一種多級向心透平式渦輪節的製作方法

2023-05-04 15:32:36

一種多級向心透平式渦輪節的製作方法
【專利摘要】本發明涉及到用於石油天然氣鑽井工程中的一種多級向心透平式渦輪節，它由導輪、向心葉輪、主軸、承載部件、引流部件、軸緊固部件、殼體、殼緊固部件構成。所述導輪沿圓周布置有環形平板葉柵，環形平板葉柵由若干片平板葉片組成；所述向心葉輪為閉式葉輪，向心葉輪沿圓周布置有環形向心葉柵，環形向心葉柵由若干片向心葉片組成，向心葉片的截面具有特定的翼型形狀。鑽井液在流過向心葉輪流道時，由於受到流道的作用其速度大小和方向均會發生改變，從而對環形向心葉柵中的每個向心葉片產生沿圓周方向的升力；在導輪和向心葉輪之間設有螺旋密封以提高容積效率。本發明所需鑽井液工作流量小，轉速高，適合於小井眼、研磨性地層的鑽進。
【專利說明】一種多級向心透平式渦輪節

【技術領域】
[0001]本發明涉及到用於石油天然氣鑽井工程中的一種多級向心透平式渦輪節，屬於石油天然氣鑽井設備領域。

【背景技術】
[0002]在石油天然氣鑽井工程中，渦輪鑽具廣泛應用於超深井、水平井、斜井等的鑽進過程。渦輪節是渦輪鑽具中將鑽井液能量轉為機械能的核心部件，而在渦輪節中，起到轉化鑽井液能量作用的關鍵部件是由定轉子組成的透平。現使用的渦輪鑽具其渦輪節均採用的是軸流式透平，即渦輪節中的定子和轉子葉柵均為軸流式的。根據反轉離心泵可作液力透平能量回收裝置的工程技術知，設計液力式的向心透平在原理上是可行的，並根據實驗研究知，與軸流式透平渦輪節相比，相同尺寸的向心透平式渦輪節其啟動流量要小；且在相同流量下，向心透平式渦輪節其輸出轉速比基於軸流式渦輪節輸出轉速要高。
[0003]現代油氣鑽井工程向深井、超深井發展，鑽井工程中面臨著破碎超硬地層的問題。根據鑽井工程的實踐，研磨破巖是一種破碎超硬地層十分有效的方式，而研磨破巖需要鑽頭高速旋轉；另一方面，為了滿足環保和節省鑽井成本的要求，小井眼鑽井技術不斷地運用於實際鑽井工程中，由於井眼截面的減小，允許通過的鑽井液流量也減小，故這就要求井下動力鑽具能在小流量條件下工作。因此，現代油氣鑽井技術發展要求井下動力鑽具能在小流量條件下產生高轉速。


【發明內容】

[0004]本發明的目的在於為滿足現有技術的發展需求，提供一種多級向心透平式渦輪節，適用於小井眼的鑽進和研磨性地層的鑽進。
[0005]本發明所採用的技術方案是:
[0006]本發明一種多級向心透平式渦輪節，由導輪、向心葉輪、主軸、承載部件、引流部件、軸緊固部件、殼體、殼緊固部件構成。所述導輪沿圓周布置有環形平板葉柵，環形平板葉柵由若干片平板葉片組成；每相鄰兩個平板葉片之間的空隙，即為供鑽井液流動的導輪流道，導輪流道沿導輪中心向邊緣延伸，同時由導輪進口嚮導輪出口延伸，實現了把流進導輪的鑽井液引導到向心葉輪進口處的功能；導輪流道的寬度沿導輪徑向方向由中心向邊緣逐漸增大，沿導輪的軸線方向由導輪進口到導輪出口逐漸減小，這使得導輪流道截面積沿鑽井液流動方向保持不變，從而避免了鑽井液在導輪流道中加速而帶來的速度損失。
[0007]所述向心葉輪採用了閉式葉輪結構，用以提高向心葉輪在能量轉化時的效率。向心葉輪沿圓周布置有環形向心葉柵，環形向心葉柵由若干片向心葉片組成，向心葉片的截面具有特定的翼型形狀。鑽井液在流過向心葉輪流道時，由於受到流道的作用其速度大小和方向均會發生改變，從而對環形向心葉柵中的每個向心葉片產生沿圓周方向的升力，每個葉片產生的升力對向心葉輪的中心軸線均產生同一方向的力矩，這些力矩疊加起來即為鑽井液流過向心葉輪流道時對環形向心葉柵產生的總力矩。在該總力矩的作用下，向心葉輪發生旋轉，即實現了將鑽井液的能量轉化為向心葉輪機械能的功能。在向心葉輪中，將向心葉輪流道寬度設計為沿向心葉輪徑向方向從邊緣向中心逐漸收斂，沿軸線方向從進口到出口保持不變，以達到有利於鑽井液能量轉化又儘可能減小速度損失的目的。受流道的約束，鑽井液在向心葉輪流道中的流動既沿徑向流動，又沿軸向流動，但轉化鑽井液能量的過程主要是鑽井液在向心葉輪流道的徑向流動來實現的，而鑽井液在向心葉輪流道的軸向流動則對向心葉輪產生了與流動方向相反的軸向力，該軸向力與向心葉輪因進出口壓差產生的軸向力方向相反，這就起到了減小軸向載荷的效果，有利於提高整過渦輪節的使用壽命。
[0008]由一個導輪和一個向心葉輪就組成了單級向心透平，但是單級向心透平所產出的扭矩不能滿足實際工程需要，需在渦輪節中安裝若干級向心透平，從而組成多級向心透平。
[0009]此外，為了提高向心透平的容積效率，在向心葉輪與導輪之間的縫隙處設置了螺旋密封，以儘可能地減少鑽進液通過此縫隙漏失。
[0010]本發明與現有技術相比，其有益效果在於:1.所需鑽井液工作流量小，適用於小井眼的鑽進；2.轉速高，適用於研磨性地層的鑽進；3.軸向載荷小，有利於提高整過渦輪節的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發明一種多級向心透平式渦輪節的結構示意圖；
[0012]圖2是圖1中A-A的剖面圖；
[0013]圖3是圖1中B-B的剖面圖；
[0014]圖4是圖1中I的局部放大圖。
[0015]圖中:1.上接頭，2.壓緊軸，3.軸調節套，4.殼調節套，5.上扶正軸承，6.導輪，7.向心葉輪，8.主軸，9.下扶正軸承，10.殼體，11.分流套，12.開槽套，13.止推軸承組，14.下接頭，15.平板葉片，16.向心葉片，17.導輪流道，18.向心葉輪流道，19.導輪進口，20.導輪出口，21.向心葉輪進口，22.向心葉輪出口。

【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明實施方案作具體說明。
[0017]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發明一種多級向心透平式渦輪節，由導輪6、向心葉輪7、主軸8、承載部件、引流部件、軸緊固部件、殼體10、殼緊固部件構成。如圖1、圖2、圖4所示，所述導輪6沿圓周布置有環形平板葉柵，平板葉柵由若干片平板葉片15組成；每相鄰兩個平板葉片15之間的空隙，即為供鑽井液流動的導輪流道17 ;導輪流道17沿導輪6中心向邊緣延伸，同時由導輪進口 19嚮導輪出口 20延伸，實現了把流進導輪6的鑽井液引導到向心葉輪進口 21處的功能；導輪流道17的寬度沿導輪6徑向方向由中心向邊緣逐漸增大，沿導輪6的軸線方向由導輪進口 19到導輪出口 20逐漸減小，這使得導輪流道17截面積沿鑽井液流動方向保持不變。
[0018]如圖1、圖3、圖4所示，所述向心葉輪7採用了閉式葉輪結構，在向心葉輪7的圓周布置有環形向心葉柵；環形向心葉柵由若干片向心葉片16組成，向心葉片16的截面設計為特定的翼型形狀，使鑽井液流過向心葉輪流道18時，對環形向心葉柵中的每個向心葉片16產生沿圓周方向的升力；每個向心葉片16產生的升力對向心葉輪7的中心軸線均產生同一方向的力矩，從而形成鑽井液流過向心葉輪流道18時對向心葉輪7產生的扭矩，向心葉輪7在該扭矩作用下發生旋轉，將鑽井液的能量轉化為向心葉輪7的機械能。為了利於鑽井液能量轉化又儘可能減小速度損失，將向心葉輪流道18寬度設計為沿向心葉輪7徑向方向從邊緣向中心逐漸收斂，沿軸線方向從向心葉輪進口 21到向心葉輪出口 22保持不變。
[0019]由一個導輪6和一個向心葉輪7組成的單級向心透平所產出的扭矩不能滿足實際工程需要，故在渦輪節中安裝若干級向心透平，從而組成多級向心透平。
[0020]此外，為了提高向心透平的容積效率，如圖4所示，在向心葉輪7與導輪6之間的縫隙處設置了螺旋密封，螺旋開設在向心葉輪7上，以提高向心透平的容積效率。
[0021]多級向心透平的向心葉輪7安裝在主軸8上，故向心葉輪7產生的動力就傳遞到了主軸8上，主軸8下端的螺紋用以連接下部鑽具，從而就將動力傳遞到了下部鑽具中，直至傳遞到鑽頭。主軸8上半部分為實心的，下半部分則開有供鑽井液流動的中心孔和分流孔。
[0022]由於向心葉輪7在工作時，因進出口始終存在壓差而要產生向下的軸向力，又因製造和裝配的原因始終存在有偏心距，旋轉時會出現離心力，故需要採用承載部件來承受這兩類載荷。承載部件包括止推軸承13、上扶正軸承5、下扶正軸承9，均安裝在主軸8上。如圖1所示，止推軸承組13安裝主軸8的下部用以承受軸向力；上扶正軸承5在主軸8上的安裝位置是緊挨著最上面一級向心葉輪7，下扶正軸承9在主軸8上的安裝位置是緊鄰最下面一級向心葉輪7，用以承受離心力。由於止推軸承組13在工作時，鑽井液可以進入其中的，但是鑽井液同時將磨粒介質帶入止推軸承組13中，為了儘可能減少被帶入的磨粒介質，採用了引流部件，即分流套11和開槽套12，將鑽井液引入到主軸8的分流孔，使鑽井液通過主軸8中心孔或主軸8末端的分流孔流出渦輪節。
[0023]為了便於裝配，上扶正軸承5、多級向心葉輪7、開槽套12、下扶正軸承9、止推軸承13與主軸8之間均採用了間隙配合，故它們與主軸8之間均是鬆動的，為了使這些零部件與主軸8不發生相對運動，採用了軸緊固部件將這些零部件與主軸緊固為一體。軸緊固件包括壓緊軸2和軸調節套3。將軸調節套3套入到主軸8上，將壓緊軸2旋入到主軸8上端螺紋處壓軸調節套3，由此產生一個軸向壓緊力。該軸向力通過軸調節套3和上扶正軸承5內圈傳遞到向心葉輪7的輪轂端面上，並通過下扶正軸承9內圈、開槽套12、止推軸承13 —直傳遞到安裝止推軸承13的主軸8軸肩上，從而實現了把向心葉輪7與主軸8緊固為一體的目的，使得向心葉輪7所產生的機械能傳遞到了主軸8上。
[0024]渦輪節中所有零件均安裝在殼體10內，隨主軸8旋轉的零件與不隨主軸8旋轉的零件在徑向上有間隙，以避免碰撞和摩擦。不隨主軸8旋轉的零件被殼緊固部件，即上接頭1、下接頭14和殼調節套4，壓緊在殼體10內，此外，通過上接頭I把渦輪節和上部鑽具連接在一起，通過下接頭14把渦輪節和下部鑽具組合連接在一起，鑽壓和反扭矩也由此傳遞到上部或下部鑽具中。
【權利要求】
1.一種多級向心透平式渦輪節，由導輪(6)、向心葉輪(7)、主軸(8)、承載部件、引流部件、軸緊固部件、殼體(10)、殼緊固部件構成，其特徵在於:所述導輪(6)沿圓周布置有環形平板葉柵，環形平板葉柵由若干片平板葉片(15)組成；導輪流道(17)的寬度沿導輪(6)徑向方向由中心向邊緣逐漸增大，沿導輪(6)的軸線方向由導輪進口(19)到導輪出口(20)逐漸減小，這使得導輪流道(17)截面積沿鑽井液流動方向保持不變；所述向心葉輪(7)採用了閉式葉輪結構，在向心葉輪(7)的圓周布置有環形向心葉柵，環形向心葉柵由若干片向心葉片(16)組成，向心葉片(16)的截面設計為特定的翼型形狀,使鑽井液流過向心葉輪流道(18)時,對環形向心葉柵中的每個向心葉片(16)產生沿圓周方向的升力；每個向心葉片(16)產生的升力對向心葉輪(7)的中心軸線均產生同一方向的力矩，從而形成鑽井液流過向心葉輪流道18時對向心葉輪7產生的扭矩；向心葉輪流道(18)寬度設計為沿向心葉輪⑵徑向方向從邊緣向中心逐漸收斂，沿軸線方向從向心葉輪進口(21)到向心葉輪出口(22)保持不變。
2.根據權利要求1所述的一種多級向心透平式渦輪節，其特徵在於:由一個導輪(6)和一個向心葉輪(7)組成的單級向心透平不能滿足實際工程需要，故在渦輪節中安裝了多級向心透平。
3.根據權利要求1所述的一種多級向心透平式渦輪節，其特徵在於:在向心葉輪(7)與導輪(6)之間的縫隙處設置了螺旋密封，螺旋開設在向心葉輪(7)上，以提高向心透平的容積效率。
【文檔編號】F01D11/08GK104454024SQ201410568714
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】龔彥, 張曉東, 周權, 龔川 申請人:西南石油大學