CN107165935A - 一种动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，包括安装在旋转外套内的球形壳、钢球Ⅰ、导向架、钢球Ⅱ和球形套，球形壳、导向架和球形套安装在中间设有液体流道的导向轴上；球形壳和导向架之间，导向架和球形套之间通过钢球滑动配合使导向架与球形壳和球形套发生相对滑动，实现导向轴摆动导向的功能，能实现井眼轨迹的精确控制，同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。

Description

一种动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承
技术领域
本发明专利涉及一种应用于石油、天然气等钻探领域的旋转导向钻井工具，特别涉及一种动态指向式旋转导向钻工具的传力关节轴承。
背景技术
旋转导向钻井工具在钻进过程中需要通过不断调整钻头方位角实现井眼轨迹导向，特别是对于动态指向式旋转导向钻井工具，其是通过偏执导向轴的偏摆来改变钻头方向。此时需要一种既能传递扭矩又能任意改变方向，同时又能传递钻压的一种旋转导向钻井工具的传力关节轴承。
在国内天津大学发明了旋转导向钻井用中空万向节和旋转导向钻井用万向节。这两种万向节共同采用万向节叉和十字轴的结构；万向节内部形成上下贯通的过液通道来实现钻井液在万向节中的传输，但是工具装配复杂，钻井液有可能会腐蚀万向节。
发明内容
为克服现有工具存在的问题，本发明目的在于提供一种结构简单、响应速度快、可靠性和稳定性高的动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，改变了传统旋转导向钻井工具轴承的受力情况，具有更长的寿命，且不受钻井液的腐蚀影响。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，包括安装在旋转外套内的球形壳、钢球Ⅰ、导向架、钢球Ⅱ、球形套和导向轴；
球形壳、导向架和球形套安装在中间设有液体流道的导向轴上，导向轴一端连接有钻头；
所述球形壳和导向架之间沿圆周方向安装有多个能够使二者沿径向产生相对滑动的钢球Ⅰ，球形壳和导向架通过钢球Ⅰ滑动配合，导向架和球形套之间沿圆周方向安装有多个能够使二者沿径向产生相对滑动的钢球Ⅱ，导向架和球形套通过钢球Ⅱ滑动配合；球形壳和球形套与旋转外套固定连接，导向架固定安装在导向轴上，球形壳和球形套与导向轴之间预留有导向轴摆动的间隙，导向架与旋转外套之间预留有导向架摆动的间隙；所述球形壳靠近钻头的一侧设有密封结构，密封结构安装在扶正器内，密封结构一侧与旋转外套固定连接，另一侧与扶正器固定连接；
球形壳和导向架之间，导向架和球形套之间通过钢球Ⅰ和钢球Ⅱ滑动配合使导向架与球形壳和球形套发生相对滑动，实现导向轴摆动导向的功能，导向架与球形壳和球形套之间的滑动轨迹是圆弧。
进一步，导向架两侧面为凸向一致的两个球面，导向架的外球面与球形壳配合，导向架的内球面与球形套配合，球形壳和球形套与导向架的配合面均为球面；导向架的内外球面上周向等分的开有多条沟道，球形壳和球形套的球面上开设有与导向架沟道位置对应的球窝，钢球Ⅰ和钢球Ⅱ分别安装在球形壳和球形套的球窝内，沟道与钢球共轭接触；球形壳和球形套通过钢球Ⅰ和钢球Ⅱ将旋转外套产生的扭矩传递给导向架。
进一步，导向架通过花键和螺钉安装在导向轴上；导向轴上的外花键与导向架上的内花键配合，最终将旋转外套产生的的扭矩传递给导向轴，带动钻头破岩。
进一步，导向架上均布有三个螺纹孔，导向轴表面均布有三个螺纹孔，三个螺钉插入螺纹孔将导向架固定在导向轴上，通过螺钉将扭矩传递给导向轴，最终将钻压通过导向轴传递给钻头破岩。
进一步，球形套外周面上均布有8个相同的下半圆形凹槽，与球形套配合的旋转外套的内部有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹槽配合形成一个完整圆形，8个圆柱销分别插入这8个圆形凹槽内，将旋转外套的的扭矩传递给球形套。
进一步，导向架两侧球面上各均布有12条沟道，球形壳和球形套的球面上各开设有与沟道位置对应的12个球窝。
本发明具有积极效果是：
本发明的动态指向式旋转导向钻井工具传力关节轴承包括依次安装在旋转外套内的球形壳、钢球Ⅰ、导向架、钢球Ⅱ和球形套，球形壳、导向架和球形套安装在中间设有液体流道的导向轴上；球形壳和导向架之间，导向架和球形套之间通过钢球滑动配合使导向架与球形壳和球形套发生相对滑动，实现导向轴摆动导向的功能，能实现井眼轨迹的精确控制，同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。
传力关节轴承仅由旋转外套内的球形壳、导向架和球形套等主要部件构成，结构简单；导向轴中间设有液体流道，球形壳左侧设有密封结构，钻井液经液体流道流过，其内部不通过钻井液，保证了工具在干燥封闭的环境内工作，免受钻井液的侵蚀，延长工具使用寿命。
进一步，本发明通过钢球连接传力关节轴承零件，零件上分别设有球窝和沟道，球形壳和球形套通过钢球Ⅰ和钢球Ⅱ将扭矩传递给导向架，可以灵活改变钻头的方向，同时也改变了传力关节轴承的受力情况，具有更长的寿命。
进一步，本发明通过钢球分别连接传力关节轴承零件，零件上分别设有球窝和沟道，球窝和沟道通过钢球配合的面为球面，可以灵活改变钻头的方向，球窝和沟道分布均匀，改变了以往轴承滚珠间隔大，轴承零件疲劳应力分布不均匀的情况。
进一步，本发明布置两排钢球，零件上分别分布有沟道和球窝，各零件之间的配合通过钢球的滑动连接，可以实现导向的快速性。导向架与导向轴的配合既有花键又有螺钉，使工具有较高的可靠性和良好的稳定性。
进一步，本发明工具布置了两排钢球，执行导向功能时，以钢球Ⅱ为支点，利用杠杆原理是远离钻头的导向轴部分微调便能使实钻头现转向的功能，节省电机电能。
附图说明
图1是本发明的原理示意图
图2是本发明A-A处剖面图
图3是本发明B-B处剖面图
图4是本发明C-C处剖面图
图中：1-扶正器、2-密封结构、3-球形壳、4-钢球Ⅰ、5-导向架、6-螺钉、7-钢球Ⅱ、8-球形套、9-圆柱销、10-旋转外套、11-导向轴、12-花键、13-钻头。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做详细说明。
参照图1，本发明的动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，包括在旋转外套10内从左至右依次安装的球形壳3、钢球Ⅰ4、导向架5、钢球Ⅱ7和球形套8。
所述球形壳3和导向架5之间沿圆周方向安装有多个能够使二者沿径向产生相对滑动的钢球Ⅰ4，球形壳3和导向架5通过钢球Ⅰ4滑动配合，导向架5和球形套8之间沿圆周方向安装有多个能够使二者沿径向产生相对滑动的钢球Ⅱ7，所述导向架5和球形套8通过钢球Ⅱ7滑动配合；球形壳3和球形套8与旋转外套10固定连接，导向架5固定安装在导向轴11上，球形壳3和球形套8与导向轴11之间预留有导向轴11摆动的间隙，导向架5与旋转外套10之间预留有导向架5摆动的间隙；所述球形壳3靠近钻头的一侧设有密封结构2，密封结构2安装在扶正器内，密封结构一侧与旋转外套10固定连接，另一侧与扶正器固定连接。
参照图1，扭矩传递功能由旋转外套10、传力关节轴承以及连接轴承与旋转外套的零件完成，球形壳3的外径和与其配合处的旋转外套10的内径相同；导向架5的内外球面上周向等分的开有多条沟道，导向架5两侧面为凸向一致的两个球面，导向架5的外球面与球形壳3配合，导向架5的内球面与球形套8配合，球形壳3和球形套8与导向架5的配合面均为球面；球形壳3和球形套8的球面上开设有与导向架5沟道位置对应的球窝，钢球Ⅰ4和钢球Ⅱ7分别安装在球形壳3和球形套8的球窝内，沟道与钢球共轭接触；球形壳3和球形套8通过钢球Ⅰ4和钢球Ⅱ7将旋转外套10产生的扭矩传递给导向架5。
参照图2，导向架5通过花键12和螺钉6安装在导向轴11上；导向轴11上的外花键12与导向架5上的内花键配合，最终将旋转外套10产生的扭矩传递给导向轴11，带动钻头13进行破岩。
参照图3，导向架5均布有三个相同的螺纹孔，并且螺纹孔的轴线与圆柱销9的轴线相互垂直，同时导向轴11表面也均布三个螺纹孔，三个螺钉6插入导向架上5的螺纹孔和导向轴11的螺纹孔，可以将导向架固定在导向轴上，同时还能通过螺钉6将扭矩传递给导向轴11，最终带动钻头13破岩。
参照图4，旋转外套10与其配合处扶正器1的内径相同，球形套8和与其配合处的旋转外套10的内径相同；球形套8外圆面上均布有8个相同的下半圆形凹槽，与其配合的旋转外套10的内部也有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹槽配合形成一个完整圆形，圆柱销9的外径与所形成的圆形凹槽直径相同，8个圆柱销9分别插入这8个圆形凹槽内，可以将旋转外套的10的扭矩传递给球形套8。
导向架5两侧球面上各均布有12条沟道，球形壳3和球形套8的球面上各开设有与沟道位置对应的12个球窝。球形壳3和导向架5、导向架5和球形套8它们之间通过钢球滑动配合并且工具执行导向功能时运动件的运动的轨迹是圆弧。
本发明的工作原理：
旋转外套10旋转产生的扭矩通过固定连接和圆柱销9将扭矩传递给球形壳3和球形套8，然后通过钢球Ⅰ4和钢球Ⅱ7传递给导向架5，导向架5通过与导向轴11配合的花键12和螺钉6将扭矩传递给导向轴11带动钻头破岩。
上部钻柱施加在旋转外套10上的钻压，经球形套8与旋转外套10配合的台阶传递给球形套8，球形套8通过与其配合的钢球Ⅱ7将钻压传递给导向架5，导向架5通过其台阶与导向轴11配合的花键12上的台阶和螺钉6将钻压传递给导向轴11，最终将钻压通过导向轴11传递给钻头，进行破岩。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，其特征在于：包括安装在旋转外套(10)内的球形壳(3)、钢球Ⅰ(4)、导向架(5)、钢球Ⅱ(7)，球形套(8)和导向轴(11)；
球形壳(3)、导向架(5)和球形套(8)依次安装在中间设有液体流道的导向轴(11)上，导向轴(11)一端连接有钻头(13)；
所述球形壳(3)和导向架(5)之间沿圆周方向安装有多个能够使二者沿径向产生相对滑动的钢球Ⅰ(4)，球形壳(3)和导向架(5)通过钢球Ⅰ(4)滑动配合，导向架(5)和球形套(8)之间沿圆周方向安装有多个能够使二者沿径向产生相对滑动的钢球Ⅱ(7)，导向架(5)和球形套(8)通过钢球Ⅱ(7)滑动配合；球形壳(3)和球形套(8)与旋转外套(10)固定连接，导向架(5)固定安装在导向轴(11)上，球形壳(3)和球形套(8)与导向轴(11)之间预留有导向轴(11)摆动的间隙，导向架(5)与旋转外套(10)之间预留有导向架(5)摆动的间隙；所述球形壳(3)靠近钻头的一侧设有密封结构(2)，密封结构(2)安装在扶正器内，密封结构一侧与旋转外套(10)固定连接，另一侧与扶正器固定连接；
球形壳(3)和导向架(5)之间，导向架(5)和球形套(8)之间通过钢球Ⅰ(4)和钢球Ⅱ(7)滑动配合使导向架(5)与球形壳(3)和球形套(8)发生相对滑动，实现导向轴(11)摆动导向的功能，导向架(5)与球形壳(3)和球形套(8)之间的滑动轨迹是圆弧。
2.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，其特征在于：导向架(5)两侧面为凸向一致的两个球面，导向架(5)的外球面与球形壳(3)配合，导向架(5)的内球面与球形套(8)配合，球形壳(3)和球形套(8)与导向架(5)的配合面均为球面；导向架(5)的内外球面上周向等分的开有多条沟道，球形壳(3)和球形套(8)的球面上开设有与导向架(5)沟道位置对应的球窝，钢球Ⅰ(4)和钢球Ⅱ(7)分别安装在球形壳(3)和球形套(8)的球窝内，沟道与钢球共轭接触；球形壳(3)和球形套(8)通过钢球Ⅰ(4)和钢球Ⅱ(7)将旋转外套(10)产生的扭矩传递给导向架(5)。
3.根据权利要求1或2所述的动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，其特征在于：导向架(5)通过花键(12)和螺钉(6)安装在导向轴(11)上；导向轴(11)上的外花键(12)与导向架(5)上的内花键配合，最终将旋转外套(10)产生的的扭矩传递给导向轴(11)，带动钻头(13)破岩。
4.根据权利要求3所述的动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，其特征在于：导向架(5)上均布有三个螺纹孔，导向轴(11)表面均布有三个螺纹孔，三个螺钉(6)插入螺纹孔将导向架(5)固定在导向轴(11)上，通过螺钉(6)将扭矩传递给导向轴，最终将扭矩通过导向轴(11)传递给钻头进行破岩。
5.根据权利要求3所述的动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，其特征在于：球形套(8)外周面上均布有8个相同的下半圆形凹槽，与球形套(8)配合的旋转外套(10)的内部有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹槽配合形成一个完整圆形，8个圆柱销(9)分别插入这8个圆形凹槽内，将旋转外套的(10)的扭矩传递给球形套(8)。
6.根据权利要求3所述的动态指向式旋转导向钻井工具的传力关节轴承，其特征在于：导向架(5)两侧球面上各均布有12条沟道，球形壳(3)和球形套(8)的球面上各开设有与沟道位置对应的12个球窝。
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