涡轮驱动岩屑床清除装置

摘要

本发明涉及的是涡轮驱动岩屑床清除装置，这种涡轮驱动岩屑床清除装置包括涡轮组、传动轴、主动锥形齿轮、联动锥形齿轮组、密封轴承、紊流发生器，涡轮组安装于钻杆内，涡轮定子固定于钻杆内壁上，涡轮转子连接传动轴，传动轴下端连接主动锥形齿轮，主动锥形齿轮与联动锥形齿轮组的内部齿轮啮合，联动锥形齿轮组的外部齿轮与紊流发生器内壁齿圈啮合；联动锥形齿轮组的内部齿轮和外部齿轮通过联动轴连接而成，内部齿轮位于钻杆内，联动轴与钻杆之间设置密封轴承；紊流发生器外壁设有直齿翼片与斜齿翼片组合而成的扰流翼片，紊流发生器与钻杆通过密封轴承连接。本发明在停钻阶段也可进行岩屑清除的工作，提高了岩屑清除效率，成本低。

权利要求

1.一种涡轮驱动岩屑床清除装置，其特征在于：这种涡轮驱动岩屑床清除装置包括涡轮组（3）、传动轴（4）、主动锥形齿轮（11）、联动锥形齿轮组、密封轴承、紊流发生器（10），涡轮组（3）安装于钻杆（1）内，涡轮定子固定于钻杆（1）内壁上，涡轮转子连接传动轴（4），传动轴（4）下端连接主动锥形齿轮（11），主动锥形齿轮（11）与联动锥形齿轮组的内部齿轮（5）啮合，联动锥形齿轮组的外部齿轮（9）与紊流发生器内壁齿圈（12）啮合；联动锥形齿轮组的内部齿轮（5）和外部齿轮（9）通过联动轴（8）连接而成，内部齿轮（5）位于钻杆（1）内，外部齿轮（9）位于紊流发生器（10）内，联动轴（8）与钻杆（1）之间设置密封轴承；紊流发生器外壁设有直齿翼片（13）与斜齿翼片（14）组合而成的扰流翼片，紊流发生器（10）与钻杆（1）通过密封轴承连接。

2.根据权利要求1所述的涡轮驱动岩屑床清除装置，其特征在于：所述的紊流发生器（10）为内壁带有齿圈（12）的环形壳体。

3.根据权利要求2所述的涡轮驱动岩屑床清除装置，其特征在于：所述的联动锥齿轮组有两组，两个内部齿轮（5）对称设置在主动锥形齿轮（11）两侧。

4.根据权利要求3所述的涡轮驱动岩屑床清除装置，其特征在于：所述的紊流发生器外壁上、下两端设置斜齿翼片（14），两段斜齿翼片（14）的倾斜方向大致相同，两段斜齿翼片（14）之间为直齿翼片（13）。

说明书

涡轮驱动岩屑床清除装置

技术领域

[0001] 本发明涉及石油与天然气钻井过程中的岩屑清洁工具，具体涉及钻水平井、大斜度井、大位移井等复杂结构井时用于井眼清洁的涡轮驱动岩屑床清除装置。

背景技术

[0002] 在钻水平井、大斜度井、大位移井、复杂结构井时钻头不断破碎岩石形成岩屑颗粒，岩屑颗粒在重力作用下，容易沉积在水平井、大斜度井、大位移井、复杂结构井等的下井壁形成岩屑床，通过现场经验与大量室内理论实验均表明岩屑床易于在大斜度井段和水平井段（井斜角约为45 90°）之间形成。如果沉积在下井壁的岩屑床得不到较好的清除和控~制，将会造成钻井过程中的诸多严重问题。这些问题主要包括：高摩阻和扭矩、卡钻、憋泵、粘附卡钻、不能有效将钻压传至钻头、不能解释井的方向变化、钻井液漏入产层而影响最终采收率、钻进缓慢甚至阻塞井眼造成井眼报废。这就要求在复杂结构井钻井过程中保持较高的井眼清洁效率，在岩屑床易于形成的井段采用必要的方法，有效的清除岩屑床，保证钻具与井眼安全。

[0003] 近年来国内外专家在井眼清洁方面进行了一系列研究，并取得了大量成果，目前国内外较为通用的井眼清洁技术有（1）提高钻井液返速，（2）提高钻井液携岩性能，（3）短起下钻具。虽然这些技术在一定程度上可以达到破坏岩屑床清除岩屑的目的，但是也存在诸多不足和需要改进的方面。

[0004] 提高钻井液返速的方法虽然能较为有效的清除岩屑，但是高返速对设备要求极高，增加钻井成本，并且在地层较为松软的井段高返速容易造成井壁坍塌。

[0005] 提高钻井液携岩性能，该方法主要是提高钻井液动塑比，需要额外添加钻井液外加剂，使得钻井成本增加，而且较高的钻井液动塑比容易压漏地层，造成井漏。

[0006] 短起下钻具是较为有效的机械清除岩屑床的方法，但是在起下钻具的过程中耗费较多的时间，影响钻进效率，间接增加钻井成本。

[0007] 结合以上总结的现有岩屑清洁方法的不足，设计出一种高效、安全、稳定、低成本的岩屑清除装置是十分必要的。

[0008] 中国专利申请201210395798.5提供的是一种随钻动力岩屑床清除装置，将钻井液流动的能量通过螺杆转化为机械能，并传递到钻杆外壁的机械装置，从而扰动成床岩屑，但是此种结构需要对钻杆进行较大面积的切除，大大降低了钻杆本身的机械强度，容易发生钻杆断裂等生产事故。另外对钻杆大面积的切除也会对钻井液密封造成很大困难，容易发生井下事故。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供涡轮驱动岩屑床清除装置，这种涡轮驱动岩屑床清除装置用于解决目前对钻水平井、大斜度井、大位移井等复杂结构井岩屑清除成本高和易发生事故的问题。

[0010] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种涡轮驱动岩屑床清除装置包括涡轮组、传动轴、主动锥形齿轮、联动锥形齿轮组、密封轴承、紊流发生器，涡轮组安装于钻杆内，涡轮定子固定于钻杆内壁上，涡轮转子连接传动轴，传动轴下端连接主动锥形齿轮，主动锥形齿轮与联动锥形齿轮组的内部齿轮啮合，联动锥形齿轮组的外部齿轮与紊流发生器内壁齿圈啮合；联动锥形齿轮组的内部齿轮和外部齿轮通过联动轴连接而成，内部齿轮位于钻杆内，外部齿轮位于紊流发生器内，联动轴与钻杆之间设置密封轴承；紊流发生器外壁设有直齿翼片与斜齿翼片组合而成的扰流翼片，紊流发生器与钻杆通过密封轴承连接。

[0011] 上述方案中紊流发生器为内壁带有齿圈的环形壳体。

[0012] 上述方案中联动锥齿轮组有两组，两个内部齿轮对称设置在主动锥齿轮两侧，这样可大大提高岩屑清洁效率，提高稳定性。

[0013] 上述方案中紊流发生器外壁上、下两端设置斜齿翼片，两段斜齿翼片的倾斜方向大致相同，两段斜齿翼片之间为直齿翼片。

[0014] 本发明具有以下有益效果：

[0015] 1、本发明创造性的利用钻井液流动冲击涡轮产生动力来源，使得该装置不受钻杆旋转影响，只与钻井液循环有关，即使在停钻阶段也可进行岩屑清除的工作，防止了岩屑床的形成，提高了岩屑清除效率，成本低，是突破目前井眼清洁技术瓶颈的一项重大的技术探索。同时可根据井下情况增加或减少涡轮级数，较为灵活方便。

[0016] 2、本发明采用圆锥形齿轮用于两轴相交的运动，实现轴变换传动，尽可能放高速级，同时在钻杆壁开口较小，从而最小程度的破坏钻杆结构，保证了钻杆的机械强度，使得该装置在井底复杂恶劣的工作情况下也能够进行安全生产，不易发生事故。

[0017] 3、本发明的紊流发生器的外壁叶片采用直齿翼片与斜齿翼片相结合的翼片形式，直齿翼片可以使钻井液产生井筒径向上的力，斜齿翼片不仅可以产生径向的圆周流场，而且可以增大轴向的钻井液流速。从而实现钻井液的紊流作用。

附图说明

[0018] 图1是本发明的结构剖面示意示意图；

[0019] 图2是本发明中紊流发生器平面示意图。

[0020] 图中：1-钻杆、2-钻井液、3-涡轮组、4-传动轴、5-内部齿轮、6-紊流发生器密封轴承、7-联动齿轮组密封轴承、8-联动轴、9-外部齿轮、10-紊流发生器、11-主动锥形齿轮、12-齿圈、13-直齿翼片、14-斜齿翼片。

具体实施方式

[0021] 下面对本发明作进一步的说明：

[0022] 如图1所示，这种涡轮驱动岩屑床清除装置包括涡轮组3、传动轴4、主动锥形齿轮11、联动锥形齿轮组、紊流发生器10，涡轮组3、传动轴4、主动锥形齿轮11、联动锥齿轮组的内部齿轮5都安装在钻杆1的内部，联动锥形齿轮组由内部齿轮5和外部齿轮9通过联动轴8连接而成，并通过联动轴8固定于钻杆1上，联动轴8与钻杆1之间设置密封轴承7，内部齿轮5位于钻杆1内，外部齿轮9位于紊流发生器10内。涡轮定子直接固定于钻杆1的内壁，涡轮转子连接传动轴4，传动轴4下端连接主动锥形齿轮11，主动锥形齿轮11与联动锥形齿轮组的内部齿轮啮合，联动锥形齿轮组的外部齿轮9与紊流发生器10内壁齿圈啮合；涡轮组3的转子通过钻井液2的冲击带动固定在传动轴4上的主动锥形齿轮11旋转，主动锥形齿轮11与联动锥齿轮组内部齿轮5相互啮合实现轴变换传动，联动锥齿轮组外部齿轮9与紊流发生器内壁齿圈12相互啮合实现传动。

[0023] 如图2所示，紊流发生器10为内壁带有齿圈12的壳体，紊流发生器外壁设有直齿翼片13与斜齿翼片14组合而成的扰流翼片，紊流发生器外壁上、下两端设置斜齿翼片14，两段斜齿翼片14的倾斜方向大致相同，两段斜齿翼片14之间为直齿翼片13，紊流发生器10与厚壁钻杆1通过密封轴承6连接。

[0024] 本实施方式中联动锥齿轮组有两组，两个内部齿轮5对称设置在主动锥形齿轮11两侧，紊流发生器为环形壳体通过密封轴承固定在钻杆上，这样可大大提高岩屑清洁效率，提高稳定性。

[0025] 本发明实现岩屑床清洁的具体方式为：

[0026] 涡轮驱动岩屑床清除装置安装在钻具组合中，当高速钻井液2通过钻杆1流经涡轮组3时，涡轮转子带动传动轴4旋转，实现主动锥形齿轮11的旋转，主动锥形齿轮11与联动锥形齿轮相互啮合，并且联动锥形齿轮组外部齿轮9与紊流发生器内壁齿圈12相互啮合，从而达到通过联动锥形齿轮组传递能量实现紊流发生器10的旋转的目的。紊流发生器外壁叶片采用直齿翼片13与斜齿翼片14相结合的翼片形式，直齿翼片13可以使钻井液2产生井筒径向上的力，斜齿翼片14不仅可以产生径向的圆周流场，而且可以增大轴向的钻井液2流速，使得钻井液2携岩效率增大，有效的实现井眼清洁。

[0027] 此装置不受钻杆1旋转影响，只与钻井液2循环有关，即使在停钻循环阶段也可进行岩屑清除的工作，极大提高了岩屑清除效率。本发明采用锥齿轮主要原因是锥齿轮用于两轴相交的运动，实现轴变换传动，尽可能放高速级，从而实现最小程度破坏钻杆结构，保证了钻杆1的机械强度，在井底复杂恶劣的工作情况下能够进行安全生产。