涡轮驱动式脉冲压力发生装置的制作方法

1.本发明涉及油气钻井工程技术领域，具体而言，涉及一种涡轮驱动式脉冲压力发生装置。


背景技术：

2.在钻井过程中，泥浆脉冲信号是进行井眼轨迹测量及控制的重要信息来源。科技人员通过对泥浆脉冲信号进行解码，可以有效对井下井眼轨迹参数进行监测与控制，保证井眼轨迹沿着设计轨道进行钻进。同时，对于振动冲击钻井提速工具而言，如水力振荡器技术，需要泥浆脉冲产生的脉冲压力驱动振动短节产生轴向高频低幅冲击振动，从而将钻柱与井壁的静摩擦转换为动摩擦，将摩擦系数大大减少，从而消除或减少了钻头托压现象，实现钻井提速。因此，泥浆脉冲发生装置在钻井工程领域具有十分重要的作用。
3.然而目前产生脉冲压力发生装置采用类似螺杆设计结构，即定子和转子构成。定子为橡胶件，具有寿命低、耐温条件差以及对钻井液性能具有较高要求，脉冲压力发生性能较差等技术缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种涡轮驱动式脉冲压力发生装置，以解决现有技术中的脉冲压力发生装置的脉冲压力发生性能较差的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种涡轮驱动式脉冲压力发生装置，包括：外筒；涡轮转子，涡轮转子可转动地设置在外筒内的上部，并开设有供液体进入的进液孔，涡轮转子能够在液体的推动下转动；转子，转子可转动地设置在外筒内，并与涡轮转子的底部连接，且与涡轮转子同步转动，转子具有与进液孔连通的中心流道；偏心阀，偏心阀可转动地设置在外筒内，并与转子的底部连接，且与转子同步转动，偏心阀偏心开设有通孔，通孔与中心流道连通；定子阀，定子阀固定设置在外筒内，并位于偏心阀下方，且与偏心阀抵顶，定子阀偏心开设有过流孔，且当偏心阀转动时，通孔与过流孔之间能够在对齐和错开的状态之间切换。
6.进一步地，进液孔位于涡轮转子的下部侧面，且周向开设有多个，涡轮转子的顶端呈圆锥形，涡轮转子的上部侧面设置有倾斜的叶片。
7.进一步地，通孔与过流孔等径设置，且通孔到涡轮驱动式脉冲压力发生装置的轴线的距离与过流孔到涡轮驱动式脉冲压力发生装置的轴线的距离相等。
8.进一步地，过流孔为多个，并沿定子阀的周向等间隔排布。
9.进一步地，偏心阀还具有工艺孔，工艺孔和通孔位于偏心阀周向对称的两侧，且工艺孔不贯穿偏心阀。
10.进一步地，偏心阀和/或定子阀为硬质合金阀。
11.进一步地，外筒包括：上筒体，转子的一部分和涡轮转子设置在上筒体内；转换筒体，转换筒体与上筒体的底端连接，且转子的另一部分、偏心阀和定子阀均设置在转换筒体
内，转换筒体的顶端穿设在转子和上筒体之间；下筒体，下筒体与转换筒体的底端连接，定子阀的一部分设置在下筒体内，下筒体的顶端穿设在定子阀和转换筒体之间。
12.进一步地，上筒体的顶端设置有用于螺纹连接钻柱或振动短节的母扣螺纹，下筒体的底端设置有用于螺纹连接钻柱的公扣螺纹。
13.进一步地，外筒与转子之间设置有多个用于进行扶正的推力轴承。
14.进一步地，涡轮驱动式脉冲压力发生装置还包括密封件，涡轮转子与转子之间、转子与偏心阀之间、定子阀与外筒之间均设置有多个密封件。
15.应用本发明的技术方案，通过涡轮转子、转子和偏心阀组成旋转部分，外筒和定子阀组成固定部分，当液体流经涡轮转子时，液体驱动涡轮转子转动，涡轮转子带动转子和偏心阀一同转动，这样通过液流自身的冲击力即可产生脉冲压力，保证钻井作业的顺利进行，同时偏心阀生的通孔与定子阀上的过流孔之间采用间歇性配合的方式，具体而言，在偏心阀旋转的过程中，通孔与过流孔二者的连通面积减小时，液体在转子内聚集，压力增大，二者的连通面积增大时，形成较大通道，转子内液体卸压，当二者完全对齐时，液体压力降至最低，通过这种方式形成了连续的脉冲压力。并且上述设置方式还具有结构简单、安全可靠以及现场操作方便等优点，能够保证钻井作业的顺利进行，有利于进行随钻测井和减小钻井摩阻。
附图说明
16.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
17.图1示出了本发明的涡轮驱动式脉冲压力发生装置的结构示意图；
18.图2示出了图1中a-a向的剖视图；
19.图3示出了图1中的涡轮驱动式脉冲压力发生装置的涡轮转子的结构示意图；
20.图4示出了图1中的涡轮驱动式脉冲压力发生装置的偏心阀的主视图；
21.图5示出了图4的侧视图；
22.图6示出了图4的仰视图；
23.图7示出了图1中的涡轮驱动式脉冲压力发生装置的定子阀的主视图；
24.图8示出了图7的侧视图；
25.图9示出了图1中的涡轮驱动式脉冲压力发生装置的偏心阀位于初始位置时的结构示意图；
26.图10示出了图9中的偏心阀顺时针转动45度时的结构示意图；
27.图11示出了图10中的偏心阀顺时针继续转动45度时的结构示意图；
28.图12示出了图11中的偏心阀顺时针继续转动45度时的结构示意图；
29.图13示出了图12中的偏心阀顺时针继续转动45度时的结构示意图；
30.图14示出了图13中的偏心阀顺时针继续转动45度时的结构示意图；
31.图15示出了图14中的偏心阀顺时针继续转动45度时的结构示意图；
32.图16示出了图15中的偏心阀顺时针继续转动45度时的结构示意图。
33.其中，上述附图包括以下附图标记：
34.11、上筒体；12、转换筒体；13、下筒体；20、涡轮转子；21、进液孔；30、转子；40、偏心
阀；41、通孔；42、工艺孔；50、定子阀；51、过流孔；60、推力轴承；70、密封件。
具体实施方式
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
36.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
38.为了解决现有技术中的脉冲压力发生装置的脉冲压力发生性能较差的问题，本发明提供了一种涡轮驱动式脉冲压力发生装置。
39.如图1和图2所示的一种涡轮驱动式脉冲压力发生装置，包括外筒、涡轮转子20、转子30、偏心阀40和定子阀50，涡轮转子20可转动地设置在外筒内的上部，并开设有供液体进入的进液孔21，涡轮转子20能够在液体的推动下转动；转子30可转动地设置在外筒内，并与涡轮转子20的底部连接，且与涡轮转子20同步转动，转子30具有与进液孔21连通的中心流道；偏心阀40可转动地设置在外筒内，并与转子30的底部连接，且与转子30同步转动，偏心阀40偏心开设有通孔41，通孔41与中心流道连通；定子阀50固定设置在外筒内，并位于偏心阀40下方，且与偏心阀40抵顶，定子阀50偏心开设有过流孔51，且当偏心阀40转动时，通孔41与过流孔51之间能够在对齐和错开的状态之间切换。
40.本实施例通过涡轮转子20、转子30和偏心阀40组成旋转部分，外筒和定子阀50组成固定部分，当液体流经涡轮转子20时，液体驱动涡轮转子20转动，涡轮转子20带动转子30和偏心阀40一同转动，这样通过液流自身的冲击力即可产生脉冲压力，保证钻井作业的顺利进行，同时偏心阀40生的通孔41与定子阀50上的过流孔51之间采用间歇性配合的方式，具体而言，在偏心阀40旋转的过程中，通孔41与过流孔51二者的连通面积减小时，液体在转子30内聚集，压力增大，二者的连通面积增大时，形成较大通道，转子30内液体卸压，当二者完全对齐时，液体压力降至最低，通过这种方式形成了连续的脉冲压力。并且上述设置方式还具有结构简单、安全可靠以及现场操作方便等优点，能够保证钻井作业的顺利进行，有利于进行随钻测井和减小钻井摩阻。
41.如图3所示，进液孔21位于涡轮转子20的下部侧面，且周向开设有多个，本实施例开设有三个方孔作为进液孔21，涡轮转子20的顶端呈圆锥形，涡轮转子20的上部侧面设置有倾斜的叶片，由外筒的顶部开口进入的液体在流动时推动叶片，将高压流体的轴向冲击力转变为涡轮转子20的旋转力，从而实现涡轮转子20的转动，经由进液孔21进入涡轮转子20的液体进一步流动进入到转子30的中心流道中，经由中心流道依次经过通孔41和过流孔51，从而外筒的底部开口流出。本实施例在涡轮转子20的底部设置有直径略微增大的大径段，外筒内设置有凸台，利用凸台与大径段之间的配合对涡轮转子20起到一定的扶正作用。
42.在本实施例中，涡轮驱动式脉冲压力发生装置的轴线与部件涡轮转子20、转子30、偏心阀40和定子阀50的轴线相互重合，通孔41与过流孔51等径设置，且通孔41到涡轮驱动
式脉冲压力发生装置的轴线的距离与过流孔51到涡轮驱动式脉冲压力发生装置的轴线的距离相等。这样，当通孔41与过流孔51对齐时，二者是完全对齐的状态，形成等直径的通道，此时，液体能够流畅地从通孔41进入到过流孔51中，而当二者部分错开时，进入通孔41的液体只有部分能够经过过流孔51流出，而当二者完全错开时，通孔41中的液体无法经过过流孔51流出。本实施例并未设置有通孔41与过流孔51完全错开这一状态，在实际使用时可以根据需要进行相应改变。
43.可选地，过流孔51为多个，并沿定子阀50的周向等间隔排布。如图4至图8所示，本实施例设置有一个通孔41和四个过流孔51，如图9至图16所示即为偏心阀40旋转一周时，通孔41与四个过流孔51之间的配合关系。具体而言，图9时，以通孔41与右侧的过流孔51完全对齐时，偏心阀40位于初始位置为例，此时，通孔41与过流孔51之间的连通面积最大，转子30内压力最小；当偏心阀40顺时针转动45度时，如图10所示，通孔41同时与两个过流孔51错开且连通，通孔41与过流孔51之间的连通面积最小，转子30内压力最大；当偏心阀40继续转动45度时，如图11所示，通孔41与下侧的过流孔51完全对齐，通孔41与过流孔51之间的连通面积最大，转子30内压力最小；当偏心阀40继续转动45度时，如图12所示，通孔41同时与两个过流孔51错开且连通，通孔41与过流孔51之间的连通面积最小，转子30内压力最大；当偏心阀40继续转动45度时，如图13所示，通孔41与左侧的过流孔51完全对齐，通孔41与过流孔51之间的连通面积最大，转子30内压力最小；当偏心阀40继续转动45度时，如图14所示，通孔41同时与两个过流孔51错开且连通，通孔41与过流孔51之间的连通面积最小，转子30内压力最大；当偏心阀40继续转动45度时，如图15所示，通孔41与上侧的过流孔51完全对齐，通孔41与过流孔51之间的连通面积最大，转子30内压力最小；当偏心阀40继续转动45度时，如图16所示，通孔41同时与两个过流孔51错开且连通，通孔41与过流孔51之间的连通面积最小，转子30内压力最大；当偏心阀40继续转动45度时，偏心阀40转动回图9所示的初始位置，转子30内压力最小。这样，涡轮转子20旋转一周有连续的四次增压和卸压的变化，通过这种方式形成了连续的脉冲压力。
44.如图5和图6所示，在本实施例的偏心阀40还具有工艺孔42，工艺孔42位于偏心阀40朝向定子阀50的端面上，工艺孔42和通孔41位于偏心阀40周向对称的两侧，且工艺孔42不贯穿偏心阀40，可以方便进行螺纹连接。
45.优选地，偏心阀40和/或定子阀50为硬质合金阀。硬质合金材料的耐磨性较好，而且偏心阀40和定子阀50发生相对转动时的摩擦阻力较小。另外，硬质合金材料的抗冲蚀性较好，提高了装置的可靠性和寿命。
46.如图1所示，外筒包括上筒体11、转换筒体12和下筒体13，转子30的一部分和涡轮转子20设置在上筒体11内；转换筒体12顶端的外螺纹与上筒体11底端的内螺纹连接，且转子30的另一部分、偏心阀40和定子阀50均设置在转换筒体12内，转换筒体12的顶端穿设在转子30和上筒体11之间；下筒体13顶端的外螺纹与转换筒体12底端的内螺纹连接，定子阀50的一部分设置在下筒体13内，下筒体13的顶端穿设在定子阀50和转换筒体12之间，定子阀50底端的外螺纹与下筒体13顶端的内螺纹连接。本实施例的上筒体11、转换筒体12、下筒体13和定子阀50之间，以及其内设置的涡轮转子20、转子30和偏心阀40之间均采用螺纹连接的方式进行连接，当然，也可以根据需要采用其它连接方式。
47.在本实施例中，上筒体11的顶端设置有用于螺纹连接钻柱或振动短节的母扣螺
纹，下筒体13的底端设置有用于螺纹连接钻柱的公扣螺纹，以便于涡轮驱动式脉冲压力发生装置与钻柱、振动短节等部件的连接。
48.可选地，外筒与转子30之间设置有多个用于进行扶正的推力轴承60。本实施例的转子30上端外侧螺纹连接涡轮转子20，下端内侧螺纹连接偏心阀40，转子30在旋转力的作用下容易失稳，因而通过在上筒体11和转子30之间夹设三个推力轴承60进行扶正，保证脉冲压力的平稳。
49.可选地，涡轮驱动式脉冲压力发生装置还包括密封件70，涡轮转子20与转子30之间、转子30与偏心阀40之间、定子阀50与外筒之间均设置有多个密封件70。密封件70可以采用密封圈，密封住彼此的间隙，防止漏液的发生。
50.本实施例的涡轮驱动式脉冲压力发生装置的工作过程如下：该涡轮驱动式脉冲压力发生装置钻井过程中接在钻柱或振动短节下面，高压流体从钻柱进入上筒体11内，经过涡轮转子20时，涡轮转子20带动转子30和偏心阀40旋转，然后液体从涡轮转子20的三个进液孔21进入转子30的中心通道，到达偏心阀40，当偏心阀40的通孔41与定子阀50的过流孔51连通面积较小时，液流在偏心阀40聚集，压力较大，当偏心阀40与定子阀50的过流孔51连通面积较大时，液流压力较小。因为定子阀50开了四个过流孔51，所以偏心阀40旋转一周液体有四次增压降压过程，形成连续的脉冲压力。液流经过定子阀50后通过下筒体13进入下部连接的钻柱。本实施例的涡轮驱动式脉冲压力发生装置产生的脉冲压力，一是可以传递信号，比如mwd、lwd等对井下信息的传递；二是可以振动减阻，脉冲压力在振动减阻工具中产生的高频低幅的冲击力可以驱动它振动达到减阻的目的，比如水力振荡器的使用。
51.需要说明的是，上述实施例中的多个指的是至少两个。
52.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
53.1、解决了现有技术中的脉冲压力发生装置的脉冲压力发生性能较差的问题；
54.2、通过液流自身的冲击力即可产生脉冲压力，保证钻井作业的顺利进行；
55.3、通过连续增压卸压这种方式形成了连续的脉冲压力；
56.4、具有结构简单、安全可靠以及现场操作方便等优点，能够保证钻井作业的顺利进行，
57.有利于进行随钻测井和减小钻井摩阻。
58.显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都应当属于本发明保护的范围。
59.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
60.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
61.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。