲射流，辅助破岩。

如图5a、图5b所示，圆柱凸轮5是一个阶梯式圆柱凸轮结构，具有三个轴段，其外径不断增大，在涡轮的带动下可以旋转；圆柱凸轮5上开有运动凹槽17，圆柱凸轮5与推杆7通过连接钉6连接。

如图7所示，上阀片8开有4个过流通道20，上阀片安装孔21，上阀片安装孔21与圆柱凸轮5的中部轴段相配合，使得上阀片8与圆柱凸轮5同轴旋转。

如图8所示，下阀片9开有4个过流通道22，下阀片安装孔22，下阀片安装孔23安装在圆柱凸轮5直径最大的轴段，且下阀片9与外壳接头2过盈配合，这样就可以使得下阀片9与外壳接头2共同运动。

本实施方式中分流器开有8个均匀布置的射流孔，传动套开有4个均匀布置的进液孔；涡轮有6个均匀布置的叶片，1个安装孔；上阀片8、下阀片9分别开有4个均匀布置的、大小、形状完全相同的圆弧形过流通道。

本发明的工作过程如下：

1.钻井液流入外壳接头2，进入分流器1，分流器1上开有8个具有一定角度的射流孔18。流体流入射流孔18后，由于过流面积变小，导致流速增大，形成射流。

2.高速流体以一定角度射向涡轮叶片15，使得涡轮4旋转；由于涡轮4与圆柱凸轮5螺栓连接，则涡轮4带动圆柱凸轮5共同旋转。

3.圆柱凸轮5在旋转过程中，连接钉6在圆柱凸轮5的凹槽17中运动，从而带动推杆7轴向运动。这样将圆柱凸轮5的旋转运动转变为推杆7的轴向往复运动。

4.推杆7与传动套10采用螺栓连接，传动套10与下接头11采用螺栓连接，这样就可以使得推杆7带动传动套10、下接头11轴向往复运动，将静阻尼转变为动阻尼，从而降低摩擦，提高破岩效率。

5. 安装在圆柱凸轮5中部轴段的上阀片8与安装在外壳接头2的下阀片9转速不同，因此其过流通道不断重合、分离，周期性变化，导致过流面积不断变化形成脉冲射流。上阀片8与下阀片9不接触，不产生摩擦，可以延长零件寿命。

6.传动套10侧面开有进液孔13，内部开有中空通孔14，,流出上阀片8，下阀片9的钻井液可以通过进液孔13进入传动套的内部中空通孔14中，进而进入下接头11，最后流经钻头，形成射流，辅助破岩。