CN108104712B - 反冲式无叶片井下动力单元和反冲式无叶片井下动力钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气能源开采设备技术领域，是一种反冲式无叶片井下动力单元和反冲式无叶片井下动力钻具，前者包括外筒组件和动力组件，动力组件包括芯轴和自转体，芯轴悬挂安装在外筒组件内且两者之间能相对旋转，芯轴的中部设有开口向上的进液盲道，芯轴的下部外侧设有能与其同步转动的自转体；后者包括连接筒、联轴器、连接管和至少两个依次排列的反冲式无叶片井下动力单元，每两相邻反冲式无叶片井下动力单元的外筒组件之间均安装有连接筒，自转体与芯轴之间沿圆周分布有能与进液盲道相通的自转流道。本发明结构简单，易于加工，装配精度要求低，且不会受到环境的限制，其还能实现标准化生产，从而可降低生产成本，使其易于推广。

Description

反冲式无叶片井下动力单元和反冲式无叶片井下动力钻具

技术领域

本发明涉及油气能源开采设备技术领域，是一种反冲式无叶片井下动力单元和反冲式无叶片井下动力钻具。

背景技术

目前油气钻井行业应用的井下动力钻具主要有容积式螺杆钻具和涡轮钻具。其中容积式螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具；而涡轮钻具则是将钻井液的动能转换成机械能的一种动力钻具。其中涡轮钻具的基本结构与原理是：涡轮钻具由多级涡轮串联，每一级涡轮由一个定子和一个转子组成。定子和转子上设计有很多弯曲的叶片。钻井液流经涡轮转子后，受叶片形状作用，将一部分动能传递给转子叶片，带动转子转动将液体动能转化成转子的机械能输出。

现有的涡轮钻具存在的问题是：

1.主要部件设计、加工、装配难度高。涡轮叶片结构影响工具性能，叶片结构复杂，为三维曲面，一般设计难度较大；外筒长度较长，加工都需专业设备；运动、静止部件配合精度高，装配困难。

轴承工况恶劣。起扶正主轴的径向轴承工作在钻井液中，极易磨损；一般常规轴承难以胜任；止推轴承需要承受涡轮节上巨大的轴向力，一般也需单独设计。

以上原因，导致涡轮钻具设计加工门等技术门槛高，零部件标准化程度低，加工及使用成本高，应用推广困难。

发明内容

本发明提供了一种反冲式无叶片井下动力单元和反冲式无叶片井下动力钻具，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有涡轮钻具存在的结构复杂，加工难度大，装配精度高，易受环境的制约，标准化程度低，生产成本高，不易于推广的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种反冲式无叶片井下动力单元，包括外筒组件和动力组件，动力组件包括芯轴和自转体，芯轴悬挂安装在外筒组件内且两者之间能相对旋转，芯轴的中部设有开口向上的进液盲道，芯轴的下部外侧设有能与其同步转动的自转体，自转体与芯轴之间沿圆周分布有能与进液盲道相通的自转流道，所有自转流道的出口均呈旋向相同的倾斜状。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述自转体和芯轴可传动连接在一起。

上述自转体可包括内转体和外转体，内转体位于芯轴的下部外侧，内转体的上部与芯轴的下部外侧通过花键联接安装在一起，对应内转体下方位置的芯轴外侧设有限位部件，内转体的外侧固定安装有外转体，对应内转体中部位置的芯轴上沿圆周分布有内出液孔，内转体上沿圆周分布有能与对应的内出液孔相通的连通出液孔，外转体上沿竖直向分布有至少一圈流道圈，每圈流道圈均包括至少两个沿圆周分布于外转体上的外出液孔，所有的外出液孔均呈旋向相同的倾斜状，内出液孔、连通出液孔和外出液孔共同形成自转流道。

上述对应内出液孔位置的内转体内侧可设有能连通所有连通出液孔的内环槽，对应内环槽上方位置的内转体与芯轴之间设有位于内出液孔上方的上密封圈，对应内环槽下方位置的内转体与芯轴之间均设有位于内出液孔下方的下密封圈；对应外出液孔位置的内转体外侧设有能连通所有连通出液孔的外环槽，对应外环槽上方位置的内转体与外转体之间设有位于所有外出液孔上方的上密封圈，对应外环槽下方位置的内转体与外转体之间设有位于所有外出液孔下方的下密封圈。

上述外筒组件可包括上外筒、中外筒和下外筒，上外筒的下部外侧与中外筒的上部内侧固定安装在一起，中外筒的下部外侧与下外筒的上部内侧固定安装在一起，中外筒的内侧设有位于自转体上方的中内环台，中内环台上座有套装在芯轴外侧的轴套，轴套的上方位于上外筒的下部内侧，对应轴套上方位置的上外筒内侧设有上内环台，对应上内环台与轴套之间位置的芯轴与上外筒之间设有转动轴承，芯轴的上部外侧设有座于转动轴承上的第一外环台。

上述轴套与芯轴之间可设有扶正轴承，对应转动轴承与扶正轴承之间位置的芯轴外侧安装有隔套，对应扶正轴承底部位置的芯轴外侧固定安装有锁紧环，且扶正轴承座于锁紧环上。

上述第一外环台与上内环台之间可设有第一旋转密封，芯轴的下部与中内环台之间设有第二旋转密封，对应第一旋转密封下方位置的上外筒上设有平衡活塞，对应第二旋转密封下方位置的中外筒上设有平衡活塞。

上述上外筒的下部外侧与中外筒的上部内侧可通过螺纹连接固定安装在一起，且两者的连接处设有密封圈和防转键；中外筒的下部外侧与下外筒的上部内侧通过螺纹连接固定安装在一起，且两者的连接处设有密封圈和防转键。

上述进液盲道的上部内侧可设有内花键，芯轴的下部外侧设有外花键。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种使用反冲式无叶片井下动力单元的反冲式无叶片井下动力钻具，包括连接筒、联轴器、连接管和至少两个依次排列的反冲式无叶片井下动力单元，每两相邻反冲式无叶片井下动力单元的外筒组件之间均安装有连接筒，连接筒的两端均与相应的外筒组件的端部通过螺纹连接固定安装在一起，且在两者的螺纹连接处均设有防转键；每两相邻反冲式无叶片井下动力单元的芯轴之间均设有位于连接筒内的连接管，连接管的两端均与相应的芯轴通过联轴器安装在一起，连接管上沿圆周分布有通液孔。

本发明结构合理而紧凑，使用方便，其通过进液盲道和自转流道的设置，可使高压流体作用于自转体并带动自转体旋转，进而带动了待驱动部件的旋转，其结构简单，易于加工，装配精度要求低，便于装配，且不会受到环境的限制，其还能实现标准化生产，从而可降低生产成本，使其易于推广。

附图说明

附图1为本发明实施例二的主视剖视结构示意图。

附图2为附图1中外转体的俯视剖视放大结构示意图。

附图中的编码分别为：1为芯轴，2为进液盲道，3为内转体，4为外转体，5为限位部件，6为内出液孔，7为连通出液孔，8为外出液孔，9为内环槽，10为上密封圈，11为下密封圈，12为外环槽，13为上外筒，14为中外筒，15为下外筒，16为中内环台，17为轴套，18为上内环台，19为转动轴承，20为第一外环台，21为扶正轴承，22为隔套，23为锁紧环，24为第一旋转密封，25为第二旋转密封，26为平衡活塞，27为连接密封圈，28为防转键，29为内花键，30为外花键，31为连接筒，32为联轴器，33为连接管，34为通液孔，35为上接头。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例一：如附图1、2所示，该反冲式无叶片井下动力单元包括包括外筒组件和动力组件，动力组件包括芯轴1和自转体，芯轴1悬挂安装在外筒组件内且两者之间能相对旋转，芯轴1的中部设有开口向上的进液盲道2，芯轴1的下部外侧设有能与其同步转动的自转体，自转体与芯轴1之间沿圆周分布有能与进液盲道2相通的自转流道，所有自转流道的出口均呈旋向相同的倾斜状。在使用过程中，可将上部管串与外筒组件的上部固定安装在一起，所述上部管串的内侧应设有能与进液盲道2相通的过液流道，将待驱动部件与芯轴1的底部或自转体传动连接在一起；然后可将其整体下入井内，并向管串内注入高压流体，此时高压流体将通过过液流道进入进液盲道2并从自转流道喷出，而喷出的高压流体将产生作用于自传体的反向作用力，从而可驱动自转体带动芯轴1和待驱动部件旋转。根据需求，外筒组件内可通过轴承和限位台悬挂安装有芯轴1，由此可确保两者能相对自由旋转；自转体和芯轴1可一体设置或固定在一起或安装在一起，由此可确保自转体能与动力组件同步转动；外筒组件的上部内侧可固定安装有上接头35。

可根据实际需要，对上述反冲式无叶片井下动力单元作进一步优化或/和改进：

如附图1、2所示，自转体和芯轴1传动连接在一起。由此可确保自转体能与动力组件同步转动。根据需求，自转体和芯轴1可通过花键联接安装在一起。

如附图1、2所示，自转体包括内转体3和外转体4，内转体3位于芯轴1的下部外侧，内转体3的上部与芯轴1的下部外侧通过花键联接安装在一起，对应内转体3下方位置的芯轴1外侧设有限位部件5，内转体3的外侧固定安装有外转体4，对应内转体3中部位置的芯轴1上沿圆周分布有内出液孔6，内转体3上沿圆周分布有能与对应的内出液孔6相通的连通出液孔7，外转体4上沿竖直向分布有至少一圈流道圈，每圈流道圈均包括至少两个沿圆周分布于外转体4上的外出液孔8，所有的外出液孔8均呈旋向相同的倾斜状，内出液孔6、连通出液孔7和外出液孔8共同形成自转流道。由此可便于自转体的加工和装配，降低加工难度和成本。根据需求，外转体4上可沿竖直向间隔分布有三圈流道圈，每圈流道圈可均包括八个沿圆周均布于外转体4上的外出液孔8；限位部件5可采用现有公知技术，如限位块、销钉或限位挡圈等。

如附图1、2所示，对应内出液孔6位置的内转体3内侧设有能连通所有连通出液孔7的内环槽9，对应内环槽9上方位置的内转体3与芯轴1之间设有位于内出液孔6上方的上密封圈10，对应内环槽9下方位置的内转体3与芯轴1之间均设有位于内出液孔6下方的下密封圈11；对应外出液孔8位置的内转体3外侧设有能连通所有连通出液孔7的外环槽12，对应外环槽12上方位置的内转体3与外转体4之间设有位于所有外出液孔8上方的上密封圈10，对应外环槽12下方位置的内转体3与外转体4之间设有位于所有外出液孔8下方的下密封圈11。由此可确保高压流体流动通畅，且可减少高压流体的动能损耗，使从各个外出液孔8流出的高压流体可向自传体施加更大的反向作用力。

如附图1、2所示，外筒组件包括上外筒13、中外筒14和下外筒15，上外筒13的下部外侧与中外筒14的上部内侧固定安装在一起，中外筒14的下部外侧与下外筒15的上部内侧固定安装在一起，中外筒14的内侧设有位于自转体上方的中内环台16，中内环台16上座有套装在芯轴1外侧的轴套17，轴套17的上方位于上外筒13的下部内侧，对应轴套17上方位置的上外筒13内侧设有上内环台18，对应上内环台18与轴套17之间位置的芯轴1与上外筒13之间设有转动轴承19，芯轴1的上部外侧设有座于转动轴承19上的第一外环台20。转动轴承19的设置不仅可使得芯轴1能相对外筒组件悬挂设置，还可使两者之间能流畅转动，从而减少芯轴1相对转动的摩擦力。

如附图1、2所示，轴套17与芯轴1之间设有扶正轴承21，对应转动轴承19与扶正轴承21之间位置的芯轴1外侧安装有隔套22，对应扶正轴承21底部位置的芯轴1外侧固定安装有锁紧环23，且扶正轴承21座于锁紧环23上。扶正轴承21的设置可进一步提高轴套17与芯轴1之间相对旋转的稳定性，防止芯轴1在旋转过程中产生轴向偏移。

如附图1、2所示，第一外环台20与上内环台18之间设有第一旋转密封24，芯轴1的下部与中内环台16之间设有第二旋转密封25，对应第一旋转密封24下方位置的上外筒13上设有平衡活塞26，对应第二旋转密封25下方位置的中外筒14上设有平衡活塞26。第一旋转密封24和第二旋转密封25的设置可防止高压流体泄露，平衡活塞26的设置可平衡密封腔内的压力。

如附图1、2所示，上外筒13的下部外侧与中外筒14的上部内侧通过螺纹连接固定安装在一起，且两者的连接处设有连接密封圈27和防转键28；中外筒14的下部外侧与下外筒15的上部内侧通过螺纹连接固定安装在一起，且两者的连接处设有连接密封圈27和防转键28。根据需求，对应防转键28位置的两者的相接端面上均设有防转槽，且防转键28的上下两端分别嵌入相应的防转槽内。螺纹连接的设置可使其安装拆卸更加方便，防转键28的设置可防止连接处松脱，密封圈的设置可防止高压流体泄露。

如附图1、2所示，进液盲道2的上部内侧设有内花键29，芯轴1的下部外侧设有外花键30。由此可便于芯轴1的传动连接和安装。

实施例二：如附图1、2所示，一种使用反冲式无叶片井下动力单元的反冲式无叶片井下动力钻具，包括连接筒31、联轴器32、连接管33和至少两个依次排列的反冲式无叶片井下动力单元，每两相邻反冲式无叶片井下动力单元的外筒组件之间均安装有连接筒31，连接筒31的两端均与相应的外筒组件的端部通过螺纹连接固定安装在一起，且在两者的螺纹连接处均设有防转键28；每两相邻反冲式无叶片井下动力单元的芯轴1之间均设有位于连接筒31内的连接管33，连接管33的两端均与相应的芯轴1通过联轴器32安装在一起，连接管33上沿圆周分布有通液孔34。使用时，可将待驱动部件安装在最下端的芯轴1的下部，由此可确保各个芯轴1与连接管33之间能共同传递扭矩，通液孔34的设置可将连接管33内部与连接筒31内部连通，从而确保从上部通过过液流道进入进液盲道2并从自转流道喷出的高压流体能通过通液孔34进入下方芯轴1的进液盲道2内，由此可使所有的自转体能共同受到高压流体的反向作用力，进而共同驱动所有芯轴1带动待驱动部件转动。根据需求，联轴器32的两端均与对应的连接管33和芯轴1通过花键联接安装在一起。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (7)

1.一种反冲式无叶片井下动力单元，其特征在于包括外筒组件和动力组件，动力组件包括芯轴和自转体，芯轴悬挂安装在外筒组件内且两者之间能相对旋转，芯轴的中部设有开口向上的进液盲道，芯轴的下部外侧设有能与其同步转动的自转体，自转体与芯轴之间沿圆周分布有能与进液盲道相通的自转流道，所有自转流道的出口均呈旋向相同的倾斜状，自转体和芯轴传动连接在一起，自转体包括内转体和外转体，内转体位于芯轴的下部外侧，内转体的上部与芯轴的下部外侧通过花键联接安装在一起，对应内转体下方位置的芯轴外侧设有限位部件，限位部件为限位块或销钉或限位挡圈，内转体的外侧固定安装有外转体，对应内转体中部位置的芯轴上沿圆周分布有内出液孔，内转体上沿圆周分布有能与对应的内出液孔相通的连通出液孔，外转体上沿竖直向分布有至少一圈流道圈，每圈流道圈均包括至少两个沿圆周分布于外转体上的外出液孔，所有的外出液孔均呈旋向相同的倾斜状，内出液孔、连通出液孔和外出液孔共同形成自转流道。

2.根据权利要求1所述的反冲式无叶片井下动力单元，其特征在于对应内出液孔位置的内转体内侧设有能连通所有连通出液孔的内环槽，对应内环槽上方位置的内转体与芯轴之间设有位于内出液孔上方的上密封圈，对应内环槽下方位置的内转体与芯轴之间均设有位于内出液孔下方的下密封圈；对应外出液孔位置的内转体外侧设有能连通所有连通出液孔的外环槽，对应外环槽上方位置的内转体与外转体之间设有位于所有外出液孔上方的上密封圈，对应外环槽下方位置的内转体与外转体之间设有位于所有外出液孔下方的下密封圈。

3.根据权利要求2所述的反冲式无叶片井下动力单元，其特征在于外筒组件包括上外筒、中外筒和下外筒，上外筒的下部外侧与中外筒的上部内侧固定安装在一起，中外筒的下部外侧与下外筒的上部内侧固定安装在一起，中外筒的内侧设有位于自转体上方的中内环台，中内环台上设有套装在芯轴外侧的轴套，轴套的上方位于上外筒的下部内侧，对应轴套上方位置的上外筒内侧设有上内环台，对应上内环台与轴套之间位置的芯轴与上外筒之间设有转动轴承，芯轴的上部外侧设有设于转动轴承上的第一外环台。

4.根据权利要求3所述的反冲式无叶片井下动力单元，其特征在于轴套与芯轴之间设有扶正轴承，对应转动轴承与扶正轴承之间位置的芯轴外侧安装有隔套，对应扶正轴承底部位置的芯轴外侧固定安装有锁紧环，且扶正轴承设于锁紧环上。

5.根据权利要求4所述的反冲式无叶片井下动力单元，其特征在于第一外环台与上内环台之间设有第一旋转密封，芯轴的下部与中内环台之间设有第二旋转密封，对应第一旋转密封下方位置的上外筒上设有平衡活塞，对应第二旋转密封下方位置的中外筒上设有平衡活塞。

6.根据权利要求5所述的反冲式无叶片井下动力单元，其特征在于上外筒的下部外侧与中外筒的上部内侧通过螺纹连接固定安装在一起，且两者的连接处设有密封圈和防转键；中外筒的下部外侧与下外筒的上部内侧通过螺纹连接固定安装在一起，且两者的连接处设有密封圈和防转键；或/和，进液盲道的上部内侧设有内花键，芯轴的下部外侧设有外花键。

7.一种使用权利要求1至6中任一项所述反冲式无叶片井下动力单元的反冲式无叶片井下动力钻具，其特征在于包括连接筒、联轴器、连接管和至少两个依次排列的反冲式无叶片井下动力单元，每两相邻反冲式无叶片井下动力单元的外筒组件之间均安装有连接筒，连接筒的两端均与相应的外筒组件的端部通过螺纹连接固定安装在一起，且在两者的螺纹连接处均设有防转键；每两相邻反冲式无叶片井下动力单元的芯轴之间均设有位于连接筒内的连接管，连接管的两端均与相应的芯轴通过联轴器安装在一起，连接管上沿圆周分布有通液孔。