CN106639859A - 一种机械振动冲击传动轴 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涉及油气勘探开发钻井动力钻具技术领域的机械振动冲击传动轴,包括中空的钻头接头和主传动轴,在主传动轴外部设有冲击发生装置,在主传动轴与钻头接头之间设有冲击执行机构。其中冲击发生装置主要是在主传动轴的下半段套装的丝杠凸轮筒、支撑球壳体、支撑球、球堵和主传动轴的上半段套装有增强轴承串和推力轴承外壳;所述冲击执行机构是在丝杠凸轮筒与钻头接头设置间隙配合的上冲击盘和下冲击盘。本发明的机械振动冲击传动轴在旋转的基础上,增加冲击动力,将冲击钻进的单次破岩作用与旋转钻进的连续破岩作用相结合,提高破岩效率,能够有效的提高坚硬、研磨性地层钻井机械钻速。

Description

一种机械振动冲击传动轴
所属技术领域
[0001] 本发明涉及油气勘探开发钻井动力钻具技术领域,尤其涉及一种产生机械振动冲击的传动轴。
背景技术
[0002] 在利用长水平井、大位移井勘探开发油气藏钻井过程中,钻遇坚硬且研磨性强的地层时,使用常规动力钻具普遍存在机械钻速低的问题。近年来,旋转冲击破岩钻井技术越来越受到重视,冲击载荷能瞬时提升接触应力至极高,局部应力集中,在岩石内容易产生微裂纹,当冲击载荷足够大时,应力很快接近或超过强度极限,岩石产生脆性破坏,进而崩离;由于井底岩石始终受到轴向压力的作用,钻头齿下面尚未破碎的岩石处于紧张的预压应力状态,预加静载能有效改善冲击能量的传递条件,增加能量有效利用率,受到高频冲击作用后容易破碎;在旋转破岩同时,钻井液由连续流变为高压脉冲射流,对井底岩肩层和岩肩进行反复和突发冲刷,有利于消除岩肩的压持效应,改善喷射效果;在旋转冲击钻进时,钻头上钻压的作用是保证冲击装置正常工作,确保切削刀具与岩石表面能经常、可靠地接触,所需钻压比常规旋转钻井低20%〜60%,可解决深井钻井中比载荷不足和与岩石接触时间短的矛盾,在不增加任何设备的情况下提高了钻探能力。
[0003] 研究表明:在旋转的基础上,增加冲击动力,将冲击钻进的单次破岩作用与旋转钻进的连续破岩作用相结合,提高破岩效率,能够有效的提高坚硬、研磨性地层钻井机械钻速。
发明内容
[0004] 本发明针对现有技术存在的技术问题,提供一种产生机械振动冲击的传动轴,在动力钻具旋转破岩过程中,产生机械振动冲击,利用冲击破岩的技术优势,提高动力钻具钻坚硬、研磨性地层的机械钻速。
[0005] 为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种机械振动冲击传动轴,包括中空的钻头接头I和主传动轴10,在主传动轴10外部设有冲击发生装置,在主传动轴10与钻头接头I之间设有冲击执行机构。
[0006] 上述方案进一步包括:
所述冲击发生装置是在主传动轴10的下半段套装丝杠凸轮筒4,丝杠凸轮筒4内与主传动轴10方角插接配合,丝杠凸轮筒4外与支撑球壳体7套接配合,在丝杠凸轮筒4外面开设多道弧形轨道槽,每道轨道槽包括一段抬升螺旋轨道16和一段水平过渡轨道17,每道轨道槽分别与支撑球6构成限位配合,支撑球壳体7与每级轨道槽对应处设有与支撑球6配合的球窝和装配通道,装配通道与球堵5配合锁定支撑球6,丝杠凸轮筒4下端设有与钻头接头I连接的凸头;主传动轴10的上半段套装有增强轴承串9和推力轴承外壳8,其中推力轴承外壳8上、下端分别通过上轴承15、下轴承14与主传动轴10旋转配合,推力轴承外壳8下端与支撑球壳体7连接;所述冲击执行机构是在丝杠凸轮筒4与钻头接头I连接的凸头内设置间隙配合的上冲击盘3和下冲击盘2,其中上冲击盘3与主传动轴10的下端连接,下冲击盘2与钻头接头I上台阶相接,上冲击盘3和下冲击盘2为中空结构。
[0007] 所述下冲击盘2及钻杆接头I中空为偏心中空结构。
[0008] 主传动轴10上端与水帽12连接。
[0009] 由于采用了上述技术方案,本发明的机械振动冲击的传动轴在使用时,所述轴承壳体上端与动力钻具外壳体螺纹连接,所述水帽与动力钻具万向轴下端螺纹连接,与动力钻具成为一体。马达转动动力输入所述主传动轴,所述主传动轴通过下端的六方体驱动所述丝杠凸轮体转动,由于所述支撑球壳体与动力钻具外壳体固定连接,丝杠凸轮体与支撑球壳体相对转动,布置在丝杠凸轮体与支撑球壳体之间的支撑球,提供支撑作用,同时充当力传递的中介;所述丝杠凸轮体转动过程中,由于在井身轴方向所述丝杠凸轮体不动,其筒体上布置的带螺旋抬升轨道驱使支撑球支撑钻柱抬升,所述支撑球从轨道起始点到轨道终止点抬升上部冲击钻柱一个冲击行程,在所述水平过渡轨道内上部冲击钻柱在钻压及重力作用下自由下落,与上部冲击钻柱固结为一体的所述上冲击盘冲击所述下冲击盘,从而使钻头对地层进行一次冲击破岩,反复循环,组成整个工具的旋转冲击破岩钻井。在所述上冲击盘冲击所述下冲击盘冲击过程中,由于所述下冲击盘及所述钻杆接头钻井液流道偏置,所述上冲击盘钻井液流道置中,在冲击瞬间,钻井液流道过流面积瞬间变为极小,钻井液由连续流变为高压脉冲射流,对井底岩肩层和岩肩进行反复和突发冲刷,改善钻头水力喷射效果。随着所述主传动轴的转动,与机械振动冲击传动轴连接的钻头产生周期性地振动冲击,同时钻井液由连续流变为高压脉冲射流,旋转冲击破岩与高压脉冲射流相结合,从而提高动力钻具钻坚硬、研磨性地层的机械钻速。
附图说明
[0010] 图1是本发明的整体结构示意图;
图2是图1在A-A尚]视图;
图3是图1中关键零件4正视图;
图中1.钻头接头,2.下冲击盘,3.上冲击盘,4.丝杠凸轮筒,5.球堵,6.支撑球,7.支撑球壳体,8.推力轴承外壳,9.增强轴承串,10.主传动轴,11.轴承壳体(优先TC轴承壳体),12.水帽,13.冲击行程,14.下轴承,15.上轴承(优先TC轴承),16.螺旋抬升轨道,17.水平过渡轨道。
具体实施方式
[0011 ] 下面结合附图说明中的图1、图2、图3对本发明进一步说明。
[0012] 在图1所不中,一种机械振动冲击传动轴,包括钻头接头1、下冲击盘2、上冲击盘
3、丝杠凸轮筒4、球堵5、支撑球6、支撑球壳体7、推力轴承外壳8、增强轴承串9、主传动轴
10、TC轴承壳体11、水帽12、下轴承14、上TC轴承15、螺旋抬升轨道16、水平过渡轨道17等。在所述钻头接头I内设置冲击执行机构,包括下冲击盘2和上冲击盘3,所述下冲击盘2与钻头接头I销轴固定连接,所述下冲击盘2和钻头接头I中间是偏心贯通孔钻井液流道,所述上冲击盘3与所述主传动轴10螺纹连接,内部钻井液流道处于正中心;所述丝杠凸轮筒4下端与所述钻头接头I螺纹连接,其中心是内六方通孔,与所述主传动轴10配合用以传动,所述丝杠凸轮筒4外筒表面布置多层丝杠凹凸轮形式的螺旋抬升轨道16,每层轨道由多段相同尺寸的半圆截面槽循环组成,半圆截面槽有一定的螺旋升角,每段螺旋抬升轨道之间是没有升角的水平过渡轨道17 ;所述支撑球壳体7上端与所述推力轴承外壳8螺纹连接,其筒体内表面布置多层容纳所述支撑球的窝和装配通道,所述支撑球壳体7与所述丝杠凸轮筒4通过支撑球6连接,所述支撑球6与所述支撑球壳体7可沿所述丝杠凸轮筒4上布置的抬升螺旋16轨道转动,并在轴向有一定的冲击行程,组成冲击发生装置;所述推力轴承外壳9上端与TC轴承壳体11下端螺纹连接,其内布置所述加强型轴承串,其筒体下端内部设置下轴承14 ;所述TC轴承壳体11是一上下端带螺纹的筒体,内部设置上TC轴承。
[0013] 参照图2,所述主传动轴10筒体下端是外六方,中心是钻井液流道,丝杠凸轮筒4中心是内六方,主传动轴10与丝杠凸轮筒4通过六方传递转动动力,其活动连接可分割钻柱为能传递扭矩且可以轴向振动的上部冲击钻柱和下部钻头及其附属物两部分。所述支撑球6布置在丝杠凸轮筒4与支撑球壳体7之间,提供支撑作用,同时充当力传递的中介。
[0014] 参照图3,所述丝杠凸轮筒4外筒表面布置多层丝杠凹凸轮形式的螺旋抬升轨道16和水平过渡轨道,每层螺旋抬升轨道16由多段相同尺寸的半圆截面槽循环组成,半圆截面槽有一定的螺旋升角,每段螺旋抬升轨道之间是没有升角的水平过渡轨道17。
[0015] 本发明的机械振动冲击传动轴在组装时:所述轴承壳体11上端与动力钻具外壳体螺纹连接,所述水帽12与动力钻具万向轴下端螺纹连接,丝杠凸轮筒4与支撑球壳体7套合,旋入球堵5推送支撑球6,使其一半置于丝杠凸轮筒4的螺旋抬升轨道16内,此时球堵5锁止但未完全旋入,装配完成全部支撑球6后,向下推动支撑球壳体7,直到不能动为止,此时支撑球6安装到位,在丝杠凸轮筒4与支撑球壳体7之间提供支撑作用,同时充当力传递的中介,最后旋入全部球堵5。
[0016] 本发明的机械振动冲击传动轴在使用时:马达转动动力输入所述主传动轴10,所述主传动轴10通过下端的六方体驱动所述丝杠凸轮筒4转动,由于所述支撑球壳体7与动力钻具外壳体固定连接,丝杠凸轮筒4与支撑球壳体7相对转动,布置在丝杠凸轮筒4与支撑球壳体7之间的支撑球6提供支撑作用,同时充当力传递的中介;所述丝杠凸轮筒4转动过程中,由于在井身轴方向所述丝杠凸轮筒4不动,其筒体上布置的螺旋抬升轨道16驱使支撑球6支撑钻柱抬升,所述支撑球6从螺旋抬升轨道16起始点到轨道终止点抬升上部冲击钻柱一个冲击行程13,在所述水平过渡轨道17内上部冲击钻柱在钻压及重力作用下自由下落,与上部冲击钻柱固结为一体的所述上冲击盘3冲击所述下冲击盘2,从而使钻头对地层进行一次冲击破岩,反复循环,组成整个工具的旋转冲击破岩钻井。
[0017] 在所述上冲击盘冲击所述下冲击盘冲击过程中,由于所述下冲击盘2及所述钻杆接头I钻井液流道偏置,所述上冲击盘3钻井液流道置中,在冲击瞬间,钻井液流道过流面积瞬间变为极小,钻井液由连续流变为高压脉冲射流,对井底岩肩层和岩肩进行反复和突发冲刷,改善钻头水力喷射效果。
[0018] 随着所述主传动轴10的转动,与机械振动冲击传动轴连接的钻头产生周期性地振动冲击,同时钻井液由连续流变为高压脉冲射流,旋转冲击破岩与高压脉冲射流相结合,从而提高动力钻具钻坚硬、研磨性地层的机械钻速。其中,钻柱振动频率、冲击力大小可通过确定结构尺寸来得到。

Claims (4)

1.一种机械振动冲击传动轴,包括中空的钻头接头(I)和主传动轴(10),其特征是:在主传动轴(10)外部设有冲击发生装置,在主传动轴(10)与钻头接头(I)之间设有冲击执行机构。
2.根据权利要求1所述的振动冲击传动轴,其特征是:所述冲击发生装置是在主传动轴(10)的下半段套装丝杠凸轮筒(4),丝杠凸轮筒(4)内与主传动轴(10)方角插接配合,丝杠凸轮筒(4)外与支撑球壳体(7)套接配合,在丝杠凸轮筒(4)外面开设多道弧形轨道槽,每道轨道槽包括一段抬升螺旋轨道(16)和一段水平过渡轨道(17),每道轨道槽分别与支撑球(6 )构成限位配合,支撑球壳体(7 )与每级轨道槽对应处设有与支撑球(6 )配合的球窝和装配通道,装配通道与球堵(5)配合锁定支撑球(6),丝杠凸轮筒(4)下端设有与钻头接头(I)连接的凸头;主传动轴(10)的上半段套装有增强轴承串(9)和推力轴承外壳(8),其中推力轴承外壳(8)上、下端分别通过上轴承(15)、下轴承(14)与主传动轴(10)旋转配合,推力轴承外壳(8)下端与支撑球壳体(7)连接;所述冲击执行机构是在丝杠凸轮筒(4)与钻头接头(I)连接的凸头内设置间隙配合的上冲击盘(3)和下冲击盘(2),其中上冲击盘(3)与主传动轴(10)的下端连接,下冲击盘(2)与钻头接头(I)上台阶相接,上冲击盘(3)和下冲击盘(2)为中空结构。
3.根据权利要求2所述的振动冲击传动轴,其特征是:所述下冲击盘(2)及钻杆接头Cl)中空为偏心中空结构。
4.根据权利要求2或3所述的振动冲击传动轴,其特征是:主传动轴(10)上端与水帽(12)连接。
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