渦輪扭轉沖擊發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，其包括轉換接頭、外殼、渦輪、定軸、傳動套、沖擊爪、沖擊架、傳動軸和鉆頭套筒，外殼上端連接轉換接頭，外殼下端連接鉆頭套筒，渦輪轉子固定在定軸上，渦輪定子固定在外殼上，定軸和傳動套通過花鍵配合，傳動套安裝在沖擊架上端，沖擊架下端安裝端蓋，傳動軸安裝在傳動套和端蓋上，沖擊爪安裝在沖擊架上。渦輪帶動定軸旋轉，定軸通過花鍵帶動傳動套旋轉，傳動套撥動沖擊爪，沖擊爪帶動沖擊架高速旋轉，在旋轉過程中沖擊爪和傳動套作用并周期性地沖擊傳動軸，形成高頻扭轉沖擊，傳動軸將獲得的高頻沖擊能量傳遞到鉆頭套筒上，鉆頭套筒帶動鉆頭脈動地沖擊地層巖石。本發(fā)明可實現大沖擊功，扭沖能量利用率高。
【專利說明】渦輪扭轉沖擊發(fā)生器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及石油天然氣勘探開發(fā)過程中提高深部硬地層鉆井速度的工具，具體地說是涉及一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器。
【背景技術】
[0002]當前，我國陸地油氣勘探開發(fā)呈現出由東向西并向深井超深井發(fā)展的趨勢，與此同時，海洋油氣勘探開發(fā)由灘海與淺海逐步轉向深海。隨著油氣勘探逐步向深部地層及深海域發(fā)展，鉆井操作面臨越來越復雜的地層環(huán)境及鉆進工藝難題，勘探開采難度不斷加大。在深井超深井的鉆進過程中，隨著井深的增加，巖石硬度及塑性增大，研磨性增強，可鉆性變差，下部鉆具粘滑振動劇烈。鉆具的粘滑振動現象不但造成機械鉆速降低，還可能造成井下事故的發(fā)生，嚴重影響油氣勘探開發(fā)的進行。
[0003]扭轉沖擊鉆井是一種新興的高效鉆井技術，它正是基于減緩甚至抑制下部鉆具的粘滑振動而發(fā)展起來的。扭轉沖擊鉆井是指在常規(guī)鉆井的基礎之上在PDC鉆頭的上方增設一個扭轉沖擊鉆井工具用于給鉆頭提供周期性的低幅高頻扭向沖擊的鉆井技術。沖擊器對鉆頭廣生的周期性聞頻沖擊，可以大幅度減少或消除PDC鉆頭的粘滑振動，在提聞機械鉆速的同時，能夠保護鉆頭，延長鉆頭壽命，減少起下鉆次數，有效降低了鉆井成本。
[0004]目前，存在的扭力沖擊器雖然能夠實現高頻的扭轉沖擊，但是存在很多缺陷，比如，(I)沖擊結構設計不合理，導致單次沖擊功小，且沖擊副壽命不高；(2)不存在儲能元件，使得扭沖能量利用率較低；(3)現有的扭力沖擊器自身不帶有穩(wěn)定器；(4)渦輪葉片型線設計不合理，鉆井液能量轉化率低，導致扭沖工具工作性能不佳。

【發(fā)明內容】

[0005]針對以上缺陷，本發(fā)明設計了一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器。
[0006]本發(fā)明所采用的技術解決方案是:
[0007]—種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，包括轉換接頭、外殼、渦輪、定軸、傳動套、沖擊爪、沖擊架、傳動軸和鉆頭套筒，外殼上端連接轉換接頭，外殼下端連接鉆頭套筒，渦輪轉子固定在定軸上，渦輪定子固定在外殼上，定軸和傳動套通過花鍵配合，傳動套安裝在沖擊架上端，沖擊架下端安裝端蓋，傳動軸安裝在傳動套和端蓋上，沖擊爪安裝在沖擊架上；定軸下端設置有擋盤，定軸上設置有側流道，鉆井液經轉換接頭進入外殼內，流經渦輪到達擋盤，然后上返至定軸側流道，匯聚到定軸的主流道，然后經傳動套進入傳動軸，繼續(xù)向下流入鉆頭套筒；鉆井液啟動渦輪，渦輪轉子高速旋轉，帶動定軸高速旋轉，定軸帶動傳動套旋轉，傳動套上開設有U形口，沖擊爪包括方形部、爪扣部和連接部，方形部與U形口相配合，連接部為圓柱形，在沖擊架上設置有條形槽，沖擊爪的連接部卡入條形槽中，沖擊爪可相對于沖擊架小角度旋轉，在傳動軸上設置有與爪扣部相配合的爪扣槽，傳動套轉動時通過U形口撥動沖擊爪方形部，帶動沖擊爪和沖擊架轉動，沖擊爪周期性的沖擊傳動軸。
[0008]優(yōu)選的，在外殼側壁上均布四個剛性穩(wěn)定器，所述剛性穩(wěn)定器為長型螺旋葉片型。[0009]優(yōu)選的，所述轉換接頭一端為連接鉆鋌的公扣，另一端為連接外殼的公扣；外殼上端為連接轉換接頭的母扣，夕卜殼下端均布有四個45度的外殼花鍵,形成四個45度的外殼花鍵槽；在鉆頭套筒上有四個40度的花鍵環(huán)繞排列在鉆頭套筒端面上，形成四個50度的鉆頭套筒花鍵槽，外殼花鍵與鉆頭套筒花鍵槽形成間隙配合。
[0010]優(yōu)選的，所述定軸下部設置有臺肩，側面設置有半圓條形凸臺，上部安裝鋼套，渦輪轉子通過臺肩、凸臺和鋼套定位，壓盤安裝在鋼套上，二者為滑動連接，端帽和定軸通過螺紋連接將渦輪轉子固定在定軸上；所述渦輪定子下部通過定位套定位，定位套座在擋盤上，擋盤座在外殼內壁的臺肩上，渦輪定子上部通過壓盤和轉換接頭固定在外殼上。
[0011]優(yōu)選的，所述外殼內壁上開設有凹槽，在凹槽內固定承壓軸承，所述沖擊架端蓋和傳動軸座在承壓軸承上。
[0012]優(yōu)選的，所述傳動軸和鉆頭套筒通過螺紋連接，在鉆頭套筒上開設方形溝槽，在溝槽中安放兩個半圓環(huán)形防掉擋圈，在外殼下端周向開設四個螺紋孔，在螺紋孔中裝入防掉螺桿，防掉擋圈和防掉螺桿通過螺紋連接。
[0013]本發(fā)明的有益技術效果是:
[0014](I)本發(fā)明合理設計了扭轉沖擊結構，在實現大沖擊功的前提下，儲能元件即沖擊架能夠將兩次沖擊間隔內渦輪產生的扭矩能量儲存起來，在下一次沖擊時完全釋放，從而提聞間隔內扭沖能量的利用率；
[0015](2)本發(fā)明在外殼外面設計自帶穩(wěn)定器，在提速快打的同時還能起到防斜作用，保證井身質量；
[0016](3)本發(fā)明在外殼下端設置便于拆卸的防掉擋圈和防掉螺桿，在傳動軸鉆頭套筒螺紋連接的同時，對鉆頭套筒起到雙保險作用，提高了鉆井的安全性；
[0017](4)本發(fā)明工作性能好，能量轉化率高，使用壽命長。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明:
[0019]圖1為本發(fā)明的結構原理示意圖；
[0020]圖2為圖1的A-A視圖；
[0021]圖3為圖1的B-B視圖；
[0022]圖4為圖1的C-C視圖；
[0023]圖5為圖1的D-D視圖；
[0024]圖6為圖1的E-E視圖；
[0025]圖7為本發(fā)明的外部結構示意圖；
[0026]圖8為圖7的F-F視圖；
[0027]圖9為圖7的G-G視圖；
[0028]圖10為渦輪定子葉型圖；
[0029]圖11為渦輪轉子葉型圖；
[0030]圖12為傳動套的結構示意圖；
[0031]圖13為沖擊爪的結構示意圖；
[0032]圖14為沖擊架的結構示意圖；[0033]圖15為傳動軸的結構示意圖。
[0034]圖中:1-轉換接頭，2-外殼，3-渦輪轉子，4-渦輪定子，5-定軸，6-傳動套，7-沖擊爪，701-方形部，702-爪扣部，703-連接部，8-沖擊架，801-條形槽，9-傳動軸，901-爪扣槽，902-過渡部分，10-鉆頭套筒，11-外殼花鍵，12-鉆頭套筒花鍵，13-鋼套，14-壓蓋，15-端帽，16-定位套，17-擋盤，18-壓盤，19-定軸側流道，20-U形口，21-承壓軸承，22-防掉擋圈，22-防掉螺桿，24-剛性穩(wěn)定器。
【具體實施方式】
[0035]結合附圖，一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，主要由轉換接頭1、外殼2、渦輪轉子3、渦輪定子4、定軸5、傳動套6、沖擊爪7、沖擊架8、傳動軸9和鉆頭套筒10組成。
[0036]轉換接頭I 一端為連接鉆鋌的公扣，另一端為連接外殼2的公扣。外殼2上端為連接轉換接頭的母扣，外殼2下端均布有四個45度的外殼花鍵11，形成四個45度的殼體花鍵槽。在鉆頭套筒10上有四個40度的鉆頭套筒花鍵12環(huán)繞排列在鉆頭套筒端面上，形成四個50度的鉆頭套筒花鍵槽，外殼花鍵11與鉆頭套筒花鍵槽形成間隙配合。
[0037]潤輪轉子3固定在定軸5上,定軸5下部設置有臺肩，側面設置有半圓條形凸臺，上部安裝鋼套13，渦輪轉子3通過臺肩、凸臺和鋼套定位，壓盤18安裝在鋼套上，二者為滑動連接，端帽15和定軸通過螺紋連接將渦輪轉子3固定在定軸5上。
[0038]潤輪定子4固定在外殼2上。潤輪定子4下部通過定位套16定位,定位套16座在擋盤17上，擋盤17座在外殼2的臺肩上，再通過壓盤18和轉換接頭I固定在外殼2上。
[0039]定軸5和傳動套6通過花鍵配合，傳動套6安裝在沖擊架8上端，沖擊架8下端安裝端蓋，傳動軸9安裝在傳動套6和端蓋上，沖擊爪7安裝在沖擊架8上。定軸5下端設置有擋盤17，擋盤17中間開孔起到扶正定位套的作用。定軸5上設置有側流道19。鉆井液經轉換接頭I進入外殼2內，流經渦輪到達擋盤17，然后上返至定軸側流道19，匯聚到定軸的主流道，然后經傳動套6進入傳動軸9，繼續(xù)向下流入鉆頭套筒10。
[0040]鉆井液啟動渦輪，渦輪轉子3高速旋轉，帶動定軸5高速旋轉，定軸5帶動傳動套6旋轉。傳動套6上開設有U形口 21。沖擊爪7包括方形部701、爪扣部702和連接部703，方形部701與U形口 20相配合，連接部703為橢圓柱形。在沖擊架8上設置有條形槽801，沖擊爪的連接部703卡入條形槽801中，沖擊爪7可相對于沖擊架8小角度旋轉。在傳動軸9上設置有與爪扣部702相配合的爪扣槽901，傳動軸在開設爪扣槽時，要求考慮制作工藝，因此，有一段過渡部分902來滿足零件加工制作過程中刀具切割的路徑。傳動套6轉動時通過U形口 21撥動沖擊爪方形部701，帶動沖擊爪7和沖擊架8轉動，沖擊爪7通過爪扣部702與爪扣槽901的配合作用周期性的沖擊傳動軸9。
[0041]在外殼2內壁上開設有凹槽，在凹槽內固定承壓軸承21，所述沖擊架端蓋和傳動軸9座在承壓軸承21上。傳動軸9和鉆頭套筒10通過螺紋連接，在鉆頭套筒10上開設方形溝槽，在溝槽中安放兩個半圓環(huán)形防掉擋圈22，在外殼下端周向開設四個螺紋孔，在螺紋孔中裝入防掉螺桿23，防掉擋圈22和防掉螺桿23通過螺紋連接。防掉擋圈22和防掉螺桿23對鉆頭套筒起到雙保險作用，提高了鉆井的安全性。
[0042]在外殼2外側壁上均布四個剛性穩(wěn)定器24，所述剛性穩(wěn)定器24沿外殼長度方向伸展，呈長型螺旋葉片型，在提速快打的同時還能起到防斜作用，保證井身質量。[0043]上述渦輪轉子3和渦輪定子4的葉型是采用五次多項式法結合計算軟件和工具需求的參數要求計算優(yōu)化得出，具體如圖10、11所示，該渦輪轉子和渦輪定子葉型可使得能量的轉化效率進一步提升。
[0044]下面對本發(fā)明的工作過程進行說明:
[0045]鉆鋌帶動外殼2旋轉，外殼2通過花鍵帶動鉆頭套筒10從而帶動鉆頭不斷旋轉剪切地層巖石。同時，鉆井液經轉換接頭I進入渦輪扭轉沖擊發(fā)生器外殼內，流經壓蓋14上的流道進入渦輪，啟動渦輪，渦輪轉子3高速旋轉，帶動定軸5高速旋轉，此時鉆井液流經渦輪到達擋盤19，鉆井液上返至定軸側流道20，匯聚到定軸的主流道，進入傳動套6繼續(xù)向下流動。定軸5通過花鍵帶動傳動套6高速旋轉，傳動套6撥動沖擊爪7，沖擊爪7帶動沖擊架8高速旋轉，在旋轉過程中沖擊爪7和傳動套6作用并不斷地沖擊傳動軸9，形成高頻沖擊。傳動軸9將獲得的高頻沖擊能量傳遞到鉆頭套筒10上，鉆頭套筒10帶動鉆頭脈動地沖擊地層巖石；同時鉆井液經傳動套6進入到傳動軸9，繼續(xù)向下流動進入鉆頭套筒10。
[0046]上述方式中未述及的部分采取或借鑒已有技術即可實現。
[0047]需要說明的是，在本說明書的教導下，本領域技術人員所作出的任何等同替代方式，或明顯變型方式，均應在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，其特征在于:包括轉換接頭、外殼、渦輪、定軸、傳動套、沖擊爪、沖擊架、傳動軸和鉆頭套筒，外殼上端連接轉換接頭，外殼下端連接鉆頭套筒，渦輪轉子固定在定軸上，渦輪定子固定在外殼上，定軸和傳動套通過花鍵配合，傳動套安裝在沖擊架上端，沖擊架下端安裝端蓋，傳動軸安裝在傳動套和端蓋上，沖擊爪安裝在沖擊架上；定軸下端設置有擋盤，定軸上設置有側流道，鉆井液經轉換接頭進入外殼內，流經渦輪到達擋盤，然后上返至定軸側流道，匯聚到定軸的主流道，然后經傳動套進入傳動軸，繼續(xù)向下流入鉆頭套筒；鉆井液啟動渦輪，渦輪轉子高速旋轉，帶動定軸高速旋轉，定軸帶動傳動套旋轉，傳動套上開設有U形口，沖擊爪包括方形部、爪扣部和連接部，方形部與U形口相配合，連接部為圓柱形，在沖擊架上設置有條形槽，沖擊爪的連接部卡入條形槽中，沖擊爪可相對于沖擊架小角度旋轉，在傳動軸上設置有與爪扣部相配合的爪扣槽，傳動套轉動時通過U形口撥動沖擊爪方形部，帶動沖擊爪和沖擊架轉動，沖擊爪周期性的沖擊傳動軸。
2.根據權利要求1所述的一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，其特征在于:在外殼側壁上均布四個剛性穩(wěn)定器，所述剛性穩(wěn)定器為長型螺旋葉片型。
3.根據權利要求1所述的一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，其特征在于:所述轉換接頭一端為連接鉆鋌的公扣，另一端為連接外殼的公扣；外殼上端為連接轉換接頭的母扣，外殼下端均布有四個45度的外殼花鍵，形成四個45度的外殼花鍵槽；在鉆頭套筒上有四個40度的花鍵環(huán)繞排列在鉆頭套筒端面上，形成四個50度的鉆頭套筒花鍵槽，外殼花鍵與鉆頭套筒花鍵槽形成間隙配合。
4.根據權利要求1所述的一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，其特征在于:所述定軸下部設置有臺肩，側面設置有半圓條形凸臺，上部安裝鋼套，渦輪轉子通過臺肩、凸臺和鋼套定位，壓盤安裝在鋼套上，二者為滑動連接，端帽和定軸通過螺紋連接將渦輪轉子固定在定軸上；所述潤輪定子下部通過定位套定位，定位套座在擋盤上，擋盤座在外殼內壁的臺肩上，潤輪定子上部通過壓盤和轉換接頭固定在外殼上。
5.根據權利要求1所述的一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，其特征在于:所述外殼內壁上開設有凹槽，在凹槽內固定承壓軸承，所述沖擊架端蓋和傳動軸座在承壓軸承上。
6.根據權利要求1所述的一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，其特征在于:所述傳動軸和鉆頭套筒通過螺紋連接，在鉆頭套筒上開設方形溝槽，在溝槽中安放兩個半圓環(huán)形防掉擋圈，在外殼下端周向開設四個螺紋孔，在螺紋孔中裝入防掉螺桿，防掉擋圈和防掉螺桿通過螺紋連接。
【文檔編號】E21B7/00GK103670269SQ201310698227
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權日:2013年12月18日
【發(fā)明者】宋洵成, 李同同, 管志川, 許海超, 陸桃妹 申請人:中國石油大學(華東)