CN208816266U - 一种涡轮钻具及其涡轮级 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种涡轮级，包括转子和套装于转子外部的定子，转子内环和定子内环的分别设有转子凹槽和定子凹槽，转子凹槽内设有轴承动环，定子凹槽内设有轴承静环和定子弹簧，轴承动环、轴承静环和定子弹簧构成了滑动轴承摩擦副，起推力轴承的作用，可以承担轴向载荷，由此省去了推力轴承和支撑节，节约了使用成本，提高了加工精度。本实用新型还提供一种包括上述涡轮级的涡轮钻具，由于上述涡轮级替代了传统的推力轴承，极大的缩短了整个涡轮钻具的长度，提升了涡轮钻具的机械效率和导向性，并且降低了产品的制造成本、延长了产品的使用寿命。

Description

一种涡轮钻具及其涡轮级

技术领域

本实用新型涉及石油钻采井下设备技术领域，更具体地说，涉及一种涡轮级。本实用新型还涉及一种包括上述涡轮级的涡轮钻具。

背景技术

涡轮钻相比于螺杆钻具，具有转速高、功率大的特点，由于涡轮钻为全钢结构，具有耐磨蚀性好、工作寿命长的优点，尤其适应于井下高温高压环境。

传统的涡轮钻具，大多分为动力节和支承节。其中，动力节通常配置有100级左右的涡轮级，每一级涡轮级均包括一个相对静止的定子叶轮以及一个相对旋转的转子叶轮。流经定子叶片通道时，钻井液的流动方向发生偏转，流动速度升高、静压下降、动压升高；当钻井液从定子叶片流出后，即进入转子叶片通道，转子叶片的弯曲方向与定子叶片恰好相反，从而对钻井液施加以反向的偏转力，以使钻井液最终恢复轴向流出。然而，钻井液周向动量的改变产生了对转子叶片的反作用力，从而推动转子叶片旋转、输出轴功；支承节通常配有多级推力轴承，主要承载液体对主轴和转子所施加的推力，该推力是由于钻井液流经涡轮后产生的压力降所引起的，因此，涡轮钻具的压降大、转速高、对推力轴承的承载能力要求较高，同时，由于钻井液带有大量的固体颗粒，由此，对推力轴承的耐磨损和耐冲蚀性能同样提出了较高的要求。

目前，市场上大部分的涡轮钻具大多采用PDC金刚石复合片滑动推力轴承，其具有良好的耐负荷、耐磨损和耐冲蚀等性能，大功率的涡轮钻具，需要数十个PDC推力轴承才能满足承载的需要。这些推力轴承前后相接形成了涡轮钻具的支承节，由于PDC复合片价格昂贵，所以支承节的制造成本很高，而且使得涡轮钻具整体长度加长很多。如果采用TC硬质合金，甚至滚子轴承，那么由于每个轴承的负载能力下降，就需要数量更多的推力轴承，从而使得支承节更长。所有这些轴承在支承轴向载荷的同时，也因为摩擦生热而损耗涡轮钻具的动力，使得最终的输出轴功降低。另一方面，钻井液流过所有的推力轴承，压力也进一步损耗，使得下游的钻头喷嘴能获得的射流压力不足。

市面上减少主轴推力的方法主要有两种：一种采用浮动转子的方法，使得涡轮钻具当中由转子形成的那部分推力，通过转子和定子之间的滚动轴承，转移到了机壳上面，转子和主轴之间只通过键槽传递扭矩而不传递轴向推力。这样，支承节所需要承载的轴向推力就仅是主轴引起的那部分，从而可以适当减少推力轴承的数量，尽管转子部分的推力转移走了，但是主轴的推力仍然需要推力轴承来承载。只是数量可以少一些，支承节长度可以短一些；第二种则是采用永磁推力轴承，来替代现有的滚动或者滑动轴承。由于，此种方法是在理想情况下才能实现零摩擦，但实际井底工况十分恶劣，各种振动冲击时刻在发生，难免永磁轴承不发生接触和摩擦，而永磁材料的耐磨性和抗冲蚀性一般，所以实际使用寿命和机械效率堪忧。另外，永磁轴承仍然需要构成支承节，仍然占据一定的空间长度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种涡轮级，可以代替推力轴承承受轴向载荷。本实用新型的另一核心是提供一种包括若干上述涡轮级的涡轮钻具，其外型尺寸小、加工精度高。

本实用新型提供一种涡轮级，包括定子和转子，所述定子套装于所述转子的外部，所述转子设有转子内环和转子外环，所述定子设有定子内环和定子外环，所述转子内环的外侧面固设有转子叶片，所述定子内环的外侧面固设有定子叶片，所述转子内环的外径沿钻井液的流动方向渐扩，所述转子内环的出口端设有与上主轴同轴开设的转子凹槽；所述定子内环的外径沿钻井液的流动方向渐缩，所述定子内环的入口端设有与上主轴同轴开设的定子凹槽；

还包括安装于转子凹槽内部、能够相对于所述转子静止的轴承动环，以及安装于所述定子凹槽、且能够相对于所述定子静止的轴承静环；还包括安装于所述定子凹槽、用以压紧所述轴承动环和所述轴承静环的至少一个定子弹簧。

优选的，所述定子凹槽的侧壁固设有多个定子花键，所述轴承静环的外侧壁开设有用以与所述定子花键相配合的多个静环凹槽。

优选的，所述轴承静环的径向和/或所述轴承动环的径向开设有用于供钻井液流通的导流槽，所述导流槽为多个，多个所述导流槽沿所述轴承静环和/或所述轴承动环的周向均匀分布。

优选的，所述轴承动环和所述轴承静环由TC硬质合金材料构成。

优选的，还包括安装于所述转子凹槽、用以压紧所述轴承静环和所述轴承动环的转子弹簧。

优选的，所述轴承动环和/或所述轴承静环的表面钎焊TC合金块。

本实用新型提供还提供一种涡轮钻具，包括机壳、安装于所述机壳内部的所述上主轴，以及套装于所述上主轴的多组上述任一项所述的涡轮级，还包括套装于所述上主轴、用以将全部所述转子压紧于所述上主轴的转子压紧机构；

还包括套装于所述上主轴、用以将全部所述定子压紧于所述机壳的定子压紧机构。

优选的，所述转子压紧机构包括套装于所述上主轴的转子锁紧螺母和整流帽，所述整流帽安装于所述上主轴顶端、用以将全部所述转子压紧于所述转子锁紧螺母，所述转子锁紧螺母螺纹锁紧于所述上主轴的下部。

优选的，所述定子压紧机构包括：

套装于全部所述上主轴的上径向轴承；

套装于全部所述上主轴、且设于所述上径向轴承下部的下径向轴承；

套装于所述上主轴的上部、用以将所述上径向轴承、全部所述定子和所述下径向轴承压紧于所述机壳的定子锁紧螺母。

优选的，还包括与所述上主轴同轴相连的下主轴，所述下主轴为一体式结构，包括上主轴安装部和用以安装钻头的钻头安装部，所述上主轴安装部与所述上主轴之间，以及所述钻头安装部与所述钻头之间均通过螺纹连接；所述钻头安装部内部开设有用以供钻井液流入的内腔。

与上述背景技术相比，本实用新型提供一种涡轮级，通过在转子凹槽中安装轴承静环和定子弹簧，在定子凹槽中安装轴承动环，轴承动环、轴承静环和定子弹簧构成了滑动轴承摩擦副，并代替推力轴承承担轴向载荷，由此省去了推力轴承和支撑节，节约了使用成本，提高了加工精度，并且可以有效的保护涡轮级，延长涡轮级和涡轮钻具的使用寿命。

本实用新型还提供一种包括上述涡轮级的涡轮钻具，由于上述涡轮级替代了传统的推力轴承，由此省去了涡轮钻具支承节，极大的缩短了整个涡轮钻具的长度，提高了涡轮钻具的导向性和机械效率、降低了产品的制造成本、延长了产品的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的涡轮钻具的结构示意图；

图2为图1中涡轮级的剖视图；

图3为图1中转子的结构示意图；

图4为图3的另一个角度的结构示意图；

图5为图4的剖视图；

图6为图1中定子的结构示意图；

图7为图6的剖视图；

图8为图2中轴承静环的结构示意图。

其中，1-定子、101-定子内环、102-定子外环、103-定子叶片、104- 定子花键、2-转子、201-转子内环、202-转子外环、203-转子叶片、3- 上主轴、4-轴承动环、5-轴承静环、501-静环凹槽、6-定子弹簧、7- 导流槽、8-定子锁紧螺母、9-机壳、10-转子锁紧螺母、11-整流帽、12- 上径向轴承、13-下径向轴承、14-下主轴、1401-上主轴安装部、1402- 钻头安装部、1403-内腔、15-下机壳。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种涡轮级，可以代替推力轴承承受轴向载荷。本实用新型的另一核心是提供一种包括若干个上述涡轮级的涡轮钻具，该涡轮钻具无需支承节，极大地缩短了外型长度，其机械效率更高、导向性更好、成本更低，使用寿命更长。

需要说明的是，本文中出现的方位词“上、下”方向指的是图1 中的上、下方向。本文中出现的方位词均是以本领域技术人员的习惯用法以及说明书附图为基准而设立的，它们的出现不应当影响本实用新型的保护范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1-图8，图1为本实用新型所提供的涡轮钻具的结构示意图；图2为图1中涡轮级的剖视图；图3为图1中转子的结构示意图；图4为图3的另一个角度的结构示意图；图5为图4的剖视图；图6为图1中定子的结构示意图；图7为图6的剖视图；图8为图2 中轴承静环的结构示意图。

本实用新型提供一种涡轮级，包括定子1和转子2，安装时，定子1套装在转子2外部，转子2设有转子内环201和转子外环202，转子内环201的外侧面固设有转子叶片203，定子1设有定子内环101 和定子外环102，定子内环101的外侧面固设有定子叶片103。由于钻井液流经定子叶片103通道时，流动方向发生偏转，流动速度提高，静压下降，动压升高；当从定子叶片103通道流出后，即进入转子叶片203通道，转子叶片203的弯曲方向与定子叶片103的弯曲方向刚好相反，从而对流体施加以反向的偏转力，钻井液最终恢复轴向流出，其周向动量的改变产生了对转子叶片203的反作用力，推动转子叶片 203旋转，输出轴功。当钻井液流经定子叶片103和转子叶片203时，其静压均下降，该压力差对定子1和转子2均施加一个指向下游的推力。定子1上的推力最终传递到机壳9，由整个钻杆承担全部轴向力；而转子2上的推力则需要通过滑动轴承摩擦副，再传递给下一级涡轮的定子1上。将转子叶片203与转子2相连接处的根部的尺寸，沿钻井液的流动方向渐扩设置，并且将定子叶片103与定子内环101相连接处的根部尺寸渐缩设置，以便预留足够的空间来布置下述轴承动环 4和轴承静环5。

此外，转子内环201设有转子凹槽，转子凹槽开设于转子内环201 的出口端，并且，转子凹槽与转子内环201以及上主轴3同轴设置；相似的，定子内环101的入口端设有定子凹槽，定子凹槽与定子内环 101同轴设置。转子凹槽内设有轴承动环4，定子凹槽内安装有轴承静环5和定子弹簧6。安装时，将轴承动环4焊接于转子凹槽中，通过定子弹簧6将轴承动环4和轴承静环5相压紧，从而使各个涡轮级的轴承摩擦副均匀承担轴向推力。

上述轴承静环5、轴承动环4和定子弹簧6，构成了滑动轴承摩擦副，以代替推力轴承承担轴向载荷，由此省去了推力轴承和支撑节，节约了生产成本、提高了钻具的导向性和机械效率。

为了实现轴承静环5的固定，可以在定子凹槽的侧壁设置多个定子花键104，相对应的，轴承静环5的外侧壁开设多个静环凹槽501，静环凹槽501的形状与定子花键104的形状相同，定子凹槽尺寸等于或略小于定子花键104的外径尺寸，通过定子花键104与定子凹槽的配合，从而起到固定轴承静环5的作用，以防止轴承静环5沿径向及周向运动。

由上述可知，轴承动环4固定在转子凹槽，通过在轴承静环5上设置静环凹槽501，在定子凹槽的内侧壁设置定子花键104，通过静环凹槽501与定子花键104相配合，从而将轴承静环5安装在定子凹槽内。当然，也可以将轴承静环5焊接在定子凹槽内部，并且，在轴承动环4上开设动环凹槽，在动环凹槽设置转子花键，通过转子花键与动环凹槽的配合，实现轴承动环4的固定。

为了进一步提升轴向承载能力，还可以在转子凹槽中安装转子弹簧，这样一来，转子弹簧可以与定子弹簧6共同承受轴向推力，从而进一步提升了涡轮级的轴向承载能力，并且可以使轴承动环4和轴承静环5的受力更加均匀。

为了防止轴承静环5温度过高，可以在轴承静环5的表面开设导流槽7，当然，也可以在轴承动环4的表面开设导流槽7，导流槽7 从轴承静环5和轴承动环4的一侧端面沿径向延伸至与该侧端面相对的另一侧端面，这样一来，钻井液经由导流槽7时，即可冷却轴承动环4和轴承静环5，从而防止轴承动环4和轴承静环5的表面温度过高。导流槽7可以为直线型，或者为任意曲线型。

轴承动环4和轴承静环5均可以选用TC硬质合金材料制成，由于TC硬质合金具有硬度高、导热及导电性能好等优点，因此，选用 TC硬质合金作为轴承动环4和轴承静环5的材料，由此可以提高轴承动环4和轴承静环5的使用寿命。当然，轴承动环4和轴承静环5 还可以选用PDC复合片制成，PDC复合片具有高硬度、高耐磨性和良好的导热性，同时，又具有较高的强度和抗冲击韧性，利用其优良的综合性能，以此来延长轴承动环4和轴承静环5的使用寿命。

此外，还可以在轴承动环4的外表面，和/或轴承静环5的外表面钎焊TC合金块，以此将轴承动环4与轴承静环5之间的面接触，改进为点接触，从而减少了轴承动环4与轴承静环5之间的摩擦，从而延长轴承动环4及轴承静环5的使用寿命。

本实用新型还提供一种涡轮钻具，包括机壳9、上主轴3，以及套装于上主轴3的多个涡轮级。由于具有上述涡轮级，涡轮级取代了推力轴承来承担轴向载荷，由此省去了钻具的支承节，极大的缩短了工具的长度，节约了生产成本，与此同时，钻具的导向性和机械效率也得到显著提升。

上主轴3还套装有转子压紧机构，转子压紧机构可以将上一级转子2逐级压紧于下一级转子2上，最终将全部转子2压紧于上主轴3，以防止转子2与上主轴3发生相对转动。

此外，上主轴3还套装有定子压紧机构，定子压紧机构用于将全部定子1进行逐级压紧至机壳9上，从而将转子2与定子1相分离，以防止定子1与转子2发生相对运动。

具体来说，转子压紧机构包括整流帽11和转子锁紧螺母10，整流帽11套装于上主轴3，且设于全部涡轮级的上方，也即，整流帽11 设于第一级转子2的上方，整流帽11设有内螺纹，上主轴3的顶部设有外螺纹，整流帽11锁紧于上主轴3；转子锁紧螺母10锁紧在上主轴3，且设置于下述下径向轴承13的下方。这样一来，整流帽11向第一级转子2施加压紧力，第一级转子2将压紧力逐级传递给下一级转子2，直至最后一级的转子2，最后一级的转子2将压紧力施加予转子锁紧螺母10，由于，转子锁紧螺母10与上主轴3锁紧连接，因此，当上主轴3旋转时，转子2得以与上主轴3同步运动，从而确保转子 2与上主轴3连接的可靠性。

定子压紧机构包括套装于上主轴3的上径向轴承12、下径向轴承 13和定子锁紧螺母8，上径向轴承12和下径向轴承13分别设于全部涡轮级的上下两端，以扶正上主轴3。定子锁紧螺母8设于上径向轴承12的上部，当定子锁紧螺母8处于锁紧状态时，定子锁紧螺母8的底端平面压紧在第一级定子1上，由于上级定子1与下级定子1相承接，并且，最后一级的定子1固定在机壳9上，因此，在定子锁紧螺母8的压紧力作用下，可以将全部定子1压紧在机壳9上，可以有效的防止定子1运动。此外，定子锁紧螺母8设有内螺纹，整流帽11 的底部设有外螺纹，定子锁紧螺母8通过螺纹连接于整流帽11的外周面。

由此可见，本实用新型中，全部转子2前后逐级承接的安装方式，整流帽11锁紧后，得以将锁紧力通过各级转子2最终传递至上主轴3 上，由此实现了转子2与上主轴3的同步转动。此外，各级定子1同样采用前后承接的安装方式，通过在上主轴3顶部安装定子锁紧螺母 8，处于锁紧状态下的定子锁紧螺母8，可以将锁紧力通过各级定子1 最终传递至机壳上9，以防止定子1与机壳9发生相对转动。

还包括设于上主轴3下端的下主轴14，下主轴14设有内螺纹，下主轴14为一体式结构，包括上主轴安装部1401和钻头安装部1402，上主轴安装部1401的中央位置开设有螺纹槽，上主轴3设有外螺纹，上主轴3与下主轴14之间通过螺纹连接。此外，上主轴安装部1401还开设有三个导流槽7，钻头安装部1402的内部设有内腔1403，用以以供钻井液流入。钻头安装部1402内部设有API母螺纹，用以连接钻头。钻井液依次经过上径向轴承13、定子叶片103通道、转子叶片 203通道、下径向轴承13以及三个导流槽7进入钻头安装部1402的内腔中，最后从钻头喷出。

具体来说，涡轮钻具安装过程中，可以按照如下步骤安装：

步骤一：将整流帽11安装于上主轴3的前端；

步骤二：根据设计需要，将一定数量的上径向轴承12、改进前的涡轮级以及本申请中的涡轮级按照一定的顺序，从上主轴3的末端依次安装至上主轴3上；

步骤三：将整个上主轴3连同其上部件，从机壳9的入口端插入机壳9内；

步骤四：在机壳9的入口端用定子锁紧螺母8压紧全部定子1；

步骤五：在上主轴3的末端用转子锁紧螺母10压紧全部转子2；

步骤六：在上主轴3的末端安装下主轴14；

步骤七：在下机壳15内安装下径向轴承13；

步骤八：将下机壳15和下径向轴承13组件安装到机壳9的末端。

以上对本实用新型所提供的涡轮钻具及其涡轮级进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮级，包括定子(1)和转子(2)，所述定子(1)套装于所述转子(2)的外部，所述转子(2)设有转子内环(201)和转子外环(202)，所述定子(1)设有定子内环(101)和定子外环(102)，所述转子内环(201)的外侧面固设有转子叶片(203)，所述定子内环(101)的外侧面固设有定子叶片(103)，其特征在于，所述转子内环(201)的外径沿钻井液的流动方向渐扩，所述转子内环(201)的出口端设有与上主轴(3)同轴开设的转子凹槽；所述定子内环(101)的外径沿钻井液的流动方向渐缩，所述定子内环(101)的入口端设有与上主轴(3)同轴开设的定子凹槽；

还包括安装于转子凹槽内部、能够相对于所述转子(2)静止的轴承动环(4)，以及安装于所述定子凹槽、且能够相对于所述定子(1)静止的轴承静环(5)；还包括安装于所述定子凹槽、用以压紧所述轴承动环(4)和所述轴承静环(5)的至少一个定子弹簧(6)。

2.根据权利要求1所述的涡轮级，其特征在于，所述定子凹槽的侧壁固设有多个定子花键(104)，所述轴承静环(5)的外侧壁开设有用以与所述定子花键(104)相配合的多个静环凹槽(501)。

3.根据权利要求2所述的涡轮级，其特征在于，所述轴承静环(5)的径向和/或所述轴承动环(4)的径向开设有用于供钻井液流通的导流槽(7)，所述导流槽(7)为多个，多个所述导流槽(7)沿所述轴承静环(5)和/或所述轴承动环(4)的周向均匀分布。

4.根据权利要求3所述的涡轮级，其特征在于，所述轴承动环(4)和所述轴承静环(5)由TC硬质合金材料构成。

5.根据权利要求1～4任一项所述的涡轮级，其特征在于，还包括安装于所述转子凹槽、用以压紧所述轴承静环(5)和所述轴承动环(4)的转子弹簧。

6.根据权利要求5所述的涡轮级，其特征在于，所述轴承动环(4)和/或所述轴承静环(5)的表面钎焊TC合金块。

7.一种涡轮钻具，包括机壳(9)、安装于所述机壳(9)内部的所述上主轴(3)，以及套装于所述上主轴(3)的多组如权利要求1～6任一项所述的涡轮级，其特征在于，还包括套装于所述上主轴(3)、用以将全部所述转子(2)压紧于所述上主轴(3)的转子压紧机构；

还包括套装于所述上主轴(3)、用以将全部所述定子(1)压紧于所述机壳(9)的定子压紧机构。

8.根据权利要求7所述的涡轮钻具，其特征在于，所述转子压紧机构包括套装于所述上主轴(3)的转子锁紧螺母(10)和整流帽(11)，所述整流帽(11)安装于所述上主轴(3)顶端、用以将全部所述转子(2)压紧于所述转子锁紧螺母(10)，所述转子锁紧螺母(10)螺纹锁紧于所述上主轴(3)的下部。

9.根据权利要求8所述的涡轮钻具，其特征在于，所述定子压紧机构包括：

套装于所述上主轴(3)的上径向轴承(12)；

套装于所述上主轴(3)、且设于所述上径向轴承(12)下部的下径向轴承(13)；

套装于所述上主轴(3)的上部、用以将所述上径向轴承(12)、全部所述定子(1)和所述下径向轴承(13)压紧于所述机壳(9)的定子锁紧螺母(8)。

10.根据权利要求9所述的涡轮钻具，其特征在于，还包括与所述上主轴(3)同轴相连的下主轴(14)，所述下主轴(14)为一体式结构，包括上主轴安装部(1401)和用以安装钻头的钻头安装部(1402)，所述上主轴安装部(1401)与所述上主轴(3)之间，以及所述钻头安装部(1402)与所述钻头之间均通过螺纹连接；所述钻头安装部(1402)内部开设有用以供钻井液流入的内腔(1403)。