CN110374507B - 一种井下增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种井下增压器，这种井下增压器包括外壳、柱塞、蓄能弹簧、驱动齿轮机构、液压缸、钻头短接；外壳内有一个隔板，蓄能弹簧放置在隔板上，柱塞放置在蓄能弹簧上，柱塞下部的柱塞阶梯穿过隔板，柱塞阶梯的下端为活塞，液压缸位于活塞正下方，液压缸缸底设置有密封阀，密封阀连接高压流道，高压流道连接钻头短接的流道接口；柱塞头部具有垂向设置的过流孔；驱动齿轮机构的每个大齿轮均安装于支架处，每个大齿轮内侧啮合一个小齿轮，且每个大齿轮和小齿轮还通过二连杆连接，两个小齿轮位于柱塞阶梯两侧且均与柱塞阶梯啮合，两个小齿轮分别通过换向连杆连接换向导轨。本发明解决了现有的常规增压器受井下制约无法带入动力源的问题。

Description

一种井下增压器

技术领域：

本发明涉及的是石油行业钻井用的适用于深井的辅助破岩工具，具体涉及的是一种井下增压器。

背景技术：

近年来，随着油气田勘探开发的深入，油气钻井逐渐由浅部地层向深部地层转变，钻遇地层岩石硬度增大、可钻性级值增高，机械钻速降低、破岩效率降低、钻井成本升高，因此，在各种钻井技术中辅助钻井破岩技术就突出了自身的重要性。

当前，提高机械钻速的新技术之一为超高压射流破岩技术，实现这项技术的关键是要制造出产生高压水射流的增压装置。目前实现钻井液增压的方式有地面增压和井下增压两种。将钻井液在地面增压后再输送到钻头困难很大，为此，国内外专家设计了各种各样的井下增压装置。

现有的井下增压器多数以井下安装螺杆马达为动力源，通过换向装置将螺杆泵的旋转运动转换为柱塞的上下往复运动来对部分钻井液实现增压。此种装置因井下空间狭小，使得可以用于井下的马达直径更小，马达的功率受到制约，故在井下空间完成往复运动次数少，且当装置损坏的情况下钻井液不能流通，阻碍钻井，严重时候会引发事故。这些问题的存在严重制约了井下增压器在现场的推广使用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种井下增压器，这种井下增压器用于解决现有的常规增压器受井下制约无法带入动力源的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种井下增压器包括外壳、柱塞、蓄能弹簧、驱动齿轮机构、液压缸、钻头短接；外壳下端连接钻头短接，外壳内有一个隔板，隔板上有两个对称的限流孔，每个限流孔正下方有一个支架；蓄能弹簧放置在隔板上，柱塞放置在蓄能弹簧上，柱塞下部的柱塞阶梯穿过隔板，柱塞阶梯的下端为活塞，液压缸固定在钻头短接上，液压缸位于活塞正下方，液压缸缸底设置有密封阀，密封阀连接高压流道，高压流道连接钻头短接的流道接口，流道接口外侧设置泄流孔；柱塞头部具有垂向设置的过流孔；驱动齿轮机构包括成对设置的大齿轮和小齿轮，每个大齿轮均安装于支架处，每个大齿轮内侧啮合一个小齿轮，且每个大齿轮和小齿轮还通过二连杆连接，两个小齿轮位于柱塞阶梯两侧且均与柱塞阶梯啮合，两个小齿轮分别通过换向连杆连接换向导轨；钻井液经由柱塞上的过流孔、蓄能弹簧腔、限流孔冲击大齿轮侧面叶轮并开始分流，一部分钻井液沿着外壳和液压缸形成的环空从钻头短接上的泄流孔流出，另一部分流入液压缸，待柱塞对液压缸内钻井液增压后，密封阀打开，高压钻井液从高压流道中射出，完成射流。

上述方案中外壳上部具有螺纹，用于连接上部钻柱，钻头短接下部连接钻头。

上述方案中二连杆中的两个连杆铰接，其中一个连杆与大齿轮通过销钉固定在支架上，小齿轮及对应的换向连杆通过销钉固定在另一个连杆上；两个换向连杆通过轴与换向导轨活动连接，换向导轨具有条形的导轨槽。

上述方案中二连杆内部设置单向第一紧固件，换向连杆和换向导轨间设置单向第二紧固件，使得二连杆及换向连杆处于水平位置时锁紧。

上述方案中柱塞阶梯的直径小于活塞直径，换向导轨与小齿轮中心垂线的距离大于柱塞阶梯直径，换向导轨与小齿轮中心垂线的距离小于活塞直径。

上述方案中大齿轮侧面有8个叶片，便于将钻井液的动能转换为大齿轮旋转的力。

上述方案中柱塞阶梯由20-30个阶梯构成。

上述方案中钻头短接均匀开有4个泄流孔，供常规钻井液流出。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用钻井液流通时的流动压力作为动力源，充分利用了钻井液的液柱压力，使得钻井液得到了充分的利用，不需要额外补充能量。

2.本发明在施工过程中若增压器的零部件卡死不能正常工作，钻井液亦可以通过孔隙流通，不影响施工的进行。

3.本发明有蓄能弹簧，可以在一定程度上减少钻井过程中纵向的冲击振动。

4.本发明可以和常用钻头搭配使用，无需特制钻头。

5.本发明钻井液提供的动力大于弹簧的起升力，故不存在装置的平衡点，不会存在增压器内部因为二力平衡使得装置停止工作的现象。

四、附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中的俯视图；

图3是本发明中外壳的剖视图；

图4是本发明中柱塞的结构示意图；

图5是本发明中大齿轮的结构示意图；

图6是本发明中二连杆的结构示意图；

图7是本发明中钻头短接的结构示意图；

图8是本发明中换向装置的结构示意图；

图9是本发明中除去外壳、液压缸、钻头短接的零部件行程初始位置的示意图；

图10是本发明中除去外壳、液压缸、钻头短接的零部件行程初始位置轴侧的示意图；

图11是本发明中除去外壳、液压缸、钻头短接的零部件行程结束位置的示意图；

图12是本发明中除去外壳、液压缸、钻头短接的零部件行程结束位置轴侧的示意图。

图1中1.外壳、2.柱塞、3.蓄能弹簧、4.大齿轮、5.小齿轮、6.二连杆、7.销钉、8.换向连杆、9.换向导轨、10.液压缸、11.密封阀、12.钻头短接、13.支架、14.限流孔、15.隔板、16.管螺纹、17.过流孔、19.柱塞阶梯、20.活塞、21.叶片、22.固定孔、23.限位孔、24.第一紧固件、25.连接孔、27.高压流道、28.流道接口、29.泄流孔、31.定位孔、32.第二紧固件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种井下增压器包括外壳1、柱塞2、蓄能弹簧3、驱动齿轮机构、液压缸10、钻头短接12；外壳1下端连接钻头短接12，外壳1上部具有螺纹，用于连接上部钻柱，钻头短接12下部连接钻头。外壳1内有一个隔板15，隔板15上有两个对称的限流孔14，每个限流孔14正下方有一个支架13；蓄能弹簧3放置在隔板15上，柱塞2放置在蓄能弹簧3上，柱塞2下部的柱塞阶梯19穿过隔板15，柱塞阶梯19的下端为活塞20，液压缸10固定在钻头短接12上，液压缸10位于活塞20正下方，液压缸10缸底设置有密封阀11，密封阀11连接高压流道27，高压流道27连接钻头短接的流道接口28，流道接口28外侧设置泄流孔29；柱塞2头部具有垂向设置的过流孔17；驱动齿轮机构包括成对设置的大齿轮4和小齿轮5，每个大齿轮4均安装于支架13处，每个大齿轮4内侧啮合一个小齿轮5，且每个大齿轮4和小齿轮5还通过二连杆6连接，两个小齿轮5位于柱塞阶梯19两侧且均与柱塞阶梯19啮合，两个小齿轮5分别通过换向连杆8连接换向导轨9。

大齿轮4以及二连杆6使用销钉7通过固定孔22和限位孔23连接到外壳1腔内的支架13上；小齿轮5使用销钉7连接到二连杆6上的连接孔25和换向连杆8的定位孔31上；换向导轨9和两个换向连杆8如图8所示连接；密封阀11和液压缸10内的密封阀口配合；高压流道27和流道接口28螺纹配合；钻头短接12通过短接螺纹和管螺纹16螺纹配合。

结合图2、图3所示：支架13为用于安装大齿轮4和二连杆6的支架；限流孔14为用于限制钻井液流动方向开的孔，钻井液流过此孔只能冲击大齿轮4靠近外壳1的一侧，而并非全部大齿轮4；管螺纹16为外壳底部用于安装钻头短接12的螺纹。

如图4所示：柱塞2上部开有多个过流孔17用于通过钻井液，柱塞2上部的直径大于柱塞阶梯19的直径；柱塞2中部开有和小齿轮5啮合的柱塞阶梯19；活塞20用于液压缸10内的钻井液增压以及向上运动时给予换向导轨9一个向上的力。柱塞阶梯19的直径小于活塞20直径，换向导轨9与小齿轮5中心垂线的距离大于柱塞阶梯19直径，换向导轨9与小齿轮5中心垂线的距离小于活塞20直径。柱塞阶梯由20-30个阶梯构成。

如图5所示：大齿轮4侧面由多个叶片21组成一个叶轮，附着在大齿轮4侧面，为大齿轮4旋转提供动力；大齿轮4中心为固定孔22，销钉7通过固定孔22将大齿轮4固定在支架13上。

如图6所示：二连杆6中，限位孔23用于和固定孔22、支架13通过销钉7连接并固定锁死，使得二连杆6靠近限位孔23的一侧不能转动；连接孔25用于连接小齿轮5；第一紧固件24内部有锁紧结构使得二连杆6一端旋转到水平位置时提供锁紧，不会向上继续运动，当靠近连接孔25的二连杆6一端受小齿轮5给予的力时，才会向下运动。

密封阀口位于液压缸10底部的中心位置，用于安装密封阀11；高压流道27位于密封阀口的正下方，高压钻井液从密封阀11流出后直接从高压流道口射流，高压流道27外部有螺纹用于和钻头短接12连接。

如图7所示：流道接口28位于钻头短接12的正中心，用于和液压缸10底部的高压流道27连接；泄流孔29则圆周阵列于钻头短接12上，用于流通钻井液；短接螺纹则用于和外壳1的管螺纹16配合。

如图8所示：换向装置由两个换向连杆8和换向导轨9构成，定位孔31用于和通过连接孔25的销钉7连接；换向连杆8和换向导轨9如图所示连接，换向连杆8和换向导轨9连接部分存在第二紧固件32，第二紧固件32中间存在锁紧结构，使得换向连杆8和换向导轨9运动到水平位置时锁紧。

为了便于理解，下面再结合图9、图10、图11、图12就本发明的工作过程加以描述：

1.如图9、图10所示：图9为本增压器初始工作位置图，此时二连杆6水平，使得小齿轮5和大齿轮4中心处于同一水平线上；两个换向连杆8水平，带动换向导轨9水平；

2.钻井液从外壳1上部接的钻柱中，由过流孔17流入，流经蓄能弹簧3和外壳1所形成的腔室，通过外壳腔内的限流孔14，直接冲击大齿轮4侧面的叶片21，使得大齿轮4旋转，同时带动小齿轮5旋转，小齿轮5和柱塞阶梯19啮合，小齿轮5旋转带动柱塞2挤压蓄能弹簧3并向下运动；当活塞20没有接触到液压缸10时，钻井液在此处分流，一部分钻井液流入液压缸10内，另一部分钻井液从液压缸10和外壳1的形成的环空流动，从钻头短接12的泄流孔29流出；

3.随着柱塞2在小齿轮5的带动下继续向下运动，活塞20挤压液压缸10内部的钻井液，使之成为高压钻井液，待到液压缸10内钻井液压力达到密封阀11的承受的最大压力时，密封阀11打开，形成的高压钻井液由液压缸10的高压流道27流出，冲击岩石，辅助破岩。

4.如图11、图12所示：待柱塞阶梯19运行到行程末端，柱塞2由于惯性会向下运动，由于柱塞上部的直径远远大于柱塞阶梯19，故柱塞上部会将两边的小齿轮5向两边推开，小齿轮5带动二连杆6向下旋转，形成如图10所示的状态。

5.随着柱塞2向下运动的惯性消失，蓄能弹簧3将会复位，给予柱塞2向上的力；随着柱塞2向上运动，活塞20会向上抬起换向导轨9，换向导轨9带动换向连杆8向上运动，由于换向导轨9和换向连杆8连接地方存在第二紧固件32，当换向导轨9复位到水平（图9所示）的位置时第二紧固件32将换向连杆8和换向导轨9水平锁死，不再运动；二连杆6同样存在第一紧固件24，当小齿轮5和大齿轮4中心在同一水平线时，此时二连杆6处于水平位置，第一紧固件24锁死，二连杆6不再运动。此时零部件均复位到初始位置，继续开始下一个循环。

如此重复实现不间断的增压以及排出高压钻井液的过程。

Claims (6)

1.一种井下增压器，其特征在于：这种井下增压器包括外壳（1）、柱塞（2）、蓄能弹簧（3）、驱动齿轮机构、液压缸（10）、钻头短接（12）；外壳（1）下端连接钻头短接（12），外壳（1）内有一个隔板（15），隔板（15）上有两个对称的限流孔（14），每个限流孔（14）正下方有一个支架（13）；蓄能弹簧（3）放置在隔板（15）上，柱塞（2）放置在蓄能弹簧（3）上，柱塞（2）下部的柱塞阶梯（19）穿过隔板（15），柱塞阶梯（19）的下端为活塞（20），液压缸（10）固定在钻头短接（12）上，液压缸（10）位于活塞（20）正下方，液压缸（10）缸底设置有密封阀（11），密封阀（11）连接高压流道（27），高压流道（27）连接钻头短接的流道接口（28），流道接口（28）外侧设置泄流孔（29）；柱塞（2）头部具有垂向设置的过流孔（17）；驱动齿轮机构包括成对设置的大齿轮（4）和小齿轮（5），每个大齿轮（4）均安装于支架（13）处，每个大齿轮（4）内侧啮合一个小齿轮（5），且每个大齿轮（4）和小齿轮（5）还通过二连杆（6）连接，两个小齿轮（5）位于柱塞阶梯（19）两侧且均与柱塞阶梯（19）啮合，两个小齿轮（5）分别通过换向连杆（8）连接换向导轨（9）；钻井液经由柱塞上的过流孔（17）、蓄能弹簧腔、限流孔（14）冲击大齿轮（4）侧面叶轮并开始分流，一部分钻井液沿着外壳（1）和液压缸（10）形成的环空从钻头短接上的泄流孔（29）流出，另一部分流入液压缸（10），待柱塞（2）对液压缸（10）内钻井液增压后，密封阀（11）打开，高压钻井液从高压流道（27）中射出，完成射流；

所述的二连杆（6）中的两个连杆铰接，其中一个连杆与大齿轮（4）通过销钉（7）固定在支架（13）上，小齿轮（5）及对应的换向连杆（8）通过销钉（7）固定在另一个连杆上；两个换向连杆（8）通过轴与换向导轨（9）活动连接，换向导轨（9）具有条形的导轨槽；

所述的二连杆（6）内部设置单向第一紧固件（24），换向连杆（8）和换向导轨（9）间设置单向第二紧固件（32），使得二连杆（6）及换向连杆（8）处于水平位置时锁紧。

2.根据权利要求1所述的井下增压器，其特征在于：所述的外壳上部具有螺纹，用于连接上部钻柱，钻头短接（12）下部连接钻头。

3.根据权利要求2所述的井下增压器，其特征在于：所述的柱塞阶梯（19）的直径小于活塞（20）直径，换向导轨（9）与小齿轮（5）中心垂线的距离大于柱塞阶梯（19）直径，换向导轨（9）与小齿轮（5）中心垂线的距离小于活塞（20）直径。

4.根据权利要求3所述的井下增压器，其特征在于：所述的大齿轮（4）侧面叶轮有8个叶片（21）。

5.根据权利要求4所述的井下增压器，其特征在于：所述的柱塞阶梯（19）由20-30个阶梯构成。

6.根据权利要求5所述的井下增压器，其特征在于：所述的钻头短接（12）均匀开有4个泄流孔（29）。

Images