專利名稱：自動增壓裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動增壓方法和裝置，尤其是一種鉆井工藝中的用于水力破巖的井下自動增壓裝置。
目前，常規(guī)的鉆井過程中主要是靠鉆機直接施加鉆壓，使鉆頭破碎巖石，并使用地面泥漿泵輸送鉆井液來凈化井底，攜帶巖屑上返。這種鉆井方法耗能大、效率低，在相同鉆井深度的情況下成本較高，尤其在深井鉆井中上述問題更加突出。
現(xiàn)在，人們試圖把水力切割技術(shù)用于石鉆井工業(yè)中鉆井工業(yè)中。在七十年代美國進行了超高壓輔助鉆井實驗在這實驗過程中，把整個循環(huán)泥漿壓力提高到105MPa。所用水馬力高達(dá)2400，其鉆井深度比常規(guī)的提高了2～3倍。但是由于其所有設(shè)備需承擔(dān)高達(dá)105MPa的壓力，在鉆井工業(yè)中不能得到廣泛的應(yīng)用。八十年代初美國Grsce Orilling公司與Flow Drill公司合作于一九九一年推出了一種新的地面增壓的雙鉆管鉆頭系統(tǒng)。這種雙鉆管鉆頭系統(tǒng)主要是把2升/秒的泥漿增壓到230MPa，并通過鉆桿內(nèi)另設(shè)的小管輸送到井底，而鉆桿與小管所形成的環(huán)形空間仍為常規(guī)泥漿泵的流量和壓力，最終高壓小排量與低壓大排量分別通過鉆頭小水眼和大水眼噴向井底，用這套設(shè)備進行多口鉆井，在中硬地層可提高鉆井速度2～3倍。但該系統(tǒng)還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、失效概率高、使用不便、價格昂貴等缺點。
目前，常規(guī)的雙作用自動增壓裝置，如專利技術(shù)GK86106346、GK861055903等不能保證承受足夠高的抗拉、抗壓、抗彎強度，在井下室間小、排量大(約1800升/秒)的情況下無法實行鉆井工作。這種中間低壓缸、兩頭增壓缸，如果設(shè)計成管式形狀，共結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、加工工藝較差，可靠性不高增壓幅度受到限制。常規(guī)的單缸雙作用增壓缸必須配套兩個吸入單向閥，兩個排出單向閥，這種結(jié)構(gòu)不但復(fù)雜，而且還會造成雙向行程的增壓流量不等或增壓比不同。另外單作用自動增壓裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但由于單行程增壓，其輸出的高壓流體作用地層時間短，其破巖效果必然降低，另外鉆頭的小水眼只能按增壓后的小流量設(shè)計，這樣在非增壓行程時，需額外地承擔(dān)控制低壓缸工作的每分鐘五、六百升的泥漿，如果另設(shè)機構(gòu)處理，必增加單作用增壓裝置的復(fù)雜性。
本發(fā)明的目的是克服上述缺點而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、增壓幅度大、能量損失小、密封好、換向平穩(wěn)、工作可靠、壽命長、使用方便、價格低廉的、并具有高壓小流量和低壓大流量兩股不同流量噴出的井下自動增壓裝置。本發(fā)明利用地面泥漿泵輸出的部分鉆井液作動力，實現(xiàn)往復(fù)運動、自動換向、單缸雙作用增壓。在增壓裝置以上的常規(guī)設(shè)備不變的情況下，能把約1升/秒的泥漿增壓到170MPa至250MPa，并允許泥漿泵輸出的大部分流量在其內(nèi)部暢通無阻地通過，達(dá)到兩股不同壓力不同流量的泥漿由鉆頭大、小水眼噴出，形成高壓水力切割、鉆頭破巖、低壓大排量泥漿凈化井低，以足夠大的速度把巖屑帶到井上的新式鉆井裝置。
本發(fā)明的自動增壓方式和裝置，尤其是用于井下鉆井的自動增壓裝置，主要包括有外殼和上下連接頭，其特征在于它還包括有一個由低壓缸活塞控制換向的機動先導(dǎo)閥，其閥芯尾部帶有加長的限位桿，加長的限位桿上設(shè)有限位臺階;
一個由機動先導(dǎo)閥控制換向，進而控制低壓缸自動切換的液動換向閥;
一個由以上兩個閥組合控制，一端設(shè)有活塞桿的低壓缸;
一個與活塞桿相連的單缸雙作用的增壓缸;
一個安在增壓缸的出口與鉆頭小水眼之間能防止下放鉆桿時泥漿倒流的超高壓單向閥;
一個安在泥漿主流道與鉆頭之間能防止下鉆時井底泥漿串入增壓裝置的低壓單向閥;
一個設(shè)置在機動先導(dǎo)閥、液動換向閥與鉆具環(huán)形空間相連的通路上的泄荷單向閥;
一個設(shè)在增壓缸活塞中間的增壓缸排出單向閥;
一個設(shè)在增壓缸下端的增壓缸吸入單向閥;
上述的活塞桿是低壓缸和增壓缸聯(lián)用的，活塞桿與低壓缸的機動先導(dǎo)閥限位桿套合在一起，通過活塞桿使高壓缸、低壓缸同向運動。
本發(fā)明的另一特征是來自泥漿泵的低壓泥漿在環(huán)空中分成三路，其中約三分之一的泥漿用來控制機動先導(dǎo)閥和液動換向閥的換向并驅(qū)動低壓缸運動;約1升/秒的流量，將經(jīng)增壓缸增壓到超高壓，由小水眼以超高壓噴向巖層;其余的約占泥漿泵輸出的三分之二泥漿連續(xù)地從鉆頭的大水眼噴出，以保證對井底有充分的凈化能力。
增壓缸入口的壓力介質(zhì)也可是低壓缸工作過程中泄壓的部分流體。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的特點1、在中硬地層可提高鉆進速度1.5至2倍;
2、可用較低的鉆壓鉆進，可緩減鉆頭的磨損;
3、超高噴射鉆頭適應(yīng)地層類型擴大，鉆頭規(guī)格減少，同時節(jié)省了起下鉆更換鉆頭的時間;
4、與MWD井下動力鉆具組合，可滿足水平井和定向井的工況，并在難以施加鉆壓條件下得到更高的鉆井速度;
5、與超高壓噴射PDC鉆頭配套，可把常規(guī)鉆井速度提高3至5倍;
6、本發(fā)明還具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便、綜合鉆井成本低等特點。
下列結(jié)合其附圖對本發(fā)明作進一步的描述

圖1為本發(fā)明的一種原理圖;
圖2為本發(fā)明的另一原理圖;
圖3為針對圖2原理而提供的一種結(jié)構(gòu)圖;
圖4為本發(fā)明的再一原理圖;
圖5為本發(fā)明的又一原理圖。
參見圖1、2、3，本發(fā)明的自動增壓裝置，包括有上下帶連接頭的外殼1，并進一步包括有一個由低壓缸活塞控制換向的機動先導(dǎo)閥3，其閥芯尾部帶有加長的限位桿5，加長的限位桿5上設(shè)有二個限位臺階16、16′;一個由機動先導(dǎo)閥3控制換向，進而控制低壓缸自動切換的液動換向閥2;一個由機動先導(dǎo)閥和液動換向閥組合控制，一端有活塞桿6的低壓缸4即主動液缸;一個與活塞桿6相連的單缸雙作用的增壓缸8;一個安在增壓缸8的出口與鉆頭小水眼13之間能防止下放鉆桿時泥漿倒流的超高壓單閥12;一個安在泥漿主流道與鉆頭之間能防止下鉆時井底泥漿串入增壓裝置的低壓單向閥10;一個設(shè)置在機動先導(dǎo)閥3、液動換向閥2與鉆具環(huán)形空間相連的通路上的泄荷單向閥11;一設(shè)在增壓缸8活塞中間的增壓缸排出單向閥7;一個設(shè)在增壓缸下端的增壓缸吸入單向閥9。上述的活塞桿6是低壓缸4和增壓缸8聯(lián)用的，活塞桿6與低壓缸4的機動先導(dǎo)閥限位桿5套合在一起，通過活塞桿使高壓缸、低壓缸同向運動。上述的機動先導(dǎo)閥3為二位四通形式或二位三通形式，其閥芯的機動先導(dǎo)閥限位桿5上設(shè)有兩個行程限位臺階16;該閥安在低壓缸4軸心方向的上端，靠低壓缸4的活塞面撞擊加長限位桿5上的兩個臺階16來實現(xiàn)強制換位。其液動換向閥2為液動二位四通形式，它與機動先導(dǎo)閥配合，進行控制主流道的切換。低壓缸4為只有下端設(shè)有活塞桿6的雙作用液缸，活塞與活塞桿中心設(shè)有一能容納機動先導(dǎo)閥3閥芯加長限位桿5的孔，根據(jù)予先確定的行程對機動先導(dǎo)閥3進行控制和限位。上述的增壓缸8為單缸雙作用，其下連有增壓缸吸入單向閥9;增壓缸8的上、腔之間通過增壓缸排出單向閥7相連通，實現(xiàn)其泥漿的排出功能;增壓缸排出單向閥7可安在活塞與活塞桿中間，也可旁通地安在兩液缸的側(cè)面。
上述所述的各種單向閥為球形或錐形，也可是滿足其功能的其它形式。其外殼形狀為能容納其所有部件的、具有足夠強度的并能使低壓缸和增壓缸的缸徑和增壓比盡可能大的管狀。
本發(fā)明在使用時，來自地面泥漿泵的低壓泥漿，通過常規(guī)水龍、鉆柱等輸送到本發(fā)明的自動增壓裝置。泥漿在G、J兩處分成三路，沿箭頭①方向流動約三分之一的泥漿用來控制機動先導(dǎo)閥3和液動換向閥2的換向并驅(qū)動低壓缸運動;約1升/秒的流量沿箭頭②，將經(jīng)增壓缸8增壓到超高壓;沿箭頭②分流出的約占泥漿泵輸出的三分之二泥漿連續(xù)地從鉆頭15的大水眼14噴出，以保證對井底有充分的凈化能力。參見圖1，圖中低壓缸4正向上運動并接近終點，此時，沿箭頭①的泥漿經(jīng)液動換向閥2的P′B′進入低壓缸4的b腔，同時a腔的泄荷泥漿由液動換向閥的A′O′經(jīng)泄荷單向閥11進入環(huán)空，并沿箭頭③的方向回到泥漿池。與此同時，低壓缸4的活塞端面開始與機動先導(dǎo)閥3的加長機動先導(dǎo)閥限位桿5的臺階16接觸;在低壓缸4向上運動過程中，增壓缸吸入單向閥9開啟，來自泥漿泵的部分壓力流體進入增壓缸8的d腔，同時其c腔受壓，增壓缸排出單向閥7在彈簧力、壓差的作用下被關(guān)閉。其上腔c的泥漿液受到壓縮，上腔c由于容積的變化迫使其泥漿按低壓缸與增壓缸有效承壓面積比，以高于低壓數(shù)倍的超高壓從鉆頭小水眼13噴向井底巖層。當(dāng)?shù)蛪焊?的活塞繼續(xù)向上運動時，將推動機動先導(dǎo)閥限位桿5向上移動，當(dāng)其中的P與A，O與B接通，液動換向閥2的M端進入壓力泥漿，則N端開始通過機動先導(dǎo)閥3的B、O和泄荷單向閥11與環(huán)空接通而泄壓，這時液動換向閥2的M端在高壓作用下自動換向，由原來的P′與B′相通變?yōu)镻′與A′相通，O′與A′相通變?yōu)镺′與B′相通，這樣來自泥漿泵的部分壓力泥漿通過P′A′進入低壓缸的a腔，b腔通過O′、B′與環(huán)空連通變成低壓，因此低壓缸4開始向下運動，并帶動增壓缸8同時向下運動，此時因增壓缸8下腔泥漿液受到壓縮，增壓缸吸入單向閥9在壓差和彈簧力作用下關(guān)閉，而活塞中間的增壓缸排出單向閥7開啟，由于增壓缸8向下運動過程中其缸內(nèi)c腔容積由大變小，將迫使增壓缸8泥漿以高壓從c腔通過鉆頭小水眼13噴向井底巖層。當(dāng)動力缸活塞內(nèi)端面碰到限位桿臺階16′時，使向下運動的增壓裝置制動，并開始為向上運動作準(zhǔn)備;低壓缸的往復(fù)運動，就將連續(xù)地從增壓缸排出高壓流體。
參見圖2，其基本工作原理與圖1的原理一致，所不同是圖2采用了機動先導(dǎo)閥行程控制制動方式，即低壓缸泄荷回路先通過液動換向閥2，然后再通過機動先導(dǎo)閥3的錐形節(jié)流通道回零的。這種制動方式比時間控制制動方式其沖擊量更小、運動更平穩(wěn)。
參見圖4，圖4為緩沖控制制動方式。主要是利用活塞運動到接近終點，緩沖腔產(chǎn)生的壓力信號，首先使機動先導(dǎo)閥換向改變液動換向閥的位置，最終控制低壓缸4的自動切換，這種方式的工作性能比較平穩(wěn)。
參見圖5，它是根據(jù)圖1的原理變化而成的。所不同的是增壓缸的入口不是來自低壓泵的壓力介質(zhì)而是低壓缸工作過程中泄壓的部分流體，這種結(jié)構(gòu)原理回路能量利用率比較高，不受環(huán)境的限制。同樣圖2、圖4也可以制成圖5相似的自動轉(zhuǎn)換回路或增壓裝置。
權(quán)利要求
1.一種自動增壓裝置，尤其是用于井下鉆井的自動增壓裝置，包括有上下帶連接頭的外殼，其特征在于它還包括有一個由低壓缸活塞控制換向的機動先導(dǎo)閥，其閥芯尾部帶有加長的限位桿，加長的限位桿上設(shè)有限位臺階，一個由機動先導(dǎo)閥控制換向，進而控制低壓缸自動切換的液動換向閥，一個由以上兩個閥組合控制，一端設(shè)有活塞桿的低壓缸，一個與活塞桿相連的單缸雙作用的增壓缸，和/或一個安在增壓缸的出口與鉆頭小水眼之間能防止下放鉆桿時泥漿倒流的超高壓單向閥，和/或一個安在泥漿主流道與鉆頭之間能防止下鉆時井底泥漿串入增壓裝置的低壓單向閥，和/或一個設(shè)置在機動先導(dǎo)閥、液動換向閥與鉆具環(huán)形空間相連的通路上的泄荷單向閥，一個設(shè)在增壓缸活塞中間的增壓缸排出單向閥，一個設(shè)在增壓缸下端的增壓缸吸入單向閥；上述的活塞桿是低壓缸和增壓缸聯(lián)用的，活塞桿與低壓缸的機動先導(dǎo)閥限位桿套合在一起，通過活塞桿使高壓缸、低壓缸同向運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動增壓裝置，其特征在于本來自泥漿泵的低壓泥漿在環(huán)空中分成三路，其中約三分之一的泥漿用來控制機動先導(dǎo)閥和液動換向閥的換向并驅(qū)動低壓缸運動;約1升/秒的流量，將經(jīng)增壓缸增壓到超高壓，由小水眼以超高壓噴向巖層;其余的約占泥漿泵輸出的三分之二泥漿連續(xù)地從鉆頭的大水眼噴出，以保證對井底有充分的凈化能力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動增壓裝置，其特征在于增壓缸的入口的壓力介質(zhì)是低壓缸工作過程中泄壓的部分流體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動增壓裝置，其特征在于上述的機動先導(dǎo)閥為二位四通形式或二位三通的形式，其閥芯的機動先導(dǎo)閥限位桿上設(shè)有兩個行程限位臺階;該閥安在低壓缸軸心方向主上端，靠低壓缸活塞端面撞擊加長限位桿上的兩個臺階來實現(xiàn)強制換位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動增壓裝置，其特征在于液動換向閥為液動二位四通形式，它與機動先導(dǎo)閥配合，進行控制主流道的切換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動增壓裝置，其特征在于低壓缸為只有下端設(shè)有活塞桿的雙作用液缸，活塞與活塞桿中心設(shè)有一能容納機動先導(dǎo)閥閥芯加長限位桿的孔，根據(jù)予先確定的行程對機動先導(dǎo)閥進行控制和限位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動增壓裝置，其特征在于所述的增壓缸為單缸雙作用，其下連有增壓缸吸入單向閥;增壓缸的上、腔之間通過增壓缸排出單向閥相連通，實現(xiàn)其泥漿的排出功能;增壓缸排出單向閥可安在活塞與活塞桿中間，也可旁通地安在兩液缸的側(cè)面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或7所述的自動增壓裝置，其特征在于上述所述的各種單向閥為球形或錐形，也可是滿足其功能的其它形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動增壓裝置，其特征在于所述的外殼形狀為能容納其所有部件的、具有足夠強度的并能使低壓缸和增壓缸的缸徑和增壓比盡可能大的管狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動增壓裝置，其特征在于低壓缸的泄荷泥漿是經(jīng)液動換向閥、泄荷單向閥進入環(huán)空的;或低壓缸泄荷回路先通過液動換向閥，然后再通過機動先導(dǎo)閥的錐形節(jié)流通道回零的。
全文摘要
本發(fā)明為一種自動增壓裝置，包括有帶上下連接頭的外殼，并進一步包括有機動先導(dǎo)閥及加長限位桿、低壓缸、增壓缸和各種單向閥。來自泥漿泵的泥漿流在環(huán)空中分為三路其中的三分之一用來驅(qū)動低壓缸；小部分的泥漿流進入增壓缸增壓后由鉆頭小水眼噴向巖層；其余的部分從鉆頭的大小眼噴出用來凈化井底。本發(fā)明具有鉆進速度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、鉆井成本低等特點。
文檔編號E21B10/60GK1099456SQ9311660
公開日1995年3月1日 申請日期1993年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月26日
發(fā)明者李洪敏, 張秉強 申請人:李洪敏