CN103452482B - 锥形齿轮组换向井下脉冲射流增压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能够产生超高压脉冲空化射流的锥形齿轮组换向井下脉冲射流增压装置，应用于提高深井、超深井钻井速度。该增压器装置包括旁通阀总成、动力总成、换向总成、增压空化总成等四部分，是超高压脉冲空化射流辅助钻井专用的一种井下增压工具。该装置下端直接与钻头相接。正常钻进时钻井液经旁通阀驱动螺杆马达为井下增压装置提供动力，经锥形齿轮组密封换向机构作用，使螺杆马达的旋转运动转化为柱塞上下往复运动，使一部分钻井液达到脉冲增压的目的。由于柱塞的往复运动使流体形成超高压脉冲式流动，通过工具底端空化喷嘴作用形成超高压脉冲空化射流，传至井底破碎岩石提高钻井破岩效率和携岩效率，达到快速破岩的目的。
Description
技术领域
发明专利涉及一种深井、超深井提速钻井装置，该装置具有井下增压和产生脉冲空化射流双功能，可以提高深井钻井速度。
背景技术
随着石油天然气资源向深部地层的勘探与开发，深井、超深井成为钻井的难题，机械钻速低、钻井成本高是其显著特征。超高压射流技术联合机械破岩是高效破岩的有效手段之一，目前已有的增压装置包括静压式增压装置、射流式增压装置、减震增压装置等，这些增压装置的内部结构复杂，不能确保连续动力源为钻井液增压提供动力，且内部元件振动冲击和磨损较大，工作寿命较短。在深井钻井中，如果增压装置能够获得持续的动力来源，那样就可以实现连续增压的效果。目前，国内已有螺杆马达增压装置，结构简单，但其换向机构都是通过元件之间滑动接触实现动力转换，没有良好的润滑系统，直接裸露在钻井液的环境中，钻井液中颗粒会增加换向机构的损坏程度，这对工具元件使用寿命影响很大，因此影响了工具在井下的连续作业时间。
水力脉冲空化射流能够产生水力脉冲、空化空蚀、瞬时负压三种效应，从而改变井底流场和岩石的受力状态，能够提高机械钻速。
基于以上分析，为了克服现有增压装置换向机构元件滑动接触磨损的不足，并结合成熟的脉冲空化射流技术，设计了锥形齿轮组换向井下脉冲射流增压装置，该装置不仅将换向机构改为齿轮咬合传动，降低装置内部元件的磨损，而且能产生高效破岩的脉冲空化射流。
发明内容
本发明的目的是提供一种可靠的井下增压提速装置，将部分钻井液进行井下增压，经柱塞总成和空化喷嘴作用最终产生超高压脉冲空化射流，在深井钻井中提高射流辅助破岩效率。本发明通过螺杆马达为井下增压提供了连续动力源，降低对外部环境的依赖，克服增压装置因内部零件磨损导致寿命短和不能持续提供增压效果的缺陷，并利用脉冲空化射流高效破岩的能力。
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：整个装置分为旁通阀总成、动力总成、换向机构总成和增压空化总成四部分。该装置自上向下具体安装有：旁通阀、螺杆马达、传动装置、锥形齿轮组换向机构、连杆、过滤筒、柱塞、柱塞缸体、进液阀、排液阀、空化喷嘴。锥形齿轮组换向机构是由一组锥形齿轮和一个曲轴连杆机构构成，主动齿轮与传动装置同轴相连，带动从动齿轮运动，曲轴与从动齿轮同轴相连，从动齿轮带动曲轴运动，从而带动连杆上下往复运动。螺杆马达作为该装置的动力源，传动装置上端连接螺杆马达，下端连接锥形齿轮组换向机构。螺杆马达通过传动装置带动锥形齿轮组换向机构的主动齿轮一起旋转，通过从动齿轮与曲轴连杆的作用将螺杆马达的旋转运动转换为上下往复运动，从而带动过滤筒和柱塞作上下往复运动，实现对部分钻井液增压至超高压钻井液，由于柱塞的往复运动，增压的钻井液呈脉冲式流动，并且通过装置底部空化喷嘴形成超高压脉冲空化射流，大幅提高破岩效率，提高钻井速度。
本发明采用技术成熟的螺杆马达技术和水力脉冲空化射流技术。所设计的锥形齿轮组换向机构，结构简单，密封性强，润滑效果好，磨损低，使用寿命长。柱塞上端所安装的过滤筒，防止岩屑等颗粒进入，减少对单向阀、柱塞缸体和喷嘴的磨损。进液阀安装在柱塞内部，排液阀和空化喷嘴设计安装在柱塞缸体内部，减小了装置体积。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明
图1为本发明专利的装置纵剖面构造图；
图2为图1中A-A图，为从主视图中换向总成壳体断面图。
图中1.旁通阀，2.螺杆马达，3.传动装置，4.锥形齿轮组换向机构，5.主动锥形齿轮，6.从动锥形齿轮，7.曲轴，8.连杆，9.过滤筒，10.滤砂网，11.防滑销钉，12.柱塞，13.柱塞缸体，14.进液阀，15.排液阀，16.空化喷嘴，17.喷嘴套螺母。
具体实施方式
在图1中，旁通阀(1)下端与螺杆马达(2)上端通过丝扣连接，动力源螺杆马达(2)下端通过丝扣与传动装置(3)连接，传动装置(3)与锥形齿轮组换向机构(4)的主动齿轮(5)连接，随着螺杆马达(2)一起转动，钻井液通过传动装置(3)上的出液口流入工具内部；锥形齿轮组换向机构(4)内部主动齿轮(5)与传动装置(3)同轴相连，主动齿轮(5)带动从动齿轮(6)运动，曲轴(7)与从动齿轮(6)同轴相连，从动齿轮(6)带动曲轴(7)运动，从而带动连杆(8)上下往复运动，曲轴(7)旋转一周，柱塞(12)完成一个往复周期，即该装置完成一次增压过程；连杆(8)连接过滤筒(9)上端，过滤筒(9)表面安装有滤砂网(10)，过滤筒(9)通过销钉(11)与柱塞(12)相连接，柱塞(12)内部为空腔，过滤筒内腔与柱塞内腔连通，随着曲轴(7)运动，连杆(8)带动过滤筒(9)和柱塞(12)上下往复运动，过滤筒(9)上加工有多个进液孔，部分钻井液通过过滤筒(9)流入柱塞(12)内；在柱塞(12)内部下端安装有进液阀(14)，当柱塞(12)上行时，进液阀(14)打开，柱塞缸体(13)内排液阀(15)关闭，钻井液进入柱塞缸体(13)；当柱塞(12)下行时，进液阀(14)关闭，排液阀(15)打开，柱塞(12)对柱塞缸体(13)内液体加压，从而达到对流入柱塞内部钻井液增压的目的；由于柱塞(12)往复运动，增压流体呈脉冲式流动，增压流体通过柱塞缸体(13)下端的空化喷嘴(16)形成最终的超高压脉冲空化射流。
为了组装方便，整个装置分为四部分，即旁通阀总成、动力总成、换向机构总成和增压空化总成，每个部分通过螺纹连接。换向机构总成部分壳体内部加工有台阶和槽，便于锥形齿轮组换向机构(4)安装与通过防滑螺栓固定；锥形齿轮组换向机构(4)为一密封盒体，内部充满润滑油，保证齿轮和曲轴运动的润滑性；过滤筒(9)外面安装有滤砂网(10)，过滤筒通过防滑销钉(11)与柱塞(12)连接，避免岩屑磨损单向阀、柱塞、柱塞缸体和喷嘴。进液阀(14)安装在柱塞(12)内部，排液阀(15)和空化喷嘴(16)安装在柱塞缸体(13)内部，减小了装置体积。空化喷嘴(16)通过喷嘴套螺母(17)和内槽固定在柱塞缸体(13)内。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，其中并未详细述及的部分均为本领域普通
技术人员的公知常识，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种锥形齿轮组换向井下脉冲射流增压装置，整个装置分为四部分，从上向下的顺序为旁通阀总成、动力总成、换向机构总成和增压空化总成，其特征是：该装置从上而下安装有旁通阀、螺杆马达、传动装置、锥形齿轮组换向机构、过滤筒、柱塞、柱塞缸体；
所述锥形齿轮组换向机构是一个内部充满润滑油的密封盒体，所述密封盒体内部具有一组锥形齿轮和曲轴连杆机构，所述一组锥形齿轮包括一个主动齿轮和一个从动齿轮，所述主动齿轮和所述从动齿轮呈垂直咬合；
所述传动装置上端加工有丝扣以连接螺杆马达，下端通过轴与所述主动齿轮同轴连接，所述传动装置下部加工有多个出液孔；
所述曲轴连杆机构中的曲轴的一侧穿过所述从动齿轮，另一侧靠近所述密封盒体的壁面，所述曲轴的两侧均安装滑动轴承；
所述从动齿轮带动所述曲轴连杆机构往复运动，将所述螺杆马达的旋转运动转换成所述柱塞的往复运动；
所述柱塞内部安装有进液阀，所述柱塞缸体内部安装有空化喷嘴和排液阀，空化喷嘴位于排液阀下端。
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