水力脉冲空化射流发生装置 【技术领域】
本发明涉及一种用于钻井作业的水力脉冲空化射流发生装置，尤其是一种便于维修更换内部零件、具有良好的润滑和密封性能、能有效提高叶轮轴的使用寿命的水力脉冲空化射流发生装置。
背景技术
水力脉冲空化射流钻井装置是实现水力脉冲空化射流钻井技术的一个重要部件，钻井时该装置安装在钻头和钻铤之间，或钻头与井下动力钻具之间，将钻铤或井下动力钻具流出的连续流动钻井液转变成脉冲空化射流，脉冲空化射流经钻头喷嘴射至井底，产生水力脉冲、空化空蚀、瞬时负压3种效应，从而改变井底流场及岩石受力状态，从而提高机械钻速。
本案申请人，在中国专利申请第“200610098598.8”号就公开了一种“水力脉冲空化射流钻井装置、方法及钻头”，该水力脉冲空化射流钻井装置在钻进过程中流经导流部的钻井液连续冲击叶轮座中的叶轮，叶片受到连续的切向力作用而连续高速旋转，高速旋转过程改变过流面积导致压力及流速周期脉动变化。水力脉冲空化射流钻井过程中该装置安装在底部钻具组合上，而井底由于高温、高压、高流速、钻井液成分复杂等因素，导致工作环境十分恶劣。通常一个聚晶金刚石复合片钻头正常工作时间在220小时以上，因此，为了与井下工具配套，水力脉冲空化射流钻井装置在井下工作也必须超过220小时，而水力脉冲空化射流钻井装置中最重要的一个环节就是叶轮轴的寿命，恶劣的井下工作环境和高速旋转致使叶轮轴磨损严重，甚至断裂，将直接导致工具失效。在该公知的水力脉冲空化射流钻井装置中，导流体、叶轮总成和振荡喷嘴为依次相互抵接嵌置在本体内，通过钻井液对枢设在叶轮总成内的叶轮轴进行润滑。在井下极其恶劣的环境下，且密封状态不佳，井下泥浆会容易的进入水力脉冲空化射流钻井装置内，而叶轮及叶轮轴高速旋转会产生大量的热，因此易于造成叶轮轴的磨损，单靠钻井液对叶轮的润滑无法保障其使用寿命。另外，由于在钻井过程中，在公知的结构中大量的泥浆会进入到水力脉冲空化射流钻井装置内，导致其内设置的导流体、叶轮总成和振荡喷嘴与本体之间卡死，在水力脉冲空化射流钻井装置自井下取出维修时，对其内部的各零件进行拆卸和更换非常困难，致使整个部件报废，从而提高了使用成本。
【发明内容】
本发明的目的是在于提供一种水力脉冲空化射流发生装置，使其便于维修更换内部零件，具有良好的润滑和密封性能，以有效提高叶轮轴的使用寿命。
为此，本发明提出一种水力脉冲空化射流发生装置，包括：一中空柱状本体，所述本体的一端为流体入口段，另一端为流体出口段，在所述流体入口段与流体出口段之间构成容置腔，其内依次设有导流体、叶轮总成和自激振荡喷嘴；所述叶轮总成具有叶轮座、叶轮、以及将所述叶轮枢设在叶轮座上的叶轮轴；其特征在于，所述容置腔靠近流体出口段一侧设有一环凸缘，所述凸缘朝向所述流体入口段的一面构成定位端面，所述自激振荡喷嘴能抵接、定位于所述定位端面；一顶部压环设置在靠近所述本体的流体入口段一侧，与所述本体的容置腔通过螺纹连接并顶抵于所述导流体。
如上所述的水力脉冲空化射流发生装置，其中，所述顶部压环、导流体、叶轮总成、自激振荡喷嘴、定位端面之间均设有密封垫片。
如上所述的水力脉冲空化射流发生装置，其中，所述容置腔的内径大于所述导流体和叶轮总成的外径，且所述容置腔的内壁面与所述导流体和叶轮总成的外周壁之间形成储油室。
如上所述的水力脉冲空化射流发生装置，其中，所述容置腔的周壁上设有一环扩径的凹槽，所述凹槽位于所述储油室内，所述本体上设有与所述凹槽相连通的注油孔，一注油螺栓能密封地旋合在所述注油孔内。
如上所述的水力脉冲空化射流发生装置，其中，轮座的侧壁上设有两相对置的贯通轴孔，所述轴孔的轴线与所述容置腔的纵轴线相垂直，所述轴孔形成外部直径大于内部直径的阶梯孔。
如上所述的水力脉冲空化射流发生装置，其中，所述叶轮轴的两端通过轴套能转动地设置在所述轴孔内，所述轴套设置在由所述阶梯孔的外部大直径孔构成的轴套容置孔内。
如上所述的水力脉冲空化射流发生装置，其中，所述轴套与所述阶梯孔的阶梯面之间设有组合密封圈。
如上所述的水力脉冲空化射流发生装置，其中，所述轴套容置孔设有内螺纹，所述轴套设有外螺纹，通过该内、外螺纹所述轴套与所述叶轮座固定连接。
如上所述的水力脉冲空化射流发生装置，其中，所述轴套的外侧面设有至少一个凹槽，通过所述凹槽将所述轴套旋合于所述叶轮座内，并压紧所述组合密封圈。
如上所述的水力脉冲空化射流发生装置，其中，其特征在于，朝向所述流体出口段一侧的所述叶轮座具有一缩径部，所述缩径部能嵌合于所述自激振荡喷嘴内。
本发明提出的水力脉冲空化射流装置，通过在顶部压环、导流体、叶轮座、自激振荡喷嘴间设置密封垫片，以及在叶轮座与轴套间设置组合密封圈，可使本装置的各部件连接紧密，提高其密封效果，有效的防止泥浆进入到导流体、叶轮总成、自激振荡喷嘴与本体之间，从而使导流体、叶轮总成、自激振荡喷嘴在工作中不会被卡死，便于各零部件的拆装维修和更换，大大降低了使用成本。通过储油室内的润滑油，能够对高速运转的叶轮轴进行润滑，有效延长了叶轮轴的使用寿命。本发明由于在容置腔靠近流体出口段一侧设置的凸缘，构成能使自激振荡喷嘴抵接、定位的定位端面，并且叶轮座上形成的缩径部与自激振荡喷嘴嵌合定位，因此在顶部压环的作用下，使设置在容置腔内的各部件之间相互定位准确、连接紧密，从而能有效克服因加工误差而造成的组装问题，进一步减少了制造成本。
【附图说明】
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，
图1为本发明的水力脉冲空化射流装置的装配示意图；
图2为图1中A处的局部放大示意图；
图3为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的本体的剖视示意图；
图4A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的顶部压环结构示意图；
图4B为顶部压环的剖视示意图；
图5A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的导流体上端面密封垫片主视示意图；
图5B为导流体上端面密封垫片的剖视示意图；
图6A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的导流体下端面密封垫片主视示意图；
图6B为导流体下端面密封垫片的剖视示意图；
图7A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的轴套的结构示意图；
图7B为轴套的剖视示意图；
图8A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的叶轮座的结构示意图；
图8B为叶轮座的剖视示意图。
附图标号说明：
1、本体 11、流体入口段 12、流体出口段 13、容置腔
131、内螺纹 132、凹槽 14、凸缘 141、定位端面
15、注油孔 16、注油螺栓 2、顶部压环 21、外螺纹
22、螺孔 3、导流体 4、叶轮总成 41、叶轮轴
42、轴套 421、外螺纹 422、凹槽 423、内孔
424、外侧面 425、内侧面 43、叶轮座 431、缩径部
44、叶轮 46、轴孔 461、轴套容置孔462、阶梯面
463、内螺纹 5、自激振荡喷嘴 6、储油室 7、73、密封垫片
71、导流体上端面密封垫片 72、导流体下端面密封垫片
8、组合密封圈
【具体实施方式】
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。
图1为本发明的水力脉冲空化射流装置的装配示意图；图3为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的本体的剖视示意图；图4A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的顶部压环结构示意图；图4B为顶部压环的剖视示意图。如图所示，本发明提出的水力脉冲空化射流发生装置包括：一中空柱状本体1，所述本体1的一端为流体入口段11，另一端为流体出口段12，在所述流体入口段11与流体出口段12之间构成容置腔13，其内依次设有导流体3、叶轮总成4和自激振荡喷嘴5，所述叶轮总成4具有叶轮座43、叶轮44、以及将所述叶轮44枢设在叶轮座43上的叶轮轴41。其中，所述容置腔13靠近流体出口段12一侧向内设有一环凸缘14，所述凸缘14朝向所述流体入口段11的一面构成定位端面141，所述自激振荡喷嘴5能抵接、定位于所述定位端面141；一顶部压环2设置在靠近所述本体1的流体入口段11一侧，所述顶部压环2具有外螺纹21，通过所述本体1容置腔13内设置的内螺纹131，所述顶部压环2与本体1固定连接，且该顶部压环2的端部顶抵于所述导流体3，并依次将导流体3、叶轮总成4和自激振荡喷嘴5压紧固定在本体1的容置腔13内。
其中，所述本体1的容置腔13的内径大于所述导流体3和叶轮总成4的外径，且所述本体1的容置腔13的内壁面与所述导流体3和叶轮总成4的外周壁之间形成储油室6。进一步的，所述容置腔13的周壁上设有一环扩径的凹槽132，该凹槽132位于所述储油室6内，所述本体1上设有与所述凹槽132相连通的注油孔15，通过该注油孔15可向储油室6内注入润滑油，一注油螺栓16能密封地旋合在所述注油孔15内，该注油螺栓16与注油孔15间设置有一密封垫圈7，以防止润滑油由注油孔15渗出本体1之外及泥浆由注油孔15进入储油室6内。
请配合参见图2、图7A、图7B、图8A、图8B，其中，图2为图1中A处的局部放大示意图；图7A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的轴套的结构示意图；图7B为轴套的剖视示意图；图8A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的叶轮座的结构示意图；图8B为叶轮座的剖视示意图。
如图所示，所述叶轮座43的侧壁上设有两相对置的贯通轴孔46，所述轴孔46的轴线与所述容置腔13的纵轴线相垂直，所述轴孔46形成外部直径大于内部直径的阶梯孔。叶轮总成4的叶轮轴41的两端通过轴套42能转动地设置在轴孔46内，所述轴套42设置在由所述阶梯孔的外部大直径孔构成的轴套容置孔461内。进一步的，请参见图2，所述轴套42朝向本体1容置腔13中心一侧的内侧面425与所述叶轮座43之间设有组合密封圈8，即所述轴套42与所述阶梯孔的阶梯面462之间设有组合密封圈8。通过组合密封圈8，可加强轴套42、叶轮座43及叶轮轴41相互间的密封效果，防止泥浆进入，避免轴套42、叶轮座43及叶轮轴41被泥浆卡死而影响工作，同时也便于叶轮总成4中各零部件的维修更换。
继请参见图7A‑8B，所述叶轴座43上设置的轴套容置孔461内设有内螺纹463，所述轴套42上设有外螺纹421，通过该外螺纹421、内螺纹463，所述轴套42与所述叶轮座43固定连接。为了便于将所述轴套42旋合在轴套容置孔461内，可以在所述轴套42的外侧面424上设置至少一个凹槽422，在本实施例中如图7A、7B所示，设置了四个凹槽422，以方便作业。通过将操作工具(如：扳手、转用旋动工具等)嵌合在凹槽422内，可以方便地将所述轴套42旋合于所述叶轮座43内，并使轴套42的内侧面425压紧所述组合密封圈8。另外，轴套42的内孔423支撑叶轮轴41旋转并向其输送润滑油。
图5A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的导流体上端面密封垫片主视示意图；图5B为导流体上端面密封垫片的剖视示意图；图6A为本发明的水力脉冲空化射流发生装置的导流体下端面密封垫片主视示意图；图6B为导流体下端面密封垫片的剖视示意图。请配合参见图1、图5A、图5B、图6A、图6B，在顶部压环2和导流体3的上端面之间设有导流体上端面密封垫片71，在导流体3的下端面和叶轮总成4的叶轮座43之间设有导流体下端面密封垫片72，在所述叶轮总成4的叶轮座43和自激振荡喷嘴5、以及自激振荡喷嘴5和定位端面141之间分别设有密封垫片73。通过设置密封垫片7、71、72、73，可以使设置在本体1的容置腔13内的各部件相互之间构成紧密的连接，提高其密封效果，有效的防止泥浆进入到导流体3、叶轮总成4、振荡喷嘴5与本体1之间，从而使导流体3、叶轮总成4、自激振荡喷嘴5在工作中不会与本体卡死，便于各零部件需维修更换。其中，各密封垫片7、71、72、73的大小、形状，与其所设置部位部件形状相配合。
进一步的，在上述的实施例中，为了使叶轮座43和自激振荡喷嘴5之间具有良好的定位，优选在朝向流体出口段12一侧的所述叶轮座43上形成一缩径部431，该缩径部431能嵌合于所述自激振荡喷嘴5内。
此外，请参见图4A、4B，顶部压环2的外侧面(即，朝向流体入口段11的一侧面上)设有螺孔22，通过该螺孔22，能够便于顶部压环2的组装和拆卸，同时能使导流体3、叶轮总成4、振荡喷嘴5与本体1在轴向上的连接更为紧密，压紧各部件之间设置的密封垫片71、72、73，提高其密封性能。
请配合参见图1，本发明提出的水力脉冲空化射流钻井装置，其中在钻铤(或井下动力钻具)内的连续流动的钻井液流经本体1一端的流体入口段11、顶部压环2进入导流部3，对叶轮总成4产生切向力迫使其内部的叶轮44高速旋转改变流道面积以产生脉冲，连续流动的钻井液产生脉冲后经过自激振荡喷嘴5高速射流，并由本体1另一端流体出口段12进入钻头，以实现钻井的功能。此外，本发明提出的水力脉冲空化射流装置，其本体1的容置腔13与叶轮总成4和导流体3之间构成了储油室6，而顶部压环2与导流体3之间设置的导流体上端面密封垫片71、导流体3与叶轮座43的设置的导流体下端面密封垫片72、叶轮座43与自激振荡喷嘴5设置的密封垫片73、自激振荡喷嘴5与本体定位端面141之间设置的密封垫片73构成了静密封，以及叶轮轴41与叶轮座43之间设置的组合密封圈8构成了动密封，从而能够防止钻井过程中泥浆进入到导流体3、叶轮总成4和自激振荡喷嘴5的外壁与本体1的容置腔13之间，并通过储油室6的润滑油能够对设置在容置腔13内的各部件外周壁，以及轴套42与叶轮轴41、叶轮座43的轴套容置孔461之间进行良好的润滑，有效克服了公知技术中由于泥浆进入等原因造成的零部件相互卡死的情况，便于本装置的拆装维修和更换，大大降低了使用成本。当自流体入口段11进入的钻井液冲击叶轮44并带叶轮轴41高速运转时，储油室6内的润滑油能够通过轴套42的内孔423对叶轮轴41进行很好的润滑，降低高速运转时叶轮轴41的磨损，延长了叶轮轴41的使用寿命，进而保证水力脉冲空化射流发生装置在井下工作的安全。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。