专利名称：大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件的制作方法
技术领域：
本发明属于石油钻井行业，具体涉及ー种大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件。
背景技术：
涡轮钻具利用高速高压泥浆冲击叶片，使其获得能量，从而带动与之相连的钻头旋转破岩。涡轮钻具主要由涡轮定子、涡轮转子、主轴、止推轴承、中部轴承、下部轴承和外壳组成。钻探时钻杆不转动，钻杆工作条件可以得到明显改善，也没有旋转钻杆所需功率的消耗。与其它钻具相比，涡轮钻具具有高钻速、钻井效率高、钻时短等优点；将能量集中在井底，驱动钻头旋转破岩；钻井时钻杆不动，減少了钻杆、套管的磨损及事故的发生。因此，采用涡轮钻具钻井特别适合于硬质地层深井作业。20世纪30年代，前苏联在石油钻探中最早采用涡轮钻具。到50年代，涡轮钻获得了迅速的发展。在前苏联和罗马尼亚已成为基本的钻探方法，欧美国家涡轮钻探工作量已占总量的5-10%。近年来国外涡轮钻具钻井技术发展迅速，国外使用涡轮钻具钻井一般能节省钻时50%，节约成本1/3。中国在50年代曾进行过涡轮钻的研究，一直没有推广应用。但由于涡轮钻具是由钻井液驱动涡轮叶片做功的动カ机械，钻井液中固相颗粒对涡轮叶片的冲蚀作用明显，叶片的过度磨损会导致涡轮钻具的失效，所以一般涡轮钻具的寿命只有200-300小吋。由于现有的钻井液粘度较大，导致涡轮钻具的涡轮级效率及涡轮钻具的使用寿命低。传统的涡轮钻具都是利用在地面的泵将钻井液打压到涡轮处，推动涡轮旋转做功，而且一般转速较低，携帯的钻头类型有限，因此，当钻至不同的地层时需要重新更换钻头及钻具涡轮，耽误钻井时间及进度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的低速涡轮钻具携带钻头种类有限、级数较多、效率偏低等问题，导致涡轮钻具钻速受限、尺寸较长及使用效率偏低的问题，进而提供ー种大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件。本发明的技术方案是ー种大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件，其特征在干包括轴、壳体、定子和转子，定子上设有定子叶片盘，转子上设有转子叶片盘，定子叶片盘和转子叶片盘组成一个级，级的反动度小于0. 5，级的内壁套装在轴上，轴上设有十个级，级与级之间的端面为压紧配合，轴的下端设有钻头，级的外壁套有壳体。所述定子叶片盘包括圆筒状的定子内圆盘、圆筒状的定子外圆盘和样条曲线形状为撇字形的定子叶片，定子叶片均匀环形分布在以轴心为中心的定子叶片盘上，且位于圆筒状的定子内圆盘和圆筒状的定子外圆盘之间。所述转子叶片盘包括圆筒状的转子内圆盘、圆筒状的转子外圆盘和样条曲线形状为捺字形的转子叶片，转子叶片均匀环形分布在以轴心为中心的转子叶片盘上，且位于圆筒状的转子内圆盘和圆筒状的转子外圆盘之间，转子叶片及定子叶片的材料均为ZG20CrMnSiNi2，所述的轴和壳体上均设有锁紧机构。所述的钻头为PDC钻头、TSP钻头、金刚石钻头。
所述的壳体上的锁紧机构为壳体的上部边缘和下部边缘处均设有内螺纹和与内螺纹配合的第一螺栓。所述的轴上的锁紧机构为轴的上部边缘和下部边缘处均设有外螺纹和与外螺纹配合的第二螺栓。所述的壳体内表面设有第一卡槽，定子外侧设有与第一卡槽相吻合的突起，轴的外表面设有第二卡槽，转子的外侧设有与轴的外表面相吻合的突起。级压降为450-600kPa，容积流量为28_32L/s，转子转速为2500-3300rpm时，级效率为60-75%，功率为8-12kW。级压降为535kPa，容积流量为30L/s，转子转速为3000rpm时，级效率可达70%，功率为llkW。本发明与现有技术相比具有以下效果1.通过提高设计转速，有效的增加了涡轮级的做功，从而减少了级数，缩短了涡轮钻具的长度。2.转速较高，便于携带PDC钻头、TSP钻头、金刚石钻头，从而提高钻具速度，缩短钻井周期。3.转子叶片及定子叶片形状的改变，便于提高涡轮钻具的效率，而且使得涡轮钻具具有明显的低速降压特性，转速偏离设计转速时，级压降减小。4.还具有便于远程监控和操作性更强的优点。5.锁紧机构可避免级在轴上发生纵向移动。
图1是本发明的整体结构示意 图2是本发明的转子的主视 图3是本发明的定子的主视 图4是本发明的转子和定子配合的示意 图5是本发明的转子叶片的形状示意 图6是本发明的定子叶片的形状示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合各图说明本实施方式，本实施方式的大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件包括轴6、壳体2、定子4和转子5，定子4上设有定子叶片盘，转子5上设有转子叶片盘，定子叶片盘和转子叶片盘组成一个级，级的反动度小于0. 5，级的内壁套装在轴6上，轴6上设有十个级，级与级之间的端面为压紧配合，轴6的下端设有钻头9，级的外壁套有壳体2。所述定子叶片盘包括圆筒状的定子内圆盘4-1、圆筒状的定子外圆盘4-2和样条曲线形状为撇字形的定子叶片4-3，定子叶片4-3均匀环形分布在以轴心为中心的定子叶片盘上，且位于圆筒状的定子内圆盘4-1和圆筒状的定子外圆盘4-2之间。所述转子叶片盘包括圆筒状的转子内圆盘5-1、圆筒状的转子外圆盘5-2和样条曲线形状为捺字形的转子叶片5-3，转子叶片5-3均匀环形分布在以轴心为中心的转子叶片盘上，且位于圆筒状的转子内圆盘5-1和圆筒状的转子外圆盘5-2之间，转子叶片5-3及定子叶片4-3的材料均为ZG20CrMnSiNi2，所述的轴5和壳体2上均设有锁紧机构。所述的钻头9为PDC钻头、TSP钻头、金刚石钻头。所述的壳体2上的锁紧机构为壳体2的上部边缘和下部边缘处均设有内螺纹和与内螺纹配合的第一螺栓I。所述的轴6上的锁紧机构为轴6的上部边缘和下部边缘处均设有外螺纹和与外螺纹配合的第二螺栓8。所述的壳体2内表面设有第一卡槽3，定子4外侧设有与第一卡槽相3吻合的突起，轴6的外表面设有第二卡槽7，转子5的外侧设有与轴6的外表面相吻合的突起。本实施方式的定子叶片4-3与转子叶片5-3相互为非对称形式，先将定子4和转子5装配好，再将锁紧机构进行安装，防止级在转动时发生纵向运动，然后钻井液流经定子4后降压加速，进入转子5，推动转子5旋转做功，一个定子4和一个转子5组成ー级，级的反动度小于0. 5，衡量钻井液在转子叶片5-3内降压加速程度的參数叫做反动度。十个完全相同的级由上至下依次设置，壳体2套装在十个完全相同的级上，构成涡轮钻具的动カ来源。
具体实施方式
ニ结合各图说明本实施方式，本实施方式的级压降为450-600kPa,容积流量为28_32L/s，转子转速为2500-3300rpm时，级效率为60_75%，功率为8-12kW。如此设置，根据级的低速降压特性，偏离设计 转速时，级压降减小，可以根据地面压力判断涡轮钻具的工作状态，方便钻具工作人员远程监控和操作。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合各图明本实施方式，本实施方式的级压降为535kPa，容积流量为30L/s，转子转速为3000rpm时，级效率可达70%，功率为llkW。如此设置，根据级的低速降压特性，偏离设计转速时，级压降减小，可以根据地面压カ判断涡轮钻具的工作状态，方便钻具工作人员远程监控和操作。其它组成和连接关系与具体实施方式
一或二相同。大功率高速高效涡轮钻具工作原理如下来自地面的高压钻井泵的钻井液，经涡轮钻具钻杆，进入涡轮钻具的定子4及转子5，在定子4中降压加速，流入转子5，推动转子5旋转做功。通过增加定子4及转子5中的压降，流入转子5及定子4的钻井液的流速増大，转子5的转速提高，使得涡轮功率増加。
权利要求
1.一种大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件，其特征在于包括轴(6)、壳体(2)、定子(4)和转子(5)，定子(4)上设有定子叶片盘，转子(5)上设有转子叶片盘，定子叶片盘和转子叶片盘组成一个级，级的反动度小于O. 5，级的内壁套装在轴(6)上，轴(6)上设有十个级，级与级之间的端面为压紧配合，轴(6)的下端设有钻头(9)，级的外壁套有壳体(2)，所述定子叶片盘包括圆筒状的定子内圆盘(4-1)、圆筒状的定子外圆盘(4-2)和样条曲线形状为撇字形的定子叶片(4-3)，定子叶片(4-3)均匀环形分布在以轴心为中心的定子叶片盘上，且位于圆筒状的定子内圆盘(4-1)和圆筒状的定子外圆盘(4-2)之间，所述转子叶片盘包括圆筒状的转子内圆盘(5-1)、圆筒状的转子外圆盘(5-2)和样条曲线形状为捺字形的转子叶片(5-3)，转子叶片(5-3)均匀环形分布在以轴心为中心的转子叶片盘上，且位于圆筒状的转子内圆盘(5-1)和圆筒状的转子外圆盘(5-2)之间，转子叶片(5-3)及定子叶片(4-3)的材料均为ZG20CrMnSiNi2，所述的轴(5)和壳体(2)上均设有锁紧机构。
2.根据权利要求1所述的大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件，其特征在于所述的钻头(9)为PDC钻头、TSP钻头、金刚石钻头。
3.根据权利要求1所述的大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件，其特征在于所述的壳体(2)上的锁紧机构为壳体(2)的上部边缘和下部边缘处均设有内螺纹和与内螺纹配合的第一螺栓(I)。
4.根据权利要求1所述的大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件，其特征在于所述的轴(6)上的锁紧机构为轴(6)的上部边缘和下部边缘处均设有外螺纹和与外螺纹配合的第二螺栓(8)。
5.根据权利要求1所述的大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件，其特征在于所述的壳体(2)内表面设有第一卡槽(3)，定子(4)外侧设有与第一卡槽相(3)吻合的突起，轴(6)的外表面设有第二卡槽7)，转子(5)的外侧设有与轴(6)的外表面相吻合的突起。
6.根据权利要求1所述的大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件，其特征在于级压降为450-600kPa，容积流量为28_32L/s，转子转速为2500-3300rpm时，级效率为60-75%，功率为 8-12kW。
7.根据权利要求1或6所述的大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件，其特征在于级压降为535kPa，容积流量为30L/s，转子转速为3000rpm时，级效率可达70%，功率为llkW。
全文摘要
大功率高速高效涡轮钻具定子和转子组合件，它属于石油钻井行业。本发明为了解决现有的低速涡轮钻具携带钻头种类有限、级数较多、效率偏低等问题。本发明的定子叶片盘和一个转子叶片盘组成一个级，级的反动度小于0.5，十个级由上至下依次套装在轴上组成一涡轮钻具动力节，十个级之间通过端面压紧配合，壳体套装在十个级上的外部，转子叶片及定子叶片的型线均采用样条曲线构筑，转子叶片的样条曲线形状为捺字形，定子叶片的样条曲线形状为撇字形。
文档编号E21B4/02GK103015889SQ20121055481
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者牛夕莹, 梁晨, 郁顺旺, 王林, 刘宇, 王慧杰, 马涛, 马晓红, 何建元 申请人:中国船舶重工集团公司第七 三研究所