CN103643891A - 一种大扭矩组合螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于非开挖工程中大孔径钻进的大扭矩组合螺杆钻具，由公共分流接头、独立螺杆钻具、润滑系统、捆绑式扶正器、组合传动系统和油密封传动轴系统组成。其技术方案：公共分流接头上端与钻杆相连，下端与各独立螺杆钻具及润滑系统相连；润滑系统采用油缸式或皮囊式结构；各独立螺杆钻具用捆绑式扶正器进行定位，下端接组合传动系统，各传动轴下端接单拐曲轴，用连杆与主曲轴形成平行四边形机构，实现扭矩的合成；组合传动系统下端接油密封传动轴系统，其内部的主传动轴为最终动力输出端，带动钻头进行破岩钻进。本发明对多个独立螺杆钻具进行了组合，实现了大扭矩输出，克服了反扭矩问题，特别适用于非开挖领域中的大孔径井眼钻进。

Description

一种大扭矩组合螺杆钻具

技术领域

本发明涉及一种用于非开挖工程领域大孔径井眼钻进的大扭矩组合螺杆钻具。

背景技术

传统的地下油气管线施工方法主要是“挖槽埋管法”，这种方法对地上交通和环境的影响较大，在一些不允许开挖的场合也无法施工，因而非开挖技术逐渐被广泛地应用于穿越公路、铁路、建筑物、河流等非开挖区域的石油、天然气管道铺设、更换和修复。特别是在我国西气东输、川气东送等重大工程中，油气输送管线需要多次穿越铁路、山川、河流等，因而非开挖技术中的导向钻进成为油气管线铺设的重要技术。在导向钻进工法中首先利用导向钻头快速完成导向孔施工，再用扩孔钻头进行一次或多次扩孔施工，因而该工法的施工周期较长，同时由于多次扩孔容易导致钻具卡钻、井壁坍塌失稳等问题，影响管线的成功铺设。目前，在常规的定向钻进中，螺杆钻具已经成为一种重要的动力钻具，但是常规螺杆钻具的尺寸较小，无法提供大扭矩，而加长螺杆马达的加工制造受限也无法实现大扭矩，同时由于反扭矩的存在对钻杆和钻具的正常工作也带来较大影响。因而，如何实现螺杆钻具的大扭矩、避免反扭矩、减少多次扩孔施工成为了科研工作者和工程技术人员解决定向钻进中各种问题的关键环节。为此，设计一种用于大口孔径井眼钻进的大扭矩组合螺杆钻具对油气管线铺设等一系列非开挖工程施工具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有非开挖领域中石油、天然气管道铺设的不足，特提供一种大扭矩组合螺杆钻具，它用于定向钻进中的大孔径井眼钻进，能有效地解决螺杆钻具的反扭矩问题，对于非开挖工程领域能避免多次扩孔施工，实现一次钻进形成大口径井眼。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种大扭矩组合螺杆钻具，是由公共分流接头、独立螺杆钻具、润滑系统、捆绑式扶正器、组合传动系统和油密封传动轴系统组成，其结构特征是：大扭矩组合螺杆钻具前端设置公共分流接头，其上端与钻杆相连接，下端与2或4或6或8个独立螺杆钻具的旁通阀总成及润滑系统相连接；各独立螺杆钻具之间用捆绑式扶正器固定，各独立螺杆钻具下端壳体与组合传动系统的上端盖用锥螺纹连接；润滑系统壳体下端与单向阀用锥螺纹连接，单向阀与组合传动系统的上端盖用锥螺纹相连；在组合传动系统内部各独立螺杆钻具的下端传动轴连接单拐曲轴，用连杆与主曲轴构成平行四边形机构，组合传动系统下端连接油密封传动轴系统，组合传动系统内部主曲轴下端接大导水帽，大导水帽下端连接主传动轴；主传动轴为最终的动力输出端。

公共分流接头是由连接接头、分流接头上端盖、分流接头主壳体组成，连接接头与分流接头上端盖通过锥螺纹连接，公共分流接头内部为中空结构；分流接头主壳体下端均匀开设螺纹接口，沿圆周方向的接口数量与独立螺杆钻具数量相同，相对位置的螺纹旋向相反；分流接头主壳体下端中间接口与润滑系统壳体连接，通过分流接头将钻井液均匀分配至各独立螺杆钻具。

各独立螺杆钻具是由旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成组成，各独立螺杆钻具上端的旁通阀总成与公共分流接头连接，下端的传动轴总成的壳体与组合传动系统壳体用锥螺纹连接；独立螺杆钻具中位置相对的马达定转子旋向相反；传动轴总成中的传动轴下端与单拐曲轴相连。

润滑系统采用的油缸式结构是由润滑系统壳体、活塞、密封圈、导流接头和单向阀组成，或采用皮囊式结构是由润滑系统壳体、皮囊、导流接头和单向阀组成；润滑系统壳体上端与公共分流接头下端的分流接头主壳体用锥螺纹连接，导流接头安装在润滑系统壳体内部，并用锥螺纹连接，润滑系统壳体下端与单向阀用锥螺纹连接。

捆绑式扶正器内部均匀布置独立孔，独立孔的数量与独立螺杆钻具数相同，捆绑式扶正器中心孔孔径与润滑系统壳体相同，外部均匀布置螺旋扶正棱；捆绑式扶正器的两端设置迎坡面切削齿，螺旋扶正棱的两侧设置螺旋扶正棱侧面切削齿，在螺旋扶正棱中部外表面布置保径齿；捆绑式扶正器的前后为定位套筒，其内部直径与独立螺杆钻具的壳体外径相同；定位套筒外壁沿轴向开设2～4个螺钉孔。

组合传动系统由上端盖、下端盖和组合传动系统壳体组成，各独立螺杆钻具中的传动轴与单拐曲轴相连，各单拐曲轴用连杆与主曲轴分别构成了平行四边形机构，主曲轴上的曲拐数与独立螺杆钻具数量相同，位置相对的单拐曲轴与主曲轴所构成的两对平行四边形结构，一组为正平行四边形机构，则另一组为反平行四边形机构；组合传动系统中的主曲轴与大导水帽用锥螺纹连接，大导水帽与主传动轴用锥螺纹连接；主曲轴、大导水帽和主传动轴内部设置有油道，这些油道相通，油道对曲柄与连杆结合处及轴承系统进行润滑。

油密封传动轴系统是由密封系统、推力轴承组、上径向轴承、下径向轴承、主传动轴、传动轴壳体组成，传动轴壳体上端与组合传动系统的下端盖相连接；主曲轴、大导水帽和主传动轴内部设置有油道，这些油道相通；主传动轴中的润滑通道与密封系统相通，润滑油对轴承部件进行润滑，并利用油缸式或皮囊式结构进行润滑油的补偿。

本发明的有益效果是：(1)该组合螺杆钻具中的各个独立螺杆钻具的扭矩能实现有效地合成，为主传动轴前端的钻头提供大扭矩动力；(2)该组合传动系统中的正、反平行四边形机构保证了各独立传动轴与主传动轴同速，并将各个独立螺杆钻具产生个反扭矩在捆绑组合后进行消除，减小了对动力钻具前端钻杆部分的影响；(3)该组合钻具结构简单，适用于各种规格螺杆钻具的组合；(4)该钻具用于定向钻进中的大孔径井眼钻进，避免了因多次扩孔造成的不利影响，同时大幅度提高了效率；(5)该结构中采用油缸式或皮囊式结构实现了对润滑油的压力补偿，降低了传动轴总成中推力轴承组由于磨粒磨损而发生过早失效概率，提高了整个螺杆钻具的使用寿命。

附图说明

图1是本发明大扭矩组合螺杆钻具的第一种实施例剖视图。

图2是本发明大扭矩组合螺杆钻具的第二种实施例剖视图。

图3是本组合螺杆钻具中公共分流接头的结构剖视图。

图4是本组合螺杆钻具中公共分流接头的结构向视图。

图5是本组合螺杆钻具中组合传动系统的结构剖视图。

图6是本组合螺杆钻具中连杆中的密封结构示意图。

图7是本组合螺杆钻具中连杆中的密封圈三维图。

图8是本组合螺杆钻具中捆绑式扶正器的三维图。

图9是本组合螺杆钻具中定位套筒的三维图。

图中：1.公共分流接头，2.独立螺杆钻具，3.润滑系统，4.捆绑式扶正器，5.组合传动系统，6.油密封传动轴系统，7.主传动轴，8.下径向轴承，9.油密封传动轴壳体，10.推力轴承组，11.上径向轴承，12.密封系统，13.下端盖，14.大导水帽，15.组合传动系统壳体，16.主曲轴，17.连杆，18.单拐曲轴，19.上端盖，20.径向轴承，21.传动轴总成，22.单向阀，23.传动轴，24.润滑系统壳体，25.万向轴总成，26.马达总成，27.防掉总成，28.独立螺杆钻具壳体，29.旁通阀总成，30.活塞，31.密封圈，32.导流接头，33.分流接头主壳体，34.分流接头端盖，35.连接接头，36.皮囊，37.定位套筒，38.螺钉孔，39.独立孔，40.迎坡面切削齿，41.扶正棱侧面切削齿，42.保径齿，43.螺旋扶正棱，44.上密封圈，45.下密封圈，46.钢球，47.阀座，48.弹簧，49.油孔，50.O型密封圈，51.加油孔，52.捆绑式扶正器中心孔，53.流体孔道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1所示，大扭矩组合螺杆钻具由公共分流接头1、独立螺杆钻具2、润滑系统3、捆绑式扶正器4、组合传动系统5和油密封传动轴系统6组成；公共分流接头1上端与钻杆相连，下端与2或4或6或8个独立螺杆钻具2的旁通阀总成29及润滑系统3相连接；独立螺杆钻具2是由旁通阀总成29、防掉总成27、马达总成26、万向轴总成25和传动轴总成21组成，其中位置相对的螺杆钻具马达中的定转子旋向相反，各独立螺杆钻具2的下端壳体与组合传动系统5的上端盖19用锥螺纹连接；各独立螺杆钻具2之间用捆绑式扶正器4固定，捆绑式扶正器4的两端用定位套筒37进行轴向定位；独立螺杆钻具2的下端传动轴23连接单拐曲轴18，各单拐曲轴18用连杆17与主曲轴16相连，组成平行四边形机构；主曲轴16下端连接大导水帽14，大导水帽14下端连接主传动轴7，主传动轴7为最终动力输出端；组合传动系统5的下端盖13与接油密封传动轴壳体9相连；润滑系统3采用的油缸式结构，是由润滑系统壳体24、活塞30、密封圈31、导流接头32和单向阀22组成，钻井液压力驱动活塞30运动进行润滑油补偿；主曲轴16、大导水帽14和主传动轴7内部开设油道，并使这些油道相通，主传动轴7中的油道与油密封传动轴系统6中的密封系统12相通；油密封传动轴系统6是由密封系统12、推力轴承组10、上径向轴承11、下径向轴承8、主传动轴7、油密封传动轴壳体9组成，油密封传动轴壳体9上端与组合传动系统5的下端盖13相连接。

如图2所示，本大扭矩组合螺杆钻具与图1中的结构相比，主要是润滑系统3不同，润滑系统3采用皮囊式结构，主要由润滑系统壳体24、皮囊36、导流接头32和单向阀22组成，通过钻井液与润滑油的压力差实现润滑油补偿，。

如图3和图4所示，公共分流接头1由连接接头35、分流接头端盖34和分流接头主壳体33组成，其上端接钻杆，下端接2或4或6或8个独立螺杆钻具2的旁通阀总成29及润滑系统壳体24，公共分流接头1内部为中空结构，分流接头主壳体33下端均匀开设螺纹接口，沿圆周方向的接口数量与独立螺杆钻具2数量相同，相对位置的螺纹旋向相反，分流接头主壳体33下端中间接口与润滑系统壳体24相连；钻井液由上端入口进入公共分流接头1，通过下端接口被均匀分配至各独立螺杆钻具2中。

如图5所示，独立螺杆钻具2的传动轴23下端接单拐曲轴18，传动轴23上开设流体孔道53，各单拐曲轴18与主曲轴16用连杆17组成了平行四边形机构，位置相对的单拐曲轴18与主曲轴16所组成的两对平行四边形机构中，一组为正平行四边形机构，另一组为反平行四边形机构，由于位置相对的独立螺杆钻具2中的马达定转子旋向相反，传递至下端传动轴23的转动方向也相反，通过正、反平行四边形机构可以使转向相反的单拐曲轴18同时带动主曲轴16旋转，同时平行四边形机构可以使两个曲轴的运动速度保持相同；为了减小组合传动系统5的空间尺寸，单拐曲轴18的曲柄销长度小于主曲轴16的曲柄销长度，在运动过程中单拐曲轴18的曲拐可以进入主曲轴16的运动空间中，单拐曲轴18与主曲轴16能够实现无干涉的正常运动；主曲轴16中的曲拐数与独立螺杆钻2的数量相同，且相邻曲拐之间的夹角相同，主曲轴16上端与组合传动系统5的上端盖19组成径向轴承20，用O型密封圈50对径向轴承20进行密封；单向阀22由钢球46、阀座47、弹簧48组成，单向阀22上开设有加油孔51，其阀座47下端与组合传动系统5的上端盖19用锥螺纹连接，并用油孔49与径向轴承20连通，主曲轴16内部开设润滑油孔道。

如图6和图7所示，连杆17用的上密封圈44和下密封圈45，二者结构相同，密封面为倾斜面，在螺栓预紧力的作用下可以实现良好轴向和端部密封，有效地降低了润滑油的泄漏。

如图8所示，捆绑式扶正器4将2或4或6或8个独立螺杆钻具2及润滑系统壳体24进行捆绑，其内部沿周向均匀开设与独立螺杆钻具2数目相同的独立孔39，捆绑式扶正器中心孔52对润滑系统壳体24进行定位，捆绑式扶正器4外部均匀布置螺旋扶正棱43，两端倒角形成坡面，在迎坡面布置迎坡面切削齿40，螺旋扶正棱43的侧面布置扶正棱侧面切削齿41，螺旋扶正棱43的中部外表面布置保径齿42对井眼进行修整。

如图9所示，定位套筒37安装在捆绑式扶正器4的两端，对其进行轴向定位，其数量等于独立螺杆钻具2和润滑系统壳体24的数量之和，定位套筒37内径与独立螺杆钻具2的壳体外径相同，沿其轴向均匀开设2～4个螺钉孔38。

其工作原理如下：在定向钻进过程中，钻井液进入公共分流接头1，通过分流后进入独立螺杆钻具2的旁通阀总成29，在马达总成26中将液能转换为机械能，万向轴总成25将马达中转子的行星运动转化为传动轴23的定轴转动，传动轴总成21中传动轴23带动单拐曲轴18，再经过单拐曲轴18、连杆17及主曲轴16组成的平行四边形机构，实现运动和扭矩的合成，由于处于相对位置的独立螺杆钻具2的马达旋向相反，使得相对位置的单拐曲轴18的转速方向相反，利用正平行四边形机构和反平行四边形机构实现单拐曲轴18的扭矩合成，使单拐曲轴18将动力传递给主曲轴16，主曲轴16带动主传动轴7运动，最后由其带动钻头旋转钻进；润滑系统3采用皮囊式或活塞式结构进行润滑油补偿，通过主曲轴16、连杆17和主传动轴7中的油道实现对主曲轴16、连杆17、径向轴承20、推力轴承组10、上径向轴承11、下径向轴承8的润滑。

Claims (7)

1.一种大扭矩组合螺杆钻具，是由公共分流接头(1)、独立螺杆钻具(2)、润滑系统(3)、捆绑式扶正器(4)、组合传动系统(5)和油密封传动轴系统(6)组成，其特征在于：该组合螺杆钻具前端设置公共分流接头(1)；公共分流接头(1)的上端与钻杆相连接，下端与2或4或6或8个独立螺杆钻具(2)的旁通阀总成(29)及润滑系统(3)相连接；各独立螺杆钻具(2)之间用捆绑式扶正器(4)固定，各独立螺杆钻具(2)下端壳体与组合传动系统(5)的上端盖(19)用锥螺纹连接；润滑系统(3)采用油缸式或皮囊式机构，润滑系统壳体(24)下端与单向阀(22)用锥螺纹连接，单向阀(22)与组合传动系统(5)的上端盖(19)用锥螺纹相连；在组合传动系统(5)内部各独立螺杆钻具(2)的下端传动轴(23)连接单拐曲轴(18)，用连杆(17)与主曲轴(16)构成平行四边形机构，组合传动系统(5)下端连接油密封传动轴系统(6)，组合传动系统(5)内部主曲轴(16)下端连接大导水帽(14)，大导水帽(14)下端连接主传动轴(7)。

2.根据权利要求1所述的组合螺杆钻具，其特征是：公共分流接头(1)是由连接接头(35)、分流接头上端盖(34)、分流接头主壳体(33)组成，连接接头(35)与分流接头上端盖(34)通过锥螺纹连接，公共分流接头(1)内部为中空结构；分流接头主壳体(33)下端均匀开设螺纹接口，沿圆周方向的接口数量与独立螺杆钻具(2)数量相同，相对位置的螺纹旋向相反；分流接头主壳体(33)下端中间接口与润滑系统壳体(24)连接。

3.根据权利要求1所述的组合螺杆钻具，其特征是：各独立螺杆钻具(2)是由旁通阀总成(29)、防掉总成(27)、马达总成(26)、万向轴总成(25)和传动轴总成(21)组成，各独立螺杆钻具(2)上端的旁通阀总成(29)与公共分流接头(1)连接，下端的传动轴总成(21)的壳体与组合传动系统壳体(15)用锥螺纹连接；独立螺杆钻具(2)中位置相对的马达定转子旋向相反；传动轴总成(21)中的传动轴(23)下端与单拐曲轴(18)相连接。

4.根据权利要求1所述的组合螺杆钻具，其特征是：润滑系统(3)采用的油缸式结构是由润滑系统壳体(24)、活塞(30)、密封圈(31)、导流接头(32)和单向阀(22)组成，或采用皮囊式结构是由润滑系统壳体(24)、皮囊(36)、导流接头(32)和单向阀(22)组成；润滑系统壳体(24)上端与公共分流接头(1)下端的分流接头主壳体(33)用锥螺纹连接，导流接头(32)安装在润滑系统壳体(24)内部，并用锥螺纹连接，润滑系统壳体(24)下端与单向阀(22)用锥螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的组合螺杆钻具，其特征是：捆绑式扶正器(4)内部均匀布置独立孔(39)，独立孔(39)的数量与独立螺杆钻具(2)数相同，捆绑式扶正器中心孔(52)孔径与润滑系统壳体(24)相同，外部均匀布置螺旋扶正棱(43)；捆绑式扶正器(4)的两端设置迎坡面切削齿(40)，螺旋扶正棱(43)的两侧设置螺旋扶正棱侧面切削齿(41)，在螺旋扶正棱(43)中部外表面布置保径齿(42)；捆绑式扶正器(4)的前后为定位套筒(37)，其内部直径与独立螺杆钻具(2)的壳体外径相同；定位套筒(37)外壁沿轴向开设2～4个1有螺钉孔(38)。

6.根据权利要求1所述的组合螺杆钻具，其特征是：组合传动系统(5)由上端盖(19)、下端盖(13)和组合传动系统壳体(15)组成，各独立螺杆钻具(2)中的传动轴(23)与单拐曲轴(18)连接，各单拐曲轴(18)用连杆(17)与主曲轴(16)分别构成了平行四边形机构，主曲轴(16)上的曲拐数与独立螺杆钻具(2)数量相同，位置相对的单拐曲轴(18)与主曲轴(16)所构成的两对平行四边形结构，一组为正平行四边形机构，则另一组为反平行四边形机构；组合传动系统(5)中的主曲轴(16)与大导水帽(14)用锥螺纹连接，大导水帽(14)与主传动轴(7)用锥螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的组合螺杆钻具，其特征是：油密封传动轴系统(6)是由密封系统(12)、推力轴承组(10)、上径向轴承(11)、下径向轴承(8)、主传动轴(7)、传动轴壳体(9)组成，传动轴壳体(9)上端与组合传动系统(5)的下端盖(13)相连接；主曲轴(16)、大导水帽(14)和主传动轴(7)内部设置有油道，这些油道相通；主传动轴(7)中的润滑通道与密封系统(12)相通。

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