CN107355182A - 一种涡轮式高频脉冲增压器 - Google Patents

一种涡轮式高频脉冲增压器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮式高频脉冲增压器；属石油、页岩气、地热钻井工具技术领域。它由壳体、连接套、上接头、下接头、涡轮轴、限流套和分流套构成；壳体的一端装有上接头，壳体的另一端装有连接套，壳体内通过涡轮安装有涡轮轴；涡轮轴的一端端头固装有凸轮；涡轮轴上通过限流套安装有分流套，分流套一侧的涡轮轴上装有推力轴承，凸轮一侧的连接套内装有增压装置，增压装置与凸轮滑动连接。该增压器工作时，通过涡轮的周期旋转，带动涡轮轴及凸轮转动，从而通过连杆带动单向进液阀形成往复运动。通过单向进液阀的往复作用，从而形成高频高压水射流；由此实现通过高频高压水射流辅助钻头破岩、从而增加钻头破岩效率，降低钻井成本的目的。

Description

一种涡轮式高频脉冲增压器
技术领域
本发明涉及一种涡轮式高频脉冲增压器；属石油、页岩气、地热钻井工具技术领域。
背景技术
近几年来，全球石油市场低迷，从每桶90多美元下跌到20多美元，但开采成本却逐年增加，因此有效提地提高钻井速率是如今钻井工程中急需解决的一个问题。随着我国浅层油气资源的日益枯竭，油气开采必然向更深、更硬地层方向发展。传统的旋转钻井是目前应用最广泛的钻井方式，但是当这种钻井方式碰到硬地层时，钻井效率降低，钻头寿命变的更短，钻井周期更长，成本更高。通过前期的文献调研发现，利用高压水射流辅助破岩，能极大提高破岩效率和提高钻头寿命。因此，把机械能转化为钻井液的压力，形成高压水射流，进行辅助破岩，从而提高钻井效率和钻头寿命是我们亟待解决的任务。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种结构简单，实用性好，通过高频高压水射流，以辅助钻头破岩，从而增加钻头破岩效率、降低钻井成本的涡轮式高频脉冲增压器。
本发明的技术方案是：
一种涡轮式高频脉冲增压器，它由壳体、连接套、上接头、下接头、涡轮轴、限流套和分流套构成；其特征在于：壳体的一端螺纹安装有上接头，壳体的另一端螺纹安装有连接套，连接套的端头螺纹安装有下接头；壳体内通过涡轮安装有涡轮轴；涡轮轴的一端端头固装有凸轮；涡轮轴上通过限流套安装有分流套，分流套一侧的涡轮轴上通过挡环安装有推力轴承，凸轮一侧的连接套内装有增压装置，增压装置与凸轮滑动连接。
所述的涡轮由涡轮定子和涡轮转子构成，涡轮定子和涡轮转子分别与壳体和涡轮轴过度配合进行连接和固定，涡轮一侧的涡轮轴上装有上扶正轴承；涡轮另一侧的涡轮轴上装有下扶正轴承。
所述的上扶正轴承与上接头之间设置有上隔环，下扶正轴承与限流套之间设置有下隔环。
所述的涡轮一侧的涡轮轴圆周上均布有径向液流孔，涡轮轴的中心部位设置有涡轮轴中心孔，径向液流孔与涡轮轴中心孔连通。
所述凸轮的端面为坡面，凸轮的端面上设置有环形槽；凸轮中心部位设置有凸轮中心孔，凸轮中心孔与涡轮轴中心孔连通。
所述的增压装置由安装座、单向进液阀、排液阀和连杆构成，安装座上设置有3个装配腔和3个液流通孔，装配腔和液流通孔在安装座圆周上呈交错状设置，装配腔和液流通孔之间的安装座中心部位设置有排液孔，排液孔与各装配腔连通，装配腔内的一端装有排液阀，装配腔内的另一端滑动安装有装有单向进液阀，进液阀上设置有连杆，连杆端头设置有滚珠，连杆通过滚珠与凸轮端面上的环形槽滑动卡接。
所述的下接头中心孔内设置有高压流道管；高压流道管一端与排液孔连通。高压流道管另一端通过连通管与钻头上的喷嘴连通。
所述的排液阀由排液堵板、排液装配柱、排液弹簧和排液封堵球构成，排液堵板上设置有排液中心口，排液中心口的一侧通过排液装配柱装有排液弹簧，排液弹簧的端头设置有排液封堵球，排液封堵球与排液堵板上的排液中心口接触连接。
所述的单向进液阀由滑动座、弹簧座、进液封堵球和进液弹簧构成；滑动座内设置有阶梯孔，阶梯孔的大径孔内通过弹簧座安装有进液弹簧，进液弹簧的端头设置有进液封堵球，进液封堵球与阶梯孔的小径孔的端口接触连接。
所述的阶梯孔外端的滑动座上径向设置有进液孔，进液孔与阶梯孔连通。
所述的单向进液阀与凸轮之间的壳体内装有定位环，定位环由外固定圈、内固定圈构成，外固定圈内均布有内固定圈，连杆通过内固定圈与定位环插入滑动连接。
本发明的有益效果在于：
该涡轮式高频脉冲增压器工作时，通过涡轮的周期旋转，带动涡轮轴及凸轮转动，从而通过连杆带动单向进液阀形成往复运动。通过单向进液阀的往复作用，从而形成高频高压水射流；由此实现通过高频高压水射流辅助钻头破岩、从而增加钻头破岩效率，降低钻井成本的目的。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为图1中A处的放大结构示意图；
图3 为本发明的定位环的结构示意图；
图4 为本发明的凸轮的结构示意图；
图5 为本发明的增压装置的截面结构示意图。
图中：1、壳体，2、连接套，3、上接头，4、下接头，5、涡轮轴，6、限流套，7、分流套，8、涡轮，9、上扶正轴承，10、下扶正轴承，11、上隔环，12、下隔环，13、高压流道管，14、径向液流孔，15、涡轮轴中心孔，16、凸轮，17、挡环，18、推力轴承，19、环形槽，20、凸轮中心孔，21、安装座，22、连杆，23、装配腔，24、排液孔，25、排液堵板，26、排液装配柱，27、排液弹簧，28、排液封堵球，29、滑动座，30、进液封堵球，31、进液弹簧，32、进液孔，33、滚珠，34、液流通孔，35、定位环，36、外固定圈，37、内固定圈。
具体实施方式
该涡轮式高频脉冲增压器由壳体1、连接套2、上接头3、下接头4、涡轮轴5、限流套6和分流套7构成。壳体1的一端螺纹安装有上接头3，壳体1的另一端螺纹安装有连接套2，连接套2的端头螺纹安装有下接头4；下接头4中心孔内设置有高压流道管13。高压流道管13通过连通管与钻头上的喷嘴连通。壳体1内通过涡轮8安装有涡轮轴5。涡轮8由涡轮定子和涡轮转子构成，涡轮定子和涡轮转子分别与壳体1和涡轮轴5过度配合进行连接和固定，涡轮8一侧的涡轮轴5上装有上扶正轴承9；上扶正轴承9与上接头3之间设置有上隔环11，涡轮8另一侧的涡轮轴5上装有下扶正轴承10。
涡轮8一侧的涡轮轴5圆周上均布有径向液流孔14，涡轮轴5的中心部位设置有涡轮轴中心孔15，径向液流孔14与涡轮轴中心孔15连通。
涡轮轴5的一端端头固装有凸轮16；凸轮16与壳体1之间设置有间隙。凸轮16的端面为坡面，凸轮16的端面上设置有环形槽19；凸轮16中心部位设置有凸轮中心孔20，凸轮中心孔20与涡轮轴中心孔15连通。
涡轮轴5上通过限流套6安装有分流套7，下扶正轴承10与限流套6之间设置有下隔环12。限流套6与涡轮轴5、分流套7之间均留有间隙以供液体通过，分流套7一侧的涡轮轴5上通过挡环17安装有推力轴承18，限流套6在分流套7的配合作用下可使少量钻井液流入推力轴承18，以起到润滑轴承的作用；凸轮16一侧的连接套2内装有增压装置。
增压装置由安装座21、单向进液阀、排液阀和连杆22构成，安装座21上设置有3个装配腔23，装配腔23和3个液流通孔34，装配腔23和液流通孔34在安装座21圆周上呈交错状设置，装配腔23和液流通孔34之间的安装座21中心部位设置有排液孔24，排液孔24的一端与各装配腔23连通，排液孔24的另一端与下接头4的高压流道管13连通。装配腔23内的一端装有排液阀。
排液阀由排液堵板25、排液装配柱26、排液弹簧27和排液封堵球28构成，排液堵板25上设置有排液中心口，排液中心口的一侧通过排液装配柱26装有排液弹簧27，排液弹簧27的端头设置有排液封堵球28，排液封堵球28与排液堵板26上的排液中心口接触连接。
装配腔23内的另一端滑动安装有装有单向进液阀。单向进液阀由滑动座29、弹簧座、进液封堵球30和进液弹簧31构成；滑动座29内设置有阶梯孔，阶梯孔的大径孔内通过弹簧座安装有进液弹簧31，进液弹簧31的端头设置有进液封堵球30，进液封堵球30与阶梯孔的小径孔的端口接触连接；阶梯孔外端的滑动座21上径向设置有进液孔32，进液孔32与阶梯孔连通。
单向进液阀上设置有连杆22，连杆22端头设置有滚珠33，连杆22通过滚珠33与凸轮16端面上的环形槽19滑动卡接。工作时，由于滚珠33滑（滚）动卡装在环形槽19内，随着凸轮16的转动，通过连杆22可带动单向进液阀在装配腔23内往复运动。单向进液阀与凸轮16之间的壳体1内装有定位环35，定位环35由外固定圈36、内固定圈37构成，外固定圈36内均布有内固定圈37，连杆22通过内固定圈37与定位环35插入滑动连接；定位环35的目的是在保证钻进液顺利通过的前提下，保证连杆22轴向运动的温定性，防止连杆22径向摆动，以保证滑动座29与装配腔23之间的密封性。
该涡轮式高频脉冲增压器工作时，钻井液通过涡轮8驱动涡轮轴5转动，从而带动凸轮16的转动，这一过程中，钻井液由径向液流孔14、涡轮轴中心孔15和凸轮中心孔20进入至凸轮16与增压装置之间的空腔内；随着凸轮16的转动，空腔内的钻井液一部分经液流通孔34正常流向钻头，另一部分钻井液进入单向进液阀并被压缩成高频高压水射流，然后经高压流道管13作用到钻头上，由此实现通过高频高压水射流辅助钻头破岩、从而增加钻头破岩效率，降低钻井成本的目的。
具体过程为：
随着凸轮16的转动，连杆22带动单向进液阀在装配腔23内向左上行，这一过程中，滑动座29在装配腔23内形成吸力，迫使排液封堵球28与排液堵板25的排液中心口紧密贴合，由此实现密封，同时，空腔内的钻井液由进液孔32进入至滑动座29内的阶梯孔中，由于单向进液阀在装配腔23内向左上行时，装配腔23内的钻井液对进液封堵球30不产生压力，而空腔内的钻井液对进液封堵球30产生推力，从而使进液封堵球30脱离与小径孔的接触；由此使钻井液由进液封堵球30与小径孔之间的缝隙、弹簧座上的通孔顺利进入至单向进液阀与排液阀之间的装配腔23内暂存。
随着凸轮16的继续转动，连杆22带动单向进液阀在装配腔23内向右下行，这一过程中，滑动座29端面对装配腔23内的钻井液形成挤压，迫使排液封堵球28与排液堵板25的排液中心口脱离贴合，滑动座29对装配腔23内的钻井液挤压形成的高压射流经排液孔24、高压流道管13作用到钻头上，由此实现通过高频高压水射流辅助钻头破岩、从而增加钻头破岩效率，降低钻井成本的目的。
滑动座29端面对装配腔23内的钻井液形成挤压的同时，在装配腔23内的钻井液反作用力，以及进液弹簧31的作用下，使进液封堵球30与小径孔端口紧密接触，形成密封，以避免滑动座29端面对装配腔23内的钻井液挤压时泄压。
该涡轮式高频脉冲增压器的凸轮16每旋转一周，可压缩三次钻井液从而形成高频脉冲钻井液，随着凸轮16的连续转动，各个装配腔23内的单向进液阀循环不断的往复运动，由此形成高频高压水射流。该涡轮式高频脉冲增压器具有结构简单，操作方便，适应能力强的特点，对有效提高钻井效率，缩短钻井周期具有积极的推广意义。

Claims (10)

1.一种涡轮式高频脉冲增压器，它由壳体（1）、连接套（2）、上接头（3）、下接头（4）、涡轮轴（5）、限流套（6）和分流套（7）构成；其特征在于：壳体（1）的一端螺纹安装有上接头（3），壳体（1）的另一端螺纹安装有连接套（2），连接套（2）的端头螺纹安装有下接头（4）；壳体（1）内通过涡轮（8）安装有涡轮轴（5）；涡轮轴（5）的一端端头固装有凸轮（16）；涡轮轴（5）上通过限流套（6）安装有分流套（7），分流套（7）一侧的涡轮轴（5）上通过挡环（17）安装有推力轴承（18），凸轮（16）一侧的连接套（2）内装有增压装置，增压装置与凸轮（16）滑动连接。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮式高频脉冲增压器，其特征在于：所述的涡轮（8）由涡轮定子和涡轮转子构成，涡轮定子和涡轮转子分别与壳体（1）和涡轮轴（5）过度配合进行连接和固定，涡轮（8）一侧的涡轮轴（5）上装有上扶正轴承（9）；涡轮（8）另一侧的涡轮轴（5）上装有下扶正轴承（10）；所述的上扶正轴承（9与上接头（3）之间设置有上隔环（11），下扶正轴承（10）与限流套（6）之间设置有下隔环（12）。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮式高频脉冲增压器，其特征在于：所述的涡轮（8）一侧的涡轮轴（5）圆周上均布有径向液流孔（14），涡轮轴（5）的中心部位设置有涡轮轴中心孔（15），径向液流孔（14）与涡轮轴中心孔（15）连通。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮式高频脉冲增压器，其特征在于：所述凸轮（16）的端面为坡面，凸轮（16）的端面上设置有环形槽（19）；凸轮（16）中心部位设置有凸轮中心孔（20），凸轮中心孔（20）与涡轮轴中心孔（15）连通。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮式高频脉冲增压器，其特征在于：所述的增压装置由安装座（21）、单向进液阀、排液阀和连杆（22）构成，安装座（21）上设置有3个装配腔（23）和3个液流通孔（34），装配腔（23）和液流通孔（34）在安装座（21）圆周上呈交错状设置，装配腔（23）和液流通孔（34）之间的安装座（21）中心部位设置有排液孔（24），排液孔（24）与各装配腔（23）连通，装配腔（23）内的一端装有排液阀，装配腔（23）内的另一端滑动安装有装有单向进液阀，进液阀上设置有连杆（22），连杆（22）端头设置有滚珠（33），连杆（22）通过滚珠（33）与凸轮（16）端面上的环形槽（19）滑动卡接。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮式高频脉冲增压器，其特征在于：所述的下接头（3）中心孔内设置有高压流道管（13）；高压流道管（13）一端与排液孔（24）连通；高压流道管（13）另一端通过连通管与钻头上的喷嘴连通。
7.根据权利要求5所述的一种涡轮式高频脉冲增压器，其特征在于：所述的排液阀由排液堵板（25）、排液装配柱（26）、排液弹簧（27）和排液封堵球（28）构成，排液堵板（25）上设置有排液中心口，排液中心口的一侧通过排液装配柱（26）装有排液弹簧（27），排液弹簧（27）的端头设置有排液封堵球（28），排液封堵球（28）与排液堵板（25）上的排液中心口接触连接。
8.根据权利要求5所述的一种涡轮式高频脉冲增压器，其特征在于：所述的单向进液阀由滑动座（29）、弹簧座、进液封堵球（30）和进液弹簧（31）构成；滑动座（29）内设置有阶梯孔，阶梯孔的大径孔内通过弹簧座安装有进液弹簧（31），进液弹簧（31）的端头设置有进液封堵球（30），进液封堵球（30）与阶梯孔的小径孔的端口接触连接。
9.根据权利要求8所述的一种涡轮式高频脉冲增压器，其特征在于：所述的阶梯孔外端的滑动座（29）上径向设置有进液孔（32），进液孔（32）与阶梯孔连通。
10.根据权利要求5所述的一种涡轮式高频脉冲增压器，其特征在于：所述的单向进液阀与凸轮（16）之间的壳体（1）内装有定位环（35），定位环（35）由外固定圈（36）、内固定圈（37）构成，外固定圈（36）内均布有内固定圈（37），连杆（22）通过内固定圈（37）与定位环（35）插入滑动连接。
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