柱塞式岩屑举升装置及举升方法 |
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| 申请号 | CN201511030675.1 | 申请日 | 2015-12-31 | 公开(公告)号 | CN105484684A | 公开(公告)日 | 2016-04-13 |
| 申请人 | 中国石油天然气集团公司; 中国石油集团钻井工程技术研究院; 北京康布尔石油技术发展有限公司; | 发明人 | 周志雄; 邹来方; 韩规划; 李群; 刘继亮; 毛为民; | ||||
| 摘要 | 本 发明 为一种 柱塞 式岩屑举升装置及举升方法，举升装置包括外筒、 斜盘 、转动轴、缸体、 配流盘 ，缸体同轴固定在转动轴上，缸体上均匀分布多个柱塞孔，每个柱塞孔内滑动设有一柱塞体，每个柱塞体的下端与一滑靴通过球铰连接，滑靴的下端通过T形滑 块 滑动设置在斜盘的T形滑槽中；缸体的下端面与斜盘的倾斜表面之间形成密封的润滑物储存空间；转动轴和配流盘设有举升通道。举升方法利用该举升装置，使柱塞体和缸体柱塞孔之间形成的腔室工作容积发生变化，通过缸体和柱塞体产生举升作用，将岩屑通过举升通道进行举升。该举升装置形成的储存润滑物质空间保证润滑物质不泄露，从而实现装置的长期连续运转。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种柱塞式岩屑举升装置，其特征在于，所述柱塞式岩屑举升装置包括： |
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| 说明书全文 | 柱塞式岩屑举升装置及举升方法技术领域[0001] 本发明是关于一种钻井施工的辅助装置，尤其涉及一种柱塞式岩屑举升装置及举升方法。 背景技术[0002] 钻井施工需要将岩屑从井底带至地面，保持井底清洁，避免钻头重复切削，钻头才能没有阻碍地继续深钻。目前携带岩屑采用的方法是配置钻井液，通过钻井液循环将井底岩屑带离井底。但如果采用特殊钻井工艺，井下工况不容许配置钻井液，形成钻井液循环，那么，输送岩屑，将岩屑带离钻头，从而保证钻头正常工作就成为一个钻井工程技术难题。 [0003] 普通斜盘式柱塞泵无法解决这一难题，主要原因在于，普通斜盘式柱塞泵一般靠弹簧等弹性机械装置或低压油提供作用力推动柱塞的吸入行程，其输送介质是工作液压油，滑靴斜盘组件由输送介质(工作液压油)提供润滑；当举升输送岩屑时，输送介质是岩屑混合液体，即岩屑跟井底的液体混合形成的固液混合物，其中可能含有固相颗粒，柱塞与缸体之间作用力显著增大，靠弹簧装置等不能推动柱塞的吸入行程，同时，滑靴斜盘组件也没有润滑，使用寿命会大大降低，显然，普通斜盘式柱塞泵只能输送液压油，而且，对输送液压油的清洁度要求较高，不能输送以固液混合物为主的岩屑。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种柱塞式岩屑举升装置及举升方法，其密封和润滑效果更好，举升岩屑时工作更可靠。 [0006] 本发明的目的是这样实现的，一种柱塞式岩屑举升装置，所述柱塞式岩屑举升装置包括： [0007] 外筒，所述外筒具有圆柱形内部空间； [0008] 斜盘，所述斜盘固定在所述外筒中，所述斜盘的圆周与所述外筒内壁之间密封接触；所述斜盘的下表面为平面、上表面为倾斜表面，所述倾斜表面上设有一圈T形滑槽； [0009] 转动轴，所述转动轴同轴贯穿所述斜盘并与所述斜盘密封转动接触； [0010] 缸体，所述缸体同轴套设并固定于所述转动轴上，所述缸体的圆周与所述外筒内壁之间密封转动接触，所述缸体位于所述斜盘的上方并与所述倾斜表面之间具有间距；所述缸体上围绕所述转动轴均匀分布有多个上下贯通的柱塞孔，每个柱塞孔内滑动密封设有一柱塞体，每个柱塞体的下端与一滑靴通过球铰连接，所述滑靴的下端通过T形滑块滑动设置在所述T形滑槽中； [0011] 配流盘，所述配流盘固定在所述外筒中，其外圆周与所述外筒内壁之间密封接触；所述转动轴贯穿所述配流盘并与所述配流盘之间密封转动接触；所述配流盘位于所述缸体的上方且所述配流盘下端面与所述缸体的上端面接触； [0012] 其中，所述缸体的下端面与所述斜盘的倾斜表面之间形成密封的润滑物储存空间；所述转动轴的内部设有相互分隔的第一轴向通道和第二轴向通道；所述配流盘设有第一配流通道和第二配流通道，且所述第一配流通道与所述第一轴向通道连通，所述第二配流通道与所述第二轴向通道连通。 [0013] 在本发明的一较佳实施方式中，所述第一轴向通道同轴设置于所述第二轴向通道的下方，两者之间由第一分隔部隔离；所述转动轴的侧壁上位于所述第一分隔部下方和上方的位置分别设有第一连通窗口和第二连通窗口。 [0014] 在本发明的一较佳实施方式中，所述倾斜表面具有一最高点和一最低点；所述第一配流通道和所述第二配流通道的下端均敞开；所述第一配流通道位于所述最低点对应的一侧，且所述第一配流通道与所述第一轴向通道通过所述第一连通窗口连通，所述第一配流通道与所述第二连通窗口隔断； [0015] 所述第二配流通道位于所述最高点对应的一侧，且所述第二配流通道与所述第二轴向通道通过所述第二连通窗口连通，所述第二配流通道与所述第一连通窗口隔断。 [0016] 在本发明的一较佳实施方式中，所述第一配流通道的顶端位于所述第一连通窗口与所述第二连通窗口之间；所述第二配流通道的顶端高于所述第二连通窗口的底端；所述第一配流通道和所述第二配流通道在垂直于所述转动轴的横截面上的投影均为扇形。 [0017] 在本发明的一较佳实施方式中，所述缸体的侧壁上设有与每个所述柱塞孔连通的至少一个第一径向透孔，所述第一径向透孔将每个所述柱塞孔与所述缸体外部连通； [0018] 所述外筒的侧壁上与所述第一径向透孔高度一致的位置设有至少一个第二径向透孔，所述第二径向透孔将所述外筒的内部和外部连通； [0019] 所述外筒的内壁与所述缸体的外壁两者至少之一上，与所述第一径向透孔和所述第二径向透孔高度一致的位置设有环形凹槽，所述环形凹槽将所述第一径向透孔和所述第二径向透孔连通。 [0020] 在本发明的一较佳实施方式中，所述缸体的侧壁上设有与所述柱塞孔对应的多个第一径向透孔，所述第一径向透孔将所述柱塞孔与所述缸体外部连通； [0021] 所述外筒的侧壁上与所述第一径向透孔高度一致的位置设有多个圆周均匀分布的第二径向透孔，所述第二径向透孔将所述外筒的内部和外部连通； [0022] 所述外筒的内壁与所述缸体的外壁两者至少之一上，与所述第一径向透孔和所述第二径向透孔高度一致的位置设有环形凹槽，所述环形凹槽将所述第一径向透孔和所述第二径向透孔连通。 [0023] 在本发明的一较佳实施方式中，所述柱塞体包括上部的柱塞部和下部的活塞杆，所述柱塞部的直径大于所述活塞杆的直径；所述柱塞部与所述柱塞孔滑动密封配合；所述柱塞部位于所述第一径向透孔的上方；所述活塞杆与所述柱塞孔的内壁之间具有间隙，且所述活塞杆通过密封圈与所述柱塞孔的内壁滑动密封，所述密封圈位于所述第一径向透孔的下方。 [0024] 在本发明的一较佳实施方式中，所述外筒下端的内壁设有内螺纹，位于所述斜盘上方的所述外筒内壁上设有一环形台肩；在所述倾斜表面与所述环形台肩之间设有一套筒，所述套筒的上表面为平面、下表面为与所述倾斜表面配合的斜面；所述斜盘下方设有与所述内螺纹连接的外螺母，所述斜盘固定在所述外螺母与所述套筒之间，所述套筒抵靠在所述环形台肩上。 [0026] 在本发明的一较佳实施方式中，所述外筒上端螺纹连接一上接头，所述转动轴在所述配流盘上方的位置套设有一弹簧，所述弹簧上方设有一弹簧压板，所述弹簧压板抵靠在所述上接头的下端面，所述弹簧一端抵靠在所述配流盘的上端面，另一端抵靠在所述弹簧压板上。 [0027] 在本发明的一较佳实施方式中，所述柱塞孔的数量为7个；所述T形滑槽在所述斜盘垂直于所述转动轴的横截面上的投影为圆形。 [0028] 本发明的目的还可以这样实现，采用如上所述柱塞式岩屑举升装置的举升方法，所述举升方法包括如下步骤： [0029] S1、提供所述柱塞式岩屑举升装置，将所述柱塞式岩屑举升装置连接到钻井管柱中，通过动力系统带动喂料机构和喂料机构下端的钻头，钻头钻井形成钻井岩屑，喂料机构推动岩屑上行； [0030] S2、通过动力系统同时带动所述转动轴旋转，通过转动轴带动所述缸体旋转，所述缸体带动所述柱塞体旋转，所述柱塞体通过所述T型滑块受所述斜盘的T型滑槽约束，从而产生上下往复运动，完成举升动作，将岩屑通过所述第一轴向通道、第一配流通道、第二配流通道和第二轴向通道进行举升。 [0031] 在本发明的一较佳实施方式中，所述转动轴的侧壁上分别设有第一连通窗口和第二连通窗口；所述倾斜表面具有一最高点和一最低点；所述柱塞体从所述最高点位置向所述最低点位置移动的过程中，所述柱塞体与所述柱塞孔形成的工作容积不断增大，下部的喂料机构推动岩屑从所述第一轴向通道上升，经过所述第一连通窗口进入所述第一配流通道，并进入所述工作容积中； [0032] 所述柱塞体从所述最低点位置向所述最高点位置移动的过程中，所述柱塞体与所述柱塞孔形成的工作容积不断减小，所述柱塞体推动其中的岩屑进入到所述第二配流通道中，并经过所述第二连通窗口进入所述第二轴向通道中进行举升； [0033] 所述缸体每转一圈，每个所述柱塞体往复运动一次，完成一次举升动作。 [0034] 由上所述，本发明的岩屑举升装置通过斜盘强制推拉的方式实现柱塞体在柱塞孔内的直线往复运动，柱塞体和缸体之间形成的腔室工作容积发生变化，从而可以举升岩屑。同时转动轴、缸体、斜盘和外筒之间构成的封闭腔形成储存润滑物质的空间，保证润滑物质不泄露，从而实现装置的长期连续运转。另外，通过在缸体侧壁和外筒侧壁上设置径向透孔，保证装置内外的物质压力平衡，避免工作容积中产生真空。 附图说明 [0035] 以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中： [0036] 图1：为本发明岩屑举升装置沿第一分隔面的剖面结构示意图。 [0037] 图2：为图1中沿M-M截面的横截面示意图。 [0038] 图3：为图1中沿N-N截面的横截面示意图。 [0039] 图4：为图1中沿K-K截面的横截面示意图。 [0040] 其中图1中的上下方向与本发明岩屑举升装置的上下方向一致，图1中的左右方向为径向方向。 具体实施方式[0041] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。 [0042] 为了解决采用特殊钻井工艺时，井下工况无法形成钻井液和钻井液循环，无法通过钻井液循环输送岩屑从而保证钻头正常工作这一钻井工程技术问题，如图1所示，本发明提供了一种柱塞式岩屑举升装置100，以实现钻井岩屑的举升输送。该柱塞式岩屑举升装置100包括外筒13、斜盘11、转动轴5、缸体6和配流盘4。外筒13为圆柱形套筒件，具有沿轴向延伸的圆柱形内部空间。斜盘11固定在圆柱形内部空间中，斜盘11为圆柱状部件，斜盘11的圆周与外筒13内壁之间通过密封圈密封接触。斜盘11的下表面为与轴向垂直的平面、上表面为倾斜表面111，倾斜表面111上设有一圈T形滑槽112。转动轴5同轴穿设在圆柱形内部空间中，斜盘11的轴向中央设有穿孔，转动轴5从斜盘11的穿孔穿过并与斜盘11之间密封转动接触。缸体6为圆柱体，缸体6同轴套设并固定于转动轴5上，由转动轴5带动进行同步转动。缸体6的圆周与外筒13内壁之间通过密封圈密封并转动接触，缸体6位于斜盘11的上方并与倾斜表面111之间具有间距。缸体6上围绕转动轴5在圆周方向上均匀分布有多个上下贯通的柱塞孔61，每个柱塞孔61内上下滑动密封地设有一柱塞体7，柱塞体7与柱塞孔61的内壁之间紧密接触并通过密封圈密封，每个柱塞体7的下端与一滑靴9通过球铰连接，即每个柱塞体7的下端形成有一个球头，滑靴9的上端对应的设有一个球形凹陷，球头位于球形凹陷内形成球铰连接。滑靴9的下端通过T形滑块滑动设置在T形滑槽112中。配流盘4整体也为一个柱状体，配流盘4固定在圆柱形内部空间中，其外圆周与外筒13内壁之间通过密封圈密封接触。配流盘4的中央也设有轴向穿孔，转动轴5从配流盘4的轴向穿孔穿过并与配流盘4之间密封转动接触，转动轴5贯穿配流盘4并与其密封转动接触。配流盘4位于缸体6的上方且其下端面与缸体6的上端面密封转动接触。 [0043] 其中，缸体6的下端面与斜盘的倾斜表面111之间形成密封的润滑物储存空间15，即在转动轴5、缸体6、斜盘11和外筒13之间构成一个封闭的腔体，该腔体内存储有润滑物质来对各个运动副进行润滑，且润滑物质不会泄漏到该封闭腔体外面；润滑物质为固体润滑脂或其它常用的润滑材料。转动轴5与配流盘4设有能将岩屑举升的举升通道，转动轴5的内部设有相互分隔的第一轴向通道51和第二轴向通道52；配流盘4设有相互独立的第一配流通道41和第二配流通道42，且第一配流通道41与第一轴向通道51连通，第二配流通道42与第二轴向通道52连通。通过转动轴5带动缸体6转动，由斜盘11对柱塞体7施加强制的推拉力形成柱塞体7在柱塞孔61内的直线往复运动。钻头钻井形成的岩屑跟井底的液体混合形成固液混合物，由柱塞体7的举升作用使岩屑(钻屑)经过举升通道来举升。根据该举升装置所要求的颗粒粒径的范围来配合相应的钻头，实际的使用中证明在一定的粒径范围内并配合液体使岩屑和液体形成固液混合物，该举升装置能达到很好的举升效果。 [0044] 进一步，转动轴5的内部从下向上依次同轴设有相互分隔的第一轴向通道51和第二轴向通道52，第一轴向通道51与第二轴向通道52之间具有第一分隔部53。第一分隔部53下方的转动轴5侧壁上设有多个第一连通窗口54，第一分隔部53上方的转动轴5的侧壁上设有多个第二连通窗口55。第一连通窗口54和第二连通窗口55可以是沿转动轴5的侧壁圆周均匀设置的多个贯通槽，分别将第一轴向通道51和第二轴向通道52与转动轴5外部连通。 [0045] 倾斜表面111具有一最高点和一最低点，设定最高点、最低点以及圆柱形内部空间轴线所在的平面为第一分隔面A，与第一分隔面A正交且通过圆柱形内部空间轴线的平面为第二分隔面B。如图2至图4所示，第一配流通道41和第二配流通道42分别位于第二分隔面B的两侧。第一配流通道41和第二配流通道42的下端均敞开，延伸至缸体6的上端面并能与对应的柱塞孔61连通。第一配流通道41位于与最低点对应的一侧，且第一配流通道41与第一轴向通道51通过第一连通窗口54连通，第一配流通道41与第二连通窗口55通过转动轴与配流盘之间的转动密封隔断。第二配流通道42位于与最高点对应的一侧，且第二配流通道42与第二轴向通道52通过第二连通窗口55连通，第二配流通道42与第一连通窗口54通过转动轴与配流盘之间的转动密封隔断。其中第一轴向通道51、第二轴向通道52、第一连通窗口54、第二连通窗口55、第一配流通道41和第二配流通道42构成举升通道。具体的，第一配流通道41的顶端位于第一连通窗口54与第二连通窗口55之间；第二配流通道42的顶端高于第二连通窗口55的底端。如图2至图4所示，第一配流通道41和第二配流通道42在垂直于圆柱形内部空间轴线即垂直于转动轴5的横截面上的投影均为扇形。 [0046] 柱塞体7可在缸体6的柱塞孔61内运动，形成容积可变的空腔。当柱塞体7与滑靴9一起随缸体6转动时，滑靴9只能在斜盘11的T形滑槽112里运动，从而斜盘11通过滑靴9强力推拉柱塞体7，使之做直线往复运动，柱塞体7和柱塞孔61形成的空腔的工作容积就会发生变化，通过工作容积的变化来实现容纳岩屑和排出岩屑。柱塞体7在沿斜盘11自上而下回转的半周内逐渐向缸体6外伸出，使柱塞孔61内的工作容积不断增加，产生局部空间，工作容积变大时，钻井岩屑经过第一轴向通道51、第一连通窗口54被送入第一配流通道41并进入工作容积。柱塞体7在自下而上回转的半周内又逐渐向柱塞孔61内推入，使工作腔容积不断减小，随着柱塞体7和柱塞孔61形成的工作容积变小，同时转动到第二配流通道42位置，钻井岩屑从工作容积经过第二配流通道42、第二连通窗口55进入到第二轴向通道52被举升。缸体6每转一圈，每个柱塞体7往复运动一次，完成一次送入和推出举升动作。 [0047] 进一步，如图4所示，缸体6的侧壁上设有与每个柱塞孔61连通的至少一个第一径向透孔62，第一径向透孔62将柱塞孔61与缸体6外部连通。外筒13的侧壁上与第一径向透孔62高度一致的位置设有至少一个第二径向透孔131，第二径向透孔131将外筒13的内部和外部连通。外筒13的内壁与缸体6的外壁两者至少之一上，与第一径向透孔62和第二径向透孔 131高度一致的位置设有环形凹槽16，环形凹槽16将第一径向透孔62和第二径向透孔131连通。柱塞体7的外径与柱塞孔61的内径之间采用间隙配合，该间隙足以防止岩屑粉末颗粒的通过，但可以通气，以便更有利于柱塞孔61内的压力与外界压力相平衡，柱塞体7与柱塞孔 61之间采用密封圈进行密封，该密封圈位于第一径向透孔62的下方，能防止润滑物质泄漏。 例如，柱塞体7可以采用上部为直径较大的柱塞部、下部为直径较小的活塞杆的形式，柱塞部与柱塞孔61的内壁间隙滑动配合，该间隙能阻止岩屑粉末颗粒进入，活塞杆与柱塞孔61的内壁之间具有间隙并通过密封圈密封，当柱塞体7运动到最上边的位置时，活塞杆与柱塞孔61内壁之间的密封圈仍位于第一径向透孔62下方，不会堵上该第一径向透孔62，该密封圈可以阻止润滑物质泄漏；当柱塞体7运动到最下边的位置时，柱塞部仍位于第一径向透孔 62上方，柱塞部在轴向上要具有足够的长度以满足阻止岩屑颗粒泄漏的要求。活塞杆的下端与滑靴9球铰连接。通过两个径向透孔的连通，可以保证该装置在运转过程中内外的物质压力平衡，避免工作容积中产生真空。 [0048] 进一步，外筒13下端的内壁设有内螺纹，位于斜盘11上方的外筒13内壁上设有一环形台肩；在倾斜表面111与环形台肩之间设有一套筒10，套筒10的上表面为平面、下表面为与倾斜表面111配合的斜面。套筒10的上表面抵靠在环形台肩上，下表面抵靠在斜盘11上。斜盘11下方设有外螺母12，外螺母12螺纹连接在外筒13的内螺纹上将斜盘11紧固，斜盘11固定在内螺母12与套筒10之间，套筒10抵靠在环形台肩上。转动轴5上位于缸体6下方的外壁上设有外螺纹，缸体6通过与外螺纹连接的内螺母8轴向固定在转动轴5上，缸体6与转动轴5通过平键或花键连接进行传递扭矩和同步转动。 [0049] 进一步，外筒13上端螺纹连接一上接头1，配流盘4上方的转动轴5外部套设有一弹簧3，弹簧3上方设有一弹簧压板2，弹簧压板2抵靠在上接头1的下端面，弹簧3一端抵靠在配流盘4的上端面，另一端抵靠在弹簧压板2上，通过弹簧3向弹簧压板2施压，增强弹簧压板2与上接头1下端面之间端面密封的密封性能。 [0050] 进一步，如图4所示，柱塞孔61的数量可以设置为7个。T形滑槽112在斜盘11垂直于转动轴5的横截面上的投影为圆形。通过T形滑槽112的圆心并与倾斜表面111垂直的直线与圆柱形内部空间轴线之间的夹角α与倾斜表面111的倾斜角β相同。该斜盘11、滑靴9与柱塞体7的连接结构如此设置能使各个柱塞体7在跟随缸体6转动的同时，通过滑靴9顺畅的沿着T形凹槽进行滑动，同时在柱塞孔61内进行直线往复运动。 [0051] 本发明还提供了一种采用上述柱塞式岩屑举升装置100的举升方法，该举升方法包括如下步骤： [0052] S1、提供柱塞式岩屑举升装置100，将柱塞式岩屑举升装置100连接到钻井管柱中，通过动力系统带动喂料机构和喂料机构下端的钻头，喂料机构为连接在管柱中的辅助装置，钻头钻井形成钻井岩屑，喂料机构推动岩屑上行。 [0053] S2、通过动力系统同时带动转动轴5旋转，通过转动轴5带动缸体6旋转，缸体6带动柱塞体7旋转，柱塞体7通过T型滑块受斜盘11上T型滑槽的约束，从而产生上下往复运动，完成举升动作，将岩屑通过第一轴向通道51、第一配流通道41、第二配流通道42和第二轴向通道52进行举升。 [0054] 具体的，柱塞体7从最高点位置向最低点位置移动的过程中，柱塞体7与缸体柱塞孔61形成的工作容积不断增大，下部喂料机构推动岩屑从第一轴向通道51上升，经过第一连通窗口54进入第一配流通道41，并进入工作容积中； [0055] 柱塞体从最低点位置向最高点位置移动的过程中，柱塞体7与缸体柱塞孔61形成的工作容积不断减小，柱塞体7推动其中的岩屑进入到第二配流通道42中，并经过第二连通窗口55进入第二轴向通道52中完成举升； [0056] 缸体6每转一圈，每个柱塞体7往复运动一次，完成一次举升动作。 [0057] 由上所述，该岩屑举升装置中的运动件有：转动轴5、缸体6、外螺母8、柱塞体7、滑靴9；固定件有：上接头1、弹簧压板2、弹簧3、配流盘4、套筒10、斜盘11、内螺母12、外筒13，转动轴在外部驱动的情况下可带动缸体、柱塞体、滑靴一起转动。通过斜盘强制推拉的方式实现柱塞体在柱塞孔内的直线往复运动，柱塞体和缸体之间形成的腔室工作容积发生变化，从而可以举升岩屑。同时转动轴、缸体、斜盘和外筒之间构成的封闭腔形成储存润滑物质的空间，保证润滑物质不泄露，从而实现装置的长期连续运转。另外，通过在缸体侧壁和外筒侧壁上设置径向透孔，保证装置内外的物质压力平衡，避免工作容积中产生真空。 |
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