一种带平衡单元的涡轮式泥浆脉冲发生器的制作方法

本实用新型属石油开采工程设备领域，特别涉及到涡轮式泥浆脉冲发生器。

背景技术：

近年来，世界能源供求形式日益严峻，国际油价持续走高，国际大石油公司之间的竞争日趋激烈，现有油田不断枯竭，勘探开发活动正越来越多的面向环境更恶劣、地层情况更复杂的地区，油气藏勘探、开发、评价、生产等环节都对测井技术提出了更高层次的要求。通过测井作业降低成本的压力，要求测井作业最少的占用井场时间，提高测井效率；能够实时的采集数据，更快速的识别目的层，更准确的确定地层参数，提高每口井眼的采收率，井下工况环境信息及时的获取，变得十分的重要，随钻测量(MWD)技术作为一种先进的测井技术得到了广泛的应用，MWD工具的工作需要通过泥浆脉冲等形式将其所测量的井底工况信息传回地面控制系统，能为井底钻具组合提供准确地钻井指导信号，提高钻井效率，节约钻井成本。

传统脉冲发生器的脉冲发生机构多使用偏心阀，如NOV水力振荡器所使用的脉冲发生装置为端面密封式偏心阀，其偏心运动所引起的钻柱径向振动对LWD等井下测量工具的信号测量及传输的干扰较大，且该机构的偏心阀阀芯与阀座端面之间摩擦较大，使用特殊材料及加工方法处理成本较高。另外，NOV工具的动力系统中的螺杆定子采用了对高温高压环境较敏感的橡胶元件，在深井及超深井等恶劣环境中不适用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种带平衡单元的涡轮式泥浆脉冲发生器，不仅可以产生连续的泥浆脉冲，而且本实用新型自带压力平衡单元，可产生沿轴向向上的作用力直接作用在涡轮轴上，以降低推力轴承负载、延长其使用寿命。而对于一般井下工具来讲，推力轴承的使用寿命决定了该工具的寿命，故本实用新型间接地延长了本实用新型在实际工程使用时的工作时长。另外，本实用新型对钻井工程井下工具具有良好的使用性，可安装在钻柱的任意位置使用。如配以适当的振动短节，即可构成一种井下涡轮式水力振荡器。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种带平衡单元的涡轮式泥浆脉冲发生器，其特征在于：包括动力系统、压力平衡单元及脉冲发生装置，所述压力平衡单元的平衡单元固定套11外圈与壳体4内圈形成配合，再通过套筒实现轴向定位使压力平衡单元固定于动力系统和脉冲发生装置之间；动力系统和脉冲发生装置通过动力系统的涡轮轴5下端螺纹和阀芯13内螺纹连接，动力系统、压力平衡单元及脉冲发生装置通过上接头1和下接头14由壳体4两端螺纹实现紧固连接。

所述动力系统包括上接头1、壳体4、子弹头2、涡轮轴5、上扶正轴承3、涡轮组6、下扶正轴承8，涡轮轴5下端中心开设有长孔，所述长孔连接了旋转阀下游与压力平衡单元内腔，涡轮组6安装在涡轮轴5上，在涡轮组6上下侧分别设置有上扶正轴承3和下扶正轴承8，在上扶正轴承3的上侧设置有子弹头2，子弹头2通过螺纹与涡轮轴5上端连接。

所述子弹头前端为圆锥形。

压力平衡单元包括平衡单元固定套11、推力轴承10和轴承端盖9；平衡单元固定套11外圈与壳体4内圈形成配合，平衡单元固定套11内圈与涡轮轴5形成配合，在所述平衡单元固定套11内部设置有推力轴承10，所述推力轴承由轴承端盖9通过螺栓固定在平衡单元固定套11内并与涡轮轴5台阶实现轴向限位。

脉冲发生装置包括径向密封式旋转阀系统及下接头14，所述径向密封式旋转阀系统的包括阀芯13和阀座12，阀芯13和阀座12在其圆周面上对称设有两个过流孔，在阀芯13的圆柱面上设置有截面为锥形的通孔，所述通孔的两截面边界均通过所述阀芯13中心轴，并在阀芯13下端留有圆环结构以增加阀芯的结构强度，在阀座12的圆柱面上按镜像方式设置了两个截面形状为矩形的长孔，所述阀座12下部中心孔端面设置有大倒角，并在所述阀座12下部端面均匀设置了多个小孔，阀芯13上部内侧设置有圆环形内腔，并在其上端面对称式设置有两个小孔，将所述环形内腔与外界接通。

本实用新型的有益效果为；

1.本实用新型工具自带压力平衡单元，能有效地降低推力轴承负载，延长轴承的工作时长，从而延长本实用新型的实际使用寿命。

2.采用涡轮作为动力来源，将高压钻井液的动能转化为高速旋转的机械能，能量转化成本低，易于实现。同时，本工具为全金属元器件，能有效地抵抗深井及超深井恶劣的工作环境，保证本实用新型长时间、可靠的工作。另外，本实用新型在涡轮轴上使用了两对扶正轴承，能有效地保证涡轮轴的同心度，使本工具在工作时能维持很好的精确度，提高钻井有效性。

3.本实用新型在所使用的涡轮轴下端中心设置了长孔，并在长孔底部延涡轮轴径向开设有通孔，通过该长孔和通孔实现将旋转阀系统下游低压引入压力平衡单元的低压腔，方法简易，加工成本低。

4.本实用新型使用了一种径向密封式旋转阀系统，在阀芯下端留有部分圆环结构，该结构能减小阀芯在工作过程中变形破坏现象发生的可能性，加强了阀芯在实际工作中的可靠性。另外，本实用新型工具将阀芯与阀芯设置为同一个零件，减少了零件数量，且安装方便。

5.本实用新型在所使用的旋转阀系统的阀座下端中心孔处设置有大倒角，能有效地增加钻井液在旋转阀下游流出时的流通性，降低钻井液对与本工具下端连接的工具的冲蚀磨损。另外，在阀座下端面延圆周方向均匀布置了多个小孔，可通过设置小孔数量及尺寸以改变系统脉冲压力性能，为钻井提供适当的压力控制方法。

6.本实用新型的子弹头上部设计成圆锥形状，能有效地使工具入口的钻井液均匀平缓过渡，减小钻井液对本工具的冲蚀磨损作用，使钻井液在进入第一级涡轮转子时对其伤害最小。另外，在子弹头的中部圆柱外表面设置了多个键齿结构，能增加使用上紧工具上紧子弹头时的摩擦力，使本实用新型在装配时的上紧工作更方便，使子弹头能有效地压紧涡轮组，保证工具的可靠性。

7.本实用新型工具整体结构简洁，易于加工制造，压力脉冲调控方便，能够降低生产成本。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为涡轮轴结构示意图；

图3为子弹头的结构示意图；

图4为平衡单元固定套结构示意图；

图5为径向密封式旋转阀系统部分装配结构示意图；

图6为旋转阀系统阀芯的结构示意图；

图7为旋转阀系统阀座的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说本实用新型的具体实施方式。

参见图1-7，本实用新型的上接头1、壳体4、下接头14分别通过普通圆柱螺纹连接，压力平衡单元的平衡单元固定套11外圈与壳体4内圈形成配合。压力平衡单元套装在涡轮轴5上，布置在所述动力系统和所述脉冲发生装置之间。所述动力系统和所述脉冲发生装置通过动力系统的涡轮轴5下端螺纹和阀芯13的内螺纹连接。

动力系统包括涡轮轴5、子弹头2、上扶正轴承3、涡轮组6以及下扶正轴承8。下扶正轴承8下端与涡轮轴5台阶贴紧，通过套筒零件与涡轮组6及上扶正轴承3相连，最后由子弹头2通过螺纹与涡轮轴5连接实现轴向限位，压紧涡轮组6、上扶正轴承3和下扶正轴承8。当高压钻井液流过涡轮组时，钻井液与涡轮之间产生相互作用力，涡轮元件将高压钻井液的动能转化为涡轮转子高速旋转的机械能，涡轮转子将旋转运动传递到涡轮轴，使涡轮轴作旋转运动，为旋转阀系统提供动力来源。所述子弹头2前端为锥形，可减少钻井液的能量损耗。子弹头2通过螺纹与涡轮轴5上端连接，以压紧涡轮组6。

压力平衡单元包括平衡单元固定套11、阀芯13、推力轴承10、子弹头29。平衡单元固定套11外圈与壳体配合，外圈轴向通过套筒进行固定，内侧套在涡轮轴5上。推力轴承10设置在平衡单元固定套11上部内侧，其左侧下部通过通过套筒限位，左侧上部通过平衡单元固定套11台阶面限位，右侧下部通过涡轮轴5台阶限位，右侧上部通过子弹头2限位，子弹头2通过螺栓与平衡单元固定套11连接。通过上述限位方式将推力轴承10固定在平衡单元固定套11上部内侧。阀芯13上侧与涡轮轴5通过螺纹连接，使平衡单元固定套11与承压端之间形成一个空腔，通过涡轮轴5下端中心孔及径向通孔将下游低压引入所述空腔，将所述空腔变为低压腔，与上游高压间形成压力差，在所述压力差作用下产生了沿轴向向上的作用力，所述作用力通过作用在涡轮轴5上，降低了推力轴承的负载，从而延长的所述推力轴承的工作时长。径向密封式旋转阀系统包括阀芯13和阀座12。阀芯13下侧圆柱面开设有长孔，所述长孔边界为斜面且两斜面均过阀芯13轴线，并在阀芯13下端留有圆环结构，以增强阀芯的结构强度。在阀座12上部圆柱面设置有矩形通孔，使钻井液通过所述通孔并从阀芯长孔流出；在阀座12下端中心孔处设置有大倒角，可增加钻井液在旋转阀系统的出流效果，增强其流动性；在阀座12下端面延周向均匀布置有多个小孔，当旋转阀系统圆柱面通流面积最小或关闭时，使钻井液可通过旋转阀，防止系统产生憋压现象对工具造成破坏。阀芯13通过螺纹与涡轮轴5连接，在动力系统中涡轮轴5所输出的旋转运动的驱动下，阀芯13高速旋转，使阀芯13与阀座12之间的通流开口交错重叠，从而将连续流动的高压钻井液转变为间歇式的泥浆脉冲。