專利名稱：長壽命無橡膠元件的新型渦輪鉆具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種供石油勘探開發(fā)、地?zé)衢_發(fā)，特別是鉆深井和超深井用的長壽命無橡膠元件的新型渦輪鉆具。
新型渦輪鉆具是一種具有柔特性的渦輪式井下馬達(dá)，它屬于流體力學(xué)和軸流式渦輪機(jī)械的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在石油鉆井作業(yè)中，渦輪鉆具的作用是將鉆井液的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。由于它能將功率集中于井底而直接帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)以破碎巖石，實現(xiàn)鉆井進(jìn)尺。所以，不僅其功率利用程度高于常規(guī)的轉(zhuǎn)盤鉆井，而且可大幅度地提高機(jī)械鉆速和行程鉆速，從而可縮短建井周期，降低鉆井成本，詳見文獻(xiàn)1。目前，在實際生產(chǎn)中使用的常規(guī)渦輪鉆具有的仍采用橡膠-金屬軸向推力軸承和橡膠徑向扶整軸承，使用壽命短，其平均工作壽命僅為20-50小時，需要頻繁更換軸承易損件，文獻(xiàn)2雖然也說明是一種無橡膠件的渦輪鉆具，但它采用了壽命較低的二支點推力球軸承和普通的徑向扶正軸承，本專利采用壽命較高的四支點推力球軸承和硬質(zhì)合金扶正軸承。為了解決定、轉(zhuǎn)子之間的軸向間隙調(diào)整困難，特別是在由多個渦輪節(jié)組成的復(fù)式渦輪鉆具中，節(jié)與節(jié)間的軸向間隙調(diào)整很不方便，并且渦輪節(jié)間不能互換，這就影響了渦輪鉆具的工作效率，文獻(xiàn)3雖然也采用了獨立懸掛式的渦輪節(jié)結(jié)構(gòu)，但它采用的是獨立上懸掛，本專利采用了調(diào)節(jié)更為方便獨立下懸掛結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)4介紹了帶浮動定子的渦輪鉆具，雖然克服了調(diào)整軸向間隙的麻煩，但是，定、轉(zhuǎn)子間的摩擦損失比較大，實際出力減小，效率較低，且定子銷容易損壞，大大降低了其使用效果，一般只適用于淺井和清水鉆井作業(yè)。
本實用新型的目的是提供一種長壽命無橡膠元件的新型渦輪鉆具，以用于石油勘探開發(fā)，地?zé)衢_發(fā)，特別是可用來鉆深井和超深井。
本實用新型的技術(shù)方案為采用獨立懸掛和混合懸掛兩種方案?；旌蠎覓焓巧喜坑幸粋€或兩個獨立懸掛式渦輪節(jié)，下部有一個帶有獨立支承節(jié)的非懸掛式渦輪節(jié)組成的復(fù)式渦輪鉆具，下部的支承節(jié)既可獨立使用，又可作為下部渦輪節(jié)的懸掛部分，充分地利用了支承節(jié)的結(jié)構(gòu)功能，并改善了獨立支承節(jié)的受力狀況。獨立懸掛是上部配2～3個獨立懸掛渦輪節(jié)，下部配有一個獨立支承節(jié)的復(fù)式渦輪鉆具，對接和調(diào)整更加方便。本專利的懸掛式渦輪節(jié)采用下懸掛方式。
本實用新型的設(shè)計要點是無橡膠元件，以往的橡膠徑向軸承被硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)的軸承所代替。軸向推力軸承組具有自均載性的組合結(jié)構(gòu)，并采用特種新型復(fù)合材料制成，具有超高的耐磨性和長壽命。所有球軸承組的內(nèi)座圈與渦輪主軸相連或與支承節(jié)軸相連接，而外座圈與外殼相連接，通過鋼球使渦輪節(jié)主軸獨立地懸掛在外殼上。在渦輪節(jié)中裝有多級定子和轉(zhuǎn)子，定子通過接頭被壓緊在外殼內(nèi)，而轉(zhuǎn)子通過花鍵壓緊螺母壓緊在主軸上。在外殼或軸的相關(guān)部位設(shè)有調(diào)節(jié)套用來調(diào)節(jié)渦輪定、轉(zhuǎn)子之間的工作間隙。本專利中所有軸承組均采用開式鉆井液潤滑，為了防止鉆井液中較粗顆粒的固相進(jìn)入軸承組，在軸承組前均設(shè)置有固相分離器和環(huán)式節(jié)流結(jié)構(gòu)；由于軸向推力軸承組采用了特種新型復(fù)合材料，軸承組的工作壽命可達(dá)150-200小時以上。此外，渦輪定、轉(zhuǎn)子的壽命可長達(dá)1000-1500小時。
有益效果 與現(xiàn)有國內(nèi)外相同性能的渦輪鉆具相比，它具有較低的壓降，以解決目前渦輪鉆具壓降過高的問題；本專利采用新材料和新工藝，獲得了長壽命的承載元件，使渦輪鉆具的行程工作壽命大幅度提高，以解決目前渦輪鉆具行程壽命較低的難題；取消了所有的橡膠元件，以適應(yīng)在高溫的苛刻環(huán)境下工作。


附圖所示為本實用新型渦輪鉆具的半剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中(1)(16)(25)上接頭、(2)(26)花鍵壓緊螺母、(3)(9)(18)(19)(20)(21)(29)(35)調(diào)整套、(4)(30)TC徑向軸承、(5)定子(6)轉(zhuǎn)子、(7)(22)渦輪軸、(8)(17)(32)殼體、(10)(28)(36)環(huán)隙節(jié)流裝置、(11)(12)(27)固相分離器、(13)(31)軸承組、(14)(23)(33)下接頭、(15)(24)花鍵套、(34)支承節(jié)軸。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的說明鉆具上部接鉆鋌和鉆桿，下部支承節(jié)與鉆頭相連。在附圖的渦輪鉆具結(jié)構(gòu)中，軸承組采用新型高耐磨的四支點推力球軸承(13)，用以承受渦輪轉(zhuǎn)子(6)產(chǎn)生的水力載荷，而軸承組(31)既要承受來自渦輪的水力載荷又可承受鉆壓。所有四支點球軸承組在裝配前都需經(jīng)過加載預(yù)跑合，以達(dá)到均載的目的。四支點軸承的內(nèi)座圈與主軸(7)或(34)相連接，外座圈與外殼(8)或(32)相連接，從而通過鋼球使渦輪的主軸懸掛在外殼上。這種懸掛式結(jié)構(gòu)大大改善了渦輪節(jié)主軸(7)或(22)的受力狀況，減少了徑向軸承(4)的偏摩擦，有利于提高徑向軸承的壽命。在渦輪外殼(8)和(17)內(nèi)裝有多級定子(5)和轉(zhuǎn)子(6)，定子通過接頭(1)和(14)或接頭(16)和(23)分別壓緊在外殼內(nèi)，而轉(zhuǎn)子通過壓緊螺母(2)壓緊在主軸(7)或(22)上。以定、轉(zhuǎn)子串聯(lián)的型式組成了井下泥漿馬達(dá)，以產(chǎn)生鉆井時破碎巖石所需的功力。定子(5)和轉(zhuǎn)子(6)之間的工作間隙可以通過有關(guān)調(diào)整套來調(diào)節(jié)，一般應(yīng)調(diào)整到上部小下部大，以確保軸承組磨損后仍有足夠的工作間隙。本實用新型調(diào)節(jié)方法簡單可靠，每個渦輪節(jié)的定、轉(zhuǎn)子工作間隙各自調(diào)節(jié)，互不相關(guān)，且相同型號的渦輪節(jié)可以互換，這樣在使用上就非常方便。此外，在鉆井液進(jìn)入軸承組的腔體前，分別設(shè)有固相分離器(11)和(27)，此結(jié)構(gòu)是利用沉降原理，將鉆井液中質(zhì)量較大、顆粒較粗的固相與質(zhì)量較小、顆粒較細(xì)的固相分離開采，使得含質(zhì)量較大、顆粒較粗固相的鉆井液進(jìn)入定、轉(zhuǎn)子環(huán)空，并經(jīng)支承節(jié)主軸(34)的內(nèi)孔流入鉆頭噴咀再進(jìn)入上返的環(huán)形空間；讓含質(zhì)量較小、顆粒較細(xì)固相的鉆井液進(jìn)入軸承腔內(nèi)，對軸承組進(jìn)行潤滑和冷卻，以減輕軸承的磨損。在支承節(jié)的下部設(shè)有環(huán)隙節(jié)流裝置(36)，以限制進(jìn)入支承節(jié)軸承腔內(nèi)的鉆井液流量，使得進(jìn)入軸承腔內(nèi)的鉆井液流量適當(dāng)。
實施例 實施本實用新型最好的方式是首先要解決四大技術(shù)難點。一是采用計算流體力學(xué)和計算機(jī)仿真技術(shù)，以獲得效率高而壓降又較低的渦輪定子(5)和轉(zhuǎn)子(6)；二是采用新材料和新工藝，以獲得長壽命的承載元件，即軸承組(13)和(31)，使渦輪鉆具的行程工作壽命大幅度提高；三是在結(jié)構(gòu)設(shè)計上取消所有的橡膠元件，以適應(yīng)在高溫的苛刻環(huán)境下工作；四是采用計算機(jī)軟件，精確計算渦輪定、轉(zhuǎn)子的軸向壓縮量，以獲得最優(yōu)的渦輪定、轉(zhuǎn)子工作間隙。此外，實施單位應(yīng)具有深孔和長軸加工的能力，具有安裝調(diào)試用的大型液壓動力拆裝架，以及供新型渦輪鉆具測試用的實驗臺架。
參考文獻(xiàn)1．符達(dá)良許福東.近十年國內(nèi)外渦輪鉆井技術(shù)的發(fā)展水平.石油機(jī)械.1996.24(3):54～592．Patent(No,Date):SU 1784077 A3.Publication Yrar:19923．[法]泰拉斯波爾斯基著.李克向等譯.井下液動鉆具.石油工業(yè)出版社.19914．戴靜君姜義忠著.現(xiàn)代渦輪鉆具結(jié)構(gòu)性能.石油大學(xué)學(xué)報.1995.19(2):117～12權(quán)利要求1．長壽命無橡膠元件的新型渦輪鉆具是一種上部有1個或2個獨立懸掛式渦輪節(jié)，下部有一個帶有獨立支承節(jié)的非懸掛式渦輪節(jié)組成，或者是一種上部有2～3個獨立懸掛式渦輪節(jié)，下部由一個獨立支承節(jié)組成的復(fù)式渦輪鉆具，其特征在于上渦輪節(jié)和支承節(jié)中采用多級串聯(lián)式四支點金屬推力球軸承組(13)和(31)，上渦輪節(jié)用下懸掛方式通過鋼球使渦輪節(jié)主軸(7)獨立地懸掛在殼體(8)上，而下部渦輪節(jié)主軸通過花鍵套(24)的錐面和支承節(jié)軸內(nèi)的軸承組懸掛在殼體(32)上。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪鉆具，其特征在于在渦輪節(jié)中裝有多級定子(5)和轉(zhuǎn)子(6)，定子通過接頭(1)和(14)被壓緊在外殼內(nèi)，而轉(zhuǎn)子通過壓緊螺母(2)壓緊在主軸上，在殼體或軸的相關(guān)部位設(shè)有調(diào)節(jié)套(3)和(9)等用來調(diào)節(jié)渦輪定、轉(zhuǎn)子之間的工作間隙。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪鉆具，其特征在于無橡膠元件，傳統(tǒng)的橡膠徑向軸承被硬質(zhì)合金軸承(4)所代替，軸向推力軸承組具有自均載性，并采用特種新型材料制成。
4．根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的渦輪鉆具，其特征在于渦輪鉆具中所有軸承組均采用開式鉆井液潤滑，為了防止鉆井液中較粗顆粒的固相進(jìn)入軸承組，在軸承組前均設(shè)置有固相分離器(11)和(27)。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪鉆具，其特征在于在支承節(jié)的下部設(shè)有環(huán)隙節(jié)流裝置(36)，以限制進(jìn)入支承節(jié)軸承腔內(nèi)的鉆井液流量。
專利摘要本實用新型涉及一種供石油勘探開發(fā),特別是鉆深井和超深井用的長壽命無橡膠元件渦輪鉆具。它屬于流體力學(xué)和渦輪葉片式機(jī)械的技術(shù)領(lǐng)域。專利采用計算流體力學(xué)技術(shù)獲得了效率高而壓降又較低的渦輪副,以解決目前渦輪鉆具壓降高的問題;將新材料和新工藝用于均載推力軸承組的設(shè)計,可獲得長壽命的承載元件,使渦輪鉆具的行程工作壽命大幅度提高,以解決目前渦輪鉆具行程壽命較低的難題;無橡膠元件,以適應(yīng)在高溫的苛刻環(huán)境下工作。
文檔編號E21B17/00GK2339741SQ9724990
公開日1999年9月22日 申請日期1997年11月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月15日
發(fā)明者符達(dá)良 申請人:符達(dá)良