CN104033113A - 一种旋冲螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油钻井等领域中的旋冲螺杆钻具，解决了深井超深井中硬岩破碎效率的问题。其技术方案是：旁通阀壳体、防掉接头、马达壳体、万向轴壳体、外壳体、轴承壳体、凸轮外壳体、底部活塞壳体和下壳体依次通过丝扣相连；上下轴体通过花键连接，上下轴体之间为周向均布的8个花键销；滚轮座通过周向三个均布的螺钉固定于凸轮外壳体上，凸轮周向通过三个均布螺钉固定在凸轮座上，滚轮装在滚轮座上，凸轮座通过螺纹连接在下轴体上，下分环通过锯齿槽形卡在下轴体上，并通过下挡圈固定。本发明可以使螺杆钻具下轴体产生一定频率和大小的稳定的柔和的轴向冲击力，提高了钻头破岩的效率，提高了机械钻速，进而降低钻井成本。

Description

一种旋冲螺杆钻具

技术领域

本发明涉及一种用于石油钻井、矿山开采、地质钻探等领域中的具有旋转冲击功能的螺杆钻具。

背景技术

随着赋存较好的浅层油气资源的逐渐枯竭，目前世界钻井逐渐向深井、超深井等领域发展，井深增加后，岩石在地层围压的作用下其硬度和强度都会明显增加，导致钻头破岩效率不高，寿命大大降低，钻井速度大幅下降，而钻井速度的提高关键在于如何提高钻头的破岩效率。为提高钻头破岩效率，利用井下工具与钻头组合，产生振动提高机械钻速，其应用包括在深井和超深井中采用液动冲击回转钻井技术和对射流冲击器的改进提高钻井速度，现场实验结果表明可提高机械钻速30％以上，以及利用井下工具产生旋转振动冲击，其应用包括使用扭力冲击器配合个性化钻头，提高机械钻速，现场使用结果对比表明提高机械钻速110％左右。旋冲钻井的关键是在钻具的近钻头上方接一个冲击器，钻井过程中，钻具一边旋转，冲击器一边产生轴向冲击力作用于钻头，钻头对岩石产生一个交变的冲击力，达到迅速破岩的目的。

现场使用表明，液动冲击器的换向动作时依靠钻井液驱动换向阀来实现的，液动冲击器普遍存在两个缺陷，一是钻井液的冲蚀导致开关阀件不能正常工作，从而造成整个冲击器性能不稳定，寿命短；二是振动频率和冲击力随钻井液排量和泵压等因素的变化而变化，这种变化无论对钻头设计还是对岩层破碎做功求解都很难做到与实际情况相符，冲击破碎效果不理想。因此，为解决现有冲击器使用过程中的问题，开发新的具有旋转冲击功能的螺杆钻具尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于：为解决深井、超深井中钻头破岩效率和机械钻速不高和现有液动冲击器使用效果不理想的问题，特提供一种旋冲螺杆钻具。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种旋冲螺杆钻具，由旁通阀壳体、阀芯、弹簧、阀体、挡圈、防掉接头、防掉螺帽、防掉连杆、马达壳体、定子、转子、万向轴壳体、活铰、万向轴连杆、转接头、外壳体、浮动活塞、上轴体、轴承外壳、防磨垫圈、跳动垫、橡胶垫圈、补偿盒、上挡圈、上分环、凸轮外壳体、滚轮座、滚轮、凸轮、凸轮座、花键销、下挡圈、下分环、底部活塞壳体、下轴体、下壳体、密封盒、浮动环、冲击盘、冲击喷嘴组成，其特征在于外壳部分，旁通阀壳体、防掉接头、马达壳体、万向轴壳体、外壳体、轴承壳体、凸轮壳体、底部活塞壳体和下壳体依次通过丝扣相连；在旁通阀壳体内，阀芯与阀体之间采用间隙配合，弹簧卡在阀芯和阀体之间，旁通阀壳体上的台肩和挡圈将阀体与阀芯卡在中间，阀芯下端有周向均布的通孔，旁通阀壳体上一侧有通孔；防掉接头内，防掉连杆上端与防掉螺帽，下端与转子通过螺纹连接，防掉螺帽外径大于防掉接头内台肩的的内径；马达壳体内为定子与转子配合，转子下端开有斜孔，转子下端与活铰相连，活铰、球座、大球、压圈、锁紧套、橡胶护套、万向轴连杆一起组成万向轴，万向轴为球瓣式万向轴，压圈压在万向轴连杆上，锁紧套上有台肩，锁紧套与活铰通过螺纹连接，并将橡胶、压圈和万向轴连杆与活铰固定在一起；球座装在活铰内，使大球装在球座和万向轴连杆之间，万向轴上下两端为对称结构，万向轴下端与转接头相连；浮动活塞位于上轴体和外壳体之间，上轴体上部与转接头通过螺纹相连，下部与下轴体通过花键连接，上轴体与下轴体之间为周向均布的8个花键销，冲击喷嘴通过螺纹固定在上轴体上，冲击盘置于下轴体与冲击喷嘴之间的台肩内；轴承壳体内，上分环通过锯齿槽形卡在上轴体上，并用上挡圈进行固定，上分环向上依次为补偿盒、橡胶垫圈、跳动垫、防磨垫圈，橡胶垫圈和跳动垫装在补偿盒中，上分环向下为对称结构；凸轮外壳体内部有滚轮座、滚轮、凸轮、凸轮座、下挡圈、下分环，滚轮座通过周向三个均布的螺钉固定于凸轮外壳体上，凸轮周向通过三个均布螺钉固定在凸轮座上，滚轮装在滚轮座上，滚轮可以绕自身轴线旋转，滚轮个数为3个，凸轮为圆柱凸轮，凸轮座通过螺纹连接在下轴体上，下分环通过锯齿槽形卡在下轴体上，并通过下挡圈固定，下分环轴向通过底部活塞壳体固定；密封盒通过螺纹固定在底部活塞壳体上，浮动环位于下壳体和下轴体之间，浮动环上装有O形密封圈；上分环和下分环为两瓣结构，上挡圈与上分环和下挡圈与上分环都采用过盈配合；轴承壳体和凸轮外壳体与下轴体之间有密封圈c和密封圈b，底部活塞壳体与下轴体之间有密封圈a；底部活塞壳体上有一螺堵孔，旋冲螺杆钻具装配完成后，从螺堵孔通入一定量的润滑油，使凸轮外壳体和底部活塞壳体内都充满润滑油，润滑油通过密封圈a、密封圈b、O形密封圈b和密封圈进行密封。

本发明的有益效果是：(1)本发明通过泥浆带动马达旋转，进而带动下轴体和凸轮旋转，凸轮的旋转可以使下轴体产生一定频率和大小的轴向冲击力，从而使螺杆马达具有旋转冲击的功能，提高钻井破岩效率，降低钻井成本；(2)由于凸轮结构的使用，冲击力是机械结构运动的形式产生的，并为连续稳定的柔和冲击力，避免冲击力瞬间产生破坏切削齿的问题，提高钻头破岩的效果，解决了现有冲击器提供冲击力不稳定的问题；(3)底部活塞壳体和凸轮外壳体内通有润滑油，保证凸轮、凸轮座、滚轮、冲击喷嘴和冲击盘、花键销等处于油液中，润滑油有润滑和降温的作用，可以提高螺杆钻具的使用寿命；(4)上分环上下有对称分布的跳动垫、橡胶垫圈和补偿盒，用于减小下部结构产生的振动对上部钻具的影响；(5)浮动活塞用于平衡螺杆钻具的振动对钻井液压力的影响。

附图说明

图1为本发明一种旋冲螺杆钻具的结构示意图。

图中：1.旁通阀壳体，2.阀芯，3.弹簧、4.阀体，5.挡圈，6.防掉接头，7.防掉螺帽，8.防掉连杆，9.马达壳体，10.定子，11.转子，12.万向轴壳体，13.活铰，14.球座，15.大球，16.压圈，17.锁紧套，18.橡胶护套，19.万向轴连杆，20.转接头，21.外壳体，22.浮动活塞，23.上轴体，24.轴承外壳，25.防磨垫圈，26.跳动垫，27.橡胶垫圈，28.补偿盒，29.上挡圈，30.上分环，31.凸轮外壳体，32.滚轮座，33.滚轮，34.凸轮，35.凸轮座，36.花键销，37.下挡圈，38.下分环，39.底部活塞壳体，40.下轴体，41.下壳体，42.密封盒，43.浮动环，44.O形密封圈，45.密封圈a，46.O形密封圈，47冲击盘，48.冲击喷嘴，49.密封圈b，50.密封圈c。

图2为本发明图1中A-A面的截面图。

图3为本发明图1中B-B面的截面图。

图4为本发明滚轮和滚轮座装配的三维图。

图5为本发明图1的局部放大图。

具体实施方式

根据附图所示，一种旋冲螺杆钻具，由旁通阀壳体、阀芯、弹簧、阀体、挡圈、防掉接头、防掉螺帽、防掉连杆、马达壳体、定子、转子、万向轴壳体、活铰、万向轴连杆、转接头、外壳体、浮动活塞、上轴体、轴承外壳、防磨垫圈、跳动垫、橡胶垫圈、补偿盒、上挡圈、上分环、凸轮外壳体、滚轮座、滚轮、凸轮、凸轮座、花键销、下挡圈、下分环、底部活塞壳体、下轴体、下壳体、密封盒、浮动环、冲击盘、冲击喷嘴组成，其特征在于外壳部分，旁通阀壳体1、防掉接头6、马达壳体9、万向轴壳体12、外壳体21、轴承壳体24、凸轮壳体31、底部活塞壳体39和下壳体41依次通过丝扣相连；在旁通阀壳体1内，阀芯2与阀体4之间采用间隙配合，弹簧3卡在阀芯2和阀体4之间，旁通阀壳体1上的台肩和挡圈5将阀体4与阀芯2卡在中间，阀芯2下端有周向均布的通孔，旁通阀壳体1上一侧有通孔；防掉接头6内，防掉连杆8上端与防掉螺帽7，下端与转子11通过螺纹连接，防掉螺帽7外径大于防掉接头6内台肩的的内径；马达壳体9内为定子10与转子11配合，转子11下端开有斜孔，转子11下端与活铰13相连，活铰13、球座14、大球15、压圈16、锁紧套17、橡胶护套18、万向轴连杆19一起组成万向轴，万向轴为球瓣式万向轴，压圈16压在万向轴连杆19上，锁紧套17上有台肩，锁紧套17与活铰13通过螺纹连接，并将橡胶18、压圈16和万向轴连杆19与活铰13固定在一起；球座14装在活铰13内，使大球15装在球座14和万向轴连杆19之间，万向轴上下两端为对称结构，万向轴下端与转接头20相连；浮动活塞22位于上轴体23和外壳体21之间，上轴体23上部与转接头20通过螺纹相连，下部与下轴体40通过花键连接，上轴体23与下轴体40之间为周向均布的8个花键销36，冲击喷嘴48通过螺纹固定在上轴体23上，冲击盘47置于下轴体40与冲击喷嘴48之间的台肩内；轴承壳体24内，上分环30通过锯齿槽形卡在上轴体23上，并用上挡圈29进行固定，上分环30向上依次为补偿盒28、橡胶垫圈27、跳动垫26、防磨垫圈25，橡胶垫圈27和跳动垫26装在补偿盒28中，上分环30向下为对称结构；凸轮外壳体31内部有滚轮座32、滚轮33、凸轮34、凸轮座35、下挡圈37、下分环38，滚轮座32通过周向三个均布的螺钉固定于凸轮外壳体31上，凸轮34周向通过三个均布螺钉固定在凸轮座35上，滚轮33装在滚轮座32上，滚轮33可以绕自身轴线旋转，滚轮33个数为3个，凸轮34为圆柱凸轮，凸轮座32通过螺纹连接在下轴体40上，下分环38通过锯齿槽形卡在下轴体40上，并通过下挡圈37固定，下分环38轴向通过底部活塞壳体39固定；密封盒42通过螺纹固定在底部活塞壳体39上，浮动环43位于下壳体41和下轴体40之间，浮动环43上装有O形密封圈44；上分环30和下分环38为两瓣结构，上挡圈29与上分环30和下挡圈37与上分环38都采用过盈配合；轴承壳体24和凸轮外壳体31与下轴体40之间有密封圈c50和密封圈b49，底部活塞壳体39与下轴体40之间有密封圈a45；底部活塞壳体39上有一螺堵孔，旋冲螺杆钻具装配完成后，从螺堵孔通入一定量的润滑油，使凸轮外壳体31和底部活塞壳39内都充满润滑油，润滑油通过密封圈a45、密封圈b49、O形密封圈b46和密封圈44进行密封。

运行时，泥浆经过旁通阀壳体内部进入螺杆钻具内部，再经过马达部分将泥浆的液压能转化为转子转动的机械能，转子转动依次带动万向轴和上轴体旋转，由于上轴体与下轴体之间是花键连接，凸轮、凸轮座和下轴体依次相连，下轴体和凸轮也会随着上轴体而旋转，由于凸轮和滚轮配合的结构特征，凸轮旋转过程中会推动下轴体做上下往复运动，产生一定频率和大小的稳定的柔和冲击力，同时底部活塞壳体和凸轮外壳体内通有润滑油，保证凸轮、凸轮座、滚轮、冲击喷嘴和冲击盘、花键销等处于油液中，润滑油对这些结构有润滑和降温的作用。

Claims (6)

1.一种旋冲螺杆钻具，由旁通阀壳体、阀芯、弹簧、阀体、挡圈、防掉接头、防掉螺帽、防掉连杆、马达壳体、定子、转子、万向轴壳体、活铰、万向轴连杆、转接头、外壳体、浮动活塞、上轴体、轴承外壳、防磨垫圈、跳动垫、橡胶垫圈、补偿盒、上挡圈、上分环、凸轮外壳体、滚轮座、滚轮、凸轮、凸轮座、花键销、下挡圈、下分环、底部活塞壳体、下轴体、下壳体、密封盒、浮动环、冲击盘47、冲击喷嘴48组成，其特征在于外壳部分，旁通阀壳体(1)、防掉接头(6)、马达壳体(9)、万向轴壳体(12)、外壳体(21)、轴承壳体(24)、凸轮壳体(31)、底部活塞壳体(39)和下壳体(41)依次通过丝扣相连；在旁通阀壳体(1)内，阀芯(2)与阀体(4)之间采用间隙配合，弹簧(3)卡在阀芯(2)和阀体(4)之间，旁通阀壳体(1)上的台肩和挡圈(5)将阀体(4)与阀芯(2)卡在中间，阀芯(2)下端有周向均布的通孔，旁通阀壳体(1)上一侧有通孔；防掉接头(6)内，防掉连杆(8)上端与防掉螺帽(7)，下端与转子(11)通过螺纹连接，防掉螺帽(7)外径大于防掉接头(6)内台肩的的内径；马达壳体(9)内为定子(10)与转子(11)配合，转子(11)下端开有斜孔，转子(11)下端与活铰(13)相连，活铰(13)、球座(14)、大球(15)、压圈(16)、锁紧套(17)、橡胶护套(18)、万向轴连杆(19)一起组成万向轴，万向轴下端与转接头(20)相连；浮动活塞(22)位于上轴体(23)和外壳体(21)之间，上轴体(23)上部与转接头(20)通过螺纹相连，下部与下轴体(40)通过花键连接，上轴体(23)与下轴体(40)之间为周向均布的8个花键销(36)，冲击喷嘴(48)通过螺纹固定在上轴体(23)上，冲击盘(47)置于下轴体(40)与冲击喷嘴(48)之间的台肩内；轴承壳体(24)内，上分环(30)通过锯齿槽形卡在上轴体(23)上，并用上挡圈(29)进行固定，上分环(30)向上依次为补偿盒(28)、橡胶垫圈(27)、跳动垫(26)、防磨垫圈(25)，橡胶垫圈(27)和跳动垫(26)装在补偿盒(28)中，上分环(30)向下为对称结构；凸轮外壳体(31)内部有滚轮座(32)、滚轮(33)、凸轮(34)、凸轮座(35)、下挡圈(37)、下分环(38)，滚轮座(32)通过周向三个均布的螺钉固定于凸轮外壳体(31)上，凸轮(34)周向通过三个均布螺钉固定在凸轮座(35)上，滚轮(33)装在滚轮座(32)上，凸轮座(32)通过螺纹连接在下轴体(40)上，下分环(38)通过锯齿槽形卡在下轴体(40)上，并通过下挡圈(37)固定，下分环(38)轴向通过底部活塞壳体(39)固定；密封盒(42)通过螺纹固定在底部活塞壳体(39)上，浮动环(43)位于下壳体(41)和下轴体(40)之间，浮动环(43)上装有O形密封圈(44)。根据权利要求1所述的一种可倾斜的实验井口密封装置，其特征在于：密封圈a(2)、密封圈b(5)、密封圈c(7)、密封圈d(9)、密封圈e(10)和密封圈f(12)采用的结构是一个矩形密封圈和一个L型密封圈叠放到一起，组成的车氏密封结构。

2.根据权利要求1所述的一种旋冲螺杆钻具，其特征在于上分环(30)和下分环(38)为两瓣结构，上挡圈(29)与上分环(30)和下挡圈(37)与上分环(38)都采用过盈配合。

3.根据权利要求1所述的一种旋冲螺杆钻具，其特征在于滚轮(33)可以绕自身轴线旋转，滚轮(33)的个数为三个，凸轮(34)为圆柱凸轮，凸轮(34)与滚轮(33)和滚轮座(32)能形成运动配合。

4.据权利要求1所述的一种旋冲螺杆钻具，其特征在于轴承壳体(24)和凸轮外壳体(31)与下轴体(40)之间有密封圈c(50)和密封圈b(49)，底部活塞壳体(39)与下轴体(40)之间有密封圈a(45)。

5.根据权利要求1所述的一种旋冲螺杆钻具，其特征在于底部活塞壳体(39)上有一螺堵孔，旋冲螺杆钻具装配完成后，从螺堵孔通入一定量的润滑油，使凸轮外壳体(31)和底部活塞壳体(39)内都充满润滑油，润滑油通过密封圈a(45)、密封圈b(49)、O形密封圈b(46)和密封圈(44)进行密封。

6.根据权利要求1所述的一种旋冲螺杆钻具，其特征在于万向轴为球瓣式万向轴，压圈(16)压在万向轴连杆(19)上，锁紧套(17)上有台肩，锁紧套(17)与活铰(13)通过螺纹连接，并将橡胶(18)、压圈(16)和万向轴连杆(19)与活铰(13)固定在一起；球座(14)装在活铰(13)内，使大球(15)装在球座(14)和万向轴连杆(19)之间，万向轴上下两端为对称结构。