CN103883246B - 井下高效螺杆钻具 - Google Patents

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一种井下高效螺杆钻具,包括自上而下依次相连的旁通阀总成、防掉节、马达节、万向节总成和轴承节总成。井下高效螺杆钻具中,结构简单,使用方便,井下运转稳定,安全可靠,整机总效率高,能输出更大的扭矩,工作时间长,使用寿命高,更能适应目前各种复杂井钻进的需要,不会出现刺漏,工作的可靠性高,流线型的流道,减小主流道的水利损失,关断力大,克服了传统单螺杆机械类螺杆钻具共轭曲面的干涉效应和齿形畸变问题,万向轴运转灵活,能效高,万向轴可在无砂粒和钻井液冲蚀的环境下工作,使用寿命长,机械强度高。

Description

井下高效螺杆钻具
技术领域
本发明涉及一种石油钻井设备,具体地说,是一种高效的螺杆钻具。
背景技术
近年来,由于石油资源的需求越来越大,所以我国在钻井技术方面加快了发展,从而推动了井下动力钻具的发展和应用。螺杆钻具在目前石油钻井中占有相当重要的地位,其最初被大量用于直井,随着资源开发的需要,定向井、水平井、大位移井等一些复杂井的出现,使得螺杆钻具的性能优势更加凸显,与此同时遇到的问题也一一浮现,螺杆钻具还存在着一定的不足。
目前使用的螺杆钻具中,单螺杆机械类螺杆钻具普遍存在着共轭啮合曲面形状复杂、制造难度大且精度要求高、泄漏通道多、易于形成齿间干涉和线型畸变等缺点。普通螺杆钻具起扶正作用的上下径向扶正轴承的长度为400mm~500mm,这个长度设置用于确保冷却和润滑金属滚动轴承组的泥浆流量在一定的范围内,为了减小普通螺杆钻具轴承节的长度,径向扶正轴承布置在了轴承节外壳的上接头和下接头处,这样虽然缩短了轴承节的长度,径向扶正轴承与金属滚动轴承组的同心度降低了,使径向扶正轴承的扶正效果较差。冷却和润滑金属滚动轴承组的泥浆中,颗粒较大的固相磨砺砂粒会进入到轴承组所处的内腔中,使轴承磨损并失效。
发明内容
本发明针对上述现就技术存在的不足,设计了一种井下高效螺杆钻具。
本发明的井下高效螺杆钻具,包括自上而下依次相连的旁通阀总成、防掉节、马达节、万向节总成和轴承节总成。
所述的旁通阀总成包括筒状的阀体,阀体的内腔中安装有阀芯和阀座,阀座和阀芯都为筒状,阀座套在阀芯上,阀座底部抵在阀体的内腔下部设置的台肩上,阀芯可在阀体内上下滑动,阀芯和阀座之间安装弹簧,弹簧可将阀芯顶部抵在阀体内腔上部设置的台肩上,阀芯的内腔顶部开口为喇叭状,阀芯侧壁均匀设置有阀芯孔,阀体侧壁设置旁通孔,每个旁通孔都与一个阀芯孔对应,阀座顶部的内壁设置有环形密封槽,密封槽内安装有密封圈,密封圈的截面为Y形。
所述的防掉节包括防掉外壳、防掉杆和防掉螺母,防掉外壳为筒状,防掉杆位于防掉外壳内,防掉螺母安装在防掉杆顶端,防掉外壳底部的内壁设置有环形凸缘,环形凸缘围成一个防掉孔,防掉孔的直径小于防掉螺母的直径。
所述的马达节包括定子和转子,定子为具有螺旋内孔的管子,定子的内壁上贴有一层橡胶衬套,转子装在定子内,转子的外壁为与定子内孔配合的螺旋线形,定子与转子共轭啮合。
所述的万向节总成包括筒状的万向轴壳体,万向轴壳体内安装有万向轴,万向轴包括传动杆和安装在传动杆两端的连接座,传动杆两端位于连接座设置的活动腔内,传动杆与连接座之间的前后两侧和左右两侧都对称设置有球铰结构。
所述的轴承节总成包括筒状的轴承节外壳,轴承节外壳内安装有管状的传动轴,传动轴底部可安装钻头,传动轴顶端套有筒状的压紧水帽,传动轴与轴承节外壳内壁之间设有间隙,传动轴上部和下部都安装有径向扶正轴承,传动轴中部安装有金属滚动轴承组,径向扶正轴承和金属滚动轴承组的内径都相同,径向扶正轴承的长度都小于400mm,轴承节外壳上安装有稳定器。
阀体底部与防掉外壳顶部通过螺纹连接,防掉杆与转子顶部同轴连接,定子顶部与防掉外壳底部通过螺纹连接,转子底部与万向轴上部的连接座固定连接,定子底部与万向轴壳体顶部通过螺纹连接,万向轴下部的连接座与压紧水帽顶部通过螺纹连接,万向轴壳体底部与轴承节外壳通过螺纹相连。
优选的是,防掉螺母与防掉杆通过反扣螺纹连接。
优选的是,转子与定子的共轭啮合曲面为基于离散点集的单螺杆机械内啮合共轭工作副。
优选的是,转子的径向横截面为均布齿型或花瓣形。
优选的是,万向轴壳体的弯曲度为0°~3°。
优选的是,万向轴连接座的活动腔由胶囊密封。
优选的是,径向扶正轴承为径向滑动轴承,径向扶正轴承内圈的外壁和外圈的内壁设置有多个过流槽。
优选的是,压紧水帽底部位于轴承节外壳内,并与轴承节外壳的内壁之间留有环形的空隙,而压紧水帽底部的外壁上设置有形成限流环隙的环形凹槽。
优选的是,所述的稳定器为可拆卸的近钻头稳定器,通过螺纹连接在轴承节外壳下部。
本发明的有益效果是:井下高效螺杆钻具中,结构简单,使用方便,井下运转稳定,安全可靠,整机总效率高,能输出更大的扭矩,工作时间长,使用寿命高,更能适应目前各种复杂井钻进的需要。
旁通阀总成的阀芯与阀座之间的运动部位设置了Y形的密封圈,在大流量钻井液工况下,保证这个部位不会出现刺漏,工作的可靠性高。
阀芯的内腔顶部开口为喇叭状,使阀芯的内腔形成一个流线型的流道,减小主流道的水利损失,关断力大。
设置的防掉节可在因螺杆钻具下部部件发生螺纹松动而导致转子下沉时,防掉螺母会随之下沉,使其与环形凸缘之间的距离缩小,引起流道的压力大幅度上升,使地面仪器检测到压力上升并显示给地面人员,提示地面人员停机,防止了恶性事故的发生,防掉螺母与防掉杆通过反扣螺纹连接,提高了防掉螺母固定的稳定性,从而保证防掉节工作的可靠性。
马达节转子和定子共轭啮合曲面采用基于离散点集的单螺杆机械内啮合共轭工作副,克服了传统单螺杆机械类螺杆钻具共轭曲面的干涉效应和齿形畸变问题。
万向节总成中的万向轴采用了双球铰对称结构,无不均匀角速度,两对结构一个传递扭矩,一个传递轴向力,使万向轴运转灵活,能效高。
万向轴连接座的活动腔由胶囊密封,保护万向轴的球铰机构,由胶囊和活动腔形成的内腔中充满润滑油,使万向轴可在无砂粒和钻井液冲蚀的环境下工作,使用寿命长。
万向轴壳体具有固定的弯曲角度,机械强度高。
轴承节总成中的扶正轴承只起单纯的扶正作用,并与金属滚动轴承组装在传动轴的同一轴径上,充分保证了各轴承的同心度,使金属滚动轴承中的各个轴承所受的径向力比较均匀,不会存在下部的径向扶正轴承距钻头较远,进而影响在定向、纠斜和导向钻进作业中轴承的强度和寿命的问题。
径向扶正轴承的内圈和外圈之间有多个过流槽,可防止内、外圈运转时咬合或粘接,并对径向扶正轴承的相对运动表面起一定的润滑效果。
压紧水帽的环形凹槽形成的限流环隙,能够防止泥浆中较大颗粒的固相磨砺砂粒进入金属滚动轴承组所处的内腔,避免轴承组磨损失效,提高轴承组的使用寿命。
稳定器为可拆卸的近钻头稳定器,改善了井下钻具的载荷分布,利于定向控制和钻井操作,由于其自身惯性的作用,益于定向工具面的保持,该稳定器长度短,相当于在钻头附近增加了一个支撑,提高了井下钻具的刚度,增强了钻头回转工作的稳定性,改善了钻头的切削性能和延长了钻头的使用寿命,增加了钻井速度。
附图说明
附图1为本井下高效螺杆钻具的整体结构图;
附图2为旁通阀总成的结构图;
附图3为旁通阀总成中密封圈的剖视图;
附图4为防掉节的结构图;
附图5为马达节的径向截面图;
附图6为万向节总成的结构图;
附图7为轴承节总成的结构图;
附图8为径向扶正轴承的径向截面图。
具体实施方式
本发明的井下高效螺杆钻具,包括自上而下依次相连的旁通阀总成1、防掉节2、马达节3、万向节总成4和轴承节总成5,
旁通阀总成1包括筒状的阀体101,阀体101的内腔中安装有阀芯102和阀座103,阀座103和阀芯102都为筒状,阀座103套在阀芯102上,阀座103底部抵在阀体101的内腔下部设置的台肩104上,阀芯102可在阀体101内上下滑动,阀芯102和阀座103之间安装弹簧105,弹簧105可将阀芯102顶部抵在阀体101内腔上部设置的台肩104上,阀芯102的内腔顶部开口106为喇叭状,使阀芯102的内腔形成一个流线型的流道,减小主流道的水利损失,关断力大。阀芯102侧壁均匀设置有阀芯孔107,阀体101侧壁设置旁通孔108,每个旁通孔108都与一个阀芯孔107对应,阀座103顶部的内壁设置有环形密封槽109,密封槽109内安装有密封圈110。
密封圈110的截面为Y形,在大流量钻井液工况下,保证这个部位不会出现刺漏,工作的可靠性高。
防掉节2包括防掉外壳201、防掉杆202和防掉螺母203,防掉外壳201为筒状,防掉杆202位于防掉外壳201内,防掉螺母203安装在防掉杆202顶端,防掉螺母203与防掉杆202通过反扣螺纹连接,防掉外壳201底部的内壁设置有环形凸缘204,环形凸缘204围成一个防掉孔205,防掉孔205的直径小于防掉螺母203的直径。
马达节3包括定子301和转子302,定子301为具有螺旋内孔的管子,定子301的内壁上贴有一层橡胶衬套303,转子302装在定子301内,转子302的外壁为与定子301内孔配合的螺旋线形,定子301与转子302共轭啮合,转子302与定子301的共轭啮合曲面为基于离散点集的单螺杆机械内啮合共轭工作副,转子302的径向横截面为均布齿型或花瓣形。
万向节总成4包括筒状的万向轴壳体401,万向轴壳体401的弯曲度为0°~3°,万向轴壳体401内安装有万向轴402,万向轴402包括传动杆403和安装在传动杆403两端的连接座404,传动杆403两端位于连接座404设置的活动腔405内,万向轴402连接座404的活动腔由胶囊407密封,由胶囊407和活动腔405形成的内腔中充满润滑油,传动杆403与连接座404之间的前后两侧和左右两侧都对称设置有球铰结构406。
轴承节总成5包括筒状的轴承节外壳501,轴承节外壳501内安装有管状的传动轴502,传动轴502底部可安装钻头,传动轴502顶端套有筒状的压紧水帽503,传动轴502与轴承节外壳501内壁之间设有间隙,压紧水帽503底部位于轴承节外壳501内,并与轴承节外壳501的内壁之间留有环形的空隙,而压紧水帽503底部的外壁上设置有形成限流环隙的环形凹槽510,传动轴502上部和下部都安装有径向扶正轴承504,传动轴502中部安装有金属滚动轴承组505,径向扶正轴承504和金属滚动轴承组505的内径都相同,径向扶正轴承504的长度都小于400mm,径向扶正轴承504为径向滑动轴承,径向扶正轴承504内圈507的外壁和外圈508的内壁设置有多个过流槽509,轴承节外壳501上安装有稳定器506,稳定器506为可拆卸的近钻头稳定器,通过螺纹连接在轴承节外壳501下部。
阀体101底部与防掉外壳201顶部通过螺纹连接,防掉杆202与转子302顶部同轴连接,定子301顶部与防掉外壳201底部通过螺纹连接,转子302底部与万向轴402上部的连接座404固定连接,定子301底部与万向轴壳体401顶部通过螺纹连接,万向轴402下部的连接座404与压紧水帽503顶部通过螺纹连接,万向轴壳体401底部与轴承节外壳501通过螺纹相连。

Claims (7)

1.一种井下高效螺杆钻具,其特征在于,包括自上而下依次相连的旁通阀总成(1)、防掉节(2)、马达节(3)、万向节总成(4)和轴承节总成(5),
所述的旁通阀总成(1)包括筒状的阀体(101),阀体(101)的内腔中安装有阀芯(102)和阀座(103),阀座(103)和阀芯(102)都为筒状,阀座(103)套在阀芯(102)上,阀座(103)底部抵在阀体(101)的内腔下部设置的台肩(104)上,阀芯(102)可在阀体(101)内上下滑动,阀芯(102)和阀座(103)之间安装弹簧(105),弹簧(105)可将阀芯(102)顶部抵在阀体(101)内腔上部设置的台肩(104)上,阀芯(102)的内腔顶部开口(106)为喇叭状,阀芯(102)侧壁均匀设置有阀芯孔(107),阀体(101)侧壁设置旁通孔(108),每个旁通孔(108)都与一个阀芯孔(107)对应,阀座(103)顶部的内壁设置有环形密封槽(109),密封槽(109)内安装有密封圈(110),密封圈(110)的截面为Y形;
所述的防掉节(2)包括防掉外壳(201)、防掉杆(202)和防掉螺母(203),防掉外壳(201)为筒状,防掉杆(202)位于防掉外壳(201)内,防掉螺母(203)安装在防掉杆(202)顶端,防掉外壳(201)底部的内壁设置有环形凸缘(204),环形凸缘(204)围成一个防掉孔(205),防掉孔(205)的直径小于防掉螺母(203)的直径;
所述的马达节(3)包括定子(301)和转子(302),定子(301)为具有螺旋内孔的管子,定子(301)的内壁上贴有一层橡胶衬套(303),转子(302)装在定子(301)内,转子(302)的外壁为与定子(301)内孔配合的螺旋线形,定子(301)与转子(302)共轭啮合;
所述的万向节总成(4)包括筒状的万向轴壳体(401),万向轴壳体(401)内安装有万向轴(402),万向轴(402)包括传动杆(403)和安装在传动杆(403)两端的连接座(404),传动杆(403)两端位于连接座(404)设置的活动腔(405)内,传动杆(403)与连接座(404)之间的前后两侧和左右两侧都对称设置有球铰结构(406);
所述的轴承节总成(5)包括筒状的轴承节外壳(501),轴承节外壳(501)内安装有管状的传动轴(502),传动轴(502)底部可安装钻头,传动轴(502)顶端套有筒状的压紧水帽(503),传动轴(502)与轴承节外壳(501)内壁之间设有间隙,传动轴(502)上部和下部都安装有径向扶正轴承(504),传动轴(502)中部安装有金属滚动轴承组(505),径向扶正轴承(504)和金属滚动轴承组(505)的内径都相同,径向扶正轴承(504)的长度都小于400mm,轴承节外壳(501)上安装有稳定器(506);
阀体(101)底部与防掉外壳(201)顶部通过螺纹连接,防掉杆(202)与转子(302)顶部同轴连接,定子(301)顶部与防掉外壳(201)底部通过螺纹连接,转子(302)底部与万向轴(402)上部的连接座(404)固定连接,定子(301)底部与万向轴壳体(401)顶部通过螺纹连接,万向轴(402)下部的连接座(404)与压紧水帽(503)顶部通过螺纹连接,万向轴壳体(401)底部与轴承节外壳(501)通过螺纹相连;
万向轴(402)连接座(404)的活动腔由胶囊(407)密封,由胶囊(407)和活动腔(405)形成的内腔中充满润滑油。
2.根据权利要求1所述的井下高效螺杆钻具,其特征在于,防掉螺母(203)与防掉杆(202)通过反扣螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的井下高效螺杆钻具,其特征在于,转子(302)的径向横截面为均布齿型或花瓣形。
4.根据权利要求1所述的井下高效螺杆钻具,其特征在于,万向轴壳体(401)的弯曲度为0°~3°。
5.根据权利要求1所述的井下高效螺杆钻具,其特征在于,径向扶正轴承(504)内圈(507)的外壁和外圈(508)的内壁设置有多个过流槽(509)。
6.根据权利要求1所述的井下高效螺杆钻具,其特征在于,压紧水帽(503)底部位于轴承节外壳(501)内,并与轴承节外壳(501)的内壁之间留有环形的空隙,而压紧水帽(503)底部的外壁上设置有形成限流环隙的环形凹槽(510)。
7.根据权利要求1所述的井下高效螺杆钻具,其特征在于,所述的稳定器(506)为可拆卸的近钻头稳定器,通过螺纹连接在轴承节外壳(501)下部。
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