一种高速涡轮钻具涡轮节

摘要

本发明涉及一种石油勘探领域、特别适于深井、定向井的高速涡轮钻具涡轮节，包括有壳体，壳体内穿装有涡轮轴，涡轮轴上下分别连接花键轴和花键套，在涡轮轴和壳体内腔之间的环形流道中沿轴向安设有涡轮组件和扶正轴承，在涡轮轴的下方安设轴承组，其特征在于在涡轮轴的下方轴承组的上部安设有液力平衡组件，涡轮轴开设上下贯通的中心通孔，在涡轮轴的上方开设与中心通孔连通的上径向通孔，使中心通孔与壳体内腔上方相连通，在涡轮轴的下方对应于液力平衡组件开设有与中心通孔相导通的下径向通孔。本发明改善了涡轮节流道，降低涡轮钻具的压耗，提高涡轮钻具的整机效率；同时改善涡轮轴和球轴承组的止推受力状况，提高了涡轮钻具的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油勘探领域、特别适于深井、定向井的高速涡轮钻具涡轮节，属于石 油机械设备技术领域。

背景技术

在石油勘探开采等领域应用的涡轮钻具是利用钻井液的动能转换成机械能，带动钻头旋 转破岩的。由于早期钻井设备水平不高，涡轮钻具的压降一般要求较小。随着PDC钻头技术 的发展，高速涡轮匹配钻头成为可能。为了提高涡轮的输出性能，有必要提高涡轮的排量， 从而提高钻井液的机械能。而随着钻井泵提供的泵压越来越高，以及高速涡轮钻具的应用， 涡轮大排量导致了高压降，涡轮压降高不仅导致钻井泵的负载过大，也会影响涡轮钻具的机 械效率。提高涡轮钻具整机效率的关键在于降低钻井液在涡轮钻具中的压力损失，即降低涡 轮压降。涡轮压降主要包括钻井液经过涡轮定、转子造成的压力损失和经过流道其他部分的 压力损失。涡轮定、转子的压力损失和叶片的水力性能相关，而其他部分的压力损失则与流 道结构有关。现有涡轮节的流道结构，由于过流面积变化剧烈，造成压力损失较大，降低了 涡轮钻具的效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足而提供一种不同流道结构 的高速涡轮钻具涡轮节，使钻井液过流面积变化平缓，降低压耗，提高涡轮钻具的整机效率。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

包括有壳体，壳体内穿装有涡轮轴，涡轮轴上下分别连接花键轴和花键套，在涡轮轴和 壳体内腔之间的环形流道中沿轴向安设有涡轮组件和扶正轴承，在涡轮轴的下方安设轴承组， 其特征在于在涡轮轴的下方轴承组的上部安设有液力平衡组件，涡轮轴开设上下贯通的中心 通孔，在涡轮轴的上方开设与中心通孔连通的上径向通孔，使中心通孔与壳体内腔上方相连 通，在涡轮轴的下方对应于液力平衡组件开设有与中心通孔相导通的下径向通孔。

按上述方案，所述的所述的涡轮组件沿轴向设置70～130级，每级涡轮组件由一对涡轮定 子和涡轮转子组成。

按上述方案，所述的液力平衡组件包括壳体内腔设置的静环座，静环座通过弹簧安设静 环盘，静环盘的上端面与套装在涡轮轴上的动环盘相配置，静环盘的内孔与套装在涡轮轴上 的动环隔套相配置，所述的动环盘下端面设置环槽，环槽通过连接通孔和下径向通孔与涡轮 轴的中心通孔相连通。

按上述方案，所述的液力平衡组件沿轴向安设有1～4个。

按上述方案，所述的上径向通孔开设在在最上4级涡轮组件的下部。

按上述方案，在花键套的内腔上方与涡轮轴的连接处设置滑套阀，滑套阀开设径向阀孔 与花键套上开设的泄压通孔相对应，当滑阀套处于开启位时通过滑阀套使涡轮轴的中心通孔 与环形流道的下方相导通。

本发明的有益效果在于：1、在高转速、重载荷的工况下，通过在涡轮轴下方设置液力平 衡组件和涡轮节流道的改变，使得占总流量5％左右的一小部分钻进液通过涡轮轴中心通孔经 液力平衡组件到达涡轮节下方，由此改善了涡轮节流道，使钻井液过流面积变化平缓，降低 涡轮钻具的压耗，提高涡轮钻具的整机效率；2、由于前后压差的降低，使得涡轮轴的轴向推 力相应减小，作用于球轴承组上的轴向推力也相应变小，从而改善涡轮轴和球轴承组的止推 受力状况，提高了涡轮钻具的使用寿命。3、涡轮节停止工作时，阀式花键套中的滑套阀处于 开启位，钻井液从泄压通孔流出，可起冲刷、清洁涡轮轴内腔的作用。

附图说明

图1为本发明一个实施例的上半部分正剖视结构图。

图2为本发明一个实施例的下半部分正剖视结构图。

图3为本发明一个实施例中液力平衡组件的正剖视结构图。

图4为图3中的A-A剖面图。

图5为本发明一个实施例中液力平衡组件中静环座的轴向视图。

图6本发明中一个实施例中轴承座端面的轴向视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。

包括有管状的壳体13，壳体的两端分别设置具有内锥螺纹的上接头1和具有外锥螺纹的 下接头24，壳体内穿装有涡轮轴12，涡轮轴的上下端分别螺纹连接花键轴2和花键套21， 在涡轮轴和壳体内腔之间的环形流道中沿轴向安设有涡轮组件和扶正轴承9，所述的涡轮组 件沿轴向安设有90级，最上的涡轮组件设置4级，最上4级涡轮组件起过滤泥浆杂质防止上 径向通孔堵塞的作用，扶正轴承沿轴向安设2-4付，在涡轮轴上平均间隔分布；每级涡轮组 件由一对涡轮定子8和涡轮转子7组成，涡轮定子通过上调整套4、分流隔套6和间隙调整 套11固定在壳体内腔，涡轮转子和扶正轴承通过上调整圈3、分流轴套5和间隙调整隔圈10 固定在涡轮轴上。在涡轮轴的下方通过轴承座18安设球轴承组17，球轴承组的轴向通过动 环隔套29和下调整套19固定在涡轮轴上，轴承座的上下通过静环座25、下导流套15和下 调整套20定位；球轴承组也可以换成金刚石滑动止推轴承组，这样可以减小涡轮节长度，提 高涡轮节的使用寿命。在球轴承组的上部安设有液力平衡组件14，所述的液力平衡组件包括 壳体内腔安设的静环座25，静环座内孔通过碟形弹簧28安设静环盘27，静环盘外周开设的 周向定位槽，与径向安设的定位螺钉30相配置使静环盘周向定位，静环盘的上端面与套装在 涡轮轴上的动环盘26下端面相配置，静环盘的内孔与套装在涡轮轴上的动环隔套29相配置， 动环盘通过动环隔套压紧，所述的动环盘下端面设置环槽，环槽通过连接通孔和下径向通孔 与涡轮轴的中心通孔相连通，所述的涡轮轴开设上下贯通的中心通孔，在涡轮轴的上方开设 与中心通孔连通的上径向通孔16，所述的上径向通孔开设在最上4级涡轮组件的下部，上径 向通孔为2～4个，沿周向均布，套装在涡轮轴上的分流轴套5对应上径向通孔开设一圈通孔， 使中心通孔与壳体内腔上方相连通，在涡轮轴的下方对应于液力平衡组件开设有与中心通孔 相导通的下径向通孔36，所述的液力平衡组件沿轴向安设有3个，每个液力平衡组件对应一 圈下径向通孔；在静环座25外周环形槽32两端面的支撑筋上开设圆孔，圆孔中插入柱销31， 使上下相连的三个静环座的环形槽和支撑筋33对中，以保持环形流道的畅通。静环座下端轴 承座结构与静环座相近，外周环形槽35的两端面设置有支撑块34，上端面的支撑块上上开 设圆孔插入柱销31，与静环座的下端面的连接并对中，保持轴承座环形流道的畅通。在花键 套21的内腔上方与涡轮轴的连接处设置滑套阀，所述的滑套阀包括花键套内腔开设的阀孔， 阀孔中配置滑套阀芯22，滑套阀芯下部配置回位弹簧23，通过花键套和涡轮轴的螺纹联接， 将滑套阀芯和回位弹簧预紧，滑套阀芯开设径向阀孔37与花键套上开设的泄压通孔38相对 应，当滑阀套处于开启位时通过滑套阀使涡轮轴的中心通孔与环形流道的下方相导通。涡轮 节停止工作时，滑套阀处于开启位，钻井液从泄压通孔流出，起冲刷、清洁涡轮轴内腔的作 用；涡轮节工作时，回位弹簧受压，花键套上的泄压通孔关闭。

本发明的涡轮节工作时，钻井液经过最上4级涡轮组件后，通过分流轴套5和涡轮轴上 的孔，一部分进入涡轮轴中心通孔，在滑阀套关闭的情况，形成高压区；而另一部分通过下 组多级涡轮组件后压降减小形成低压区。钻井液通过液力平衡组件，由高压区向低压区泄流， 一方面提高了低压区的压力，减小了前后压降，另一方面产生与涡轮轴轴向水推力反向的推 力，可以减少球轴承组止推承受的轴向负荷。涡轮节工作时，流经涡轮轴内中心通孔的钻井 液只占总流量的5％左右，钻井液主要从涡轮轴与壳体间的环形流道中流动。涡轮的过流面积 为A₁，液力平衡组件中静环座的环形槽面积为A₂，轴承座的环形槽面积为A₃。使A₁＝A₂＝A₃， 或过流面积相近，则钻井液的过流面积变化较为平缓，压力损失减少，可相应地降低涡轮压 降。