CN203257327U - 螺杆换向式井下液力增压钻井装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种螺杆换向式井下液力增压钻井装置，用于油田钻井时提高机械钻速。该装置包括：螺杆换向机构和活塞-柱塞式增压机构两大部分，前者由转子、旋转接头、转动阀等零部件组成，后者由缸体、活塞、柱塞、压缩弹簧、进液阀和排液阀等零部件组成。转动阀与活塞上表面紧密结合，转子旋转时，带动转动阀与活塞孔周期性地错开或重合，导致液流压力产生周期性变化，从而使活塞在液流压力和弹簧的作用下产生轴向往复运动。活塞下行时带动柱塞一起下行，实现增压，增至超高压的液体经特定高压流道流向钻头内喷嘴，击裂岩石，快速钻进。增压钻井时，将整个井下液力增压钻井装置接于常规钻铤与特制钻头之间，随钻柱一起下入井底。

Description

螺杆换向式井下液力增压钻井装置

技术领域

本实用新型涉及一种螺杆换向式井下液力增压钻井装置，用于油田钻井时提高机械钻速。 

背景技术

90年代以来，随着深井、超深井在油田所占的比例越来越大，钻进中遇到的地层越来越坚硬，井下环境也越来越复杂，钻井过程中遇到的问题也日益突出，比如钻井速度大幅度下降、由于沿途压力损耗而导致井底液流几乎没了破岩能力等等。因此，在现代钻井工业中，如何提高钻井速度、缩短钻井周期、降低钻井成本，引起了国内外研究人员的高度重视，为此展开了大量的研究与实验。目前，国内外对于钻井增压的发展，大致可以分为三个阶段：地面全增压、地面局部排量增压和井下增压器增压。 

地面全增压和地面局部排量增压，最早都是出现在上世纪七八十年代的美国，该技术的缺点是：首先，增压能力有限，且在管路中压力损耗大，能效比差；其次，整个增压管路密封要求高，现场应用需相应钻井系统与之匹配；再则，地面机泵组也经受不了长时间的超高压运转。国内大多数是采用井下增压器增压这条研究路线，近年来，先后出现了静压式、射流式井下增压器，该技术的缺点是：都有一套复杂的换向阀系统和较多的流道，结构复杂而且娇小，降低了可靠性，同时增加了加工难度；离心式井下增压器，该技术的缺点是：离心泵的级数很多，降低了系统的可靠性；斜坡式井下增压器，该结构的缺点是：换向机构中，两接触面磨损严重，对复位弹簧的性能要求较高，而且该装置轴向分力很大，对螺杆钻具中的推力轴承产生很大的载荷冲击，使其寿命下降。 

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有井下增压装置的不足，提供螺杆换向式井下液力增压钻井装置，实现破碎岩石、快速钻进。 

本实用新型的技术方案是：整个增压钻井装置由螺杆换向机构和活塞-柱塞式增压机构两 大部分组成。两大机构通过带有密封结构的管螺纹连接起来，组成一个整体。工作时，将组装好的整套装置接于常规钻铤与特制钻头之间，随整套钻柱下入井底。 

螺杆换向机构由马达转子、旋转接头、限位轴套、转动阀组成；旋转接头和转动阀通过花键配合，工作过程中，转动阀与活塞上表面始终结合，一起上下移动。该螺杆马达是通过对常规螺杆马达的结构稍作改造而成，即保留旁通阀、防掉总成、定子和转子结构。 

活塞-柱塞式增压机构由由缸体、活塞、压缩弹簧、组合密封、柱塞、支承导向环、进液阀堵、进液阀座、进液阀、排液阀座、排液阀体、排液阀、高压管、过滤网组成。柱塞与缸体采用大间隙配合，上端采用高压组合密封，下端装有支承导向环。活塞和柱塞在液流冲击和压缩弹簧的作用下产生轴向往复运动。当转动阀与活塞孔错开时，活塞浸没在液体中，作用在活塞上下表面的压差为零，活塞在弹簧的作用下带动柱塞上行，此时，进液阀打开，排液阀关闭，液体进入增压腔；当转动阀与活塞孔重合时，活塞上下表面液体压差增大，推动活塞和柱塞下行，此时，进液阀关闭，排液阀打开，增压腔内液体被增至超高压，经高压管流向钻头，柱塞增压完成一个循环，然后进入下一个工作周期，如此往复，形成脉冲式超高压射流。 

活塞设计在缸体的上腔体内，该腔体的下端设计有活塞下行的限位台阶，上端安装有上行程圆柱套状限位轴套；增压机构内部设有过滤装置，实现二次过滤，防止大颗粒泥砂进入增压腔；超高压与常规流道分开，可同时满足破岩和清岩功能。 

本实用新型的有益效果是：由于螺杆换向式井下液力增压钻井装置是在不增加钻井泵目前常规排量和泵压的基础上设计的，它的应用并不改变现有的钻井工艺和设备。螺杆换向机构利用成熟的螺杆马达改装而成，结构简单、性能可靠。该装置的应用可解决目前钻井速度慢、周期长、成本高的问题，特别是在地层坚硬复杂的环境下，增速效果更好。 

附图说明

图1是螺杆换向式井下液力增压钻井装置整体方案示意图； 

图2是螺杆换向机构示意图； 

图3是活塞-柱塞式增压机构示意图。 

图中：1.螺杆换向机构，2.活塞-柱塞式增压机构，3.马达转子，4.旋转接头，5.限位轴套，6.转动阀，7.缸体，8.活塞，9.压缩弹簧，10.组合密封，11.柱塞，12.支承导向环，13.进液阀堵，14.排液阀座，15.排液阀体，16.高压管，17.排液阀，18.进液阀，19.进液阀座,20.过滤网. 

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明的结构和实施方式。 

首先，将螺杆换向机构和活塞-柱塞式增压机构通过密封管螺纹连接起来，组成整个井下增压装置（见图1）。螺杆马达转子（3）与旋转接头（4）通过螺纹连接，旋转接头加工有内花键，与转动阀（6）的外花键配合，转动阀在液流的作用下，始终与活塞（8）上表面紧密结合。工作过程中，转动阀随马达转子一起转动，同时，也会在活塞上下运动时，沿着花键槽一起上下运动。柱塞（11）与活塞（8）做成一体，在液力冲击和压缩弹簧（9）的作用下，始终做轴向往复运动。为减小磨损，柱塞（11）与缸体（7）采用大间隙配合，上端采用双道高压组合密封（10），下端装有支承导向环（12）。马达转子带动转动阀转动，使转动阀与活塞孔不断地重合或错开，进而使活塞上下表面的液流压差发生周期性变化。当转动阀与活塞孔错开时，柱塞和活塞在弹簧力的作用下上行，进液阀（18）打开，排液阀（17）关闭，液体进入增压腔；当转动阀与活塞孔重合时，液流推动活塞和柱塞下行，进液阀关闭，液体压力达到一定值后，排液阀打开，超高压液体经内部高压流道流向特定的高压喷嘴，实现破岩，如此往复循环。活塞的上行程靠轴套（5）限位，下行程靠缸体内的台阶面限位。 

增压钻井时，将整套增压装置接于常规钻铤与特制钻头之间，随整个钻柱体系下入井底，由地面转盘带动其旋转钻进。 

Claims (2)

1.一种用于油田钻井时提高机械钻速的螺杆换向式井下液力增压钻井装置，其特征是：整个增压钻井装置由螺杆换向机构（1）和活塞-柱塞式增压机构（2）两大部分组成；螺杆换向机构（1）和活塞-柱塞式增压机构（2）之间通过带有密封结构的管螺纹连接起来，组成一个整体；其中螺杆换向机构（1）由马达转子（3）、旋转接头（4）、限位轴套（5）、转动阀（6）组成；旋转接头（4）和转动阀（6）通过花键配合，工作过程中，转动阀（6）与活塞（8）上表面始终结合，一起上下移动；活塞-柱塞式增压机构（2）由缸体（7）、活塞（8）、压缩弹簧（9）、组合密封（10）、柱塞（11）、支承导向环（12）、进液阀堵（13）、进液阀座（19）、进液阀（18）、排液阀座（14）、排液阀体（15）、排液阀（17）、高压管（16）、过滤网（20）组成。 

2.根据权利要求1所述的螺杆换向式井下液力增压钻井装置，其特征是：活塞（8）设计在缸体（7）的上腔体内，该腔体的下端设计有活塞下行的限位台阶，上端安装有上行程圆柱套状限位轴套（5）。 

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