CN104454024B - 一种多级向心透平式涡轮节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到用于石油天然气钻井工程中的一种多级向心透平式涡轮节，它由导轮、向心叶轮、主轴、承载部件、引流部件、轴紧固部件、壳体、壳紧固部件构成。所述导轮沿圆周布置有环形平板叶栅，环形平板叶栅由若干片平板叶片组成；所述向心叶轮为闭式叶轮，向心叶轮沿圆周布置有环形向心叶栅，环形向心叶栅由若干片向心叶片组成，向心叶片的截面具有特定的翼型形状。钻井液在流过向心叶轮流道时，由于受到流道的作用其速度大小和方向均会发生改变，从而对环形向心叶栅中的每个向心叶片产生沿圆周方向的升力；在导轮和向心叶轮之间设有螺旋密封以提高容积效率。本发明所需钻井液工作流量小，转速高，适合于小井眼、研磨性地层的钻进。

Description

一种多级向心透平式涡轮节

技术领域

本发明涉及到用于石油天然气钻井工程中的一种多级向心透平式涡轮节，属于石油天然气钻井设备领域。

背景技术

在石油天然气钻井工程中，涡轮钻具广泛应用于超深井、水平井、斜井等的钻进过程。涡轮节是涡轮钻具中将钻井液能量转为机械能的核心部件，而在涡轮节中，起到转化钻井液能量作用的关键部件是由定转子组成的透平。现使用的涡轮钻具其涡轮节均采用的是轴流式透平，即涡轮节中的定子和转子叶栅均为轴流式的。根据反转离心泵可作液力透平能量回收装置的工程技术知，设计液力式的向心透平在原理上是可行的，并根据实验研究知，与轴流式透平涡轮节相比，相同尺寸的向心透平式涡轮节其启动流量要小；且在相同流量下，向心透平式涡轮节其输出转速比基于轴流式涡轮节输出转速要高。

现代油气钻井工程向深井、超深井发展，钻井工程中面临着破碎超硬地层的问题。根据钻井工程的实践，研磨破岩是一种破碎超硬地层十分有效的方式，而研磨破岩需要钻头高速旋转；另一方面，为了满足环保和节省钻井成本的要求，小井眼钻井技术不断地运用于实际钻井工程中，由于井眼截面的减小，允许通过的钻井液流量也减小，故这就要求井下动力钻具能在小流量条件下工作。因此，现代油气钻井技术发展要求井下动力钻具能在小流量条件下产生高转速。

发明内容

本发明的目的在于为满足现有技术的发展需求，提供一种多级向心透平式涡轮节，适用于小井眼的钻进和研磨性地层的钻进。

本发明所采用的技术方案是：

本发明一种多级向心透平式涡轮节，由导轮、向心叶轮、主轴、承载部件、引流部件、轴紧固部件、壳体、壳紧固部件构成。所述导轮沿圆周布置有环形平板叶栅，环形平板叶栅由若干片平板叶片组成；每相邻两个平板叶片之间的空隙，即为供钻井液流动的导轮流道，导轮流道沿导轮中心向边缘延伸，同时由导轮进口向导轮出口延伸，实现了把流进导轮的钻井液引导到向心叶轮进口处的功能；导轮流道的宽度沿导轮径向方向由中心向边缘逐渐增大，沿导轮的轴线方向由导轮进口到导轮出口逐渐减小，这使得导轮流道截面积沿钻井液流动方向保持不变，从而避免了钻井液在导轮流道中加速而带来的速度损失。

所述向心叶轮采用了闭式叶轮结构，用以提高向心叶轮在能量转化时的效率。向心叶轮沿圆周布置有环形向心叶栅，环形向心叶栅由若干片向心叶片组成，向心叶片的截面具有特定的翼型形状。钻井液在流过向心叶轮流道时，由于受到流道的作用其速度大小和方向均会发生改变，从而对环形向心叶栅中的每个向心叶片产生沿圆周方向的升力，每个叶片产生的升力对向心叶轮的中心轴线均产生同一方向的力矩，这些力矩叠加起来即为钻井液流过向心叶轮流道时对环形向心叶栅产生的总力矩。在该总力矩的作用下，向心叶轮发生旋转，即实现了将钻井液的能量转化为向心叶轮机械能的功能。在向心叶轮中，将向心叶轮流道宽度设计为沿向心叶轮径向方向从边缘向中心逐渐收敛，沿轴线方向从进口到出口保持不变，以达到有利于钻井液能量转化又尽可能减小速度损失的目的。受流道的约束，钻井液在向心叶轮流道中的流动既沿径向流动，又沿轴向流动，但转化钻井液能量的过程主要是钻井液在向心叶轮流道的径向流动来实现的，而钻井液在向心叶轮流道的轴向流动则对向心叶轮产生了与流动方向相反的轴向力，该轴向力与向心叶轮因进出口压差产生的轴向力方向相反，这就起到了减小轴向载荷的效果，有利于提高整过涡轮节的使用寿命。

由一个导轮和一个向心叶轮就组成了单级向心透平，但是单级向心透平所产出的扭矩不能满足实际工程需要，需在涡轮节中安装若干级向心透平，从而组成多级向心透平。

此外，为了提高向心透平的容积效率，在向心叶轮与导轮之间的缝隙处设置了螺旋密封，以尽可能地减少钻进液通过此缝隙漏失。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：1.所需钻井液工作流量小，适用于小井眼的钻进；2.转速高，适用于研磨性地层的钻进；3.轴向载荷小，有利于提高整过涡轮节的使用寿命。

附图说明

图1是本发明一种多级向心透平式涡轮节的结构示意图；

图2是图1中A-A的剖面图；

图3是图1中B-B的剖面图；

图4是图1中I的局部放大图。

图中：1.上接头，2.压紧轴，3.轴调节套，4.壳调节套，5.上扶正轴承，6.导轮，7.向心叶轮，8.主轴，9.下扶正轴承，10.壳体，11.分流套，12.开槽套，13.止推轴承组，14.下接头,15.平板叶片，16.向心叶片，17.导轮流道，18.向心叶轮流道，19.导轮进口，20.导轮出口，21.向心叶轮进口，22.向心叶轮出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案作具体说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明一种多级向心透平式涡轮节，由导轮6、向心叶轮7、主轴8、承载部件、引流部件、轴紧固部件、壳体10、壳紧固部件构成。如图1、图2、图4所示，所述导轮6沿圆周布置有环形平板叶栅，平板叶栅由若干片平板叶片15组成；每相邻两个平板叶片15之间的空隙，即为供钻井液流动的导轮流道17；导轮流道17沿导轮6中心向边缘延伸，同时由导轮进口19向导轮出口20延伸，实现了把流进导轮6的钻井液引导到向心叶轮进口21处的功能；导轮流道17的宽度沿导轮6径向方向由中心向边缘逐渐增大，沿导轮6的轴线方向由导轮进口19到导轮出口20逐渐减小，这使得导轮流道17截面积沿钻井液流动方向保持不变。

如图1、图3、图4所示，所述向心叶轮7采用了闭式叶轮结构，在向心叶轮7的圆周布置有环形向心叶栅；环形向心叶栅由若干片向心叶片16组成，向心叶片16的截面设计为特定的翼型形状，使钻井液流过向心叶轮流道18时，对环形向心叶栅中的每个向心叶片16产生沿圆周方向的升力；每个向心叶片16产生的升力对向心叶轮7的中心轴线均产生同一方向的力矩，从而形成钻井液流过向心叶轮流道18时对向心叶轮7产生的扭矩，向心叶轮7在该扭矩作用下发生旋转，将钻井液的能量转化为向心叶轮7的机械能。为了利于钻井液能量转化又尽可能减小速度损失，将向心叶轮流道18宽度设计为沿向心叶轮7径向方向从边缘向中心逐渐收敛，沿轴线方向从向心叶轮进口21到向心叶轮出口22保持不变。

由一个导轮6和一个向心叶轮7组成的单级向心透平所产出的扭矩不能满足实际工程需要，故在涡轮节中安装若干级向心透平，从而组成多级向心透平。

此外，为了提高向心透平的容积效率，如图4所示，在向心叶轮7与导轮6之间的缝隙处设置了螺旋密封，螺旋开设在向心叶轮7上，以提高向心透平的容积效率。

多级向心透平的向心叶轮7安装在主轴8上，故向心叶轮7产生的动力就传递到了主轴8上，主轴8下端的螺纹用以连接下部钻具，从而就将动力传递到了下部钻具中，直至传递到钻头。主轴8上半部分为实心的，下半部分则开有供钻井液流动的中心孔和分流孔。

由于向心叶轮7在工作时，因进出口始终存在压差而要产生向下的轴向力，又因制造和装配的原因始终存在有偏心距，旋转时会出现离心力，故需要采用承载部件来承受这两类载荷。承载部件包括止推轴承13、上扶正轴承5、下扶正轴承9，均安装在主轴8上。如图1所示，止推轴承组13安装主轴8的下部用以承受轴向力；上扶正轴承5在主轴8上的安装位置是紧挨着最上面一级向心叶轮7，下扶正轴承9在主轴8上的安装位置是紧邻最下面一级向心叶轮7，用以承受离心力。由于止推轴承组13在工作时，钻井液可以进入其中的，但是钻井液同时将磨粒介质带入止推轴承组13中，为了尽可能减少被带入的磨粒介质，采用了引流部件，即分流套11和开槽套12，将钻井液引入到主轴8的分流孔，使钻井液通过主轴8中心孔或主轴8末端的分流孔流出涡轮节。

为了便于装配，上扶正轴承5、多级向心叶轮7、开槽套12、下扶正轴承9、止推轴承13与主轴8之间均采用了间隙配合，故它们与主轴8之间均是松动的，为了使这些零部件与主轴8不发生相对运动，采用了轴紧固部件将这些零部件与主轴紧固为一体。轴紧固件包括压紧轴2和轴调节套3。将轴调节套3套入到主轴8上，将压紧轴2旋入到主轴8上端螺纹处压轴调节套3，由此产生一个轴向压紧力。该轴向力通过轴调节套3和上扶正轴承5内圈传递到向心叶轮7的轮毂端面上，并通过下扶正轴承9内圈、开槽套12、止推轴承13一直传递到安装止推轴承13的主轴8轴肩上，从而实现了把向心叶轮7与主轴8紧固为一体的目的，使得向心叶轮7所产生的机械能传递到了主轴8上。

涡轮节中所有零件均安装在壳体10内，随主轴8旋转的零件与不随主轴8旋转的零件在径向上有间隙，以避免碰撞和摩擦。不随主轴8旋转的零件被壳紧固部件，即上接头1、下接头14和壳调节套4，压紧在壳体10内，此外，通过上接头1把涡轮节和上部钻具连接在一起，通过下接头14把涡轮节和下部钻具组合连接在一起，钻压和反扭矩也由此传递到上部或下部钻具中。

Claims (3)

1.一种多级向心透平式涡轮节，由导轮(6)、向心叶轮(7)、主轴(8)、承载部件、引流部件、轴紧固部件、壳体(10)、壳紧固部件构成，其特征在于：所述导轮(6)沿圆周布置有环形平板叶栅，环形平板叶栅由若干片平板叶片(15)组成；导轮流道(17)的宽度沿导轮(6)径向方向由中心向边缘逐渐增大，沿导轮(6)的轴线方向由导轮进口(19)到导轮出口(20)逐渐减小，这使得导轮流道(17)截面积沿钻井液流动方向保持不变；所述向心叶轮(7)采用了闭式叶轮结构，在向心叶轮(7)的圆周布置有环形向心叶栅，环形向心叶栅由若干片向心叶片(16)组成，向心叶片(16)的截面设计为特定的翼型形状，使钻井液流过向心叶轮流道(18)时，对环形向心叶栅中的每个向心叶片(16)产生沿圆周方向的升力；每个向心叶片(16)产生的升力对向心叶轮(7)的中心轴线均产生同一方向的力矩，从而形成钻井液流过向心叶轮流道(18)时对向心叶轮(7)产生的扭矩；向心叶轮流道(18)宽度设计为沿向心叶轮(7)径向方向从边缘向中心逐渐收敛，沿轴线方向从向心叶轮进口(21)到向心叶轮出口(22)保持不变。

2.根据权利要求1所述的一种多级向心透平式涡轮节，其特征在于：由一个导轮(6)和一个向心叶轮(7)组成的单级向心透平不能满足实际工程需要，故在涡轮节中安装了多级向心透平。

3.根据权利要求1所述的一种多级向心透平式涡轮节，其特征在于：在向心叶轮(7)与导轮(6)之间的缝隙处设置了螺旋密封，螺旋开设在向心叶轮(7)上，以提高向心透平的容积效率。