一种气体钻井用井下往复式柱塞泵和井下钻具组合的制作方法

本发明涉及石油、天然气钻井装备，特别地，涉及一种气体钻井用井下往复式柱塞泵和井下钻具组合。

背景技术：

1、目前国内油气资源勘探难度越来越大，开采目标已转向低产、低压、低渗等难开采油气藏，难开采油气藏中包含大量水敏、盐敏、碱敏及碎屑岩地层，并且存在钻井滤液作用后渗透率急剧降低的问题，利用常规钻井方法很难实现储层保护或发现新气藏。国内外实践经验表明，利用气体钻井技术更加有利于发现和保护油气层；而利用水平井可以增加单井控制面积，有效提高单井产量，产能，延长单井生产时间，还可减少耕地征用和环境污染，具有显著的经济效益。水平井与气体钻井技术的结合能最大限度解放油气层，为发现和合理开发低压低渗油气藏开辟新径，但由于缺乏稳定的井下动力源而导致气体钻井无法实现滑动钻进和主动的轨迹控制，导致该技术无法很好地应用于实际工作中。

2、目前气体钻井井下动力传输装置主要有两种，一是气体直接驱动螺杆或涡轮马达产生旋转机械能；二是气体驱动空气锤或自转式空气锤产生冲击能破岩。其中空气螺杆由于气体可压缩导致输出扭矩、转速不稳定、易飞车，无法满足钻井要求。自转式空气锤由气体驱动，需要非常高的压力才能实现有效钻进，做功时工况恶劣，钻具整体寿命短，现场实用性差。以上方式均是由气体直接驱动执行机构做功，稳定性差，难以控制，应用面小。

3、中国专利cn104213829a公开了一种气体钻井井下动力钻具，包括双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔液排气传动短节。双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔液排气传动短节采用螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封；密封垫设置在双作用液压动力短节和密闭循环式液驱马达之间。然而，进一步研究表明，该发明的液压动力传输短节对气体压力需求高、适用性差，性能难以满足气体钻井要求。

4、中国专利cn105484665a公开了一种用于气体钻井技术钻定向井、水平井和大斜度井，利用气驱液自循环，能够平稳输出扭矩的气体钻井螺杆钻具；包括从上至下依次连接的马达总成、万向轴总成和传动轴总成，马达总成包括叶片、进气口、凸轮、气缸、活塞、连杆、排气口、进液口、液缸、液体单向阀、储液腔、排液口、注液腔、注液孔、防掉帽、转子、定子和马达总成壳体；气体钻井时，利用地面注入的高压气体推动活塞高速往复运动，驱动螺杆内部不可压缩液体实现自循环运动。该发明利用地面注入的高压气体推动活塞高速往复运动，驱动螺杆内部不可压缩液体实现自循环运动，从而实现气体钻井定向钻进作业。但是该装置和方法对地层要求高，不适用于钻水平井。

5、因此，亟需一种适用于水平井的气体钻井工具为发现和合理开发低压低渗油气藏开辟新径。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足的至少一项，本发明的目的之一是提供一种可以适用于水平井的气体钻井柱塞泵。

2、为实现上述目的，本发明一方面提供了一种气体钻井用井下往复式柱塞泵。

3、所述柱塞泵包括：泵外管、柱塞缸、柱塞组件、油流接管、配气套和测试接头，其中，配气套和测试接头分别螺纹连接在泵外管的两头；泵外管套设在柱塞缸外侧；柱塞缸包括缸体和缸盖，缸盖上设置有缸盖通道；缸体与所述配气套之间形成第一腔室；柱塞组件设置在所述缸体中；柱塞组件与缸体之间形成有第二腔室，第二腔室通过缸盖通道与油流接管连通。

4、根据本发明的一个示例性实施例，所述缸体可包括沿轴线方向设置的1个竖直贯穿孔和4～7个周向贯穿孔；每个周向贯穿孔与竖直贯穿孔之间通过连接孔相连通。

5、根据本发明的一个示例性实施例，所述竖直贯穿孔孔径为1～1.4cm；所述周向贯穿孔孔径为1.5～1.8cm。

6、根据本发明的一个示例性实施例，所述柱塞组件可包括柱塞、吸油阀套和排油阀套，其中，柱塞、吸油阀套和排油阀套从所述配气套端至所述测试接头端排列在同一轴线上；柱塞上开设有柱塞进油口，柱塞底部中空，内嵌有吸油阀套；排油阀套设置于缸盖之上，部分嵌入缸体周向贯穿孔中。

7、根据本发明的一个示例性实施例，所述吸油阀套可包括吸油阀缸套、吸油阀钢球、吸油阀弹簧、内挡环和限位钢球；吸油阀钢球、吸油阀弹簧、内挡环依次连接，吸油阀缸套套设在吸油阀钢球和吸油阀弹簧外侧；内挡环上设置有限位钢球。

8、根据本发明的一个示例性实施例，所述排油阀套可包括排油阀缸套、排油阀钢球和排油阀弹簧，其中，排油阀钢球与排油阀弹簧连接，排油阀缸套套设在排油阀钢球和排油阀弹簧外侧。

9、根据本发明的一个示例性实施例，所述排油阀套靠近缸盖的一端可设置有一对o型密封圈。

10、根据本发明的一个示例性实施例，所述柱塞泵还可包括回程组件；回程组件设置第一腔室中，套设在柱塞上，能够保证柱塞恢复初始状态。

11、根据本发明的一个示例性实施例，所述回程组件可包括回程盘和复位弹簧，其中，复位弹簧套设在柱塞之上，回程盘上设置有周向孔，柱塞穿过周向孔，且其靠近配气套的一端能够与回程盘一起往复运动。

12、根据本发明的一个示例性实施例，所述油流接管可包括高压接管和低压接管，其中，高压接管开口大的一端与缸盖刚性承插连接，开口小的一端与测试接头刚性承插连接；低压接管贯穿插入高压接管中，两者之间有供液体介质流过的间隙；低压接管两端分别与缸盖、测试接头呈刚性承插连接。

13、根据本发明的一个示例性实施例，所述高压接管和所述低压接管两端可各设置有一对o型密封圈。

14、根据本发明的一个示例性实施例，所述柱塞泵还可包括一端与缸盖螺栓连接，一端嵌于测试接头，中间贯穿有高压接管的止动套筒。

15、根据本发明的一个示例性实施例，所述测试接头上设置有出口和入口，所述测试接头的出口用于与液压马达连接，以形成供液体介质流动的封闭回路。

16、根据本发明的一个示例性实施例，所述配气套用于连接气体冲击器。

17、另一方面，本发明提供了一种井下钻具组合，所述井下钻具组合包括如上所述的柱塞泵和井下动力传输装置，所述井下动力传输装置包括气体冲击器和液压马达，所述气体冲击器与所述配气套连接，所述液压马达与所述测试接头连接。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

19、(1)通过冲击器持续撞击往柱塞传递动量，克服了现有技术将气动活塞和液压柱塞通过刚性连接导致稳定性差、难以控制和应用面小的缺陷。

20、(2)现有技术是由气体直接传输动力，由于气体可压缩，属于弹性驱动，稳定性差，难以控制。本发明将通过冲击增压方式将能量传递给液体，利用液体的不可压缩特性，变弹性为刚性，为气体钻井提供稳定的井下动力。

21、(3)解决了气体直接驱动马达转子因气体压缩、泄露导致的动力不足以及适用性差的问题。

22、(4)采用不可压缩的液压油作为介质在密闭腔室与液压马达内传递动力，输出动力稳定、可控制性强，可以满足气体钻井需要，有效解决了气体钻水平井、定向井和大位移井的井下动力传输问题，是破解气体钻井定向钻进难题的有力武器。

23、(5)本发明能够使气动冲击器所产生的冲击能量稳定、持续地转换为液压马达旋转动力，弥补了直接由气体驱动执行机构做功的不足，促进了气体钻井井下动力钻具的研制。