一种水力旋流增压装置及增压方法
【专利摘要】本发明涉及一种水力旋流增压装置及增压方法，其特点主要包括：增压装置本体、支撑连接机构、推力调心滚子轴承单元、滑环组合密封单元、螺旋增压转子。所述的推力调心滚子轴承单元与滑环组合密封单元安装在螺旋增压转子的上下两端，而螺旋增压转子两端通过转子背帽与支撑连接机构的上、下定位导流环连接，进而固定在增压装置本体的水眼内。本发明结构简单、安装方便；在井下连接在钻铤与钻头之间，能够充分利用钻井泥浆在旋转钻柱内的螺旋流动特性及井下水力能量进行连续增压；增压后的高压钻井泥浆经钻头的喷嘴能形成超高压射流，增强井底清洗和携岩效果，并辅助破碎岩石，提高破岩效率和机械钻速，降低钻井成本，具有良好的稳定性和可靠性。
【专利说明】
一种水力旋流増压装置及増压方法
技术领域
[0001]本发明属于石油与天然气工程领域，具体涉及一种水力旋流增压装置及增压方法。
【背景技术】
[0002]随着石油天然气资源勘探与开发的深入，地质条件复杂、机械钻速低、钻井成本增加等为题已成为深井、超深井钻井的显著特征。并且，所钻井深的不断增加，井筒内的钻井液柱压力也不断而增大，对岩肩的压持效应越来越明显，而传统的钻井方式在钻井过程中的水力能量的传输、转换、分配及利用效率也随着井深的增加进一步降低，这直接导致了钻井速度的下降。利用利用地面泥浆栗输出的栗压泥浆作为增压动力，在井底增压并与钻头喷嘴相结合，使钻头喷嘴产生的射流进行井底岩肩清洗和辅助破碎岩石已经成为提高钻井速度、缩短建井周期、降低钻井成本的有效手段。
[0003]但是，在深井或者超深井钻探过程中，钻头喷嘴处难以获得较高的水力压力，这也很大程度上制约了射流清洗井底和辅助破岩的效率。因此，如何通过提高水力能量的传输、转换以及充分利用来改善井底岩石的应力状态和流场分布，今儿提高井底岩肩的清洗和辅助破岩效率，是提高钻井速度必须解决的问题。且在井底增压栗满足钻井各项参数的条件下，如何使得井底增压装置达到所需的最佳效果，也是井底增压装置在设计过程中需要考虑考虑的重要因素之一;其次，如何通过相对简单可行的增压装置结构和原理实现更大的增压比，完成井底净化所需要的冲击力和漫流速度，也是井底增压技术不可忽略的问题。
[0004]目前已经设计出的增压装置包括静式增压装置、分隔式井下增压装置、射流增压装置、离心式井下增压装置、减震增压装置、螺杆井下增压装置等，这些装置多数不能保证连续动力源为钻井泥浆持续增压提供动力，且内部元件的振动和冲击磨损较大，因此会影响井底增压装置的使用寿命。
[0005]基于以上分析，并总结现有井下增压装置的优缺点，本发明专利设计了一种水力旋流增压装置，旨在通过该装置使钻井泥浆在井底产生连续增压，增强井底清洗、携岩及辅助破岩的效率，提尚机械钻速。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于为石油与天然气钻井工程领域提供一种水力旋流增压装置及增压方法。其井底水力增压装置通过安装在增压装置本体水眼内的螺旋增压转子在井底泥浆的螺旋流动及泥浆本身的水力能量的作用下产生连续旋转，进而使泥浆在螺旋流道内随螺旋增压转子旋转的同时连续离心式增压，增压后的超高压钻井泥浆经钻头的喷嘴能形成超高压射流，增强井底清洗、携岩的效率，辅助破碎岩石，提高机械钻速，降低钻井成本。
[0007]为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0008]一种水力旋流增压装置主要由增压装置本体、支撑连接机构、推力调心滚子轴承单元、滑环组合密封单元、螺旋增压转子组成;推力调心滚子轴承单元与滑环组合密封单元安装在螺旋增压转子的上下两端，而螺旋增压转子两端通过转子背帽与支撑连接机构的上定位导流环、下定位导流环连接，进而固定在增压装置本体的水眼内。
[0009]增压装置本体的内部有水眼通孔、上下两端分别有锥形内螺纹，并在水眼内部的上下分别设有定位台阶，上部定位台阶的水眼外壁有定位内螺纹，下部定位台阶上均布有六个定位螺纹孔，分别用以安装和固定上定位导流环、下定位导流环。
[0010]支撑连接机构包括上定位导流环、下定位导流环、转子背帽、内六角定位螺钉;上定位导流环的外侧有外螺纹，下定位导流环的外侧有六组均布的定位螺钉孔，用以将上定位导流环、下定位导流环分别定位在增压装置本体内部水眼的定位台阶上;上定位导流环和下定位导流环的内部有四组均布的导流孔，起导流作用，中心处有台阶孔，以提供推力调心滚子轴承单元、滑环组合密封单元以及螺旋增压转子的安装空间；转子背帽的顶部为圆弧面，起导流、抗冲蚀的作用，内部有螺纹孔，用以连接螺旋增压转子两端，将其固定在上定位导流环、下定位导流环之上。
[0011]推力调心滚子轴承单元包括上推力调心滚子轴承和下推力调心滚子轴承，分别安装螺旋增压转子的上下两端，起支撑调节作用，保证螺旋增压转子能绕轴线旋转，并防止其发生轴向窜动。
[0012]滑环组合密封单元包括上滑环组合密封和下滑环组合密封，分别安装在上定位导流环、下定位导流环的中心台阶孔内；上滑环组合密封和下滑环组合密封均由齿形聚四氟乙烯滑环及O型橡胶圈组成，用以防止井底高压钻井泥浆渗入轴承安装密封腔，造成推力调心滚子轴承单元失效。
[0013]螺旋增压转子的上下两端对称分布有推力调心滚子轴承单元的安装台阶以及与转子背帽连接的外螺纹；中间本体部分的四叶型螺旋流道呈圆周均布;在支撑连接机构及推力调心滚子轴承单元的支撑调节作用下，可以连续的绕轴线旋转。
[0014]井底的钻井泥浆在流经增压螺旋转子时，螺旋增压转子可以充分利用钻井泥浆在旋转钻柱内的螺旋流动及泥浆本身的水力能量作为驱动动力产生旋转，从而使泥浆在螺旋流道内随螺旋增压转子旋转的同时连续增压，增压后的超高压钻井泥浆可以增强井底清洗和携岩效果，并辅助破碎岩石。
[0015]与现有技术相比，本发明的有如下优点:
[0016]1.本发明安装在增压装置本体水眼内的螺旋增压转子能够充分利用钻井泥浆在旋转钻柱内的螺旋流动及泥浆本身的水力能量作为驱动动力产生连续旋转，进而使泥浆在螺旋流道内随螺旋增压转子旋转的同时连续离心式增压，增压后的超高压钻井泥浆经钻头的喷嘴能形成超高压射流，增强井底清洗、携岩的效率，并辅助破碎岩石，提高破岩效率和机械钻速，降低钻井成本。
[0017]2.该增压装置的体积小、结构简单、安装方便，具有良好的稳定性和可靠性，并且对井下环境的依赖较小。
【附图说明】
[0018]图1为水力旋流增压装置的剖视结构示意图；
[0019]图2为水力旋流增压装置沿图1中A-A的剖视示意图；
[0020]图3为水力旋流增压装置沿图1中B-B的剖视示意图；[0021 ]图4为水力旋流增压装置沿图1中C-C的剖视示意图；
[0022]图5为水力旋流增压装置的螺旋增压转子结构示意图；
[0023]图中:1、增压装置本体，21、转子背帽，22、上定位导流环，23、内六角定位螺钉，24、下定位导流环，31、上推力调心滚子轴承，32、下推力调心滚子轴承，41、上滑环组合密封，42、下滑环组合密封，5、螺旋增压转子。
【具体实施方式】
[0024]本发明提出的【具体实施方式】、结构特征及其功效，结合【附图说明】如下:
[0025]如图1所示，一种水力旋流增压装置主要由增压装置本体1、支撑连接机构2、推力调心滚子轴承单元3、滑环组合密封单元4、螺旋增压转子5组成;推力调心滚子轴承单元3与滑环组合密封单元4安装在螺旋增压转子5的上下两端，而螺旋增压转子5两端通过转子背帽21与支撑连接机构2的上定位导流环22、下定位导流环24连接，进而固定在增压装置本体I的水眼内。
[0026]如图1所示，增压装置本体I的内部有水眼通孔、上下两端分别有锥形内螺纹，并在水眼内部的上下分别设有定位台阶，上部定位台阶的水眼外壁有定位内螺纹，下部定位台阶上均布有六个定位螺纹孔，分别用以安装和固定上定位导流环22、下定位导流环24。
[0027]如图1所示，支撑连接机构2包括转子背帽21、上定位导流环22、内六角定位螺钉23、下定位导流环24;上定位导流环22的外侧有外螺纹，下定位导流环24的外侧有六组均布的定位螺钉孔，上定位导流环22、下定位导流环24分别通过螺纹和内六角定位螺钉23定位在增压装置本体I内部水眼的定位台阶上;如图2、图4所示，上定位导流环22和下定位导流环24的内部有四组均布的导流孔，起导流作用，中心处有台阶孔，以提供推力调心滚子轴承单元3、滑环组合密封单元4以及螺旋增压转子5的安装空间；转子背帽21的顶部为圆弧面，起导流、抗冲蚀的作用，内部有螺纹孔，用以连接螺旋增压转子5两端，将其固定在上定位导流环22、下定位导流环24之上。
[0028]如图1所示，推力调心滚子轴承单元3包括上推力调心滚子轴承31和下推力调心滚子轴承32，分别安装螺旋增压转子5的上下两端，起支撑调节作用，保证螺旋增压转子5能绕轴线旋转，并防止其发生轴向窜动。
[0029]如图1所示，滑环组合密封单元4包括上滑环组合密封41和下滑环组合密封42，分别安装在上定位导流环22、下定位导流环24的中心台阶孔内；上滑环组合密封41和下滑环组合密封42均由齿形聚四氟乙烯滑环及O型橡胶圈组成，用以防止井底高压钻井泥浆渗入轴承安装密封腔，造成推力调心滚子轴承单元3失效。
[0030]如图1、图5所示，螺旋增压转子5的上下两端对称分布有推力调心滚子轴承单元3的安装台阶以及与转子背帽21连接的外螺纹；中间本体部分的四叶型螺旋流道呈圆周均布;在支撑连接机构2及推力调心滚子轴承单元3的支撑调节作用下，井底的钻井泥浆在流经增压螺旋转子5时，螺旋增压转子5可以充分利用钻井泥浆在旋转钻柱内的螺旋流动及泥浆本身的水力能量作为驱动动力产生连续的绕轴线旋转，使泥浆在螺旋流道内随螺旋增压转子5旋转的同时连续离心式增压，增压后的超高压钻井泥浆可以增强井底清洗和携岩效果，并辅助破碎岩石，从而提高破岩效率和机械钻速，降低钻井成本。
【主权项】
1.一种水力旋流增压装置主要由增压装置本体、支撑连接机构、推力调心滚子轴承单元、滑环组合密封单元、螺旋增压转子组成；其特征在于:推力调心滚子轴承单元与滑环组合密封单元安装在螺旋增压转子的上下两端，而螺旋增压转子两端通过转子背帽与支撑连接机构的上定位导流环、下定位导流环连接，进而固定在增压装置本体的水眼内。2.根据权利要求1所述的水力旋流增压装置，其特征在于:所述的增压装置本体的内部有水眼通孔、上下两端分别有锥形内螺纹，并在水眼内部的上下分别设有定位台阶，分别用以安装和固定上定位导流环、下定位导流环。3.根据权利要求1所述的水力旋流增压装置，其特征在于:所述的支撑连接机构包括上定位导流环、下定位导流环、转子背帽、内六角定位螺钉;上定位导流环的外侧有外螺纹，下定位导流环的外侧有六组均布的定位螺钉孔，分别定位在增压装置本体内部水眼的定位台阶上;上定位导流环和下定位导流环的内部有四组均布的导流孔，起导流作用，中心处有台阶孔，以提供推力调心滚子轴承单元、滑环组合密封单元以及螺旋增压转子的安装空间;转子背帽的顶部为圆弧面，起导流、抗冲蚀的作用，内部有螺纹孔，用以连接螺旋增压转子两端，将其固定在上定位导流环、下定位导流环之上。4.根据权利要求1所述的水力旋流增压装置，其特征在于:所述的推力调心滚子轴承单元包括上推力调心滚子轴承和下推力调心滚子轴承，分别安装螺旋增压转子的上下两端，起支撑调节作用，保证螺旋增压转子能绕轴线旋转，并防止其发生轴向窜动。5.根据权利要求1所述的水力旋流增压装置，其特征在于:所述的滑环组合密封单元包括上滑环组合密封和下滑环组合密封，分别安装在上定位导流环、下定位导流环的中心台阶孔内；上滑环组合密封和下滑环组合密封均由齿形聚四氟乙烯滑环及O型橡胶圈组成，用以防止井底高压钻井泥浆渗入轴承安装密封腔，造成推力调心滚子轴承单元失效。6.根据权利要求1所述的水力旋流增压装置，其特征在于:所述的螺旋增压转子的上下两端对称分布有推力调心滚子轴承单元的安装台阶以及与转子背帽连接的外螺纹；中间本体部分的四叶型螺旋流道呈圆周均布;在支撑连接机构及推力调心滚子轴承单元的支撑调节作用下，可以连续的绕轴线旋转。7.根据权利要求1所述的水力旋流增压装置，其特征在于:井底的钻井泥浆在流经增压螺旋转子时，可以充分利用钻井泥浆在旋转钻柱内的螺旋流动及泥浆本身的水力能量作为驱动动力产生连续旋转，从而使泥浆在螺旋流道内随螺旋增压转子旋转，并连续的离心式增压，增压后的超高压钻井泥浆可以增强井底清洗和携岩效果，并辅助破碎岩石。
【文档编号】E21B21/00GK106014303SQ201610454576
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】辛男, 辛一男, 杨进, 刘炜超, 闫博, 郑璐, 徐文强
【申请人】中国石油大学(北京)