CN117365270A - 一种新型射流马达同轴对转涡轮钻具 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井设备技术领域，具体涉及一种新型射流马达同轴对转涡轮钻具，包括上接头、涡轮套筒、上部轴承、中心涡轮轴、压紧螺母、涡轮组、增高环、连接套筒、中间轴承、齿轮外套、周转轮系、下部轴承、下接头、扩眼钻头连接轴、扩眼钻头和领眼钻头；所述涡轮组由涡轮定子和涡轮转子组成；所述周转轮系包括输入齿轮、齿轮架、紧固螺母、中间齿轮、滑动轴套、定位螺母和输出齿轮；上接头、涡轮套筒、连接套筒、齿轮外筒和下接头依次螺纹连接；领眼钻头与中心涡轮轴螺纹连接，扩眼钻头与扩眼钻头连接轴螺纹连接；涡轮定子通过过盈配合安装在涡轮套筒上，涡轮转子和增高环套装在中心涡轮轴上。该钻具提高了钻井效率，降低了生产成本。

Description

一种新型射流马达同轴对转涡轮钻具

技术领域

本发明属于石油钻井设备技术领域，具体涉及一种新型射流马达同轴对转涡轮钻具。

背景技术

目前，在油气井钻井工程中，涡轮钻具因其具有转速高、定转子使用寿命长、耐高压等较多优点，已成为井下动力钻井的主要工具之一。井下涡轮钻具通过旋转钻头对外层岩石形成冲击、挤压、刮削、研磨等作用，从而达到破岩的目的。因为岩石的破碎强度与岩石所在地层围岩应力有关，因此可使用尺寸较小的领眼钻头进行钻进，在地层中钻出小孔后能够释放孔壁周围的围岩应力并形成裂缝，再使用扩眼钻头进行钻进时，钻进难度降低，可钻性大大提高，从而提高了钻进速度。

然而，现有涡轮钻具因其转速较高，导致钻具扭矩较小，从而降低了钻具整体的钻进效率，在使用过程中具有一定的局限性。而部分带有减速器的涡轮钻具，因其结构繁琐且井下环境复杂，难以有效的实现其应用。而现有的扩眼钻进工艺中，两趟钻钻进工艺消耗时间长、效率低，而随钻扩眼工艺因领眼钻头和扩眼钻头之间距离过长、驱动领眼钻头和扩眼钻头其同心转动且转速一致等原因，也存在各种危险和局限性。因此，有必要针对上述问题进行一些改进。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种新型射流马达同轴对转涡轮钻具，提高了钻井效率，降低了生产成本。

本发明采用的技术方案为：一种新型射流马达同轴对转涡轮钻具，新型射流马达同轴对转涡轮钻具包括上接头、涡轮套筒、上部轴承、中心涡轮轴、压紧螺母、涡轮组、增高环、连接套筒、中间轴承、齿轮外套、周转轮系、下部轴承、下接头、扩眼钻头连接轴、扩眼钻头和领眼钻头；所述涡轮组由涡轮定子和涡轮转子组成，涡轮转子的射流端面下方开有圆周均布的轴流式切向方孔，轴流式切向方孔的主体的端面上设有圆周均布的逼压翅片；所述周转轮系包括输入齿轮、齿轮架、紧固螺母、中间齿轮、滑动轴套、定位螺母和输出齿轮；

所述上接头、涡轮套筒、连接套筒、齿轮外筒和下接头依次螺纹连接；所述领眼钻头与中心涡轮轴螺纹连接，所述扩眼钻头与扩眼钻头连接轴螺纹连接；所述涡轮定子通过过盈配合安装在涡轮套筒上，所述涡轮转子和增高环套装在中心涡轮轴上，并通过与中心涡轮轴螺纹连接的压紧螺母固定在中心涡轮轴上；所述输入齿轮和输出齿轮通过紧固螺母分别安装在中心涡轮轴和扩眼钻头连接轴上，所述齿轮架安装在中心涡轮轴上，所述滑动轴套嵌套在齿轮架上，所述中间齿轮嵌套在滑动轴套上并通过定位螺母对滑动轴套和中间齿轮进行轴向固定。

进一步地，所述中心涡轮轴通过上部轴承和中间轴承支撑旋转。

进一步地，所述扩眼钻头连接抽通过下部轴承支撑旋转。

进一步地，所述输入齿轮和输出齿轮通过键进行周向固定。

进一步地，通过调整涡轮转子与增高环的数量关系来调整中心涡轮轴的扭矩。

进一步地，所述领眼钻头和扩眼钻头在轴向上有特定距离。

进一步地，由上部轴承、中间轴承、下部轴承组成的轴承总成用来支撑轴系旋转。

进一步地，所述涡轮转子，当钻井液进入涡轮后，在涡轮叶珊加速形成切向射流驱动涡轮旋转的同时，轴向逼压并从涡轮的轴向孔隙流出，轴流逼压能够良好的辅助涡轮进行旋转，并产生扭矩，从而通过中心涡轮轴到底领眼钻头旋转进行钻进工作。

进一步地，涡轮定子与转子交替布置，高压钻井液流出后快速流入下一级直到流出涡轮组，在这个过程中钻井液的流体能量转化为机械能，驱动钻头旋转，并且因其涡轮定子的结构，钻井液的流体能量转化为切向力的同时形成轴流逼压同时驱动涡轮旋转，因此能够提高能量的利用率，同时有效达到增大扭矩、降低转速的作用。

进一步地，由周转轮系部分和齿轮外筒组成的变向齿轮组，扩眼钻头连接轴与扩眼钻头连接后套装到中心涡轮轴上，扩眼钻头连接轴和中心涡轮轴通过周转轮系部分进行连接，从而通过周转轮系实现扩眼钻头和领眼钻头的对转。

进一步地，周转轮系输入齿轮安装到中心涡轮轴上，输出齿轮安装到扩眼钻头连接轴上，中间齿轮通过齿轮架安装到中心涡轮轴上，齿轮相互啮合并具有特定配比，从而实现控制扩眼钻头和领眼钻头在钻进时能够由一定比例的转速和扭矩。

进一步地，涡轮转子的级数可根据需要进行增减，从而对领眼钻头的扭矩和转速进行调整，涡轮定子的数量不变，以便于定位，涡轮定子和涡轮转子之间不直接接触，避免形成摩擦而影响钻具性能。

进一步地，当钻井液进入后能够在形成切向射流的同时轴流逼压，从而使其具有更大的扭矩，从而达到更好的破岩效果。在进行工作时，可根据不同的工况调整涡轮转子的数量，从而保证在不同情况下都能有效地提高工具钻进速率。

本发明的有益效果：提供了一种新型射流马达同轴对转涡轮钻具，提高了钻井效率，降低了生产成本。现有技术相比：

（1）、特殊结构的涡轮转子使得涡轮转子形成同时实现切向射流和轴流逼压两个功能，提高了能量利用率，有效降低转速的同时增大了钻头扭矩，从而提高钻井效率。

（2）、同时安装领眼钻头和扩眼钻头进行钻进，简化了钻井工序、降低了井下事故发生的同时能够有效的提高破岩效率，提高钻井速度。

（3）、通过周转轮系使领眼钻头和扩眼钻头形成对转的同时，还能够调整齿轮的配比，从而改变领眼钻头和扩眼钻头之间的转速关系，实现领眼钻头和扩眼钻头之间转速的自由配比，能够更好地应对不同地质条件下的复杂工况。

附图说明

图1是实施例一中新型射流马达同轴对转涡轮钻具的结构示意图；

图2是图1中A的局部放大图；

图3是图1中B的局部放大图；

图4是图1中C的局部放大图；

图5是实施例一中周转轮系的结构示意图；

图6是实施例一中涡轮转子的局部剖视结构示意图；

图7是实施例一中涡轮转子的立体结构示意图。

实施方式

实施例

参照各图，一种新型射流马达同轴对转涡轮钻具，新型射流马达同轴对转涡轮钻具包括上接头1、涡轮套筒2、上部轴承3、中心涡轮轴4、压紧螺母5、涡轮组6、增高环7、连接套筒8、中间轴承9、齿轮外套10、周转轮系11、下部轴承12、下接头13、扩眼钻头连接轴14、扩眼钻头15和领眼钻头16；所述涡轮组由涡轮定子601和涡轮转子602组成，涡轮转子的射流端面下方开有圆周均布的轴流式切向方孔6021，轴流式切向方孔的主体的端面上设有圆周均布的逼压翅片6022；所述周转轮系包括输入齿轮1101、齿轮架1102、紧固螺母1103、中间齿轮1104、滑动轴套1105、定位螺母1106和输出齿轮1107；

所述上接头、涡轮套筒、连接套筒、齿轮外筒和下接头依次螺纹连接；所述领眼钻头与中心涡轮轴螺纹连接，所述扩眼钻头与扩眼钻头连接轴螺纹连接；所述涡轮定子通过过盈配合安装在涡轮套筒上，所述涡轮转子和增高环套装在中心涡轮轴上，并通过与中心涡轮轴螺纹连接的压紧螺母固定在中心涡轮轴上；所述输入齿轮和输出齿轮通过紧固螺母分别安装在中心涡轮轴和扩眼钻头连接轴上，所述齿轮架安装在中心涡轮轴4上，所述滑动轴套嵌套在齿轮架上，所述中间齿轮嵌套在滑动轴套上并通过定位螺母对滑动轴套和中间齿轮进行轴向固定；所述中心涡轮轴通过上部轴承和中间轴承支撑旋转，钻井液从中心涡轮轴的射流口流出后进入涡轮组；所述扩眼钻头连接抽通过下部轴承支撑旋转，钻井液从涡轮组流出后进入中心涡轮轴的导流孔并最终从领眼钻头流出，不经过周转轮系，从而避免齿轮磨损严重；所述输入齿轮和输出齿轮通过键进行周向固定。

钻井液从上接头进入后通过中心涡轮轴并从其射流口喷出，进入涡轮组，在经过多级涡轮的作用后降低了涡轮钻具的转速并增大了扭矩，从而驱动领眼钻头更好地进行钻进工作，钻井液从最后一级涡轮转子流出后再次进入中心涡轮轴并流经领眼钻头后流出；在中心涡轮轴带动领眼钻头旋转破岩的同时通过周转轮系的作用，使得扩眼钻头连接轴进行与中心涡轮轴方向相反的旋转运动，从而带动扩眼钻头进行扩眼工作并与领眼钻头形成对转。并可根据输入齿轮、中间齿轮与输出齿轮之间的配比关系，从而控制扩眼钻头与领眼钻头之间对转时的转速比例。

涡轮转子具有特殊的结构形式，在涡轮转子射流端面下方开有周向均匀布置的轴流形式切向方孔，同时在其端面处加工逼压形式的特殊结构。当钻井液由轴向流入时，大部分钻井液经过逼压结构形成高速射流；另一方面，小部分钻井液以轴流形式流经切向方口产生小流量射流。该种结构形式的射流转子一方面能形成高压射流，使得涡轮产生较大的扭矩；另一方面，在保证大扭矩输出的同时减小压降损失，实现了涡轮效率的提升。

在钻井液的驱动下，涡轮转子通过其特殊结构形成径向射流的同时轴向逼压，形成轴流，使涡轮产生切向力旋转的同时将射流压力传递给下一级涡轮并同时驱动领眼钻头旋转，并通过所述变向齿轮组驱动扩眼钻头旋转。与传统钻具相比能够有效提高扭矩并且能在钻进过程中同时完成扩眼的工作，节约成本。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种新型射流马达同轴对转涡轮钻具，其特征在于：新型射流马达同轴对转涡轮钻具包括上接头、涡轮套筒、上部轴承、中心涡轮轴、压紧螺母、涡轮组、增高环、连接套筒、中间轴承、齿轮外套、周转轮系、下部轴承、下接头、扩眼钻头连接轴、扩眼钻头和领眼钻头；所述涡轮组由涡轮定子和涡轮转子组成，涡轮转子的射流端面下方开有圆周均布的轴流式切向方孔，轴流式切向方孔的主体的端面上设有圆周均布的逼压翅片；所述周转轮系包括输入齿轮、齿轮架、紧固螺母、中间齿轮、滑动轴套、定位螺母和输出齿轮；

所述上接头、涡轮套筒、连接套筒、齿轮外筒和下接头依次螺纹连接；所述领眼钻头与中心涡轮轴螺纹连接，所述扩眼钻头与扩眼钻头连接轴螺纹连接；所述涡轮定子通过过盈配合安装在涡轮套筒上，所述涡轮转子和增高环套装在中心涡轮轴上，并通过与中心涡轮轴螺纹连接的压紧螺母固定在中心涡轮轴上；所述输入齿轮和输出齿轮通过紧固螺母分别安装在中心涡轮轴和扩眼钻头连接轴上，所述齿轮架安装在中心涡轮轴上，所述滑动轴套嵌套在齿轮架上，所述中间齿轮嵌套在滑动轴套上并通过定位螺母对滑动轴套和中间齿轮进行轴向固定。

2.根据权利要求1所述的新型射流马达同轴对转涡轮钻具，其特征在于：所述中心涡轮轴通过上部轴承和中间轴承支撑旋转。

3.根据权利要求1所述的新型射流马达同轴对转涡轮钻具，其特征在于：所述扩眼钻头连接抽通过下部轴承支撑旋转。

4.根据权利要求1所述的新型射流马达同轴对转涡轮钻具，其特征在于：所述输入齿轮和输出齿轮通过键进行周向固定。