CN110145224B - 一种井下钻头的自动调速装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下钻头的自动调速装置，属于石油开采井下工具技术领域。该装置由外壳体和离合减速机构构成，外壳体的两端分别装有上接头和下接头；上接头下方的外壳体内分别装有涡轮轴和涡轮组件，涡轮轴下方的外壳体内壁上呈上下状装有上密封件和下密封件，上密封件和下密封件之间的外壳体内装有离合减速机构。该装置通过离合减速机构能使钻头在软地层中高速转动，提高钻头的掘进效率，在硬地层中低速转动，以减少钻头的磨损，延长钻头的使用寿命，能自动调节钻头在不同地层中钻头的转速，从而降低钻井成本，提高钻井效率，解决了因钻头的高磨损率导致的钻井成本增加和钻井效率降低的问题。

Description

一种井下钻头的自动调速装置

技术领域

本发明涉及一种井下钻头的自动调速装置，属于石油开采井下工具技术领域。

背景技术

随着我国经济的大力发展，我国对于石油能源的需求量越来越大，仅仅依靠浅层油田已经不能够满足人们日常生活的需要，现阶段，我国石油钻井技术逐渐向深井和超深井的方向发展。开采深井和超深井油田时，地层深且地质情况复杂。

根据《PDC钻头出露量和线速度对复合片磨损规律的影响》论文中所述，复合磨片的体积磨耗和线速度基本上呈线性关系，线速度越大，复合片的体积磨耗也越大（此段摘自原文，文中复合磨片为PDC钻头的组成部件）。根据论文中给出的公式，式中V为体积磨耗量，为体积磨耗系数，为动摩擦因数，为基础面上的正压力，F为接触面积，v为线速度，t为摩擦时间。

传统的井下工具在石油开采过程中不能根据不同硬度地层改变机械转速，在遇到高硬质地层时，钻头对地层的压力增大，若依然保持钻头的高转速转动，根据上述公式则钻头的体积磨耗量会急剧增加，钻头的磨损不仅会使得钻头的使用寿命下降，而且在钻头磨损损坏后需要起钻更换钻头，同时钻头磨损后，在钻进过程中钻头会产生偏振导致其他井下工具的使用寿命下降，因此增加了钻井成本且降低了钻井效率，综上所述，降低钻头的磨损率在整个钻井过程中显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于:针对现有技术的不足，提供一种可自动根据地层硬度情况调节钻头转速，在软地层中钻井时使钻头高速转动，在硬质地层时使钻头低速转动，从而减少钻头磨损，延长钻头的使用寿命，降低采油成本，提高钻井效率的井下钻头的自动调速装置。

本发明的技术方案是：

一种井下钻头的自动调速装置，它由外壳体、上接头、离合减速机构和下接头构成，外壳体的一端螺纹装有上接头，外壳体的另一端通过滚针轴承活动装有下接头；上接头下方的外壳体内通过对称安装的上扶正轴承和下扶正轴承装有涡轮轴，上扶正轴承和下扶正轴承之间的涡轮轴上装有涡轮组件，其特征在于：涡轮轴下方的外壳体内壁上呈上下状装有上密封件和下密封件，上密封件和下密封件之间的外壳体内装有离合减速机构，离合减速机构的上方与涡轮轴相连，离合减速机构下方通过主轴与下接头螺纹相连。

所述的离合减速机构由齿轮轴、一级齿轮、二级齿轮和超越离合器构成，对称设置的齿轮轴的两端通过轴承分别装有上轴承座和下轴承座，上轴承座下方的齿轮轴上分别固装有一级齿轮；上轴承座的中心部位通过轴承装有中心轴，上轴承座下方的中心轴上固装有超越离合器，超越离合器的外圈与一级齿轮啮合连接，超越离合器下方的中心轴端头固装有上牙嵌式离合器；下轴承座的中心部位通过轴承装有传递轴，下轴承座上方的传递轴上装有齿轮箱，齿轮箱与传递轴滑动接触连接，传递轴的一端延伸至齿轮箱的上方，延伸至齿轮箱上方的传递轴上设置有限位台肩，限位台肩与齿轮箱滑动接触连接，限位台肩上方的传递轴的端面上固装有下牙嵌式离合器，齿轮箱内的传递轴上固装有传递齿轮，齿轮箱内的齿轮轴上通过滑键装有二级齿轮，二级齿轮与齿轮箱滑动接触连接，传递齿轮与二级齿轮啮合连接，下轴承座下方的传递轴端部设置有螺纹孔，螺纹孔内通过滚珠装有滚珠丝杆，所述的下轴承座底部固装有复位弹簧。

所述的一级齿轮的直径大于超越离合器外圈的直径，传递齿轮的直径大于二级齿轮的直径；中心轴、上牙嵌式离合器、下牙嵌式离合器和主轴的中心分别位于同一轴线上；滚珠丝杆端头与主轴固定连接，滚珠丝杆一侧的主轴圆周上设置有支撑台肩。

所述的复位弹簧分别与外壳体的内壁和支撑台肩的顶部端面滑动接触连接。

所述的上轴承座通过定位销与外壳体固定连接，下轴承座和支撑台肩分别与外壳体内壁滑动接触连接。

所述的齿轮轴两端端头的圆周上分别均布装有限位杆。

所述的上密封件和下密封件分别呈圆盘状，上密封件和下密封件分别与外壳体内壁密封连接；中心轴延伸至上密封件的上方，延伸至上密封件上方的中心轴端头与涡轮轴固定连接，中心轴与上密封件滑动密封连接；主轴延伸至下密封件的下方，主轴与下密封件滑动密封连接；所述的上密封件和下密封件一侧的外壳体上设置有钻井液流道，流道入口设置在上密封件上方的外壳体的内壁上，流道出口设置在下密封件下方的外壳体的内壁上。

所述的上接头、下接头、涡轮轴、主轴上分别设置有流通孔，以便钻井液流通。

所述的下接头上设置有变径孔，延伸至下密封件下方的主轴与变径孔的内壁螺纹连接。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：

该井下钻头的自动调速装置通过离合减速机构能使钻头在软地层中高速转动，提高钻头的掘进效率，在硬地层中低速转动，以减少钻头的磨损，延长钻头的使用寿命，自动调节钻头在不同地层中钻头的转速，从而降低钻井成本，提高钻井效率，解决了因钻头的高磨损率导致的钻井成本增加和钻井效率降低的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A处的放大示意图；

图3是图1中B-B向的结构示意图；

图4是图1中C-C向的结构示意图；

图5使图2中D-D向的结构示意图；

图6是本发明的齿轮轴的结构示意图；

图7是本发明的工作状态示意图。

图中：1、外壳体，2、上接头，3、上扶正轴承，4、涡轮组件，5、涡轮轴，6、下扶正轴承，7、流通孔，8、流道入口，9、主轴，10、钻井液流道，11、流道出口，12、滚针轴承，13、下接头，14、变径孔，15、中心轴，16、上密封件，17、上轴承座，18、定位销，19、超越离合器，20、一级齿轮，21、齿轮轴，22、上牙嵌式离合器，23、下牙嵌式离合器，24、限位台肩，25、齿轮箱，26、二级齿轮，27、传递齿轮，28、下轴承座，29、传递轴，30、复位弹簧，31、滚珠，32、滚珠丝杆，33、支撑台肩，34、下密封件，35、滑键，36、限位杆，37、穿行孔。

具体实施方式

该井下钻头的自动调速装置由外壳体1、离合减速机构、上接头2和下接头13构成，外壳体1的一端螺纹装有上接头2，外壳体1的另一端通过滚针轴承12活动装有下接头13，下接头13相对于外壳体1在轴向上固定，下接头13上设置有变径孔14，该装置装配时，该装置通过上接头2与上接头2上方的其他装置对接，通过下接头13与下接头13下方的其他装置对接。

上接头2下方的外壳体1内通过对称安装的上扶正轴承3和下扶正轴承6装有涡轮轴5，涡轮轴5相对于外壳体1在轴向上固定，上扶正轴承3和下扶正轴承6之间的涡轮轴5上装有涡轮组件4，所述的涡轮组件4包括涡轮转子和涡轮定子，涡轮轴5下方的外壳体1内壁上上下状装有上密封件16和下密封件34，上密封件16和下密封件34分别呈圆盘状，上密封件16和下密封件34分别与外壳体1内壁密封连接，上密封件16、外壳体1和下密封件34之间构成一个相对密封的密封腔，以保护安装在上密封件16和下密封件34之间的各个组件，避免上密封件16和下密封件34之间的各个组件与钻井液接触后被腐蚀，上密封件16和下密封件34一侧的外壳体1上设置有钻井液流道10，流道入口8设置在上密封件16上方的外壳体1的内壁上，流道出口11设置在下密封件34下方的外壳体1的内壁上，工作时，钻井液通过钻井液流道10在外壳体1内流通，以流道入口8和流道出口11的轴线为界将外壳体1分为三段式加工钻井液流道10，外壳体1的钻井液流道10加工完成后，再将三段外壳体1相互固定连接。

上密封件16和下密封件34之间的外壳体1内装有离合减速机构，离合减速机构由齿轮轴21、一级齿轮20、二级齿轮26和超越离合器19构成，对称设置的齿轮轴21的两端通过轴承分别装有上轴承座17和下轴承座28，齿轮轴21两端端头的圆周上分别均布装有限位杆36，限位杆36的作用是在齿轮轴21转动时，保证齿轮轴21分别不易脱离上轴承座17和下轴承座28，从而使上轴承座17和下轴承座28始终对齿轮轴21形成支撑，保持齿轮轴21的平稳转动。

上轴承座17通过定位销18与外壳体1固定连接，上轴承座17的中心部位通过轴承装有中心轴15，中心轴15延伸至上密封件16的上方，延伸至上密封件16上方的中心轴15端头与涡轮轴5固定连接，上轴承座17下方的中心轴15上固装有超越离合器19（STIEBERCSK20型超越离合器），超越离合器19的外圈上设置有齿圈，上轴承座17下方的齿轮轴21上分别固装有一级齿轮20，超越离合器19的外圈与一级齿轮20啮合连接，一级齿轮20的直径大于超越离合器19外圈的直径，工作过程中，一级齿轮20带动超越离合器19外圈转动时，超越离合器19外圈相对于一级齿轮20做加速运动，超越离合器19外圈比超越离合器19内圈转动速度快，超越离合器19外圈不会带动超越离合器19内圈，超越离合器19内圈比超越离合器19外圈转动速度快时，超越离合器19内圈带动超越离合器19外圈转动，超越离合器19外圈带动一级齿轮20转动，一级齿轮20相对于超越离合器19做减速运动。

超越离合器19下方的中心轴15端头固装有上牙嵌式离合器22。

下轴承座28与外壳体1内壁滑动接触连接，下轴承座17的中心部位通过轴承装有传递轴29，下轴承座28上方的传递轴29上装有齿轮箱25，传递轴29的一端延伸至齿轮箱25的上方，延伸至齿轮箱25上方的传递轴29上设置有限位台肩24，限位台肩24与齿轮箱25滑动接触连接，限位台肩24上方的传递轴29的端面上固装有下牙嵌式离合器23，上牙嵌式离合器22和下牙嵌式离合器23共同构成牙嵌式离合器（HTP-350型牙嵌式离合器），齿轮箱25内的传递轴29上固装有传递齿轮27，齿轮轴21穿过齿轮箱25，齿轮箱25内的齿轮轴21上通过滑键35活动装有二级齿轮26，二级齿轮26与齿轮箱25滑动接触连接，齿轮箱25上与滑键35对应状设置有穿行孔37，穿行孔37的作用是使齿轮箱25在上下运动的过程中，滑键35不会与齿轮箱25相碰。

传递齿轮27与二级齿轮26啮合连接，齿轮箱25的作用是二级齿轮26在齿轮轴21上上下滑动时，使传递齿轮27和二级齿轮26同步运动，保证传递齿轮27和二级齿轮26始终处于啮合连接的状态。

下轴承座28下方的传递轴29端部设置有螺纹孔，螺纹孔内通过滚珠31装有滚珠丝杆32，滚珠丝杆32与滚珠31之间不会形成自锁，滚珠丝杆32端头与主轴9固定连接，滚珠丝杆32一侧的主轴9圆周上设置有支撑台肩33，支撑台肩33与外壳体1内壁滑动接触连接，传递轴29一侧的下轴承座28的底部固装有复位弹簧30，复位弹簧30分别与外壳体1的内壁和支撑台肩33的顶部端面滑动接触连接，主轴9延伸至下密封件34的下方，延伸至下密封件34下方的主轴9与变径孔14的内壁固定连接，延伸至下密封件34的主轴9与下接头13固定连接，主轴9与下密封件34滑动密封连接。

中心轴15、上牙嵌式离合器22、下牙嵌式离合器23和主轴9的中心分别位于同一轴线上。

上接头2、下接头13、涡轮轴5、主轴9上分别设置有流通孔7，以便钻井液流通。

该井下钻头的自动调速装置工作时，首先高速流动的钻井液由上接头2和涡轮轴5上端流动进入涡轮组件4，钻井液流动过程中冲击涡轮转子，从而带动涡轮轴5转动，涡轮轴5带动中心轴15转动。

当钻头在软质地层中工作时，上牙嵌式离合器22和下牙嵌式离合器23在复位弹簧30弹力的作用下相互接合，上牙嵌式离合器22和下牙嵌式离合器23在复位弹簧30的作用下，上牙嵌式离合器22对下牙嵌式离合器23形成一个向下的推力，同时下牙嵌式离合器23相对于上牙嵌式离合器22形成一个向上的推力，上牙嵌式离合器22将下牙嵌式离合器23对上牙嵌式离合器22形成的推力传递至涡轮轴5，由于涡轮轴5相对于外壳体1固定，则上牙嵌式离合器22和下牙嵌式离合器23的相互作用力主要表现为对下牙嵌式离合器23的推力，此推力通过传递轴29、限位台肩24和齿轮箱25和下轴承座28使下轴承座28对复位弹簧30产生推力。

涡轮轴5转动过程中依次通过中心轴15、上牙嵌式离合器22和下牙嵌式离合器23带动传递轴29等速转动，传动轴29转动过程中，传动轴29通过滚珠丝杆32带动主轴9转动，主轴9通过下接头13带动钻头转动，同时涡轮轴5通过中心轴15带动超越离合器19内圈转动。

钻头转动过程中与软质地层相互作用，软质地层对钻头形成一个与钻头转动方向相反的反扭矩，反扭矩通过下接头13和主轴9传递至滚珠丝杆32处，在反扭矩的作用下，滚珠丝杆32和传递轴29相互作用，滚珠丝杆32对传递轴29形成一个轴向向下的拉力，此拉力通过传递轴29上的限位台肩24、齿轮箱25和下轴承座28使下轴承座对复位弹簧30形成一个推力，同时传递轴29对滚珠丝杆32形成一个轴向向上的拉力，滚珠丝杆32通过主轴9将此拉力传递至下接头处，由于下接头13相对于外壳体1固定，则滚珠丝杆32和传递轴29间的相互作用主要表现为滚珠丝杆32对传递轴29的拉力。

上牙嵌式离合器22对下牙嵌式离合器23的推力和滚珠丝杆32对传递轴29的拉力与复位弹簧30的弹力相互抵消，在钻头工作时保持各轴向力的平衡。

传递轴29在带动钻头转动的过程中，同时带动传递齿轮27转动，传递齿轮27转动过程中带动二级齿轮26转动，由于传动齿轮27的直径大于二级齿轮26的直径，则二级齿轮26相对于传递轴29的转动为加速转动，二级齿轮26通过齿轮轴21带动一级齿轮20转动，一级齿轮20在转动过程中带动超越离合器19的外圈转动，由于一级齿轮20的直径大于超越离合器19外圈的直径，超越离合器19外圈的转动相对于一级齿轮20为加速转动，即超越离合器19的外圈相对于内圈做两次增速运动，超越离合器19内圈和外圈处于离合状态。

当钻头在硬质地层中工作时，地层对钻头的反扭矩增大，滚珠丝杆32对传递轴29的拉力增大，即下轴承座28对复位弹簧30的推力增大，当下轴承座28对复位弹簧30的推力增大至超过复位弹簧30的弹力时，传递轴29带动下牙嵌式离合器23和上牙嵌式离合器22离合。

此过程中，由于复位弹簧30被压缩，复位弹簧30的弹力逐渐增大，复位弹簧30的弹力和滚珠丝杆32对传递轴29的拉力重新达到平衡。

下牙嵌式离合器23和上牙嵌式离合器22离合后，超越离合器19外圈失速，超越离合器19内圈在中心轴15的带动下转动，此时超越离合器19处于接合状态，超越离合器19内圈带动外圈转动，涡轮轴5依次通过中心轴15、超越离合器19、一级齿轮20、齿轮轴21、二级齿轮26、传递齿轮27、传递轴29、滚珠丝杆32、主轴9和下接头13带动钻头转动。

由于超越离合器19外圈直径小于一级齿轮20直径，同时二级齿轮26直径小于传递齿轮27直径，则涡轮轴5带动钻头转动过程中钻头相对于涡轮轴5做两次减速转动，钻头的转动速度被大大降低，能有效保护钻头，降低钻头在硬质地层中的磨损率。

当钻头再次遇到软质地层时，地层对钻头的反扭矩减小，则滚珠丝杆32对传递轴29的拉力减小，下牙嵌式离合器23在复位弹簧30的作用下再次与上牙嵌式离合器22接合，复位弹簧30的弹力再次与滚珠丝杆32对传递轴29的拉力和下牙嵌式离合器23对上牙嵌式离合器22形成的推力重新达到平衡。

上牙嵌式离合器22与下牙嵌式离合器23接合后，钻头相对于涡轮轴5等速运动，从而提高钻头的掘进效率。

该井下钻头的自动调速装置通过离合减速机构能使钻头在软地层中高速转动，提高钻头的掘进效率，在硬地层中低速转动，自动调节钻头在不同地层中钻头的转速，以减少钻头的磨损，延长钻头的使用寿命，从而降低钻井成本，提高钻井效率，解决了因钻头的高磨损率导致的钻井成本增加和钻井效率降低的问题。

Claims (7)

1.一种井下钻头的自动调速装置，它由外壳体（1）、上接头（2）、离合减速机构和下接头（13）构成，外壳体（1）的一端螺纹装有上接头（2），外壳体（1）的另一端通过滚针轴承（12）活动装有下接头（13）；上接头（2）下方的外壳体（1）内通过对称安装的上扶正轴承（3）和下扶正轴承（6）装有涡轮轴（5），上扶正轴承（3）和下扶正轴承（6）之间的涡轮轴（5）上装有涡轮组件（4），其特征在于：涡轮轴（5）下方的外壳体（1）内壁上呈上下状装有上密封件（16）和下密封件（34），上密封件（16）和下密封件（34）之间的外壳体（1）内装有离合减速机构，离合减速机构的上方与涡轮轴（5）相连，离合减速机构下方通过主轴（9）与下接头（13）螺纹相连；

所述的离合减速机构由齿轮轴（21）、一级齿轮（20）、二级齿轮（26）和超越离合器（19）构成，对称设置的齿轮轴（21）的两端通过轴承分别装有上轴承座（17）和下轴承座（28），上轴承座（17）下方的齿轮轴（21）上分别固装有一级齿轮（20）；上轴承座（17）的中心部位通过轴承装有中心轴（15），上轴承座（17）下方的中心轴（15）上固装有超越离合器（19），超越离合器（19）的外圈与一级齿轮（20）啮合连接，超越离合器（19）下方的中心轴（15）端头固装有上牙嵌式离合器（22）；下轴承座（28）的中心部位通过轴承装有传递轴（29），下轴承座（28）上方的传递轴（29）上装有齿轮箱（25），齿轮箱（25）与传递轴（29）滑动接触连接，传递轴（29）的一端延伸至齿轮箱（25）的上方，延伸至齿轮箱（25）上方的传递轴（29）上设置有限位台肩（24），限位台肩（24）与齿轮箱（25）滑动接触连接，限位台肩（24）上方的传递轴（29）的端面上固装有下牙嵌式离合器（23），齿轮箱（25）内的传递轴（29）上固装有传递齿轮（27），齿轮箱（25）内的齿轮轴（21）上通过滑键（35）装有二级齿轮（26），二级齿轮（26）与齿轮箱（25）滑动接触连接，传递齿轮（27）与二级齿轮（26）啮合连接，下轴承座（28）下方的传递轴（29）端部设置有螺纹孔，螺纹孔内通过滚珠（31）装有滚珠丝杆（32），所述的下轴承座（28）底部固装有复位弹簧（30）；

所述的上密封件（16）和下密封件（34）分别呈圆盘状，上密封件（16）和下密封件（34）分别与外壳体（1）内壁密封连接；中心轴（15）延伸至上密封件（16）的上方，延伸至上密封件（16）上方的中心轴（15）端头与涡轮轴（5）固定连接，中心轴（15）与上密封件（16）滑动密封连接；主轴（9）延伸至下密封件（34）的下方，主轴（9）与下密封件（34）滑动密封连接；所述的上密封件（16）和下密封件（34）一侧的外壳体（1）上设置有钻井液流道（10），流道入口（8）设置在上密封件（16）上方的外壳体（1）的内壁上，流道出口（11）设置在下密封件（34）下方的外壳体（1）的内壁上。

2.根据权利要求1所述的一种井下钻头的自动调速装置，其特征在于：所述的一级齿轮（20）的直径大于超越离合器（19）外圈的直径，传递齿轮（27）的直径大于二级齿轮（26）的直径；中心轴（15）、上牙嵌式离合器（22）、下牙嵌式离合器（23）和主轴（9）的中心分别位于同一轴线上；滚珠丝杆（32）端头与主轴（9）固定连接，滚珠丝杆（32）一侧的主轴（9）圆周上设置有支撑台肩（33）。

3.根据权利要求2所述的一种井下钻头的自动调速装置，其特征在于：所述的复位弹簧（30）分别与外壳体（1）的内壁和支撑台肩（33）的顶部端面滑动接触连接。

4.根据权利要求1所述的一种井下钻头的自动调速装置，其特征在于：所述的上轴承座（17）通过定位销（18）与外壳体（1）固定连接，下轴承座（28）和支撑台肩（33）分别与外壳体（1）内壁滑动接触连接。

5.根据权利要求1所述的一种井下钻头的自动调速装置，其特征在于：所述的齿轮轴（21）两端端头的圆周上分别均布装有限位杆（36）。

6.根据权利要求1所述的一种井下钻头的自动调速装置，其特征在于：所述的上接头（2）、下接头（13）、涡轮轴（5）、主轴（9）上分别设置有流通孔（7），以便钻井液流通。

7.根据权利要求1所述的一种井下钻头的自动调速装置，其特征在于：所述的下接头（13）上设置有变径孔（14），延伸至下密封件（34）下方的主轴（9）与变径孔（14）的内壁螺纹连接。