CN109488203B - 万向轴 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种万向轴，涉及钻井工具的技术领域。该万向轴包括扭力缓冲接头和花瓣万向节；花瓣万向节包括防脱开结构和两个花瓣接头，两个花瓣接头分别连接于所述防脱开结构的两端；两个花瓣接头相对的一端分别设置有相互配合的花瓣凸起；两个相互配合的花瓣凸起相对的侧面分别设置有相互配合的半球凹槽，两个半球凹槽之间设置有半球体；两个半球体相对的平面相抵接；扭力缓冲接头包括螺旋体和连接于螺旋体一端的接头部；螺旋体的外壁设置有螺旋槽；花瓣万向节中一个花瓣接头与接头部连接。综上所述，通过本发明提供的万向轴，缓解了现有技术中的花瓣式万向轴所存在的连接处接触应力大，磨损快，钻头的钻削破岩效能较差的技术问题。

Description

万向轴

技术领域

本发明涉及钻井工具的技术领域，尤其是涉及一种万向轴。

背景技术

螺杆钻具是石油和天然气钻井领域中应用广泛的一种井下动力钻具，尤其在定向井和水平井中起着重要作用。随着现代钻井技术的不断发展，尤其是随着复合钻井的推广，螺杆钻具在钻井作业中扮演的职能越来越多，作用也越来越大。

万向轴是螺杆钻具中的一个重要组成部件，在螺杆钻具中它上端连接螺杆的钻具马达总成中的转子，下端连接输出端的传动轴，其作用是将马达总成转化的机械运动传递到输出端进而驱动钻头旋转。它既承载输出的扭矩、轴向压力和传递输出转速，又同时把转子偏心的转动形式转化为传动轴定心的转动形式。

螺杆钻具的万向轴有花瓣式、挠轴式和球铰式等类型。挠轴式结构简单、寿命长，但对材料性能要求高、成本高且尺寸较长。球铰式成本适中，使用寿命居中，但结构相对复杂，且加工难度大。花瓣式万向轴因其结构简单，加工精度和制造成本较低的优势，在各种螺杆钻具万向轴中用量较大。

随着PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact bit，聚晶金刚石复合片钻头)的广泛应用和深井硬地层的增加，对万向轴的性能的要求逐步提高。花瓣式万向轴在使用中容易脱开，工作寿命较短。实际生产过程中，掉井的事故大多都是因花瓣式万向轴发生磨损后，丧失防脱能力而造成的。带有花瓣式万向轴的螺杆钻具，在较软地层中的工作寿命普遍在100至200小时之间，且在工作100小时之后花瓣式万向轴的防脱能力基本丧失；在较硬地层中，花瓣式万向轴的工作寿命和防脱寿命均会显著下降。

螺杆钻具与PDC钻头组合多用于一开或者二开之后的较深井段中，而较深井段的地层普遍强度较高，这就要求钻头保持较高的旋转稳定性，才能保证钻头较稳定的钻削效率。花瓣式万向轴在传递运动中，易产生了高频率的震动，由此引起了PDC钻头在井底的无规则震动，使钻头的钻削破岩效能降低，钻进速度下降，并造成了钻头的冲击损伤。

综上所述，现有技术中的花瓣式万向轴存在易使钻头的钻削破岩效能降低，造成了钻头的冲击损伤的技术问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种万向轴，以缓解现有技术中的花瓣式万向轴所存在的磨损快，易使钻头的钻削破岩效能降低，造成了钻头的冲击损伤的技术问题。

本发明提供的万向轴包括：接头连接组件和花瓣万向节，花瓣万向节连接于接头连接组件的端部；花瓣万向节包括防脱开结构和两个花瓣接头，两个花瓣接头分别连接于所述防脱开结构的两端，并且相对设置；一个花瓣接头背离另一个花瓣接头的一端连接于接头连接组件；两个花瓣接头相对的一端分别设置有相互配合的花瓣凸起；两个相互配合的花瓣凸起相对的侧面分别设置有半球凹槽，两个半球凹槽相对设置，并且各半球凹槽中均设置有一个半球体；相对设置的两个半球凹槽中，两个半球体相对的平面相抵接。

进一步的，接头连接组件包括扭力缓冲接头，扭力缓冲接头包括螺旋体和连接于螺旋体端部的接头部；螺旋体的外壁设置有螺旋槽；花瓣接头与接头部连接。

进一步的，接头连接组件还包括防拉开芯轴；螺旋体的两端分别连接有接头部，并且螺旋体设置有供防拉开芯轴穿过的通孔；防拉开芯轴的两端分别与接头部连接。

进一步的，防脱开结构包括连接杆；两个花瓣接头相对的端面均设置有连接孔；连接杆的两端分别伸入两个花瓣接头的连接孔中；连接杆伸入连接孔的端部设置有第一弧槽，连接孔的内壁设置有与第一弧槽配合的第二弧槽，第一弧槽和第二弧槽中设置有多个防脱球体；连接杆可在连接孔中，相对于花瓣接头摆动。

进一步的，花瓣接头上设置有球体填装孔，球体填装孔与第二弧槽连通；并且球体填装孔可拆卸地连接有封堵件。

进一步的，连接孔的底部设置有第一球面；连接杆的端部设置有与第一球面配合的第二球面，第二球面抵接于第一球面。

进一步的，花瓣万向节包括两个球座，两个球座分别设置于两个连接孔的底部；第一球面设置于球座。

进一步的，连接杆的中段设置有凸起部，凸起部与连接孔的内壁间隙配合。

进一步的，接头部设置有内锥螺纹，花瓣接头设置有与内锥螺纹配合的外锥螺纹。

本发明提供的万向轴，涉及钻井工具的技术领域。本发明提供的万向轴包括：接头连接组件和花瓣万向节，花瓣万向节连接于接头连接组件的端部；花瓣万向节包括防脱开结构和两个花瓣接头，两个花瓣接头分别连接于所述防脱开结构的两端，并且相对设置；一个花瓣接头背离另一个花瓣接头的一端连接于接头连接组件；两个花瓣接头相对的一端分别设置有相互配合的花瓣凸起；两个相互配合的花瓣凸起相对的侧面分别设置有半球凹槽，两个半球凹槽相对设置，并且个半球凹槽中均设置有一个半球体；相对设置的两个半球凹槽中，两个半球体相对的平面相抵接。本发明提供的万向轴中，半球体的球面与半球凹槽抵接，半球体可在半球凹槽中绕球心滚动。在两个花瓣接头相对摆动时，半球体相对于花瓣接头滚动，可使两个半球体保持以平面面面接触，减小花瓣凸起的侧面的接触应力，有利于克服现有技术中的花瓣万向节中以点或线接触磨损较快的缺陷；半球体与半球凹槽保持面面接触，有利于传递扭矩，提高旋转稳定性，减小磨损，减少震动，提高钻头的钻削破岩效能，减小对钻头的冲击损伤。

当远离接头连接组件的一个花瓣接头转动时，能够通过接头连接组件带动另一个花瓣接头同步转动。接头连接组件包括扭力缓冲接头，扭力缓冲接头包括螺旋体和连接于螺旋体一端的接头部；螺旋体的外壁设置有螺旋槽；花瓣接头与接头部连接。螺旋槽使螺旋体具有一定的柔性，可在一定范围内发生扭转变形，存储转动能量，具有扭簧的功能。依据石油工程中的岩石力学理论，通过扭力缓冲接头，增加了提速功能，具有提高钻头破岩能力的效果。

综上所述，通过本发明提供的万向轴，缓解了现有技术中的花瓣式万向轴所存在的磨损快，易使钻头的钻削破岩效能降低，造成了钻头的冲击损伤的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的万向轴的局部剖视图；

图2为本发明实施例提供的万向轴中的连接杆的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的万向轴中的花瓣接头的结构示意图；

图4为图1中A-A剖视图；

图5为图1中B-B剖视图；

图6为本发明实施例提供的万向轴中的扭力缓冲接头的结构示意图。

图标：01-花瓣接头；011-连接孔；012-第二弧槽；013-球体填装孔；014-球座；015-半球凹槽；016-花瓣凸起；02-连接杆；021-第一弧槽；022-环状凸起；03-防脱球体；04-半球体；05-螺旋体；051-螺旋槽；06-接头部；07-防拉开芯轴；071-挡销；08-滚动钢球。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1-图4，本发明提供的万向轴包括：接头连接组件和花瓣万向节，花瓣万向节连接于接头连接组件的一端；花瓣万向节包括防脱开结构和两个花瓣接头01，两个花瓣接头01分别连接于所述防脱开结构的两端，并且相对设置；一个花瓣接头01背离另一个花瓣接头01的一端连接于接头连接组件；当远离接头连接组件的一个花瓣接头01转动时，能够通过接头连接组件带动另一个花瓣接头01同步转动；两个花瓣接头01相对的一端分别设置有相互配合的花瓣凸起016；两个相互配合的花瓣凸起016相对的侧面分别设置有半球凹槽015，两个半球凹槽015相互配合，并且两个半球凹槽015之间设置有半球体04；两个半球体04相对的平面相抵接。

在一些实施例中，一个花瓣接头01上设置有两个花瓣凸起016，两个花瓣凸起016沿圆周分布；两个花瓣接头01的花瓣凸起016一一对应。

在一些实施例中，两个花瓣接头01上的花瓣凸起016的侧面设置为平面。花瓣凸起016传递扭矩的侧面，平行于花瓣接头01的轴线。

具体地，半球体04的球面与半球凹槽015抵接，半球体04可在半球凹槽015中绕球心滚动。

在两个花瓣接头01相对摆动时，半球体04相对于花瓣接头01滚动，可使两个半球体04保持以平面面面接触，减小花瓣凸起016的侧面的接触应力，有利于克服现有技术中的花瓣万向节中以点或线接触磨损较快的缺陷；半球体04与半球凹槽015保持面面接触，有利于传递扭矩，提高旋转稳定性，减小磨损，减少震动，提高钻头的钻削破岩效能，减小对钻头的冲击损伤。

进一步的，请参照图1和图6，接头连接组件包括扭力缓冲接头，扭力缓冲接头包括螺旋体05和连接于螺旋体05一端的接头部06；螺旋体05的外壁设置有螺旋槽051；花瓣接头01与接头部06连接。

具体地，螺旋槽051使螺旋体05具有一定的柔性，可在一定范围内发生扭转变形，存储转动能量，具有扭簧的功能。依据石油工程中的岩石力学理论，通过扭力缓冲接头，增加了提速功能，具有提高钻头破岩能力的效果。

在一些实施例中，螺旋槽051为左旋，从螺旋体05的一端延伸至另一端。

根据岩石力学的理论，地下岩石在围压及孔隙压力的作用下，其强度高于岩石在地表的强度，岩层埋藏越深岩石的强度越高，并具有一定的塑性或韧性。岩石的破裂强度还与作用力的速度有关；作用力的速度越大，岩石的破裂强度越大，即岩石的强度增量越大。以中高转速驱动钻头的螺杆钻具在硬地层中，会显著加大岩石的破裂强度，甚至会造成岩石的瞬时破裂强度接近于钻头钻削刃强度。

本发明实施例提供的万向轴中，螺旋体05具有扭簧的功能，工作时能够根据钻头的旋转阻力变化对钻头的瞬时转速进行调整，以扭力缓冲的方式提高钻头的破岩效率，显著延长钻头的工作寿命并提高钻进速度。

在螺杆钻具中，扭力缓冲接头的工作状态为：在传递扭矩的过程中，螺旋体05将根据钻头旋转阻力的变化对钻头的瞬时转速进行调整；旋转阻力增加时，螺旋体05的缓冲作用使钻头的瞬时旋转速度降低，井底岩石的强度增量也随之降低。

对于PDC钻头来说，还降低了由钻削刃负前角所产生的钻压力的抵抗力，使钻头的压入破岩力及破岩深度增加，由于钻削刃附近岩石的破裂会使钻头的旋转阻力迅速降低，因此在钻头产生压入破岩后，螺旋体05的扭力释放，钻头上的旋转扭矩将使钻头产生瞬时的加速旋转；当压裂的岩石被钻头钻削清理后，钻头的旋转阻力又会增加，钻头的又将重复上述过程。

对牙轮钻头来说，每次送钻时，钻头上的扭矩均会发生变化，井壁与钻头外圆的摩擦力也会不断地变化，这些变化传递到螺旋体05上时，同样会改变钻头的瞬时转速。其过程为：钻头旋转阻力增加时，钻头瞬时转速降低并引起钻头冲击齿下岩石强度增量的降低，此时牙轮齿的挤压破岩效果增强；当钻头的驱动扭矩进一步增加时，螺旋体05的扭力释放，钻头将产生加速旋转，使钻头冲击齿对井底岩层的冲击力增加，进而使钻头的冲击破岩效果提高。

因此，本发明实施例提供的万向轴应用于螺杆钻具中，对PDC钻头及牙轮钻头，均具有提高机械钻速的作用，并能够显著减小螺杆钻具输出扭矩的波动幅度及PDC钻头受到的冲击力，并延长PDC钻头的工作寿命；特别在硬地层中，能够使钻头的钻进速度及PDC钻头的工作寿命显著提高，大大缩短钻井周期，并减少钻井事故。

进一步的，接头部06设置有内锥螺纹，花瓣接头01设置有与内锥螺纹配合的外锥螺纹。一个花瓣万向节中的一个花瓣接头01螺纹连接于接头部06。

在一些实施例中，扭力缓冲接头包括两个接头部06，两个接头部06分别连接于螺旋体05的两端。

在一些实施例中，接头部06与螺旋体05为一体结构。

进一步的，接头连接组件还包括防拉开芯轴07；螺旋体05的两端分别连接有接头部06，并且螺旋体05设置有供防拉开芯轴07穿过的通孔；防拉开芯轴07的两端分别与接头部06连接。

具体地，防拉开芯轴07的端部设置有圆弧槽。接头部06上设置有中心通孔。防拉开芯轴07伸入中心通孔中，并且中心通孔的内壁设置有与圆弧槽配合的第一台阶；圆弧槽与第一台阶之间形成环形通道，该环形通道中设置有滚动钢球08。防拉开芯轴07上设置有轴向槽，轴向槽与圆弧槽连通，用于安装滚动钢球08；轴向槽上连接有挡销071，挡销071伸入该环形通道中，与滚动钢球08抵接。

进一步的，防脱开结构包括连接杆02；两个花瓣接头01相对的端面均设置有连接孔011；连接杆02的两端分别伸入两个花瓣接头01的连接孔011中；连接杆02伸入连接孔011的端部设置有第一弧槽021，连接孔011的内壁设置有与第一弧槽021配合的第二弧槽012，第一弧槽021和第二弧槽012中设置有多个防脱球体03；连接杆02可在连接孔011中，相对于花瓣接头01摆动。

具体地，本发明提供的万向轴中，连接杆02与花瓣接头01之间通过防脱球体03连接；防脱球体03可在第一弧槽021和第二弧槽012中顺畅转动，使得连接杆02可相对于花瓣接头01顺畅地摆动，进而使两个花瓣接头01之间可相对摆动，调整两个花瓣接头01的轴线之间的相对方向。

防脱球体03位于第一弧槽021和第二弧槽012之间形成的环形通道中，形成防脱结构。一方面使连接杆02可相对于花瓣接头01顺畅运转，减少连接处的磨损，进一步使防脱性能更加稳定，延长使用寿命；另一方面还可以提高两个花瓣接头01之间传递扭矩的平稳性，有利于保持较高的旋转稳定性，减少震动，从而有利于提高钻头的钻削破岩效能，减小对钻头的冲击损伤。

本发明实施例提供的万向轴在传动过程中，两个花瓣接头01之间通过半球体04传递扭矩，连接杆02与连接孔011之间的防脱球体03处于不受力状态，提高了防脱结构的安全可靠性。

具体地，连接杆02的一端伸入一个花瓣接头01的连接孔011中，另一端伸入另一个花瓣接头01的连接孔011中。

具体地，连接孔011的轴向与花瓣接头01的轴线同轴。

具体地，连接杆02与连接孔011的内壁之间设置有间隙，以使连接杆02可在连接孔011中，相对于花瓣接头01转动。

在一些实施例中，连接杆02设置为圆柱状。

在一些实施例中，连接孔011设置为盲孔，连接杆02与连接孔011的底面抵接。

在一些实施例中，第一弧槽021和第二弧槽012中的多个防脱球体03之间相互抵接，以减小相邻两个防脱球体03发生碰撞而产生震动。

在一些实施例中，防脱球体03采用钢球。

在一些实施例中，半球体04和花瓣接头01的表面进行硬化处理。

在一些实施例中，请参照图5，两组半球体04关于花瓣接头01的轴线中心对称。

进一步的，花瓣接头01上设置有球体填装孔013，球体填装孔013与第二弧槽012连通；并且球体填装孔013可拆卸地连接有封堵件。

具体地，防脱球体03可通过球体填装孔013装入第一弧槽021和第二弧槽012之间。

在一些实施例中，封堵件采用螺钉，螺钉螺纹连接于球体填装孔013。

进一步的，连接孔011的底部设置有第一球面；连接杆02的端部设置有与第一球面配合的第二球面，第二球面抵接于第一球面。

具体地，连接杆02与连接孔011的底部之间球面配合，有利于连接杆02与花瓣接头01之间，轴向的作用力和径向的分力的传递。

进一步的，花瓣万向节包括两个球座014，两个球座014分别设置于两个连接孔011的底部；第一球面设置于球座014。

具体地，球座014与连接孔011的底面抵接。可便于在第一球面发生磨损时，对球座014进行更换。

进一步的，连接杆02的中段设置有凸起部，凸起部与连接孔011的内壁间隙配合。

具体地，连接杆02在连接孔011中摆动，可转动至凸起部与连接孔011的内壁抵接。

在一些实施例中，凸起部包括环状凸起022。

本发明实施例提供的万向轴的应用范围不只限于螺杆钻具；还作为一种联轴器使用，可以显著减小启动力矩和降低设备的制造精度，其中的扭力缓冲接头可以用于多种钻具中使钻具具有钻井提速能力。

本发明提供的万向轴用于螺杆钻具。螺杆钻具包括：马达总成、传动轴和本发明实施例提供的万向轴；万向轴包括两个花瓣万向节，两个花瓣万向节分别连接于接头连接组件的两端；一个花瓣万向节中，远离接头连接组件的一个花瓣接头01，与马达总成的转子传动连接；另一个花瓣万向节中，远离接头连接组件的一个花瓣接头01，与传动轴连接。

具体地，马达总成的转动动能通过万向轴和传动轴传递给钻头。能够延长工作寿命，提高安全可靠性。两个花瓣万向节之间的连接为弹性结构，以较宽的扭力缓冲范围来解决钻头在较硬乃至高硬度地层中破岩难的问题；工作时，能够根据钻头的旋转阻力变化调整钻头的瞬时转速，以扭力缓冲的方式提高钻头的破岩效率，提高钻头在硬地层中的破岩能力及钻进速度。

最后应说明的是：本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可；以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。而这些修改、替换或者组合，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种万向轴，其特征在于，包括：接头连接组件和花瓣万向节，所述花瓣万向节连接于所述接头连接组件的端部；

所述花瓣万向节包括防脱开结构和两个花瓣接头，两个所述花瓣接头分别连接于所述防脱开结构的两端，并且相对设置；一个所述花瓣接头背离另一个所述花瓣接头的一端连接于所述接头连接组件；

两个所述花瓣接头相对的一端分别设置有相互配合的花瓣凸起；两个相互配合的所述花瓣凸起相对的侧面分别设置有半球凹槽，两个所述半球凹槽相对设置；并且各所述半球凹槽中均设置有一个半球体；

相对设置的两个所述半球凹槽中，两个所述半球体相对的平面相抵接；

所述接头连接组件包括扭力缓冲接头，所述扭力缓冲接头包括螺旋体和连接于所述螺旋体端部的接头部；所述螺旋体的外壁设置有螺旋槽；

所述花瓣接头与所述接头部连接。

2.根据权利要求1所述的万向轴，其特征在于，所述接头连接组件还包括防拉开芯轴；

所述螺旋体的两端分别连接有所述接头部，并且所述螺旋体设置有供所述防拉开芯轴穿过的通孔；

所述防拉开芯轴的两端分别与所述接头部连接。

3.根据权利要求1所述的万向轴，其特征在于，所述防脱开结构包括连接杆；两个所述花瓣接头相对的端面均设置有连接孔；

所述连接杆的两端分别伸入两个所述花瓣接头的连接孔中；所述连接杆伸入所述连接孔的端部设置有第一弧槽，所述连接孔的内壁设置有与所述第一弧槽配合的第二弧槽，所述第一弧槽和所述第二弧槽中设置有多个防脱球体；

所述连接杆可在所述连接孔中，相对于所述花瓣接头摆动。

4.根据权利要求3所述的万向轴，其特征在于，所述花瓣接头上设置有球体填装孔，所述球体填装孔与所述第二弧槽连通；并且所述球体填装孔可拆卸地连接有封堵件。

5.根据权利要求3所述的万向轴，其特征在于，所述连接孔的底部设置有第一球面；所述连接杆的端部设置有与所述第一球面配合的第二球面，所述第二球面抵接于所述第一球面。

6.根据权利要求5所述的万向轴，其特征在于，所述花瓣万向节包括两个球座，两个所述球座分别设置于两个所述连接孔的底部；所述第一球面设置于所述球座。

7.根据权利要求3所述的万向轴，其特征在于，所述连接杆的中段设置有凸起部，所述凸起部与所述连接孔的内壁间隙配合。

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