一种井下涡轮驱动实现井底钻头高频增压的钻井提速装置的制作方法

[0001]
本发明属于油气田钻井工具技术领域，具体涉及一种井下涡轮驱动实现井底钻头高频增压的钻井提速装置。


背景技术：

[0002]
近年来，油气资源勘探钻进工程逐步转向深部坚硬地层，钻遇“三高”即岩石硬度高、岩石可钻性级值高、岩石研磨性高地层的可能性越来越大，而钻头需要的钻压大多由钻头上部的钻铤重量提供的，所采用的刚性加压方式严重影响着机械钻速、钻头及井底钻具组合的工作寿命，就如何提高钻井效率、降低钻进成本、延长井底工具的工作寿命等已成为行业研究的热点问题。其中，高频冲击钻井方式可改变传统旋转切削破岩钻进方法，配合地面钻机提供的旋转扭矩，可在井底实现旋冲钻进，有利于提高机械钻速、提高破岩钻进效率，因此，为了提高钻速和破岩钻进效率，本发明提供一种井下涡轮驱动实现井底钻头高频增压的钻井提速装置。


技术实现要素：

[0003]
为了提高钻速和破岩钻进效率，本发明提供一种井下涡轮驱动实现井底钻头高频增压的钻井提速装置。
[0004]
一种井下涡轮驱动实现井底钻头高频增压的钻井提速装置，所述提速装置包括上接头、涡轮马达系统、壳体、轴用弹性挡圈、下扶正轴承、运动转换装置、半圆卡环、花键套和钻头，所述壳体上端通过螺纹与上接头连接，下端通过螺纹与花键套连接，所述钻头中部外圆柱面设置有花键槽，花键槽与花键套配合传递扭矩，钻头上端外圆柱面设置有环形槽，所述半圆卡环设置在环形槽内，所述半圆卡环与壳体下端内侧设置花键结构配合，可有效地防止钻头掉落井底，形成井底落鱼，所述运动转换装置设置在涡轮轴下端与钻头之间，所述涡轮马达系统设置在壳体内部包括分水子弹头、上扶正轴承、涡轮组件和涡轮轴，所述涡轮轴设置在壳体中心且通过上扶正轴承和下扶正轴承实现径向限位及扶正，涡轮轴下端为中空设置且在外圆柱面上设置有多个斜向过流孔，涡轮轴下端插入钻头中心并可做周向转动，所述下扶正轴承下端设置在涡轮轴中部台阶和壳体内侧台阶位置，上端外侧与涡轮定子第二定位套筒连接，上端内侧由轴用弹性挡圈实现轴向限位，所述上扶正轴承设置在涡轮轴上部，所述涡轮组件包括设置在涡轮轴上的多付涡轮定子和涡轮转子，涡轮转子设置在涡轮轴上，下端由涡轮轴的限位台阶实现轴向定位，上端通过涡轮转子定位套筒与上扶正轴承连接并由分水子弹头通过涡轮轴上的螺纹实现固定，涡轮定子通过涡轮定子外圈与壳体内圈配合实现径向定位，轴向分别与涡轮定子第一定位套筒和涡轮定子第二定位套筒连接且由上接头通过上扶正轴承外圈压紧，所述运动转换装置包括滚轮、滚轮支架和正弦导轨，所述滚轮支架上设置有多个导槽，所述滚轮设置在所述导槽内部，所述滚轮支架通过锁紧螺栓固定在涡轮轴上，所述正弦导轨上端面为正弦曲面，滚轮可在正弦曲面上滚动，所述正弦导轨下端通过锁紧螺栓固定在钻头上。
[0005]
进一步地，所述上接头外周面镶嵌有保径合金。
[0006]
进一步地，所述涡轮马达系统的驱动动力为水力驱动。
[0007]
进一步地，所述上接头的外圆柱面上设置有螺旋翼片。
[0008]
进一步地，所述滚轮支架与正弦导轨均采用卡座结构设计，并通过锁紧螺栓分别进行固定。
[0009]
进一步地，所述分水子弹头前端设计呈锥形结构，下端内侧设置有与涡轮轴连接的螺纹，下端外圆柱面上设有多个锯齿形结构
[0010]
有益效果：本发明的钻井提速装置是以井下钻井液驱动涡轮马达高速旋转，带动滚轮支架和滚轮随同涡轮轴一起旋转，滚轮在正弦导轨上做周期性滚动，挤压正弦导轨使其形成周期性轴向振动，该振动能量作用在钻头上，可周期性地向钻头施加钻压。通过运动转换装置中正弦导轨正弦曲面的合理设计，可将涡轮轴输出的高速旋转运动转化为周期性连续变化的轴向高频振动冲击能量，该高频冲击能量通过钻头施加在井底岩石作用面上，可有效地提高其瞬时应力集中，从而提高岩石的破碎效率，增大钻井工程中的机械钻速，提高单次钻进深度。
附图说明
[0011]
图1为本发明装置的结构原理示意图；
[0012]
图2为图1a-a处剖面结构图；
[0013]
图3为本发明中上接头的结构示意图；
[0014]
图4为本发明中分水子弹头的剖面结构示意图；
[0015]
图5为本发明中分水子弹头的立体结构示意图；
[0016]
图6本本发明中上扶正轴承剖面结构示意图；
[0017]
图7为本发明中上扶正轴承的俯视结构图；
[0018]
图8为本发明中涡轮轴的平面结构局部剖视图；
[0019]
图9为本发明中涡轮轴的俯视结构图；
[0020]
图10为本发明中涡轮轴的立体结构示意图；
[0021]
图11为本发明中滚轮支架的立体结构示意图；
[0022]
图12为本发明中滚轮支架的侧视图；
[0023]
图13为本发明中正弦导轨的立体结构示意图；
[0024]
图14为本发明中正弦导轨的剖面图。
[0025]
图中：1、上接头，2、保径合金，3、分水子弹头，4、上扶正轴承，4a、上扶正轴承外圈，4b、上扶正轴承耐磨橡胶圈，4c、上扶正轴承内圈，5、涡轮定子第一定位套筒，6、涡轮转子定位套筒，7、涡轮定子，8、涡轮转子，9、壳体，10、涡轮轴，11、涡轮定子第二定位套筒，12、轴用弹性挡圈，13、下扶正轴承，14、锁紧螺栓，15、滚轮支架，16、滚轮，17、导轨螺栓，18、正弦导轨，19、半圆卡环，20、花键套，21、钻头。
具体实施方式
[0026]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限
定本发明，即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。
[0027]
下面结合附图与具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0028]
结合附图，一种井下涡轮驱动实现井底钻头高频增压的钻井提速装置，包括上接头1、涡轮马达系统、壳体9、弹性挡圈12、下扶正轴承13、半圆卡环19、花键套20及钻头21，所述壳体上端通过螺纹与上接头1连接，壳体9下端采用螺纹与花键套20连接，壳体9内部设置有涡轮马达系统，所述涡轮马达系统包括分水子弹头3、上扶正轴承4、涡轮组件和涡轮轴10，所述涡轮轴10设置在壳体9中心并通过上扶正轴承4和下扶正轴承13实现径向限位及扶正，上扶正轴承的具体结构由内到外依次是上扶正轴承外圈4a、上扶正轴承耐磨橡胶圈4b和上扶正轴承内圈4c，涡轮轴10下端为中空设置，并在外圆柱面上设置有多个斜向过流孔，涡轮轴10下端插入钻头中心，并可做轴向转动，所述钻头的外圆柱面设置有花键槽，可与花键套20配合传递扭矩，所述下扶正轴承13下端设置在涡轮轴10中部台阶和壳体9内侧台阶位置，可实现轴向固定，下扶正轴承13上端外侧与涡轮定子第二定位套筒11连接，下扶正轴承13上端内侧由轴用弹性挡圈12实现轴向限位，所述上扶正轴承4设置在涡轮轴10上部，所述涡轮组件包括一组多付涡轮定子7和涡轮转子8，涡轮转子8设置在涡轮轴10上，下端由涡轮轴10的限位台阶实现轴向定位，上端通过涡轮转子定位套筒6与上扶正轴承4连接，并由分水子弹头3通过涡轮轴10上的螺纹实现固定，涡轮定子7组件通过其自身外圈与壳体9内圈配合实现径向定位，轴向通过涡轮定子第一定位套筒5和涡轮定子第二定位套筒11连接并由上接头1通过上扶正轴承4外圈压紧，在涡轮轴10与钻头21之间设置有能将涡轮轴10高速旋转运动转化为具有一定轴向振动冲击能量的运动转换装置，所述运动转换装置包括滚轮16、滚轮支架15、正弦导轨18，所述滚轮16为圆柱形结构，设置在滚轮支架15的多个导槽内部，所述滚轮支架15通过锁紧螺栓14固定在涡轮轴10上，所述正弦导轨18上端面为正弦曲面，滚轮16可在正弦曲面上滚动，所述正弦导轨18下端通过锁紧螺栓17固定在钻头21上，当钻井液驱动涡轮组件运动时，涡轮轴10将该运动传递到滚轮支架15，并带动滚轮16在正弦导轨18上滚动，由于正弦导轨18的导轨是正弦曲面，滚轮16的运动将会周期性挤压正弦导轨18，从而形成轴向的周期性往复振动，并将该振动传递到井底钻头21，对井底岩石形成周期性振动冲击作用。
[0029]
本发明所涉及的钻井提速装置主要采用了涡轮马达作为能量转化装置将高速钻井液的动能转化为机械能并进一步通过运动转化装置将高速旋转的机械能转化为高频周期性振动冲击能量，实现对井底钻头的高频连续性增压，从而提高机械钻速。
[0030]
进一步的，本发明装置采用水力涡轮元件作为动力系统的驱动元件，在钻井液作用下可形成高速旋转，配合正弦导轨18的正弦曲面可进一步增大该装置的轴向振动频率，实现井底钻头的高频增压，提高机械钻速。
[0031]
更进一步的，该装置中，上接头1采用了镶嵌保径合金2的设计方式，能增强工具工作过程中与井壁摩擦的接触强度，减小工具外壁的磨损；并且，在上接头1的外圆柱面上设置有螺旋翼片，可增强该装置的导向性，并提高本发明装置整体的防斜导向能力。
[0032]
更进一步的，该装置中，钻头21上端外圆柱面设置有环形槽，其内布置了半圆卡环19，所述半圆卡环19与花键结构配合，可有效地防止钻头21掉落井底，形成井底落鱼。
[0033]
更进一步的，该装置中，滚轮支架15与正弦导轨18均采用了卡座结构设计，并通过锁紧螺栓14和17分别进行固定，有利于旋转运动扭矩的传递，并减小锁紧螺栓受力，从而间
接地延长其工作寿命。
[0034]
更进一步的，该装置中，分水子弹头3前端设计呈锥形结构，有利于钻井液的流通，下端内侧设置有可与涡轮轴10连接的螺纹，下端外圆柱面上设计有多个锯齿形结构，在该装置安装时有利于拧紧操作。
[0035]
本发明所涉及的钻井提速装置所形成的冲击振动能量的振幅大小及周期分别取决于运动转换装置中正弦导轨的正弦曲面的波幅和涡轮转速及正弦曲面的设计周期，工作过程中，运动转换装置可将涡轮提供的高速旋转运动转换为轴向高频周期性的冲击振动能量，并进一步传递到井底钻头，从而使本发明装置产生高频轴向冲击振动。
[0036]
下面对本发明钻井提速装置的安装顺序及施工使用方法进行说明。
[0037]
本发明钻井提速装置的安装顺序如下：
[0038]
首先将保径合金2镶嵌在上接头1中，滚轮支架15用锁紧螺栓14固定安装在涡轮轴10上，通过轴用弹性挡圈12将下扶正轴承13，将涡轮定子第二定位套筒11、涡轮定子7、涡轮转子8、涡轮定子第一定位套筒5、涡轮转子定位套筒6、上扶正轴承4依次装在涡轮轴上，并用分水子弹头3进行固定，最后将其整体装入壳体9中并用上接头1进行固定，将滚轮导轨18通过导轨螺栓17安装在钻头21上，将花键套20套在钻头21上，将半圆卡环19安装在钻头21的卡槽中，将多个滚轮16放入滚轮支架15对应的圆槽中，并在钻头21、半圆卡环19及花键套20整体放入壳体9中，拧紧花键套20与壳体9的连接螺纹即可将该提速装置全部安装完成。
[0039]
本发明的高频增压钻井提速装置的施工使用方法如下：
[0040]
该装置在进行现场应用中，上接头1与钻柱连接即可直接下入井底，地面泵站泵入高压钻井液驱动涡轮组并带动涡轮轴10高速旋转，涡轮轴10带动与之连螺栓连接的滚轮支架15旋转进而带动滚轮16在滚轮导轨18上高速滚动，由于滚轮导轨18的上表面为正弦曲面，滚轮16在正弦曲面上滚动时将周期性挤压滚轮导轨18，使其产生高频周期性的轴向往复振动，滚轮导轨18将使这一振动直接传递到与之采用螺栓17固定连接的井底钻头21，是的钻头21产生高频轴向振动进行破岩钻进。上接头1所采用的螺旋翼片及保径合金的设计方式将增强该高频提速装置的防斜导向能力，并减小工具外壁的磨损，有利于提高该装置的工作寿命。
[0041]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。