CN106246106B - 一种脉冲式水力射流钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲式水力射流钻井工具，其包括动力短节和液力短节，所述动力短节包括动力外壳、涡轮主轴、涡轮组件、轴承组件，在涡轮主轴的下部设有轴向流道，在轴向流道的上部设有径向过流通道，所述液力短节包括液力外壳、活塞轴、液压缸，在活塞轴内设有中心孔，在底部设有单向阀，所述活塞轴通过轴向滑移机构相对液压缸轴向滑移连接，在活塞轴与液压缸之间设有回位弹簧，在涡轮主轴和活塞轴之间配置有用于将涡轮主轴的旋转运动转化成活塞轴的上下往复运动的上下往复式推力机构。通过涡轮的旋转可以驱动活塞主轴形成脉冲式水力射流，该高压水力射流可以辅助钻头破岩，增加钻头破岩效率，从而缩短建井周期，降低钻井成本，提高施工效率。

Description

一种脉冲式水力射流钻井工具

技术领域

本发明涉及一种钻井工具，尤其涉及一种脉冲式水力射流钻井工具。

背景技术

国内外研究表明，超高压射流辅助钻井在油气井钻井中能够大幅度提高机械钻速，国外开发出的一种超高压射流辅助钻井系统，在地面将钻井液直接作用在井底以辅助钻头的机械破岩作用，在较深油气井中能够提高机械钻速2～3倍。双管钻井系统高昂的成本和泵送困难限制了该系统的商业应用，但其能够大幅度提高机械钻速使人们看到了超高压射流辅助钻井的巨大潜力。

井底增压超高压射流辅助钻井技术是采用专门设计的井底增压装置配合专用钻头实现超高压射流辅助钻井，提高钻井速度的技术、该技术可以充分利用现有的地面设备，常规循环系统的设备基本不变，不存在将高压流体由地面输送至井底的问题，是提高深井钻速的一项新技术。由于石油钻井井眼尺寸的限制，国内外常采用液压驱动大直径活塞副带动柱塞副往复运动实现井底增压，主要区别是换向方式不同；增压装置与配套钻头连接方式也基本相同，主要是增压装置输出与钻头超高压流道输入管通过插接方式实现；配套钻头均为双流道钻头，都是在常规牙轮钻头或PDC钻头的基础上改进，增加了超高压钻井液流道及喷嘴。为了实现活塞的往复运动，必须建立活塞缸上下腔两端的压力差，且压力差越大，柱塞泵增压缸输出的压力也越高；一种方式是在增压装置的内部采用节流元件实现，确保了钻井液全部通过钻头喷嘴，但是增加了工具的压降，其应用井深受到一定制约；另一种方式利用增压装置入口与钻具环空之间的压力差实现，增压过程中活塞低压腔钻井液通过增压装置旁边通孔进入环空，不仅井底钻头的清洗效果受到影响，还会影响到工具壳体强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种能增加钻头破岩效率，提高钻井效率的脉冲式水力射流钻井工具。

本发明所采用的技术方案为：一种脉冲式水力射流钻井工具，其包括动力短节和液力短节，其特征在于：所述动力短节包括动力外壳和在动力外壳内设置的涡轮主轴，所述涡轮主轴的上部通过涡轮组件及轴承组件与动力外壳相配置，在涡轮主轴的下部设有轴向流道，在轴向流道的上部设有用于连通涡轮组件的下方空隙的径向过流通道，在位于径向过流通道的下方设有用于限制钻井液的限流组件；所述液力短节包括液力外壳、在液力外壳内依次设有活塞轴、液压缸，在活塞轴内设有与轴向流道相连通的中心孔，在底部设有仅允许流体向下流通的单向阀，所述活塞轴内套设于液压缸内，其通过轴向滑移机构相对液压缸轴向滑移连接，所述液压缸固设在液力外壳内，在其内设有流道出口与钻头的水眼连通，在活塞轴与液压缸之间设有回位弹簧，在涡轮主轴和活塞轴之间配置有用于将涡轮主轴的旋转运动转化成活塞轴的上下往复运动的上下往复式推力机构。

按上述技术方案，所述上下往复式推力机构包括在涡轮主轴的下端设置的上凸轮和在所述活塞轴的上部设置的下凸轮，所述涡轮主轴与活塞轴在回位弹簧的作用力下通过上凸轮与下凸轮进行配合连接。

按上述技术方案，所述涡轮组件包括涡轮转子和涡轮定子，所述涡轮转子与涡轮主轴固连，所述涡轮定子与动力外壳固连。

按上述技术方案，所述轴承组件包括安设在涡轮组件两端的扶正轴承和安设在限流组件下方的推力轴承。

按上述技术方案，所述限流组件包括固设在动力外壳内壁上的限流套，所述限流套与涡轮主轴之间设有间隙，该间隙与径向过流通道相连通，在限流套的下方设有分流套，所述分流套固设在涡轮主轴上，在限流套与分流套之间设有间隙，允许部分钻井液进入推力轴承。

按上述技术方案，所述轴向滑移机构包括固设在活塞轴上的径向限位件，所述径向限位件与设在液压缸上部的轴向滑槽滑移配设。

按上述技术方案，在动力外壳的上端设有上接头。

按上述技术方案，所述活塞轴的下端与液压缸密封配置。

按上述技术方案，所述动力外壳与液力外壳通过调整外壳相连。

按上述技术方案，所述单向阀包括具有中空阀腔的阀体，设于所述阀腔内的阀芯和弹簧，在阀体的上下端设有与阀腔导通的进液通道和出液通道，阀芯可移动的设在阀腔内沿着进液通道朝向出液通道的方向单向导通阀腔，弹簧的两端分别抵在阀芯和阀体上出液通道之间。

本发明的工作原理为：高压钻井液使得涡轮组件驱动涡轮主轴旋转，上凸轮与下凸轮配合使活塞轴发生上下往复运动，活塞轴上行时，单向阀导通，液体进入液压缸；活塞轴下行时，单向阀关闭，液压缸内液体被压缩，活塞轴在弹簧的作用下恢复原位，涡轮的周期旋转使得活塞轴形成往复运动，活塞轴的往复运动使液压缸内的液体被周期性压缩从而在钻头水眼处形成高压脉冲射流。

本发明所取得的有益效果为：

1、本发明通过涡轮组件、涡轮主轴、上下往复式推力机构、活塞轴、轴向滑移机构、单向阀、液压缸的共同配合，实现活塞轴与液压缸之间的往复运动，从而使液压缸内的液体被周期性压缩从而在钻头水眼处形成高压脉冲射流，该高压水力射流可以辅助钻头破岩，增加钻头破岩效率，从而缩短建井周期，降低钻井成本，提高施工效率；

2、通过设置限流组件，允许少量钻井液进入推力轴承，气道润滑轴承的作用。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明中动力短节的结构图。

图3为本发明中液力短节的结构图。

图4为本发明中单向阀的结构图。

图5为本发明中上凸轮或下凸轮的结构图。

图中：1.调整外壳；2.螺母；3.键；4.下凸轮；5.限位销；6.弹簧；7.密封圈；8.单向阀；9.液压缸；10.固定螺钉；11.下接头；12.上凸轮；13.键；14.螺母；15.隔环；16.推力轴承；17.分流套；18.限流套；19.隔环；20.扶正轴承；21.涡轮组；22.涡轮主轴；23.扶正轴承、；24.隔环；25.外壳；26.上接头；27.活塞轴；28.轴向滑槽；29.流道出口；30.径向液流通道；31.轴向流道；32.中心孔；33.进液通道；34.阀芯；35.阀腔；36.弹簧；37.阀体；38.出液通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-5所示，本实施例提供了一种脉冲式水力射流钻井工具，其包括动力短节和液力短节。

如图2所述动力短节包括动力外壳25和在动力外壳内设置的涡轮主轴22，外壳25上端与上接头26通过螺纹连接，上接头26用于连接钻铤或者其它钻具组合。所述的涡轮主轴22为变截面轴，其上端面制作有一字型槽。所述涡轮主轴22的上部通过涡轮组件21及轴承组件与动力外壳相配置，所述涡轮组件21包括涡轮转子和涡轮定子，所述涡轮转子与涡轮主轴22固连，所述涡轮定子与动力外壳25固连。所述轴承组件包括安设在涡轮组件两端的扶正轴承(20、23)和推力轴承16，该扶正轴承(20、23)可允许钻井液通过。在涡轮主轴22的下部设有轴向流道31，轴向流道31的上部设有用于连通涡轮组件的下方空隙的4个径向过流通道30，在位于径向过流通道30的下方设有用于限制钻井液的限流组件；所述限流组件包括固设在动力外壳内壁上的限流套18，所述限流套18与涡轮主轴22之间设有间隙，该间隙与径向过流通道30相连通，以便流体通过。在限流套18的下方设有分流套17，所述分流套17固设在涡轮主轴22上，在限流套18与分流套17之间设有间隙，允许部分钻井液进入推力轴承16，起到润滑和冷却推力轴承16的作用。所述的扶正轴承(20、23)、涡轮组21、限流套18、分流套17通过隔环(15、19、24)进行限位并在调整外壳1的压紧作用下固定在动力外壳25的内部。

如图3所示，所述液力短节包括液力外壳11、在液力外壳11内依次设有活塞轴24、液压缸9，在活塞轴24内设有与轴向流道相连通的中心孔31，在底部设有仅允许流体向下流通的单向阀8(其结构如图4所示)，所述活塞轴24内套设于液压缸9内，其上部通过轴向滑移机构相对液压缸9轴向滑移连接，其下部通过密封圈7与液压缸9密封套接。液压缸9底面通过四个固定螺钉10固定在液力外壳11的内凸台上。在其内设有流道出口，所述流道出口通过管线与钻头的水眼连通。所述动力外壳25与液力外壳11通过调整外壳1相连。所述液力外壳11的下端通过螺纹与钻头相连。

在活塞轴27与液压缸9之间设有回位弹簧6，在涡轮主轴和活塞轴之间配置有用于将涡轮主轴的旋转运动转化成活塞轴的上下往复运动的上下往复式推力机构。所述上下往复式推力机构包括在涡轮主轴22的下端设置的上凸轮12和在所述活塞轴27的上部设置的下凸轮4，其结构如图5所示，所述的涡轮主轴22下端制作有外螺纹和键槽用于固定上凸轮12，上凸轮12通过螺母进行固定。活塞轴27的上端制作有键槽和外螺纹，该处装有下凸轮4并通过螺母进行固定。所述涡轮主轴22与活塞轴27在回位弹簧6的作用力下通过上凸轮12与下凸轮4进行配合连接。

本实施例中，所述轴向滑移机构包括固设在活塞轴27上的径向限位件5，在液压缸上部侧壁对应设有轴向滑槽28，所述径向限位件5与轴向滑槽滑移配设。其中，径向限位件5为限位销5，限位销5和限位槽的配合使得活塞轴27不能发生转动。

本实施例中，单向阀8具有单向导通性，其结构如图5所示，所述单向阀包括具有中空阀腔35的阀体37，设于所述阀腔35内的阀芯34和弹簧36，在阀体37的上下端设有与阀腔导通的进液通道33和出液通道38，阀芯34可移动的设在阀腔35内沿着进液通道朝向出液通道的方向单向导通阀腔，弹簧36的两端分别抵在阀芯和阀体上出液通道之间，其中，阀芯34为钢球，钢球与阀腔上位于进液通道的下端为圆锥面配合。活塞主轴向上行，在钻井液的压力下，单向阀8导通，液体进入液压缸9；活塞轴27下行，单向阀8关闭。

本发明的工作过程为：高压钻井液使得涡轮组件驱动涡轮主轴22旋转，上凸轮12与下凸轮4配合使活塞轴发生上下往复运动，活塞轴27上行时，单向阀8导通，液体进入液压缸9；活塞轴27下行时，单向阀8关闭，液压缸9内液体被压缩，活塞轴27在回位弹簧6的作用下恢复原位，涡轮的周期旋转使得活塞轴形成往复运动，活塞轴的往复运动使液压缸内的液体被周期性压缩从而在钻头水眼处形成高压脉冲射流。该高压水力射流可以辅助钻头破岩，增加钻头破岩效率，从而缩短建井周期，降低钻井成本，提高施工效率。

Claims (10)

1.一种脉冲式水力射流钻井工具，其包括动力短节和液力短节，其特征在于：所述动力短节包括动力外壳和在动力外壳内设置的涡轮主轴，所述涡轮主轴的上部通过涡轮组件及轴承组件与动力外壳相配置，在涡轮主轴的下部设有轴向流道，在轴向流道的上部设有用于连通涡轮组件的下方空隙的径向过流通道，在位于径向过流通道的下方设有用于限制钻井液的限流组件；所述液力短节包括液力外壳、在液力外壳内依次设有活塞轴、液压缸，在活塞轴内设有与轴向流道相连通的中心孔，在底部设有仅允许流体向下流通的单向阀，所述活塞轴内套设于液压缸内，其通过轴向滑移机构相对液压缸轴向滑移连接，所述液压缸固设在液力外壳内，在其内设有流道出口与钻头的水眼连通，在活塞轴与液压缸之间设有回位弹簧，在涡轮主轴和活塞轴之间配置有用于将涡轮主轴的旋转运动转化成活塞轴的上下往复运动的上下往复式推力机构。

2.根据权利要求1所述的脉冲式水力射流钻井工具，其特征在于：所述上下往复式推力机构包括在涡轮主轴的下端设置的上凸轮和在所述活塞轴的上部设置的下凸轮，所述涡轮主轴与活塞轴在回位弹簧的作用力下通过上凸轮与下凸轮进行配合连接。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲式水力射流钻井工具，其特征在于：所述涡轮组件包括涡轮转子和涡轮定子，所述涡轮转子与涡轮主轴固连，所述涡轮定子与动力外壳固连。

4.根据权利要求1或2所述的脉冲式水力射流钻井工具，其特征在于：所述轴承组件包括安设在涡轮组件两端的扶正轴承和安设在限流组件下方的推力轴承。

5.根据权利要求3所述的脉冲式水力射流钻井工具，其特征在于：所述限流组件包括固设在动力外壳内壁上的限流套，所述限流套与涡轮主轴之间设有间隙，该间隙与径向过流通道相连通，在限流套的下方设有分流套，所述分流套固设在涡轮主轴上，在限流套与分流套之间设有间隙，允许部分钻井液进入推力轴承，用于润滑和冷却推力轴承。

6.根据权利要求1或2所述的脉冲式水力射流钻井工具，其特征在于：所述轴向滑移机构包括固设在活塞轴上的径向限位件，所述径向限位件与设在液压缸上部的轴向滑槽滑移配设。

7.根据权利要求1或2所述的脉冲式水力射流钻井工具，其特征在于：在动力外壳的上端设有上接头。

8.根据权利要求1或2所述的脉冲式水力射流钻井工具，其特征在于：所述活塞轴的下端与液压缸密封配置。

9.根据权利要求1或2所述的脉冲式水力射流钻井工具，其特征在于：所述动力外壳与液力外壳通过调整外壳相连。

10.根据权利要求1或2所述的脉冲式水力射流钻井工具，其特征在于：所述单向阀包括具有中空阀腔的阀体，设于所述阀腔内的阀芯和弹簧，在阀体的上下端设有与阀腔导通的进液通道和出液通道，阀芯可移动的设在阀腔内沿着进液通道朝向出液通道的方向单向导通阀腔，弹簧的两端分别抵在阀芯和阀体上出液通道之间。