一种新型大扭矩涡轮钻具

技术领域

本发明属于石油钻井设备技术领域，具体涉及一种新型大扭矩涡轮钻具。

背景技术

在现代油气井钻井工程中，所用井下动力钻具主要由螺杆钻具和涡轮钻具，在螺杆钻具中，橡胶定子与钢芯转子在高密度及泥浆净化不好条件下易磨损，随着间隙的增大，输出转速和扭矩也会随之下降；橡胶也会逐渐老化，并且橡胶定子耐高温性差，因此不适用于超深井的钻探。涡轮钻具不受橡胶元件的限制，因此可以有效在超深井等高温环境中工作。同时，相比较螺杆动力钻具，涡轮钻具具有转速高、定转子使用寿命长、耐高压等较多优点。

但是现在常规的涡轮钻具因其输出钻速过高，导致钻具扭矩较小，从而降低了钻具整体的钻进效率，在使用过程中具有一定的局限性。而部分带有减速器的涡轮钻具，因其结构繁琐且井下环境复杂，难以有效的实现其应用。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种新型大扭矩涡轮钻具，提高了钻井效率，降低了生产成本。

本发明采用的技术方案为：一种新型大扭矩涡轮钻具，大扭矩涡轮钻具包括上部接头、涡轮轴、上轴承组、轴承套筒、上密封总成、压紧套环、涡轮定子、涡轮转子、涡轮套筒、连接套筒、中部稳定器、挠性轴、下轴承组、钻头连接轴、空环、迷宫环、下部稳定器、内合金轴套、外合金轴套和钻头；

所述上部接头、轴承套筒、涡轮套筒、连接套筒、中部稳定器和下部稳定器依次螺纹连接；所述涡轮轴、挠性轴和钻头连接轴依次螺纹连接；所述涡轮转子套装在涡轮轴上后由压紧套环锁紧；所述涡轮定子套装在涡轮套筒内；所述涡轮轴由上轴承组支撑并通过上密封总成密封；所述钻头连接轴由下轴承组支撑，钻头连接轴上设有空环和迷宫环，所述内合金轴套和外合金轴套设置于迷宫环的下方，所述钻头安装在钻头连接轴上。

进一步地，所述涡轮定子与涡轮套筒采用过盈配合。

进一步地，所述涡轮转子和涡轮定子为交替布置，涡轮转子与涡轮定子不直接接触。由于涡轮转子的特殊结构，在高压钻井液进入之后形成切向射流并喷射到定子上之后，继续向下流动进入下一级涡轮转子，依次重复上述过程，直到到达最后一级涡轮定子，在这个过程中，钻井液的流体能量转化为机械能，驱动钻头旋转，其中能量的大部分转化钻具切向力，从而达到增大扭矩，降低转速的作用。

进一步地，所述上轴承组、下轴承组、内合金轴套和外合金轴套对传动轴起到支撑作用，分别由轴肩或卡簧来进行固定，两侧进行良好的密封，防止钻井液进入导致加剧其磨损，各轴承组用于承受工作时产生的轴向载荷，并将其传递到壳体部分，同时能够保证涡轮轴在旋转时不发生偏心。

进一步地，所述挠性轴可在钻进定向井时根据需要进行适当弯曲；所述中部稳定器和下部稳定器在钻具钻进定向井或水平井时，稳定器能够起到扶正钻具的作用；所述上密封总成、迷宫环及密封圈对钻具相关部分进行密封，防止钻井液进入轴承。

进一步地，当钻井液进入涡轮部分后，由于特殊的涡轮结构是钻井液形成切向射流沿径向流出，使涡轮产生切向力的同时将射流压力传递给下一级涡轮并带动涡轮轴旋转，然后通过挠性轴和钻头连接轴将旋转动力带到钻头。

进一步地，钻井液流出涡轮部分后通过稳定器套筒流向钻头，下轴承组上设有液力通道，以确保钻井液能够顺利通过并经由空环进入钻头连接轴，钻头连接轴上设有迷宫环，防止钻井液流入合金轴套内。

进一步地，涡轮转子的级数可根据需要进行增减，从而对其扭矩和转速进行调整，涡轮定子的数量不变，以便与定位，涡轮定子和涡轮转子之间不直接接触，避免形成摩擦而影响钻具性能。

本发明的有益效果：提供了一种新型大扭矩涡轮钻具，提高了钻井效率，降低了生产成本。现有技术相比：

（1）、采用涡轮钻具能够摆脱橡胶元件的局限性，并且使用寿命长、耐高温高压，因此能够在超深井环境下有效工作；

（2）、通过特殊的涡轮转子结构，使涡轮形成切向射流，经过多级涡轮转子的切向射流作用，能够降低钻具转速，不需要再额外加装减速器；

（3）、不同于传统涡轮钻具的轴流式结构，本发明中涡轮转子采用切流式结构，在形成切向射流、降低转速的同时，能够显著的增大扭矩，从而应对更加复杂的井下工况，提高钻井效率，降低成本。

附图说明

图1是实施例一中新型大扭矩涡轮钻具的结构示意图；

图2是实施例一中涡轮定子的结构示意图；

图3是实施例一中涡轮定子钻井液通道部分的截面示意图。

实施方式

实施例

参照图1-图3，一种新型大扭矩涡轮钻具，大扭矩涡轮钻具包括上部接头1、涡轮轴2、上轴承组3、轴承套筒4、上密封总成5、压紧套环6、涡轮定子7、涡轮转子8、涡轮套筒9、连接套筒10、中部稳定器11、挠性轴12、下轴承组13、钻头连接轴14、空环15、迷宫环16、下部稳定器17、内合金轴套18、外合金轴套19和钻头20；

所述上轴承组、下轴承组、和合金轴套构成轴承总成，所述涡轮轴、挠性轴和钻头连接轴构成轴系总成，所述涡轮定子、涡轮转子、涡轮套筒和压紧套环构成涡轮部分。

所述上部接头、轴承套筒、涡轮套筒、连接套筒、中部稳定器和下部稳定器依次螺纹连接；所述涡轮轴、挠性轴和钻头连接轴依次螺纹连接；所述涡轮转子套装在涡轮轴上后由压紧套环锁紧；所述涡轮定子套装在涡轮套筒内；所述涡轮轴由上轴承组支撑并通过上密封总成密封；所述钻头连接轴由下轴承组支撑，钻头连接轴上设有空环和迷宫环，所述内合金轴套和外合金轴套设置于迷宫环的下方，所述钻头安装在钻头连接轴上。

所述涡轮定子与涡轮套筒采用过盈配合。

所述涡轮转子和涡轮定子为交替布置，涡轮转子与涡轮定子不直接接触；

涡轮定子安装到涡轮套筒内，涡轮涡轮转子套装在涡轮轴上，压紧套环靠螺纹连接到涡轮轴上，然后锁紧涡轮转子使其和涡轮轴构成相对固定的整体。工作时，涡轮转子带动涡轮轴旋转，并通过挠性轴和钻头连接轴，进一步驱动钻头旋转破岩。

如图1所示，钻井液从上部接头进入后进入涡轮轴并从其开有的射流口喷出，进入涡轮部分，在经过多级涡轮后降低了涡轮钻具的转速并显著增大了扭矩，然后通过稳定器套筒，稳定器套筒在钻具钻进过程中起到扶正作用，稳定器套筒中的挠性轴能够根据所钻定向井或水平井的需要进行适当弯曲。在下轴承组上开有液体流到，以确保钻井液能够顺利通过，钻头连接轴和下稳定器17之间装有迷宫环，防止钻井液进入内合金轴套和外合金轴套加剧其磨损。钻头连接轴上特定位置开有导流孔，以使钻井液能顺利进入钻头，最后钻井液从钻头的水眼流出。如图2和图3所示，涡轮转子属于切流式涡轮，钻井液进入转子后会产生切向射流，从而产生比普通涡轮更大的扭矩，并能够降低转速。工作时，根据工况可以改变涡轮转子的数量，从而调整扭矩和转速，因此不同情况下都能够提高工具钻进的效率。在钻井液的驱动下，涡轮形成径向射流，使涡轮产生切向力的同时将射流压力传递给下一级涡轮并同时驱动钻头旋转。与传统钻具相比能够有效降低转速并提高扭矩从而提高钻具整体钻进效率，节约成本。