CN107905726A - 一种提高螺杆钻具抗冲击能力的方法及螺杆钻具结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高螺杆钻具抗冲击能力的方法及结构，其方法是在传统螺杆钻具的基础上重新设计万向轴总成和减震传动轴总成，提高螺杆钻具的总体抗冲击能力。其结构包括采用椭圆形传动球；采用串轴承，并在串轴承两端设置碟簧组；设置行程间隙δ实现过载保护；将万向部件密封在润滑油中，延长万向节使用寿命1.5倍。本发明结构简单，安全可靠，不仅能够实现常规螺杆钻具的旋转钻进及弯壳体定向钻进功能，同时还特别适用于钻井现场需要超大钻压钻进、钻头跳钻震动剧烈的钻井场合，在钻井平台上司钻有意或者无意突然顿钻时，不会导致钻压瞬时突然增大而对钻头和钻柱造成破坏，有效提高了螺杆钻具和钻头的寿命，从而有效提高钻井速度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高螺杆钻具抗冲击能力的方法及螺杆钻具结构，属于油田钻具技术领域。
背景技术
在钻井过程中，钻井平台上的司钻人员有会有意或者无意的突然进行顿钻操作，顿钻操作将导致钻压瞬时突然增大，常规的螺杆钻具在遇到顿钻操作或持续大钻压、高扭矩钻井时，由于螺杆钻具受轴向压力和振动破坏较大，使螺杆钻具及钻头使用寿命大大降低。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种提高螺杆钻具抗冲击能力的方法及螺杆钻具结构。通过对螺杆钻具的优化设计可有效延长螺杆钻具和钻头的使用寿命，保护螺杆钻具不受轴向振动破坏，减少钻井起下钻过程，从而有效提高钻井速度和效率，实现油田钻井效益最大化。以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案：
一种提高螺杆钻具抗冲击能力的方法，该方法通过对螺杆钻具中的万向轴总成和减震传动轴总成的改进提高螺杆钻具的总体抗冲击能力；万向轴总成中的传动球采用椭圆球；并将现有技术中的承压球和球座与球铰连杆合为一体，同时对与传动球、上球铰接头和下球铰接头接触的连接的内球面进行耐磨强化处理；同时通过橡胶密封套在传动球周围形成油腔；提高万向轴总成使用寿命和传动可靠性；减震传动轴总成采用串轴承将传递扭矩的螺杆传动轴与传动轴外筒连接，通过串轴承提高螺杆钻具承受轴向压力的性能；在串轴承两端分别设置碟簧组，通过碟簧组将轴向压力缓冲后传递给串轴承，以减缓串轴承所承受的冲击力；取消现有技术中分体的下TC轴承动圈，直接在螺杆传动轴与下TC轴承静圈接触部位敷焊硬质合金层替代现有技术中分体的下TC轴承动圈，实现螺杆传动轴直径尺寸的最大化，提高螺杆传动轴抗冲击能力的刚度要求；通过在螺杆传动轴下部大头上部的端面与下TC轴承静圈下端面之间设置轴向行程间隙δ，限制施加在串轴承上的最大轴向压力，实现串轴承的过载保护；通过在下TC轴承静圈端面设有圆弧水槽构成开放式润滑结构，确保泥浆始终能够对硬质合金层和串轴承进行冷却和润滑。
前述方法中，通过在螺杆传动轴上设置防掉槽，并通过下TC轴承静圈内的两个防掉半环与防掉槽间隙连接，构成内防掉结构；内防掉结构与位于螺杆钻具顶部现有的防掉转换总成构成双防掉结构，防止发生钻具落井事故。
前述方法中，所述硬质合金层由轴向排列的矩形硬质合金条错缝敷焊在下TC轴承静圈和上TC轴承静圈内孔，以及螺杆传动轴和上TC轴承动圈外圆形成。
按前述方法构成的螺杆钻具结构，包括依次螺纹连接的防掉转换总成、马达总成、万向轴总成和减震传动轴总成；万向轴总成包括万向轴外筒；万向轴外筒内安装有球铰连杆，球铰连杆的上、下两端分别经传动球与上球铰接头和下球铰接头传动连接；上球铰接头与马达总成连接，下球铰接头与减震传动轴总成连接；球铰连杆与传动球的连接处设有一对对称的半环，一对对称的半环外设有橡胶密封套，橡胶密封套经锁紧套与上球铰接头或下球铰接头螺纹连接；减震传动轴总成包括与万向轴总成中下球铰接头螺纹连接的螺杆传动轴，螺杆传动轴外套有传动轴外筒；在螺杆传动轴与传动轴外筒之间的间隙内由下至上设有下TC轴承静圈、防掉半环、串轴承、上TC轴承动圈；串轴承两端分别设有碟簧组，上TC轴承静圈被套在传动轴外筒内。
前述结构中，所述碟簧组包括上碟簧组和下碟簧组，上碟簧组包括导向套，导向套上套有一组碟簧；上碟簧组两端设有碟簧垫；下碟簧组包括承压套，承压套上套有一组碟簧；下碟簧组下端设有碟簧垫。
前述结构中，所述防掉半环对应的螺杆传动轴外圆设有防掉槽，两个对称的防掉半环与防掉槽间隙连接，防掉半环外套有下TC轴承静圈。
前述结构中，所述下TC轴承静圈与螺杆传动轴接触部位的内孔以及螺杆传动轴对应的外圆分别设有硬质合金层；上TC轴承动圈外圆和上TC轴承静圈内孔分别设有硬质合金层。
前述结构中，所述上TC轴承动圈上设有平缺口，与平缺口对应的传动轴外筒内孔中设有偏心槽，偏心槽内设有锁块。
前述结构中，所述螺杆传动轴下部大头的上端面与下TC轴承静圈的下端面均设有硬质合金承压面。
前述结构中，所述下TC轴承静圈的下端面设有一组环状放射形分布的圆弧水槽。
与现有技术相比，本发明通过对螺杆钻具中万向轴总成的改进简化了万向轴总成的结构，并提高了万向轴总成的抗轴向压力和抗旋转离心力的能力；通过对减震传动轴总成改进，提高了螺杆钻具的轴向压力承受能力，减缓了减震传动轴总成中轴承所受冲击力，大大延长了减震传动轴总成的使用寿命，减少了钻井时起下钻过程所耽误的时间，从而有效提高了钻井速度和效率。通过采用双防掉结构大大减少了钻具落井事故的发生。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是万向轴总成的结构示意图；
图3是减震传动轴总成的结构示意图；
图4是图3中A处的局部放大示意图；
图5是图3中B处的局部放大示意图；
图6是图3中锁块处的断面示意图；
图7是下TC轴承静圈。
图中：1-防掉转换总成、2-马达总成、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、4-减震传动轴总成、4.1-上TC轴承动圈、4.2-上TC轴承静圈、4.3-传动轴外筒、4.4-锁块、4.5-碟簧组、4.6-碟簧垫、 4.7-导向筒、4.8-串轴承、4.9-承压套、4.10-防掉半环、4.11-下TC轴承静圈、4.12-螺杆传动轴、4.13-硬质合金承压面、4.14-硬质合金层、4.15-防掉槽、4.16-圆弧水槽、4.17-平缺口、4.18-偏心槽、4.19-矩形硬质合金条。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
一种提高螺杆钻具抗冲击能力的方法，如图1所示。该方法通过对螺杆钻具中万向轴总成3和减震传动轴总成4的改进提高螺杆钻具的总体抗冲击能力。
万向轴总成3如图2所示，万向轴总成3中的传动球3.3采用椭圆球；并将现有技术中的承压球和球座与球铰连杆3.7合为一体，同时对与传动球3.3、上球铰接头3.2和下球铰接头3.8接触的连接的内球面进行耐磨强化处理；同时通过橡胶密封套3.6在传动球3.3周围形成油腔；提高万向轴总成3使用寿命和传动可靠性。
减震传动轴总成4如图3所示，对减震传动轴总成4的改进包括以下内容：
1、减震传动轴总成4采用串轴承4.8将传递扭矩的螺杆传动轴4.12与传动轴外筒4.3连接，通过串轴承4.8提高螺杆钻具承受轴向压力的性能。
2、在串轴承4.8两端分别设置碟簧组4.5，通过碟簧组4.5将轴向压力缓冲后传递给串轴承4.8，以减缓串轴承4.8所承受的冲击力。
3、取消现有技术中分体的下TC轴承动圈，直接在螺杆传动轴4.12与下TC轴承静圈4.11接触部位敷焊硬质合金层4.14替代现有技术中分体的下TC轴承动圈，实现螺杆传动轴4.12直径尺寸的最大化，提高螺杆传动轴4.12抗冲击能力的刚度要求。硬质合金层4.14由轴向排列的矩形硬质合金条4.19错缝敷焊在下TC轴承静圈4.11和上TC轴承静圈4.2内孔，以及螺杆传动轴4.12和上TC轴承动圈4.1外圆形成。
4、通过在螺杆传动轴4.12下部大头上部的端面与下TC轴承静圈4.11下端面之间设置轴向行程间隙δ，限制施加在串轴承4.8上的最大轴向压力，实现串轴承4.8的过载保护。
5、通过在下TC轴承静圈4.11端面设有圆弧水槽4.16构成开放式润滑结构，确保泥浆始终能够对硬质合金层4.14和串轴承4.8进行冷却和润滑。
6、通过在螺杆传动轴4.12上设置防掉槽4.15，并通过下TC轴承静圈4.11内的两个防掉半环4.10与防掉槽4.15间隙连接，构成内防掉结构；内防掉结构与位于螺杆钻具顶部现有的防掉转换总成1构成双防掉结构，防止发生钻具落井事故。
按前述方法构成的螺杆钻具结构，如图1所示，包括依次螺纹连接的防掉转换总成1、马达总成2、万向轴总成3和减震传动轴总成4。其中防掉转换总成1和马达总成2为常规螺杆钻具的配置，因此对防掉转换总成1和马达总成2不作重复叙述；以下主要对万向轴总成3和减震传动轴总成4的结构作重点描述。
万向轴总成3如图2所示，包括万向轴外筒3.1；万向轴外筒3.1内安装有球铰连杆3.7，球铰连杆3.7的上、下两端分别经传动球3.3与上球铰接头3.2和下球铰接头3.8传动连接；上球铰接头3.2与马达总成2连接，下球铰接头3.8与减震传动轴总成4连接；球铰连杆3.7与传动球3.3的连接处设有一对对称的半环3.4，一对对称的半环3.4外设有橡胶密封套3.6，橡胶密封套3.6经锁紧套3.5与上球铰接头3.2或下球铰接头3.8螺纹连接；
减震传动轴总成4如图3所示，包括与万向轴总成3中下球铰接头3.8螺纹连接的螺杆传动轴4.12，螺杆传动轴4.12外套有传动轴外筒4.3；在螺杆传动轴4.12与传动轴外筒4.3之间的间隙内由下至上设有下TC轴承静圈4.11、防掉半环4.10、串轴承4.8、上TC轴承动圈4.1；串轴承4.8两端分别设有碟簧组4.5。碟簧组4.5包括上碟簧组和下碟簧组，上碟簧组如图4所示，包括导向套4.7，导向套4.7上套有一组碟簧；上碟簧组两端设有碟簧垫4.6；下碟簧组如图5所示，包括承压套4.9，承压套4.9上套有一组碟簧；下碟簧组下端设有碟簧垫4.6。
防掉半环4.10如图5所示，防掉半环4.10对应的螺杆传动轴4.12外圆设有防掉槽4.15，两个对称的防掉半环4.10与防掉槽4.15间隙连接，防掉半环4.10外套有下TC轴承静圈4.11。
如图3和图5所示，下TC轴承静圈4.11与螺杆传动轴4.12接触部位的内孔以及螺杆传动轴4.12对应的外圆分别设有硬质合金层4.14；上TC轴承动圈4.1外圆和上TC轴承静圈4.2内孔分别设有硬质合金层4.14。
如图6所示，上TC轴承动圈4.1上设有平缺口4.17，与平缺口4.17对应的传动轴外筒4.3内孔中设有偏心槽4.18，偏心槽4.18内设有锁块4.4。
如图3所示，螺杆传动轴4.12下部大头的上端面与下TC轴承静圈4.11的下端面均之间设有轴向行程间隙δ，限制施加在串轴承上的最大轴向压力，实现串轴承的过载保护；螺杆传动轴4.12下部大头的上端面与下TC轴承静圈4.11的下端面均设有硬质合金承压面4.13。如图7所示，为了看清楚下TC轴承静圈4.11的下端面的结构，图7中的下TC轴承静圈4.11是下端面朝上的。由图7可见，下TC轴承静圈4.11的下端面设有一组环状放射形分布的圆弧水槽4.16。
本申请的附图中只给出了下TC轴承静圈4.11的示意图，所述螺杆传动轴4.12、上TC轴承动圈4.1外圆和上TC轴承静圈4.2上的硬质合金层4.14结构与图7中所示相同，均为由轴向排列的矩形硬质合金条4.19错缝敷焊形成的硬质合金层4.14。
实施例
本例的螺杆钻具如图1所示。包括依次螺纹连接的防掉转换总成1、马达总成2、万向轴总成3和减震传动轴总成4。其中防掉转换总成1和马达总成2采用常规螺杆钻具的配置，本例不对防掉转换总成1和马达总成2做详细描述。
实现了轴径尺寸最大化，保证了轴的强度。本例的螺杆钻具，如图1所示，包括防掉转换总成1、马达总成2、万向轴总成3和减震传动轴总成4，其中防掉转换总成1和马达总成2为常规螺杆钻具的配置。
如图2所示，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和减震传动轴总成4；球铰连杆3.7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的球铰连杆3.7将常规结构的承压球、球座和球铰连杆合为一体，且球铰连杆3.7的上下两端球面与上球铰接头3.2和下球铰接头3.8接触的内孔中直接加工成内球面。
万向轴总成3所具有的万向功能能够实现将马达总成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产生的扭矩传递给球铰连杆3.7。其中传动球3.3有上下两组，设计成椭圆球形，起传递扭矩的作用，并可提高传递扭矩的能力和传动的可靠性，从而延长万向轴总成3寿命。在万向轴总成3中将常规结构的承压球、球座与球铰连杆3.7合为一体，并在球铰连杆3.7上下两端的内孔中直接加工成内球面与上球铰接头3.2和下球铰接头3.8铰接，内球表面做耐磨强化处理。本例对万向轴总成3的改进可简化结构，提高万向节抗轴向压力和抗旋转离心力的能力，有效提高传动的可靠性和工作寿命。以上的传动球3.3、球铰连杆3.7、上球铰接头3.2和下球铰接头3.8部件是万向轴总成3的核心传动受力件，其性能和寿命决定了该总成的总体性能和寿命。本例的结构可提高万向轴总成3传递扭矩能力和使用寿命。传动球3.3具有万向和承受轴向力的作用，橡胶密封套3.6对所有万向、传力机构实现油密封，大大增加了润滑性能、减少摩擦阻力、可延长万向轴总成3使用寿命1.5倍，大大提高了经济效益。
如图3所示，减震传动轴总成4外部设有传动轴外筒4.3，螺杆传动轴4.12的上部设有上TC轴承静圈4.2和上TC轴承动圈4.1，中部设有串轴承4.8承受轴向压力，传动轴外筒4.3内台阶套在上TC轴承静圈4.2外部台阶上，上TC轴承静圈4.2下部设有碟簧组4.5，将钻压缓冲后传递给串轴承4.8，再通过承压套4.9传递给螺杆传动轴4.12，从而将钻压传递给钻头；下部设有下TC轴承静圈4.11，同时还设有碟簧组4.5同样吸收钻具轴向震动力。具体实施时，碟簧组4.5可根据现场钻压大小、行程等设计成不同的组合。碟簧组4.5中的碟簧也可以用波形弹簧替代。
如图5所示，螺杆传动轴4.12中部设计有防掉槽4.15，与装在下TC轴承静圈4.11内孔中的防掉半环4.10组成了钻具的内防掉。如图3和图7所示，螺杆传动轴4.12下部大头上部的端面和下TC轴承静圈4.11下端面设有轴向承压面，并镶嵌有耐磨的硬质合金承压面4.13，组成了可旋转的过载保护轴承。螺杆传动轴4.12中部设有硬质合金层4.14，两者合成一体，代替了常规的传动轴和下TC轴承动圈分体设计的结构，能够传递钻压、扭矩的同时又能够承受径向力。实现了轴径尺寸最大化，保证了轴的强度。
减震传动轴总成4的串轴承4.8上下各设有一组碟簧组4.5，其中上面一组碟簧组将钻压缓冲后传递给串轴承4.8，起减震作用，下面一组碟簧组配合上面一组碟簧组始终压紧串轴承4.8为一个整体，保证了串轴承4.8的强度和寿命。减震传动轴总成4的承压套4.9起着传递钻压，同时又是下面一组碟簧组4.5的轴向伸缩的导向筒。
如图1和图5所示，减震传动轴总成4的螺杆传动轴4.12中部设计有防掉槽4.15，防掉半环4.10套在上面并留有间隙δ，同时防掉半环4.10装在下TC轴承静圈4.11内孔中，实现了钻具的内防掉。
如图7所示，减震传动轴总成4的螺杆传动轴4.12下部大头上部的端面和下TC轴承静圈4.11下端面均设有硬质合金承压面4.13，下TC轴承静圈4.11下端面设有3～5个圆弧水槽4.16，当钻具轴向压力过载后两个端面贴合，分流多余加在串轴承4.8上，既能够正常旋转，又保证了串轴承4.8不被压碎，即实现过载保护。
Claims (10)
1.一种提高螺杆钻具抗冲击能力的方法，其特征在于：该方法通过对螺杆钻具中的万向轴总成和减震传动轴总成的改进提高螺杆钻具的总体抗冲击能力；万向轴总成中的传动球采用椭圆球；并将现有技术中的承压球和球座与球铰连杆合为一体，同时对与传动球、上球铰接头和下球铰接头接触的连接的内球面进行耐磨强化处理；同时通过橡胶密封套在传动球周围形成油腔；提高万向轴总成使用寿命和传动可靠性；减震传动轴总成采用串轴承将传递扭矩的螺杆传动轴与传动轴外筒连接，通过串轴承提高螺杆钻具承受轴向压力的性能；在串轴承两端分别设置碟簧组，通过碟簧组将轴向压力缓冲后传递给串轴承，以减缓串轴承所承受的冲击力；取消现有技术中分体的下TC轴承动圈，直接在螺杆传动轴与下TC轴承静圈接触部位敷焊硬质合金层替代现有技术中分体的下TC轴承动圈，实现螺杆传动轴直径尺寸的最大化，提高螺杆传动轴抗冲击能力的刚度要求；通过在螺杆传动轴下部大头上部的端面与下TC轴承静圈下端面之间设置轴向行程间隙δ，限制施加在串轴承上的最大轴向压力，实现串轴承的过载保护；通过在下TC轴承静圈端面设有圆弧水槽构成开放式润滑结构，确保泥浆始终能够对硬质合金层和串轴承进行冷却和润滑。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：该方法通过在螺杆传动轴上设置防掉槽，并通过下TC轴承静圈内的两个防掉半环与防掉槽间隙连接，构成内防掉结构；内防掉结构与位于螺杆钻具顶部现有的防掉转换总成构成双防掉结构，防止发生钻具落井事故。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：所述硬质合金层由轴向排列的矩形硬质合金条错缝敷焊在下TC轴承静圈和上TC轴承静圈内孔，以及螺杆传动轴和上TC轴承动圈外圆形成。
4.一种按权利要求1、2或3所述方法构成的螺杆钻具结构，包括依次螺纹连接的防掉转换总成（1）、马达总成（2）、万向轴总成（3）和减震传动轴总成（4）；其特征在于：万向轴总成（3）包括万向轴外筒（3.1）；万向轴外筒（3.1）内安装有球铰连杆（3.7），球铰连杆（3.7）的上、下两端分别经传动球（3.3）与上球铰接头（3.2）和下球铰接头（3.8）传动连接；上球铰接头（3.2）与马达总成（2）连接，下球铰接头（3.8）与减震传动轴总成（4）连接；球铰连杆（3.7）与传动球（3.3）的连接处设有一对对称的半环（3.4），一对对称的半环（3.4）外设有橡胶密封套（3.6），橡胶密封套（3.6）经锁紧套（3.5）与上球铰接头（3.2）或下球铰接头（3.8）螺纹连接；减震传动轴总成（4）包括与万向轴总成（3）中下球铰接头（3.8）螺纹连接的螺杆传动轴（4.12），螺杆传动轴（4.12）外套有传动轴外筒（4.3）；在螺杆传动轴（4.12）与传动轴外筒（4.3）之间的间隙内由下至上设有下TC轴承静圈（4.11）、防掉半环（4.10）、串轴承（4.8）、上TC轴承动圈（4.1）；串轴承（4.8）两端分别设有碟簧组（4.5），上TC轴承静圈（4.2）被套在传动轴外筒（4.3）内。
5.根据权利要求4所述螺杆钻具结构，其特征在于：所述碟簧组（4.5）包括上碟簧组和下碟簧组，上碟簧组包括导向套（4.7），导向套（4.7）上套有一组碟簧；上碟簧组两端设有碟簧垫（4.6）；下碟簧组包括承压套（4.9），承压套（4.9）上套有一组碟簧；下碟簧组下端设有碟簧垫（4.6）。
6.根据权利要求4所述螺杆钻具结构，其特征在于：所述防掉半环（4.10）对应的螺杆传动轴（4.12）外圆设有防掉槽（4.15），两个对称的防掉半环（4.10）与防掉槽（4.15）间隙连接，防掉半环（4.10）外套有下TC轴承静圈（4.11）。
7.根据权利要求4所述螺杆钻具结构，其特征在于：所述下TC轴承静圈（4.11）与螺杆传动轴（4.12）接触部位的内孔以及螺杆传动轴（4.12）对应的外圆分别设有硬质合金层（4.14）；上TC轴承动圈（4.1）外圆和上TC轴承静圈（4.2）内孔分别设有硬质合金层（4.14）。
8.根据权利要求4所述螺杆钻具结构，其特征在于：所述上TC轴承动圈（4.1）上设有平缺口（4.17），与平缺口（4.17）对应的传动轴外筒（4.3）内孔中设有偏心槽（4.18），偏心槽（4.18）内设有锁块（4.4）。
9.根据权利要求4所述螺杆钻具结构，其特征在于：所述螺杆传动轴（4.12）下部大头的上端面与下TC轴承静圈（4.11）的下端面均设有硬质合金承压面（4.13）。
10.根据权利要求4所述螺杆钻具结构，其特征在于：所述下TC轴承静圈（4.11）的下端面设有一组环状放射形分布的圆弧水槽（4.16）。
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