[发明专利]井底增压泵及其增压方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井设备，确切地说是能够提高中硬岩石地层钻井速 度的井底增压泵。

背景技术

目前在石油钻井领域，利用地面泥浆泵输出的泵压泥浆作为增压泵动 力，在井底增压并与双流道钻头配合，实现水与机械的联合破岩，籍此大 幅提高钻井速度、缩短钻井周期、降低钻井成本，是较为理想的技术措施。

但在井底增压泵满足钻井各项参数的条件下，如何促使井底增压泵达 到工业应用的要求值，并尽量接近钻头的使用寿命，已成为此项技术能否 推广应用的关键因素之一；其次，如何通过相对简单可行的结构、较少的 增压级数获得更大的增压比，确保双流道钻头的多个小喷嘴具有足够的破 岩压力和流量，并使大喷嘴具有完成井底净化所需要的冲击力和慢流速 度，也是井底增压钻井技术不可忽略的问题。

如美国专利US005787998A，它采用动力缸设在两个增压缸中间的常 规单缸双作用增压方案，通过并排安装的常规结构滑阀作先导阀，两个锥 阀作换向主阀而组成的换向阀实现换向，此增压泵的结构相对复杂，几乎 利用泥浆泵100％的流量进行增压，其流道狭窄、流速太高、冲蚀严重， 且运动件的速度太快、冲击很大、机械断裂频繁，使用寿命较短，这些难 题均无法解决，另外，此增压泵只能利用动力缸泄荷泥浆完成井底净化， 由于大喷嘴压降只有3.15MPa左右，因此冲击力不足，影响了井底净化， 削弱了水力破岩的功能。

又如中国专利CN 02204123.0公布的《水力自动增压泵》，该方案将 来自泥浆泵的大部分泥浆通过大喷嘴完成井底净化，少部分泥浆通过换向 阀进入动力缸的并联回路，其优点很多，但存在多处结构缺陷，例如影响 增压泵可靠性的关键元件先导阀为常规滑阀结构，此类换向阀在换向过程 中面对泥浆介质的砂粒磨损工况时，其摩擦密封副的使用寿命完全靠耐磨 耐蚀材料是难以保证的，更重要的是由于密封副间始终有泥浆通过，遇砂 卡阻的问题无法避免。

发明内容

本发明旨在提供一种使用寿命更长、适应面更宽、性能更好、性价比 更高的井底增压泵及其增压方法，以便与双流道钻头配套，实现水力与机 械的联合破岩，提高钻井速度，降低钻井成本，缩短钻井周期。

本发明采用的技术方案是：

一种井底增压泵，包括过滤网总成、上端接头、壳体、下端紧固接 头以及配套的双流道钻头，所述壳体内依次设有换向阀、换向控制装置、 动力缸和增压缸，过滤网总成的下端与上端接头螺纹连接，上端接头的下 端与壳体螺纹连接并密封，下端紧固接头与壳体螺纹连接并密封，下端紧 固接头的左端顶住增压缸的右端，并与装在上端接头中的锁紧部件把换向 阀、动力缸和增压缸压接在壳体内；换向阀、动力缸和增压缸的外缘与壳 体的内表面之间形成直接通往双流道钻头大喷嘴的泵压泥浆主流道；换向 阀的阀芯与换向控制装置相连，泵压泥浆通过换向阀控制动力缸往复运 动，并带动增压缸同步左行或右行，动力缸的右端与增压缸的左端通过一 个共用的缸盖分隔并有密封，动力缸的左端与换向阀的右端相连并有密 封，增压缸有独立的缸筒和活塞，其活塞杆与动力缸活塞连接并在共用的 缸盖上装有密封，增压缸缸筒上有泵压泥浆过滤网，泵压泥浆从泵压泥浆 过滤网通往增压缸内腔，增压缸的高压排出通过单向阀从高压喷嘴喷出。

进一步来讲，本发明井底增压泵可根据钻井深度的不同和泵压大喷 嘴压降的压力值大小，分别采用一级动力缸、二级动力缸或三级动力缸方 案，并可根据压力泥浆流量大小及增压泵规格大小选用两种类型的换向 阀，当流量、规格较大时，可采用由二位四通滑阀作先导阀，由插装阀作 主阀的组合换向阀，当流量、规格较小时，可直接采用二位四通滑阀作换 向阀，增压缸结构根据增压泵工作井深不同，可采用两种结构方案，用于 中深井时用一次输入、两次排出结构，用于浅井时，用带进、排液单向阀 的分别输入输出方案。

一种井底增压泵增压方法，通过钻柱把来自地面泥浆泵的部分流量 通过换向阀引入井底增压泵的动力缸作动力，再从泥浆泵总流量中分流小 于1升/秒的流量进入增压缸并增加到超高压，从双流道钻头的小喷嘴喷 出完成对井底岩石的水力切割，其余大部分流量通过增压泵壳体与多个部 件的外缘构成的泵压泥浆主流道直接从双流道钻头大喷嘴喷出，实现对水 力及钻头机械破碎后的井底岩屑净化与清除，并最终与小喷嘴喷出的泥浆 和从动力缸排出的乏动力泥浆合流共同完成携岩上返至地面。