CN106968598A - 一种非常规超致密岩层大扭矩钻进工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石油天然气行业及地质钻井作业非常规超致密岩层用的大扭矩钻进工具。它解决非常规超致密岩层钻井扭矩不足以及克服反扭矩作用的问题。其技术方案是：减速外筒上端和防掉端盖丝扣连接，减速外筒下端和输出外筒上端丝扣连接；三个一级行星轮安装在输出芯轴上端三个圆柱上，三个销轴安装在输出芯轴外圆中部台阶面上的三个沉孔内，三个二级行星轮安装在三个销轴上；上径向轴承、轴套和下径向轴承依次套入芯轴钻头外圆台阶轴上；芯轴钻头上端和输出芯轴下端丝扣连接。本发明提供巨大的扭矩，满足极硬质地层切削扭矩要求；芯轴钻头和外筒钻头切削方向相反，切削扭矩相互抵消，有效避免钻柱扭转变形，保证钻井安全。

Description

一种非常规超致密岩层大扭矩钻进工具
技术领域
本发明涉及一种石油天然气行业及地质钻井作业非常规超致密岩层用的大扭矩钻进工具，尤其涉及非常规超致密岩层极硬地质结构地层中大扭矩钻井需求。
背景技术
在石油天然气行业，钻井作业是极其重要的环节，其渗透于油气资源勘探、开发等重要环节，钻井作业投资巨大，风险高，技术难度高。目前我国的钻井规模已经稳居世界第二，钻井技术不断提高，钻井地质结构也愈加复杂，尤其随着地层深度的增加，地层围压增大，地层更加坚硬，钻井需要的更加巨大的动力扭矩。现在的钻井作业中，水平井数量已经超越直井，水平井大部分用于开发页岩气、致密油、致密气等非常规资源。水平井的动力驱动均采用井下动力钻具，主要以螺杆钻具和涡轮钻具为主，井下动力钻井在钻进时钻柱不转动，磨损小，效率高。然而井下动力钻井在遭遇极硬地层时，经常发生动力不足，扭矩不够的问题，使得钻进非常困难。另一方面，极大的钻井反扭矩导致钻柱发生扭转变形，特别在水平井造斜过程中，钻井工具面随着钻柱扭转变形而严重偏离正常轨迹，使得钻井打靶受阻，偏离设计靶点。在极端情况下，巨大的反扭矩作用会导致钻柱薄弱处扭断，造成严重的井下事故，造成巨大的安全事故和经济损失。
基于上述技术背景，本发明特提供一种非常规超致密岩层大扭矩钻进工具，为极硬地层提供巨大的钻井扭矩以及消除反扭矩对钻柱的伤害。
发明内容
本发明的目的是：为了解决非常规超致密岩层钻井扭矩不足以及克服反扭矩作用的问题，特提供一种非常规超致密岩层大扭矩钻进工具。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种非常规超致密岩层大扭矩钻进工具，是由动力接头、防掉端盖、上推力轴承、减速外筒、一级行星轮、输出芯轴、下推力轴承、销轴、二级行星轮、输出外筒、上径向轴承、轴套、芯轴钻头、下径向轴承和外筒钻头构成；其结构特征是：动力接头上端和井下动力钻具丝扣连接；动力接头内腔设置为通孔，动力接头外圆上部设置一圈台阶面，动力接头外圆中部设置为齿轮轴；上推力轴承安装在动力接头外圆上部的台阶面上；减速外筒内腔上部设置一圈凸起台阶，减速外筒内腔中部设置为齿圈；减速外筒套入动力接头，减速外筒内腔上部凸起台阶安装在上推力轴承的下端面；减速外筒上端和防掉端盖丝扣连接，减速外筒下端和输出外筒上端丝扣连接；输出外筒内腔中部设置为齿圈；输出芯轴上端周向均匀设置三个圆柱，三个圆柱分布在同一分度圆上，输出芯轴内腔上端设置为台阶孔，输出芯轴外圆中部设置一圈台阶面，输出芯轴外圆中部台阶面上周向均匀设置三个沉孔，输出芯轴外圆中部台阶面下方设置为齿轮轴，输出芯轴外圆下端设置为公螺纹；下推力轴承安装在输出芯轴内腔上端的台阶孔内，三个一级行星轮分别安装在输出芯轴上端三个圆柱上，三个销轴安装在输出芯轴外圆中部台阶面上的三个沉孔内，三个二级行星轮分别安装在三个销轴上；一级行星轮、输出芯轴、下推力轴承、销轴和二级行星轮整体套入动力接头下部，三个一级行星轮分别和动力接头外圆中部齿轮轴外啮合，三个一级行星轮分别和减速外筒内腔中部齿圈内啮合，三个二级行星轮分别和输出芯轴外圆中部台阶面下方齿轮轴外啮合，三个二级行星轮分别和输出外筒内腔中部齿圈内啮合；芯轴钻头外圆设置为台阶轴，芯轴钻头下部周向均匀设置三个射流孔连通芯轴钻头内腔和下端面，芯轴钻头下端面安装有硬质合金切削齿；外筒钻头内腔设置为台阶孔，外筒钻头外圆和下端面安装有硬质合金切削齿；上径向轴承、轴套和下径向轴承依次套入芯轴钻头外圆台阶轴上；芯轴钻头上端和输出芯轴下端丝扣连接；外筒钻头上端和输出外筒丝扣连接。
本发明的有益效果是：(1)本发明利用减速器原理，为芯轴钻头和外筒钻头提供巨大的扭矩，满足非常规超致密岩层切削扭矩要求；(2)本发明的芯轴钻头和外筒钻头切削方向相反，切削扭矩相互抵消，避免上部钻柱承受巨大的反扭矩作用，有效避免钻柱扭转变形，保证钻井安全；(3)本发明纯机械结构，满足井下恶劣工况，安全可靠。
附图说明
图1是本发明一种非常规超致密岩层大扭矩钻进工具的结构示意图；
图2是图1中A-A截面剖视图；
图3是图1中B-B截面剖视图；
图4是输出芯轴的三维结构示意图；
图中：1.动力接头、2.防掉端盖、3.上推力轴承、4.减速外筒、5.一级行星轮、6.输出芯轴、7.下推力轴承、8.销轴、9.二级行星轮、10.输出外筒、11.上径向轴承、12.轴套、13.芯轴钻头、14.下径向轴承、15.外筒钻头。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种非常规超致密岩层大扭矩钻进工具，是由动力接头1、防掉端盖2、上推力轴承3、减速外筒4、一级行星轮5、输出芯轴6、下推力轴承7、销轴8、二级行星轮9、输出外筒10、上径向轴承11、轴套12、芯轴钻头13、下径向轴承14和外筒钻头15构成；其结构特征是：动力接头1上端和井下动力钻具丝扣连接；动力接头1内腔设置为通孔，动力接头1外圆上部设置一圈台阶面，动力接头1外圆中部设置为齿轮轴；上推力轴承3安装在动力接头1外圆上部的台阶面上；减速外筒4内腔上部设置一圈凸起台阶，减速外筒4内腔中部设置为齿圈；减速外筒4套入动力接头1，减速外筒4内腔上部凸起台阶安装在上推力轴承3的下端面；减速外筒4上端和防掉端盖2丝扣连接，减速外筒4下端和输出外筒10上端丝扣连接；输出外筒10内腔中部设置为齿圈；下推力轴承7安装在输出芯轴6内腔上端的台阶孔内，三个一级行星轮5分别安装在输出芯轴6上端三个圆柱上，三个销轴8安装在输出芯轴6外圆中部台阶面上的三个沉孔内，三个二级行星轮9分别安装在三个销轴8上；一级行星轮5、输出芯轴6、下推力轴承7、销轴8和二级行星轮9整体套入动力接头1下部；如图2所示，三个一级行星轮5分别和动力接头1外圆中部齿轮轴外啮合，三个一级行星轮5分别和减速外筒4内腔中部齿圈内啮合；如图3所示，三个二级行星轮9分别和输出芯轴6外圆中部台阶面下方齿轮轴外啮合，三个二级行星轮9分别和输出外筒10内腔中部齿圈内啮合；芯轴钻头13外圆设置为台阶轴，芯轴钻头13下部周向均匀设置三个射流孔连通芯轴钻头13内腔和下端面，芯轴钻头13下端面安装有硬质合金切削齿；外筒钻头15内腔设置为台阶孔，外筒钻头15的外圆和下端面安装有硬质合金切削齿；上径向轴承11、轴套12和下径向轴承14依次套入芯轴钻头13外圆台阶轴上；芯轴钻头13上端和输出芯轴6下端丝扣连接；外筒钻头15上端和输出外筒10丝扣连接。
如图1和图4所示，输出芯轴6上端周向均匀设置三个圆柱，三个圆柱分布在同一分度圆上，输出芯轴6内腔上端设置为台阶孔，输出芯轴6外圆中部设置一圈台阶面，输出芯轴6外圆中部台阶面上周向均匀设置三个沉孔，三个沉孔分布在同一分度圆上，输出芯轴6外圆中部台阶面下方设置为齿轮轴，输出芯轴6外圆下端设置为公螺纹。
本发明一种非常规超致密岩层大扭矩钻进工具下入井底，在井下动力钻具的驱动下，动力接头1正向旋转，在一级行星轮5和减速外筒4的作用下，动力接头1、一级行星轮5、减速外筒4和输出芯轴6形成差动轮系，减速外筒4和输出芯轴6的相对转向相反，并且获得大扭矩；在二级行星轮9和输出外筒10的作用下，减速外筒4和输出芯轴6的运动方式确定，以相反的绝对速度逆向旋转，并分别传递相反的转速和扭矩给外筒钻头15和芯轴钻头13，实现大扭矩反向钻井，其产生的扭矩作用相互抵消，对上部钻柱伤害小，有效避免钻井事故的产生。

Claims (2)

1.本发明一种非常规超致密岩层大扭矩钻进工具，是由动力接头(1)、防掉端盖(2)、上推力轴承(3)、减速外筒(4)、一级行星轮(5)、输出芯轴(6)、下推力轴承(7)、销轴(8)、二级行星轮(9)、输出外筒(10)、上径向轴承(11)、轴套(12)、芯轴钻头(13)、下径向轴承(14)和外筒钻头(15)构成；其特征在于：动力接头(1)上端和井下动力钻具丝扣连接；动力接头(1)内腔设置为通孔，动力接头(1)外圆上部设置一圈台阶面，动力接头(1)外圆中部设置为齿轮轴；上推力轴承(3)安装在动力接头(1)外圆上部的台阶面上；减速外筒(4)内腔上部设置一圈凸起台阶，减速外筒(4)内腔中部设置为齿圈；减速外筒(4)套入动力接头(1)，减速外筒(4)内腔上部凸起台阶安装在上推力轴承(3)的下端面；减速外筒(4)上端和防掉端盖(2)丝扣连接，减速外筒(4)下端和输出外筒(10)上端丝扣连接；输出外筒(10)内腔中部设置为齿圈；下推力轴承(7)安装在输出芯轴(6)内腔上端的台阶孔内，三个一级行星轮(5)分别安装在输出芯轴(6)上端三个圆柱上，三个销轴(8)分别安装在输出芯轴(6)外圆中部台阶面上的三个沉孔内，三个二级行星轮(9)分别安装在三个销轴(8)上；一级行星轮(5)、输出芯轴(6)、下推力轴承(7)、销轴(8)和二级行星轮(9)整体套入动力接头(1)下部，三个一级行星轮(5)分别和动力接头(1)外圆中部齿轮轴外啮合，三个一级行星轮(5)分别和减速外筒(4)内腔中部齿圈内啮合，三个二级行星轮(9)分别和输出芯轴(6)外圆中部台阶面下方齿轮轴外啮合，三个二级行星轮(9)分别和输出外筒(10)内腔中部齿圈内啮合；芯轴钻头(13)外圆设置为台阶轴，芯轴钻头(13)下部周向均匀设置三个射流孔连通芯轴钻头(13)内腔和下端面，芯轴钻头(13)下端面安装有硬质合金切削齿；外筒钻头(15)内腔设置为台阶孔，外筒钻头(15)的外圆和下端面安装有硬质合金切削齿；上径向轴承(11)、轴套(12)和下径向轴承(14)依次套入芯轴钻头(13)外圆台阶轴上；芯轴钻头(13)上端和输出芯轴(6)下端丝扣连接；外筒钻头(15)上端和输出外筒(10)丝扣连接。
2.根据权利要求1所述的非常规超致密岩层大扭矩钻进工具，其特征在于：所述输出芯轴(6)上端周向均匀设置三个圆柱，三个圆柱分布在同一分度圆上，输出芯轴(6)内腔上端设置为台阶孔，输出芯轴(6)外圆中部设置一圈台阶面，输出芯轴(6)外圆中部台阶面上周向均匀设置三个沉孔，三个沉孔分布在同一分度圆上，输出芯轴(6)外圆中部台阶面下方设置为齿轮轴，输出芯轴(6)外圆下端设置为公螺纹。
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