轴流式井下动力增压钻具的制作方法

轴流式井下动力增压钻具的制作方法
【专利摘要】本实用新型为轴流式井下动力增压钻具，该钻具包括壳体和输出轴，输出轴上端与驱动部件连接，输出轴下部连接有钻头；输出轴与壳体间、输出轴下部内设有钻井液过流通道，输出轴下部钻井液过流通道与钻头上设有的容置空间连通；钻头设有第一喷嘴和第二喷嘴，第二喷嘴与容置空间连通；输出轴由下向上设有中心孔，中心孔上端设有与输出轴外壁导通的过流孔，输出轴下部与钻头之间连接有高压合金钢管，高压合金钢管内由下向上设有钻井液高压流道；中心孔底端通过高压合金钢管内钻井液高压流道、钻头上的第一射流孔与第一喷嘴连通；输出轴上套设有一轴流泵，轴流泵的进液处与过流通道连通，轴流泵的出液处与中心孔上端的过流孔导通，增压后的液体由第一喷嘴射出。本实用新型在钻井液驱动钻头破岩同时，由轴流泵加压部分钻井液进行高压射流辅助破岩，以实现机械和水力联合破岩。
【专利说明】轴流式井下动力增压钻具
【技术领域】
[0001]本实用新型是关于一种井下钻具，尤其涉及一种实现机械和水力联合破岩的轴流式井下动力增压钻具。
【背景技术】
[0002]近年来，浅层油气资源勘探开发程度越来越高，致使剩余浅层资源越来越少，这就导致了深井、超深井钻探工作量逐年上升。但是，深井、超深井钻井速度慢，且易使钻具造成严重磨损或损坏，从而引发事故，亟需新的钻井技术来提高钻井速度，缩短钻井周期，提高勘探开发效益。实验和研究表明，井下动力钻具和超高压喷射钻井技术相结合，能很好解决上述问题。现有的井下动力钻具包括有涡轮钻具和螺杆钻具等。
[0003]涡轮钻具是一种将钻井液所具有的水力能转换成涡轮轴上的机械能并由涡轮轴带动钻头旋转的水力机械；如图3所示,现有典型的涡轮钻具7包括有壳体71,壳体内壁设有涡轮定子73，壳体71中设有涡轮轴72，涡轮轴72上设有与涡轮定子73配合的涡轮转子74，涡轮轴72底部通过联轴器75与输出轴76连接；所述钻头77上设有普通喷嘴771，输出轴76中轴向设有连通的中心孔761、762，输出轴中心孔761上端贯通输出轴外壁并与钻井液流通通道导通；其主要工作原理是，钻井液自钻杆(图中未示出)输入到涡轮钻具，当钻井液从涡轮定子与涡轮转子之间流入时，由于液流方向和速度的改变，会在涡轮转子上产生推力，迫使涡轮转子旋转，从而带动涡轮轴(主轴)及钻头旋转，以实现钻进；同时，钻井液通过中心孔761、762和普通喷嘴771流出，清洁井底，携带岩屑。
[0004]但是，涡轮钻具中钻井液压降较大，降低了钻头的水马力，提速效果不明显，通过大量研究与现场试验发现机械破岩配合超高压喷射钻井技术能大幅度提高钻井速度。目前使用较多的超高压喷射钻井技术是井下增压超高压射流钻井技术，该技术不需要额外的地面设备，易于将常规钻井方式转向超高压射流钻井方式，安全可靠，代表了超高压射流增压方式研究的发展趋势。
[0005]现有的井下增压器主要有:离心式井下增压器，利用离心泵对钻井液进行加压；旁通式井下增压器，利用大面积推小面积增加压力；射流式井下增压器，利用压差使活塞上下运动对钻井液进行加压；钻柱减振式井下增压器，利用钻柱振动，使活塞上下运动对钻井液进行加压；螺杆式井下增压器，利用动力转换体将旋转接头的旋转运动转换为柱塞的往复运动对钻井液进行加压；分隔式井下增压器，运用流体液压传递原理，利用隔膜的软活塞特性对钻井液进行加压；水力增压式井下增压器，利用流体的卷吸作用和激励作用实现增压。但是，上述大多数现有技术只是依靠钻柱旋转带动钻头旋转，钻杆寿命低，易发生井下事故，且有效加压时间较短，效率较低。
[0006]由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种轴流式井下动力增压钻具，以克服现有技术的缺陷。
实用新型内容[0007]本实用新型的目的在于提供一种轴流式井下动力增压钻具，将涡轮钻具与轴流泵有机结合，由钻井液推动涡轮提供动力，在驱动钻头旋转破岩的同时，驱动轴流泵加压部分钻井液，进行闻压射流辅助破岩，实现机械和水力联合破岩，以提闻钻井效率。
[0008]本实用新型的目的是这样实现的，一种轴流式井下动力增压钻具，所述钻具包括有壳体，壳体内设有输出轴，所述输出轴上端通过联轴器与上方驱动部件连接，输出轴下部固定套设有钻头；所述输出轴与壳体之间、输出轴下部内设有钻井液过流通道，输出轴下部钻井液过流通道与钻头上部设有的容置空间连通；钻头下部设有第一喷嘴和第二喷嘴，所述第二喷嘴通过钻头上的第二射流孔与容置空间连通；所述输出轴内由下向上设有中心孔，中心孔上端设有与输出轴外壁导通的多个过流孔，输出轴下部与钻头之间连接有高压合金钢管，高压合金钢管内部有钻井液高压流道；所述中心孔底端通过高压合金钢管内部钻井液高压流道、钻头上的第一射流孔与第一喷嘴连通；位于壳体内的输出轴上套设有一轴流泵，所述轴流泵的进液处与钻井液过流通道连通，轴流泵的出液处与中心孔上端的过流孔导通，增压后的液体顺序通过过流孔、中心孔、高压合金钢管内部钻井液高压流道和第一射流孔由第一喷嘴射出。
[0009]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述轴流泵包括多个叶轮，固定套设于输出轴上，叶轮分为上部叶轮与下部叶轮，上部叶轮主要用于消除钻井液的旋转运动，下部叶轮主要用于对钻井液进行加压，叶轮外部为泵筒。
[0010]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述泵筒上、下部外缘分别连接一与壳体内壁固定连接的环形体；所述环形体上设有多个上下贯通的第一透孔。
[0011]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述井下钻具为涡轮钻具，由涡轮在井下提供动力，该动力一部分带动钻头旋转，一部分带动轴流泵叶轮旋转对部分钻井液进行加压。
[0012]由上所述，本实用新型的轴流式井下动力增压钻具，在输出轴带动钻头转动破岩的同时，一部分钻井液流经过流通道、过流孔、容置空间和第二射流孔由第二喷嘴中喷出，清洁井底，携带岩屑；另一部分钻井液从轴流泵的进液处进入泵体，增压后的液体从轴流泵的出液处流出，并顺序通过过流孔、中心孔、高压合金钢管内部钻井液高压流道和第一射流孔由第一喷嘴射出，进行水力辅助破岩，由此实现水力机械联合破岩，提高钻进速度。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中:
[0014]图1A:为本实用新型轴流式井下动力增压钻具一实施例的结构示意图。
[0015]图1B:为图1A中B-B处剖面结构示意图。
[0016]图2:为本实用新型中轴流泵叶轮的结构示意图。
[0017]图3:为现有涡轮钻具的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【专利附图】

【附图说明】本实用新型的【具体实施方式】。
[0019]如图1A所示，本实用新型提出一种轴流式井下动力增压钻具100，所述钻具包括有壳体I，壳体I内设有输出轴2,所述输出轴2上端通过联轴器与上方驱动部件6连接,输出轴2下部固定套设有钻头4 ;所述输出轴2与壳体I之间设有钻井液过流通道I，输出轴2下部内设有钻井液过流通道32，输出轴2下部设有过流孔23，所述钻头4上部设有容置空间43，所述过流通道I与容置空间43由过流孔23连通；钻头4下部设有第一喷嘴41和第二喷嘴42，所述第二喷嘴42通过钻头上的第二射流孔421与容置空间43连通；所述输出轴2内由下向上设有中心孔22，中心孔22上端设有与输出轴2外壁导通的多个过流孔21 ；输出轴2下部与钻头4之间连接有高压合金钢管3，高压合金钢管3内由下向上设有钻井液高压流道31 ;所述中心孔21底端通过钻井液过流通道31、钻头上的第一射流孔411与第一喷嘴41连通；位于壳体I内的输出轴2上套设有一轴流泵5，所述轴流泵5的进液处与钻井液过流通道I连通，轴流泵5的出液口与中心孔22上端的过流孔21导通；在本实施方式中，所述第二喷嘴42为普通的低压喷嘴，第一喷嘴41为高压射流喷嘴。由上述结构，在输出轴2带动钻头4转动破岩的同时，一部分钻井液流经过流通道1、过流孔23、容置空间43和第二射流孔421由第二喷嘴42中喷出，清洁井底，携带岩屑；另一部分钻井液从轴流泵5的进液处进入泵体，增压后的液体从轴流泵5的出液处流出，并顺序通过过流孔21、中心孔22、钻井液高压流道31和第一射流孔411由第一喷嘴41射出，进行水力辅助破岩，由此实现水力机械联合破岩，提高钻进速度。
[0020]在本实施方式中，如图1A所示，所述井下钻具为涡轮钻具，所述输出轴2上端通过联轴器61与涡轮轴63连接，涡轮轴63上设有涡轮转子631，壳体I内设有与涡轮转子631对应的涡轮定子632。钻具工作时，钻井液进入涡轮定子632，涡轮定子632使钻井液按一定的方向和速度进入涡轮转子631，驱动涡轮转子631旋转，将钻井液的液体能量转变为机械能量，使涡轮轴63转动并传递给输出轴2使输出轴旋转；输出轴2带动轴流泵5对部分钻井液进行加压，被加压的钻井液通过第一喷嘴41喷出；同时，输出轴2带动钻头4旋转，旋转的钻头4和第一喷嘴41喷出的钻井液共同作用，实现水力机械联合破岩，能够有效提高钻进速度；未被加压的钻井液则经过过流通道1、过流孔23、容置空间43和第二射流孔421由第二喷嘴42中喷出，清洁井底，携带岩屑，由此提高钻井效率。
[0021]进一步，所述输出轴2安装有径向止推轴承62，径向止推轴承62外缘设有与所述钻井液过流通道I导通的多个孔道621。
[0022]进一步，如图2，在本实施方式中，所述轴流泵5包括设有多上部叶轮52与下部叶轮55，当叶轮旋转时，对液体作用有轴向推力，将机械能转变为部分钻井液动能，对部分钻井液进行加压。
[0023]进一步，在本实施方式中，所述轴流泵上部叶轮52与下部叶轮55设在轴流泵5泵筒54的内；所述泵筒54与壳体I内壁之间具有环形空间O (该环形空间O构成了钻井液过流通道I的一部分)；泵筒54上部、中部外缘分别连接与壳体I内壁固定连接的环形体51、53 ;所述环形体51、53对应所述环形空间O设置，环形体51、53上分别设有多个上下贯通的第一透孔511、531 ;在本实施方式中，所述环形体51与环形体53之间设有第二调节筒56。
[0024]由上所述，本实施方式中的轴流式井下动力增压钻具将涡轮钻具与轴流泵有机结合，提供了一种水力机械联合破岩的新式井下动力增压钻具；该钻具工作时，钻井液进入涡轮定子，涡轮定子使钻井液按一定的方向和速度进入涡轮转子，驱动涡轮转子旋转，将钻井液的液体能量转变为机械能量，使涡轮轴转动并传递给输出轴使输出轴旋转；输出轴带动轴流泵的叶轮旋转，对部分钻井液进行加压，被加压的钻井液通过输出轴的过流孔、中心孔、高压合金钢管内钻井液高压流道、钻头的第一射流孔和第一喷嘴喷出，进行水力辅助破岩；同时，输出轴带动钻头旋转，旋转的钻头和第一喷嘴喷出的钻井液共同作用，实现水力机械联合破岩，有效提高了钻进速度；未被加压的钻井液则经过过流通道、过流孔、容置空间和第二射流孔由第二喷嘴中喷出，清洁井底，携带岩屑，由此提高钻井效率。
[0025] 以上所述仅为本实用新型示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。
【权利要求】
1.一种轴流式井下动力增压钻具，所述钻具包括有壳体，壳体内设有输出轴，所述输出轴上端通过联轴器与上方驱动部件连接，输出轴下部固定套设有钻头；其特征在于:所述输出轴与壳体之间、输出轴下部内设有钻井液过流通道，输出轴下部钻井液过流通道与钻头上部设有的容置空间连通；钻头下部设有第一喷嘴和第二喷嘴，所述第二喷嘴通过钻头上的第二射流孔与容置空间连通；所述输出轴内由下向上设有中心孔，中心孔上端设有与输出轴外壁导通的多个过流孔，输出轴下部与钻头之间连接有高压合金钢管，高压合金钢管内部设有钻井液高压流道；所述中心孔底端通过高压合金钢管内部钻井液高压流道、钻头上的第一射流孔与第一喷嘴连通；位于壳体内的输出轴上套设有一轴流泵，所述轴流泵的进液处与钻井液过流通道连通，轴流泵的出液处与中心孔上端的过流孔导通，增压后的液体顺序通过过流孔、中心孔、高压合金钢管内部钻井液高压流道和第一射流孔由第一喷嘴射出。
2.如权利要求1所述的井下动力增压钻具，其特征在于:所述轴流泵包括多个叶轮，固定套设于输出轴上，叶轮分为上部叶轮与下部叶轮，上部叶轮主要用于消除钻井液的旋转运动，下部叶轮主要用于对钻井液进行加压，叶轮外部为泵筒。
3.如权利要求2所述的轴流式井下动力增压钻具，其特征在于:所述泵筒上、下部外缘分别连接一与壳体内壁固定连接的环形体；所述环形体上设有多个上下贯通的第一透孔。
4.如权利要求1所述的轴流式井下动力增压钻具，其特征在于:所述井下钻具为涡轮钻具，由涡轮在井下提供动力，该动力一部分带动钻头旋转，一部分带动轴流泵叶轮旋转对部分钻井液进行加压。
【文档编号】F04D29/18GK203655159SQ201420023506
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】王志浩 申请人:中国石油大学(北京)