[发明专利]井底发动机

说明书

技术领域

本发明涉及地质领域，特别涉及一种井底发动机。

背景技术

人类对化石能源的日益高涨的需求直接给全球石油天然气的勘探开发提出巨大挑战，钻井是石油工业的“龙头”，钻井的投资占整个石油工业上游投资的一半左右。钻井工程技术水平直接关系到石油勘探开发的成败，决定着石油上游业务的发展潜力和竞争能力。

国内外钻井技术的发展趋势已经由传统的建立油气通道发展到采用钻井手段来实现勘探开发地质目的，提高单井产量和最终采收率。

进入21世纪以来，人类对能源的需求提出了更高的需求。以中国为例，2004年中国进口石油已经超过1.2x10⁸t以上，对外依存度达40％，专家预测到2020年中国石油缺口至少2x10⁸t以上，对外依存度达60％。

2004年，中国石油探明石油地质储量5.2x10⁸t，石油储量替换率达1.25t；新增探明天然气地质储量2009x10⁸m³，天然气替换率5.39。“十一五”期间，石油勘探的目标是新增探明地质储量25x10⁸t，控制地质储量30x10⁸t以上，探明储量动用率达到90％以上，储量替换率大于1。

要实现上述目标，勘探就必须不断地向更广阔的区块，更深的层位、更复杂的区域和构造深入。这就对钻井工程提出来了更高的要求：一方面是降低钻井成本，确保钻达目的层，一方面如如何提高钻井速度，更直接地说如何提高钻头的钻井速度和时效。

在目前的钻井行业，金刚石复合片钻头(以下简称PDC钻头)已逐步在取代老式的牙轮钻头，但即使使用先进的金刚石复合片钻头PDC也有自身的不足和缺陷：在井下，PDC钻头的钻井轨迹是极其无序的，它往往会产生有害的横向、纵向和扭向的振动以及这几种有害振动的组合。

井下振动会损坏单个PDC切削齿，导致钻头寿命降低，引起扭矩波动干扰定向控制和随钻测井(LWD)信号，以及产生不规则井眼降低井身质量。更甚者，用PDC钻头钻进坚硬的岩层时，常常会发生粘滑的故障现象，这些钻头通常没有足够的扭矩去钻透岩层。这会导致：(1)钻头暂时性停止转动；(2)钻具有害摆动，整个钻柱应力过大而发生扭曲；(3)导致整个钻柱应力突然释放造成整个钻头提前损坏失效。

除了PDC钻头常规钻井技术以外，目前石油勘探开采钻井过程中常用的技术(井底发动机)还有井下马达也称为螺杆钻具(以下简称螺杆)。

螺杆配合PDC钻头在软地层或中硬地层中使用效果理想，但针对于硬地层以及极硬地层，从根本上无法提高钻井速度，综合来讲有以下不足和缺陷：(1)由于螺杆自身结构和原理的制约，即使在软底层也只能单一地靠有限的转速(最高不超过300转/分钟)使PDC钻头的切削齿在理论上以每分钟不超过300转的频率剪切岩层，从根本上解决不了PDC钻头无法吃入地层的问题。(2)在地层复杂，岩型互层比较频繁的地层中无法解决钻具扭矩过大，钻具摆动的问题，使得钻具事故依然存在。(3)由于螺杆的定子内壁是橡胶件，无法在HTHP高温高压井内使用，从而限制了使用范围，造成钻井应用上的技术瓶颈。(4)钻压参数应用窗口太小，在对钻压敏感的地层增加钻压幅度有限，一旦加大钻压，压降有一些增加，会加剧缩短螺杆寿命造成螺杆脱胶，掉块；螺杆落井，增加打捞费用，延误钻井周期，加大钻井风险。(5)螺杆的结构使得其使用寿命过短，特别是在钻压参数较为强化地情况下，由于压降的问题往往被迫起钻，增加整体的钻井成本。

为此，本领域需要一种结构简单、成本低、效率高的井底发动机。

发明内容

本发明提供了一种结构简单、成本低、效率高的井底发动机。

为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种井底发动机，包括：外壳；芯轴，芯轴可枢转地安装在外壳内；动力偏心锤，动力偏心锤安装在芯轴上；和至少一个涡轮组件，涡轮组件安装在外壳内，芯轴穿过涡轮组件。

进一步地，动力偏心锤包括：管体，管体套在芯轴上；偏心块，偏心块与管体连接，且偏心块沿管体的径向突出地设置在管体的外表面上；和加重块，加重块与偏心块连接。

进一步地，涡轮组件包括至少一个涡轮，涡轮包括：转子，转子包括转子盘体和与转子盘体连接的转子叶片；与转子配合的定子，定子包括定子盘体和与定子盘体连接的定子叶片；和摩擦单元，摩擦单元设置在转子盘体和定子盘体上。

进一步地，转子盘体和定子盘体上设置有多个摩擦单元，摩擦单元沿转子盘体和定子盘体的周向均匀设置。