CN103527077A

CN103527077A - 井下涡轮马达等离子钻井工具

Info

Publication number: CN103527077A
Application number: CN201210227462.8A
Authority: CN
Inventors: 易先中; 高德利; 张军锋
Original assignee: China University of Petroleum Beijing CUPB; Yangtze University
Current assignee: China University of Petroleum Beijing CUPB; Yangtze University
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: CN103527077B

Abstract

本发明涉及一种井下涡轮马达等离子钻井工具，属石油井下钻井工具设计技术领域，其特征在于通过涡轮节（4）将泥浆的水力动能转换成机械扭矩和转速传递给涡轮轴（7），并通过行星齿轮加速器（12）加速，通过永磁式交流发电机（13）将机械能转化为电能，通过脉冲电源发生器（14）将交流电转化为脉冲电压，并通过电缆输出到电极柱；在高场强作用下，由电极间通过的泥浆所产生的等离子体在外电极喷嘴处喷出，从而破碎岩石。本发明克服了传统的钻井方式所造成的钻头磨损，以及需要较高的机械转速和扭矩破碎岩石及容易造成钻具损坏或者卡钻的问题，适合在高温地层环境下的钻井，大幅度的降低了石油钻井成本，具有成本低、效率高、风险小、环境友好的特点。

Description

井下涡轮马达等离子钻井工具

技术领域:

[0001] 本发明涉及一种井下涡轮马达等离子钻井工具，属石油井下钻井工具设计技术领域。

背景技术:

[0002] 现有的石油钻井技术，是通过井下钻头旋转来破碎岩石，从而实现井下钻进的，这种传统的旋转钻井技术，在井下钻进的过程中，存在以下几方面的不足。

[0003] I)传统的旋转钻井技术，井下钻头旋转在破碎岩石时，存在切屑齿的磨损，并且冲击载荷也可能会引起切屑齿的破裂；如果是金刚石钻头，金刚石在较高的温度下，晶体的结构会发生变化，从而影响金刚石钻头的使用寿命，以致耗费大量的时间来更换钻头；另外，钻头对岩石基本是研磨破碎的，存在重复破碎现象，需要提供更高的钻速来提高钻井效率，从而需要井口提供更多的能量输入。

[0004] 2)传统的旋转钻井技术在硬质地层钻进时，容易在钻头上形成偏斜力矩，在复杂地层中可能会发生井斜情况，以致容易出现井壁坍塌等事故。

[0005] 3)传统的旋转钻井技术，钻头在钻进时，钻头的振动(特别是牙轮钻头)会引起钻柱的纵向振动，在钻柱的中性点附近会产生交变的轴向应力。当纵向振动的周期和钻柱本身的固有振动周期相同或成倍数时，就会产生共振现象，使得钻柱的纵向振动幅度急剧增大，通常称之为“跳钻”；严重的跳钻常常造成钻头损坏、钻杆磨损加剧以及迅速的疲劳破坏。

[0006] 4)传统的旋转钻井技术，当井底岩石对钻头扭转的阻力不断变化时，会引起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应力，降低钻柱的使用寿命，特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱可能产生剧烈的扭转，出现称之为“憋跳”的现象。

发明内容:

[0007] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种井下涡轮马达等离子钻井工具，通过涡轮节将泥浆的水力动能转换成机械扭矩和转速，再将机械能转化为高压电能，在高场强作用下，由电极间通过的泥浆所产生的等离子体在外电极喷嘴处喷出，从而破碎岩石；具有成本低、效率高、风险小、环境友好的特点。

[0008] 本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。

[0009] 在井下涡轮马达等离子钻井工具的结构中，设置有上接头、花键轴、扶正轴承、涡轮节、涡轮外壳、轴承组、涡轮轴、下接头、输出轴、连接轴、联轴器、行星齿轮加速器、永磁式交流发电机、脉冲电源发生器、发生器外壳、电极座、外电极、内电极、绝缘密封箱；井下涡轮马达等离子钻井工具的外部壳体由上接头、涡轮外壳、下接头和发生器外壳用螺纹连接而成；上接头的下端与涡轮外壳的上端相连接；涡轮外壳的下端与下接头的上端相连接；下接头的下端与发生器外壳的上端相连接；花键轴、涡轮轴和输出轴依次安装在外部壳体中；花键轴的下端与涡轮轴的上端通过螺纹相连接；涡轮轴的下端与输出轴的上端通过螺纹相连接；在涡轮轴上，依次安装有扶正轴承、涡轮节和轴承组；涡轮轴通过扶正轴承和轴承组支撑在涡轮外壳上；在发生器外壳中，输出轴的下端与连接轴的上端通过螺纹相连接；连接轴的下端通过联轴器与行星齿轮加速器的输入端相连接；行星齿轮加速器的输出端与永磁式交流发电机的输入端相连接；在永磁式交流发电机的下方连接安装有脉冲电源发生器；永磁式交流发电机和脉冲电源发生器安装在绝缘密封箱内；在发生器外壳的下端安装有圆形的电极座；电极柱由内电极和外电极组成；在电极座的中心安装有一个电极柱，在电极座的圆周边均布有三个电极柱；脉冲电源发生器的输出端与电极柱的内电极和外电极之间通过电缆线相连接；内电极采用圆柱棒料结构，外电极的下端面过渡成喷嘴结构；内电极和外电极之间的环形空间能够使泥浆从中顺利流出通过。

[0010] 本发明与现有的技术相比，通过涡轮节将泥浆的水力动能转换成机械扭矩和转速传递给涡轮轴和输出轴，并通过行星齿轮加速器实现转速增大，通过永磁式交流发电机将机械能转化为电能，通过脉冲电源发生器将交流电转化为具有不同相位、不同频率以及不同形状的脉冲电压，并通过电缆输出到电极柱；在高场强作用下，由电极间通过的泥浆所产生的等离子体在外电极喷嘴处喷出，从而破碎岩石；具有成本低、效率高、风险小、环境友好的特点。

附图说明:

[0011] 图1为本发明的总体结构示意图。

[0012] 图2为本发明的电极座部分的结构示意图。

[0013] 图3为本发明的电极柱部分的结构示意图。

[0014] 在图中:1.上接头、2.花键轴、3.扶正轴承、4.涡轮节、5.涡轮外壳、6.轴承组、

7.涡轮轴、8.下接头、9.输出轴、10.连接轴、11.联轴器、12.行星齿轮加速器、13.永磁式交流发电机、14.脉冲电源发生器、15.发生器外壳、16.电极座、17.外电极、18.内电极、

19.绝缘密封箱。

具体实施方式:

[0015] 本发明井下涡轮马达等离子钻井工具由上接头1、花键轴2、扶正轴承3、涡轮节4、涡轮外壳5、轴承组6、涡轮轴7、下接头8、输出轴9、连接轴10、联轴器11、行星齿轮加速器12、永磁式交流发电机13、脉冲电源发生器14、发生器外壳15、电极座16、外电极17、内电极18、绝缘密封箱19组成；井下涡轮马达等离子钻井工具的外部壳体由上接头1、涡轮外壳

5、下接头8和发生器外壳15用螺纹连接而成；上接头I的上端与上部钻柱的外壳相连接；上接头I的下端与涡轮外壳5的上端相连接；涡轮外壳5的下端与下接头8的上端相连接；下接头8的下端与发生器外壳15的上端相连接；花键轴2、涡轮轴7和输出轴9依次安装在外部壳体中；花键轴2的上端与串联的涡轮节的花键轴套相连接，可以将几个涡轮节串联在一起；花键轴2的下端与涡轮轴7的上端通过螺纹相连接；涡轮轴7的下端与输出轴9的上端通过螺纹相连接；在涡轮轴7上，依次安装有扶正轴承3、涡轮节4和轴承组6 ;涡轮轴7通过扶正轴承3和轴承组6支撑在涡轮外壳5上；涡轮节4中的涡轮定子和涡轮转子将泥浆的水力能量转化为具有一定扭矩和速度的机械能作用在涡轮轴7上，使得涡轮轴7获得一定大小的扭矩和转速；泥浆从涡轮节4中流出以后，通过节流外套和节流套输送到涡轮轴7和输出轴9的中空部分；然后通过输出轴9上的流出槽流出；在发生器外壳15中，输出轴9的下端与连接轴10的上端通过螺纹相连接；连接轴10的下端通过联轴器11与行星齿轮加速器12的输入端相连接；通过输出轴9和连接轴10，将涡轮轴7的扭矩与转速传递给行星齿轮加速器12 ;行星齿轮加速器12的输出端与永磁式交流发电机13的输入端相连接；行星齿轮加速器12将从涡轮轴7传递来的扭矩与转速加速后再传递给永磁式交流发电机13,永磁式交流发电机13将扭转运动转化为电能；永磁式交流发电机13是根据外壳的大小来研制的，能够输出较大的电能；在永磁式交流发电机13的下方连接安装有脉冲电源发生器14 ;通过电缆线将永磁式交流发电机13的输出电能传递给脉冲电源发生器14 ；脉冲电源发生器14的电路具有特殊的结构，能够将高压电能转化成具有一定频率、幅值和一定形状的脉冲电压进行输出；永磁式交流发电机13、脉冲电源发生器14安装在绝缘密封箱19内；在发生器外壳15的下端安装有圆形的电极座16 ;电极柱由内电极18和外电极17组成，在电极座16的中心安装有一个电极柱，在电极座16的圆周边均布有三个电极柱；脉冲电源发生器14的输出端与电极柱的内电极18和外电极17之间通过电缆线相连接；通过电缆线将脉冲电源发生器14的输出电能传递给电极柱的内电极18和外电极17 ；内电极18采用圆柱棒料结构，外电极17的下端面过渡成喷嘴结构；内电极18和外电极17之间的环形空间能够使泥浆从中顺利流出通过。

[0016] 泥浆从内电极18和外电极17之间的环形空间流出时，在内电极18和外电极17之间的强电场和高温的作用下，产生高温、高流速、高压力的水射流的等离子弧在喷嘴处喷出，等离子体在极短的时间内在岩石中迅速的膨胀，从而导致局部岩石破裂和破碎。

Claims

1.井下涡轮马达等离子钻井工具，由上接头(I)、花键轴(2)、扶正轴承(3)、涡轮节(4)、涡轮外壳(5)、轴承组(6)、涡轮轴(7)、下接头(8)、输出轴(9)、连接轴(10)、联轴器(11)组成，其特征在于在其结构中设置有行星齿轮加速器(12)、永磁式交流发电机(13)、脉冲电源发生器(14)、发生器外壳(15)、电极座(16)、外电极(17)、内电极(18)、绝缘密封箱(19);井下涡轮马达等离子钻井工具的外部壳体由上接头(I)、涡轮外壳(5)、下接头(8)和发生器外壳(15)用螺纹连接而成；上接头(I)的下端与涡轮外壳(5)的上端相连接；涡轮外壳(5)的下端与下接头(8)的上端相连接；下接头(8)的下端与发生器外壳(15)的上端相连接；花键轴(2)、涡轮轴(7)和输出轴(9)依次安装在外部壳体中；花键轴(2)的下端与涡轮轴(7)的上端通过螺纹相连接；涡轮轴(7)的下端与输出轴(9)的上端通过螺纹相连接；在涡轮轴(7 )上，依次安装有扶正轴承(3 )、涡轮节(4)和轴承组(6 );涡轮轴(7 )通过扶正轴承(3)和轴承组(6)支撑在涡轮外壳(5)上；在发生器外壳(15)中，输出轴(9)的下端与连接轴(10)的上端通过螺纹相连接；连接轴(10)的下端通过联轴器(11)与行星齿轮加速器(12)的输入端相连接；行星齿轮加速器(12)的输出端与永磁式交流发电机(13)的输入端相连接；在永磁式交流发电机(13)的下方连接安装有脉冲电源发生器(14);在发生器外壳(15)的下端安装有圆形的电极座(16);电极柱由内电极(18)和外电极(17)组成，在电极座(16)的中心安装有一个电极柱，在电极座(16)的圆周边均布有三个电极柱。

2.根据权利要求1所述的井下涡轮马达等离子钻井工具，其特征在于永磁式交流发电机(13)和脉冲电源发生器(14)安装在绝缘密封箱(19)内。

3.根据权利要求2所述的井下涡轮马达等离子钻井工具，其特征在于脉冲电源发生器(14)的输出端与电极柱的内电极(18)和外电极(17)之间通过电缆线相连接。

4.根据权利要求3所述的井下涡轮马达等离子钻井工具，其特征在于内电极(18)采用圆柱棒料结构，外电极(17)的下端面过渡成喷嘴结构；内电极(18)和外电极(17)之间的环形空间能够使泥浆从中顺利流出通过。