Φ102涡轮钻具井下喷射器设计(7)

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

3. 喷射器的设计

3.1 喷射器方案对比

3.1.1 先导阀控制换向方案

如下图3-1所示为先导阀控制换向方案结构图，该增压器由外筒、动力液缸、换向阀、超高压泵等组成。两个动力液缸并联使用，相当于一个大直径液缸，布置在换向阀的上方与下方。换向阀的外筒与液缸筒为一体，在筒外焊接扇形流道D和E，分别将两液缸的上腔与下腔连通。扇形流道D和E以外的扇形部分在B-B处隔离为上下两个部分，上部分与空间A连通，下部分与空间F连通。

图3-1 先导阀式井下增压器原理结构

1.外筒 2.悬挂盘 3.缸筒 4.大活塞 5、9.缸筒 6.导阀套筒 7.换向阀主芯 8.导阀附筒 11.活塞杆 12、19.扇形流道壳体 13.小活塞 14.超高压泵缸体 15.吸入阀 16.超高压管 17.单向阀组 18 排出阀

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喷射器的设计

该增压器方案的优点在于：

1. 中间的组合阀阀结构较为复杂，制造不够方便； 2. 采用两个液缸并联使用控制活塞运动速度； 3. 实现脉动增压,上冲程能量损失少； 该增压器方案的缺点在于：

1. 中间的阀结构较为复杂，制造不够方便； 2. 采用焊接成形，成本加大；

3. 中间的阀占用空间过大，进而液体流速加大； 3.1.2 涡轮离心式增压方案

如下图3-2所示为涡轮离心式增压方案，该方案中通过钻井液推动动力装置，将钻井液所具有的压能转化为机械能，带动增压装置做功，使一小部分钻井液增压到较高的压力，再经过高压流道由特制的喷嘴喷出的形成高速射流，对井底岩石进行破碎、切割，实现超高压射流钻井。

图3-2 离心式井下增压装置结构示意图

1.外壳 2.止推轴承 3.涡轮转子 4.涡轮定子 5.下部轴承 6.上联轴器 7.碟片离心分离器 8.下联轴器 9.离心泵 10.轴 11.离心泵出口流道 12.钻头高压液体流道 13.钻头

按照增压装置的功能，可以将整个装置分解为4个单元，即动力单元、固液分离单元、增压单元和流道短节单元。 （1）动力单元

涡轮作为结构特殊的工具，不仅可以通过改变叶轮的直径满足空间要求，还可以通过钻井液来驱动旋转，将钻井液携带的能量转换为机械能，为离心泵的旋转提供扭

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矩。

（2）固液分离单元

在井下离心增压装置中，考虑增加一个离心式固液分离装置，来降低进入离心泵的大颗粒固相成分。

（3）增压单元

离心式的增压方式，主要靠旋转运动实现增压，结构相对简单。由于井眼空间的限制，将离心泵的叶轮设计成小直径，以满足空间要求。

（4）流道短节单元

从离心泵出来的高压流体，通过一定的流道与钻头上的高压合金管联接，将高压小排量的钻井液输送到钻头上的高压喷嘴。

该增压器方案的优点在于： 1. 能够实现连续增压； 该增压器方案的缺点在于：

1. 内部构件过多，相应的易损件也就越多，故寿命相对较低； 2. 增压效果不够明显,适用于井下增压注水； 3.1.3 射流元件换向方案

该方案采用了射流元件配合组合阀进行换向，简化了阀的结构，其总装图如下图3-3所示：

图3-3 射流式井下增压器（downhole boost compressor）总装图 1.上接头 2.射流元件 3.二位三通阀 4.中心杆 5.下活塞缸 6.增压缸 7.节流阀 8.旁通阀 9.外缸 10.下接头

来自钻井泵的钻井液经钻具进入增压工具，假定大活塞处于上位，此时二位三通阀亦处于上位，活塞腔下腔与节流器下部低压腔相通，上腔与射流元件进口相连。在节流压降静压差的作用下，钻井液推动大活塞向下运动，推动增压小活塞向前运动增压，增压后的高压液体经单流阀、高压管路输出至钻头超高压喷嘴。

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喷射器的设计

大活塞运动至下死点，推动二位三通阀换向，此时大活塞下腔与节流器低压端关闭，打开与射流元件下腔通道，利用射流附壁切换功能在射流动压差作用下将两级大活塞及增压小活塞推至上死点。此时增压小活塞通过单流阀进液，完成一个增压过程。如此循环，实现相对稳定的射流输出。

带射流元件喷射器的涡轮钻具是一种结构特殊的井下动力钻具，它的主要元件是由定子、转子和喷射装置组成。工作时，涡轮钻具利用高压高速的钻井液冲击涡轮定转子，反向的定转子叶片将高压液的动能转变成机械能；通过了涡轮节的高压液流向下一级的喷射装置，然后通过喷射器将液体变成高压液喷射出去。

该增压器方案的优点在于：

1. 能够实现间断增压；

2. 采用了射流元件实现液路的自动换向； 3. 实现脉动间歇增压,上冲程能量损失少；

4. 将能量集中在井底直接驱动钻头联合破岩，能量利用充分，机械钻速较高，井身质量好。 该增压器方案的缺点在于：

1. 液缸的制造较为复杂； 2. 射流元件的制造较复杂；

3.1.4 总结

综合上述对比以及课题要求，本次设计采用方案三比较合理.

首先题目要求配合涡轮钻具进行设计；其次它能够配合涡轮钻具进行喷射钻井，减少能量损失。综合考虑选择方案三较为合理。

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3.2 喷射器的工作原理

3.2.1 工作原理

2006年,中原油田钻井院与中国石油大学(北京)经过多年的联合研究,先后研制出了2套射流式井底增压钻井系统,并进行了现场工业试验,取得了阶段性研究成果。这里我也将它的设计结构应用到我的设计上，其结构如下图3-4所示：

它主要由2个部件组成：

a) 外部由上接头、外壳体、下接头、双流道PDC钻头等4部分组成。 b) 内部由上下托盖、射流元件、上活塞缸、中活塞缸、二位三通阀、下活塞缸、输出接头等8部分组成。

图3-4 喷射器结构

1.上接头 2.外缸 3.射流元件 4.上缸体 5.上活塞 6.活塞杆 7.组合阀总成 8.下缸体 9.下活塞 10.下活塞 11.单向阀 12.节流嘴 13..托盖 14.高压输出管 15.下接头

（1）增压冲程

假定输入活塞位于输入活塞缸上位（即上死点），此时换向机构受控使输入活塞缸与环形流道2的连通通道关闭，同时打开下腔与与泄流通道的连通通道。此时双稳射流元件的第二切换流道受背压的影响，流体压力增大，使流体附壁于第一切换流道，并通过该流道进入输入活塞缸的上腔，同时由于节流元件的作用，活塞缸上腔的流体压力大于下腔，因此输入活塞在该压差作用下向下运动，同时带动输出活塞缸的输出活塞向下运动，输出活塞缸中的流体通过输出流道输出高压射流，而输入活塞缸下腔的流体通过低压流道泄流。

（2）复位冲程

当输入活塞运动到下位（即下死点）时，组合换向机构（行程阀）受作用换向，使输入活塞缸的下腔与泄流通道（低压流道）的连通通道关闭，同时打开输入活塞缸

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