一种井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置

1.本实用新型涉及海洋油气开采设备技术领域，特别涉及一种井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置。


背景技术：

2.目前，钻井作业的高成本一定程度上限制了非常规油气、深层油气和海洋油气的经济高效开发，而钻井效率是影响钻井成本的主要因素之一。利用高效破岩钻井技术，提高钻井机械钻速，缩短建井周期，提升油气开发效益显得非常重要，而超高压水射流技术的引入有效提高了钻井效率。
3.超高压喷射钻井技术涉及两个技术难点，包括钻井液的增压和钻井液的传输方式。目前其增压方式有两种：地面增压和井下增压。随着钻井深度的增加，采用地面增压方式时，钻井液运至钻头时压力明显不足，故该方式并未得到广泛应用，近些年来，已有不少国内外研究机构开始着手对井下增压器的研究，其构思是取消地面超高压系统来实现井底增压。但截止目前，井下增压装置的研制仍然属于探索阶段，还未出现较为成熟的产品应用于钻井现场。
4.结合以上研究现状，本实用新型提出一种井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置，将增压器安装在钻头与钻柱之间，然后利用钻柱的旋转机械能对钻井液做功，将一部分存在一定压力的钻井液进一步增压，然后直接从钻头高压喷嘴中射出，达到水力破岩与机械破岩联合作用的效果，对喷射钻井技术的发展将提供了一定的借鉴。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：
7.本实用新型一种井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置，包括油管、钻井连续管、供电总成、辅助增压器总成、电机总成、钻头和电机外壳，所述电机外壳、钻头、电机总成和辅助增压器总成均位于电机总成和辅助增压器总成，所述电机总成包括转轴、定子铜芯段、定子铁芯段、永磁体块、止推轴承、电机头、电机端盖、扶正轴承和定子绕组，电机总成上下贯通，电机总成为低速高扭矩永磁同步电机，所述辅助增压器总成包括排油路、连续管端部、顶盖阀芯、滑靴、缸体、滚动体、进油路和柱塞，所述钻头为聚晶金刚石复合钻头，包括钻井液中央流道、钻头基体、金刚石粒、切削刃、正向喷嘴和正向喷嘴流道。
8.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述供电总成还包括供电电缆、电缆插头、配电柜，电缆插头一端与配电柜连接，另一端穿过连续油管，且电机外壳的外侧设置有凹槽。
9.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述辅助增压器总成还包括油路外壳、电机端轴体、轴承、柱塞缸、柱塞帽、顶盖阀芯和油管端轴体，油路外壳壳体开设有油道，柱塞
缸通过轴承固定于油路外壳内，柱塞布置于柱塞缸圆周均匀柱塞孔中，柱塞帽一端与顶盖阀芯固连，另一端与对应柱塞形成球面副约束，顶盖阀芯在油路外壳内以一定角度倾斜与油管端轴体连接，顶盖阀芯在油路外壳内倾斜布置，一端与连续油管端球铰连接，另一端均匀布置的柱塞帽与对应柱塞球铰连接，油路外壳与电机端轴体内腔相通。
10.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述连续管端部的一端与钻井连续管相连，另一端与顶盖阀芯通过球面副配合，且连续管端部分别与进油路和排油路通过过盈配合连接，滑靴通过焊接固连在顶盖阀芯上，顶盖阀芯与缸体轴线倾斜成15
°
角。
11.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述柱塞一端放置在缸体沿圆周均匀布置的柱塞孔中，另一端与滑靴通过球面副配合，缸体的端部开有吸排油窗口，转轴与缸体之间间通过花键连接，进油路和排油路分别与电机外壳通过过盈配合连接。
12.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述进油路和排油路靠近端部的位置设置有凹槽，缸体与进油路和排油路之间设有滚动体，滚动体嵌入凹槽之中。
13.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述钻井液中央流道的端部加工有螺纹槽，钻头与转轴之间通过螺纹连接，钻头的下端设有6个破岩喷嘴。
14.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
15.1.本实用新型针对超高压喷射钻井技术钻井液流至钻头时压力不足以及现阶段井下增压装置不够成熟的问题，公开了一种井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置，实现了钻井液的辅助增压，提高了钻井效率。
16.2.本实用新型针对目前多数增压装置都是基于液压转换机构来设计，普遍都存在制造难度大成本高、振动冲击大零部件磨损严重、增压器工作寿命较短、能量转化效率不高等问题，公开了一种井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置，不仅结构简单，使其在恶劣条件下的可靠性提高，而且不需要复杂的液压转换机构。
附图说明
17.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
18.图1为新型的井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置的示意图；
19.图2为新型的井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置的a-a剖视图；
20.图3为钻头的剖视图；
21.图4为新型的井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置的b-b剖视图；
22.图中：1、供电总成；2、辅助增压器总成；3、电机总成；4、钻头；5、电机外壳；6、排油路；7、连续管端部；8、顶盖阀芯；9、滑靴；10、缸体； 11、滚动体；12、进油路；13、转轴；14、定子铜芯段；15、定子铁芯段； 16、永磁体块；17、止推轴承；18、电机头；19、电机端盖；20、扶正轴承； 21、柱塞；22、定子绕组；23、钻头基体；24、金刚石粒；25、切削刃；26、正向喷嘴；27、正向喷嘴流道；28、钻井液中央流道。
具体实施方式
23.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
24.其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。
25.实施例1
26.如图1-4所示，本实用新型提供一种井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置，包括油管、钻井连续管、供电总成1、辅助增压器总成2、电机总成 3、钻头4和电机外壳5，电机外壳5、钻头4、电机总成3和辅助增压器总成 2均位于电机总成3和辅助增压器总成2，电机总成3包括转轴13、定子铜芯段14、定子铁芯段15、永磁体块16、止推轴承17、电机头18、电机端盖19、扶正轴承20和定子绕组22，电机总成3上下贯通，电机总成3为低速高扭矩永磁同步电机，辅助增压器总成2包括排油路6、连续管端部7、顶盖阀芯8、滑靴9、缸体10、滚动体11、进油路12和柱塞21，钻头4为聚晶金刚石复合钻头，包括钻井液中央流道28、钻头基体23、金刚石粒24、切削刃25、正向喷嘴26和正向喷嘴流道27。
27.进一步的，供电总成1还包括供电电缆、电缆插头、配电柜，电缆插头一端与配电柜连接，另一端穿过连续油管，且电机外壳5的外侧设置有凹槽。
28.辅助增压器总成2还包括油路外壳、电机端轴体、轴承、柱塞缸、柱塞帽、顶盖阀芯和油管端轴体，油路外壳壳体开设有油道，随柱塞的往复运动实现钻井液的吸入与加压排出，柱塞缸通过轴承固定于油路外壳内，柱塞21 布置于柱塞缸圆周均匀柱塞孔中，柱塞帽一端与顶盖阀芯固连，另一端与对应柱塞21形成球面副约束，顶盖阀芯在油路外壳内以一定角度倾斜与油管端轴体连接，顶盖阀芯在油路外壳内倾斜布置，一端与连续油管端球铰连接，另一端均匀布置的柱塞帽与对应柱塞球铰连接，电机端轴体转动带动柱塞缸旋转，进而带动顶盖阀芯转动，导致油路外壳腔内体积变化，从而完成钻井液的吸入与排出，油路外壳与电机端轴体内腔相通，经增压后的钻井液可直接通过该通道到达钻头4，在钻头4高压破岩喷嘴中射出，达到水力破岩与机械破岩联合作用的效果。
29.连续管端部7的一端与钻井连续管相连，另一端与顶盖阀芯8通过球面副配合，且连续管端部7分别与进油路12和排油路6通过过盈配合连接，滑靴9通过焊接固连在顶盖阀芯8上，顶盖阀芯8与缸体10轴线倾斜成15
°
角。
30.柱塞21一端放置在缸体10沿圆周均匀布置的柱塞孔中，另一端与滑靴9 通过球面副配合，缸体10的端部开有吸排油窗口，转轴13与缸体10之间间通过花键连接，进油路12和排油路6分别与电机外壳5通过过盈配合连接。
31.进油路12和排油路6靠近端部的位置设置有凹槽，缸体110与进油路12 和排油路6之间设有滚动体11，滚动体11嵌入凹槽之中。
32.钻井液中央流道28的端部加工有螺纹槽，钻头4与转轴13之间通过螺纹连接，钻头4的下端设有6个破岩喷嘴，破岩喷嘴为钻井液输入到井底、破碎岩石并将岩石碎块冲离井底提供了路径。
33.具体的，供电总成1、辅助增压器总成2、电机总成3、钻头4和电机外壳5，供电总成1还包括供电电缆、电缆插头、配电柜，供电插头一端与配电柜连接，另一端穿过连续油管，通过电机外壳布置的凹槽插在电机的插孔内，实现给电机的供电，电机外壳5、钻头4、电机总成3和辅助增压器总成2均位于电机总成3和辅助增压器总成2，电机总成3包括转轴13、定子铜芯段 14、定子铁芯段15、永磁体块16、止推轴承17、电机头18、电机端盖19、扶正轴承20和定子绕组22，电机总成3上下贯通，电机总成上下贯通，钻井液可以通过转轴的中空结构传输到钻头4内，从而满足钻井作业时钻井液循环的要求，电机总成3为低速高扭矩永磁同步
电机，辅助增压器总成2包括排油路6、连续管端部7、顶盖阀芯8、滑靴9、缸体10、滚动体11、进油路 12和柱塞21；
34.连续管端部7的一端与钻井连续管相连，另一端与顶盖阀芯8通过球面副配合，且连续管端部7分别与进油路12和排油路6通过过盈配合连接，滑靴9通过焊接固连在顶盖阀芯8上，顶盖阀芯8与缸体10轴线倾斜成15
°
角，柱塞21一端放置在缸体10沿圆周均匀布置的柱塞孔中，另一端与滑靴9通过球面副配合，缸体10端部开有吸/排油窗口，转轴13与缸体10间通过花键连接，进油路12和排油路6分别与电机外壳5通过过盈配合连接，在进油路12和排油路6靠近端部的位置设有凹槽，为了减小辅助增压器总成2工作时的摩擦阻力，在缸体10与进油路12和排油路6之间设有滚动体11，滚动体11嵌入凹槽之中，当电机工作时，转轴13带动缸体10旋转，当转轴13 按照图2所示方向旋转时，位于b-b剖面后半部分的柱塞逐渐伸长，密闭工作腔体积变大，经过地面增压泵增压的高压钻井液经过进油路12进入工作腔中，b-b剖面前半部分的柱塞不断缩回，密闭工作腔体积不断减小，工作腔内的钻井液通过排油路6流入中空的转轴13中，随着传动轴13的旋转，每个柱塞21不断往复输送钻井液，多个柱塞21作用形成连续的流量输出；
35.钻头4为聚晶金刚石复合钻头，包括钻井液中央流道28、钻头基体23、金刚石粒24、切削刃25、正向喷嘴26、正向喷嘴流道27，钻井液中央流道 28端部加工有螺纹槽，钻头4与转轴13间通过螺纹连接，转轴13内的高压钻井液经过钻井液中央流道28后，通过正向喷嘴26喷出，喷嘴为钻井液输入到井底，破碎岩石并将岩石碎块冲离井底提供了路径。
36.综上所述，本实用新型公开了一种井下动力钻具用高压水射流辅助增压装置，不需复杂液压转换机构，结构简单，借助于电机轴旋转动力完成了钻井液的吸入与加压排出，加压后的钻井液经电机轴内腔流至钻头，然后直接从钻头高压喷嘴中射出，达到水力破岩与机械破岩联合作用的效果，提高了钻井效率，节省了钻井成本。
37.最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。