CN109113567B - 一种水力增压射流工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水力增压射流工具；属石油，天然气井下作业工具技术领域。该工具包括上接头、外壳体、发电机总成、电动机、滑套、传动丝杆和套筒，发电机总成下方的壳体B内装有电动机，电动机与发电机总成之间设置有步进驱动器，步进驱动器通过连接导线分别与电动机和发电机总成连接，电动机下方的壳体C内通过滑套装有传动丝杆。该水力增压射流工具结构简单、脉冲平稳、不存在有害冲击、可以有效提高使用寿命和可靠性，从而解决了现有井下增压装置结构复杂、制造难度大、寿命短的问题，特别适用于深井、超深井钻井使用。

Description

一种水力增压射流工具
技术领域
本发明涉及一种水力增压射流工具；属石油，天然气井下作业工具技术领域。
背景技术
目前随着深井、超深井在油田所占比例增大，钻井遇到坚硬地层时钻速会大幅度下降，普通钻井工具难以达到施工要求。国内研究表明井下增压辅助钻井在油气井钻井中能够大幅度的提高机械钻速，国外开发出高压射流辅助钻井系统，在地面将钻井液直接作用在井底辅助钻头的机械破岩作用，能够提高机械钻速2-3倍。而井下增压的方式只需要在钻头上方增设增压装置，无需变动现有设备，制造方便。
水力增压射流技术是采用专门设计的井底增压装置配合钻头实现高压射流辅助钻井，提高钻井速度的技术。井下增压装置中，大部分都是使用水压来推动活塞，活塞带动液压缸往复运运动来实现井底增压，主要区别是换向方式不同；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，压差越大，输出的压力越大。这类装置增压效果良好，但是也存在缺点：增压器流道复杂，给加工和安装造成很大困难；常见的增压装置中往复结构，一般都是凸轮实现往复运动，或者碟簧复位的方式来增压，这类往复机构往往存在有害冲击，对零部件的磨损很严重，需要不定期的检查，更换，浪费人力物力，提高了钻井成本，由此，有必要一种结构简单，平稳，不存在有害冲击，连接简单、安装方便的井下增压工具。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种结构简单、脉冲平稳、不存在有害冲击、可以有效提高使用寿命和可靠性、解决现有井下增压装置结构复杂、制造难度大、寿命短问题的水力增压射流工具。
本发明的技术方案是：
一种水力增压射流工具，包括上接头、外壳体、发电机总成、电动机、滑套、传动丝杆和套筒，外壳体由依次螺纹连接的壳体A、壳体B、壳体C和壳体D构成，其特征在于：壳体A的顶端螺纹安装有上接头，上接头下方的壳体A内通过涡轮轴承和涡轮组件装有涡轮轴，涡轮轴下方通过上主轴轴承和下主轴轴承安装有发电机总成，发电机总成与涡轮轴连接，发电机总成下方的壳体B内装有电动机，电动机与发电机总成之间设置有步进驱动器，步进驱动器通过连接导线分别与电动机和发电机总成连接，电动机下方的壳体C内通过滑套装有传动丝杆，传动丝杆与电动机的输出轴连接；滑套下方的壳体D内设置有套筒，套筒与滑套螺纹连接；套筒下方固装有增压缸，增压缸与套筒固定连接。
所述的涡轮组件由涡轮转子和涡轮定子构成，涡轮转子与涡轮轴连接，涡轮定子与壳体A固定连接。
所述的发电机总成由转轴、发电机定子、发电机转子和发电机转子磁极构成，转轴外围设置有发电机定子，转轴上装有发电机转子，发电机转子与发电机定子之间设置有发电机转子磁极，发电机总成通过转轴与涡轮轴固定连接。
所述的传动丝杆与电动机之间通过装配轴承装有联轴器，传动丝杆通过联轴器与电动机的输出轴连接。
所述的滑套上螺纹安装有传动螺套，传动丝杆与传动螺套螺纹连接，传动螺套上固装有滑动销钉，与滑套对应的壳体D内壁上设置有滑槽，传动螺套通过滑动销钉与滑槽滑动连接。
所述的滑套内的传动丝杆底部固装有防掉帽。
所述的套筒圆周上均布有导流孔。
所述的增压缸由增压缸壳体、增压缸活塞杆、活塞单向阀、缸体单向阀和射流管构成， 增压缸壳体内的底部固装有射流管，射流管端口处的增压缸壳体内装有缸体单向阀，缸体单向阀上方的增压缸壳体内活动安装有增压缸活塞杆，增压缸活塞杆为管状，增压缸活塞杆的一端与套筒螺纹连接，所述的增压缸活塞杆内装有活塞单向阀。
所述的增压缸壳体与壳体D之间设置有液体流道。
所述的涡轮轴下端头两侧的壳体A上设置有高压流道，与高压流道对应的壳体B和壳体C上设置有连通流道，高压流道经连通流道与壳体C的腔体连通。
本发明的有益效果在于：
该水力增压射流工具工作过程中运用涡轮结构和井下发电机总成将钻井液的能量转化为内部电能，并利用步进驱动器的储能电容存储起来，驱动电机正反转来实现增压缸活塞杆的轴向上下运动，由此对钻井液进行增压，相比于现有的增压装置的往复结构和凸轮机构，以及碟簧复位的方式来增压，该水力增压射流工具结构简单、脉冲平稳、不存在有害冲击、可以有效提高使用寿命和可靠性，从而解决了现有井下增压装置结构复杂、制造难度大、寿命短的问题，特别适用于深井、超深井钻井使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的A处放大结构示意图；
图3为图1中的B处放大结构示意图；
图4为图1中的C处放大结构示意图；
图5为图1中的D处放大结构示意图。
图中：1、上接头，2、电动机，3、滑套，4、传动丝杆，5、套筒，6、壳体A，7、壳体B，8、壳体C，9、壳体D，10、涡轮轴承，11、涡轮组件，12、涡轮轴，13、上主轴轴承，14、下主轴轴承，15、转轴，16、发电机定子，17、发电机转子，18、发电机转子磁极，19、步进驱动器，20、传动螺套，21、联轴器，22、滑动销钉，23、滑槽， 24、导流孔，25、防掉帽，26、增压缸壳体，27、增压缸活塞杆，28、活塞单向阀，29、缸体单向阀，30、射流管，31、液体流道，32、挡板，33、高压流道，34、连通流道。
具体实施方式
该水力增压射流工具包括上接头1、外壳体、发电机总成、电动机2、滑套3、传动丝杆4和套筒5，外壳体由依次螺纹连接的壳体A6、壳体B7、壳体C8和壳体D9构成。壳体A6的顶端螺纹安装有上接头1，上接头1下方的壳体A6内装有通过涡轮轴承10和涡轮组件11装有涡轮轴12；涡轮组件11由涡轮转子和涡轮定子构成，涡轮转子与涡轮轴12连接，涡轮定子与壳体A6内壁固定连接。涡轮轴12下方通过上主轴轴承13和下主轴轴承14安装有发电机总成，发电机总成由转轴15、发电机定子16、发电机转子17和发电机转子磁极18构成，转轴15外围设置有发电机定子16，转轴15上装有发电机转子17，发电机转子17与发电机定子16之间设置有发电机转子磁极18，发电机总成通过转轴15与涡轮轴12固定连接。
发电机总成下方的壳体B7内装有电动机2，电动机2与发电机总成之间设置有步进驱动器19（步进驱动器为市售产品，由凯福电机公司生产，型号为Y2SA3），步进驱动器19通过连接导线分别与电动机2和发电机总成连接，电动机2下方的壳体C8内通过滑套3装有传动丝杆4，滑套3的上端口上螺纹安装有传动螺套20，传动丝杆4的一端穿过传动螺套20延伸至传动螺套20上方，传动丝杆4与传动螺套20之间为螺纹连接，延伸至传动螺套20上方的传动丝杆4与与电动机2之间通过装配轴承装有联轴器21，传动丝杆4通过联轴器21与电动机2的输出轴连接。滑套3内的传动丝杆4底部固装有防掉帽25；以防止传动丝杆4由滑套3内滑出。
传动螺套20上固装有滑动销钉22，与滑套3对应的壳体D9内壁上设置有滑槽23，传动螺套20通过滑动销钉22与滑槽23滑动连接，以在工作中限定传动螺套20，使其不能周向转动。滑套3下方的壳体D9内设置有套筒5，套筒5圆周上均布有导流孔24，套筒5与滑套3螺纹连接。
套筒5下方固装有增压缸，增压缸由增压缸壳体26、增压缸活塞杆27、活塞单向阀28、缸体单向阀29和射流管30构成，增压缸壳体26与壳体D9之间设置有液体流道31。
增压缸壳体26内的底部固装有射流管30，射流管30用于与钻头的水眼连通；射流管30端口处的增压缸壳体26内装有缸体单向阀29，缸体单向阀29上方的增压缸壳体26内活动安装有增压缸活塞杆27，增压缸活塞杆27内装有活塞单向阀28。增压缸活塞杆27为管状，增压缸活塞杆27的一端与套筒5螺纹连接，
该水力增压射流工具的涡轮轴12下端头固装有挡板32，挡板32与壳体A6之间为滑动密封连接，从而对壳体A6的腔体形成密封分割，挡板32上方的涡轮轴12两侧的壳体A6上对称设置有高压流道33，与高压流道33对应的壳体B7和壳体C8上设置有连通流道34，高压流道33与连通流道34相互连通，高压流道33经连通流道34与壳体C8的腔体连通。
该水力增压射流工具工作时，钻井液由上接头1进入，并对涡轮组件11进行冲击，从而带动涡轮轴12转动，进而带动发电机总成的转轴15和发电机转子17转动，转轴15和发电机转子17转动的过程中在发电机转子磁极18的作用下形成旋转磁场，由此产生交流电流；产生的交流电经过步进驱动器19中储能元件储存，以给电动机2工作时候提供必要的电能。当交流电为高脉冲时，步进驱动器19驱动电动机2正向转动。由于传动丝杆4通过联轴器21与电动机2的输出轴连接、套筒5与滑套3螺纹连接、套筒5与增压缸活塞杆27螺纹连接，电动机2正向转动带动传动丝杆4正向转动转动时，在传动螺套20的作用下，传动螺套20和滑套3整体沿滑槽23下行，从而压迫增压缸活塞杆27回缩至增压缸壳体26内。
当交流电为低脉冲时，步进驱动器19驱动电动机2反向转动。电动机2反向转动带动传动丝杆4反向转动转动时，在传动螺套20的作用下，传动螺套20和滑套3整体沿滑槽23上行，从而带动增压缸活塞杆27由增压缸壳体26内伸出。
完成冲击涡轮组件11的高压钻井液经高压流道33和连通流道34进入至壳体C8的腔体内，进入至壳体C8的腔体内的钻井液继续下行至壳体D9内，进入至壳体D9内的钻井液一部分经液体流道31作用至钻头上，从而对钻头起一个降温、润滑的作用，另一部分钻井液经导流孔24源源不断地进入至套筒5内，进入至套筒5内的钻井液进入增压缸活塞杆27，并冲击活塞单向阀28使其开启，从而进入至活塞单向阀28与缸体单向阀29之间的增压缸壳体26内。
其中，当电动机2正向转动带动传动丝杆4正向转动转动、压迫增压缸活塞杆27回缩至增压缸壳体26内的过程中；增压缸活塞杆27压迫活塞单向阀28与缸体单向阀29之间的钻井液，这一过程中，在活塞单向阀28与缸体单向阀29之间的钻井液反作用力下活塞单向阀28关闭，缸体单向阀29开启，增压缸活塞杆27压迫形成的增压后的钻井液经射流管30喷出，再通过连通管由钻头的水眼喷出，由此可辅助钻头进行破岩。
当步进驱动器19驱动电动机2反向转动，增压缸活塞杆27由增压缸壳体26内伸出的过程中，在负压的作用下缸体单向阀29关闭，活塞单向阀28开启，钻井液经经导流孔24、活塞单向阀28再次进入至活塞单向阀28与缸体单向阀29之间的增压缸壳体26内，如此循环，通过步进驱动器19驱动电动机2的正反向转动，使增压缸活塞杆27往复轴向（上下）运动，从而使钻井液增压后周期性的由射流管30喷出。
该水力增压射流工具通过发电机总成将钻井液的能量转化为内部电能，并利用步进驱动器19的储能电容存储起来，进而驱动电动机2正反转来实现增压缸活塞杆27的轴向上下运动，由此对钻井液进行增压，相比于现有增压装置的往复结构和凸轮机构，以及碟簧复位的方式来增压，该水力增压射流工具结构简单、脉冲平稳、不存在有害冲击、可以有效提高使用寿命和可靠性，从而解决了现有井下增压装置结构复杂、制造难度大、寿命短的问题，特别适用于深井、超深井钻井使用。

Claims (8)

1.一种水力增压射流工具，包括上接头（1）、外壳体、发电机总成、电动机（2）、滑套（3）、传动丝杆（4）和套筒（5），外壳体由依次螺纹连接的壳体A（6）、壳体B（7）、壳体C（8）和壳体D（9）构成，其特征在于：壳体A（6）的顶端螺纹安装有上接头（1），上接头（1）下方的壳体A（6）内通过涡轮轴承（10）和涡轮组件（11）装有涡轮轴（12），涡轮轴（12）下方通过上主轴轴承（13）和下主轴轴承（14）安装有发电机总成，发电机总成与涡轮轴（12）连接，发电机总成下方的壳体B（7）内装有电动机（2），电动机（2）与发电机总成之间设置有步进驱动器（19），步进驱动器（19）通过连接导线分别与电动机（2）和发电机总成连接，电动机（2）下方的壳体C（8）内通过滑套（3）装有传动丝杆（4），传动丝杆（4）与电动机（2）的输出轴连接；滑套（3）下方的壳体D（9）内设置有套筒（5），套筒（5）与滑套（3）螺纹连接；套筒（5）下方固装有增压缸，增压缸与套筒（5）固定连接；所述的涡轮组件（11）由涡轮转子和涡轮定子构成，涡轮转子与涡轮轴（12）连接，涡轮定子与壳体A（6）固定连接；所述的发电机总成由转轴（15）、发电机定子（16）、发电机转子（17）和发电机转子磁极（18）构成，转轴（15）外围设置有发电机定子（16），转轴（15）上装有发电机转子（17），发电机转子（17）与发电机定子（16）之间设置有发电机转子磁极（18），发电机总成通过转轴（15）与涡轮轴（12）固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种水力增压射流工具，其特征在于：所述的传动丝杆（4）与电动机（2）之间通过装配轴承装有联轴器（21），传动丝杆（4）通过联轴器（21）与电动机（2）的输出轴连接。
3.根据权利要求1所述的一种水力增压射流工具，其特征在于：所述的滑套（3）上螺纹安装有传动螺套（20），传动丝杆（4）与传动螺套（20）螺纹连接，传动螺套（20）上固装有滑动销钉（22），与滑套（3）对应的壳体D（9）内壁上设置有滑槽（23），传动螺套（20）通过滑动销钉（22）与滑槽（23）滑动连接。
4.根据权利要求1所述的一种水力增压射流工具，其特征在于：所述的滑套（3）内的传动丝杆（4）底部固装有防掉帽（25）。
5.根据权利要求1所述的一种水力增压射流工具，其特征在于：所述的套筒（5）圆周上均布有导流孔（24）。
6.根据权利要求1所述的一种水力增压射流工具，其特征在于：所述的增压缸由增压缸壳体（26）、增压缸活塞杆（27）、活塞单向阀（28）、缸体单向阀（29）和射流管（30）构成， 增压缸壳体（26）内的底部固装有射流管（30），射流管（30）端口处的增压缸壳体（26）内装有缸体单向阀（29），缸体单向阀（29）上方的增压缸壳体（26）内活动安装有增压缸活塞杆（27），增压缸活塞杆（27）为管状，增压缸活塞杆（27）的一端与套筒（5）螺纹连接，所述的增压缸活塞杆（27）内装有活塞单向阀（28）。
7.根据权利要求6所述的一种水力增压射流工具，其特征在于：所述的增压缸壳体（26）与壳体D（9）之间设置有液体流道（31）。
8.根据权利要求1所述的一种水力增压射流工具，其特征在于：所述的涡轮轴（12）下端头两侧的壳体A（6）上设置有高压流道（33），与高压流道（33）对应的壳体B（7）和壳体C（8）上设置有连通流道（34），高压流道（33）经连通流道（34）与壳体C（8）的腔体连通。
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