CN104141457A

CN104141457A - 钻井增压提速器

Info

Publication number: CN104141457A
Application number: CN201310162825.9A
Authority: CN
Inventors: 赵军友; 徐晓娜; 徐依吉; 邹俊艳; 刘祥猛; 张蕊蕊; 束奇; 张振国; 王秀会; 万法伟; 王雷; 兰凯
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-11-12

Abstract

本发明提供了一种钻井增压提速器，用于石油钻井时提高钻井钻速。该装置包括：动力机构、换向与过滤机构、增压系统和增压器钻头系统共四大部分。螺杆马达的输出轴带有外花键，与带有内花键的旋转芯轴配合一起旋转；旋转芯轴的外部设计有两个螺旋槽，与销轴、推力轴承、连接螺栓、过滤筒体等一起组成了外螺旋槽式换向机构；在该机构的作用下，螺杆马达的旋转运动转换成柱塞的直线往复运动，将过滤后的一部分液体在增压腔内增至超高压，超高压液体通过排出阀、超高压流道流向钻头内的超高压喷嘴，达到切割岩石、加速钻进的目的。

Description

钻井增压提速器

技术领域

本发明涉及一种钻井增压提速器，用于石油钻井时提高钻井速度。

背景技术

90年代以来，随着深井、超深井在油田所占的比例越来越大，钻进中遇到的地层越来越坚硬，井下环境也越来越复杂，钻井过程中遇到的问题也日益突出，比如钻井速度大幅度下降、由于沿途压力损耗而导致井底液流几乎没有破岩能力等等。因此，在现代钻井工业中，如何提高钻井速度、缩短钻井周期、降低钻井成本，引起了国内外研究人员的高度重视，并对此展开了大量的研究。国内外钻井增压的发展，大致可以分为三个阶段：地面全增压、地面局部排量增压和井下增压器增压。

地面全增压和地面局部排量增压，最早都是出现在上世纪七八十年代的美国，该技术的缺点是：首先，整个增压管路密封要求高，现场应用需相应钻井系统与之匹配，安全性差；其次，在管路中流动的泥浆压力损耗大，能效比差，增压能力有限。对于井下增压器增压技术，先后出现了静压式和射流式两种增压器，该技术的缺点是：都有一套复杂的换向阀系统和较多的流道，结构复杂而且娇小，降低了可靠性，同时增加了加工难度。还有涡轮离心式井下增压器，该技术的缺点是：由于涡轮的转速较高，需要设计特殊的减速器与之匹配；为了满足必要的压力要求，必须采用多级离心泵，从而系统比较复杂，降低了系统的可靠性。斜坡式井下增压器，该结构的缺点是：换向机构中，两接触面磨损严重，对复位弹簧的性能要求较高，而且该装置轴向分力很大，对螺杆钻具中的推力轴承产生很大的载荷冲击，使其寿命下降。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有井下增压装置的不足，提供一种钻井增压提速器，实现射流破岩、快速钻进。

本发明的技术方案：整个钻井增压提速器包括动力机构、换向与过滤机构、增压系统、增压器钻头系统四大部分组成，通过螺纹连接起来，组成一个整体。工作时，将组装好的整套装置接于常规钻铤的下方，随钻柱下入井底。

动力机构采用特殊设计的螺杆马达，螺杆马达输出轴设计成外花键，与带有内花键的旋转芯轴相配合，从而传递扭矩；外壳接头加工成密封锥螺纹，与下部增压部分连接。不改变螺杆马达的基本结构，以保证成熟产品的可靠性。

换向与过滤机构由旋转芯轴、连接端盖、推力轴承、连接螺栓、过滤筒体、过滤网、压紧螺母、筒体、滑动轴套、销轴组成；旋转芯轴与马达输出轴通过花键配合，可一起旋转；旋转芯轴外部设计有两个螺旋槽，销轴一端安装在筒体上，另一端安装在螺旋槽里，致使芯轴在旋转的同时还做上下移动。柱塞缸体上端设计有滑键槽，过滤筒体与柱塞缸体通过滑键连接，马达的旋转运动通过两个外螺旋槽、推力轴承和滑键的作用，传到过滤筒体时就变成了轴向往复运动。

增压系统由柱塞、止退垫片、组合密封件、进液阀、进液阀堵、排液阀体、排液阀、柱塞缸体等零部件组成；柱塞缸体中心设计有高压腔，四周设计有常规泥浆流道；柱塞与过滤筒体螺纹连接，只能轴向往复运动，柱塞采用双向密封，上下两端与柱塞缸体间隙配合。柱塞上行时，进液阀打开，排液阀关闭，液体进入增压腔；柱塞下行时，进液阀关闭，排液阀打开，被增至超高压的液体经超高压流道流向钻头和超高压喷嘴，破碎岩石。

增压器钻头系统由转换接头、上连接管、下连接管、钻头体、超高压短接、超高压喷嘴组成；转换接头内部设计有扶正孔，增加连接管的刚性；上连接管与排液阀体、以及下连接管与超高压短接均采用螺纹连接并密封；超高压短接与钻头体烧结而成。

本发明的有益效果：由于钻井增压提速器是在不增加钻井泵常规排量和泵压的基础上设计的，它的应用并不改变现有的钻井工艺和设备。动力源是市场上比较成熟的螺杆马达，可靠性较高；换向机构中外螺旋槽结构加工方便；过滤筒体外部安装过滤网，实现二次过滤，防止大颗粒泥砂进入增压腔；柱塞采用双向密封，性能可靠；将整个装置放于井底，杜绝了因高压水射流泄露造成的危险；该装置的应用可解决目前钻井速度慢、周期长、成本高的问题，特别是在地层坚硬复杂的环境下，增速效果更好。

附图说明

图1钻井增压提速器整体方案图；

图2换向与过滤机构图；

图3增压系统图；

图4增压器钻头系统图。

图中：1.动力机构，2.换向与过滤机构，3.增压系统，4.增压器钻头系统，5.螺杆马达输出轴，6.旋转芯轴，7.连接端盖，8. 推力轴承，9.连接螺栓，10.过滤筒体， 11.过滤网，12.压紧螺母，13.筒体，14.滑动轴套，15.销轴， 16.柱塞，17.止退垫片, 18.组合密封件，19.进液阀， 20.进液阀堵，21.排液阀体， 22.排液阀，23.柱塞缸体，24.转换接头，25.上连接管，26.下连接管，27.钻头体，28.超高压短接，29.超高压喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明的结构和实施方式。

首先，将动力机构、换向与过滤机构、增压系统和增压器钻头系统通过螺纹连接起来，组成整个钻井增压提速器（见图1）。旋转芯轴（6）外表面加工有双螺旋槽，销轴（15）的一端在螺旋槽内相对滑动，另一端固定安装在筒体（13）上；螺杆马达输出轴（5）与旋转芯轴通过花键配合，马达转动带动旋转芯轴一起旋转，由于销轴是固定的，加工有螺旋槽的旋转芯轴旋转的同时还要上下移动；旋转芯轴与过滤筒体（10）通过推力轴承（8）、连接螺栓（9）连接，过滤筒体与柱塞缸体（23）通过滑键配合，由于滑键的导向作用，旋转芯轴的复合运动最终转换成过滤筒体的直线往复运动。过滤筒体与柱塞（16）螺纹连接并通过止退垫片（17）防松，因此，柱塞也只能作轴向往复运动。柱塞上行时，进液阀（19）打开，排液阀（22）关闭，液体进入增压腔；柱塞下行时，进液阀关闭，液体压力达到一定值后，排液阀打开，高压液体经内部超高压流道流向超高压喷嘴（29），实现射流破岩。而后，柱塞又上行，如此往复。

钻井时，将整套装置接于常规钻铤的下端，随整个钻柱体系下入井底，由地面转盘带动其旋转钻进。

Claims

1.一种用于石油钻井时提高钻井速度的钻井增压提速器，其特征是：整个增压提速器由动力机构（1）、换向与过滤机构（2）、增压系统（3）和增压器钻头系统（4）四大部分组成，通过螺纹连接起来，组成一个整体。

2.根据权利要求1所述的钻井增压提速器，其特征是：动力机构（1）采用特殊设计的螺杆马达，螺杆马达输出轴（5）设计成外花键，与带有内花键的旋转芯轴（6）相配合；外壳接头加工成密封锥螺纹。

3.根据权利要求1所述的钻井增压提速器，其特征是：换向与过滤机构（2）由旋转芯轴（6）、连接端盖（7）、推力轴承（8）、连接螺栓（9）、过滤筒体（10）、过滤网（11）、压紧螺母（12）、筒体（13）、滑动轴套（14）、销轴（15）组成；旋转芯轴外部设计有两个螺旋槽，销轴一端安装在筒体上，另一端安装在螺旋槽里；柱塞缸体（23）上端设计有滑键槽，过滤筒体与柱塞缸体通过滑键连接。

4.根据权利要求1所述的钻井增压提速器，其特征是：增压系统（3）由柱塞（16）、止退垫片（17）、组合密封件（18）、进液阀（19）、进液阀堵（20）、排液阀体（21）、排液阀（22）、柱塞缸体（23）等零部件组成；柱塞缸体中心设计有高压腔，四周设计有常规泥浆流道；柱塞（16）采用双向密封。

5.根据权利要求1所述的钻井增压提速器，其特征是：增压器钻头系统（4）由转换接头（24）、上连接管（25）、下连接管（26）、钻头体（27）、超高压短接（28）、超高压喷嘴（29）组成；转换接头内部设计有扶正孔，超高压短接与钻头体烧结而成。