CN117211710A - 一种具有全金属螺杆泵的环空降压工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有全金属螺杆泵的环空降压工具，包括：涡轮组件，包括涡轮组以及套设在涡轮组外部的动力端外壳；传动中心轴，涡轮组套设在传动中心轴上；挠轴，通过接头与传动中心轴连接，挠轴的外部套设有连接短节外筒，连接短节外筒通过连接套与动力端外壳连接；螺杆泵组件，包括螺杆泵外壳以及设置于螺杆泵外壳内的定子和螺杆，定子通过螺杆泵上接头与挠轴连接，螺杆泵外壳上套设有密封组件且与套管的内壁紧贴；下中心轴，下中心轴的第一端通过螺杆泵下接头与螺杆连接，第二端转动安装在下接头的孔道内，下接头通过螺杆泵连接筒与螺杆泵外壳连接，下中心轴上套设有内研磨短节，螺杆泵连接筒上设置有外研磨短节。

Description

一种具有全金属螺杆泵的环空降压工具

技术领域

本发明涉及一种具有全金属螺杆泵的环空降压工具，属于石油、天然气钻井配套装置技术领域。

背景技术

在油气田钻井中，要求已钻井中钻井泥浆形成的压力介于底层坍塌压力和破裂压力之间，否则井眼岩石容易出现坍塌和破裂，从而引发井喷、井塌、卡钻事故。在静止状态下，井底压力仅与泥浆液柱压力有关，在循环状态下井底压力与泥浆液柱压力与环空压力损耗之和。

随着对石油需求的增加，使得各大油田不断深入开发，开发难度不断增大，大斜度的井、长水平井、多分支井数量增加，因此行业更加关注怎样实现高速、高效率且安全地钻进。

在部分深井中，密度窗口很窄且钻井泥浆的当量循环密度靠近破裂压力曲线，此时钻井泥浆容易压裂地层引起泥浆漏失造成钻井停工，因此必须减小钻井泥浆的当量循环密度(ECD)，使当量循环密度介于密度窗口的中值附近，以提高窄密度窗口工况下钻井的可操作性。

传统钻井工艺中降低当量循环密度的方法有：调整钻井液流变性从而降低井眼环空摩擦压耗，从而降低ECD；在条件允许情况下增大泵排量以提高钻井液环空循环速度，进而达到井眼清洗作用降低ECD值；进行短起下钻作业，最大限度携带走井底滞留岩屑。然而上述方法都会降低钻井效率，增加钻井成本。

现存的降低ECD分为射流式和水利抽吸式，前者但钻井液含有岩屑时会造成喷嘴冲蚀和堵塞，而影响钻井工作，后者旋转部件容易磨损且环空密封部件易失效，影响工具性能。因此，需要设计一种可以降低井筒环空当量密度、效率高且寿命长的环空降压工具。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种具有全金属螺杆泵的环空降压工具，该工具能够提高窄密度窗口工况下钻井的可操作性以及安全性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种具有全金属螺杆泵的环空降压工具，包括：

涡轮组件，包括涡轮组以及套设在所述涡轮组外部的动力端外壳；

传动中心轴，其为中空环形轴，所述涡轮组套设在所述传动中心轴上，所述传动中心轴上开设有若干传动轴流道口；

挠轴，通过接头与所述传动中心轴连接，所述挠轴的外部套设有连接短节外筒，所述连接短节外筒通过连接套与所述动力端外壳连接；

螺杆泵组件，包括螺杆泵外壳以及设置于所述螺杆泵外壳内的定子和螺杆，所述定子通过螺杆泵上接头与所述挠轴连接，所述螺杆泵外壳上套设有密封组件且与套管的内壁紧贴；

下中心轴，所述下中心轴的第一端通过螺杆泵下接头与所述螺杆连接，第二端转动安装在下接头的孔道内，所述下接头通过螺杆泵连接筒与所述螺杆泵外壳连接，所述下中心轴上套设有内研磨短节，所述螺杆泵连接筒上设置有外研磨短节；

所述传动中心轴、所述接头、所述挠轴、所述螺杆泵上接头、所述定子、所述螺杆泵下接头和所述下中心轴内均设置有相互连通的流道。

所述的环空降压工具，优选地，还包括上接头，与所述动力端外壳可拆卸连接，所述上接头内开设有渐缩管流道，以提高流体流量。

所述的环空式降压工具，优选地，所述上接头的渐缩管流道为文丘里管形流道。

所述的环空降压工具，优选地，所述涡轮组件还包括调整套，所述涡轮组的两端通过所述调整套进行定位。

所述的环空降压工具，优选地，所述接头包括传动轴接头和挠轴接头，所述传动轴接头的第一端与所述传动中心轴的第二端连接，第二端与所述挠轴接头的第一端连接，所述挠轴接头的第二端与所述挠轴的第一端连接。

所述的环空降压工具，优选地，所述涡轮组件还包括扶正轴承和轴承，二者均套设在所述传动中心轴上，所述轴承的第二端与所述传动轴接头的第一端连接，所述扶正轴承位于所述轴承第一端与所述调整套之间。

所述的环空降压工具，优选地，所述扶正轴承由径向轴承和PDC推力轴承组成，所述PDC推力轴承由动套和静套组成。

所述的环空降压工具，优选地，所述密封组件为环形密封圈，沿所述密封组件的轴向方向均匀分布有6～10个射流孔，所述密封组件的轴向方向开设有喷嘴口。

所述的环空降压工具，优选地，所述定子的流道为螺杆泵定子流道f，直径为40～60mm。

所述的环空降压工具，优选地，所述挠轴的中心设置中心流道d，直径为40～60mm本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本发明提供的降压工具，能够有效降低井底井筒内钻井液环空当量密度、增加钻井液返回速度、提高钻井安全性和效率，此外本装置全金属螺杆泵具有耐高温性能好、耐磨性和耐冲蚀性能优异，具有高寿命和更好的工作性能。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的具有全金属螺杆泵的环空降压工具钻井液循环简图；

图2为本发明该实施例提供的环空降压工具结构示意图；

图3为本发明该实施例提供的环空降压工具中扶正轴承的示意图；

图4为本发明该实施例提供的环空降压工具中挠轴的示意图；

图5为本发明该实施例提供的环空降压工具中密封组件的示意图；

图6为本发明该实施例提供的环空降压工具中单头全金属螺杆泵部分示意图；

图7为本发明该实施例提供的环空降压工具中内、外研磨短节的示意图，其中，a为内研磨短节，b为外研磨短节，c为图2的局部示意图；

图8为本发明该实施例提供的环空降压工具中内外研磨短节的运动规律示意图，其中，a为外研磨短节的运动规律示意图，b为内研磨短节的运动规律示意图；

图中各标记如下：

1-上接头；2-动力端外壳；3-传动中心轴；4-涡轮组；5-调整套；6-扶正轴承；7-动力端密封圈；8-连接套；9-轴承；10-传动轴接头；11-连接短节外筒；12-挠轴接头；13-挠轴；14-螺杆泵上接头；15-定子；16-螺杆泵外壳；17-密封组件；18-螺杆泵下接头；19-内研磨短节；20-研磨短节固定套；21-螺杆泵连接筒；22-下中心轴；23-下接头；24-钻井液循环装置；25-套管；26-岩屑；27-钻头；

a-涡轮组环腔；b-传动中心轴流道；c-挠轴接头流道；d-挠轴流道；e-螺杆泵上接头流道；f-螺杆泵定子中心流道；g-螺杆泵下接头流道；h-下中心轴流道；6a-扶正轴承径向轴承；6b-PDC轴承静套；6c-PDC轴承动套；17a-喷嘴口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

现存的降低ECD分为射流式和水利抽吸式，前者但钻井液含有岩屑时会造成喷嘴冲蚀和堵塞，而影响钻井工作，后者旋转部件容易磨损且环空密封部件易失效，影响工具性能。基于上述问题，本发明提供一种具有全金属螺杆泵的环空降压工具，该工具能够有效降低井底井筒内钻井液环空当量密度、增加钻井液返回速度、提高钻井安全性和效率，此外本装置全金属螺杆泵具有耐高温性能好、耐磨性和耐冲蚀性能优异，具有高寿命和更好的工作性能。

如图2所示，本发明所涉及的具有全金属螺杆泵的环空降压工具，包括：上接头1、动力端外壳2、传动中心轴3、涡轮组4、调整套5、扶正轴承6、动力端密封圈7、连接套8、轴承9、传动轴接头10、连接短节外筒11、挠轴接头12、挠轴13、螺杆泵上接头14、转子15、定子16、密封组件17、螺杆泵下接头18、研磨组件19、研磨短节固定套20，螺杆泵连接筒21、下中心轴22和下接头23。

具体地，上接头1、动力端外壳2、连接套8、连接短节外筒11、螺杆泵外壳16、螺杆泵连接筒21和下接头23依次通过螺纹连接，涡轮组4安装在传动中心轴3外侧，传动中心轴3、传动轴接头10、挠轴接头12、挠轴13、螺杆泵上接头14、定子15通过螺纹连接，传动中心轴3的中部均匀设计有3个传动轴流道口，传动中心轴3、传动轴接头10、挠轴接头12、挠轴13、螺杆泵上接头14、定子15、螺杆泵下接头18和下中心轴22的中心均设置有流道，下中心轴22尾部转动安装在下接头23的孔道中，螺杆泵外壳16的外部套设有密组件17，密封组件17的外侧壁与套管25的内壁紧贴。

进一步地，如图2所示，上接头1内开设有渐缩管流道，以提高流体流量，上接头1的渐缩管流道为文丘里管形流道。涡轮组件还包括调整套5，涡轮组4的两端通过调整套5进行定位。

进一步地，如图2所示，采用挠轴13将传动中心轴3与螺杆泵定子15进行连接，挠轴13两端分别连接挠轴接头12和螺杆泵上接头14，并在挠轴中心设置直径40～60mm的中心流道d。

进一步地，如图2所示，螺杆泵采用单头或多头全金属螺杆泵，定子15的中心钻直径40～60mm的螺杆泵定子中心流道f。

进一步地，如图5所示，密封组件17安装在套管25与螺杆泵外壳16之间，同时密封组件17在轴向均匀分布6～10个射流孔，密封组件17在轴向方向还开设有喷嘴口17a。

进一步地，如图3所示，扶正轴承6由径向轴承6a、PDC推力轴承组成，PDC推力轴承由动套6c和静套6b组成。

进一步地，如图6所示，螺杆泵为单头全金属螺杆泵，螺杆泵外壳16整体采用金属成型。

进一步地，如图7中a所示，下中心轴22上套设有内研磨短节19，如图7中b所示，螺杆泵连接筒21上设置有外研磨短节。如图8中a所示，外研磨短节在运作过程中的运动轨迹为圆周转动，如图8中b所示，内研磨短节19研磨过程运动轨迹与螺杆泵转子运动轨迹相似。

如图1、图2所示，本发明还提供该环空降压工具的工作原理：地面钻井液循环装置24向钻柱内泵入钻井液，钻井液进入环空降压工具后，流经涡轮组4后，一小部分钻井液流经扶正轴承6，润滑轴承后流经TC轴承9进入泵返腔，大部分钻井液通过传动中心轴3上的孔道进入传动中心轴流道b，接着钻井液流经挠轴接头流道c、挠轴流道d、螺杆泵上接头流道e、螺杆泵定子中心流道f、螺杆泵下接头流道g以及下中心轴流道h，最终通过钻头27流入井底环空，钻井液循环返回时，井底环空中的钻井液在环空降压工具螺杆泵的作用下，携带一部分岩屑26进入环空降压工具，如图1所示。岩屑26在研磨组件(内研磨短节19和外研磨短节)的作用下研磨成可通过螺杆泵的细小岩屑，在螺杆泵抽吸作用下钻井液流经环空降压工具并从密封组件17靠近钻头27的一端进入并远离钻头端，最终进入地面钻井液循环装置24。

由于环空降压工具加快了密封组件17两侧的钻井液的流速，在密封组件17两侧形成压差，故降低近钻头端井筒内当量循环密度。传动方面涡轮组4带动传动中心轴3转动，涡轮产生的扭矩通过传动轴接头10、挠轴接头12、挠轴13以及螺杆泵上接头14传递给螺杆泵，螺杆泵通过转子行星运动而产生对钻井液的抽吸作用。

本发明的环空降压工具，可以有效能够降低井底井筒内钻井液环空当量密度、增加钻井液返回速度，使当量循环密度介于密度窗口的中值附近，以提高窄密度窗口工况下钻井的可操作性，提高钻井安全性和效率，此外本装置全金属螺杆泵具有耐高温性能好、耐磨性和耐冲蚀性能优异，具有高寿命和更好的工作性能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有全金属螺杆泵的环空降压工具，其特征在于，包括：

涡轮组件，包括涡轮组(4)以及套设在所述涡轮组(4)外部的动力端外壳(2)；

传动中心轴(3)，其为中空环形轴，所述涡轮组(4)套设在所述传动中心轴(3)上，所述传动中心轴(3)上开设有若干传动轴流道口；

挠轴(13)，通过接头与所述传动中心轴(3)连接，所述挠轴(13)的外部套设有连接短节外筒(11)，所述连接短节外筒(11)通过连接套(8)与所述动力端外壳(2)连接；

螺杆泵组件，包括螺杆泵外壳(16)以及设置于所述螺杆泵外壳(16)内的定子(15)和螺杆，所述定子(15)通过螺杆泵上接头(14)与所述挠轴(13)连接，所述螺杆泵外壳(16)上套设有密封组件(17)且与套管(25)的内壁紧贴；

下中心轴(22)，所述下中心轴(22)的第一端通过螺杆泵下接头(18)与所述螺杆连接，第二端转动安装在下接头(23)的孔道内，所述下接头(23)通过螺杆泵连接筒(21)与所述螺杆泵外壳(16)连接，所述下中心轴(22)上套设有内研磨短节(19)，所述螺杆泵连接筒(21)上设置有外研磨短节；

所述传动中心轴(3)、所述接头、所述挠轴(13)、所述螺杆泵上接头(14)、所述定子(15)、所述螺杆泵下接头(18)和所述下中心轴(22)内均设置有相互连通的流道。

2.根据权利要求1所述的环空降压工具，其特征在于，还包括上接头(1)，与所述动力端外壳(2)可拆卸连接，所述上接头(1)内开设有渐缩管流道，以提高流体流量。

3.根据权利要求2所述的环空式降压工具，其特征在于，所述上接头(1)的渐缩管流道为文丘里管形流道。

4.根据权利要求1所述的环空降压工具，其特征在于，所述涡轮组件还包括调整套(5)，所述涡轮组(4)的两端通过所述调整套(5)进行定位。

5.根据权利要求1所述的环空降压工具，其特征在于，所述接头包括传动轴接头(10)和挠轴接头(12)，所述传动轴接头(10)的第一端与所述传动中心轴(3)的第二端连接，第二端与所述挠轴接头(12)的第一端连接，所述挠轴接头(12)的第二端与所述挠轴(13)的第一端连接。

6.根据权利要求5所述的环空降压工具，其特征在于，所述涡轮组件还包括扶正轴承(6)和轴承(9)，二者均套设在所述传动中心轴(3)上，所述轴承(9)的第二端与所述传动轴接头(10)的第一端连接，所述扶正轴承(6)位于所述轴承(9)第一端与所述调整套(5)之间。

7.根据权利要求6所述的环空降压工具，其特征在于，所述扶正轴承(6)由径向轴承(6a)和PDC推力轴承组成，所述PDC推力轴承由动套(6c)和静套(6b)组成。

8.根据权利要求1所述的环空降压工具，其特征在于，所述密封组件(17)为环形密封圈，沿所述密封组件(17)的轴向方向均匀分布有6～10个射流孔，所述密封组件(17)的轴向方向开设有喷嘴口(17a)。

9.根据权利要求1所述的环空降压工具，其特征在于，所述定子(15)的流道为螺杆泵定子流道f，直径为40～60mm。

10.根据权利要求1所述的环空降压工具，其特征在于，所述挠轴(13)的中心设置中心流道d，直径为40～60mm。