一种具有双涡轮结构的环空式降压工具

技术领域

本发明涉及一种具有双涡轮结构的环空式降压工具，属于油气田钻井装备技术领域。

背景技术

随着油气行业的快速发展，油气资源的需求不断增长，海洋钻井快速发展，并且逐渐迈向深水和超深水。但是深水钻井目前面临着压力窗口窄，压力控制难度大等问题。所以针对该难题，国内外通过多种技术手段来解决该问题。

针对该难题，采用的技术有空心球双梯度或多梯度钻井以及降压工具。对于空心球双梯度或者多梯度钻井，该套系统需要额外配备多套设备，并且需要实现对空心球的高效分离才能达到较为理想的效果，成本比较高，并且分离技术也有待提高。而目前的降压工具，多数采用的是井下泵或者旋转叶片等机构为上返流体提供动力实现降压，或者是单独通过小喷嘴产生文丘里效应，实现高速射流喷射，从而实现降压。前者所提到的降压工具内部多为旋转运动部件，在井下特殊的工况下容易磨损，使用寿命短，并且安装比较复杂。后者提到的降压工具单纯的使用小喷嘴虽然从实验的结果来看，可以起到降压的效果，但是实验使用的流体为清水，远达不到井下钻井液包含大量岩屑的情况，所以实际工作时容易导致喷嘴堵塞，从而影响正常的钻井工作。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种具有双涡轮结构的环空式降压工具，该工具能够有效降低井底井筒内钻井液环空当量密度、增加钻井液返回速度、能够研磨上返的循环液中所夹带的岩屑、防止流体出口堵塞，提高钻井安全性和效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种具有双涡轮结构的环空式降压工具，包括：

上涡轮组件，包括上涡轮组外壳、上涡轮组转子以及套设在所述上涡轮组转子外部的上涡轮组定子，所述上涡轮组定子的两端分别通过固定套固定在所述上涡轮组外壳内，所述上涡轮组转子的两端分别通过所述固定套和套筒进行轴向定位；

下涡轮组件，包括第一下涡轮组外壳和第二下涡轮组外壳，所述第一下涡轮组外壳的两端分别与所述上涡轮组外壳、所述第二下涡轮组外壳可拆卸连接，所述第二下涡轮组外壳内设置有下涡轮组转子以及套设在所述下涡轮组转子外部的下涡轮组定子，所述下涡轮组定子和所述下涡轮组转子均通过下涡轮组固定套筒和研磨短节进行轴向定位；

密封装置，其为液压密封装置，套设在所述第二下涡轮组外壳的外部，所述第二下涡轮组外壳上开有供钻井液进入所述密封装置的通孔；

下接头，与所述第二下涡轮组外壳可拆卸连接；

传动中心轴，其为中空环形轴，第一端设置于所述上涡轮组外壳内且贯穿所述上涡轮组转子，第二端贯穿所述下涡轮组转子后转动安装在所述下接头的孔道内，所述传动中心轴上开有供钻井液通过的通孔，所述套筒上开有开供钻井液进入所述传动中心轴的通孔，所述研磨短节安装于所述传动中心轴上且位于所述下涡轮组转子的下端；

所述第一下涡轮组外壳和所述下涡轮组固定套筒均开设有通孔。

所述的环空式降压工具，优选地，还包括上接头，与所述上涡轮组外壳可拆卸连接，所述上接头内开设有渐缩管流道，以提高流体流量。

所述的环空式降压工具，优选地，所述上接头的渐缩管流道为文丘里管形流道。

所述的环空式降压工具，优选地，所述固定套包括上涡轮组上固定套和上涡轮组下固定套，二者均与所述传动中心轴同轴设置，所述上涡轮组定子装配在所述上涡轮组上固定套与所述上涡轮组下固定套之间，所述上涡轮转子由所述上涡轮组固定套与所述套筒进行轴向定位。

所述的环空式降压工具，优选地，所述上涡轮组件还包括上涡轮组压盖，所述上涡轮组压盖安装在所述传动中心轴第一端的内部空腔中，用于对所述上涡轮组转子以及所述传动中心轴进行轴向定位。

所述的环空式降压工具，优选地，所述上涡轮组件还包括扶正轴承和扶正轴承固定套，所述扶正轴承套设在所述传动中心轴上且固定在所述上涡轮组下固定套的下端，所述扶正轴承固定套亦套设在所述传动中心轴上，对所述扶正轴承起轴向定位作用。

所述的环空式降压工具，优选地，所述密封装置包括橡胶环形密封圈、活塞杆和活塞缸，所述橡胶环形密封圈安装于所述活塞杆上，所述活塞杆安装于所述活塞缸20中。

所述的环空式降压工具，优选地，所述研磨短节为中空筒状结构，其外壁周向方向均匀间隔布置有若干沿其轴向延伸的肋条。

所述的环空式降压工具，优选地，所述肋条沿其长度方向的横截面成梯形。

所述的环空式降压工具，优选地，相邻所述肋条之间形成流道，所述流道为直流道或渐缩流道。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本发明提供的降压工具，能够有效降低井底井筒内钻井液环空当量密度、增加钻井液返回速度、能够研磨上返的循环液中所夹带的岩屑、防止流体出口堵塞，提高钻井安全性和效率。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的具有双涡轮结构的环空式降压工具示意图；

图2为本发明该实施例提供的密封装置工作时的三维示意图；

图3为本发明该实施例提供的密封装置不工作时的三维示意图；

图4为本发明该实施例提供的密封装置工作时的局部放大结构图；

图5为本发明该实施例提供的密封装置不工作时的局部放大结构图；

图6为本发明该实施例提供的研磨短节的不同形式流道图；

图中各标记如下：

1-上接头；2-上涡轮组外壳；3-上涡轮组上固定套；4-上涡轮组压盖；5-上涡轮组定子；6-上涡轮组转子；7-传动中心轴；8-上涡轮组下固定套；9-套筒；10-扶正轴承；11-扶正轴承固定套；12-第一下涡轮组外壳；13-下涡轮组固定套筒；14-第二下涡轮组外壳；15-下涡轮组定子；16-下涡轮组转子；17-橡胶环形密封圈；18-研磨短节；19-活塞杆；20-活塞缸；21-下接头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

深水钻井目前面临着压力窗口窄，压力控制难度大等问题。针对该难题，采用的技术有空心球双梯度或多梯度钻井以及降压工具。对于空心球双梯度或者多梯度钻井，该套系统需要额外配备多套设备，并且需要实现对空心球的高效分离才能达到较为理想的效果，成本比较高，并且分离技术也有待提高。而目前的降压工具，多数采用的是井下泵或者旋转叶片等机构为上返流体提供动力实现降压，或者是单独通过小喷嘴产生文丘里效应，实现高速射流喷射，从而实现降压。前者所提到的降压工具内部多为旋转运动部件，在井下特殊的工况下容易磨损，使用寿命短，并且安装比较复杂。后者提到的降压工具单纯的使用小喷嘴虽然从实验的结果来看，可以起到降压的效果，但是实验使用的流体为清水，远达不到井下钻井液包含大量岩屑的情况，所以实际工作时容易导致喷嘴堵塞，从而影响正常的钻井工作。

基于上述问题，本发明提供一种具有双涡轮结构的环空式降压工具，该工具能够有效降低井底井筒内钻井液环空当量密度、增加钻井液返回速度、能够研磨上返的循环液中所夹带的岩屑、防止流体出口堵塞，提高钻井安全性和效率。

如图1所示，本发明所涉及的具有双涡轮结构的环空式降压工具，包括上接头1、上涡轮组外壳2、上涡轮组上固定套3、上涡轮组压盖4、上涡轮组定子5、上涡轮组转子6、传动中心轴7、上涡轮组下固定套8、套筒9、扶正轴承10、扶正轴承固定套11、第一下涡轮组外壳12、下涡轮组固定套筒13、第二下涡轮组外壳14、下涡轮组定子15、下涡轮组转子16、橡胶环形密封圈17、研磨短节18、活塞杆19、活塞缸20和下接头21。

具体地，上接头1和上涡轮组外壳2通过螺纹连接，上接头1内有渐缩管流道用于提高流体流量；上涡轮组外壳2安装于上接头1与第一下涡轮组外壳12之间，与第一下涡轮组外壳12通过螺纹连接；上涡轮组上固定套3位于上涡轮组外壳2内部且与传动中心轴7同心，用于在轴向方向固定上涡轮组定子5；上涡轮组压盖4安装于传动中心轴7(中空环形轴)上端内部空腔中，对上涡轮组转子6有轴向固定作用；上涡轮组定子5安装于上涡轮组上固定套3与上涡轮组下固定套8之间，对钻井液有导流作用，用于将高压钻井液导向上涡轮转子6；上涡轮转子6由上涡轮组固定套3与套筒9轴向定位，上涡轮转子6将钻井液的动能转化为传动中心轴7的机械能；传动中心轴7位于上涡轮组外壳2、第一下涡轮组外壳12、第二下涡轮组外壳14、下接头21内部，由上涡轮组压盖4与下接头21进行轴向定位，其上开有供钻井液通过的通孔。

上涡轮组下固定套8对上涡轮组定子5与扶正轴承10有轴向固定作用；套筒9对上涡轮组转子6与扶正轴承10有轴向固定作用，其上有开孔可供钻井液进入传动中心轴7；扶正轴承10限制传动中心轴7的轴端径向摆动超限；扶正轴承固定套11对扶正轴承10起轴向定位作用。

第一下涡轮组外壳12与上涡轮组外壳2通过螺纹连接，其上开有通孔可供第一下涡轮外壳12内的钻井液从开孔流出进入外部环空；下涡轮组固定套筒13其作用是对下涡轮组定子15进行轴向固定，其上有开孔可供第一下涡轮外壳12内的钻井液从开孔流出进入外部环空；第二下涡轮组外壳14与第一下涡轮组外壳12通过螺纹连接，其上有开孔可供外部环空内的钻井液由开孔进入第二下涡轮外壳14；下涡轮组定子15利用下涡轮组固定套筒13与研磨短节18进行轴向定位，下涡轮组定子15起到导流的作用，将钻井液导向下涡轮组转子16；下涡轮组转子16利用下涡轮组固定套筒13与研磨短节18进行轴向定位，其将传动中心轴7的机械能转换为钻井液的动能。

如图2、图3所示，橡胶环形密封17安装于活塞杆19上，通过活塞杆19的推动与第二下涡轮组外壳14把外部环空分割为上、下两个外部环空；研磨短节18安装于传动中心轴7上；活塞杆19安装于活塞缸20中，通过钻井液的压力推动其进行平移运动；活塞缸20通过第二下涡轮组外壳14上的开孔使钻井液进入其内部，从而推动活塞杆19；下接头21与第二下涡轮组外壳14通过螺纹连接。

如图1所示，上涡轮组由上涡轮定子5与上涡轮转子6组成，上涡轮定子5作用是改变流体介质的流动方向,上涡轮转子6作用是通过叶片与钻井液的相互作用将钻井液的动能转换为传动中心轴6的机械能。

如图1所示，下涡轮组由下涡轮定子15与下涡轮转子16组成，传动中心轴7旋转带动下涡轮转子16旋转从而对井底钻井液从外部环空通过第二下涡轮组外壳14上的开孔抽吸进其内部，随后钻井液通过第一下涡轮组外壳12与下涡轮组固定套13上的开孔进入外部环空，从而实现降低当量循环密度。

如图2、图3所示，密封装置由橡胶环形密封17、活塞杆19、活塞缸20组成，第二下涡轮组外壳14上有开孔可供钻井液从内部环空进入活塞缸20，钻井液进入活塞缸20时，密封装置启动，钻井液的液压推动活塞杆19向上运动，橡胶环形密封圈17安装于活塞杆19上，当活塞杆19在活塞缸20中运动至极限位置时，橡胶环形密封圈17与第二下涡轮组外壳14形成完全密封，当工具不工作时，钻井液不进入活塞缸20，则密封装置不产生密封作用。

进一步地，如图6所示，研磨短节18可对钻井液从井底携带的岩屑进行研磨，从而使第一下涡轮组外壳12上的开孔不易堵塞。在本实施例中不对研磨短节18进行限制，参照附图4、5是本领域常用的研磨短节的剖面图，参照附图6研磨短节的流道形式可以是直流道或者渐缩流道形式。

如图1所示，钻井液由上接头1进入工具内部，通过上涡轮组定子5整流后流经上涡轮组转子7并带动其旋转，随后通过套筒9上开孔进入传动中心轴7内部并通过下接头21流出同时进入外部环空，由于上涡轮组转子6带动传动中心轴7旋转，下涡轮组转子16位于传动中心轴7上并随之转动，使钻井液由外部环空通过第二下涡轮组外壳14开孔进入工具内部，经过研磨短节18最后从第一下涡轮组外壳12和下涡轮组固定套筒13上开孔再次进入外部环空，从而降低井底压力并降低井底井筒内钻井液环空当量密度。

与现有技术相比，本发明的降压工具能够有效降低井底井筒内钻井液环空当量密度、增加钻井液返回速度、能够研磨上返的循环液中所夹带的岩屑、防止流体出口堵塞，提高钻井安全性和效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。