本發(fā)明屬石油開采工程設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及到渦輪式泥漿脈沖發(fā)生器。

背景技術(shù)：

近年來，世界能源供求形式日益嚴(yán)峻，國(guó)際油價(jià)持續(xù)走高，國(guó)際大石油公司之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，現(xiàn)有油田不斷枯竭，勘探開發(fā)活動(dòng)正越來越多的面向環(huán)境更惡劣、地層情況更復(fù)雜的地區(qū)，油氣藏勘探、開發(fā)、評(píng)價(jià)、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)都對(duì)測(cè)井技術(shù)提出了更高層次的要求。通過測(cè)井作業(yè)降低成本的壓力，要求測(cè)井作業(yè)最少的占用井場(chǎng)時(shí)間，提高測(cè)井效率；能夠?qū)崟r(shí)的采集數(shù)據(jù)，更快速的識(shí)別目的層，更準(zhǔn)確的確定地層參數(shù)，提高每口井眼的采收率，井下工況環(huán)境信息及時(shí)的獲取，變得十分的重要，隨鉆測(cè)量(MWD)技術(shù)作為一種先進(jìn)的測(cè)井技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，MWD工具的工作需要通過泥漿脈沖等形式將其所測(cè)量的井底工況信息傳回地面控制系統(tǒng)，能為井底鉆具組合提供準(zhǔn)確地鉆井指導(dǎo)信號(hào)，提高鉆井效率，節(jié)約鉆井成本。

傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器的脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)多使用偏心閥，如NOV水力振蕩器所使用的脈沖發(fā)生裝置為端面密封式偏心閥，其偏心運(yùn)動(dòng)所引起的鉆柱徑向振動(dòng)對(duì)LWD等井下測(cè)量工具的信號(hào)測(cè)量及傳輸?shù)母蓴_較大，且該機(jī)構(gòu)的偏心閥閥芯與閥座端面之間摩擦較大，使用特殊材料及加工方法處理成本較高。另外，NOV工具的動(dòng)力系統(tǒng)中的螺桿定子采用了對(duì)高溫高壓環(huán)境較敏感的橡膠元件，在深井及超深井等惡劣環(huán)境中不適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種帶平衡單元的渦輪式泥漿脈沖發(fā)生器，不僅可以產(chǎn)生連續(xù)的泥漿脈沖，而且本發(fā)明自帶壓力平衡單元，可產(chǎn)生沿軸向向上的作用力直接作用在渦輪軸上，以降低推力軸承負(fù)載、延長(zhǎng)其使用壽命。而對(duì)于一般井下工具來講，推力軸承的使用壽命決定了該工具的壽命，故本發(fā)明間接地延長(zhǎng)了本發(fā)明在實(shí)際工程使用時(shí)的工作時(shí)長(zhǎng)。另外，本發(fā)明對(duì)鉆井工程井下工具具有良好的使用性，可安裝在鉆柱的任意位置使用。如配以適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)短節(jié)，即可構(gòu)成一種井下渦輪式水力振蕩器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種帶平衡單元的渦輪式泥漿脈沖發(fā)生器，其特征在于：包括動(dòng)力系統(tǒng)、壓力平衡單元及脈沖發(fā)生裝置，所述壓力平衡單元的平衡單元固定套11外圈與殼體4內(nèi)圈形成配合，再通過套筒實(shí)現(xiàn)軸向定位使壓力平衡單元固定于動(dòng)力系統(tǒng)和脈沖發(fā)生裝置之間；動(dòng)力系統(tǒng)和脈沖發(fā)生裝置通過動(dòng)力系統(tǒng)的渦輪軸5下端螺紋和閥芯13內(nèi)螺紋連接，動(dòng)力系統(tǒng)、壓力平衡單元及脈沖發(fā)生裝置通過上接頭1和下接頭14由殼體4兩端螺紋實(shí)現(xiàn)緊固連接。

所述動(dòng)力系統(tǒng)包括上接頭1、殼體4、子彈頭2、渦輪軸5、上扶正軸承3、渦輪組6、下扶正軸承8，渦輪軸5下端中心開設(shè)有長(zhǎng)孔，所述長(zhǎng)孔連接了旋轉(zhuǎn)閥下游與壓力平衡單元內(nèi)腔，渦輪組6安裝在渦輪軸5上，在渦輪組6上下側(cè)分別設(shè)置有上扶正軸承3和下扶正軸承8，在上扶正軸承3的上側(cè)設(shè)置有子彈頭2，子彈頭2通過螺紋與渦輪軸5上端連接。

所述子彈頭前端為圓錐形。

壓力平衡單元包括平衡單元固定套11、推力軸承10和軸承端蓋9；平衡單元固定套11外圈與殼體4內(nèi)圈形成配合，平衡單元固定套11內(nèi)圈與渦輪軸5形成配合，在所述平衡單元固定套11內(nèi)部設(shè)置有推力軸承10，所述推力軸承由軸承端蓋9通過螺栓固定在平衡單元固定套11內(nèi)并與渦輪軸5臺(tái)階實(shí)現(xiàn)軸向限位。

脈沖發(fā)生裝置包括徑向密封式旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)及下接頭14，所述徑向密封式旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)的包括閥芯13和閥座12，閥芯13和閥座12在其圓周面上對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)過流孔，在閥芯13的圓柱面上設(shè)置有截面為錐形的通孔，所述通孔的兩截面邊界均通過所述閥芯13中心軸，并在閥芯13下端留有圓環(huán)結(jié)構(gòu)以增加閥芯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在閥座12的圓柱面上按鏡像方式設(shè)置了兩個(gè)截面形狀為矩形的長(zhǎng)孔，所述閥座12下部中心孔端面設(shè)置有大倒角，并在所述閥座12下部端面均勻設(shè)置了多個(gè)小孔，閥芯13上部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)置有圓環(huán)形內(nèi)腔，并在其上端面對(duì)稱式設(shè)置有兩個(gè)小孔，將所述環(huán)形內(nèi)腔與外界接通。

本發(fā)明的有益效果為；

1.本發(fā)明工具自帶壓力平衡單元，能有效地降低推力軸承負(fù)載，延長(zhǎng)軸承的工作時(shí)長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)本發(fā)明的實(shí)際使用壽命。

2.采用渦輪作為動(dòng)力來源，將高壓鉆井液的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，能量轉(zhuǎn)化成本低，易于實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，本工具為全金屬元器件，能有效地抵抗深井及超深井惡劣的工作環(huán)境，保證本發(fā)明長(zhǎng)時(shí)間、可靠的工作。另外，本發(fā)明在渦輪軸上使用了兩對(duì)扶正軸承，能有效地保證渦輪軸的同心度，使本工具在工作時(shí)能維持很好的精確度，提高鉆井有效性。

3.本發(fā)明在所使用的渦輪軸下端中心設(shè)置了長(zhǎng)孔，并在長(zhǎng)孔底部延渦輪軸徑向開設(shè)有通孔，通過該長(zhǎng)孔和通孔實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)下游低壓引入壓力平衡單元的低壓腔，方法簡(jiǎn)易，加工成本低。

4.本發(fā)明使用了一種徑向密封式旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)，在閥芯下端留有部分圓環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能減小閥芯在工作過程中變形破壞現(xiàn)象發(fā)生的可能性，加強(qiáng)了閥芯在實(shí)際工作中的可靠性。另外，本發(fā)明工具將閥芯與閥芯設(shè)置為同一個(gè)零件，減少了零件數(shù)量，且安裝方便。

5.本發(fā)明在所使用的旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)的閥座下端中心孔處設(shè)置有大倒角，能有效地增加鉆井液在旋轉(zhuǎn)閥下游流出時(shí)的流通性，降低鉆井液對(duì)與本工具下端連接的工具的沖蝕磨損。另外，在閥座下端面延圓周方向均勻布置了多個(gè)小孔，可通過設(shè)置小孔數(shù)量及尺寸以改變系統(tǒng)脈沖壓力性能，為鉆井提供適當(dāng)?shù)膲毫刂品椒ā?/p>

6.本發(fā)明的子彈頭上部設(shè)計(jì)成圓錐形狀，能有效地使工具入口的鉆井液均勻平緩過渡，減小鉆井液對(duì)本工具的沖蝕磨損作用，使鉆井液在進(jìn)入第一級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子時(shí)對(duì)其傷害最小。另外，在子彈頭的中部圓柱外表面設(shè)置了多個(gè)鍵齒結(jié)構(gòu)，能增加使用上緊工具上緊子彈頭時(shí)的摩擦力，使本發(fā)明在裝配時(shí)的上緊工作更方便，使子彈頭能有效地壓緊渦輪組，保證工具的可靠性。

7.本發(fā)明工具整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于加工制造，壓力脈沖調(diào)控方便，能夠降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為渦輪軸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為子彈頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為平衡單元固定套結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為徑向密封式旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)部分裝配結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)閥芯的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)閥座的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

參見圖1-7，本發(fā)明的上接頭1、殼體4、下接頭14分別通過普通圓柱螺紋連接，壓力平衡單元的平衡單元固定套11外圈與殼體4內(nèi)圈形成配合。壓力平衡單元套裝在渦輪軸5上，布置在所述動(dòng)力系統(tǒng)和所述脈沖發(fā)生裝置之間。所述動(dòng)力系統(tǒng)和所述脈沖發(fā)生裝置通過動(dòng)力系統(tǒng)的渦輪軸5下端螺紋和閥芯13的內(nèi)螺紋連接。

動(dòng)力系統(tǒng)包括渦輪軸5、子彈頭2、上扶正軸承3、渦輪組6以及下扶正軸承8。下扶正軸承8下端與渦輪軸5臺(tái)階貼緊，通過套筒零件與渦輪組6及上扶正軸承3相連，最后由子彈頭2通過螺紋與渦輪軸5連接實(shí)現(xiàn)軸向限位，壓緊渦輪組6、上扶正軸承3和下扶正軸承8。當(dāng)高壓鉆井液流過渦輪組時(shí)，鉆井液與渦輪之間產(chǎn)生相互作用力，渦輪元件將高壓鉆井液的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為渦輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，渦輪轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到渦輪軸，使渦輪軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)提供動(dòng)力來源。所述子彈頭2前端為錐形，可減少鉆井液的能量損耗。子彈頭2通過螺紋與渦輪軸5上端連接，以壓緊渦輪組6。

壓力平衡單元包括平衡單元固定套11、閥芯13、推力軸承10、子彈頭29。平衡單元固定套11外圈與殼體配合，外圈軸向通過套筒進(jìn)行固定，內(nèi)側(cè)套在渦輪軸5上。推力軸承10設(shè)置在平衡單元固定套11上部?jī)?nèi)側(cè)，其左側(cè)下部通過通過套筒限位，左側(cè)上部通過平衡單元固定套11臺(tái)階面限位，右側(cè)下部通過渦輪軸5臺(tái)階限位，右側(cè)上部通過子彈頭2限位，子彈頭2通過螺栓與平衡單元固定套11連接。通過上述限位方式將推力軸承10固定在平衡單元固定套11上部?jī)?nèi)側(cè)。閥芯13上側(cè)與渦輪軸5通過螺紋連接，使平衡單元固定套11與承壓端之間形成一個(gè)空腔，通過渦輪軸5下端中心孔及徑向通孔將下游低壓引入所述空腔，將所述空腔變?yōu)榈蛪呵?，與上游高壓間形成壓力差，在所述壓力差作用下產(chǎn)生了沿軸向向上的作用力，所述作用力通過作用在渦輪軸5上，降低了推力軸承的負(fù)載，從而延長(zhǎng)的所述推力軸承的工作時(shí)長(zhǎng)。徑向密封式旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)包括閥芯13和閥座12。閥芯13下側(cè)圓柱面開設(shè)有長(zhǎng)孔，所述長(zhǎng)孔邊界為斜面且兩斜面均過閥芯13軸線，并在閥芯13下端留有圓環(huán)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)閥芯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在閥座12上部圓柱面設(shè)置有矩形通孔，使鉆井液通過所述通孔并從閥芯長(zhǎng)孔流出；在閥座12下端中心孔處設(shè)置有大倒角，可增加鉆井液在旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)的出流效果，增強(qiáng)其流動(dòng)性；在閥座12下端面延周向均勻布置有多個(gè)小孔，當(dāng)旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)圓柱面通流面積最小或關(guān)閉時(shí)，使鉆井液可通過旋轉(zhuǎn)閥，防止系統(tǒng)產(chǎn)生憋壓現(xiàn)象對(duì)工具造成破壞。閥芯13通過螺紋與渦輪軸5連接，在動(dòng)力系統(tǒng)中渦輪軸5所輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下，閥芯13高速旋轉(zhuǎn)，使閥芯13與閥座12之間的通流開口交錯(cuò)重疊，從而將連續(xù)流動(dòng)的高壓鉆井液轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇式的泥漿脈沖。