CN202706929U - 井下增压提速系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种石油、天然气钻井作业中的配套装置，特别涉及一种井下增压提速系统。其技术方案是：主要由钻柱受力传递总成、传扭承压总成、弹性复位元件总成、增压缸体、超高压钻井液传输总成及钻头组成；增压缸体安装于传扭承压总成内，两者相对静止；扭矩通过钻柱受力传递总成中花键心轴上的花键与传扭承压总成中花键外筒的配合传递给传扭承压总成，从而带动钻头旋转破岩；有益效果是：花键位于花键心轴的顶部，使得扭矩在系统顶部就传到外筒，减小了花键心轴下部负荷，提高了花键心轴的总体使用寿命；另外，结构简单、性能稳定，使用过程不会为钻井作业带来其他方面的风险。

Description

井下增压提速系统

技术领域

本实用新型涉及一种石油、天然气钻井作业中的配套装置，特别涉及一种井下增压提速系统。

背景技术

提高油气钻井过程中钻头喷嘴的射流压力，可以大大提高钻头的破岩效率和钻井速度。目前提高钻头喷嘴处射流压力的方式为地面增压和井下增压。如果从地面增加钻井液的压力输送给井底的钻头喷嘴，需要改变现有的设备和工艺，成本昂贵。井下增压可以在不改变其他装置的基础上，在钻头上方增压一个装置即可实现，成本较低，易于实现，因而成为研究的热点。

中国专利说明书CN101787858A（2010年07月28日公开）及中国专利说明书CN201627541U（2010年11月10日公开）提供了一种用于石油、天然气钻井作业中的配套工具—井下钻柱减振增压装置。它包括上部转换接头、弹簧、中心轴、活塞轴、锁紧螺母、进水阀、密封总成、增压缸、增压缸扶正筒、增压缸外筒、出水阀、高压流道、下部转换接头。钻进过程中，当钻柱发生纵向振动时，钻柱带动转换接头、弹簧上封堵接头、中心轴和活塞轴一起相对于增压缸产生上下运动，在增压缸内吸入和压缩钻井液。可在传递动力、循环钻井液的同时，吸收钻柱振动的能量，将钻柱振动能转化为钻井液的压能，实现钻井液的井底增压。既可减少钻柱振动，保护钻柱，又能增加钻头喷嘴的射流压力，提高破岩效率。

现场实践表明，该装置配合超高压双流道钻头一起使用可以大幅度的提高深井钻井速度且使用寿命能够满足现场的需要。但该装置设计上还存在以下问题：① 中心轴上面需要承受扭矩及波动的钻压，容易疲劳；② 中心轴上的花键浸泡于钻井液中，容易被钻井液腐蚀或冲蚀，并且中心轴长度较长，易于破坏，一旦产生疲劳破坏或者冲蚀更换部件成本较高；③ 上部转换接头与弹簧上封堵接头难于拆卸，强制拆卸会导致弹簧上封堵接头渡铬层的损伤；④ 增压缸安装过程中需要与花键流道对正，较难安装；⑤ 弹簧外筒及弹簧下封堵接头上的密封强度较低，维修及更换较为困难。

现有技术中能够实现超高压钻井液和常压钻井液分别传输到井底并使其喷射且易于安装、方便井下增压装置推广的工具已有以下专利文献予以批露。

中国专利说明书CN102383735A（2012年03月21日公开）提供了一种石油与天然气钻井工程领域的用于井下增压器的超高压钻头流道系统及其构造方法。该实用新型由超高压钻井液传输通道和普通钻井液传输通道组成，所述的超高压钻井液传输通道由超高压钻井液流道与耐高压软管、耐高压硬管、超高压钻井液喷嘴连接成一个整体；所述的普通钻井液传输通道由扶正过流结构的过流孔、超高压钻井液流道与转换接头内孔间的环形空间、对开式扶正器的过流孔、超高压钻井液流道与钻头体内腔间的环形空间组成连通流道。

中国专利说明书CN202249789U（2012年05月30日公开）提供了一种井下增压器用超高压钻头系统。其技术方案是：主要由钻头体、转换接头、超高压钻井液传输通道和普通钻井液传输通道组成，所述的普通钻井液传输通道由扶正过流结构的过流孔、超高压粗软管保护筒与转换接头内孔间的环形空间、对开式扶正器的过流孔、超高压粗软管保护筒与钻头体内腔间的环形空间组成连通流道；所述的超高压钻井液传输通道由金属超高压钻井液流道与超高压粗软管、超高压细软管、超高压钻井液喷嘴连接成一个整体；其有益效果是：该结构仅需要调整超高压粗软管、超高压细软管长度即可实现不同厂家普通钻头构造超高压钻头的目的；喷嘴仅是普通喷嘴的稍作改造，该喷嘴加工工艺容易实现，可有效降低钻头构造成本。

上述两个设计上存在以下问题：① CN102383735A中耐高压硬管、硬管限位套、超高压钻井液喷嘴配合在超高压情况下，密封实现较为困难，耐高压硬管与钻井液喷嘴的连接为硬连接，一旦同轴度过低，将导致装配失败；② CN202249789的超高压粗软管保护筒直径较大，钻头上接头中空直径有限，该部位易出现钻井液流速过高的情况。超高压粗软管、超高压细软管配合导致流道突然收缩，如果超高压钻井液内固相颗粒较大，容易在该处堵塞。

优化由井下钻柱减振增压装置及能够实现超高压钻井液和常压钻井液分别传输到井底并使其喷射且易于安装、方便井下增压装置推广的工具构成的井下增压提速系统的结构，提高系统的工作寿命，降低维修工序操作难度，是目前急需解决的问题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种井下增压提速系统，该系统整体连接在钻具的最下方，可实现减小钻柱振动的同时提高部分钻井液压力并将增压后的钻井液输送到井底喷射辅助破岩提高油气钻井速度的目的。

其技术方案是：主要由钻柱受力传递总成、传扭承压总成、弹性复位元件总成、增压缸体、超高压钻井液传输总成及钻头组成；所述的钻柱受力传递总成是由上部转换接头、花键心轴、花键限位螺母、分流传压接头、钻井液过滤器、柱塞、入口单向阀相连成一体组成；所述的传扭承压总成由密封压套、弹簧腔上部密封总成、花键外筒、弹簧保护筒、弹簧下封堵接头、弹簧腔下部密封总成、下部密封压套、增压总成外筒、支撑过流体、增压装置下接头、转换接头通过连接组成；所述的增压缸体由增压缸、超高压密封总成组成；所述的弹性复位元件为弹簧，位于花键限位螺母与弹簧下封堵接头之间；所述的超高压钻井液传输总成由高压流道、金属超高压钻井液流道、超高压钻井液流道延长管、超高压软管及超高压钻井液喷嘴组成；

增压缸体安装于传扭承压总成内，两者相对静止；扭矩通过钻柱受力传递总成中花键心轴上的花键与传扭承压总成中花键外筒的配合传递给传扭承压总成，从而带动钻头旋转破岩；当钻进过程中钻柱发生纵向振动时，钻压的波动导致钻柱受力传递总成相对于传扭承压总成往复运动；钻压增大时，钻柱受力传递总成相对于传扭承压总成向下运动，入口单向阀关闭，弹簧及增压缸体内的钻井液共同承受施加反作用力来阻止该运动，导致弹簧被压缩，增压缸体内的钻井液压力增大，从而实现了部分钻井液的增压，增压后的钻井液通过超高压钻井液传输总成到钻头，由钻头上的超高压钻井液喷嘴喷出辅助破岩；钻压减小时，被压缩的弹簧伸展，钻柱受力传递总成相对于传扭承压总成向上运动，增压缸体内压力降低，入口单向阀开启，吸入常压钻井液为下一增压过程提供准备；

钻井液的流程为：钻井液流过上部转换接头、花键心轴的中空后，在分流传压接头分为两部分，一部分透过钻井液过滤器，通过柱塞及入口单向阀进入增压缸被增压；另一部分通过由增压总成外筒与柱塞的环空，增压总成外筒与增压缸的环空，支撑过流体的流道，高压流道与增压装置下接头组成的环空、防扭过流结构的过流孔、金属超高压钻井液流道及超高压钻井液流道延长管与转换接头内孔间的环形空间、硬管扶正器的过流孔、超高压软管与钻头体内腔间的环形空间到达井底，通过钻头上的普通喷嘴喷出发挥钻井液的正常功用。

增压后的钻井液流经由高压流道、金属超高压钻井液流道、超高压钻井液流道延长管、超高压软管及超高压钻井液喷嘴组成的超高压钻井液传输总成到达井底并实现喷射来辅助钻头机械破岩。

上述的花键心轴的顶部设有花键，花键位于由密封压套、弹簧腔上部密封总成、花键外筒、弹簧保护筒、弹簧下封堵接头、弹簧腔下部密封总成组成的密封腔体内，密封腔体内充有润滑油；所述的花键外筒位于密封腔体内的上部，增压缸通过增压总成外筒上的台阶面压紧于增压总成外筒内，且所述的花键心轴的底部与分流传压接头螺纹连接；所述的密封压套与花键外筒螺纹连接，连接螺纹为反扣。

上述的弹簧腔下部密封总成为组合密封，通过下部密封压套压紧于弹簧下封堵接头内，下部密封压套与弹簧下封堵接头螺纹连接。

金属超高压钻井液流道外侧安装限位螺母，下表面与防扭过流结构上表面接触，用于承受增压装置下接头与转换接头连接时高压流道上的密封对金属超高压钻井液流道产生的轴向压力；金属超高压钻井液流道大径结构上表面与防扭过流结构下表面接触，用于承受增压装置下接头与转换接头拆开时高压流道上的密封对超高压钻井液流道产生的轴向拉力。

金属超高压钻井液流道与六方体、防扭过流结构、转换接头相配合，保证金属超高压钻井液流道的居中，所述的转换接头与钻头体连接处装有硬管扶正器，用于实现超高压钻井液流道的居中及常压钻井液的过流。

上述的超高压钻井液喷嘴主要由外六方、外螺纹、内螺纹及喷出口组成，外螺纹用于超高压钻井液喷嘴与钻头体的连接，内螺纹用于超高压钻井液喷嘴与超高压软管的连接，外六方用于上紧超高压钻井液喷嘴与钻头体的连接，喷出口直径1.5mm-2mm，用于超高压钻井液的喷射。

本实用新型的有益效果是：（1）花键位于花键心轴的顶部，使得扭矩在系统顶部就传到外筒，减小了花键心轴下部负荷，提高了花键心轴的总体使用寿命；（2）花键位于由密封压套、弹簧腔上部密封总成、花键外筒、弹簧保护筒、弹簧下封堵接头、弹簧腔下部密封总成组成的密封腔体内，该腔体内充有润滑油，使得花键运动流畅，且不受钻井液的腐蚀及冲蚀，同时起到润滑弹簧的目的；（3）花键心轴与分流传压接头螺纹连接，一旦出现钻井液腐蚀或冲蚀现象，更换容易，且加工的成本及加工难度大幅度降低；（4）弹簧腔下部密封总成为组合密封，更换及安装容易实现；（5）花键外筒上移至密封腔体内上部，增压缸通过增压总成外筒上的台阶面压紧于增压总成外筒内，安装中不再涉及流道对正问题，使得安装过程更加容易；（6）超高压钻井液喷嘴仅是普通喷嘴的稍作改造，该喷嘴加工工艺容易实现，可有效降低钻头构造成本；（7）超高压钻井液流道延长管与超高压软管的配合可以提高流道长度的适应程度，且超高压软管直径较小，与钻头中空空间较大，钻头内常压钻井液流速不会过高；（8）井下增压提速系统结构简单、性能稳定，使用过程不会为钻井作业带来其他方面的风险。

附图说明

图1是本实用新型的上部分的结构示意图；

图2是本实用新型的下部分的结构示意图；

图3是井下钻柱减振增压装置A-A处的剖面示意图；

图4是井下钻柱减振增压装置B-B处的剖面示意图；

图5是井下钻柱减振增压装置C-C处的剖面示意图；

图6是井下钻柱减振增压装置D-D处的剖面示意图；

图7为超高压钻井液喷嘴的结构示意图；

图8为超高压钻井液喷嘴E-E处的剖面示意图；

上图中：上部转换接头1、花键心轴2、密封压套3、弹簧腔上部密封总成4、花键外筒5、弹簧保护筒6、花键限位螺母7、弹簧8、弹簧下封堵接头9、弹簧腔下部密封总成10、下部密封压套11、增压总成外筒12、分流传压接头13、钻井液过滤器14、柱塞15、增压缸16、超高压密封总成17、入口单向阀18、高压流道19、支撑过流体20、增压装置下接头21、金属超高压钻井液流道22、限位螺母23、六方体24、防扭过流结构25、转换接头26、硬管扶正器27、超高压钻井液流道延长管28、锁紧螺母29、压紧式密封30、调节挡圈31、钻头体32、超高压软管33、超高压钻井液喷嘴34、花键35。

具体实施方式

     结合附图1-8，对本实用新型作进一步的描述：

本实用新型主要由钻柱受力传递总成、传扭承压总成、弹性复位元件总成、增压缸体、超高压钻井液传输总成及钻头组成；所述的钻柱受力传递总成是由上部转换接头1、花键心轴2、花键限位螺母7、分流传压接头13、钻井液过滤器14、柱塞15、入口单向阀18相连成一体组成；参照附图3，所述的花键心轴2的顶部设有花键，花键位于由密封压套3、弹簧腔上部密封总成4、花键外筒5、弹簧保护筒6、弹簧下封堵接头9、弹簧腔下部密封总成10组成的密封腔体内，密封腔体内充有润滑油；所述的花键外筒5位于密封腔体内的上部，增压缸16通过增压总成外筒上的台阶面压紧于增压总成外筒12内，且所述的花键心轴2的底部与分流传压接头13螺纹连接； 

其中，传扭承压总成由密封压套3、弹簧腔上部密封总成4、花键外筒5、弹簧保护筒6、弹簧下封堵接头9、弹簧腔下部密封总成10、下部密封压套11、增压总成外筒12、支撑过流体20、增压装置下接头21、转换接头26通过连接组成；所述的密封压套3与花键外筒5螺纹连接，连接螺纹为反扣；弹簧保护筒6的上端与花键外筒5连接，弹簧保护筒6的下端与弹簧下封堵接头9连接，弹簧下封堵接头9的下端与增压总成外筒12连接，在弹簧下封堵接头9内设有弹簧腔下部密封总成10、下部密封压套11；增压总成外筒12的下端与增压装置下接头21连接，增压装置下接头21的下端与转换接头26连接。

增压缸体由增压缸16、超高压密封总成17组成，增压缸体安装于传扭承压总成内，两者相对静止，增压缸16通过增压总成外筒上的台阶面压紧于增压总成外筒12内，增压缸16内固定超高压密封总成17。

另外，弹性复位元件为弹簧8，弹簧8设在弹簧保护筒6内，位于花键限位螺母7与弹簧下封堵接头9之间。

超高压钻井液传输总成由高压流道19、金属超高压钻井液流道22、超高压钻井液流道延长管28、超高压软管33及超高压钻井液喷嘴34组成；所述的钻头为普通钻头。

增压缸体安装于传扭承压总成内，两者相对静止。扭矩通过钻柱受力传递总成中花键心轴上的花键35与传扭承压总成中花键外筒的配合传递给传扭承压总成，从而带动钻头旋转破岩。当钻进过程中钻柱发生纵向振动时，钻压的波动导致钻柱受力传递总成相对于传扭承压总成往复运动。钻压增大时，钻柱受力传递总成相对于传扭承压总成向下运动，入口单向阀关闭，弹性复位元件总成—弹簧及增压缸体内的钻井液共同承受施加反作用力来阻止该运动，导致的后果是弹性复位元件被压缩，增压缸体内的钻井液压力增大。从而实现了部分钻井液的增压，增压后的钻井液通过超高压钻井液传输总成到钻头，由钻头上特殊喷嘴—超高压钻井液喷嘴喷出辅助破岩。钻压减小时，被压缩的弹性复位元件—弹簧伸展，钻柱受力传递总成相对于传扭承压总成向上运动，增压缸体内压力降低，入口单向阀开启，吸入常压钻井液为下一增压过程提供准备。

钻井液的流程为：钻井液流过上部转换接头、花键心轴的中空后，在分流传压接头分为两部分，一部分透过钻井液过滤器，通过柱塞及入口单向阀进入增压缸被增压；另一部分通过由增压总成外筒与柱塞的环空，增压总成外筒与增压缸的环空，支撑过流体的流道，高压流道与增压装置下接头组成的环空、防扭过流结构的过流孔、金属超高压钻井液流道及超高压钻井液流道延长管与转换接头内孔间的环形空间、硬管扶正器的过流孔、超高压软管与钻头体32内腔间的环形空间到达井底，通过钻头上的普通喷嘴喷出发挥钻井液的正常功用。

增压后的钻井液流经由高压流道19、金属超高压钻井液流道22、超高压钻井液流道延长管28、超高压软管33及超高压钻井液喷嘴34组成的超高压钻井液传输总成到达井底并实现喷射来辅助钻头机械破岩，其中，金属超高压钻井液流道22与超高压钻井液流道延长管28之间设有压紧式密封30，超高压钻井液流道延长管28外侧设有调节挡圈31，转换接头26内侧设有锁紧螺母29。

其中，密封压套3与花键外筒5螺纹连接，连接螺纹为反扣，即左旋；花键限位螺母7用于限制花键心轴上的花键与花键外筒相对位置的大小及防止钻柱受力传递总成、传扭承压总成的分离。

上述的密封压套3、弹簧腔上部密封总成4、花键外筒5、弹簧保护筒6、弹簧下封堵接头9、弹簧腔下部密封总成10组成密封腔体，腔体内充有润滑油。

上述的弹簧腔下部密封总成10为组合密封，通过下部密封压套3压紧于弹簧下封堵接头9内，下部密封压套压3与弹簧下封堵接头9螺纹连接。

本实用新型进一步的方案是：限位螺母23安装在金属超高压钻井液流道上，其下表面与防扭过流结构25上表面接触，用于承受增压装置下接头与转换接头连接时高压流道上的密封对超高压钻井液流道产生的轴向压力；金属超高压钻井液流道大径结构上表面与防扭过流结构下表面接触，用于承受增压装置下接头与转换接头拆开时高压流道上的密封对超高压钻井液流道产生的轴向拉力。

金属超高压钻井液流道与六方体24、防扭过流结构25、转换接头26相配合保证金属超高压钻井液流道的居中及防止增压装置下接头与转换接头安装过程对软管产生扭矩而导致的破坏。

上述的转换接头与钻头体连接处装有硬管扶正器27，用于实现超高压钻井液流道的居中及常压钻井液的过流。

参照附图7，超高压钻井液喷嘴34主要由外六方、外螺纹、内螺纹及喷出口组成，外螺纹用于超高压钻井液喷嘴与钻头体的连接，内螺纹用于超高压钻井液喷嘴与超高压软管的连接，外六方用于上紧超高压钻井液喷嘴与钻头体的连接，喷出口直径1.5mm-2mm，用于超高压钻井液的喷射。

上述的钻头可以采用现有的钻头，其喷嘴螺纹需要与与超高压钻井液喷嘴的外螺纹相配，从而可有效降低钻头构造成本。

本实用新型的优点是：（1）花键位于花键心轴的顶部，使得扭矩在系统顶部就传到外筒，减小了花键心轴下部负荷，提高了花键心轴的总体使用寿命；（2）花键位于由密封压套、弹簧腔上部密封总成、花键外筒、弹簧保护筒、弹簧下封堵接头、弹簧腔下部密封总成组成的密封腔体内，该腔体内充有润滑油，使得花键运动流畅，且不受钻井液的腐蚀及冲蚀，同时起到润滑弹簧的目的；（3）花键心轴与分流传压接头螺纹连接，一旦出现钻井液腐蚀或冲蚀现象，更换容易，且加工的成本及加工难度大幅度降低；（4）弹簧腔下部密封总成为组合密封，更换及安装容易实现；（5）花键外筒上移至密封腔体内上部，增压缸通过增压总成外筒上的台阶面压紧于增压总成外筒内，安装中不再涉及流道对正问题，使得安装过程更加容易；（6）超高压钻井液喷嘴仅是普通喷嘴的稍作改造，该喷嘴加工工艺容易实现，可有效降低钻头构造成本。

Claims (6)

1.一种井下增压提速系统，其特征是：主要由钻柱受力传递总成、传扭承压总成、弹性复位元件总成、增压缸体、超高压钻井液传输总成及钻头组成；所述的钻柱受力传递总成是由上部转换接头（1）、花键心轴（2）、花键限位螺母（7）、分流传压接头（13）、钻井液过滤器（14）、柱塞（15）、入口单向阀（18）相连成一体组成；所述的传扭承压总成由密封压套（3）、弹簧腔上部密封总成（4）、花键外筒（5）、弹簧保护筒（6）、弹簧下封堵接头（9）、弹簧腔下部密封总成（10）、下部密封压套（11）、增压总成外筒（12）、支撑过流体（20）、增压装置下接头（21）、转换接头（26）通过连接组成；所述的增压缸体由增压缸（16）、超高压密封总成（17）组成；所述的弹性复位元件为弹簧（8），位于花键限位螺母（7）与弹簧下封堵接头（9）之间；所述的超高压钻井液传输总成由高压流道（19）、金属超高压钻井液流道（22）、超高压钻井液流道延长管（28）、超高压软管（33）及超高压钻井液喷嘴（34）组成；增压缸体安装于传扭承压总成内，两者相对静止；扭矩通过钻柱受力传递总成中花键心轴（2）上的花键（35）与传扭承压总成中花键外筒（5）的配合传递给传扭承压总成，从而带动钻头旋转破岩。

2.根据权利要求1所述的井下增压提速系统，其特征是：所述的花键心轴（2）的顶部设有花键（35），花键位于由密封压套（3）、弹簧腔上部密封总成（4）、花键外筒（5）、弹簧保护筒（6）、弹簧下封堵接头（9）、弹簧腔下部密封总成（10）组成的密封腔体内，密封腔体内充有润滑油；所述的花键外筒（5）位于上述的密封腔体内上部，增压缸（16）通过增压总成外筒上的台阶面压紧于增压总成外筒（12）内，且所述的花键心轴（2）的底部与分流传压接头（13）螺纹连接；所述的密封压套（3）与花键外筒（5）螺纹连接，连接螺纹为反扣。

3.根据权利要求1或2所述的井下增压提速系统，其特征是：所述的弹簧腔下部密封总成（10）为组合密封，通过下部密封压套（11）压紧于弹簧下封堵接头（9）内，下部密封压套（11）与弹簧下封堵接头（9）螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的井下增压提速系统，其特征是：金属超高压钻井液流道（22）外侧安装限位螺母（23），下表面与防扭过流结构（25）上表面接触，用于承受增压装置下接头（21）与转换接头连接时高压流道（22）上的密封对金属超高压钻井液流道（22）产生的轴向压力；金属超高压钻井液流道（22）大径结构上表面与防扭过流结构下表面接触，用于承受增压装置下接头与转换接头拆开时高压流道上的密封对超高压钻井液流道产生的轴向拉力。

5.根据权利要求4所述的井下增压提速系统，其特征是：金属超高压钻井液流道（22）与六方体（24）、防扭过流结构（25）、转换接头（26）相配合，保证金属超高压钻井液流道（22）的居中，所述的转换接头（26）与钻头体连接处装有硬管扶正器（27），用于实现超高压钻井液流道的居中及常压钻井液的过流。

6.根据权利要求1所述的井下增压提速系统，其特征是：所述的超高压钻井液喷嘴（34）主要由外六方、外螺纹、内螺纹及喷出口组成，外螺纹用于超高压钻井液喷嘴与钻头体的连接，内螺纹用于超高压钻井液喷嘴与超高压软管的连接，外六方用于上紧超高压钻井液喷嘴与钻头体的连接，喷出口直径1.5mm-2mm，用于超高压钻井液的喷射。

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