CN118008124B - 一种大扭矩涡轮钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻具技术领域，提出了一种大扭矩涡轮钻具，包括轴套；涡轮部，涡轮部设置于轴套内，涡轮轴，涡轮轴转动设置在轴套内，涡轮部用于驱动涡轮轴转动；轴套具有液流通道，轴套内壁中具有螺旋流道，螺旋流道具有进液孔，进液孔与液流通道连通，螺旋流道上间隔开设有若干个与液流通道连通的出液孔，出液孔流出的液体用于冲击涡轮部外壁。通过上述技术方案，解决了相关技术中的钻井液需要对每级涡轮进行冲刷，由于涡轮钻具内通常具有多级涡轮，钻井液通常冲击力度会大幅下降，无法有效对位于下方的涡轮进行强有力冲刷的问题。

Description

一种大扭矩涡轮钻具

技术领域

本发明涉及钻具技术领域，具体的，涉及一种大扭矩涡轮钻具。

背景技术

大扭矩涡轮钻具是一种用于石油和天然气钻井作业的井下动力钻井工具，它通过利用高压钻井液流体的动能来驱动涡轮马达，从而产生足够大的扭矩来驱动钻头进行钻井作业。大扭矩涡轮钻具在设计上注重提高能量转换效率和扭矩输出，以应对深井钻探、硬地层钻井或高难度钻井作业的需求。为增大扭矩，部分大扭矩涡轮钻具采用多级涡轮设计，每级涡轮都能将一部分流体动能转化为扭矩，从而实现扭矩的叠加。

但是钻井液需要对每级涡轮进行冲刷，由于涡轮钻具内通常具有多级涡轮，钻井液通常冲击力度会大幅下降，无法有效对位于下方的涡轮进行强有力的冲刷。

发明内容

本发明提出一种大扭矩涡轮钻具，解决了相关技术中的钻井液需要对每级涡轮进行冲刷，由于涡轮钻具内通常具有多级涡轮，钻井液通常冲击力度会大幅下降，无法有效对位于下方的涡轮进行强有力冲刷的问题。

本发明的技术方案如下：

一种大扭矩涡轮钻具，包括：

轴套；

涡轮部，所述涡轮部设置于所述轴套内，

涡轮轴，所述涡轮轴转动设置在所述轴套内，所述涡轮部用于驱动所述涡轮轴转动，所述轴套具有液流通道，所述轴套内壁中具有螺旋流道，所述螺旋流道具有进液孔，所述进液孔与所述液流通道连通，所述螺旋流道上间隔开设有若干个与所述液流通道连通的出液孔，所述出液孔朝向所述涡轮部，所述出液孔流出的液体用于冲击所述涡轮部外壁。

优选的，还包括：

加压件，设置于所述轴套内，所述加压件具有开口，所述开口与所述液流通道连通，所述液流通道内的液体经所述开口进入所述加压件后，再经所述进液孔流入到所述螺旋流道内。

优选的，所述加压件包括：

壳体，设置于所述轴套上，具有进液通道，所述进液孔与所述进液通道连通；

第一涡轮，至少设置有两个；

传动轴，转动且贯穿设置于所述壳体上，所述第一涡轮设置于所述传动轴上，至少一个所述第一涡轮转动设置于所述进液通道内。

优选的，所述涡轮部包括：

涡轮组，具有若干个，若干个所述涡轮组沿所述轴套的轴线方向间隔布置，每个所述涡轮组包括：

动涡轮；

所述动涡轮设置于所述涡轮轴上；

静涡轮；

所述静涡轮设置于所述轴套内壁上，且所述静涡轮远离所述轴套的一端与所述涡轮轴侧壁滑动抵接。

优选的，还包括：

圆环，设置于所述动涡轮上；所述动涡轮外壁具有若干个间隔设置的凹槽，所述凹槽与部分所述出液孔连通；

挡条，设置于所述凹槽内，所述出液孔排出的液体冲击所述挡条后，用于驱动所述动涡轮转动。

优选的，还包括：

钻头：

减速器，设置于所述轴套内，具有输入端和输出端，所述涡轮轴设置于所述输入端上，所述钻头设置于所述输出端上。

优选的，还包括：

挡板，设置于所述壳体上，位于所述第一涡轮一侧，所述挡板用于遮挡位于所述传动轴一侧的所述第一涡轮的叶片。

优选的，还包括：

过滤板，设置于壳体上，用于过滤液体内的杂质。

优选的，所述动涡轮的叶片与所述静涡轮的叶片的设置方向相反。

优选的，还包括：

防护罩，罩设于所述减速器上；

所述轴套侧壁具有通孔，所述通孔与所述液流通道连通，所述液流通道内的液体经所述通孔流向所述轴套外部。

本发明的有益效果为：

本发明中在轴套内臂增设螺旋流道，部分钻井液会进入到螺旋流道内，进入到螺旋流道内的液体会经出液孔对涡轮部外壁进行冲刷，辅助加快涡轮部转动的同时，还会减小液流通道内的钻井液的冲击能耗，同时，螺旋流道内的钻井液还会进入到相邻两级涡轮之间，沿径向从螺旋流道内喷出的钻井液还会和液流通道内的钻井液混合形成湍流，以便于更好的对下一级动涡轮和静涡轮的叶片进行冲刷。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本发明涡轮钻具结构示意图；

图2为本发明螺旋流道内结构示意图；

图3为本发明螺旋流道的出液孔结构示意图；

图4为本发明涡轮钻具内部结构示意图；

图5为本发明加压件结构示意图；

图6为图5中A处局部放大图；

图7为本发明壳体结构示意图；

图8图7中B处局部放大图；

图9为本发明涡轮部与减速器位置关系示意图；

图10为本发明减速器与钻头位置关系示意图；

图11为本发明减速器结构视图；

图12为本发明涡轮钻具外部结构示意图。

图中：1、轴套；101、液流通道；2、钻头；3、螺旋流道；301、出液孔；302、进液孔；4、通孔；5、涡轮轴；6、涡轮部；61、涡轮组；601、静涡轮；602、动涡轮；603、圆环；6031、凹槽；6032、挡条；7、防护罩；8、减速器；801、行星齿轮组；802、支撑板；803、输入端；804、输出端；805、内齿圈；806、太阳轮；9、加压件；901、壳体；902、过滤板；903、挡板；904、第一涡轮；905、进液通道；906、开口；907、传动轴。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地示意了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形，“若干个”包括“两个”及“两个以上”。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

参照图1~图4，为本发明的第一个实施例，提出了一种大扭矩涡轮钻具，轴套1；涡轮部6设置于轴套1内，涡轮轴5转动设置在上述轴套1内，涡轮部6用于驱动涡轮轴5转动，轴套1具有液流通道101，轴套1内壁中具有螺旋流道3，螺旋流道3具有进液孔302，进液孔302与液流通道101连通，螺旋流道3上间隔开设有若干个与液流通道101连通的出液孔301，出液孔301流出的液体用于冲击涡轮部6外壁。

在上述方案中，涡轮钻具通常应用于深度较大、复杂地层中钻井，通常需要较大的扭矩采用更好的完成钻探，在现有涡轮钻具的基础上，通过在轴套1侧壁上增加螺旋流道3，使进入到液流通道101内的钻井液部分进入到螺旋流道3内，通过螺旋流道3直接流向涡轮部6的下一级。液流通道101内的钻井液逐级向下流动，驱动涡轮部6转动，同时，螺旋流道3内的部分液体会经出液孔301流出对涡轮部6侧壁进行冲刷，实现对涡轮部6的辅助驱动，不仅可以小幅度增大涡轮部6的转速，还会减小液流通道101内钻井液对涡轮部6的能耗。例如，当涡轮钻具刚开始工作时，此时涡轮部6又开始启动，此时仅通过液流通道101内的钻井液对涡轮部6进行冲刷，不仅加速慢，而且还会对涡轮部6的叶片造成很大的损伤，而增加螺旋流道3辅助驱动，不仅可以提高加速效果，也可以减小涡轮部6叶片的损伤。

其次，螺旋流道3内的钻井液不仅可以对涡轮部6的侧壁进行冲刷，还会进入到相邻两级涡轮之间的空间内，沿径向从螺旋流道3内喷出的钻井液还会和液流通道101内的钻井液混合形成湍流，两者混合后可以小幅度增加液流通道101内的钻井液的流速。需要说明的是，传统的液流通道101内的钻井液在对上一级涡轮部6的叶片冲刷完毕后，会以旋转离心的方式进入到下一级涡轮部6的叶片上，因此，在对涡轮部6钻具维修时方向，同一级涡轮部6远离涡轮轴5的一端最容易损坏。但是当螺旋流道3内的钻井液沿径向喷出后，与液流通道101内的钻井液混合形成湍流后，可以有效减弱上述情况，使混合后的钻井液会较为均匀的流入到涡轮部6同一级涡轮叶片上，减小涡轮叶片损伤的同时，还会减少液流通道101内钻井液的离心作用，使钻井液可以更快的进入到下一级涡轮叶片上，提高涡轮转速和寿命。

另外需要说明的是，通过控制进入到螺旋流道3内的钻井液的的流量或者流速，也可以在一定范围内实现对涡轮904转速的微调，提高涡轮钻具钻探的精确度。

参照图5~图8，进一步的，还包括：加压件9，设置于轴套1内，加压件9具有开口906，开口906与液流通道101连通，液流通道101内的液体经开口906进入加压件9后，再经进液孔302流入到螺旋流道3内。

在上述方案中，在螺旋流道3的进液孔302处设置加压件9，可以使钻井液更加容易进入到螺旋流道3内，也便于螺旋流道3内的钻井液对涡轮部6侧壁进行冲刷，同时也增大了螺旋流道3内喷出的钻井液和相邻涡轮部6之间的钻井液混合效果。可以理解是，由于螺旋流道3的直径较小，如果不采用加压件9，一是钻井液不容易进入到螺旋流道3内，二是进入到螺旋流道3内的液体也没有压力，无法对涡轮部6侧壁进行有效的冲击。加压件9包括：壳体901，设置于轴套1上，具有进液通道905，进液孔302与进液通道905连通；第一涡轮904，至少设置有两个；传动轴，转动且贯穿设置于壳体901上，第一涡轮904设置于传动轴上，至少一个第一涡轮904转动设置于进液通道905内。

在上述方案中，壳体901设置在轴套1内壁上，壳体901的体积较小，不会对下方的涡轮组61造成大面积的阻挡，同时又便于钻井液进入到壳体901的进液通道905内。例如，当第一涡轮904具有两个时，一个第一涡轮904设置在壳体901内部，另一个设置在壳体901外部，当液流通道101内有钻井液留下时，钻井液会对壳体901外部的第一涡轮904进行冲刷，外部的第一涡轮904通过传动轴将转动传递给内部的壳体901内部的第一涡轮904，使内部的第一涡轮904转动，对壳体901内的钻井液进行增压，并将壳体901的内部钻井液压入到螺旋流道3内。可以理解的是，为增大壳体901内部的第一涡轮904转速，可以在壳体901内加装增速齿轮组，使第一涡轮904可以更快的将钻井液压入螺旋流道3内。

参照图9，进一步的，涡轮部6包括：涡轮组61，具有若干个，若干个涡轮组61沿轴套1的轴线方向间隔布置，每个涡轮组61包括：动涡轮602；动涡轮602设置于涡轮轴5上；静涡轮601；静涡轮601设置于轴套1内壁上，且静涡轮601远离轴套1的一端与涡轮轴5侧壁滑动抵接。

在上述方案中，首先需要说明的是，为增大扭矩，通常采用增加多级涡轮组61的方式来增大扭矩，但是增设多级涡轮组61后，液流通道101内钻井液需要对每一级涡轮组61进行冲刷，因此，对于下方的几组涡轮组61，钻井液便没有较多的能量对其进行冲刷了，所以，即使传统的大多数增大涡轮钻具扭矩的方式是增加多级涡轮组61，但是可增加的数量也是有限的，而在轴套1外壁增设螺旋流道3后，通过螺旋流道3辅助做功和螺旋流道3内的钻井液与液流通道101内的钻井液混合形成湍流，不仅可以突破上述限制，还可以继续增大涡轮钻具的扭矩，提高钻探的效果，以适应复杂的地层。

具体的，静涡轮601是与轴套1内部固定连接的，但是与涡轮轴5是滑动的，相反的，动涡轮602是与涡轮轴5固定连接的，与轴套1是滑动的。

进一步的，还包括：圆环603，设置于动涡轮602上；动涡轮602外壁具有若干个间隔设置的凹槽6031，凹槽6031与部分出液孔301连通；挡条6032，设置于凹槽6031内，出液孔301排出的液体冲击挡条6032后，用于驱动动涡轮602转动。

在上述方案中，圆环603是固定设置在动涡轮602叶片上的，在圆环603的侧壁上等间隔设置若干个凹槽6031，在每个凹槽6031中固定设置挡条6032，当螺旋流道3内的液体从出液孔301流出后，会冲刷挡条6032，进而驱动圆环603转动，通过圆环603带动动涡轮602转动。需要说明的是，同一个圆环603，只有一到两个出液孔301与之对应。通过螺旋流道3内的钻井液经出液孔301喷出对挡条6032进行冲压，可以辅助提高动涡轮602的转速。

参照图10~图12，进一步的，还包括：钻头2：减速器8，设置于轴套1内，具有输入端803和输出端804，涡轮轴5设置于输入端803上，钻头2设置于输出端804上；减速器8包括：行星架802，涡轮轴5设置于行星架802上；行星齿轮801，为若干个，均转动设置在行星架802上，内齿圈805，设置在轴套1的内壁，与行星齿轮801啮合；太阳轮806，与行星齿轮801啮合，钻头2设置于太阳轮806上。

在上述方案中，减速器8为行星轮减速器8，减速器8可以设置在涡轮轴5的顶部也可以设置在涡轮轴5的底部，本装置将减速器8设置在涡轮轴5的底部，设置在涡轮组61底部的好处在于，减速器靠近钻头2，配合防护罩7可以将钻井液排出轴套1外部，不用单独增加引导排出钻井液的装置，可以节省轴套1内部的空间。需要说明的是，可以根据实际需要，设置多个依次传动连接布置的减速器8。具体的，以两级减速器8为例，输入端和输出端均都为轴连接，第一级减速器8的输入轴与涡轮轴5固定连接，第一减速器8的输出轴与第二级减速器8的输入轴连接，第二级减速器8的输出轴与钻头2连接，实现良好的减速且增大扭矩的效果。

进一步的，还包括：挡板903，设置于壳体901上，挡板903用于遮挡位于传动轴一侧的第一涡轮904的叶片。可以理解的是，当液流通道101内的液体冲刷壳体901外部的第一涡轮904时，如果没有加装挡板903，第一涡轮904可能并不能始终保持一个方向转动，而将挡板903沿传动轴遮盖住第一涡轮904的一部分，便可以使第一涡轮904朝向一个方向转动，提高对加压件9对螺旋流道3内钻井液的加压效果。

进一步的，还包括：过滤板902，设置于壳体901上，用于过滤液体内的杂质。具体的，过滤板902设置在开口906处，用于对钻井液进行过滤，因为钻井时，一般采用的是泥浆，而螺旋流道3孔径较小，通过过滤板902进行简单地过滤，可以有效的防止杂质进入到螺旋流道3内而造成堵塞。

进一步的，动涡轮602的叶片与静涡轮601的叶片的设置方向相反，便于液流通道101内的钻井液驱动动涡轮602转动。

进一步的，还包括：防护罩7，罩设于减速器8上；轴套1侧壁具有通孔4，通孔4与液流通道101连通，液流通道101内的液体经通孔4流向轴套1外部。防护罩7呈锥形或圆台型，落入到防护罩7顶部的钻井液会从通孔4中流出，对工作中的钻头2进行降温。

实施例二

该实施例不同于第一个实施例的是：本实施中的轴套1分为两部分，记为外筒和内筒，具体的，内筒具有液流通道101，内筒的外壁上开设有第一螺旋槽，第一螺旋槽的底面间隔设置有多个与液流通道101连通的出液孔301；外筒，罩设于第一螺旋槽上外侧，外筒内壁具有第二螺旋槽，第一螺旋槽和第二螺旋槽共同组成封闭的螺旋流道3。

相较于实施例1，本实施例的液流通道101和螺旋通道的作用与实施例1中的液流通道101和螺旋流道3的作用相同，但是本实施例在不使用时可以将外筒和内筒拆开，对内部的第一螺旋槽和第二螺旋槽进行清洗，防止泥浆中的泥沙在螺旋通道内造成堵塞，同时，由于外筒在钻探时外壁与孔壁摩擦，当外筒出现损坏时，仅更换外筒即可。

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限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种大扭矩涡轮钻具，包括：

轴套(1)；

涡轮部(6)，所述涡轮部(6)设置于所述轴套(1)内，

涡轮轴(5)，所述涡轮轴(5)转动设置在所述轴套(1)内，所述涡轮部(6)用于驱动所述涡轮轴(5)转动，其特征在于，

所述轴套(1)具有液流通道(101)，所述轴套(1)内壁中具有螺旋流道(3)，所述螺旋流道(3)具有进液孔(302)，所述进液孔(302)与所述液流通道(101)连通，所述螺旋流道(3)上间隔开设有若干个与所述液流通道(101)连通的出液孔(301)，所述出液孔(301)朝向所述涡轮部(6)，所述出液孔(301)流出的液体用于冲击所述涡轮部(6)外壁；

加压件(9)，设置于所述轴套(1)内，所述加压件(9)具有开口(906)，所述开口(906)与所述液流通道(101)连通，所述液流通道(101)内的液体经所述开口(906)进入所述加压件(9)后，再经所述进液孔(302)流入到所述螺旋流道(3)内；

所述加压件(9)包括：

壳体(901)，设置于所述轴套(1)上，具有进液通道(905)，所述进液孔(302)与所述进液通道(905)连通；

第一涡轮(904)，至少设置有两个；

传动轴(907)，转动且贯穿设置于所述壳体(901)上，所述第一涡轮(904)设置于所述传动轴(907)上，至少一个所述第一涡轮(904)转动设置于所述进液通道(905)内；

所述涡轮部(6)包括：

涡轮组(61)，具有若干个，若干个所述涡轮组(61)沿所述轴套(1)的轴线方向间隔布置，每个所述涡轮组(61)包括：

动涡轮(602)；

所述动涡轮(602)设置于所述涡轮轴(5)上；

静涡轮(601)；

所述静涡轮(601)设置于所述轴套(1)内壁上，且所述静涡轮(601)远离所述轴套(1)的一端与所述涡轮轴(5)侧壁滑动抵接；

圆环(603)，设置于所述动涡轮(602)上；所述动涡轮(602)外壁具有若干个间隔设置的凹槽(6031)，所述凹槽(6031)与部分所述出液孔(301)连通；

挡条(6032)，设置于所述凹槽(6031)内，所述出液孔(301)排出的液体冲击所述挡条(6032)后，用于驱动所述动涡轮(602)转动。

2.根据权利要求1所述的一种大扭矩涡轮钻具，其特征在于，还包括：

钻头(2)：

减速器(8)，设置于所述轴套(1)内，具有输入端(803)和输出端(804)，所述涡轮轴(5)设置于所述输入端(803)上，所述钻头(2)设置于所述输出端(804)上。

3.根据权利要求1所述的一种大扭矩涡轮钻具，其特征在于，还包括：

挡板(903)，设置于所述壳体(901)上，位于所述第一涡轮(904)一侧，所述挡板(903)用于遮挡位于所述传动轴(907)一侧的所述第一涡轮(904)的叶片。

4.根据权利要求1所述的一种大扭矩涡轮钻具，其特征在于，还包括：

过滤板(902)，设置于壳体(901)上，用于过滤液体内的杂质。

5.根据权利要求1所述的一种大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述动涡轮(602)的叶片与所述静涡轮(601)的叶片的设置方向相反。

6.根据权利要求2所述的一种大扭矩涡轮钻具，其特征在于，还包括：

防护罩(7)，罩设于所述减速器(8)上；

所述轴套(1)侧壁具有通孔(4)，所述通孔(4)与所述液流通道(101)连通，所述液流通道(101)内的液体经所述通孔(4)流向所述轴套(1)外部。