水力脈衝空化射流發生裝置的製作方法
2023-04-30 10:50:41
專利名稱：水力脈衝空化射流發生裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於鑽井作業的水力脈衝空化射流發生裝置，尤其是一種便於維 修更換內部零件、具有良好的潤滑和密封性能、能有效提高葉輪軸的使用壽命的水力脈衝 空化射流發生裝置。
背景技術：
水力脈衝空化射流鑽井裝置是實現水力脈衝空化射流鑽井技術的一個重要部件， 鑽井時該裝置安裝在鑽頭和鑽鋌之間，或鑽頭與井下動力鑽具之間，將鑽鋌或井下動力鑽 具流出的連續流動鑽井液轉變成脈衝空化射流，脈衝空化射流經鑽頭噴嘴射至井底，產生 水力脈衝、空化空蝕、瞬時負壓3種效應，從而改變井底流場及巖石受力狀態，從而提高機 械鑽速。本案申請人，在中國專利申請第「 200610098598. 8 」號就公開了 一種「水力脈衝空 化射流鑽井裝置、方法及鑽頭」，該水力脈衝空化射流鑽井裝置在鑽進過程中流經導流部的 鑽井液連續衝擊葉輪座中的葉輪，葉片受到連續的切向力作用而連續高速旋轉，高速旋轉 過程改變過流面積導致壓力及流速周期脈動變化。水力脈衝空化射流鑽井過程中該裝置安 裝在底部鑽具組合上，而井底由於高溫、高壓、高流速、鑽井液成分複雜等因素，導致工作環 境十分惡劣。通常一個聚晶金剛石複合片鑽頭正常工作時間在220小時以上，因此，為了與 井下工具配套，水力脈衝空化射流鑽井裝置在井下工作也必須超過220小時，而水力脈衝 空化射流鑽井裝置中最重要的一個環節就是葉輪軸的壽命，惡劣的井下工作環境和高速旋 轉致使葉輪軸磨損嚴重，甚至斷裂，將直接導致工具失效。在該公知的水力脈衝空化射流鑽 井裝置中，導流體、葉輪總成和振蕩噴嘴為依次相互抵接嵌置在本體內，通過鑽井液對樞設 在葉輪總成內的葉輪軸進行潤滑。在井下極其惡劣的環境下，且密封狀態不佳，井下泥漿會 容易的進入水力脈衝空化射流鑽井裝置內，而葉輪及葉輪軸高速旋轉會產生大量的熱，因 此易於造成葉輪軸的磨損，單靠鑽井液對葉輪的潤滑無法保障其使用壽命。另外，由於在鑽 井過程中，在公知的結構中大量的泥漿會進入到水力脈衝空化射流鑽井裝置內，導致其內 設置的導流體、葉輪總成和振蕩噴嘴與本體之間卡死，在水力脈衝空化射流鑽井裝置自井 下取出維修時，對其內部的各零件進行拆卸和更換非常困難，致使整個部件報廢，從而提高 了使用成本。
發明內容
本發明的目的是在於提供一種水力脈衝空化射流發生裝置，使其便於維修更換內 部零件，具有良好的潤滑和密封性能，以有效提高葉輪軸的使用壽命。為此，本發明提出一種水力脈衝空化射流發生裝置，包括一中空柱狀本體，所述 本體的一端為流體入口段，另一端為流體出口段，在所述流體入口段與流體出口段之間構 成容置腔，其內依次設有導流體、葉輪總成和自激振蕩噴嘴；所述葉輪總成具有葉輪座、葉 輪、以及將所述葉輪樞設在葉輪座上的葉輪軸；其特徵在於，所述容置腔靠近流體出口段一側設有一環凸緣，所述凸緣朝向所述流體入口段的一面構成定位端面，所述自激振蕩噴嘴 能抵接、定位於所述定位端面；一頂部壓環設置在靠近所述本體的流體入口段一側，與所述 本體的容置腔通過螺紋連接並頂抵於所述導流體。如上所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其中，所述頂部壓環、導流體、葉輪總成、 自激振蕩噴嘴、定位端面之間均設有密封墊片。如上所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其中，所述容置腔的內徑大於所述導流 體和葉輪總成的外徑，且所述容置腔的內壁面與所述導流體和葉輪總成的外周壁之間形成 儲油室。如上所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其中，所述容置腔的周壁上設有一環擴 徑的凹槽，所述凹槽位於所述儲油室內，所述本體上設有與所述凹槽相連通的注油孔，一注 油螺栓能密封地旋合在所述注油孔內。如上所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其中，輪座的側壁上設有兩相對置的貫 通軸孔，所述軸孔的軸線與所述容置腔的縱軸線相垂直，所述軸孔形成外部直徑大於內部 直徑的階梯孔。如上所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其中，所述葉輪軸的兩端通過軸套能轉 動地設置在所述軸孔內，所述軸套設置在由所述階梯孔的外部大直徑孔構成的軸套容置孔 內。如上所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其中，所述軸套與所述階梯孔的階梯面 之間設有組合密封圈。如上所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其中，所述軸套容置孔設有內螺紋，所述 軸套設有外螺紋，通過該內、外螺紋所述軸套與所述葉輪座固定連接。如上所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其中，所述軸套的外側面設有至少一個 凹槽，通過所述凹槽將所述軸套旋合於所述葉輪座內，並壓緊所述組合密封圈。如上所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其中，其特徵在於，朝向所述流體出口段 一側的所述葉輪座具有一縮徑部，所述縮徑部能嵌合於所述自激振蕩噴嘴內。本發明提出的水力脈衝空化射流裝置，通過在頂部壓環、導流體、葉輪座、自激振 蕩噴嘴間設置密封墊片，以及在葉輪座與軸套間設置組合密封圈，可使本裝置的各部件連 接緊密，提高其密封效果，有效的防止泥漿進入到導流體、葉輪總成、自激振蕩噴嘴與本體 之間，從而使導流體、葉輪總成、自激振蕩噴嘴在工作中不會被卡死，便於各零部件的拆裝 維修和更換，大大降低了使用成本。通過儲油室內的潤滑油，能夠對高速運轉的葉輪軸進行 潤滑，有效延長了葉輪軸的使用壽命。本發明由於在容置腔靠近流體出口段一側設置的凸 緣，構成能使自激振蕩噴嘴抵接、定位的定位端面，並且葉輪座上形成的縮徑部與自激振蕩 噴嘴嵌合定位，因此在頂部壓環的作用下，使設置在容置腔內的各部件之間相互定位準確、 連接緊密，從而能有效克服因加工誤差而造成的組裝問題，進一步減少了製造成本。
以下附圖僅旨在於對本發明做示意性說明和解釋，並不限定本發明的範圍。其中，圖1為本發明的水力脈衝空化射流裝置的裝配示意圖；圖2為圖1中A處的局部放大示意圖3為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的本體的剖視示意圖；圖4A為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的頂部壓環結構示意圖；圖4B為頂部壓環的剖視示意圖；圖5A為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的導流體上端面密封墊片主視示意 圖；圖5B為導流體上端面密封墊片的剖視示意圖；圖6A為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的導流體下端面密封墊片主視示意 圖；圖6B為導流體下端面密封墊片的剖視示意圖；圖7A為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的軸套的結構示意圖；圖7B為軸套的剖視示意圖；圖8A為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的葉輪座的結構示意圖；圖8B為葉輪座的剖視示意圖。附圖標號說明1、本體11、流體入口段12、流體出口段13、容置腔131、內螺紋 132、凹槽14、凸緣 141、定位端面15、注油孔 16、注油螺栓 2、頂部壓環 21、外螺紋22、螺孔3、導流體4、葉輪總成 41、葉輪軸42、軸套421、外螺紋 422、凹槽 423、內孔424、外側面 425、內側面 43、葉輪座 431、縮徑部44、葉輪46、軸孔461、軸套容置孔462、階梯面463、內螺紋 5、自激振蕩噴嘴6、儲油室 7、73、密封墊片71、導流體上端面密封墊片72、導流體下端面密封墊片8、組合密封圈
具體實施例方式為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照
本發明的具體實施方式
。圖1為本發明的水力脈衝空化射流裝置的裝配示意圖；圖3為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的本體的剖視示意圖；圖4A為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的 頂部壓環結構示意圖；圖4B為頂部壓環的剖視示意圖。如圖所示，本發明提出的水力脈衝 空化射流發生裝置包括一中空柱狀本體1，所述本體1的一端為流體入口段11，另一端為 流體出口段12，在所述流體入口段11與流體出口段12之間構成容置腔13，其內依次設有 導流體3、葉輪總成4和自激振蕩噴嘴5，所述葉輪總成4具有葉輪座43、葉輪44、以及將所 述葉輪44樞設在葉輪座43上的葉輪軸41。其中，所述容置腔13靠近流體出口段12 —側 向內設有一環凸緣14，所述凸緣14朝向所述流體入口段11的一面構成定位端面141，所述 自激振蕩噴嘴5能抵接、定位於所述定位端面141 ；一頂部壓環2設置在靠近所述本體1的 流體入口段11 一側，所述頂部壓環2具有外螺紋21，通過所述本體1容置腔13內設置的內 螺紋131，所述頂部壓環2與本體1固定連接，且該頂部壓環2的端部頂抵於所述導流體3，並依次將導流體3、葉輪總成4和自激振蕩噴嘴5壓緊固定在本體1的容置腔13內。其中，所述本體1的容置腔13的內徑大於所述導流體3和葉輪總成4的外徑，且 所述本體1的容置腔13的內壁面與所述導流體3和葉輪總成4的外周壁之間形成儲油室 6。進一步的，所述容置腔13的周壁上設有一環擴徑的凹槽132，該凹槽132位於所述儲油 室6內，所述本體1上設有與所述凹槽132相連通的注油孔15，通過該注油孔15可向儲油 室6內注入潤滑油，一注油螺栓16能密封地旋合在所述注油孔15內，該注油螺栓16與注 油孔15間設置有一密封墊圈7，以防止潤滑油由注油孔15滲出本體1之外及泥漿由注油孔 15進入儲油室6內。請配合參見圖2、圖7A、圖7B、圖8A、圖8B，其中，圖2為圖1中A處的局部放大示 意圖；圖7A為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的軸套的結構示意圖；圖7B為軸套的 剖視示意圖；圖8A為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的葉輪座的結構示意圖；圖8B 為葉輪座的剖視示意圖。如圖所示，所述葉輪座43的側壁上設有兩相對置的貫通軸孔46，所述軸孔46的 軸線與所述容置腔13的縱軸線相垂直，所述軸孔46形成外部直徑大於內部直徑的階梯孔。 葉輪總成4的葉輪軸41的兩端通過軸套42能轉動地設置在軸孔46內，所述軸套42設置 在由所述階梯孔的外部大直徑孔構成的軸套容置孔461內。進一步的，請參見圖2，所述軸 套42朝向本體1容置腔13中心一側的內側面425與所述葉輪座43之間設有組合密封圈 8，即所述軸套42與所述階梯孔的階梯面462之間設有組合密封圈8。通過組合密封圈8， 可加強軸套42、葉輪座43及葉輪軸41相互間的密封效果，防止泥漿進入，避免軸套42、葉 輪座43及葉輪軸41被泥漿卡死而影響工作，同時也便於葉輪總成4中各零部件的維修更 換。繼請參見圖7A-8B，所述葉軸座43上設置的軸套容置孔461內設有內螺紋463，所 述軸套42上設有外螺紋421，通過該外螺紋421、內螺紋463，所述軸套42與所述葉輪座43 固定連接。為了便於將所述軸套42旋合在軸套容置孔461內，可以在所述軸套42的外側 面424上設置至少一個凹槽422，在本實施例中如圖7A、7B所示，設置了四個凹槽422，以方 便作業。通過將操作工具(如扳手、轉用旋動工具等)嵌合在凹槽422內，可以方便地將 所述軸套42旋合於所述葉輪座43內，並使軸套42的內側面425壓緊所述組合密封圈8。 另外，軸套42的內孔423支撐葉輪軸41旋轉並向其輸送潤滑油。圖5A為本發明的水力脈衝空化射流發生裝置的導流體上端面密封墊片主視示意 圖；圖5B為導流體上端面密封墊片的剖視示意圖；圖6A為本發明的水力脈衝空化射流發 生裝置的導流體下端面密封墊片主視示意圖；圖6B為導流體下端面密封墊片的剖視示意 圖。請配合參見圖1、圖5A、圖5B、圖6A、圖6B，在頂部壓環2和導流體3的上端面之間設有 導流體上端面密封墊片71，在導流體3的下端面和葉輪總成4的葉輪座43之間設有導流體 下端面密封墊片72，在所述葉輪總成4的葉輪座43和自激振蕩噴嘴5、以及自激振蕩噴嘴 5和定位端面141之間分別設有密封墊片73。通過設置密封墊片7、71、72、73，可以使設置 在本體1的容置腔13內的各部件相互之間構成緊密的連接，提高其密封效果，有效的防止 泥漿進入到導流體3、葉輪總成4、振蕩噴嘴5與本體1之間，從而使導流體3、葉輪總成4、 自激振蕩噴嘴5在工作中不會與本體卡死，便於各零部件需維修更換。其中，各密封墊片7、 71、72、73的大小、形狀，與其所設置部位部件形狀相配合。
進一步的，在上述的實施例中，為了使葉輪座43和自激振蕩噴嘴5之間具有良好的定位，優選在朝向流體出口段12 —側的所述葉輪座43上形成一縮徑部431，該縮徑部 431能嵌合於所述自激振蕩噴嘴5內。此外，請參見圖4A、4B，頂部壓環2的外側面(即，朝向流體入口段11的一側面上) 設有螺孔22，通過該螺孔22，能夠便於頂部壓環2的組裝和拆卸，同時能使導流體3、葉輪總 成4、振蕩噴嘴5與本體1在軸向上的連接更為緊密，壓緊各部件之間設置的密封墊片71、 72、73，提高其密封性能。請配合參見圖1，本發明提出的水力脈衝空化射流鑽井裝置，其中在鑽鋌(或井下 動力鑽具)內的連續流動的鑽井液流經本體1 一端的流體入口段11、頂部壓環2進入導流 部3，對葉輪總成4產生切向力迫使其內部的葉輪44高速旋轉改變流道面積以產生脈衝，連 續流動的鑽井液產生脈衝後經過自激振蕩噴嘴5高速射流，並由本體1另一端流體出口段 12進入鑽頭，以實現鑽井的功能。此外，本發明提出的水力脈衝空化射流裝置，其本體1的 容置腔13與葉輪總成4和導流體3之間構成了儲油室6，而頂部壓環2與導流體3之間設 置的導流體上端面密封墊片71、導流體3與葉輪座43的設置的導流體下端面密封墊片72、 葉輪座43與自激振蕩噴嘴5設置的密封墊片73、自激振蕩噴嘴5與本體定位端面141之間 設置的密封墊片73構成了靜密封，以及葉輪軸41與葉輪座43之間設置的組合密封圈8構 成了動密封，從而能夠防止鑽井過程中泥漿進入到導流體3、葉輪總成4和自激振蕩噴嘴5 的外壁與本體1的容置腔13之間，並通過儲油室6的潤滑油能夠對設置在容置腔13內的各 部件外周壁，以及軸套42與葉輪軸41、葉輪座43的軸套容置孔461之間進行良好的潤滑， 有效克服了公知技術中由於泥漿進入等原因造成的零部件相互卡死的情況，便於本裝置的 拆裝維修和更換，大大降低了使用成本。當自流體入口段11進入的鑽井液衝擊葉輪44並 帶葉輪軸41高速運轉時，儲油室6內的潤滑油能夠通過軸套42的內孔423對葉輪軸41進 行很好的潤滑，降低高速運轉時葉輪軸41的磨損，延長了葉輪軸41的使用壽命，進而保證 水力脈衝空化射流發生裝置在井下工作的安全。以上所述僅為本發明示意性的具體實施方式
，並非用以限定本發明的範圍。任何 本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均 應屬於本發明保護的範圍。
權利要求
一種水力脈衝空化射流發生裝置，包括一中空柱狀本體，所述本體的一端為流體入口段，另一端為流體出口段，在所述流體入口段與流體出口段之間構成容置腔，其內依次設有導流體、葉輪總成和自激振蕩噴嘴；所述葉輪總成具有葉輪座、葉輪、以及將所述葉輪樞設在所述葉輪座上的葉輪軸；其特徵在於，所述容置腔靠近流體出口段一側設有一環凸緣，所述凸緣朝向所述流體入口段的一面構成定位端面，所述自激振蕩噴嘴能抵接、定位於所述定位端面；一頂部壓環設置在靠近所述本體的流體入口段一側，與所述本體的容置腔通過螺紋連接並頂抵於所述導流體。
2.如權利要求1所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其特徵在於，所述頂部壓環、導流 體、葉輪總成、自激振蕩噴嘴、定位端面之間均設有密封墊片。
3.如權利要求1所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其特徵在於，所述容置腔的內徑 大於所述導流體和所述葉輪總成的外徑，且所述容置腔的內壁面與所述導流體和所述葉輪 總成的外周壁之間形成儲油室。
4.如權利要求3所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其特徵在於，所述容置腔的周壁 上設有一環擴徑的凹槽，所述凹槽位於所述儲油室內，所述本體上設有與所述凹槽相連通 的注油孔，一注油螺栓能密封地旋合在所述注油孔內。
5.如權利要求1所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其特徵在於，所述葉輪座的側壁 上設有兩相對置的貫通軸孔，所述軸孔的軸線與所述容置腔的縱軸線相垂直，所述軸孔形 成外部直徑大於內部直徑的階梯孔。
6.如權利要求5所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其特徵在於，所述葉輪軸的兩端 通過軸套能轉動地設置在所述軸孔內，所述軸套設置在由所述階梯孔的外部大直徑孔構成 的軸套容置孔內。
7.如權利要求6所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其特徵在於，所述軸套與所述階 梯孔的階梯面之間設有組合密封圈。
8.如權利要求6所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其特徵在於，所述軸套容置孔設 有內螺紋，所述軸套設有外螺紋，通過該內、外螺紋所述軸套與所述葉輪座固定連接。
9.如權利要求8所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其特徵在於，所述軸套的外側面 設有至少一個凹槽，通過所述凹槽將所述軸套旋合於所述葉輪座內，並壓緊所述組合密封 圈。
10.如權利要求1-9任一項所述的水力脈衝空化射流發生裝置，其特徵在於，朝向所述 流體出口段一側的所述葉輪座具有一縮徑部，所述縮徑部能嵌合於所述自激振蕩噴嘴內。
全文摘要
本發明提出一種水力脈衝空化射流發生裝置，其包括一中空柱狀本體，所述本體的一端為流體入口段，另一端為流體出口段，在所述流體入口段與流體出口段之間構成容置腔，其內依次設有導流體、葉輪總成和自激振蕩噴嘴，其中，所述容置腔靠近流體出口段一側設有一環凸緣，所述凸緣朝向所述流體入口段的一面構成定位端面，所述自激振蕩噴嘴能抵接、定位於所述定位端面；一頂部壓環設置在靠近所述本體的流體入口段一側，與所述本體的容置腔通過螺紋連接並頂抵於所述導流體。本發明提出的水力脈衝空化射流發生裝置，通過設置密封墊圈，能提高其密封效果，有效防止泥漿流入其內部，便於維修更換內部零件，同時進一步提高了葉輪軸的使用壽命。
文檔編號E21B7/18GK101824965SQ201010141190
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月6日 優先權日2010年4月6日
發明者史懷忠, 李根生, 牛繼磊, 田守嶒, 申瑞臣, 黃中偉 申請人:中國石油大學(北京);中國石油集團鑽井工程技術研究院;中國石油大學(華東)