CN216277741U - 流体增压装置及流体脉冲旋转导向钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种流体增压装置，包括与钻杆钻铤连接的第一动力装置，与钻头同步旋转设置的第二动力装置和连接在第一动力装置和第二动力装置之间的调控装置；第一动力装置为涡轮；第二动力装置包括：高压泵，位于高压泵下端的高压腔和位于高压腔底端的电磁阀，高压腔通过电磁阀的阀口连通到钻头的高压孔及高压喷嘴处；本实用新型同时提供了一种流体脉冲旋转导向钻具，设置的电磁阀阀口与高压孔相互对应且固定，同步转动，保证了密封的稳定性，保证了喷射钻井液的压力，同时提高定向破岩的可靠性，设计的双层高压腔，结合活塞的上下移动，在很大程度上确保了喷射压力，本实用新型整体结构简单紧凑，具有更高的可靠性和更长的使用寿命。

Description

流体增压装置及流体脉冲旋转导向钻具

技术领域

本实用新型专利涉及石油钻井工程领域的旋转导向钻井装置，尤其是一种用在水力破岩导向钻井的对钻井液进行增压的流体增压装置，本实用新型同时提供了一种具有流体增压装置的流体脉冲旋转导向钻具。

背景技术

旋转导向钻井系统是水平井、定向井、大位移井等复杂结构井的重要钻井工具。旋转导向钻井系统通过外壳旋转或绝大部分外壳旋转，极短部分不旋转来降低托压现象，实现更深、更长段的水平井、定向井施工。近几年来旋转导向钻井系统逐渐成为普及的导向钻井技术，成为高效钻井的关键技术之一。旋转导向钻井系统导向的原理是通过可控的不同方向进行不均匀破岩，实现特定方向的破岩量大于其他方向来实现的。

目前旋转导向钻井系统的破岩方式为机械破岩方式或水力破岩方式，其机械破岩方式主要依靠钻头的侧切能力和导向侧向力，但是产生侧向力的偏置机构，受到震动、冲击、旋转等不利因素影响容易失效，进而影响整个旋转导向钻井系统导向效果和寿命。而现有的水力导向破岩方式往往存在密封性差的问题，严重影响寿命和可靠性。

基于此，如何解决导因机械破岩方式导致旋转导向钻井系统偏置机构可靠性和寿命降低的问题，以及避免高压水力破岩条件下旋转动密封问题的导向钻井装置，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种流体增压装置，用于钻井过程中对钻井液动力增压，不仅解决了传统高压水力破岩密封性不好的问题，同时提高定向破岩的可靠性，本实用新型同时提供了一种具有该流体增压装置的流体脉冲旋转导向钻具，通过流体增压装置与导向钻具的配合，实现定向破岩，大幅提高了定向钻井速度。

为实现上述目的，本实用新型提供一种流体增压装置，包括与钻杆钻铤连接的第一动力装置，与钻头同步旋转设置的第二动力装置和连接在第一动力装置和第二动力装置之间的调控装置；

第一动力装置为涡轮；

第二动力装置包括：高压泵，位于高压泵下端的高压腔和位于高压腔底端的电磁阀，高压腔通过电磁阀的阀口连通到钻头的高压孔及高压喷嘴处。

进一步地，高压泵和高压腔内贯穿有连接到电磁阀处的中心过线杆，中心过线杆中穿设有连接到电磁阀的导线。

进一步地，高压泵外设置有外壳，外壳上设置有进液口，且高压泵相对于外壳内侧的底端设置有泵端轴承，高压泵相对于外壳外侧的底端设置有下扶正器。

进一步地，高压腔的腔体半径小于高压泵的半径，且高压腔内中心过线杆上下两端设置有过线杆扶正器。

进一步地，高压腔为双层管结构，内层管内腔容纳增压钻井液及中心过线杆，外层管外侧腔体为低压腔，容纳非增压钻井液，内层管与外层管之间形成缓冲腔，缓冲腔内设置有带有弹性结构的活塞。

进一步地，缓冲腔通过其上侧外腔壁上设置的呼吸口与低压腔连通，活塞底侧与高压腔连通，弹性结构为弹簧。

进一步地，电磁阀通过阀座固设在钻头上，且电磁阀的阀口与钻头的高压孔对应。

进一步地，电磁阀至少为两个，且至少两个电磁阀的阀口与钻头的至少两个高压孔一一对应。

进一步地，调控装置包括与上涡轮依次连接的发电机、内有测控电路板和姿态传感器的电路保护筒和井下电机，井下电机通过万向轴连接到第二动力装置的高压泵上。

进一步地，本实用新型专利还提供了一种流体脉冲旋转导向钻具，该钻具包括如上的流体增压装置，还包括套设在流体增压装置外周的外筒、连接在外筒上端的钻铤、连接在外筒下端的钻头，外筒内腔一部分钻井液经钻头的低压水眼流出，另一部分钻井液经流体增压装置增压后通过钻头的高压孔及高压喷嘴喷出。

进一步地，流体增压装置中涡轮通过上部中心筒连接至钻铤。

进一步地，上部中心筒通过上扶正器相对外筒居中设置。

进一步地，在钻铤动力下，外筒、第一动力装置、第二动力装置、钻头同步转动。

采用本实用新型的流体增压装置，由于设计使之与钻头同步转动，避免了相对转动带来的密封不严的问题，设置的电磁阀阀口与高压孔相互对应且固定，保证了密封的稳定性，保证了喷射钻井液的压力，同时提高定向破岩的可靠性，设计的双层高压腔，结合活塞的上下移动，在很大程度上确保了喷射压力，不会过高或者过低，定向破岩可靠性进一步加强，本实用新型同时提供了一种具有该流体增压装置的流体脉冲旋转导向钻具，通过流体增压装置与导向钻具的配合，实现定向破岩，大幅提高了定向钻井速度。本实用新型的技术方案不需要额外的机械偏置机构，避免了高压动密性，整体结构简单紧凑，具有更高的可靠性和更长的使用寿命。

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为本实用新型实施例所提供的流体增压装置在流体脉冲旋转导向钻具上应用的结构示意图；

图2为附图1中局部A放大图。

其中：1、外筒，2、上部中心筒，3、上扶正器，4、涡轮，5、发电机，6、测控电路板，7、电路保护筒，8、姿态传感器，9、井下电机，10、万向轴，11、高压泵，12、外壳，13、泵端轴承，14、中心过线杆，15、导线，16、过线杆扶正器，17、高压腔，18、弹簧， 19、呼吸口，20、活塞，21、电磁阀，22、阀座，23、高压孔，24、钻头，25、高压喷嘴，26、低压水眼，27、进液口。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种流体增压装置，以及流体增压装置在流体脉冲旋转导向钻具上的应用，目的是解决现有增压装置密封性问题，保证钻井液喷射压力，提高钻井中定向破岩的可靠性，保证钻井速度。

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

实施例一

请参考图1至图2，本实施例公开的一种流体增压装置，包括与钻杆钻铤连接的第一动力装置，与钻头24同步旋转设置的第二动力装置和连接在第一动力装置和第二动力装置之间的调控装置；第一动力装置为涡轮4；第二动力装置包括：高压泵11，位于高压泵11下端的高压腔17和位于高压腔17底端的电磁阀21，高压腔17通过电磁阀 21的阀口连通到钻头24的高压孔23及高压喷嘴25处。通电情况下，高压泵11工作，将进入高压泵11内的钻井液增压处理并输送到高压腔17中，然后高压的钻井液再经过高压腔17底端的电磁阀21的阀口进入钻头24中的高压孔23中，最后经高压喷嘴25喷出，形成定向喷射高压钻井液。第一动力装置的涡轮4在钻井液流动力作用下转动，带动调控装置工作，调控装置对第二动力装置的姿态、转速等进行微调。如附图1中所示，高压泵11外设置有外壳12，高压泵11的上端为钻井液引入腔体，外壳12上设置有进液口27，在高压泵11的动力作用下，外壳12外部的钻井液通过进液口27进入钻井液引入腔体，然后经高压泵11动力增压后流入高压腔17中，为了保证高压泵11 位置的稳定性，及旋转动力的稳定性，高压泵11相对于外壳12内侧的底端设置有泵端轴承13，高压泵13通过泵端轴承13抵紧外壳12 变径台阶处，从而实现位置稳定，转动稳定，而且，为了进一步保证高压泵11及其外壳12的位置稳定性，防止其径向晃动，高压泵11 相对于外壳12外侧的底端设置有下扶正器，保证工作状态中的高压泵 11及其上连接的井下电机9等的中央位置稳定性。

本实施例中，电磁阀21的阀口在通电状态下控制器打开或者关闭，则需要设计控制及电源线路连接到电磁阀21处，在此，本实施例的设计方案为：高压泵11和高压腔17内贯穿设计有连接到电磁阀21 处的中心过线杆14，中心过线杆14中穿设有连接到电磁阀21的导线 15，中心过线杆14的设计，既不影响高压泵11的工作，也不妨碍高压腔17中高压钻井液的流动，同时为导线15提供了通道，保证导线 15的安全、稳定的传输作用。如附图1中所示，高压腔17底端与钻头24为插接形式，插接处的内侧接触处为电磁阀21所在位置，插接处的外侧为低压腔，低压腔的钻井液通过低压水眼26流出，由于电磁阀21位于高压腔17和钻头24的插接处，那么电磁阀21的密封性能就尤为重要，本实施例中，为了保证电磁阀21相对于钻头24的密封效果，电磁阀21通过阀座22固设在钻头24上，且电磁阀21的阀口与钻头24的高压孔23对应，电磁阀21与钻头24同步转动，根据定向喷射的要求，电磁阀21可以设置为一个，则定向高压喷嘴25也是一个，二者对应，实现钻头24的一个固定位置喷射高压钻井液，当然，电磁阀21数量也可以是至少为两个，且至少两个电磁阀21的阀口与钻头24的高压孔23一一对应，钻头24的高压孔23也为两个，电磁阀21阀口与高压孔23对应，同步旋转，作为优选的实施方案，设计阀座22上有三个电磁阀21，与之对应的高压孔23也有三个。

工作中，高压腔17和高压泵11及电磁阀21一样，随着钻头24 同步旋转，调控装置中的姿态传感器8通过先进的捷联算法，进行实时动态计算获得钻具的姿态，三个电磁阀21与三个高压喷嘴25固定连接，同时旋转，利用大地坐标参考，在固定的地层位置及角度打开和关闭电磁阀21，也即是通过控制逻辑，控制电磁阀21在在固定的时刻打开和关闭，则高压腔17与高压喷嘴25连通的位置和角度是固定的，从而实现定向喷射高压钻井液，电磁阀21与高压喷嘴25固定连接，无相对转动，也即实现了稳定的密封。

关于本实施例涉及的高压腔17，高压腔17的腔体半径小于高压泵11的半径，且高压腔17内中心过线杆14上下两端设置有过线杆扶正器16，防止高压腔17在动态高频的喷射高压钻井液时，对中心过线杆14造成影响，使其晃动，进而影响其他部件的性能稳定性，本实施例中的高压腔17为双层管结构，内层管内腔容纳增压钻井液及中心过线杆14，外层管外侧腔体为低压腔，容纳非增压钻井液，内层管与外层管之间形成缓冲腔，缓冲腔内设置有带有弹性结构的活塞20。而且缓冲腔通过其上侧外腔壁上设置的呼吸口19与低压腔连通，活塞底侧与高压腔连通，弹性结构为弹簧18。在电磁阀21处于关闭状态时，高压钻井液通过推动活塞20压缩弹簧18，蓄积能量，等待下一次电磁阀21开启，此时，活塞20上侧的缓冲腔内的钻井液再活塞20压力作用下，通过呼吸口19排入到低压腔中。后续，在高压泵11连续不断的提供高压钻井液后的某个节点，电磁阀21在固定的时刻打开，瞬时喷射高压钻井液，释放压力后，活塞20在弹簧18的作用下，往下移动，低压腔的钻井液经过呼吸口进入缓冲腔，平衡活塞20上下两侧的压力，也即是，当电磁阀关闭时，高压钻井液通过活塞20储蓄能量，活塞20上行，缓冲腔内的钻井液通过呼吸口19排出，避免活塞20 上行受阻，当电磁阀20打开时，短时间内大量高压钻井液通过电磁阀 20到达高压喷嘴25，活塞20下行，低压腔内钻井液通过呼吸口19 进入缓冲腔，平衡压力。从而保证了喷射压力稳定可靠。

另外，关于本实施例中的调控装置，用于调控涡轮4及高压泵11、高压腔17的位置及运行状态，该调控装置包括与上涡轮4依次连接的发电机5、内有测控电路板6和姿态传感器8的电路保护筒7和井下电机9，电路保护筒7用于保护测控电路板6和姿态传感器8免受钻井工况中的环境干扰，井下电机9通过万向轴10连接到第二动力装置的高压泵11上。发电机5安装在涡轮4上，通过涡轮4带动发电机5 转子发电，为测控电路板6和姿态传感器8提供电源，测控电路板6 安装在电路保护筒7内，为整个发电机5、井下电机9等提供控制信号，姿态传感器8用于测量上部中心筒2及涡轮4所处的姿态、方位以及运动状态。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上，提供了一种流体脉冲旋转导向钻具，该导向钻具内部设置有实施例一中的流体增压装置，关于流体增压装置的具体结构及增压原理的技术方案，详见实施例一的具体描述，本实施例不再赘述，本实施例的目的是如何应用该流体增压装置，提供一种稳定可靠，密封性好的流体脉冲旋转导向钻具，本导向钻具除了包括实施例一中的流体增压装置，还包括套设在流体增压装置外周的外筒1、连接在外筒1上端的钻铤、连接在外筒1下端的钻头24，外筒1内腔一部分钻井液经钻头24的低压水眼26流出，另一部分钻井液经流体增压装置增压后通过钻头24的高压孔23及高压喷嘴25 喷出。具体工作时，置于外筒1内部的流体增压装置将通过进液口27 从低压腔流入高压泵11腔体中的钻井液进行增压后进入高压腔17，再通过间歇开启的电磁阀21排入到钻头24的高压孔23中，而后再通过高压喷头25喷出，完成间歇、等位置喷射高压钻井液。

在本实施例中，流体增压装置中涡轮4通过上部中心筒2连接至钻铤，外筒1、钻头24、流体增压装置同步旋转，无相对转动，在钻铤动力下，外筒1、第一动力装置、第二动力装置、钻头24同步转动。上部中心筒2通过上扶正器3相对外筒1居中设置，保证了其中心位置的稳定性，防止其径向窜动，本实施例中，阀座22和电磁阀21与钻头24之间无相对转动，也不存在密封性不好或者失效的问题，阀座 22上至少设置一个电磁阀，当然也可以设置两个、三个或者其他数量的多个，本实施例不再一一展开描述，优选阀座22上安装着三个电磁阀21(不限于三个)，每个电磁阀21与钻头24的一个高压孔23和高压喷嘴25对应，通过调控装置中的测控电路板6和姿态传感器8，的监测控制，控制并测量电磁阀21开启的时刻和时长，由于电磁阀21 与钻头24同步转动，电磁阀21的开启时刻和时长可直接反应到高压喷嘴25喷射的位置和破岩时间，喷射位置代表导向方向，喷射时长代表导向能力；钻头24每次旋转到固定位置时喷射高压钻井液，形成定向水力破岩导向。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (13)

1.一种流体增压装置，其特征在于：包括与钻杆钻铤连接的第一动力装置，与钻头(24)同步旋转设置的第二动力装置和连接在所述第一动力装置和所述第二动力装置之间的调控装置；

所述第一动力装置为涡轮(4)；

所述第二动力装置包括：高压泵(11)，位于所述高压泵(11)下端的高压腔(17)和位于所述高压腔(17)底端的电磁阀(21)，所述高压腔(17)通过所述电磁阀(21)的阀口连通到所述钻头(24)的高压孔(23)及高压喷嘴(25)处。

2.如权利要求1所述的流体增压装置，其特征在于，所述高压泵(11)和所述高压腔(17)内贯穿有连接到所述电磁阀(21)处的中心过线杆(14)，所述中心过线杆(14)中穿设有连接到所述电磁阀(21)的导线(15)。

3.如权利要求1或2所述的流体增压装置，其特征在于，所述高压泵(11)外设置有外壳(12)，外壳(12)上设置有进液口(27)，且所述高压泵(11)相对于所述外壳(12)内侧的底端设置有泵端轴承(13)，所述高压泵(11)相对于所述外壳(12)外侧的底端设置有下扶正器。

4.如权利要求2所述的流体增压装置，其特征在于，所述高压腔(17)的腔体半径小于所述高压泵(11)的半径，且所述高压腔(17)内中心过线杆(14)上下两端设置有过线杆扶正器(16)。

5.如权利要求2所述的流体增压装置，其特征在于，所述高压腔(17)为双层管结构，内层管内腔容纳增压钻井液及中心过线杆(14)，外层管外侧腔体为低压腔，容纳非增压钻井液，所述内层管与所述外层管之间形成缓冲腔，所述缓冲腔内设置有带有弹性结构的活塞(20)。

6.如权利要求5所述的流体增压装置，其特征在于，所述缓冲腔通过其上侧外腔壁上设置的呼吸口(19)与低压腔连通，活塞底侧与高压腔连通，所述弹性结构为弹簧(18)。

7.如权利要求1所述的流体增压装置，其特征在于，所述电磁阀(21)通过阀座(22)固设在钻头(24)上，且所述电磁阀(21) 的阀口与钻头(24)的高压孔(23)对应。

8.如权利要求7所述的流体增压装置，其特征在于，所述电磁阀(21)至少为两个，且至少两个电磁阀(21)的阀口与钻头(24)的高压孔(23)一一对应。

9.如权利要求1所述的流体增压装置，其特征在于，所述调控装置包括与上涡轮(4)依次连接的发电机(5)、内有测控电路板(6)和姿态传感器(8)的电路保护筒(7)和井下电机(9)，所述井下电机(9)通过万向轴(10)连接到第二动力装置的高压泵(11)上。

10.一种流体脉冲旋转导向钻具，其特征在于，所述流体脉冲旋转导向钻具包括如权利要求1-9中任一项所述的流体增压装置，还包括套设在流体增压装置外周的外筒(1)、连接在外筒(1)上端的钻铤、连接在外筒(1)下端的钻头(24)，所述外筒(1)内腔一部分钻井液经钻头(24)的低压水眼(26)流出，另一部分钻井液经流体增压装置增压后通过钻头(24)的高压孔(23)及高压喷嘴(25)喷出。

11.根据权利要求10所述的一种流体脉冲旋转导向钻具，其特征在于：所述流体增压装置中涡轮(4)通过上部中心筒(2)连接至钻铤。

12.根据权利要求11所述的一种流体脉冲旋转导向钻具，其特征在于：所述上部中心筒(2)通过上扶正器(3)相对外筒(1)居中设置。

13.根据权利要求10所述的一种流体脉冲旋转导向钻具，其特征在于：在钻铤动力下，所述外筒(1)、第一动力装置、第二动力装置、钻头(24)同步转动。

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