CN107664015A - 螺杆式双作用提速工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种螺杆式双作用提速工具，包括动力总成、万向轴总成、传动总成和冲击总成。所述的动力总成由螺杆将液体能量转化为旋转的机械能，从而通过万向轴总成和传动总成带动冲击总成的旋转阀旋转，由于在旋转阀和阀盖都开有孔，使钻井液周期性进锤头和锤体筒腔内，在液体的推动下锤头周期性撞击锤体筒产生周向震击，同时旋转阀和阀盖的轴向孔周期性错位使液体压力变化，产生高频的轴向震动，并通过下接头将轴向和周向冲击力传递到钻头，消除粘滑现象，保护了钻头，从而提高钻头破岩效率。本发明螺杆式双作用提速工具在钻井液的驱动下产生轴向和周向两种冲击，能有效提高钻井效率。
Description
技术领域
本发明是关于一种用于石油钻井的井下工具，尤其涉及一种螺杆式双作用提速工具 。
背景技术
在石油常规钻井中，PDC钻头得到广泛的应用，在现场操作时，经常会因为司钻技术、经验问题以至于送钻不及时或送钻过快，或是因为井壁摩阻问题，造成施加给钻头的钻压不稳定，影响破岩效率，甚至有可能因为钻压突然增大而损坏钻头、崩裂钻头的切削齿等，影响钻进速度。另一方面PDC钻头在钻硬或研磨性地层时，通常没有足够的扭矩来破碎岩石，从而产生卡钻的现象，井下钻杆扭力释放导致钻头失效。油田深部地层岩石坚硬、研磨极值高，应用常规牙轮钻头钻进，单只钻头进尺少，需要多次起下钻且机械钻速较低。此外，采用气体钻井技术钻进可较大程度提高机械钻速，但在地层出水的情况下易引起井下复杂情况发生，且气体钻井配套设备多，成本相对较大。
针对以上问题，国内外已尝试了多种工具，取得了一定的提速效果，其中高频扭转冲击类工具占提速工具的主导地位。该类工具可以给钻头附加高频扭转冲击力，辅助钻头破岩，降低钻柱的粘滑现象，提高机械钻速。近年来也涌现出了轴向冲击类型的提速工具，该类工具可以大幅度提高钻头的岩石吃入深度，增加破岩效率，具有操作简单、提速效果好等特点。因此，有必要研发一种能够通过钻井液提供的动力，既可以提供轴向冲击，也可以提供周向冲击的复合双作用冲击器，同时具有两者的优点，辅助钻头破岩，保护钻头，延长钻头使用寿命，提高钻进速度。
发明内容
为了解决钻井过程中的钻头卡钻和钻柱的粘滑现象，提出了一种螺杆式双作用提速工具，以克服现有技术的缺陷，提高钻进速度。该工具同时具有轴向冲击和周向冲击，能有效保护钻头，降低成本，提高破岩效率，增加钻井效率。
本发明的技术方案是：螺杆式双作用提速工具是由动力总成、万向轴总成、传动总成和冲击总成组成，动力总成前端依次连接万向轴总成、传动总成和冲击总成；所述的动力总成包括上接头、防掉锁母、防掉连杆、定子壳体、橡胶衬套和螺杆转子，橡胶衬套安装在定子壳体内部组成螺杆定子，螺杆转子和螺杆定子相互齿合，在钻井液的驱动下带动转子旋转，上接头通过螺纹与定子壳体连接，防掉连杆前端连接防掉锁母，后端连接螺杆转子；所述的万向轴总成包括活绞、球座、承压球、传动球、密封圈、锁紧套、密封套和连杆，球座安装在活绞内部，承压球按放在球座上，传动球安放在连杆端部凹槽，利用锁紧套将连杆和活绞配合，并利用密封圈和密封套密封活绞内部，连杆两端安装结构相同；所述的传动总成包括水帽、万向轴壳体、垫圈、传动轴、上轴承动圈、上轴承静圈、半圆键、轴承壳体、串轴承和转换接头，万向轴壳体后端连接定子壳体，前端连接轴承壳体，水帽后端连接万向轴总成，前端连接传动轴，并在水帽和传动轴安放垫圈，上轴承动圈通过螺纹安装传动轴上，在轴承壳体依次安装上轴承静圈、串轴承和转换接头，上轴承静圈通过半圆键周向固定在轴承壳体内部；所述的冲击总成包括旋转阀、套筒、阀盖、冲击壳体、锤头、锤体筒、锁紧筒和下接头，旋转阀的后端通过螺纹固定在传动轴前端，阀盖安装在锤体筒的端面，锤头安装在阀盖和锤体筒之间，锤体筒安装在冲击壳体的内部，通过锁紧筒和锤体筒螺纹连接将下接头轴向固定在冲击壳体上，冲击壳体与转换接头螺纹连接，锤体筒和冲击壳体通过牙嵌的方式与下接头周向固定，套筒安装在转换接头和锤体筒之间；通过动力总成的螺杆将液体能量转化为旋转的机械能，从而带动冲击总成的旋转阀旋转，由于在旋转阀和阀盖都开有孔，使钻井液周期性进锤头和锤体筒腔内，在液体的推动下锤头周期性撞击锤体筒产生周向震击，同时旋转阀和阀盖的轴向孔周期性错位使液体压力变化，产生高频的轴向震动，并通过下接头将轴向和周向冲击力传递到钻头，消除粘滑现象，防止卡钻，提高破岩效率。
上述方案中所述的螺杆式双作用提速工具，其特征在于：所述的旋转阀的前端盘面开有两个对称的扇形孔，在后端圆柱周向开有两个对称的圆孔，旋转阀在螺杆转子的带动下旋转，并在阀盖的作用下使液体压力周期性变化，产生轴向震动冲击；所述的阀盖开有4个扇形进液孔，其中包括两个冲击进液孔和两个复位回程进液孔，旋转阀旋转使液体周期性进入冲击进液孔和复位回程进液孔，液体通过进液孔进入锤头和锤体筒的腔内，利用液压推动锤头在锤体筒缺口处旋转，液体从冲击进液孔进入推动锤头周向正方向撞击锤体筒，液体从复位回程进液孔进入推动锤头周向反方向回位，冲击进液孔的截面积比复位回程进液孔的面积大，实现单周向冲击。
上述方案中所述的螺杆式双作用提速工具，其特征在于：所述的锤体筒，撞击端开有均分布的两个台阶缺口，在前端加工有内螺纹，用于与锁紧筒的外螺纹配合。
上述方案中所述的螺杆式双作用提速工具，其特征在于：所述的动力总成只提供旋转阀旋转，不需要提供大的扭矩，所以动力总成的长度较短。
本发明的有益效果是：(1) 解决了钻井过程中井下钻具容易造成的遇阻或遇卡的难题；(2) 该工具设计合理，性能可靠，产生周向冲击的同时，还可产生轴向振动冲击，从而有效保护钻头，消除钻头的粘滑和卡钻现象，提高机械钻速；（3）该工具适应性强，不仅可应用于深层直井，还可配合螺杆钻具及定向仪器应用于定向井和水平井中；(4) 该工具动力总成能量转化效率高、轴向尺寸短；（5）该工具有动作无死点、在周向正向冲击力大、反向冲击力小等优点冲击总成；（6）操作简单、寿命长、提速效果好等优点，配合PDC钻头使用可有效提高深井硬地层机械钻速。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明图1中的A-A截面图。
图3是本发明图1中的B-B截面图。
图4是本发明图1中的C-C截面图。
图5是本发明冲击部位三维视图。
图6是旋转阀结构三维示意图。
图7是阀盖结构三维示意图。
图8是锤头结构三维示意图。
图9是锤体筒结构三维示意图。
图中1.上接头，2.防掉锁母，3.防掉连杆，4.定子壳体，5.橡胶衬套，6.螺杆转子，7.活绞，8.球座，9.承压球，10.传动球，11.密封圈，12.锁紧套，13.密封套，14.连杆，15.水帽，16.万向轴壳体，17.垫圈，18.传动轴，19.上轴承动圈，20.上轴承静圈，21.半圆键，22.轴承壳体，23.串轴承，24.转换接头，25.旋转阀，26.套筒，27.阀盖，28.冲击壳体，29.锤头，30.锤体筒，31.锁紧筒，32.下接头。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。
参见附图，所述的螺杆式双作用提速工具由动力总成、万向轴总成、传动总成和冲击总成组成，动力总成前端依次连接万向轴总成、传动总成和冲击总成；所述的动力总成包括上接头1、防掉锁母2、防掉连杆3、定子壳体4、橡胶衬套5和螺杆转子6，橡胶衬套5安装在定子壳体4内部组成螺杆定子，螺杆转子6和螺杆定子相互齿合，在钻井液的驱动下带动转子6旋转，上接头1通过螺纹与定子壳体4连接，防掉连杆3前端连接防掉锁母2，后端连接螺杆转子6；所述的万向轴总成包括活绞7、球座8、承压球9、传动球10、密封圈11、锁紧套12、密封套13和连杆14，球座8安装在活绞7内部，承压球9按放在球座8上，传动球10安放在连杆14端部凹槽，利用锁紧套12将连杆（14）和活绞7配合，并利用密封圈11和密封套13密封活绞7内部，连杆14两端安装结构相同，所述的动力总成只提供旋转阀25旋转，不需要提供大的扭矩，所以动力总成的长度较短。
所述的传动总成包括水帽15、万向轴壳体16、垫圈17、传动轴18、上轴承动圈19、上轴承静圈20、半圆键21、轴承壳体22、串轴承23和转换接头24，万向轴壳体16后端连接定子壳体4，前端连接轴承壳体22，水帽15后端连接万向轴总成，前端连接传动轴18，并在水帽15和传动轴18安放垫圈17，上轴承动圈19通过螺纹安装传动轴18上，在轴承壳体22依次安装上轴承静圈20、串轴承23和转换接头24，上轴承静圈20通过半圆键21周向固定在轴承壳体22内部。
所述的冲击总成包括旋转阀25、套筒26、阀盖27、冲击壳体28、锤头29、锤体筒30、锁紧筒31和下接头32，旋转阀25的后端通过螺纹固定在传动轴18前端，阀盖27安装在锤体筒30的端面，锤头29安装在阀盖27和锤体筒30之间，锤体筒30安装在冲击壳体28的内部，通过锁紧筒31和锤体筒30螺纹连接将下接头32轴向固定在冲击壳体28上，锤体筒30撞击端开有均分布的两个台阶缺口，在前端加工有内螺纹，用于与锁紧筒31的外螺纹配合，冲击壳体28与转换接头24螺纹连接，锤体筒30和冲击壳体28通过牙嵌的方式与下接头32周向固定，套筒26安装在转换接头24和锤体筒30之间；通过动力总成的螺杆将液体能量转化为旋转的机械能，从而带动冲击总成的旋转阀25旋转，由于在旋转阀25和阀盖27都开有孔，使钻井液周期性进锤头29和锤体筒30腔内，在液体的推动下锤头29周期性撞击锤体筒产生周向震击，同时旋转阀25和阀盖27的轴向孔周期性错位使液体压力变化，产生高频的轴向震动，并通过下接头32将轴向和周向冲击力传递到钻头，消除粘滑现象，防止卡钻，提高破岩效率。
所述的旋转阀25的前端盘面开有两个对称的扇形孔，在后端圆柱周向开有两个对称的圆孔，旋转阀25在螺杆转子6的带动下旋转，并在阀盖27的作用下使液体压力周期性变化，产生轴向震动冲击；所述的阀盖27开有4个扇形进液孔，其中包括两个冲击进液孔和两个复位回程进液孔，旋转阀25旋转使液体周期性进入冲击进液孔和复位回程进液孔，液体通过进液孔进入锤头29和锤体筒30的腔内，利用液压推动锤头29在锤体筒30缺口处旋转，液体从冲击进液孔进入推动锤头29周向正方向撞击锤体筒30，液体从复位回程进液孔进入推动锤头29周向反方向回位，冲击进液孔的截面积比复位回程进液孔的面积大，可实现单周向冲击。
Claims (5)
1.螺杆式双作用提速工具，其特征在于：所述的螺杆式双作用提速工具由动力总成、万向轴总成、传动总成和冲击总成组成，动力总成前端依次连接万向轴总成、传动总成和冲击总成；所述的动力总成包括上接头（1）、防掉锁母（2）、防掉连杆（3）、定子壳体（4）、橡胶衬套（5）和螺杆转子（6），橡胶衬套（5）安装在定子壳体（4）内部组成螺杆定子，螺杆转子（6）和螺杆定子相互齿合，在钻井液的驱动下带动转子（6）旋转，上接头（1）通过螺纹与定子壳体（4）连接，防掉连杆（3）前端连接防掉锁母（2），后端连接螺杆转子（6）；所述的万向轴总成包括活绞（7）、球座（8）、承压球（9）、传动球（10）、密封圈（11）、锁紧套（12）、密封套（13）和连杆（14），球座（8）安装在活绞（7）内部，承压球（9）按放在球座（8）上，传动球（10）安放在连杆（14）端部凹槽，利用锁紧套（12）将连杆（14）和活绞（7）配合，并利用密封圈（11）和密封套（13）密封活绞（7）内部，连杆（14）两端安装结构相同；所述的传动总成包括水帽（15）、万向轴壳体（16）、垫圈（17）、传动轴（18）、上轴承动圈（19）、上轴承静圈（20）、半圆键（21）、轴承壳体（22）、串轴承（23）和转换接头（24），万向轴壳体（16）后端连接定子壳体（4），前端连接轴承壳体（22），水帽（15）后端连接万向轴总成，前端连接传动轴（18），并在水帽（15）和传动轴（18）安放垫圈（17），上轴承动圈（19）通过螺纹安装传动轴（18）上，在轴承壳体（22）依次安装上轴承静圈（20）、串轴承（23）和转换接头（24），上轴承静圈（20）通过半圆键（21）周向固定在轴承壳体（22）内部；所述的冲击总成包括旋转阀（25）、套筒（26）、阀盖（27）、冲击壳体（28）、锤头（29）、锤体筒（30）、锁紧筒（31）和下接头（32），旋转阀（25）的后端通过螺纹固定在传动轴（18）前端，阀盖（27）安装在锤体筒（30）的端面，锤头（29）安装在阀盖（27）和锤体筒（30）之间，锤体筒（30）安装在冲击壳体（28）的内部，通过锁紧筒（31）和锤体筒（30）螺纹连接将下接头（32）轴向固定在冲击壳体（28）上，冲击壳体（28）与转换接头（24）螺纹连接，锤体筒（30）和冲击壳体（28）通过牙嵌的方式与下接头（32）周向固定，套筒（26）安装在转换接头（24）和锤体筒（30）之间；通过动力总成的螺杆将液体能量转化为旋转的机械能，从而带动冲击总成的旋转阀（25）旋转，由于在旋转阀（25）和阀盖（27）都开有孔，使钻井液周期性进锤头（29）和锤体筒（30）腔内，在液体的推动下锤头（29）周期性撞击锤体筒产生周向震击，同时旋转阀（25）和阀盖（27）的轴向孔周期性错位使液体压力变化，产生高频的轴向震动，并通过下接头（32）将轴向和周向冲击力传递到钻头，消除粘滑现象，防止卡钻，提高破岩效率。
2.根据权利要求1所述的螺杆式双作用提速工具，其特征在于：所述的旋转阀（25）的前端盘面开有两个对称的扇形孔，在后端圆柱周向开有两个对称的圆孔，旋转阀（25）在螺杆转子（6）的带动下旋转，并在阀盖（27）的作用下使液体压力周期性变化，产生轴向震动冲击。
3.根据权利要求1所述的螺杆式双作用提速工具，其特征在于：所述的阀盖（27）开有4个扇形进液孔，其中包括两个冲击进液孔和两个复位回程进液孔，旋转阀（25）旋转使液体周期性进入冲击进液孔和复位回程进液孔，液体通过进液孔进入锤头（29）和锤体筒（30）的腔内，利用液压推动锤头（29）在锤体筒（30）缺口处旋转，液体从冲击进液孔进入推动锤头（29）周向正方向撞击锤体筒（30），液体从复位回程进液孔进入推动锤头（29）周向反方向回位，冲击进液孔的截面积比复位回程进液孔的面积大，可实现单周向冲击。
4.根据权利要求1所述的螺杆式双作用提速工具，其特征在于：所述的锤体筒（30），撞击端开有均分布的两个台阶缺口，在前端加工有内螺纹，用于与锁紧筒（31）的外螺纹配合。
5.根据权利要求1所述的螺杆式双作用提速工具，其特征在于：所述的动力总成只提供旋转阀（25）旋转，不需要提供大的扭矩，所以动力总成的长度较短。
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