附图说明
图1为本发明井底增压泵的结构及液压工作原理图;
图2为本发明第一实施例三级自动增压泵处于非工作状态时的结构示意图,其中图2a、图2b、图2c、图2d依次对接;
图3为图2-3的A-A剖面图,其中图3a为动力缸缸体的第一种结构示意图,图3b为动力缸缸体的另一种结构示意图;
图4为图2-3的B-B剖面图;
图5为图2-4的C-C剖面图;
图6为图2-4的D-D剖面图;
图7为本发明第一实施例三级自动增压泵先导阀阀芯在左端位置时的结构示意图,其中图7a、图7b、图7c、图7d依次对接;
图8为图7-3的I部放大示意图;
图9为图7的A-B-C-D-E-F-G-H剖面图,其中图9a、图9b、图9c、图9d依次对接;
图10为本发明第一实施例三级自动增压泵先导阀阀芯在右端位置时的结构示意图,其中图10a、图10b、图10c、图10d依次对接;
图11为图10-3的II部放大示意图;
图12为图10的A-B-C-D-E-F-G-H剖面图,其中图12a、图12b、图12c、图12d依次对接;
图13为本发明第二实施例二级自动增压泵先导阀阀芯在左端位置时,其E-F段的结构示意图;
图14为本发明第三实施例一级自动增压泵先导阀阀芯在左端位置时,其E-H段的结构示意图;
图15为图14的K部放大示意图;
图16为图14的L部放大示意图;
图17为图14的M部放大示意图;
图18为图14的N部放大示意图;
图19为图14的H-H剖面图;
图20为本发明第三实施例一级自动增压泵先导阀阀芯在右端位置时,其E-H段的结构示意图;
图21为图20的K部放大示意图;
图22为图20的L部放大示意图;
图23为图20的M部放大示意图;
图24为图20的N部放大示意图;
图25为先导阀阀芯在左端时先导阀的结构示意图;
图26为图25的X-X剖面图;
图27为先导阀阀芯在左端时插装阀的结构示意图;
图28为图27的X-X剖面图;
图29为图27的B-B放大示意图;
图30为图27的K向视图;
图31为图27的A-A剖面图;
图32为先导阀阀芯在右端时先导阀的结构示意图;
图33为图32的X-X剖面图;
图34为先导阀阀芯在右端时插装阀的结构示意图;
图35为图34的X-X剖面图;
图36为图34的A-A剖面图;
图37为换向控制装置的结构示意图;
图38为本发明第四实施例直接用二位四通滑阀作换向阀且阀芯在左端时的结构示意图;
图39为图38的I部放大示意图;
图40为图38的A-A剖面图;
图41为图40的II部放大示意图;
图42为本发明第四实施例直接用二位四通滑阀作换向阀且阀芯在右端时的结构示意图;
图43为图42的II部放大示意图;
图44为本发明第五实施例中另一种三级动力缸的结构示意图;
图45为本发明第六实施例中四级动力缸的结构示意图;
图46为图45的I部放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
附图标记说明如下:
1.过滤网总成 2.上端接头
3.壳体 4、4′.换向阀
5.换向控制装置 6.动力缸
7.增压缸 8.下端紧固接头
9.双流道钻头 21、22.锁紧部件
23.轴承 111、111′.弧形凹槽
41.先导阀 42.插装阀
43.排液单向阀 44.过滤网
411.先导阀过滤 413.配流导套
414.阀套 415.阀芯
421、422.进液锥阀芯 423、424.排液锥阀芯
431.扁条弹簧座 432.排液单向阀阀芯
433.弹簧 434.弧形槽
51.空心杆 52.左限位垫
53.弹簧 54.右限位垫
55.锁紧螺母
60、60′.动力缸缸体 61、61′、61″、61′″.动力缸活塞
62.空心活塞杆 63、63′、63A.中间缸盖
64、64′.钢丝圈 65、65′.卡键
66.压帽 67.限位支撑杆
68.密封环 69.定位销
601.小孔 602、603、604、606.缸体径向小孔
605、605′.缸体小孔 611.活塞压盖
620.活塞杆小孔 621.活塞压盖小孔
622、623、624.活塞杆径向小孔 630.左限位台阶
631.右限位台阶
71、73.单向阀 72.进液单向阀
73.防污单向阀 74.过滤装置
75.增压缸活塞 76.增压缸活塞杆
77.增压缸缸筒 78.增压缸左缸盖
79.增压缸右端缸盖 711、711′.排液单向阀
722、722′.吸入单向阀 751.增压缸活塞杆径向小孔
756.平衡杆 757.增压缸缸筒及右端盖小孔
91.大喷嘴 92.小喷嘴
本发明的增压方法是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。该方法采用上述并联回路增压方式(如图1),在增压比确定的情况下,可通过改变双流道钻头的大小喷嘴直径,使钻头获得不同的流量分配特性,为此不仅有利于提高钻井速度,同时可使井底增压泵的使用寿命大大提高。
本发明的液压工作原理如下(如图1):先导阀41的泥浆通道口“B”与泵压泥浆入口“P”相通,泵压泥浆关闭了进液锥阀芯421和排液锥阀芯423,进液锥阀芯422和排液锥阀芯424处于开启状态,泵压泥浆通过进液锥阀芯422及相应流道进入动力缸6的活塞左侧推动活塞右行,活塞右侧的乏泥浆则通过排液锥阀芯424及单向阀43和壳体3上的孔排出泵体,与此同时,动力缸6的活塞带动增压缸7的活塞同步右行,此时增压缸7的进液单向阀72处于关闭状态,单向阀71处于开启状态,增压缸7活塞右侧增压的泥浆通过开启的单向阀71进入增压缸7活塞左侧并进而通过增压泥浆通道及单向阀73到钻头9的高压小喷嘴92,当动力缸活塞运动到接近行程终点时,换向控制装置5拉动先导阀41的阀芯右行换向,换向后,先导阀41的泵压泥浆入口“P”与泥浆通道口“A”接通,泵压泥浆关闭了进液锥阀芯422及排液锥阀芯424,进液锥阀芯421和排液锥阀芯423处于开启状态,泵压泥浆通过进液锥阀芯421及相应流道进入动力缸6的活塞右侧推动活塞左行,活塞左侧的乏泥浆通过相应流道及排液锥阀芯423及单向阀43和壳体3上的小孔排出泵体,与此同时,动力缸6的活塞带动增压缸7的活塞同步左行,此时增压缸7的进液单向阀72打开,泵压泥浆吸入缸内,而单向阀71处于关闭状态,增压缸7活塞左侧增压泥浆通过增压泥浆流道及单向阀73到钻头9的高压小喷嘴92,当动力缸6活塞运动到接近行程终点时,换向控制装置5推动先导阀41阀芯左行换向,这样就实现了一个往复换向,增压泵依此周而复始的工作。
实施例一
如图2-12所示,该井底增压泵主要由过滤网总成1、上端接头2、壳体3、下端紧固接头8以及配套的双流道钻头9构成,壳体3内依次设有换向阀4、换向控制装置5、动力缸6和增压缸7,过滤网总成1的下端与上端接头2螺纹连接,上端接头2的下端与壳体3螺纹连接并密封,下端紧固接头8与壳体3用螺纹连接并密封,下端紧固接头8左端顶住增压缸7的右端,并与装在上端接头2中的锁紧部件21、22把换向阀4、动力缸6和增压缸7压接在壳体内,锁紧部件22与换向阀4之间设有轴承23,可防止锁紧部件上紧时带动换向阀4旋转而影响排液单向阀43与壳体上***孔的对位,换向阀4与壳体3的内壁之间形成泵压泥浆空间;动力缸缸体60的外表面上沿长度方向均匀地分布有多道弧形凹槽111(见图3a),与壳体3的内壁之间形成泵压泥浆流道,同时形成多点支撑结构,可有效地防止变形,解决了壳体薄壁不稳定的缺陷,增压缸7的缸筒与壳体3的内壁之间形成泵压泥浆空间,其右端缸盖79的外圆柱面上开有泵压泥浆流道(见图6),泵压泥浆通过此流道直达双流道钻头的大喷嘴91。当然,动力缸缸体60′还可采用如图3b所示的结构,其上下具有对称加厚的部位,左右两侧为弧形凹槽111′,与壳体3的内壁之间形成泵压泥浆流道。
如图25-36所示,换向阀4由同心定位的插装阀42和先导阀41组成,插装阀42的左端横向并列装有锥形阀芯423和424,两侧设有两个对称的排液单向阀43,当锥阀芯423和424开启时,两个排液单向阀43通过泥浆流道A和B能够分别交替向井眼排放乏动力液;插装阀42的阀体右端纵向并列装有锥阀芯421和422,其阀芯下端通过加长的过滤网44与泵压泥浆到钻头大喷嘴的主流道相通,以提供大流量;右端阀盖上有控制口“a”、“b”并分别与锥阀芯422和421的上端相通,又与阀体右端控制口“a”、“b”相通,再通过阀体的两个小孔与左端阀盖上的控制口“a”、“b”连通,最终引入锥阀芯424和423的左腔。
先导阀41为二位四通滑阀结构,阀体中心孔两侧设有泥浆流道A、B分别与插装阀42上的泥浆流道A、B相通;该阀有泥浆通道口“A”、泥浆通道口“B”、泵压泥浆入口“P”和乏泥浆***口“O”,其中泥浆通道口“A”、“B”通过插装阀42阀体上的两个小孔分别与右端阀盖上的控制口“a”、“b”相通,***口“O”通过插装阀42和阀体上的小孔与排液单向阀相通,泵压泥浆入口“P”通过先导阀41侧面的精细过滤网411与泵压泥浆主流道相通,插装阀42和先导阀41两阀端之间分别对泥浆流道和控制口设有密封;
先导阀41的右端外径与动力缸钢筒左端内径配合并有两道密封,先导阀41的泥浆流道A与动力缸钢筒壁上多个小孔的左端在两道密封之间相通,泥浆流道B直接与动力缸左腔相通;先导阀中心孔左端依次装有由弹簧、导向套和钢球组成的阀芯定位机构,阀芯右端与换向控制装置5的空心杆51相连。
如图28、29、30所示,排液单向阀43主要由扁条弹簧座431、阀芯432和弹簧433构成,扁条弹簧座431的中间为圆柱体,两侧为扁条,弹簧433的一端套在扁条弹簧座的圆柱体上,另一端位于阀芯背部的凹位中,将阀芯432的锥面压紧在乏泥浆***口上,由乏泥浆压力克服弹簧弹力将其打开,阀体上开设有排液单向阀安装孔,整个排液单向阀都座落在安装孔中,安装孔在其端口两侧的内壁上对称地开设有两道弧形槽434,组装时,先将排液单向阀43调整到与弧形槽错位90度的方位,待放入安装孔后,再旋转90度,使其两侧的扁条恰好卡入弧形槽434而定位;乏泥浆通过排液单向阀43及扁条弹簧座431两侧的流道以及壳体3上的孔排出泵外,在增压泵下井时排液单向阀43关闭,防止脏泥浆进入阀内。
如图2-12所示,动力缸6为三级动力缸,三级动力缸共用一个缸体60,缸体60内有三个活塞61、61′、61″和两个中间缸盖63、63′,活塞杆62通过卡键65和压帽66与活塞61′相连,活塞61″通过卡键65′、增压缸活塞杆76的左端丝扣与活塞杆62相连,中心孔外侧圆周设有多个小孔的活塞压盖611用螺钉或丝扣与活塞61相连,活塞杆62的壁上沿轴向设有多个小孔620,左端直接与换向阀的泥浆流道B相通,右端通过壁上的多个径向小孔622与活塞61′的左腔相通,活塞杆62右端中心孔设有限位支撑杆67,限位支撑杆67的左端面形成换向控制装置的右限位台阶631,左端外径与活塞杆62配合并密封,限位支撑杆67的外径与活塞杆62的右端中心孔形成的环形空间把来自换向阀泥浆流道B的泥浆通过活塞杆62右端壁上的多个径向小孔623引入活塞61″的左腔,这样可避开卡键65,减小活塞杆62的直径,进而增大有效工作面积,且所需加工的孔道较浅,容易实现;三级动力缸共用的缸体内径与活塞61、61′、61″外径之间有动密封,两个中间缸盖63、63′用钢丝圈64、64′固定,钢丝圈用切向打孔敲入的方法进行安装,其两侧均有密封,动力缸6的缸体壁上设有多个轴向小孔605并通过其壁上的多个径向小孔602、603、604将来自换向阀泥浆流道A的泥浆分别引入活塞61、61′、61″的右腔,活塞杆62的外径与活塞61′、61″的中心孔有静密封,与两个中间缸盖63、63′中心孔有动密封。
如图2-4、7-4、10-4、12-4所示,增压缸7主要由排出单向阀71、吸入单向阀72、防污单向阀73、过滤装置74、活塞75、活塞杆76、增压缸筒77、左缸盖78、右缸盖79构成;由阀芯、阀座、弹簧和弹簧座组成的排液单向阀71位于活塞75右端中心位置,该阀开启时能够把增压缸7右腔的超高压泥浆通过活塞杆76上的多个径向小孔751引入增压缸7左腔的环形空间,并最终经增压缸筒77和右缸盖79的小孔迫使防污单向阀73开启,再从钻头的高压小喷嘴喷出;当吸入单向阀72开启时,能够把增压缸外径与壳体3内的主流道泥浆通过过滤装置74、增压钢筒73的凹槽和右缸盖79上的流道引入增压缸7的右腔;左缸盖78、右缸盖79用螺钉或丝扣分别与增压钢筒77连接并对增压钢筒77的内径和高压排液小孔端密封,活塞杆76的左端与动力缸活塞杆76相连,排出单向阀71中的弹簧座外径与活塞杆76的中心孔密封。
如图8、11、37所示,换向控制装置5由带台阶的空心杆51及自左向右依次安装在其小径部分的左限位垫52、弹簧53、右限位垫54和锁紧螺母55构成,空心杆51的左端与换向阀4的阀芯右端相连,其小径部分穿入动力缸活塞及其空心活塞杆内,活塞压盖611在空心活塞杆62的孔内形成与左限位垫52相配合的左限位台阶630,限位支撑杆67的左端形成与右限位垫54相配合的右限位台阶631,当动力缸活塞61运动到接近终点时,限位垫52或54与限位台阶611或631相碰,压缩弹簧53到一定值后,克服相关零部件的摩擦力后,带动阀芯右移或左移,实现换向阀换向进而改变动力缸活塞的运动方向。
先导阀41的阀芯与空心杆51采用T形槽连接,此连接结构为挠性连接,可适当摆动,保证一定的活动余量,且端面之间具有间隙,能够使此处的腔体与先导阀的乏泥浆***口“O”连通。
实施例二
如图13所示,该增压泵的动力缸6为两级动力缸,两级动力缸共用一个缸体60,缸体60内有两个活塞61、61′和一个中间缸盖63,活塞61′通过卡键65′、增压缸活塞杆76的左端丝扣与活塞杆62相连,中心孔外侧圆周设有多个小孔621的活塞压盖611与活塞61用螺钉或丝扣相连,活塞压盖611的多个小孔621左端直接与换向阀的泥浆流道B相通,右端通过多个小孔622把来自换向阀泥浆流道B的泥浆分别引入活塞61′的左腔;动力缸6的缸体60内与活塞61、61′的外径之间有动密封,活塞61′的中心孔与活塞杆62外径有静密封,中间缸盖63用钢丝圈64固定,钢丝圈64两侧均有密封,中间缸盖63中心孔与活塞杆62外径有动密封;缸体60的壁上分布多个小孔605并通过多个径向小孔602、603将来自换向阀泥浆流道A的泥浆分别引入活塞61、61′的右腔,增压缸7的活塞杆左端与动力缸空心活塞杆的右端螺纹连接并密封,由增压缸活塞杆的左端面形成与换向控制装置右限位垫相配合的右限位台阶631,其它与实施例一相同。
实施例三
如图14-24所示,该增压泵的动力缸为一级动力缸,活塞61通过增压缸活塞杆76的左端丝扣与活塞杆62相连,动力缸6的缸体60内与活塞61的外径之间有动密封,活塞61的中心孔与活塞杆62外径有静密封,缸体60的壁上分布多个小孔605并通过多个径向小孔602将来自换向阀泥浆流道A的泥浆分别引入活塞61的右腔。
增压缸7主要由两个排液单向阀711、711′和两个吸入单向阀722、722′、防污单向阀73、过滤装置74、活塞75、平衡杆756,排出单向阀711、711′和吸入单向阀722、722′由阀座、阀芯、限位座、压帽组成,当吸入单向阀722、722′开启时,来自泵压泥浆主流道的泥浆通过过滤装置74、缸筒77上的凹槽、小孔和排液单向阀722、722′压帽下端凹槽分别进入增压缸7左腔环室和右腔环室;当排液单向阀711、711′开启时,增压缸7左右两腔高压泥浆可分别通过压帽下端凹槽和缸筒77及右端盖79上的小孔757排出高压泥浆;平衡杆756中心设有通孔直接与换向阀的乏泥浆***口“O”相通,其左端旋入增压缸活塞75和动力缸活塞杆62形成与换向控制装置右限位垫相配合的右限位台阶,右端伸入增压缸端盖的凹孔中,使增压缸活塞两侧的面积相等、排液流量相等,压力平衡;平衡杆756也可以为实心,此时右端可直接通过右端盖79、壳体3上的小孔与井眼相通。
实施例四
如图38-43所示,该增压泵的换向阀4′直接采用二位四通滑阀,此处说明的只是相当于实施例一图7-2的C-D段,其余部分相同,就不再赘述;动力缸6的左端缸筒内径与换向阀4′的右端外径配合并装有两道密封,换向阀4′的左端具有局部凸台,与壳体内壁之间设有两道密封,其上安装排液单向阀43,未凸出的部位与壳体内表面形成通往双流道钻头大喷嘴的泵压泥浆流道,换向阀4′具有泵压泥浆入口“P”、乏泥浆***口“O”和两个泥浆通道口“A”、“B”,其泥浆流道A与动力缸6缸体左端的多个小孔601在两道密封之间相通,小孔601沿缸体内均匀分布的泥浆流道与动力缸6的活塞右腔相连通,活塞左腔与换向阀4′的泥浆流道B直接连通,乏泥浆***口“O”通过阀芯内孔道与换向阀4′左边两个对称布置的排液单向阀43相连通,乏泥浆通过排液单向阀43和壳体3上的多个小孔排出泵外;换向阀4′的左端在锁紧部件的***设有套筒形过滤装置23′,此过滤装置的两端分别与锁紧部件和换向阀4′之间设有密封,泵压泥浆入口“P”直接从位于过滤装置23′内部的换向阀4′左端引入,换向阀4′的阀芯右端与换向控制装置5的空心杆51相连。
工作时泵压泥浆从过滤短节1经上端接头2的过滤装置23′进入换向阀的泵压泥浆通道,通过泵压泥浆入口“P”和泥浆通道口“B”经阀体流道进入动力缸6活塞左侧推动活塞右行,活塞右侧乏泥浆经泥浆通道口“A”、乏泥浆***口“O”、排液单向阀43及外壳3上的孔道排出泵体外,换向后则是活塞左行。
实施例五
如图44所示,该增压泵的动力缸6为三级动力缸,三级动力缸共用一个缸体60,缸体60内有三个活塞61、61′、61″和两个中间缸盖63、63′,活塞杆62通过卡键65和压帽66与活塞61′相连,活塞61″通过卡键65′、增压缸活塞杆76的左端丝扣与活塞杆62相连,中心孔外侧圆周设有多个小孔621的活塞压盖611与活塞61用螺钉或丝扣相连,活塞压盖611的多个小孔621左端直接与换向阀的泥浆流道B相通,右端通过多个小孔622、623把来自换向阀泥浆流道B的泥浆分别引入活塞61′、61″的左腔;动力缸6的缸体60内与活塞61、61′、61″的外径之间有动密封,活塞61′、61″的中心孔与活塞杆62外径有静密封,中间缸盖63、63′用钢丝圈64、64′固定,钢丝圈64、64′两侧均有密封,中间缸盖63、63′中心孔与活塞杆62外径有动密封;缸体60的壁上分布多个小孔605并通过多个径向小孔602、603、604将来自换向阀泥浆流道A的泥浆分别引入活塞61、61′、61″的右腔;此方案在开设内孔道15时,由于要避开二级活塞的卡键65,因此需要空心活塞杆62具有较大的直径,会影响到活塞的有效工作面积,但同样能实现本发明的目的。
如图38、39、42、43所示,上述各实施例中的二位四通滑阀的阀体内孔过盈装有配流导套413,其外侧、内侧分别有多道凹槽并通过多个小孔将内外凹槽连通,中心带有通孔的阀芯415的外径上过盈装有阀套414,阀套414的左端第一道多个小孔通过阀芯415左端第一道凹槽和多个小孔把配流导套413上的左端第一道凹槽和二位四通滑阀的乏泥浆***口“O”连通,阀套414中间两道多个小孔通过阀芯415中间凹槽把二位四通滑阀的“B”与泵压泥浆入口“P”口连通,阀套414右端一道多个小孔通过阀芯415右端凹槽把二位四通滑阀的泥浆通道口“A”与乏泥浆***口“O”连通。这样一来,阀芯415、阀套414与配流导套413、阀体之间的滑动面便与泥浆的流道严格分开,一是可以避免在滑动面出现“砂卡”,二是可以避免滑动面岩粒磨损,能够大大提高了阀的寿命。
实施例六:
如图45、46示,该增压泵的动力缸6为四级动力缸,左端两级动力缸共用一个缸体60,右端两级动力缸共用一个缸体61′,在缸体60内有两个活塞61、61′及一个中间缸盖63,在缸体60′内有两个活塞61″、61″′及一个中间缸盖63′,活塞杆62通过卡键65、65′和压帽66、66′与活塞61′、61″相连,活塞61″′通过卡键65″、增压缸活塞杆76的左端丝扣与活塞杆62相连,活塞杆62与活塞间有密封,活塞杆与中间缸盖有动密封;中间缸盖63、63′分别与缸体60、60′用钢丝圈64、64′固定;中间缸盖63、63′与缸体间各设有两道密封;两个动力缸缸体60和60′间设有中间缸盖63A,中间缸盖63A的凸台或独立卡键用作缸体60、60′的连接定位;在缸体60、60′间设有一个密封环68和一个定位销69,定位销69左端有丝扣,拧入缸体60的丝孔中,定位销69右端***缸体60′的相应孔中定位,中心孔外侧圆周设有多个小孔621的活塞压盖611用螺钉或丝扣与活塞61相连,活塞杆62的壁上沿轴向设有多个小孔620,活塞61左端直接与换向阀的泥浆流道B相通,并通过活塞杆62壁上的多个径向小孔622与活塞61′的左腔相通,活塞杆62右端中心孔设有限位支撑杆67,限位支撑杆67的左端面形成换向控制装置的右限位台阶631,限位支撑杆67的左端外径与活塞杆62内径配合并密封,限位支撑杆67的外径与活塞杆62的右端中心孔形成的环形空间把来自换向阀泥浆流道B的泥浆通过活塞杆62右端壁上的多个径向小孔623、624引入活塞61″、61″′的左腔;缸体壁上设有多个轴向小孔605并通过其壁上的多个径向小孔602、606、603、604将来自换向阀泥浆流道A的泥浆分别引入活塞61、61′、61″、61″′的右腔,缸体外缘有两个或多个凹槽111或111′与壳体3内径形成泥浆主流道。
当然,动力缸6中的二、三、四级缸也可采用单独的缸体组合,此时缸体与缸体之间也均采用图中所示的中间缸盖63A、密封环68和定位销69。
本发明的动力缸分为一级、二级、三级、四级动力缸,其中三级动力缸具有两种结构,增压缸有两种结构,换向阀有两种结构,三者间可相互连接配套使用,从而构成不同级别不同类型的增压泵,具体搭配方式视具体情况而定。
本发明不局限于上述最佳实施方式,任何人在本发明的启示下都可得出其它各种形式的产品。例如将过滤网总成设置在井口,然后通过管道与上端接头连通等等。但不论在其形状或结构上作任何变化,凡是与本发明相同或相近似的技术方案,均在其保护范围之内。