專利名稱：井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種石油、天然氣鉆井作業(yè)中的配套裝置，特別涉及一種井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)。
背景技術：
利用鉆頭噴嘴產(chǎn)生的射流進行井底清洗和輔助破巖已經(jīng)成為提高鉆井速度的有效手段之一。但在深井和超深井鉆探過程中，鉆頭噴嘴處很難獲得較高的水力壓力，這嚴重制約了射流清洗井底和輔助破巖的效率。當前提高射流壓力主要通過地面增壓，將機泵的壓力提高到30MPa或者更高。再將在地面增加壓力的鉆井液輸送給井底的鉆頭噴嘴，這無疑需要改變現(xiàn)有的設備和工藝，成本昂貴。并且隨著上部壓力的增加，鉆柱中的壓力損耗也大幅度增加，井底壓力增加并不十分明顯。若能夠在不改變其他裝置的基礎上，在鉆頭上方增壓一個裝置即可實現(xiàn)部分射流壓力的提高，對深井鉆速的提高具有很好的現(xiàn)實意義。同時，井底射流的破巖效率還與射流的類型有關。實踐證明，脈沖射流比定常射流具有更好的破巖效果。若是獲得脈沖射流的幅值足夠大，那么射流不但具有良好的井底清洗效果，還可以達到很好的輔助破巖甚至直接破巖的目的。由此可見，研發(fā)一種可以產(chǎn)生脈沖射流且脈沖射流壓力幅值超高的裝置，對提高井底清洗效果、輔助破巖、提高鉆井速度是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是針對現(xiàn)有技術存在的上述缺陷，提供一種井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，便于安裝拆卸、結構相對簡單、具有較高可靠度，在井底可以將部分鉆井液進行加壓產(chǎn)生高幅值脈沖射流來輔助破巖。其技術方案是:包括上部受力承壓總成、傳扭承壓總成、彈性復位元件總成、增壓缸體、超高壓鉆井液傳輸總成及超高壓鉆頭；所述上部受力承壓總成是由上部轉換接頭、鉆井液過濾器、鉆井液分流器、密封艙上部堵頭、六方孔轉接套筒、下部接頭、彈簧保護套筒連接而成；所述的傳扭承壓總成由傳扭過流結構、裝置下部接頭連接而成；所述的增壓缸體由密封艙上部堵頭、密封艙入口單向閥、測試孔螺母、調節(jié)環(huán)、密封艙內(nèi)筒、密封艙出口單向閥、密封艙總成外筒、密封艙下部密封壓套、密封艙下部固定花鍵組成；所述彈性復位元件總成由彈簧、彈簧限位滑塊彈簧腔下部密封總成組成；所述超高壓鉆井液傳輸總成由柱塞、超聞壓流道接頭、金屬超聞壓鉆井液流道組成；所述超聞壓鉆頭為裝有超聞壓軟管和超聞壓噴嘴的鉆頭。上述的增壓缸體固定于上部受力承壓總成內(nèi)，由密封艙下部固定花鍵進行固定，鉆進過程中的扭矩通過上部受力承壓總成中六方孔轉接套筒傳遞給傳扭承壓總成中的傳扭過流結構，進而帶動鉆頭旋轉鉆進；同時該連接為六方孔配合連接，上部受力承壓總成與傳扭承壓總成在傳遞扭矩的同時也可以進行軸向的相對運動。常壓鉆井液是通過鉆井液分流器流入常壓鉆井液流道的，該常壓鉆井液流道分為兩部分；上半部分是由上部受力承壓總成與密封艙總成外筒組成的環(huán)空流道，出口為密封艙下部固定花鍵；下半部分是由傳扭過流結構和柱塞組成的環(huán)空流道，入口為傳扭過流結構的上部開口。上述的鉆井液過濾器頂部為圓弧流線形，過濾器的壁上開有大量斜向上的小孔；鉆井液過濾器與密封艙總成外筒之間裝有密封總成。上述彈簧可以為碟形彈簧、液壓彈簧或普通彈簧。上述的鉆井液分流器為花鍵結構，頂部為斜面，且與上部轉換接頭配合，密封艙上部堵頭直接座在鉆井液分流器上，由密封艙下部固定花鍵提供支撐力進行固定。上述測試孔螺母安裝于密封艙總成外筒上的用于測試增壓腔內(nèi)壓力的小孔中。上述的傳扭過流結構中，上部開有可供常壓鉆井液進入的孔道，并將孔道及其上方進行流線化處理；且所述的傳扭過流結構的上半部分為六方體結構，用于傳遞上部受力承壓總成的扭矩，六方體結構的每個側面上開有凹槽，保證上部傳扭承壓總成相對于受力承壓總成運動時，內(nèi)部空隙處壓力的平衡；該所述的傳扭過流結構的下半部分為圓柱型，并開有卡槽用于固定彈簧限位滑塊。上述的彈簧限位滑塊為兩個半環(huán)形結構，拼合為一個完整圓環(huán)，內(nèi)環(huán)一部分卡入傳扭過流結構上，當上部傳扭承壓總成相對于受力承壓總成運動時，可對彈簧進行壓縮。上述的彈簧保護套筒側壁上開有注油孔，方便定時注入潤滑油保證彈簧性能；下部與傳扭過流結構接觸處裝有彈簧腔下部密封總成。本實用新型的有益效果是:(1)增壓缸體固定于上部受力承壓總成內(nèi)，不受鉆柱軸向力和扭矩的影響，提高了增壓缸體的穩(wěn)定性和使用壽命；(2)上部受力傳遞總成由上部轉換接頭、鉆井液過濾器、鉆井液分流器、密封艙上部堵頭、六方孔轉接套筒、下部接頭、彈簧保護套筒連接而成，每一部分結構相對簡單，便于加工和安裝拆卸，大大節(jié)省了制造成本和維修費用；(3)傳扭承壓總成上部分采用六方體結構傳遞扭矩，同時六方體每個側面開有凹槽，防止內(nèi)部空隙形成負壓引起沖蝕。上部流線化孔道大大降低了常壓鉆井液流動損失和對裝置的沖蝕；(4)鉆井液過濾器采用頂部為圓弧流線形，降低了鉆井液流經(jīng)的能量損耗，同時也提高了該部分的耐沖蝕性；過濾器壁上開有大量斜向上的小孔，既提供了鉆井液進入的通道，也盡可能的防止了固相顆粒進入增壓腔內(nèi)，保護了增壓腔工作的穩(wěn)定性；
(5)彈簧復位元件總成內(nèi)充有潤滑油，保持彈簧性能的同時也使限位滑塊運行自如。彈簧保護套筒壁上有注油孔，以便更換或注入潤滑油；(6)限位滑塊的半圓環(huán)構造，一方面可以使滑塊牢牢嵌在傳扭承壓總成的凹槽內(nèi)。另一方面也可均勻的傳遞軸向力壓縮彈簧。該設計簡化結構的同時增強了裝置的結構穩(wěn)定性和使用壽命；(7)該裝置通過鉆柱的往復運動或鉆壓波動來使部分鉆井液間歇性增壓，可以在超高壓鉆頭噴嘴處形成超高壓脈沖射流，大大提高了井底清洗效率，同時還能輔助破巖，大大提高鉆井速度；(8)該裝置經(jīng)過精心設計，整體結構大大簡化，每個零部件的加工、安裝、拆卸和維修都比較容易，同時從結構力學和機械運動學方面，該裝置具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，從而提高了使用壽命；(9)該裝置是將一部分鉆井液進行間歇性加壓，大部分鉆井液仍然經(jīng)過常壓流道進入井底，不會給常規(guī)鉆井作業(yè)帶來額外麻煩和風險，同時利用超高壓脈沖式射流進行輔助破巖，可以大大提高破巖效率，延長鉆頭使用壽命，提高機械鉆速。
附圖1是本實用新型的上部分的結構示意圖；附圖2是本實用新型的下部分的結構示意圖；附圖3是本實用新型裝置A-A處的剖面示意圖；附圖4是本實用新型裝置B-B處的剖面示意圖；附圖5是本實用新型裝置C-C處的剖面示意圖；上圖中:上部轉換接頭1、鉆井液過濾器2、鉆井液分流器3、密封艙上部堵頭4、密封艙入口單向閥5、測試孔螺母6、調節(jié)環(huán)7、密封艙內(nèi)筒8、密封艙出口單向閥9、密封艙總成外筒10、密封艙出口單向閥外筒11、超高壓密封總成12、柱塞13、密封艙下部密封壓套14、密封艙下部固定花鍵15、六方孔轉接套筒16、傳扭過流結構17、下部接頭18、彈簧保護套筒19、彈簧20、彈簧限位滑塊21、彈簧腔下部密封總成22、裝置下部接頭23、超高壓流道接頭24、超高壓鉆頭25。
具體實施方式
參照附圖1-5，對本實用新型做進一步的描述:本實用新型主要由上部受力承壓總成、傳扭承壓總成、彈性復位元件總成、增壓缸體、超高壓鉆井液傳輸總成及超高壓鉆頭組成；所述上部受力傳遞總成是由上部轉換接頭
1、鉆井液過濾器2、鉆井液分流器3、密封艙上部堵頭4、六方孔轉接套筒16、下部接頭18、彈簧保護套筒19連接而成；所述的傳扭承壓總成由傳扭過流結構17、裝置下部接頭23連接而成；所述的增壓缸體由密封艙上部堵頭4、密封艙入口單向閥5、測試孔螺母6、調節(jié)環(huán)7、密封艙內(nèi)筒8、密封艙出口單向閥9、密封艙總成外筒10、密封艙下部密封壓套14、密封艙下部固定花鍵15組成；所述彈性復位元件總成由彈簧20、彈簧限位滑塊21彈簧腔下部密封總成22組成；所述超高壓鉆井液傳輸總成由柱塞13、超高壓流道接頭24、金屬超高壓鉆井液流道組成；所述鉆頭為經(jīng)過改進的裝有超高壓軟管和超高壓噴嘴的鉆頭。其中，上部受力傳遞總成中，上部轉換接頭1、六方孔轉接套筒16、下部接頭18、彈簧保護套筒19通過反扣螺紋連接；鉆井液過濾器2與密封艙總成外筒10之間裝有密封總成；密封艙出口單向閥外筒11與柱塞13之間裝有靜密封；傳扭過流結構17與下部接頭18之間裝有動密封；彈簧保護套筒19底部裝有彈簧腔下部密封總成22。增壓缸體固定于上部受力承壓總成內(nèi)，由密封艙下部固定花鍵15進行固定，保證裝置工作時增壓缸體與上部受力承壓總成的相對靜止。鉆進過程中的扭矩通過上部受力承壓總成中六方孔轉接套筒16傳遞給傳扭承壓總成中的傳扭過流結構17，進而帶動鉆頭旋轉鉆進；同時該連接為六方孔配合連接，上部受力承壓總成與傳扭承壓總成在傳遞扭矩的同時也可以進行軸向的相對運動。鉆進過程中，由于鉆柱的振動或者鉆壓波動導致傳扭承壓總成相對于上部受力承壓總成相對運動，進而帶動柱塞13在增壓腔內(nèi)往復運動對腔內(nèi)鉆井液進行加壓。當鉆壓增大時，上部受力承壓總成相對于傳扭承壓總成向下運動，此時密封艙入口單向閥5關閉，傳扭過流結構17帶動彈簧限位滑塊21使彈簧20壓縮，柱塞13壓縮增壓腔內(nèi)鉆井液，使其壓力增大。當增壓腔內(nèi)壓力到達極值時，密封艙出口單向閥9打開，加壓后的鉆井液經(jīng)超高壓鉆井液傳輸總成到達超高壓鉆頭噴嘴進行輔助破巖。當鉆壓減小時，彈性復位元件中彈簧20伸展，協(xié)助上部受力承壓總成相對于傳扭承壓總成向上運動，導致增壓腔內(nèi)壓力降低，此時密封艙入口單向閥5打開，部分鉆井液通過鉆井液過濾器2進入增壓腔，為下一步增壓做準備。裝置內(nèi)鉆井液流程為:(I)常壓鉆井液是通過鉆井液分流器3流入常壓鉆井液流道的。該流道分為兩部分；上半部分是由上部受力承壓總成與密封艙總成外筒10組成的環(huán)空流道，出口為密封艙下部固定花鍵15 ;下半部分是由傳扭過流結構17和柱塞13組成的環(huán)空流道，入口為傳扭過流結構17的上部開口。這樣就把常壓鉆井液與超高壓鉆井液分離開來，保證了該裝置的工作穩(wěn)定性。(2)待增壓鉆井液是通過鉆井液過濾器2進入增壓腔的，由于鉆壓波動引起柱塞13往復運動對增壓腔內(nèi)鉆井液間歇性增壓，增壓后的鉆井液經(jīng)超高壓鉆井液傳輸總成到達超高壓鉆頭噴嘴形成超高壓脈沖射流進行輔助破巖。上述鉆井液過濾器2頂部為圓弧流線形，降低了鉆井液流經(jīng)的能量損耗，同時也提高了該部分的耐沖蝕性；過濾器壁上開有大量斜向上的小孔，既提供了鉆井液進入的通道，也盡可能的防止了固相顆粒進入增壓腔內(nèi)，保護了增壓腔工作的穩(wěn)定性。鉆井液過濾器2與密封艙總成外筒10之間裝有密封總成，保證了增壓腔的密封性。參照附圖3，鉆井液分流器3為花鍵結構，頂部為斜面與上部轉換接頭I配合，密封艙上部堵頭4直接座在鉆井液分流器3上，由密封艙下部固定花鍵15提供支撐力進行固定。該結構有兩個作用:一方面使常壓鉆井液流入常壓流道；另一方面為增壓缸體提供支撐。上述測試孔螺母6安裝于密封艙總成外筒10上用于測試增壓腔內(nèi)壓力的小孔中。若需要測試增壓腔內(nèi)壓力，可將該螺母換為測試元件即可。上述六方孔轉接套筒16為內(nèi)部六方形孔道的圓柱殼體，與傳扭過流結構17的上半部分配合，可以傳遞扭矩且抗扭強度大大提高，保證了裝置的穩(wěn)定性和可靠程度。參照附圖4，傳扭過流結構17中，上部開有可供常壓鉆井液進入的孔道，為了減小鉆井液的能量損耗和對結構的沖蝕，將孔道及其上方進行流線化處理。該傳扭過流結構上半部分為六方體結構，用于傳遞上部受力承壓總成的扭矩。同時在六方體的每個側面上開有凹槽，保證上部傳扭承壓總成相對于受力承壓總成運動時，內(nèi)部空隙處壓力的平衡，以免形成負壓對結構造成沖蝕或破壞。該結構下半部分為圓柱型，并開有卡槽用于固定彈簧限位滑塊21。上述彈簧限位滑塊21為兩個半環(huán)形結構，拼合為一個完整圓環(huán)。內(nèi)環(huán)一部分卡入傳扭過流結構17上，當上部傳扭承壓總成相對于受力承壓總成運動時，可對彈簧20進行壓縮。上述彈簧20可以為碟形彈簧、液壓彈簧及普通彈簧等彈性復位元件。上述彈簧保護套筒19側壁上開有注油孔，方便定時注入潤滑油保證彈簧性能；下部與傳扭過流結構17接觸處裝有彈簧腔下部密封總成22。本發(fā)明的優(yōu)點是:(1)增壓缸體固定于上部受力承壓總成內(nèi)，不受鉆柱軸向力和扭矩的影響，提高了增壓缸體的穩(wěn)定性和使用壽命；(2)鉆井液過濾器采用頂部為圓弧流線形，降低了鉆井液流經(jīng)的能量損耗，同時也提高了該部分的耐沖蝕性；過濾器壁上開有大量斜向上的小孔，既提供了鉆井液進入的通道，也盡可能的防止了固相顆粒進入增壓腔內(nèi)，保護了增壓腔工作的穩(wěn)定性；(3)上部受力傳遞總成由上部轉換接頭、鉆井液過濾器、鉆井液分流器、密封艙上部堵頭、六方孔轉接套筒、下部接頭、彈簧保護套筒連接而成，每一部分結構相對簡單，便于加工和安裝拆卸，大大節(jié)省了制造成本和維修費用；(4)傳扭承壓總成上部分采用六方體結構傳遞扭矩，同時六方體每個側面開有凹槽，防止內(nèi)部空隙形成負壓引起沖蝕。上部流線化孔道大大降低了常壓鉆井液流動損失和對裝置的沖蝕；(5)彈簧復位元件總成內(nèi)充有潤滑油，保持彈簧性能的同時也使限位滑塊運行自如。彈簧保護套筒壁上有注油孔，以便更換或注入潤滑油；(6)限位滑塊的半圓環(huán)構造，一方面可以使滑塊牢牢嵌在傳扭承壓總成的凹槽內(nèi)。另一方面也可均勻的傳遞軸向力壓縮彈簧。該設計簡化結構的同時增強了裝置的結構穩(wěn)定性和使用壽命；(7)該裝置通過鉆柱的往復運動或鉆壓波動來使部分鉆井液間歇性增壓，可以在超高壓鉆頭噴嘴處形成超高壓脈沖射流，大大提高了井底清洗效率，同時還能輔助破巖，大大提高鉆井速度；(8)該裝置經(jīng)過精心設計，整體結構大大簡化，每個零部件的加工、安裝、拆卸和維修都比較容易，同時從結構力學和機械運動學方面，該裝置具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，從而提高了使用壽命；(9)該裝置是將一部分鉆井液進行間歇性加壓，大部分鉆井液仍然經(jīng)過常壓流道進入井底，不會給常規(guī)鉆井作業(yè)帶來額外麻煩和風險，同時利用超高壓脈沖式射流進行輔助破巖，可以大大提高破巖效率，延長鉆頭使用壽命，提高機械鉆速。
權利要求1.一種井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:包括上部受力承壓總成、傳扭承壓總成、彈性復位元件總成、增壓缸體、超高壓鉆井液傳輸總成及超高壓鉆頭；所述上部受力承壓總成是由上部轉換接頭(I)、鉆井液過濾器(2)、鉆井液分流器(3)、密封艙上部堵頭(4)、六方孔轉接套筒(16)、下部接頭(18)、彈簧保護套筒(19)連接而成；所述的傳扭承壓總成由傳扭過流結構(17)、裝置下部接頭(23)連接而成；所述的增壓缸體由密封艙上部堵頭(4)、密封艙入口單向閥(5)、測試孔螺母(6)、調節(jié)環(huán)(7)、密封艙內(nèi)筒(8)、密封艙出口單向閥(9 )、密封艙總成外筒(10 )、密封艙下部密封壓套(14)、密封艙下部固定花鍵(15)組成；所述彈性復位元件總成由彈簧(20)、彈簧限位滑塊(21)、彈簧腔下部密封總成(22)組成；所述超高壓鉆井液傳輸總成由柱塞(13)、超高壓流道接頭(24)、金屬超高壓鉆井液流道組成；所述超高壓鉆頭為裝有超高壓軟管和超高壓噴嘴的鉆頭。
2.根據(jù)權利要求1所述的井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:所述的增壓缸體固定于上部受力承壓總成內(nèi)，由密封艙下部固定花鍵(15)進行固定，鉆進過程中的扭矩通過上部受力承壓總成中六方孔轉接套筒(16)傳遞給傳扭承壓總成中的傳扭過流結構(17)，進而帶動鉆頭旋轉鉆進；同時該連接為六方孔配合連接，上部受力承壓總成與傳扭承壓總成在傳遞扭矩的同時也可以進行軸向的相對運動。
3.根據(jù)權利要求1所述的井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:常壓鉆井液是通過鉆井液分流器(3)流入常壓鉆井液流道的，該常壓鉆井液流道分為兩部分；上半部分是由上部受力承壓總成與密封艙總成外筒(10)組成的環(huán)空流道，出口為密封艙下部固定花鍵(15);下半部分是由傳扭過流結構(17)和柱塞(13)組成的環(huán)空流道，入口為傳扭過流結構(17)的上部開口。
4.根據(jù)權利要求1所述的井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:所述的鉆井液過濾器(2)頂部為圓弧流線形，過濾器的壁上開有斜向上的小孔；鉆井液過濾器(2)與密封艙總成外筒(10)之間裝有密封總成。
5.根據(jù)權利要求1所述的井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:所述彈簧(20 )可以為碟形彈簧、液壓彈簧或普通彈簧。
6.根據(jù)權利要求1所述的井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:所述的鉆井液分流器(3)為花鍵結構，頂部為斜面，且與上部轉換接頭(I)配合，密封艙上部堵頭(4)直接座在鉆井液分流器(3)上，由密封艙下部固定花鍵(15)提供支撐力進行固定。
7.根據(jù)權利要求1所述的井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:所述測試孔螺母(6)安裝于密封艙總成外筒(10)上的用于測試增壓腔內(nèi)壓力的小孔中。
8.根據(jù)權利要求1所述的井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:所述的傳扭過流結構(17)中，上部 開有可供常壓鉆井液進入的孔道，并將孔道及其上方進行流線化處理；且所述的傳扭過流結構(17)的上半部分為六方體結構，用于傳遞上部受力承壓總成的扭矩，六方體結構的每個側面上開有凹槽，保證上部傳扭承壓總成相對于受力承壓總成運動時，內(nèi)部空隙處壓力的平衡；該所述的傳扭過流結構(17)的下半部分為圓柱型，并開有卡槽用于固定彈簧限位滑塊(21)。
9.根據(jù)權利要求1所述的井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:所述的彈簧限位滑塊(21)為兩個半環(huán)形結構，拼合為一個完整圓環(huán)，內(nèi)環(huán)一部分卡入傳扭過流結構(17)上，當上部傳扭承壓總成相對于受力承壓總成運動時，可對彈簧(20)進行壓縮。
10.根據(jù)權利要求1所述的井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)，其特征是:所述的彈簧保護套筒(19)側壁上開有注油孔，方便定時注入潤滑油保證彈簧性能；下部與傳扭過流結構(17 )接觸處 裝有彈簧腔下部密封總成(22 )。
專利摘要本實用新型涉及一種井底超高壓脈沖射流輔助破巖提速系統(tǒng)。其技術方案是包括上部受力承壓總成、傳扭承壓總成、彈性復位元件總成、增壓缸體、超高壓鉆井液傳輸總成及超高壓鉆頭。有益效果是該裝置通過鉆柱的往復運動或鉆壓波動來使部分鉆井液間歇性增壓，可以在超高壓鉆頭噴嘴處形成超高壓脈沖射流，大大提高了井底清洗效率，同時還能輔助破巖，大大提高鉆井速度；該裝置經(jīng)過精心設計，整體結構大大簡化，每個零部件的加工、安裝、拆卸和維修都比較容易，同時從結構力學和機械運動學方面，該裝置具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，從而提高了使用壽命，大大提高破巖效率，延長鉆頭使用壽命，提高機械鉆速。
文檔編號E21B7/18GK202990856SQ20122066979
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權日2012年12月7日
發(fā)明者管志川, 劉永旺, 許玉強, 張洪寧 申請人:中國石油大學(華東)