井下防涡增压工具的制作方法

本发明主要涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探行业井下作业设备领域，具体是一种井下防涡增压工具。

背景技术：

随着浅部油气藏的开发殆尽，深井、超深井的数量逐年增加，在钻井过程中，主要采用地面驱动钻柱旋转的方式，通过数千米长的钻柱将扭矩传递至井底钻头旋转破岩，并依靠钻柱的自重对钻头施加钻压。钻柱在高速自转的同时受到轴向压力的作用，极易发生屈曲，从而造成钻柱旋转时的质量偏心，并与井壁发生剧烈的摩擦碰撞，随着这种情况的不断加剧，就会造成钻柱在自转的同时也会绕井眼的轴线公转，钻柱的这种运动就称为涡动。钻柱发生涡动后就会导致强烈的横向振动，加速钻柱与井壁或套管之间的磨损及钻柱的疲劳失破坏，并且还会大大影响地面转盘的输出功率，引发钻头在井底的不稳定性，降低其工作效率和使用寿命，甚至造成严重的井下事故的发生，从而增大钻井综合成本，延长钻井周期。目前国内外防止钻柱涡动的方法主要是在理论计算的基础上，对钻柱的转速和振动进行监测，当测量的数据达到或超过涡动发生的临界值时，即认为井下发生了钻柱涡动，采取的主要措施是降低钻柱的转速和减小钻压，虽然降低了涡动的影响，但也降低了钻井效率。因此急需设计研发一种能够有效防止钻柱涡动发生的工具，还能保持钻井时的转速和钻压不变，即不能影响钻井效率，还要满足钻具组合在井眼轨迹控制方面的工艺要求，这对于延长钻柱和钻头在深井、超深井钻井过程中的使用寿命，确保井下钻井安全，具有重要意义。

技术实现要素：

为了有效防止钻柱涡动的发生，并保持钻井时的转速和钻压不变，即不能影响钻井效率，满足钻具组合在井眼轨迹控制方面的工艺要求，本发明的目的是为提供一种能够为石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等的现场提供井下防涡增压工具。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种井下防涡增压工具，包括外壳体、稳定模块、内齿圈、行星轮、太阳轮、传动轴、固定模块以及增压装置；

所述稳定模块安装在外壳体上部外壁并与外壳体构成旋转配合，所述传动轴安装在外壳体内部并与其之间形成环空；

所述内齿圈固定安装在稳定模块的内部，所述行星轮安装在外壳体上，所述太阳轮安装在传动轴上，且所述行星轮与太阳轮啮合，所述内齿圈与行星轮啮合；

所述增压装置包括外筒以及内轴，二者之间形成环空；所述外筒与外壳体的内壁固定且二者之间形成环空，所述内轴与传动轴连接；所述外筒和内轴之间通过交错分布的凸起形成流体增压通道；

所述传动轴为设有轴向内流道的中空结构，其下端设有径向的旁通孔与流体增压通道连通；所述增压装置的外筒下部设有护板，其上设有喷嘴与流体增压通道连通。

进一步的，所述传动轴上部安装导流罩；导流罩内加工流道，并与传动轴的轴向内流道连通。

进一步的，井下防涡增压工具，还包括安装在外壳体内壁上的上压板和下压板，其中所述上压板安装在外壳体内壁与传动轴之间，位于太阳轮的上部，所述下压板安装在外壳体内壁与传动轴之间，位于太阳轮的下部；所述上压板与下压板上都加工有导流孔，且所述上压板与下压板的导流孔互相连通，并均与外壳体内壁与增压装置外筒外壁之间的空间连通。

进一步的，所述增压装置的内轴可采用叶轮结构或螺杆结构。

进一步的，所述稳定模块和外壳体之间安装轴承和密封装置。

进一步的，所述外壳体内壁上安装多组固定模块，所述增压装置的外筒通过固定模块与外壳体内壁连接。

进一步的，所述固定模块为均布的3组。

进一步的，所述稳定模块的外表面加工螺旋棱或直棱，并在其表面安装防磨齿。

本实用新型安装在底部钻具组合中，将钻柱与井壁之间的摩擦力转化为钻柱与井壁之间的相对高速转动，降低涡动的危害性，同时将涡动能量吸收，驱动增压装置为钻柱内的部分钻井液增压，弥补地面机泵能力的不足，并且还具有常规稳定器的功能，能够满足钻具组合轨迹控制的工艺要求。井下防涡增压工具能有效降低深井、超深井钻井过程中钻柱涡动的不利影响，保护钻柱防止疲劳损坏，确保井下钻井安和提高钻井速度。同时，井下防涡增压工具还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点，便于批量制造和大范围推广应用。

附图说明

图1是本发明的井下防涡增压工具结构示意图。

图2是本发明的井下防涡增压工具A-A截面示意图。

图3是本发明的井下防涡增压工具B-B截面示意图。

图中：1-外壳体、2-密封装置、3-稳定模块、4-轴承、5-内齿圈、6-行星轮、7-上压板、8-太阳轮、9-下压板、10-固定模块、11-导流罩、12-传动轴、13-旁通孔、14-增压装置、15-护板、16-喷嘴、17-导流孔。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明。

如图1-3，井下防涡增压工具主要外壳体1、密封装置2、稳定模块3、轴承4、内齿圈5、行星轮6、上压板7、太阳轮8、下压板9、固定模块10、导流罩11、传动轴12、旁通孔13、增压装置14、护板15、喷嘴16、导流孔17组成。稳定模块3安装在外壳体1外部，与外壳体1之间安装密封装置2和轴承4。内齿圈5安装在稳定模块3的内部，行星轮6安装在外壳体1上，太阳轮8安装在传动轴12上，内齿圈5与行星轮6啮合，行星轮6与太阳轮8啮合。上压板7安装在外壳体1内壁与传动轴12之间，位于太阳轮8的上部，下压板9安装在外壳体1内壁与传动轴12之间，位于太阳轮8的下部，上压板7与下压板9上都加工有导流孔17。传动轴12上部安装导流罩11，传动轴12上加工旁通孔13，下部连接增压装置14，增压装置14下部安装护板15，护板15上加工有喷嘴16，增压装置14的外壁与外壳体1内壁之间安装固定模块10。

在深井、超深井钻井过程中，井下防涡增压工具根据要求安装在底部钻具组合中。钻井液由井下防涡增压工具的上部进入，由于导流孔17直接与下部空间连通，流道大流动阻力小，因此大部分钻井液都会经过导流孔17进入增压装置14外壁与外壳体1内壁之间的空间，然后继续向下流向钻头，少部分钻井液经过导流罩11内部流道进入传动轴12 ，经旁通孔13进入增压装置14，然后经过护板15上的喷嘴16流出，与其他钻井液会合流向钻头，虽然流动阻力较大，但钻井液仍会充满上述空间。由于稳定模块3的外径大于钻柱的外径，因此稳定模块3的外部先与井壁发生接触，接触摩擦力就会阻碍并降低稳定模块3的转速，而外壳体1是与钻柱连接的，其转速与钻柱转速相同，且不受井壁摩擦的影响，因此就造成了稳定模块3与外壳体1之间的相对转速越来越大。稳定模块3与井壁之间的摩擦力产生的扭矩经过内齿圈5、太阳轮8、行星轮6传递至传动轴12，驱动传动轴12高速转动，进而驱动增压装置14开始工作。增压装置14启动后，对其内部的钻井液进行增压并迅速向下排出，这部分高压钻井液经过护板15的喷嘴16流向钻头。在增压装置14内部的高压钻井液排空的过程中，就会在导流罩11内部流道的入口处形成负压，使得部分钻井液具有被“吸入”的趋势，而其他大部分钻井液仍会通过导流孔17直接流向钻头，这样就提高了流向钻头的钻井液的压力，从而增大了钻头出口的水功率，有利于钻速的提高。上述过程循环进行，就将导致钻柱涡动的摩擦力转化为增加钻井液压力的能量，有效防止了钻柱涡动的发生，达到了化害为利的目的。井下防涡增压工具能够大幅提高钻柱旋转时的稳定性，这有利于防止钻柱过早的疲劳损坏，增大钻头处的有效钻压，提高深井、超深井的钻井速度。

现场试验结果表明，利用井下防涡增压工具能够平均提高钻井效率43.2%-81.9%，节省钻井周期8-15天，且钻井质量符合设计标准，实现了低能耗、高效率钻井的目的。