专利名称：带有润滑流体限流器的高压井下螺杆钻井设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及高压井下螺杆钻井设备，该设备由一般称为“泥浆”的高压钻井液驱动。具体来说，本发明涉及一种带流体限流器的设备，该限流器允许少量泥浆通过以便润滑轴承，同时调节限流器两端的压力差。上述流体限流器可以由流体限流器和液力径向支承组合而成，该液力经向支承用于支承井孔内的螺杆钻井设备的钻井驱动轴。本发明还涉及流体限流器，它们可以与已知的径向和止推轴承联合起来使用。
螺杆或Moineau型井下马达在钻油、气井上已经有多年应用。这种装置的结构及其操作在许多文献中有所记载，例如Moineau的美国专利2，892，217(1932年);Berryman的美国专利3，840，080(1974年);Sims等人的美国专利4，080，115(1978年);Tschirky等人的美国专利4，329，127(1982年);Geczy的美国专利4，632，193(1986年);以及Eppink的美国专利4，679，638(1987年)。这些装置都有一条单独的轴，该轴呈一条或多条螺旋形，并安装在柔性加衬管的腔中。这条螺旋线的基轴构成了轴的真正中心。该轴的真正中心与车床或机械中心重合。加衬的腔的形状为两条或多条螺旋(比轴多一条螺旋)，其长度为轴螺旋线的螺距的两倍。轴和壳体中的一个被固定住不允许转动;未固定的部分相对于固定部分转动。这里的转动一词指的是螺杆装置的未固定部分的正常运动。在这种转动过程中，轴和壳体共同构成一系列的封闭腔，这些封闭腔相对差180°。当一个腔的容积增大时，其相对的腔精确地以相同的速率缩小容积，因此，两腔的容积之和保持恒定。
当高压钻井液或“泥浆”泵入螺杆装置的一端时，转子能够转动，使腔渐进，这些腔最后允许液体离开螺杆装置。只要在螺杆装置两端存在较大的液体压力差，转子就会在定子中转动。
转子的这种转动实际上是十分复杂的运动，转子在转动的同时还要相对于定子作横向移动。一次完整的转子转动将使转子从定子的一侧运动到另一侧，然后再回到原位置。当然，转子的直正中心将随转子一齐转动。但是转子中心的转动与转子转动方向相反而速度相同，作螺旋运动(即，逆轨道)。这样，转子的驱动运动同时是转动，振动和逆轨道。
鉴于转子运动的复杂特性，螺杆装置必须带有一个用来驱动钻轴的联结器。万向联结器一般被用来把复杂的转子运动转化为钻轴的转动。但是可以肯定，申请人的申请日为1989年10月11日，名称为“螺杆驱动系统”，申请号为8.N.07/420，019的待审申请中描述的螺杆装置具有改进的效果。无论如何，在驱动钻轴时，一个螺杆驱动系统必须至少包括一个转子，一个定子和一个联结器。
典型的井下螺杆钻井设备还包括一与常规的钻柱相联的套管，该钻柱由钻铤和若干钻杆组成。该套管具有一条通道，高压钻井液可以经该通道流至螺杆装置的进口，钻柱一直延伸到地面，一般与安装在钻机转动台上的方钻杆相接。
转子被联结到一根旋转的钻轴上。钻轴安装在套管的底部并在套管底部延伸，钻轴的下端安装有钻头。当钻轴转动时，钻柱的重量传递到钻轴上，帮助破碎坚硬的地层。为了消除钻轴与套管之间极大的摩擦力，在套管和钻轴之间设有轴承。
高压钻井液或“泥浆”经第一通道向下，再经钻柱泵入螺旋驱动系统。当钻井液向下泵入并通过定子时，转子被转动，驱动钻头。钻井液流过螺杆驱动系统的联结器后，直接进入钻轴内部的通道，在那通过钻头的几个喷嘴喷出，其作用是除去岩屑，并把岩屑带到地面上来。然后，高压钻井液从井底经过钻柱与井孔壁之间的环形空间流回到地面上。
由于钻井液及其污染会损害轴承的功能和寿命，人们希望消除或控制流过轴承的钻井液流。在多数螺杆装置中，密封被用于把钻井液导入钻轴的内部通道中，如前面所述，这是为了把钻井液引导到钻头上。另外，流体转换密封也能阻止钻井液流入轴承，并且允许对轴承进行油润滑以延长寿命。但是这种设计存在缺陷，其中的缺陷之一是由于密封两侧存在极大的压力差(范围在500P.S.I至2000P.S.I)而引起的。为润滑钻轴的轴承，需要设置一个单独的润滑液源。所需的压力补偿装置和补偿液贮存器使设计变得复杂化，产生功能问题，增加了初期投资和保养费用。另外，有效的密封经常导致扭矩的损失，当发生故障时维修费用昂贵。
还有另一种方案，利用钻井液来润滑轴承。在这种结构中，采用了一个流体限流器，用以代替密封件，从而把液体直接引入到钻轴的内部。该流体限流器将大部分液体引导进钻轴中，但在得到适当的控制时，它也允许少量钻井液通过，在钻井液进入钻头之前，先润滑和冷却径向和止推轴承。流体限流器控制着流过轴承的钻井液数量。过去，典型的流体限流器是一个单独的部件。流体限流器通常包括一系列紧配合和硬化处理的环或者包括一个机械表面密封。人们已经发现，让钻井液有控制地流过轴承与用密封阻止液流相比，保养费用低并且较少发生灾难性事故。
本发明人已经发现，他以前发明的某些径向轴承在用于支承钻轴时也具有流体限流作用。这些兼有流体限流器和径向支承作用的轴承的使用已经带来了优越的效果，与常规流体限流器相比大大降低了成本。美国专利第4，515，486和4，526，482号描述了这类轴承。在其他领域人们也作过类似的尝试，想设计出一种兼备支承作用的流体限流器。例如Garrison的美国专利3，456，746号揭示了一些有黄铜支承的轴承，黄铜支承带有橡胶或塑料套，套上沿轴承的长度方向开有纵向槽。
当把本发明人先前获得专利的轴承结构作为流体限流器用于某些场合时，例如最近介绍的用于高流量，高压力降钻井时，会出现一些问题。在这些装置中总流体静压头的范围是20，000至50，000P.S.I.，这些新型钻井设备之一的钻头上压降可以高达1000至2000P.S.I.。这样大的压降加在轴承上，结果使流过流体限流器的液体以极高的速度流动。这样高的速度(约100英尺/秒)将导致紊流。操作仅几小时之后，紊流就冲蚀了轴承槽。人们知道，液体流过流体限流器的槽的流速是槽的长度和尺寸的函数。因此，在以前的低压应用场合里，轴承上的大尺寸纵向槽能够保持流动处于层流区。然而，为了适应新的高压降应用场合，这种轴承将不得不比现在使用的轴承大得多(约长10倍)。这将大幅度增加制作和使用费用。
最后还应指出带螺旋槽的轴颈也是公知的。Lebesherdis的美国专利1，733，416给出了一种组合轴承和带螺旋槽的密封轴，螺旋槽的外表面带有润滑液。但是该螺旋槽并不是用在流体限流器上。Benedek的美国专利1，961，029号揭示了一种带螺旋槽的液力轴承，但是该文献既没有揭示也没有建议把该轴承用于处在高压环境中的流体限流器。最后，Buffington等人的美国专利2，397，124讨论了一种带有两条相反的宽螺旋槽的液力轴承，但尚未认识到该轴承用于流体限流器。
本发明消除了前面提到的已知高压螺杆钻井装置上的流体限流器腐蚀问题。具体来说，本发明提供了一种高压螺杆钻井设备，它带有能够耐高压降的流体限流器。该钻井设备包括一个钻头，一个钻头驱动轴，一螺杆驱动系，一根套管，一个止推轴承以及流体限流器。
钻头带有一个切割头和至少一个高压流体出口。钻头驱动轴与钻头相联结并有一个贯穿其中的纵向孔，该孔与钻头的液体出口相通。
螺杆驱动系驱动钻头驱动轴并且包括一个具有真中心的转子，一个定子和一个把转子联接到钻头驱动轴的联结器。定子和转子各自具有相互作用的螺旋凸起，它们在任一横截面上都相互接触。定子的螺旋凸起比转子多一个，以便在定子和转子之间限定出若干腔。转子适于在定子内转动，使其真中心沿定子的轴线运动，从而使上述腔沿定子的轴线方向前进。
套管包裹着螺杆驱动系和钻头驱动轴的至少一部分。第一液体通道从地面延伸到螺杆驱动系，把钻井液从高压液源送到螺杆驱动系。通过螺杆驱动系的液流驱动转子转动，这种转动借助于联结器传递到钻头驱动轴上。第二液体通道在螺杆驱动系和钻轴纵向孔之间提供液体联系。一个止推轴承组件占据着套管与钻头驱动轴之间的空间。一个流体限流器设置在钻轴纵向孔入口和止推轴承之间，把高压液体转引到第二通道中。
根据本发明的一个重要方面，径向支承和流体限流功能可以同时提供，或者说由流体限流器的不同部分来提供。流体限流器的径向支承部分可以设计使其具有液力轴承的功能。例如设置凸起的轴支承表面就可以起到轴承的作用。这些表面的下部分可以切去一些，以便增加它们的径向和周向挠性，这样，它们的作用就如同一种安装在支承表面上的梁。
流体限流器包括一个环形体，它具有一个环绕钻轴的内圆周表面和一个装于套管中的外圆周表面，以及一个在内、外圆周表面之间径向延伸的流体限流表面，用于大大减少钻轴与套管之间的液体流量。流体限流器还包括一条槽(一般为螺线形和/或螺旋形)，该槽与环绕流体限流器的流体限流表面有液体相通;还可以包括一个径向支承表面，用于支承钻轴的转动。上述螺旋槽可以开在径向支承表面上，以允许少量高压液体穿过流体限流器，去润滑止推轴承。作为替代方案，螺旋槽和径向支承表面也可以是流体限流器的两个分离部件。
流体限流器的螺线或螺旋槽大大延长了发生压降的流程长度。在理想情况下，槽中液体的最大速度与压降成正比例，而比槽的长度成反比便。由于螺旋槽的长度可以是纵向槽的许多倍(对一给定的纵向轴承长度来说)，流速可以被显著地降低，经常是从紊流区降至层流区。槽的截面尺寸与形状可以是任意的，槽的尺寸和形状影响着在槽内以已知方式流动着的液体的流动性质。
本发明的流体限流器上设置有螺线或螺旋槽路，由于这种设计的优点，流体限流器每单位长度上的槽长比现有技术的纵向槽有大幅度增加。因此，槽内的液体流速被降低，流体限流器能够适应较大的压降。
当流体限流器具备径向轴支承结构时，还会带来其他优点。最值得一提的是，这种结构不再需要单独的径向轴承。这种结构与以前用于螺杆钻井设备的径向轴承相比，价廉，可靠和耐久，因此，能大大减少钻井停机时间。另外，这种设计促使液体流入槽之间的轴承区，增加沿轴的润滑，从而减少了磨损。在螺杆钻井装置操作期间，本发明还在钻轴与套管之间提供流体限流和润滑作用。
本发明的流体限流器可以用金属例如碳化钨或者用弹性材料例如腈制作。该流体限流器既可以安装在金属支承上又可以直接安装在钻井装置的套管上。与流体限流器同时用作径向支承时，它占据着钻轴与支承(或套管)之间的空间，其取向与钻轴的纵轴线方向一致。
本发明还增强了对钻轴轴承的润滑。由于沿着螺旋槽的长度存在着压降，在相邻槽部分之间或者在接受来自槽的不同部分的液体的相邻腔室之间，存在一个压力梯度。由于压力梯度的优点，流体被引入到流体限流器和钻轴之间，进而润滑该表面并减少磨损。应注意，无槽区的较紧的间隙把液体流动保持在层流范围内。
最后，本发明的钻井设备还可以进一步改进，改进途径是采用申请人的申请日为1989年10月11日，申请号为S.N07/420，019的待审申请所描述的那种螺杆驱动系，并采用申请人的美国专利4，676，668所描述的那种止推轴承结构。
下面结合附图详细说明本发明的其他目的、特征和优点
图1是本发明用于螺杆钻井设备的一个实施例的整体结构的局部剖视图。
图2是图1结构的部分剖视图。
图3是本发明的第一实施例所使用的流体限流器的详细结构示意图。
图4是本发明另一实施例的局部剖视图。
图5是本发明第二实施例使用的流体限流器的局部剖视示意图。
图6是本发明第二实施例使用的流体限流器的轴向横截面局部图。
图7是本发明的另一实施例的横截面图。
图8是沿图7所示线剖开的流体限流器的轴向横截面图。
图1表示本发明的螺杆钻井设备的整体结构。该钻井设备工作时带有一个高压钻井液源(典型的钻井液是带有悬浮颗粒的水或油，一般称之为“泥浆”)。该钻井设备包括一个钻头26，钻头上方有一空心钻轴16，在该钻轴的上面设置有一螺杆驱动系A，轴套管10从钻井设备的顶部一直延伸到钻头上，还有一个带有上部分18a的联结器18。在叙述本发明的钻井设备时，人们应能理解，词语上和下指的是习惯上的钻机在正常使用时各部件之间的相对位置，在组成钻井设备的那些部件中，钻头是最下端的部件。
如图1所示，螺杆驱动系A包括一个马达，该马达有定子，转子，一条让液件进入定子和转子之间的通道，以及一条让液体从其中流出的通道。在图中，套管10及其柔性衬垫14保持不动，作为装置A的定子，而轴12作为转子。套管10呈管状，实际上它是钻柱的尾部，或者安装在钻柱尾部上。典型的套管是一条由若干段或若干部分相互联接形成的连续的管。每一段管子都是空心的并且有一内表面。套管的内部与衬垫14顶部的入口11相通，从而构成一条通道17，让高压液体进入螺杆装置。液体由出口20排出。轴12被精确地控制，以便在衬垫14中转动。螺旋轴12与联结器18a的上部相连。
螺杆装置被安装在钻柱15的下端，钻柱15具有一条内部通道，允许高压钻井液从地面输送到螺杆装置中。
螺杆驱动装置还进一步包括一个联结器，用于将受精确控制的转动转换成钻头驱动轴16的旋转运动。一般来说，万向节联结器就可用来实现上述目的。但是可以肯定使用1989年10月11日申请的序号为07/420，019的待审申请所揭示的螺杆装置可以获得更好的结果。这种螺杆装置包括一个凸轮联结器，相信该联结器提供了优越的性能。还有许多其他种类的联结器，例如齿轮系也可以用作联结器。显然，无论如何钻井设备的螺杆驱动系统都必须包括某种机构，能将复杂的转子运动转换成钻轴的转动，即联结器。
套管10必须与联结器部分18a和18b间隔开，以便在联结器和输送钻井液的套管之间形成一条通道或腔22。根据所用联结器的特性，把联结器包在一个橡胶罩或类似物中，这样就可以指望把联结器与钻井液密封隔开。
图2A和2B表示本发明的钻井设备的第一实施例的下部。如图所示，钻井设备使用了一个万向联结器，其下部表示为18b。联结器18b的下部用螺纹或类似方式安装到钻轴联结器19的上端。钻轴联结器19的下端，如图2A所示，与钻轴16组成一体，或者可以容纳钻轴16。如图2A所示，钻轴联结器19和钻轴16都是空心的，即具有纵向的孔。钻轴16上的纵向孔25的上端与钻轴联结器19的内部19A相通。套管10可以由若干段或者干部分管子(例如管行)构成。该套管与钻机部件，例如联结器，间隔开来。该联结器沿钻井设备的长度方向有一条液体通道，高压钻井液可以流过其中。
若干小孔或通道24穿过钻轴联结器19，允许钻井液从套管10和联结器18之间的通道或腔流入钻轴联结器19的内部19A。
第一流体限流器42安装于小孔或通道24的下方，该流体限流器42在轴套管31的内部与钻轴16上的轴套24之间延伸，以便大大地限制流体通过套管10与钻轴16之间的通道。轴套34安装在轴16上，提供一个与流体限流器42接触的较平滑的表面，同时也提供了一个可更换的耐磨表面。当然，如果钻轴本身是足够光滑，或者不需要光滑表面时，该流体限流器42也可以直接与钻轴16接触。
如图2A所示，流体限流器42基本上阻塞了套管10的部分31与钻轴外表面之间的通道，该外表面由轴套34形成或者就是钻轴自身的外表面。这种阻塞使大部分高压液体经通道或孔24流入钻轴16的内部。但是，为了让钻轴16和轴套34(如果有的话)能够转动，就需要在流体限流器42和轴套筒34之间留有小的间隙，以便允许这些部件相对运动。另外，根据本发明，人们还能让少量的钻井液流过流体限流器，并润滑位于该流体限流器下方的轴承组件30。
根据图2A，2B和图3所示的本发明的第一实施例，流体限流器42的内表面(即与钻轴套34相接触的表面)上设有螺旋槽44。该流体限流器42的上端向外扩张，形成一条通道35。通道35将液体从钻轴联结器和套管10之间的通道19P中引流到螺旋槽44。因此，当流体限流器42缩窄液体通道使多数液体经过孔24流入钻轴16内部时，有少量液体被允许进入通道35，流过环绕流体限流器圆周表面的螺旋槽44，进入轴承组件30。
第一实施例的流体限流器42同时还作为钻轴16的径向支承。具体来说，流体限流器42的内表面上非螺旋槽的凸起处43构成了一个液力径向支承表面，用于支承钻轴16(最好通过轴套34)。为了形成这种液力支承，重要的是要在凸起部分43和被支承的钻轴部分(图示实施例中的34)之间产生一小层液体膜。由于流体限流器两端的压力降平均分布在螺旋槽的长度上，随之而来的是在轴向相邻的各螺旋槽之间存在一压力梯度。这种压力梯度的结果是，一部分液体流过没有槽的凸起部分。这种横贯凸起部分43的液膜构成了钻轴16的液力支承。同时，螺旋槽44的设置还允许一股液流穿过流体限流器42，这就确保了流体限流器内表面上沿轴向间隔的各点均有液体供应，因此保持了凸起部分43上的液膜。
流体限流器42可以用任何合适的材料制作。可以肯定，弹性材料如腈类或金属材料如碳化钨以及碳化硅都特别适合。流体限流器42可以直接制在套管的内表面上，也可以制成一个管形件，该管形件的外径尺寸与套管10的内表面相配合。
一个轴承组件设置在套管部分31和钻轴16之间。在图示实施例中，该轴承组件只包括若干止推部件30。由于图2所示实施例的流体限流器42具有径向支承作用，所以不再需要单独的径向轴承。当然，如果还需要附加10径向支承能力，也可以设置单独的径向轴承。
图2A和2B表示了一种常规的止推轴承布置形式，包括支承在轴承环23上的球体21。可以肯定，本发明人的美国专利4，676，668所揭示的止推轴承组件具有优越的效果。然而，本发明的钻井设备既可以包括这种形式的止推轴承组件，又可以使用其他任何需要润滑的止推轴承。
第二流体限流器42设置在轴承组件30的下方，限制钻井液流回到轴承组件中，在图2B所示的实施例中，这种流体限流器42的结构与设置在轴承组件上方的那个流体限流器相同。在第二流体限流器42的下方，钻轴16联接一个钻头26。在常规的方法中，流经钻轴16内部的高压钻井液与钻头上的喷嘴相通，高压钻井液从喷嘴喷出辅助钻进工作。
液体流经止推轴承30到下面的流体限流器42上的螺旋槽44中，然后液体从下面的流体限流器42的螺旋槽44引流到液体限流器的支承管31的外侧区域。
由于液体限流器42限制了套管和钻轴之间的通道里的流体，多数钻井液从螺杆出口20，经联结器腔22流入驱动轴联结器15上的孔24中。然后，这些液体经过钻轴16的纵向孔25流至钻头26，并由钻头26的喷嘴喷出。这种液流帮助从钻头上清除岩屑，并把这些岩屑带回地面。
在钻井操作过程中，一个适当的重量借助于止推轴承组30，从套管10，31及钻柱15传递到钻头26上。或者，在钻头从井孔中取出时，止推轴承组件将支承着套管中的螺旋轴12，联结器18，22，驱动轴16以及钻头26。钻轴16的横向运动由流体限流器的凸起部分43和附加的径向轴承(如果有的话)支承，该附加的径向轴承可根据需要而设置。
流体限流器42内部的螺旋形流体通道显著地增大了发生压力降的流程。例如流体限流器具有每英寸一槽的间距和五英寸的轴承直径，那么流体限流器的螺旋槽长度是同样长度的径向轴承的纵向槽长度的15.7倍。由于流速与槽长度直接成比例，流速将降低15.7倍。举例来说，150英尺/秒的紊流流速将被降低到10英尺/秒左右的层流流速，这就消除了紊流腐蚀因素。另外，由于沿纵向通道的各槽之间存在一压力梯度，液流流到整个支承表面，从而润滑该表面并进一步减少磨损。
图4-6示意出本发明的钻井设备的第二实施例。第二实施例与第一实施例的主要不同点在于流体限流器及轴承组件的结构不相同。其他零部件，如套管、螺杆驱动系、钻轴和钻头可以和图2和3所示实施例中的那些部件相同，因此，这里不再详细描述。
在图4-6中，以142表示改型的流体限流器结构。正如下面计论的那样，这种流体限流器142并没有为钻轴提供足够大的径向支承力，因此仍需要设置径向轴承。用130表示的轴承组件必须包括径向和止推两类轴承。
图4中没有显示特殊的轴承结构，因为本发明不需要使用特殊结构的轴承。本发明的钻井设备可以采用常规球型的径向和止推球轴承或者任何其他已知的，需要润滑的轴承，例如本发明人的偏转缓冲垫止推和径向轴承，这些轴承包括前述每一篇专利文献中揭示的那些轴承。无论采用哪种轴承，这些轴承都应该设置在上、下流体限流器142之间。
图5和6更详细地显示出流体限流器142的特殊结构。如这两幅图所示，流体限流器142包括一个与轴套管(或套)10固定联接的外径限流套145，及一系列与钻轴16接触的弹性指状物143。这些弹性指状物143与钻轴16及内径限流套150相连，并在轴向上互相间隔开，以便形成一系列相互间隔开的环形腔148。弹性指状物143在临近环形腔148的那一侧有削边143C。最上和最下面的弹性指状物143的外缘是直角边缘143S，用来防止钻井液或泥浆进入。换言之，这些平边在流体限流器的内径与钻轴之间构成了一个密封结构。
如前所述，图4-6所示实施例的流体限流器142基本上不具备径向支承功能。它仅被设计用来将流体量限制在润滑轴承组件130所需的数量上。由于流体限流器142没有径向支承作用，它必须适应钻轴的运动。为适应钻轴的运动，流体限流器必须允许钻轴相对于与之相接触的弹性指状物上下滑动，同时还要允许钻轴在指状物上转动及相对于流体限流器作径向移动。
为了适应这种运动，流体限流器142除弹性指状物143和外径限流套145之外还包括一个内径限流套150，一个嵌入式平面外垫圈或圆环组件152，以及若干内垫圈或圆环154。上述内垫圈或圆环154的至少一侧表面带有螺旋槽144(在图示的实施例中，两侧表面上均有槽)。内、外垫圈或圆环可以用任何适当的材料制成，例如可以采用金属，橡胶或复合物、例如涂覆橡胶的金属。
从图5可以特别清楚地看到，嵌入式平面垫圈152和槽垫圈154构成了一条迂回的液体流道，该流道盘绕在流体限流器的圆周上。该流道如图5中的箭头所示。如图5和6所示，流道包括若干个径向对准的部分。使流道在同一个轴平面上包括不只一条槽段。
内径限流套150包括若干流孔151，这些流孔将间隔开的系列腔148与迂回流道上的各点联通起来。该流道是由嵌入式圆环152和螺旋垫圈154限定的。正如上面讨论的那样，流体限流器的进、出口之间的压力差分布在整个流体限流器上。由于流孔151沿螺旋槽144限定的迂回通路设置在各间隔开的点上，从那些流孔送入腔148的液体的压力逐渐减少。换言之，最靠近流体限流器进口腔148中的液体压力大于下一腔148中的液体压力，而该腔的液体压力又依次大于再下一腔148的液体压力。于是，在接触钻轴的指状橡胶物143的每一表面之间都存在一压力梯度。这就保证了一股液流能够流到这些表面上，以润滑这些表面并减少指状橡胶物的磨损。
应当注意的是，这些垫圈154在每一表面上都有螺旋槽，这些垫圈154可滑动地插入平面垫圈152之间。这样，流体限流器的内圈可以相对于外圈移动，这就使该流体限流器能够适应钻轴16的某些偏心移动(径向运动)。
图6显示流体限流器的横截面，如图所示，这些槽严格来说并不一定非螺旋槽不可。这里只要求该槽具有若干条盘绕在流体限流器圆周上的圆周通道，以便迫使液体进入流体限流器，在每单位纵向长度上流过比较长的距离。在图示实施例中，液体必须绕轴循环两次才能通过每个垫圈154的一个侧面。因此，为了通过图5所示流体限流器的6个垫图，液体必须在进、出口之间绕轴循环24次。这样我们就很容易看出这种流体限流器142的流道长度大大超过已知的流体限流器的流道，因此，该流体限流器能适应很大的压降。
本发明的第二实施例的工作方式与前述第一实施例相同。具体来说，高压钻井液或泥浆从液源经套管10流入并通过螺杆驱动系统，带动钻轴转动，上部流体限流器142使大部分高压液体经钻轴16或钻轴联接器19上的小孔24流入钻轴里的孔25，并且最后流过钻头26上的喷嘴。与第一实施例相似，流体限流器142允许少量液体流入轴承组件130，此时，该组件130包括径向轴承和止推轴承，然后这部分液体经下部流体限流器142流入套管的内部。与第一实施例的流体限流器42的螺旋形流道44相比，流体限流器142的螺旋流道144大大增加了发生流体限流器压降的流程长度。另外，由于流速的减少与槽长度直接成比例。于是，通过流体限流器的液流的速度大大降低。
图7-8表示本发明的钻井设备的第三实施例。第三实施例与第一实施例的区别仅在于流体限流器的结构不同。其他部件，例如套管、螺杆驱动系统、轴承组件、钻轴以及钻头，可以与图2和3所示实施例中的那些部件相同，因此这里不再重复画出。
如图7-8所示，第三实施例的流体限流器不同于第一实施例的流体限流器。在第一实施例中流体限流器包括两个不同的部分，第一部分用于执行流体限流功能，而第二部分用于执行径向支承功能。但是，如图7所示的流体限流器包括一个流体限流部分242A和一个径向支承部分242B。这两部分最好用同种材料制造，最好有弹性，并可通过机械联锁件242i与刚性套管机械地连接。
流体限流部分242A的内表面(与轴套接触的表面)上带有一条螺旋槽244。流体限流器还包括一个进口通道235，用来把液体从钻轴联接器19和套管10之间的通道19P中导入到螺旋槽244里。虽然从图上看不出进口通道235能向外扩张以帮助液体导入，但是可以看到，图7所示的流体限流器242的限流部分242A与图2和3所示流体限流器十分相似。两者的主要差别是流体限流器242内表面上的无槽或凸起部分243要比图2和3实施例的相应部分43按比例薄得多。图7所示流体限流器的薄壁243没有多大径向载荷支承能力，因此在高压负载作用下，这些薄壁243将变形，以允许液体通过。
流体限流器242的径向支承部分242B由若干条轴向延伸槽264构成，这些槽也同时形成了若干相互间隔开的无槽或凸起部分263。径向支承部分242B的内表面上的无槽或凸起部分263具有液力径向支承表面，用以支承钻轴。最好参看图8，径向支承部分已被加工出所要求的精确的内径(I.D)。象任何液力轴承一样，径向支承部分的内径要设计得比被支承轴的外径稍微大一点，这样才能容纳支承钻轴的液膜。根据本发明的一个重要方面，凸起表面263的下部可以切去，使其作用类似一个安装有支承垫的衍梁。具体来说，最好参见图8，轴向槽264可带有切向或周向的延伸部分264U，从而切去了凸起表面263的下部。
轴向槽264和切向或周向延伸槽264U共同构成一垫支承结构，该结构外观是一连续的环，环上具有若干等间距设置的，向内延伸的支座。这样，切向或周向槽264U的存在使凸起表面263变成了悬壁梁式的支承，凸起表面263也分成了垫部分263P和支承部分263S。切去下部的支承部分263S可以比较容易地沿圆周方向发生偏移。在图8所示的实施例中，骨架支承部分构成了径向的刚性垫支承部分，这样，径向支承轴承在径向上就不太容易被压缩。
当图7和8所示的径向支承带有内轴向槽264和切向或周向槽264U(如图8)时，沿周向间隔设置的支承部分263和支承它的弹性体连续环的作用如同一个杆系，在有负载时适于发生偏移。具体来说，图8所示的径向支承部分242B包括八个支座式支承物263S。垫部分263P起周向梁的作用，支承在径向延伸的由支承部分263S构成的支座式横梁上。连续的弹性环的作用如同一组互相连接的切向或周向外梁。有负载时，这个杆系发生偏移，偏移量根据负载大小、支承结构采用的材料种类和尺寸，及槽264和264U的间距而确定。
流体限流套242最好用非牛顿流体材料如橡胶制作。因此，垫263P和支承部分263S在加载时以可确定的方式流动。在典型的使用情况下，该径向支承要承受钻轴重量引起的径向载荷和钻轴转动所产生的剪切载荷。由于在正常使用过程中径向支承由管210在径向上予以加强，因此构成径向支承的流体材料在径向上是几乎不可压缩的。但是，只有当支承部分的非牛顿流体材料在径向上得到了套管的加强时，才会发生这种情况。然而，切去下部的垫263P部分在径向上并没有被上述套管加强，因此，这部分承受径向偏移，这种偏移能导致非牛顿流体材料的流动。
由套管210在径向上整体加强的径向支承部分在径向上是几乎不可压缩的。径向载荷由凸起表面263P与转动轴之间的液膜吸收。另一方面，由于有内轴向槽264及其周向延伸部分264U，凸起表面部分263P和支承部分263S都没有相应于转动轴施加的剪切载荷作周向加强。进一步来说，由于存在切去部分264U，象梁的部分263P的圆周端在径向上未被支承。另外，正如前面讨论的那样，在钻轴的凸起部分263P的径向内表面之间存在一个小间隙。因为存在这个间隙，径向支承部分又是由非牛顿流体材料制成的，所以整个支承表面263P以及支承263S的相联部分能在转动轴施加的剪切载荷的作用下向上偏移，形成一个液体楔。在理想情况下，各表面部分263P和支承263S均发生偏移，从而在支承面263P的整个圆周表面上形成一个楔形。当一个楔横跨支承面263P的整个表面时，由于尽可能最大地发挥了液力优点，因此获得了最佳效果。必须强调指出，需要和产生的实际偏移是很小的。
由此可见，采用这种设计可以使图7-8所示的流体限流器具备钻轴完全的径向支承能力。
如前所述，流体限流部分242A的工作方式与前述第一实施例相同。具体来说，高压钻井液或泥浆从液源经套管10，流入并通过螺杆驱动系统，带动钻轴转动，如图2和3的实施例那样，上部流体限流器242使大部分高压液体经钻轴16或钻轴联接器19上的孔24流入钻轴的孔25，最后流过钻头上的喷嘴。与第一实施例相类似，流体限流器242允许少量液体流入轴承组件中。这时的轴承组件只包括止推轴承，而径向支承由流体限流器的径向支承部分242B来提供。然后，液体经过下部流体限流器242流进套管的内部。与第一实施例的流体限流器42的螺旋流道44相似，流体限流器242的限流部分242A上的螺旋流道244大大增加了发生流体限流器压降的流程长度。另外，由于流速的减少与槽长度直接成比例，于是，通过液体限流器的液流的流速大大降低了。
权利要求
1.一种使用高压液源的螺杆钻井设备，该钻井设备包括一个钻头，它带有一个切割头和至少一个高压流体出口；一个钻头驱动轴，它与钻头联结并且有一个贯穿其中的纵向孔，该孔与钻头的液体出口相通；一个驱动钻头驱动轴的螺杆驱动系，它包括一个具有真中心的转子，一个定子和一个把转子联接钻头驱动轴的联结器，定子和转子各自具有相互作用的螺旋凸起，它们在任何横截面上都相互接触，定子的螺旋凸起比转子多一个，从而在定子和转子之间形成若干腔，转子适于在定子内转动，转子的真中心沿定子的轴线运动，这种运动使上述腔沿定子的轴线方向前进；一个套管，该套管包围着螺杆驱动系和钻头驱动轴的至少一部分；第一通道，从地面延伸到螺杆驱动系，把钻井液从高压液源送到螺杆驱动系，通过螺杆驱动系的液流驱动转子转动，这种转动用联结器传递到钻头驱动轴上；至少一个第二通道，在螺杆驱动系和钻轴纵向孔之间提供液体联系；一个设在套管与钻头驱动轴之间的轴承组件；一个流体限流器，紧靠上述第二通道设置在螺杆驱动系和轴承组件之间，用于把高压液体转引到上述第二通道中，上述流体限流器内部设有槽，引导液体流过该液体限流器，上述槽提供了一条盘绕在流体限流器园周上的液体通道，以增加流槽的长度。
2.根据权利要求1的螺杆钻井设备，其特征在于上述槽实质上是一条处于流体限流器内部的螺旋流通。
3.根据权利要求1的螺杆钻井设备，其特征在于流体限流器内的上述流道至少部分地径向对齐，使同一轴平面上流道包括多于一个槽段。
4.根据权利要求1的螺杆钻井设备，其特征在于流体限流器的内径相对其外径可以偏心移动，以适应轴的运动。
5.根据权利要求1的螺杆钻井设备，其特征在于上述流体限流器还包括若干轴向相间的环形液体腔，这些液体腔由若干环形径向指状物相互隔开，每一环形液体腔都和上述流道的一部分相通，因而在每个环形径向指状物两侧存在一压力梯度。
6.根据权利要求1的螺杆钻井设备，其特征在于进一步包括一个安装在钻轴上的轴套，流体限流器的内径与该轴套相接触。
7.根据权利要求1的螺杆钻井设备，其特征在于上述流道至少在流体限流器的园周壁上盘绕两周。
8.根据权利要求1的螺杆钻井设备，其特征在于上述流体限流器进一步包括一个径向支承，用于支承流体限流器内的钻头驱动轴进行转动，上述径向支承由流体限流器内表面上的若干相间的槽形成，上述槽之间的间隔的径向最内的表面构成径向支承。
9.根据权利要求8的钻井设备，其特征在于形成径向支承的上述槽包括周向延伸部分，该延伸部分把径向支承的径向最内表面的下部切去一部分，为支承表面提供一个支座式支承结构。
10.根据权利要求9的钻井设备，其特征在于螺旋槽和径向支承沿轴向互相间隔设备，并且径向支承设置在螺旋槽的下游，使液体在流过径向支承以前先流经螺旋槽。
11.一种使用高压液源的螺杆钻井设备，该钻井设备包括一个钻头，它带有一个切割头和至少一个高压液体出口;一个钻头驱动轴，它与钻头联结并具有一个贯穿其中的纵向孔，该孔与钻头的液体出口相通;一个驱动钻头驱动轴的螺杆驱动系，它包括一个具有真中心的转子，一个定子和一个把转子联接到钻头驱动轴的联结器，定子和转子各自具有相互作用的螺旋凸起，它们在任何横截面上都相互接触，定子的螺旋凸起比转子多一个，从而在定子和转子之间形成若干腔，转子适于在定子内转动，转子的真中心沿定子的轴线运动，这种运动使上述腔沿定子的轴线方向前进;一个套管，该套管包围着螺杆驱动系和钻头驱动轴的至少一部分;第一通道，从地面延伸至螺杆驱动系，把钻井液从高压液源送到螺杆驱动系，通过螺杆驱动系的液流驱动转子转动，这种转动用联结器传递到钻头驱动轴上;至少一个第二通道，在螺杆驱动系和钻轴纵向孔之间提供液体联系;一个设在套管和钻头驱动轴之间的止推轴承;一个流体限流器，紧靠上述第二通道设置在螺杆驱动系和止推轴承之间，用于把高压液体转引到上述第二通道中，上述流体限流器包括一个径向支承表面，用于支承钻轴的转动，上述径向支承表面上设有螺旋槽，允许一些高压液体穿过流体限流器去润滑止推轴承。
12.根据权利要求11的螺杆钻井设备，其特征在于上述径向支承件是用弹性材料制成的。
13.根据权利要求11的螺杆钻井设备，其特征在于上述径向支承件是用碳化钨制成的。
14.根据权利要求11的螺杆钻井设备，其特征在于上述径向支承由流体限流器内表面上的若干相间的槽形成，上述槽之间的间隔上的径向最内表面构成径向支承。
15.根据权利要求14的螺杆钻井设备，其特征在于形成径向支承的上述槽包括周向延伸部分，该延伸部分把径向支承的径向最内表面的下部切去一部分，为支承表面提供了一个支座式支承结构。
16.根据权利要求15的螺杆钻井设备，其特征在于螺旋槽和径向支承沿轴向相间设备，并且径向支承设置在螺旋槽的下游，使液体在流述径向支承之前先流径螺旋槽。
17.根据权利要求11的螺杆钻井设备，其特征在于进一步包括一个刚性套，流体限流器安装在上述刚性套中，而该刚性套安装在上述套管中。
18.根据权利要求11的螺杆钻井设备，其特征在于上述流体限流器安装在上述钻套管中。
19.一种与井下钻井设备联合的流体限流器，其特征在于钻井设备包括一个驱动钻头的可转动的驱动轴，一个与该驱动轴相分离同时又包围该驱动轴的套管，在该驱动轴和该套管之间有一条液体通道，在该套管和该转动轴之间的通道内有一流体限流器，用于限制流量;该流体限流器包括一个具有圆周内表面的环形体;一个圆周外表面和一个在内、外表面之间延伸的流体限流表面;和一条槽，它与流体限流表面有液体相通，用于引导液体通过流体限流器，上述槽提供了一条盘绕在流体限流器圆周上的液体通道，从而增加了液槽的长度，增大了发生流体限流器压降的距离，降低了穿过流体限流器的液流的速度。
20.根据权利要求19的流体限流器，共特征在于上述槽实质上是一条处于流体限流器内部的螺旋流道。
21.根据权利要求19的流体限流器，其特征在于流体限流器内的上述流道至少部分地径向对齐，使在同一轴平面内流道包括多个一个的槽段。
22.根据权利要求19的流体限流器，其特征在于流体限流器的内径相对于其外径可以偏心移动，以适应轴运动。
23.根据权利要求19的流体限流器，其特征在于该流体限流器进一步包括若干轴向相间的环形液体腔，每一环形液体腔都和上述流道的一部分相通，因而在环形径向指状物的两侧存在一压力梯度。
24.根据权利要求19的流体限流器，其特征在于进一步包括安装在钻轴上的轴套，流体限流器的内径与该轴套相接触。
25.根据权利要求19的流体限流器，其特征在于上述流道至少在流体限流器的圆周壁上盘绕两圈。
26.根据权利要求19的流体限流器，共特征在于上述流体限流器进一步包括一个径向支承，用于支承流体限流器内的轴进行转动，上述径向支承由流体限流器内表面上的若干相间的槽形成，上述槽之间的间隔上的径各最内的表面构成径向支承。
27.根据权利要求24的流体限流器，共特征在于形成径向支承的上述槽包括周向延伸部分，该延伸部分把径向支承的径向最内表面的下部切去一些，为支承表面提供了一个支座式支承结构。
28.根据权利要求25的流体限流器，其特征在于螺旋槽和径向支承沿轴向互相间隔设置，并且径向支承设置在螺旋槽的下游，使液体在流过径向支承以前先流经螺旋槽。
29.根据权利要求1的螺杆钻井设备，其特征在于上述流体限流器至少包括一个橡胶部分，上述槽是由橡胶制成。
30.根据权利要求11的螺杆钻井设备，其特征在于上述径向支承表面由橡胶制成。
31.根据权利要求19的流体限流器，其特征在于上述流体限流表面由橡胶制成。
全文摘要
一种螺杆钻井设备，它包括一个钻头，一个空心的钻头驱动轴和一个驱动该轴的螺杆驱动系，设置一个流体限流器，使离开螺杆驱动系的液体进入空心钻轴的内部，然后从钻头上的喷嘴中喷出。流体限流器包括一条槽，允许少量液体流进盘绕在限流器圆周上的流道中，并流进限流器下方的轴承组件中。由于流道盘绕在限流器的圆周上，使该流道大大长于直线形纵向流道。因此，流经该流道的高压流体的速度被大大降低，从而减少了对流体限流器的冲蚀和磨损。流体限流器还可以起径向支承作用，这就可以省去单独的径向轴承。这种径向支承可以设置在各螺旋槽之间，或者设在流体限流器的一个单独部件上。流体限流器还有一个内径，该内径可相对于限流器的外径作偏心移动，以适应轴的运动。
文档编号E21B4/02GK1054470SQ9110067
公开日1991年9月11日 申请日期1990年12月21日 优先权日1989年12月22日
发明者罗素·D·艾迪 申请人:罗素·D·艾迪