专利名称：长寿命无橡胶元件的新型涡轮钻具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种供石油勘探开发、地热开发，特别是钻深井和超深井用的长寿命无橡胶元件的新型涡轮钻具。
新型涡轮钻具是一种具有柔特性的涡轮式井下马达，它属于流体力学和轴流式涡轮机械的应用技术领域。
背景技术：
在石油钻井作业中，涡轮钻具的作用是将钻井液的动能转变为机械能。由于它能将功率集中于井底而直接带动钻头旋转以破碎岩石，实现钻井进尺。所以，不仅其功率利用程度高于常规的转盘钻井，而且可大幅度地提高机械钻速和行程钻速，从而可缩短建井周期，降低钻井成本，详见文献1。目前，在实际生产中使用的常规涡轮钻具有的仍采用橡胶-金属轴向推力轴承和橡胶径向扶整轴承，使用寿命短，其平均工作寿命仅为20-50小时，需要频繁更换轴承易损件，文献2虽然也说明是一种无橡胶件的涡轮钻具，但它采用了寿命较低的二支点推力球轴承和普通的径向扶正轴承，本专利采用寿命较高的四支点推力球轴承和硬质合金扶正轴承。为了解决定、转子之间的轴向间隙调整困难，特别是在由多个涡轮节组成的复式涡轮钻具中，节与节间的轴向间隙调整很不方便，并且涡轮节间不能互换，这就影响了涡轮钻具的工作效率，文献3虽然也采用了独立悬挂式的涡轮节结构，但它采用的是独立上悬挂，本专利采用了调节更为方便独立下悬挂结构。文献4介绍了带浮动定子的涡轮钻具，虽然克服了调整轴向间隙的麻烦，但是，定、转子间的摩擦损失比较大，实际出力减小，效率较低，且定子销容易损坏，大大降低了其使用效果，一般只适用于浅井和清水钻井作业。
本实用新型的目的是提供一种长寿命无橡胶元件的新型涡轮钻具，以用于石油勘探开发，地热开发，特别是可用来钻深井和超深井。
本实用新型的技术方案为采用独立悬挂和混合悬挂两种方案。混合悬挂是上部有一个或两个独立悬挂式涡轮节，下部有一个带有独立支承节的非悬挂式涡轮节组成的复式涡轮钻具，下部的支承节既可独立使用，又可作为下部涡轮节的悬挂部分，充分地利用了支承节的结构功能，并改善了独立支承节的受力状况。独立悬挂是上部配2～3个独立悬挂涡轮节，下部配有一个独立支承节的复式涡轮钻具，对接和调整更加方便。本专利的悬挂式涡轮节采用下悬挂方式。
本实用新型的设计要点是无橡胶元件，以往的橡胶径向轴承被硬质合金结构的轴承所代替。轴向推力轴承组具有自均载性的组合结构，并采用特种新型复合材料制成，具有超高的耐磨性和长寿命。所有球轴承组的内座圈与涡轮主轴相连或与支承节轴相连接，而外座圈与外壳相连接，通过钢球使涡轮节主轴独立地悬挂在外壳上。在涡轮节中装有多级定子和转子，定子通过接头被压紧在外壳内，而转子通过花键压紧螺母压紧在主轴上。在外壳或轴的相关部位设有调节套用来调节涡轮定、转子之间的工作间隙。本专利中所有轴承组均采用开式钻井液润滑，为了防止钻井液中较粗颗粒的固相进入轴承组，在轴承组前均设置有固相分离器和环式节流结构；由于轴向推力轴承组采用了特种新型复合材料，轴承组的工作寿命可达150-200小时以上。此外，涡轮定、转子的寿命可长达1000-1500小时。
有益效果 与现有国内外相同性能的涡轮钻具相比，它具有较低的压降，以解决目前涡轮钻具压降过高的问题；本专利采用新材料和新工艺，获得了长寿命的承载元件，使涡轮钻具的行程工作寿命大幅度提高，以解决目前涡轮钻具行程寿命较低的难题；取消了所有的橡胶元件，以适应在高温的苛刻环境下工作。
附图所示为本实用新型涡轮钻具的半剖面结构示意图。图中(1)(16)(25)上接头、(2)(26)花键压紧螺母、(3)(9)(18)(19)(20)(21)(29)(35)调整套、(4)(30)TC径向轴承、(5)定子(6)转子、(7)(22)涡轮轴、(8)(17)(32)壳体、(10)(28)(36)环隙节流装置、(11)(12)(27)固相分离器、(13)(31)轴承组、(14)(23)(33)下接头、(15)(24)花键套、(34)支承节轴。
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明钻具上部接钻铤和钻杆，下部支承节与钻头相连。在附图的涡轮钻具结构中，轴承组采用新型高耐磨的四支点推力球轴承(13)，用以承受涡轮转子(6)产生的水力载荷，而轴承组(31)既要承受来自涡轮的水力载荷又可承受钻压。所有四支点球轴承组在装配前都需经过加载预跑合，以达到均载的目的。四支点轴承的内座圈与主轴(7)或(34)相连接，外座圈与外壳(8)或(32)相连接，从而通过钢球使涡轮的主轴悬挂在外壳上。这种悬挂式结构大大改善了涡轮节主轴(7)或(22)的受力状况，减少了径向轴承(4)的偏摩擦，有利于提高径向轴承的寿命。在涡轮外壳(8)和(17)内装有多级定子(5)和转子(6)，定子通过接头(1)和(14)或接头(16)和(23)分别压紧在外壳内，而转子通过压紧螺母(2)压紧在主轴(7)或(22)上。以定、转子串联的型式组成了井下泥浆马达，以产生钻井时破碎岩石所需的功力。定子(5)和转子(6)之间的工作间隙可以通过有关调整套来调节，一般应调整到上部小下部大，以确保轴承组磨损后仍有足够的工作间隙。本实用新型调节方法简单可靠，每个涡轮节的定、转子工作间隙各自调节，互不相关，且相同型号的涡轮节可以互换，这样在使用上就非常方便。此外，在钻井液进入轴承组的腔体前，分别设有固相分离器(11)和(27)，此结构是利用沉降原理，将钻井液中质量较大、颗粒较粗的固相与质量较小、颗粒较细的固相分离开采，使得含质量较大、颗粒较粗固相的钻井液进入定、转子环空，并经支承节主轴(34)的内孔流入钻头喷咀再进入上返的环形空间；让含质量较小、颗粒较细固相的钻井液进入轴承腔内，对轴承组进行润滑和冷却，以减轻轴承的磨损。在支承节的下部设有环隙节流装置(36)，以限制进入支承节轴承腔内的钻井液流量，使得进入轴承腔内的钻井液流量适当。
实施例 实施本实用新型最好的方式是首先要解决四大技术难点。一是采用计算流体力学和计算机仿真技术，以获得效率高而压降又较低的涡轮定子(5)和转子(6)；二是采用新材料和新工艺，以获得长寿命的承载元件，即轴承组(13)和(31)，使涡轮钻具的行程工作寿命大幅度提高；三是在结构设计上取消所有的橡胶元件，以适应在高温的苛刻环境下工作；四是采用计算机软件，精确计算涡轮定、转子的轴向压缩量，以获得最优的涡轮定、转子工作间隙。此外，实施单位应具有深孔和长轴加工的能力，具有安装调试用的大型液压动力拆装架，以及供新型涡轮钻具测试用的实验台架。
参考文献1．符达良许福东.近十年国内外涡轮钻井技术的发展水平.石油机械.1996.24(3):54～592．Patent(No,Date):SU 1784077 A3.Publication Yrar:19923．[法]泰拉斯波尔斯基著.李克向等译.井下液动钻具.石油工业出版社.19914．戴静君姜义忠著.现代涡轮钻具结构性能.石油大学学报.1995.19(2):117～12权利要求1．长寿命无橡胶元件的新型涡轮钻具是一种上部有1个或2个独立悬挂式涡轮节，下部有一个带有独立支承节的非悬挂式涡轮节组成，或者是一种上部有2～3个独立悬挂式涡轮节，下部由一个独立支承节组成的复式涡轮钻具，其特征在于上涡轮节和支承节中采用多级串联式四支点金属推力球轴承组(13)和(31)，上涡轮节用下悬挂方式通过钢球使涡轮节主轴(7)独立地悬挂在壳体(8)上，而下部涡轮节主轴通过花键套(24)的锥面和支承节轴内的轴承组悬挂在壳体(32)上。
2．根据权利要求1所述的涡轮钻具，其特征在于在涡轮节中装有多级定子(5)和转子(6)，定子通过接头(1)和(14)被压紧在外壳内，而转子通过压紧螺母(2)压紧在主轴上，在壳体或轴的相关部位设有调节套(3)和(9)等用来调节涡轮定、转子之间的工作间隙。
3．根据权利要求2所述的涡轮钻具，其特征在于无橡胶元件，传统的橡胶径向轴承被硬质合金轴承(4)所代替，轴向推力轴承组具有自均载性，并采用特种新型材料制成。
4．根据权利要求1、2、3所述的涡轮钻具，其特征在于涡轮钻具中所有轴承组均采用开式钻井液润滑，为了防止钻井液中较粗颗粒的固相进入轴承组，在轴承组前均设置有固相分离器(11)和(27)。
5．根据权利要求4所述的涡轮钻具，其特征在于在支承节的下部设有环隙节流装置(36)，以限制进入支承节轴承腔内的钻井液流量。
专利摘要本实用新型涉及一种供石油勘探开发,特别是钻深井和超深井用的长寿命无橡胶元件涡轮钻具。它属于流体力学和涡轮叶片式机械的技术领域。专利采用计算流体力学技术获得了效率高而压降又较低的涡轮副,以解决目前涡轮钻具压降高的问题;将新材料和新工艺用于均载推力轴承组的设计,可获得长寿命的承载元件,使涡轮钻具的行程工作寿命大幅度提高,以解决目前涡轮钻具行程寿命较低的难题;无橡胶元件,以适应在高温的苛刻环境下工作。
文档编号E21B17/00GK2339741SQ9724990
公开日1999年9月22日 申请日期1997年11月15日 优先权日1997年11月15日
发明者符达良 申请人:符达良