CN106639866B - 一种旋冲钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型旋冲钻具，包括防掉转换总成、马达总成、万向轴总成和传动冲击总成；防掉转换接头内部设有防掉盘，防掉连杆通过备紧螺母固定；万向轴总成的上球铰接头和下球铰接头分别以活铰方式连接在球铰连杆的两端，通过传动球传递扭矩，上球铰接头与马达总成的转子相连，下球铰接头和传动冲击总成的传动轴相连；传动轴一端与下球铰接头连接，另一端固定连接花键心轴；花键心轴的底部伸入花键壳体中。本发明在开放式润滑传动轴总成中内置冲击发生器，结构简单，实现了常规螺杆钻具和涡轮钻具的旋转钻进及弯壳体定向钻进功能，同时还能够实现冲击钻的功能，能够有效提高钻井速度。

Description

一种旋冲钻具

技术领域

本发明属于钻井技术领域，特别涉及一种旋冲钻具。

背景技术

目前，在国内外的钻井施工作业中，相关旋转和冲击联合破岩技术已经得到验证，目前仅有国外少部分大公司的类似工具得到批量成功运用，但国外公司保密工作做的很到位，我们无法看到钻具的内部结构，仅仅能从外观和功能描述上猜测他的结构原理为油密封螺杆钻具传动轴内内置冲击发生器。各家结构可能略有不同，而国内也有一些公司和研究机构在做相关研究，要么停留在理论研究、要么有些相关材料和工艺技术不成熟，使用寿命满足不了现场使用要求，所以一直还未有批量推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在开放式润滑传动轴总成中内置冲击发生器，结构简单，实现了常规螺杆钻具和涡轮钻具的旋转钻进及弯壳体定向功能，同时还能够实现冲击钻的功能，能够有效提高钻井速度的悬冲钻具。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种旋冲钻具，包括防掉转换总成、马达总成、万向轴总成和传动冲击总成；

所述防掉转换总成包括防掉转换接头、防掉盘和防掉连杆，防掉转换接头内部设有防掉盘，防掉连杆的上端套入防掉盘，并通过备紧螺母固定，防掉连杆的另一端连接马达总成的转子上端；

所述万向轴总成包括万向轴外筒以及万向轴外筒内部安装的上球铰接头、传动球、半环、锁紧套、橡胶密封套、球铰连杆和下球铰接头；两组传动球分别固定安装在球铰连杆的两端，上球铰接头分别与马达总成和球铰连杆相连，下球铰接头分别连接球铰连杆和传动冲击总成；

所述传动冲击总成包括传动轴、花键心轴和花键壳体；

传动轴一端与球铰连杆连接，传动轴的另一端固定连接花键心轴，花键心轴的底部安装在花键壳体中；

传动轴的外面设有传动壳体，传动壳体与传动轴之间设有钻具串轴承，钻具串轴承的顶部设有上TC轴承静圈，上TC轴承静圈与传动轴之间设有上TC轴承动圈；

花键心轴的外面设有滑套，滑套外部为母花键，母花键在发生器壳体内部的公花键中滑动，连接体上下分别与传动壳体和花键壳体固定连接；滑套与花键心轴之间从上到下依次设有弹性组件、冲击上凸轮座和冲击下凸轮座，冲击上凸轮座和冲击下凸轮座之间设有多个圆球形滚动体；冲击下凸轮座底部设有密封体，密封体底部固定连接花键壳体；

花键壳体的顶部的外侧设有发生器壳体，发生器壳体的上端与连接体相连，发生器壳体的下端外部设有防掉套筒；花键壳体底部设有油堵，花键心轴底部与花键壳体相连处设有密封件；花键心轴的下方设有防掉锁钉。

进一步地，马达总成包括螺杆马达或涡轮马达。螺杆马达包括外螺旋形的转子和钢筒内挂有内螺旋橡胶的定子，定子与防掉转换接头固定连接，转子安装在定子内，并能够在定子内部旋转。涡轮马达由多组全金属的涡轮定子和涡轮转子组成，涡轮定子与防掉转换接头固定连接，涡轮转子在涡轮定子中旋转。

进一步地，所述传动球采用长圆球、圆柱球头或圆柱倒圆角形状。所述球铰连杆两端还分别设有承压球；上球铰接头和下球铰接头内分别设有球座，承压球位于球座内。

进一步地，所述防掉盘内孔设计成内四方、内六方或者内八方孔，防掉盘的端面上设有4～12个过流孔。防掉连杆和备紧螺母均为中空结构，备紧螺母内安装有能够更换的喷嘴。

进一步地，所述冲击上凸轮座上安装的凸轮数量为2～8个，冲击下凸轮座每旋转一圈，冲击上凸轮座上下运动2～8次。

进一步地，所述弹性组件包括碟簧或波簧。

本发明的有益效果是：

1、本发明是一种采用开放式润滑的多滚动凸轮式结构的旋冲钻具，在开放式润滑传动轴总成中内置冲击发生器，结构简单，具有很好的润滑冷却效果；采用这种结构减少了密封组件，使得钻具不受井下温度的影响，提高钻具的可靠性，实现了常规螺杆钻具和涡轮钻具的旋转钻进及弯壳体定向功能，同时还能够实现冲击钻的功能，两种功能合二为一，能够有效提高钻井速度；

2、本发明的在钻具顶部设有防掉转换总成，在传动冲击总成底部设有防掉套筒和防掉锁钉等防掉装置，这种双防掉设置，结构紧凑、能够杜绝落井事故发生；

3、花键连接结构，既能够起到传递扭矩的作用，又兼有下TC滑动轴承的功能，花键心轴下端连接防掉锁钉既起到防掉的功能，同时又具备行程开关的功能，即压并时冲击发生器启动，脱开时冲击发生器关闭，达到保护发生器的目的。

附图说明

图1为本发明的旋冲钻具结构示意图；

图2为本发明的防掉转换总成结构示意图；

图3为本发明的马达总成的一种结构示意图；

图4为本发明的马达总成的横截面示意图；

图5为本发明的万向轴总成结构示意图；

图6为本发明的万向轴总成的防掉连杆结构示意图；

图7为本发明的万向轴总成的传动球结构示意图；

图8为本发明的传动冲击总成结构示意图；

图9为本发明的花键壳体及花键的横截面示意图；

图10为本发明的滑套横截面示意图；

图11为本发明的冲击下凸轮座横截面示意图；

图12为本发明的上滑动TC轴承横截面示意图；

附图标记说明：

1-防掉转换总成，1-1-防掉转换接头，1-2-备紧螺母，1-3-防掉盘，1-4-防掉连杆；

2-马达总成，2-1-定子，2-2-转子；

3-万向轴总成，3-1-万向轴外筒，3-2-上球铰接头，3-3-传动球，3-4-半环，3-5-锁紧套，3-6-橡胶密封套，3-7-球铰连杆，3-8-下球铰接头，3-9-上球座，3-10-承压球；

4-传动冲击总成，4-1-上TC轴承动圈，4-2-上TC轴承静圈，4-3-传动壳体，4-4-钻具串轴承，4-5-传动轴，4-6-连接体，4-7-弹性组件，4-8-滑套，4-9-冲击上凸轮座，4-10-圆球形滚动体，4-11-冲击下凸轮座，4-12-密封体，4-13-发生器壳体，4-14-防掉套筒，4-15-花键心轴，4-16-油堵，4-17-密封件，4-18-花键壳体，4-19-防掉锁钉。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种旋冲钻具，包括防掉转换总成1、马达总成2、万向轴总成3和传动冲击总成4；

如图2所示，所述防掉转换总成1包括防掉转换接头1-1、防掉盘1-3和防掉连杆1-4，防掉转换接头1-1内部设有防掉盘1-3，防掉连杆1-4的上端套入防掉盘1-3，并通过备紧螺母1-2固定，防掉连杆1-4的另一端连接马达总成2的转子2-2上端；

防掉转换接头1-1上端连接钻柱，防掉连杆1-4下端连接转子2-2，能够实现钻具外筒断裂后转子2-2上端连接的防掉盘1-3悬挂在防掉转换接头1-1内台阶上。防掉盘1-3内孔设计成内四方、内六方或者内八方孔，套在有外四方的防掉连杆1-4上，并被备紧螺母1-2锁紧在防掉连杆1-4上，当防掉转换总成1启动时不论防掉盘1-3受到正向或反向旋转扭矩时，其扭矩都不会传递给备紧螺母1-2，所以备紧螺母1-2不会退扣，防掉启动就会更加可靠，并关闭钻具内泥浆通道，井口压力升高预警，即钻具内防掉。防掉盘1-3的端面上设有4～12个过流孔，使钻井液泥浆顺利通过防掉转换接头1-1，尽量减少压耗，而且在钻具外筒断裂后启动防掉转换总成1时不至于所有流道全部堵死，造成钻具内外泥浆无法循环，从而可能造成井底沉沙，使钻具易产生砂卡，造成二次井下事故。防掉连杆1-4和备紧螺母1-2均可做成中空结构，备紧螺母1-2内可以安装能够更换的喷嘴，可以调节流过马达总成2的泥浆流量从而实现调节转速的目的，以满足不同钻井工艺参数需求，特别适合大排量钻井工况下分流泥浆，保护马达总成2，以提高马达总成2的寿命。

如图5所示，所述万向轴总成3包括万向轴外筒3-1以及万向轴外筒3-1内部安装的上球铰接头3-2、传动球3-3、半环3-4、锁紧套3-5、橡胶密封套3-6、球铰连杆3-7和下球铰接头3-8；两组传动球3-3分别固定安装在球铰连杆3-7的两端，上球铰接头3-2分别与马达总成2和球铰连杆3-7相连，下球铰接头3-8分别连接球铰连杆3-7和传动冲击总成4；球铰连杆3-7分别与上球铰接头3-2、下球铰接头3-8、传动球3-3、锁紧套3-5和半环3-4共同组成上下两组具有万向功能和传递扭矩功能的对称球铰链连接，并被上下两个橡胶密封套3-6分别密封在上下油腔中工作；

万向轴总成3所具有的万向功能能够实现转子2-2的行星运动转化成钻头旋转的定轴转动，特别是在万向轴外筒3-1具有一定弯度时起着重要的转化作用，并将马达总成2产生的扭矩传递给传动轴4-5。其中传动球3-3有上下两组，起传递扭矩的作用，且巧妙的将常规的圆球形设计成长圆球、圆柱球头或圆柱倒圆角形状，如图7所示，加大了传递扭矩的能力，从而提高了传动的可靠性和寿命。所述球铰连杆3-7两端还分别设有承压球3-10，如图6所示；上球铰接头3-2和下球铰接头3-8内分别设有球座3-9，承压球3-10位于球座3-9内；所述球铰连杆3-7将常规球铰连杆与承压球3-10合二为一；上球铰接头3-2和下球铰接头3-8分别与球座3-9合二为一，简化了结构，提高了传动的可靠性和寿命；这四者是万向轴总成3的核心传动受力件，其性能和寿命决定了该总成的性能和寿命。该结构起着提高其传递扭矩能力和使用寿命，承压球起着万向和承受轴向力的作用，橡胶密封套将所有万向、传力机构实现油密封，大大增加了润滑性能、大大减少摩擦阻力、从而延长了万向节的使用寿命为原结构的1倍到1.5倍，大大提高了经济效益。

如图8所示，所述传动冲击总成4包括传动轴4-5、花键心轴4-15和花键壳体4-18；传动轴4-5一端与球铰连杆3-7连接，传动轴4-5的另一端固定连接花键心轴4-15，花键心轴4-15的底部安装在花键壳体4-18中，如图9所示；

传动轴4-5的外面设有传动壳体4-3，传动壳体4-3与传动轴4-5之间设有钻具串轴承4-4，钻具串轴承4-4的顶部设有上TC轴承静圈4-2，上TC轴承静圈4-2与传动轴4-5之间设有上TC轴承动圈4-1；

花键心轴4-15的外面设有滑套4-8，如图10所示，滑套4-8外部为母花键，母花键可在发生器壳体4-13内部的公花键中滑动，连接体4-6上下分别与传动壳体4-3和花键壳体4-18固定连接；滑套4-8与花键心轴4-15之间从上到下依次设有弹性组件4-7、冲击上凸轮座4-9和冲击下凸轮座4-11，冲击上凸轮座4-9和冲击下凸轮座4-11之间设有多个圆球形滚动体4-10；冲击下凸轮座4-11底部设有密封体4-12，密封体4-12底部固定连接花键壳体4-18；

花键壳体4-18的顶部的外侧设有发生器壳体4-13，发生器壳体4-13的上端与连接体4-6相连，发生器壳体4-13的下端外部设有防掉套筒4-14；花键壳体底部设有油堵4-16，花键心轴4-15底部与花键壳体4-18相连处设有密封件4-17；花键心轴4-15的下方设有防掉锁钉4-19。

万向轴总成3输入的扭矩和转速通过传动轴4-5传递给花键心轴4-15，花键心轴4-15又通过花键壳体4-18驱动传递给钻头，驱动钻头旋转钻进；同时花键心轴4-15又将少部分的扭矩通过密封体4-12传递冲击下凸轮座4-11，驱动冲击下凸轮座4-11顺时针旋转，而冲击下凸轮座4-11座上凸轮数量为2～8个，如图11所示，冲击下凸轮座4-11每旋转一圈，冲击上凸轮座4-9就上下运动2～8次，同时冲击上凸轮座4-9上端的弹性组件4-7在冲击上凸轮座4-9上行时储能，下行时释放能量，从而完成高频率的上下冲击动作。冲击上凸轮座4-9和冲击下凸轮座4-11之间布满了圆球形滚动体4-10，以达到减少摩擦阻力和延长凸轮寿命的作用，这正是该冲击发生器成功推广使用的关键，而冲击下凸轮座4-11的转速和其上安装的凸轮的数量直接决定了冲击发生器的冲击频率，以满足不同钻井工艺和地层特点的需求，而弹性组件4-7的极限压缩力值决定了冲击力值的大小，冲击力通过冲击下凸轮座4-11传递给连接在一起的密封体4-12和花键壳体4-18直接传递给钻头，实现钻头冲击破岩，从而实现钻头旋转和冲击钻进相结合的复合钻进模式。钻压通过传动壳体4-3内台阶传递给钻具串轴承4-4，再传递给传动轴4-5、花键心轴4-15和花键壳体4-18，而花键壳体4-18直接连接在钻头上，同时通过下滑动TC轴承(花键连接结构，既能够起到传递扭矩的作用，又兼有下TC滑动轴承的功能)和上滑动TC轴承(如图12所示)以吸收转子2-2行星运动和钻具旋转所产生的径向力，以延长钻具串轴承4-4的使用寿命，保证钻头平稳旋转钻进。花键心轴4-15下端连接防掉锁钉4-19既起到防掉的功能，同时又具备行程开关的功能，即压并时冲击发生器启动，脱开时冲击发生器关闭，达到保护发生器的目的。

马达总成2包括螺杆马达或涡轮马达。螺杆马达包括外螺旋形的转子2-2和钢筒内挂有内螺旋橡胶的定子2-1，如图3和图4所示，定子2-1与防掉转换接头1-1固定连接，转子2-2安装在定子2-1内，并能够在定子2-1内部旋转。他是一个能量转化装置，通过泥浆压力驱动外螺旋形的转子2-2在内螺旋形的定子2-1内旋转，并将定转子啮合所形成的封闭螺旋密封腔不断向下移动，能够实现钻具内高压泥浆钻井液液压能转化成驱动钻头旋转所需的机械能；其中转子2-2还可做成中空的，以根据现场情况分流多余的泥浆钻井液，由于其结构和材料特性适用于中低转速钻井，且泥浆流道不易堵塞，皮实耐用，制造成本较低，因此也是市场上推广运用最多的结构形式。

另一种是涡轮马达，涡轮马达由多组全金属的涡轮定子和涡轮转子组成，涡轮定子与防掉转换接头1-1固定连接，涡轮转子在涡轮定子中旋转。高速泥浆通过涡轮定转子叶片间形成的流道，驱动转子在定子中高速旋转，从而实现液压能向机械能的转化。由于其结构和材料特性不受井下温度和耐油性的影响，因此相对螺杆马达有适用范围广、寿命长、转速高的优点，特别适用于高温井、油基泥浆和高转速钻井工况，但同时存在定转子组数较多、产品较长、制造成本较高，且其泥浆通道狭窄容易堵塞的缺点，因此相对螺杆马达的广泛使用也有一定局限性，但是根据实际钻井工况两种结构形式的马达可以互补选择使用。

进一步地，所述弹性组件4-7包括碟簧或波簧。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种旋冲钻具，其特征在于，包括防掉转换总成(1)、马达总成(2)、万向轴总成(3)和传动冲击总成(4)；

所述防掉转换总成(1)包括防掉转换接头(1-1)、防掉盘(1-3)和防掉连杆(1-4)，防掉转换接头(1-1)内部设有防掉盘(1-3)，防掉连杆(1-4)的上端套入防掉盘(1-3)，并通过备紧螺母(1-2)固定，防掉连杆(1-4)的另一端连接马达总成(2)的转子(2-2)上端；

所述万向轴总成(3)包括万向轴外筒(3-1)以及万向轴外筒(3-1)内部安装的上球铰接头(3-2)、传动球(3-3)、半环(3-4)、锁紧套(3-5)、橡胶密封套(3-6)、球铰连杆(3-7)和下球铰接头(3-8)；两组传动球(3-3)分别固定安装在球铰连杆(3-7)的两端，上球铰接头(3-2)分别与马达总成(2)和球铰连杆(3-7)相连，下球铰接头(3-8)分别连接球铰连杆(3-7)和传动冲击总成(4)；

所述传动冲击总成(4)包括传动轴(4-5)、花键心轴(4-15)和花键壳体(4-18)；

传动轴(4-5)一端与球铰连杆(3-7)连接，传动轴(4-5)的另一端固定连接花键心轴(4-15)，花键心轴(4-15)的底部安装在花键壳体(4-18)中；

传动轴(4-5)的外面设有传动壳体(4-3)，传动壳体(4-3)与传动轴(4-5)之间设有钻具串轴承(4-4)，钻具串轴承(4-4)的顶部设有上TC轴承静圈(4-2)，上TC轴承静圈(4-2)与传动轴(4-5)之间设有上TC轴承动圈(4-1)；

花键心轴(4-15)的外面设有滑套(4-8)，滑套(4-8)外部为母花键，母花键在发生器壳体(4-13)内部的公花键中滑动，连接体(4-6)上下分别与传动壳体(4-3)和花键壳体(4-18)固定连接；滑套(4-8)与花键心轴(4-15)之间从上到下依次设有弹性组件(4-7)、冲击上凸轮座(4-9)和冲击下凸轮座(4-11)，冲击上凸轮座(4-9)和冲击下凸轮座(4-11)之间设有多个圆球形滚动体(4-10)；冲击下凸轮座(4-11)底部设有密封体(4-12)，密封体(4-12)底部固定连接花键壳体(4-18)；

花键壳体(4-18)的顶部的外侧设有发生器壳体(4-13)，发生器壳体(4-13)的上端与连接体(4-6)相连，发生器壳体(4-13)的下端外部设有防掉套筒(4-14)；花键壳体底部设有油堵(4-16)，花键心轴(4-15)底部与花键壳体(4-18)相连处设有密封件(4-17)；花键心轴(4-15)的下方设有防掉锁钉(4-19)。

2.根据权利要求1所述的一种旋冲钻具，其特征在于，所述马达总成(2)包括螺杆马达或涡轮马达。

3.根据权利要求2所述的一种旋冲钻具，其特征在于，所述螺杆马达包括外螺旋形的转子(2-2)和钢筒内挂有内螺旋橡胶的定子(2-1)，定子(2-1)与防掉转换接头(1-1)固定连接，转子(2-2)安装在定子(2-1)内，并能够在定子(2-1)内部旋转。

4.根据权利要求2所述的一种旋冲钻具，其特征在于，所述涡轮马达由多组全金属的涡轮定子和涡轮转子组成，涡轮定子与防掉转换接头(1-1)固定连接，涡轮转子在涡轮定子中旋转。

5.根据权利要求1所述的一种旋冲钻具，其特征在于，所述传动球(3-3)采用长圆球、圆柱球头或圆柱倒圆角形状。

6.根据权利要求1所述的一种旋冲钻具，其特征在于，所述球铰连杆(3-7)两端还分别设有承压球(3-10)；上球铰接头(3-2)和下球铰接头(3-8)内分别设有球座(3-9)，承压球(3-10)位于球座(3-9)内。

7.根据权利要求1所述的一种旋冲钻具，其特征在于，所述防掉盘(1-3)内孔设计成内四方、内六方或者内八方孔，防掉盘(1-3)的端面上设有4～12个过流孔。

8.根据权利要求1所述的一种旋冲钻具，其特征在于，所述防掉连杆(1-4)和备紧螺母(1-2)均为中空结构，备紧螺母(1-2)内安装有能够更换的喷嘴。

9.根据权利要求1所述的一种旋冲钻具，其特征在于，所述冲击上凸轮座(4-9)上安装的凸轮数量为2～8个，冲击下凸轮座(4-11)每旋转一圈，冲击上凸轮座(4-9)上下运动2～8次。

10.根据权利要求1所述的一种旋冲钻具，其特征在于，所述弹性组件(4-7)包括碟簧或波簧。