渦輪混流式井下動力增壓鉆具的制作方法
【專利摘要】本實用新型為渦輪混流式井下動力增壓鉆具，該鉆具包括殼體和輸出軸，輸出軸上端與驅(qū)動部件連接，下部連接有鉆頭；輸出軸與殼體間、輸出軸下部內(nèi)設(shè)有鉆井液過流通道，過流通道與鉆頭上設(shè)有的容置空間連通；鉆頭設(shè)有第一噴嘴和第二噴嘴，第二噴嘴與容置空間連通；輸出軸由下向上設(shè)有中心孔，中心孔上端設(shè)有與輸出軸外壁導(dǎo)通的第一過流孔，輸出軸下部與鉆頭之間連接有高壓合金鋼管，鋼管內(nèi)由下向上設(shè)有鉆井液高壓流道；中心孔底端通過高壓合金鋼管內(nèi)鉆井液高壓流道、第一射流孔與第一噴嘴連通；輸出軸上套設(shè)有一混流泵，混流泵的進液處與過流通道連通，混流泵的出液處與中心孔上端的第一過流孔導(dǎo)通，增壓后的液體由第一噴嘴射出。本實用新型在鉆井液驅(qū)動鉆頭破巖同時，由混流泵加壓部分鉆井液進行高壓射流輔助破巖，以實現(xiàn)機械和水力聯(lián)合破巖。
【專利說明】渦輪混流式井下動力增壓鉆具
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型是關(guān)于一種井下鉆具，尤其涉及一種實現(xiàn)機械和水力聯(lián)合破巖的渦輪混流式井下動力增壓鉆具。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國淺層油氣資源的不斷枯竭，在深部硬地層條件下尋找開發(fā)油氣資源是目前油氣開采的重要工作。在深井鉆探中，隨著井眼軌跡和井身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不斷增加，鉆壓的傳遞和施加非常困難，嚴(yán)重降低了破巖效率和機械鉆速。研究新的破巖方法、形成新的鉆井技術(shù)，以提高鉆井效益，已成為鉆井工程領(lǐng)域面臨的事關(guān)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略任務(wù)。實驗和研究表明，井下動力鉆具和超高壓噴射鉆井技術(shù)相結(jié)合，能很好解決上述問題。
[0003]渦輪鉆具是一種將鉆井液所具有的水力能轉(zhuǎn)換成渦輪軸上的機械能并由渦輪軸帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)的水力機械；如圖3所示,現(xiàn)有典型的渦輪鉆具7包括有殼體71,殼體內(nèi)壁設(shè)有渦輪定子73，殼體71中設(shè)有渦輪軸72，渦輪軸72上設(shè)有與渦輪定子73配合的渦輪轉(zhuǎn)子74，渦輪軸72底部通過聯(lián)軸器75與輸出軸76連接；所述鉆頭77上設(shè)有普通噴嘴771，輸出軸76中軸向設(shè)有連通的中心孔761、762，輸出軸中心孔761上端貫通輸出軸外壁并與鉆井液流通通道導(dǎo)通；其主要工作原理是，鉆井液自鉆桿(圖中未示出)輸入到渦輪鉆具，當(dāng)鉆井液從渦輪定子與渦輪轉(zhuǎn)子之間流入時，由于液流方向和速度的改變，會在渦輪轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生推力，迫使渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而帶動渦輪軸(主軸)及鉆頭旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)鉆進；同時，鉆井液通過中心孔761、762和普通噴嘴771流出，清潔井底，攜帶巖屑。
[0004]但是，渦輪鉆具中鉆井液壓降較大，降低了鉆頭的水馬力，提速效果不明顯，通過大量研究與現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)機械破巖配合超高壓噴射鉆井技術(shù)能大幅度提高鉆井速度。目前使用較多的超高壓噴射鉆井技術(shù)是井下增壓超高壓射流鉆井技術(shù)，該技術(shù)不需要額外的地面設(shè)備，易于將常規(guī)鉆井方式轉(zhuǎn)向超高壓射流鉆井方式，安全可靠，代表了超高壓射流增壓方式研究的發(fā)展趨勢。
[0005]現(xiàn)有的井下增壓器主要有:旁通式井下增壓器，利用大面積推小面積增加壓力；射流式井下增壓器，利用壓差使活塞上下運動對鉆井液進行加壓；鉆柱減振式井下增壓器，利用鉆柱振動，使活塞上下運動對鉆井液進行加壓；離心式井下增壓器，利用離心泵對鉆井液進行加壓；螺桿式井下增壓器，利用動力轉(zhuǎn)換體將旋轉(zhuǎn)接頭的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為柱塞的往復(fù)運動對鉆井液進行加壓；分隔式井下增壓器，運用流體液壓傳遞原理，利用隔膜的軟活塞特性對鉆井液進行加壓；水力增壓式井下增壓器，利用流體的卷吸作用和激勵作用實現(xiàn)增壓。但是，上述大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)只是依靠鉆柱旋轉(zhuǎn)帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆桿壽命低，易發(fā)生井下事故，且有效加壓時間較短，效率較低。
[0006]由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗與實踐，提出一種渦輪混流式井下動力增壓鉆具，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
實用新型內(nèi)容[0007]本實用新型的目的在于提供一種渦輪混流式井下動力增壓鉆具，將渦輪鉆具與混流泵有機結(jié)合，由鉆井液推動渦輪提供動力，在驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖的同時，驅(qū)動混流泵加壓部分鉆井液，進行高壓射流輔助破巖，實現(xiàn)機械和水力聯(lián)合破巖，以提高鉆井效率。
[0008]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，一種渦輪混流式井下動力增壓鉆具，所述鉆具包括有殼體，殼體內(nèi)設(shè)有輸出軸，所述輸出軸上端通過聯(lián)軸器與上方驅(qū)動部件連接，輸出軸下部固定套設(shè)有鉆頭；所述輸出軸與殼體之間、輸出軸下部內(nèi)設(shè)有鉆井液過流通道，輸出軸下部鉆井液過流通道與鉆頭上部設(shè)有的容置空間連通；鉆頭下部設(shè)有第一噴嘴和第二噴嘴，所述第二噴嘴通過鉆頭上的第二射流孔與容置空間連通；所述輸出軸內(nèi)由下向上設(shè)有中心孔，中心孔上端設(shè)有與輸出軸外壁導(dǎo)通的多個第一過流孔，輸出軸下部與鉆頭之間連接有高壓合金鋼管，鋼管內(nèi)部有鉆井液高壓流道；所述中心孔底端通過高壓合金鋼管內(nèi)部鉆井液高壓流道、鉆頭上的第一射流孔與第一噴嘴連通；位于殼體內(nèi)的輸出軸上套設(shè)有一混流泵，所述混流泵的進液處與鉆井液過流通道連通，混流泵的出液處與中心孔上端的第一過流孔導(dǎo)通，增壓后的液體順序通過第一過流孔、中心孔、高壓合金鋼管內(nèi)部鉆井液高壓流道和第一射流孔由第一噴嘴射出。
[0009]在本實用新型的一較佳實施方式中，所述井下鉆具為渦輪鉆具，由渦輪在井下提供動力，該動力一部分帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，一部分帶動混流泵葉輪旋轉(zhuǎn)對部分鉆井液進行加壓。
[0010]由上所述，本實用新型的渦輪混流式井下動力增壓鉆具，在輸出軸帶動鉆頭轉(zhuǎn)動破巖的同時，一部分鉆井液流經(jīng)過流通道、第二過流孔、容置空間和第二射流孔由第二噴嘴中噴出，清潔井底，攜帶巖屑；另一部分鉆井液從混流泵的進液處進入泵體，增壓后的液體從混流泵的出液處流出，并順序通過第一過流孔、中心孔、高壓合金鋼管內(nèi)部鉆井液高壓流道和第一射流孔由第一噴嘴射出，進行水力輔助破巖，由此實現(xiàn)水力機械聯(lián)合破巖，提高鉆進速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]以下附圖僅旨在于對本實用新型做示意性說明和解釋，并不限定本實用新型的范圍。其中:
[0012]圖1A:為本實用新型渦輪混流式井下動力增壓鉆具一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖1B:為圖1A中B-B處剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2:為本實用新型中混流泵葉輪的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3:為現(xiàn)有渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]為了對本實用新型的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【專利附圖】

【附圖說明】本實用新型的【具體實施方式】。
[0017]如圖1A所示，本實用新型提出一種渦輪混流式井下動力增壓鉆具100，所述鉆具包括有殼體I，殼體I內(nèi)設(shè)有輸出軸2,所述輸出軸2上端通過聯(lián)軸器與上方驅(qū)動部件6連接，輸出軸2下部固定套設(shè)有鉆頭4 ;所述輸出軸2與殼體I之間設(shè)有鉆井液過流通道I，輸出軸2下部內(nèi)設(shè)有鉆井液過流通道32，輸出軸2下部設(shè)有第二過流孔23，所述鉆頭4上部設(shè)有容置空間43，所述過流通道I與容置空間43由第二過流孔23連通；鉆頭4下部設(shè)有第一噴嘴41和第二噴嘴42，所述第二噴嘴42通過鉆頭上的第二射流孔421與容置空間43連通；所述輸出軸2內(nèi)由下向上設(shè)有中心孔22，中心孔22上端設(shè)有與輸出軸2外壁導(dǎo)通的多個第一過流孔21 ;輸出軸2下部與鉆頭4之間連接有高壓合金鋼管3，高壓合金鋼管3內(nèi)由下向上設(shè)有鉆井液高壓流道31 ;所述中心孔21底端通過鉆井液過流通道31、鉆頭上的第一射流孔411與第一噴嘴41連通；位于殼體I內(nèi)的輸出軸2上套設(shè)有一混流泵5，所述混流泵5的進液處與鉆井液過流通道I連通，混流泵5的出液口與中心孔22上端的第一過流孔21導(dǎo)通；在本實施方式中，所述第二噴嘴42為普通的低壓噴嘴，第一噴嘴41為高壓射流噴嘴。由上述結(jié)構(gòu)，在輸出軸2帶動鉆頭4轉(zhuǎn)動破巖的同時，一部分鉆井液流經(jīng)過流通道1、第二過流孔23、容置空間43和第二射流孔421由第二噴嘴42中噴出，清潔井底，攜帶巖屑；另一部分鉆井液從混流泵5的進液處進入泵體，增壓后的液體從混流泵5的出液處流出，并順序通過第一過流孔21、中心孔22、鉆井液高壓流道31和第一射流孔411由第一噴嘴41射出，進行水力輔助破巖，由此實現(xiàn)水力機械聯(lián)合破巖，提高鉆進速度。
[0018]在本實施方式中，如圖1A所示，所述井下鉆具為渦輪鉆具，所述輸出軸2上端通過聯(lián)軸器61與渦輪軸63連接，渦輪軸63上設(shè)有渦輪轉(zhuǎn)子631，殼體I內(nèi)設(shè)有與渦輪轉(zhuǎn)子631對應(yīng)的渦輪定子632。鉆具工作時，鉆井液進入渦輪定子632，渦輪定子632使鉆井液按一定的方向和速度進入渦輪轉(zhuǎn)子631，驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子631旋轉(zhuǎn)，將鉆井液的液體能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能量，使渦輪軸63轉(zhuǎn)動并傳遞給輸出軸2使輸出軸旋轉(zhuǎn)；輸出軸2帶動混流泵5對部分鉆井液進行加壓，被加壓的鉆井液通過第一噴嘴41噴出；同時，輸出軸2帶動鉆頭4旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的鉆頭4和第一噴嘴41噴出的鉆井液共同作用，實現(xiàn)水力機械聯(lián)合破巖，能夠有效提高鉆進速度；未被加壓的鉆井液則經(jīng)過過流通道1、第二過流孔23、容置空間43和第二射流孔421由第二噴嘴42中噴出，清潔井底，攜帶巖屑，由此提高鉆井效率。
[0019]進一步，所述輸出軸2安裝有徑向止推軸承62，徑向止推軸承62外緣設(shè)有與所述鉆井液過流通道I導(dǎo)通的多個孔道621。
[0020]進一步，如圖2，在本實施方式中，所述混流泵5包括設(shè)有多上部葉輪52與下部葉輪55，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時，對液體作用有軸向推力與離心力，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠帚@井液動能，對部分鉆井液進行加壓。
[0021]進一步，在本實施方式中，所述混流泵上部葉輪52與下部葉輪55設(shè)在混流泵5泵筒54的內(nèi)；所述泵筒54與殼體I內(nèi)壁之間具有環(huán)形空間0(該環(huán)形空間O構(gòu)成了鉆井液過流通道I的一部分)；泵筒54上部、中部外緣分別連接與殼體I內(nèi)壁固定連接的環(huán)形體51、53 ;所述環(huán)形體51、53對應(yīng)所述環(huán)形空間O設(shè)置，環(huán)形體51、53上分別設(shè)有多個上下貫通的第一透孔511、531 ;在本實施方式中，所述環(huán)形體51與環(huán)形體53之間設(shè)有第二調(diào)節(jié)筒56。
[0022]由上所述，本實施方式中的渦輪混流式井下動力增壓鉆具將渦輪鉆具與混流泵有機結(jié)合，提供了一種水力機械聯(lián)合破巖的新式井下動力增壓鉆具；該鉆具工作時，鉆井液進入渦輪定子，渦輪定子使鉆井液按一定的方向和速度進入渦輪轉(zhuǎn)子，驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將鉆井液的液體能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能量，使渦輪軸轉(zhuǎn)動并傳遞給輸出軸使輸出軸旋轉(zhuǎn)；輸出軸帶動混流泵的葉輪旋轉(zhuǎn)，對部分鉆井液進行加壓，被加壓的鉆井液通過輸出軸的第一過流孔、中心孔、高壓合金鋼管內(nèi)鉆井液高壓流道、鉆頭的第一射流孔和第一噴嘴噴出，進行水力輔助破巖；同時，輸出軸帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的鉆頭和第一噴嘴噴出的鉆井液共同作用，實現(xiàn)水力機械聯(lián)合破巖，有效提高了鉆進速度；未被加壓的鉆井液則經(jīng)過過流通道、第二過流孔、容置空間和第二射流孔由第二噴嘴中噴出，清潔井底，攜帶巖屑，由此提高鉆井效率。
[0023]以上所述僅為本實用新型示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本實用新型的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本實用新型保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種渦輪混流式井下動力增壓鉆具，所述鉆具包括有殼體，殼體內(nèi)設(shè)有輸出軸，所述輸出軸上端通過聯(lián)軸器與上方驅(qū)動部件連接，輸出軸下部固定套設(shè)有鉆頭；其特征在于:所述輸出軸與殼體之間、輸出軸下部內(nèi)設(shè)有鉆井液過流通道，輸出軸下部鉆井液過流通道與鉆頭上部設(shè)有的容置空間連通；鉆頭下部設(shè)有第一噴嘴和第二噴嘴，所述第二噴嘴通過鉆頭上的第二射流孔與容置空間連通；所述輸出軸內(nèi)由下向上設(shè)有中心孔，中心孔上端設(shè)有與輸出軸外壁導(dǎo)通的多個第一過流孔，輸出軸下部與鉆頭之間連接有高壓合金鋼管，高壓合金鋼管內(nèi)由下向上設(shè)有鉆井液高壓流道；所述中心孔底端通過高壓合金鋼管內(nèi)鉆井液高壓流道、第一射流孔與第一噴嘴連通；位于殼體內(nèi)的輸出軸上套設(shè)有一混流泵，所述混流泵的進液處與鉆井液過流通道連通，混流泵的出液處與中心孔上端的第一過流孔導(dǎo)通，增壓后的液體順序通過第一過流孔、中心孔、高壓合金鋼管內(nèi)鉆井液高壓流道和第一射流孔由第一噴嘴射出。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪混流式井下動力增壓鉆具，其特征在于:所述井下鉆具為渦輪鉆具，由渦輪在井下提供動力，該動力一部分帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，一部分帶動混流泵葉輪旋轉(zhuǎn)對部分鉆井液進行加壓。
【文檔編號】E21B4/02GK203701950SQ201420077089
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】王志浩 申請人:中國石油大學(xué)(北京)