CN110230465A

CN110230465A - 采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成

Info

Publication number: CN110230465A
Application number: CN201811520305.XA
Authority: CN
Inventors: 宿振国; 王瑞和
Original assignee: China University of Petroleum East China; Sinopec Shengli Petroleum Engineering Corp
Current assignee: China University of Petroleum East China; China Petrochemical Corp; Sinopec Oilfield Service Corp; Sinopec Shengli Petroleum Engineering Corp; Sinopec Jingwei Co Ltd
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-09-13

Abstract

本发明公开了一种采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成。主要由传动轴、下密封总成、下轴套、下壳体、下TC总成、液体动压推力轴承组总成、上壳体、上TC总成、上轴套、上密封总成等组成。其中传动轴与下密封总成、下轴套、下壳体、上壳体、上轴套、上密封总成共同形成一个封闭空间，封闭空间内先抽真空后注满润滑油，下TC总成、液体动压推力轴承组总成和上TC总成工作在油液中，改善了工作环境。液体动压推力轴承组总成采用上下两组液体动压推力轴承组共同承担轴向冲击载荷，具有摩擦系数小，承载能力高。与现有螺杆钻具传动轴总成相比，具有尺寸紧凑、结构简单、密封效果好、抗轴向冲击载荷能力强等优点。

Description

采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成

技术领域：

本发明涉及一种螺杆钻具的传动轴总成领域，特别是涉及一种采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成。

背景技术：

螺杆钻具是石油钻井及修井作业过程中，广泛使用的井下动力钻具之一，其主要由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成等组成。随着油田勘探开发的不断深入，目前深井、超深井钻井、水平井、大位移井等复杂结构井钻井越来越多，对螺杆钻具的使用要求也越来越高，比如更长的使用寿命，更高的耐冲击性能，输出更高的扭矩，更强的过载能力等等，这就要求螺杆钻具研究及应用技术不断进步，以提高螺杆的性能，满足现场使用要求。

螺杆钻具传动轴总成主要由传动轴、传动轴壳体、径向轴承、推力轴承组等部件组成。目前螺杆钻具传动轴总成多数采用开式结构，即径向轴承及推力轴承组工作的钻井液环境中，通过钻井液来润滑冷却，但由于钻井液中含有研磨性极强的固相颗粒，从而加速了径向轴承及推力轴承组的磨损，使传动轴总成的使用寿命大为降低；同时推力轴承组使用深沟球轴承串，轴向承载能力有限，在高硬地层存在较强的冲击载荷时容易损坏。

近年来，国内部分单位开展了油密封传动轴总成的研究，并申请了专利，比如中国发明专利“自动调压油密封传动轴总成”(专利号ZL 200810154096.1)，公布了一种油密封传动轴结构，上下两个密封总成均具有调压功能，保持内部压力与外部钻井液压力平衡，但传动轴分为上下两部分结构复杂，而且上下密封均采用普通密封件，难以适应井下高压钻井液环境，影响密封效果和使用寿命。

发明专利“一种具有高密封性能的螺杆钻具传动轴总成”(专利号ZL200810045153.2)，公布了一种刀口密封装置，该密封补偿形式跟活塞式补偿密封相比补偿量小，密封寿命短。

现行的国内螺杆钻具推力轴承组使用深沟球滚动轴承串，目前尚没有检索到使用液体动压推力轴承组的文献及专利。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种密封效果更好，抗轴向冲击载荷能力更强的螺杆钻具传动轴装置，提高传动轴的使用寿命，降低钻井成本的采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成。

为了达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：

一种采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成，包括传动轴和自下而上依次套装在传动轴外部的下轴套、下密封总成、下壳体、下TC总成、液体动压推力轴承组总成、上TC总成、上壳体、上密封总成和上轴套组成；下壳体的上端和上壳体的下端固定连接，上壳体的上端设有与螺杆钻具万向轴壳体连接端，传动轴下端设有与钻头连接端，传动轴上端设有与连接螺杆钻具万向轴连接端；其中：传动轴与下壳体、上壳体、上密封总成、下密封总成、下轴套、上轴套组合形成封闭空间，下TC总成、液体动压推力轴承组总成和上TC总成自下而上依次安装在该封闭空间内的传动轴上，上壳体外壳上径向设有充油孔，充油孔与封闭空间连通，并在充油孔外设有封堵头。

所述液体动压推力轴承组总成由上液体动压推力轴承组、隔环、隔环套、下液体动压推力轴承组和多个柱销组成；上液体动压推力轴承组由固定瓦B、推力环B和连接环B组成，下液体动压推力轴承组由固定瓦A、推力环A、连接环A组成；其中，隔环由两个半环组成，两个半环扣合后用隔环套过盈配合装在传动轴上；固定瓦B通过柱销与上壳体固定静止不动，固定瓦A通过柱销与下壳体固定静止不动；推力环B、连接环B和推力环A、连接环A均通过柱销与隔环固定，并随传动轴转动。

所述上TC总成由上轴承内圈和上轴承外圈组成；所述下TC总成由下轴承内圈和下轴承外圈组成；上轴承内圈、下轴承内圈的外表面，或上轴承外圈、下轴承外圈的内表面上布置有一条或多条直沟槽或螺旋沟槽。

所述上密封总成由上活塞、轴用密封件B、孔用密封件B和O型圈C组成；所述下密封总成由下活塞、轴用密封件A、孔用密封件A和O型圈A组成；上密封总成相对于上壳体、上轴套可沿轴向移动，下密封总成相对于下壳体、下轴套可沿轴向移动；轴用密封件B和轴用密封件A为专用液体动压密封件；孔用密封件B、孔用密封件A为车式密封件。

上轴套、下轴套过盈装配在传动轴上，两轴套外表面喷涂有一层厚度为0.1～0.4mm的镍基碳化物涂层，涂层表面硬度达到70～75HRC。

与现有的螺杆钻具传动轴相比，本发明具有以下优点：

(1)上下密封总成中，活塞与轴套之间的旋转动密封采用专用液体动压密封件，活塞与外壳体之间的滑动密封采用高抗污染能力的车式密封件，轴套表面喷涂高硬度镍基碳化物涂层，提高轴套的耐磨能力，采用这样的密封结构可以提高密封效果，具有更高的使用寿命。

(2)推力轴承组采用液体动压推力轴承组，与常规深沟球推力轴承组相比，具有更好地抗冲击性能和轴向载荷能力，同时结构更加紧凑，缩短了传动轴总成的长度，提高传动轴总成性能。

附图说明：

图1为本发明采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成的结构剖视图。

图中标记：

1、传动轴，2、孔用密封件A，3、轴用密封件A，4、下活塞，5、下轴套， 6、O型圈A，7、下壳体，8、下轴承外圈，9、下轴承内圈，10、O型圈B，11、柱销，12、固定瓦A，13、沟槽A，14、推力环A，15、连接环A，16、隔环套， 17、隔环，18、连接环B，19、推力环B、20、固定瓦B，21、沟槽B，22、充油孔，23、上轴承外圈，24、上轴承内圈，25、上壳体，26、O型圈C，27、上轴套，28、上活塞，29、轴用密封件B，30、孔用密封件B。

具体实施方式

下面结合附图做进一步的详细说明。

实施例1

参照附图1，一种采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成，包括传动轴1和自下而上依次套装在传动轴1外部的下轴套5、下密封总成、下壳体7、下TC总成、液体动压推力轴承组总成、上TC总成、上壳体 25、上密封总成和上轴套27组成；其中下壳体7的上端和上壳体25的下端固定连接，上壳体25的上端设有与螺杆钻具万向轴壳体连接端，传动轴1下端设有与钻头连接端，传动轴1上端设有与连接螺杆钻具万向轴连接端；其特征在于：传动轴1与下壳体7、上壳体25、上密封总成、下密封总成、下轴套5、上轴套27组合形成封闭空间，下TC总成、液体动压推力轴承组总成和上TC总成自下而上依次安装在该封闭空间内的传动轴1上，上壳体25外壳上径向设有充油孔22，充油孔22与封闭空间连通，并在充油孔22外设有封堵头。

进一步的，所述液体动压推力轴承组总成由上液体动压推力轴承组、隔环 17、隔环套16、下液体动压推力轴承组和多个柱销11组成；上液体动压推力轴承组由固定瓦B20、推力环B19和连接环B18组成，下液体动压推力轴承组由固定瓦A12、推力环A14、连接环A15组成；其中，隔环17由两个半环组成，两个半环扣合后用隔环套16过盈配合装在传动轴1上；固定瓦B20通过柱销11 与上壳体25固定静止不动，固定瓦A12通过柱销11与下壳体7固定静止不动；推力环B19、连接环B18和推力环A14、连接环A15均通过柱销11与隔环17 固定，并随传动轴1转动。

进一步的，所述上TC总成由上轴承内圈24和上轴承外圈23组成；所述下 TC总成由下轴承内圈9和下轴承外圈8组成；上轴承内圈24、下轴承内圈9的外表面，或上轴承外圈23、下轴承外圈8的内表面上布置有一条或多条直沟槽或螺旋沟槽。

进一步的，所述上密封总成由上活塞28、轴用密封件B29、孔用密封件B30 和O型圈C26组成；所述下密封总成由下活塞4、轴用密封件A3、孔用密封件 A2和O型圈A6组成；上密封总成相对于上壳体25、上轴套27可沿轴向移动，下密封总成相对于下壳体7、下轴套5可沿轴向移动；轴用密封件B29和轴用密封件A3为专用液体动压密封件；孔用密封件B30、孔用密封件A2为车式密封件。

进一步的，上轴套27、下轴套5过盈装配在传动轴1上，两轴套外表面喷涂有一层厚度为0.1～0.4mm的镍基碳化物涂层，涂层表面硬度达到70～75HRC。

典型实施例

对照图1。本发明的采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成，主要由传动轴1、下密封总成、下轴套5、下壳体7、下TC总成、液体动压推力轴承组总成、上壳体25、上TC总成、上轴套27、上密封总成组成.

其中下壳体7的上端和上壳体25的下端通过螺纹连接，上壳体25的上端连接螺杆钻具万向轴壳体，传动轴1下端连接钻头，上端连接螺杆钻具万向轴。传动轴1与下壳体7、上壳体25、上密封总成、下密封总成、下轴套5、上轴套 27组合形成封闭的空间，该封闭空间内在传动轴1上从下到上依次装有下TC 总成、液体动压推力轴承组总成和上TC总成，上壳体25外壳上有充油孔22，通过充油孔22抽真空后再向封闭空间内注油，先抽真空后充油的好处是防止封闭空间内含有空气到井下高温高压环境下气体膨胀造成密封失效。封闭空间内充满润滑油后，内部上TC总成、下TC总成及液体动压推力轴承组总成均工作在油液环境中，从而大幅度提高径向轴承及推力轴承组的寿命。

上密封总成由上活塞28、轴用密封件B29、孔用密封件B30和O型圈C26 组成；下密封总成由下活塞4、轴用密封件A3、孔用密封件A2和O型圈A6 组成；上密封总成相对于上壳体25、上轴套27可沿轴向移动，下密封总成相对于下壳体7、下轴套5可沿轴向移动；轴用密封件B29和轴用密封件A3为适应钻井井下钻井液环境的专用液体动压密封件；孔用密封件B30、孔用密封件A2 为高抗污染能力的车式密封件。液体动压密封的工作原理是利用液体动压效应，在动密封面之间形成一层能避免相对运动表面直接接触的动压油膜，由于轴用密封件A29和B3在油膜上运行，从而大大降低了磨损和摩擦。由于摩擦表面需要形成润滑油膜，也就需要一定的润滑油泄露，泄露损失依靠上、下密封总成的轴向移动来补偿，从而始终保持内部压力与外部钻井液压力平衡。孔用密封件A2和孔用密封件B30采用J形滑环密封(一种车式密封结构)，该车式密封具有耐超高压、抗冲击、寿命长，适用于恶劣工况、抗污染能力强等特点，特别适用于井下高温高压钻井液环境。

上轴套27、下轴套5过盈配合装配在传动轴1上，两轴套外表面喷涂有一层厚度为0.1～0.4mm的镍基碳化物涂层，涂层表面硬度达到70HRC以上，通过高硬度的涂层，提高轴套的抗磨损性能。

通过采用上述专用的轴用液体动压密封件、孔用车式J形滑环密封，以及高耐磨轴套，大大提高了密封效果，延长了密封寿命。

上TC总成由上轴承内圈24和上轴承外圈23组成；下TC总成由下轴承内圈9和下轴承外圈8组成；上轴承内圈24和下轴承内圈9过盈装配在传动轴1 上，上轴承外圈23过盈装配在上壳体25内，下轴承外圈8过盈装配在下壳体7 内；上轴承内圈24、下轴承内圈9的外表面，或上轴承外圈23、下轴承外圈8 的内表面上布置有一条或多条直沟槽或螺旋沟槽。通过布置直沟槽或螺旋沟槽，保证内部封闭空间内润滑油的良好流通，保证内外压力平衡。

液体动压推力轴承组总成由上液体动压推力轴承组、下液体动压推力轴承组、隔环17、隔环套16和多个柱销11组成；上液体动压推力轴承组由固定瓦 B20、推力环B19和连接环B18组成，下液体动压推力轴承组由固定瓦A12、推力环A14、连接环A15组成；隔环17由两个半环组成，两个半环扣合后用隔环套16过盈配合装在传动轴1上；固定瓦B20通过柱销11与上壳体25固定静止不动，固定瓦A12通过柱销11与下壳体7固定静止不动；推力环B19、连接环B18、推力环A14和连接环A15均通过柱销11与隔环17固定，并随传动轴 1转动。

固定瓦B20的表面(与推力环B19接触的那一面)布置有多条(一般3条以上)径向分布的沟槽B21，固定瓦A12的表面(与推力环A14接触的那一面) 布置有多条(一般3条以上)径向分布的沟槽A13。固定瓦B20表面的径向沟槽B21和固定瓦A12表面的径向沟槽A13储存一定量的润滑油，在固定瓦B20 与推力环B19，以及固定瓦A12与推力环A14之间的相对运动表面形成动压油膜，油膜产生压力以承受载荷，此为液体动压推力轴承。液体动压推力轴承与滚动轴承及普通滑动轴承相比，具有摩擦系数小，承载能力高，体积小、结构紧凑，使用寿命长等特点。

Claims

1.一种采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成，包括传动轴(1)和自下而上依次套装在传动轴(1)外部的下轴套(5)、下密封总成、下壳体(7)、下TC总成、液体动压推力轴承组总成、上TC总成、上壳体(25)、上密封总成和上轴套(27)组成；其中下壳体(7)的上端和上壳体(25)的下端固定连接，上壳体(25)的上端设有与螺杆钻具万向轴壳体连接端，传动轴(1)下端设有与钻头连接端，传动轴(1)上端设有与连接螺杆钻具万向轴连接端；其特征在于：传动轴(1)与下壳体(7)、上壳体(25)、上密封总成、下密封总成、下轴套(5)、上轴套(27)组合形成封闭空间，下TC总成、液体动压推力轴承组总成和上TC总成自下而上依次安装在该封闭空间内的传动轴(1)上，上壳体(25)外壳上径向设有充油孔(22)，充油孔(22)与封闭空间连通，并在充油孔(22)外设有封堵头。

2.根据权利要求1所述的采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成，其特征在于：所述液体动压推力轴承组总成由上液体动压推力轴承组、隔环(17)、隔环套(16)、下液体动压推力轴承组和多个柱销(11)组成；上液体动压推力轴承组由固定瓦B(20)、推力环B(19)和连接环B(18)组成，下液体动压推力轴承组由固定瓦A(12)、推力环A(14)、连接环A(15)组成；其中，隔环(17)由两个半环组成，两个半环扣合后用隔环套(16)过盈配合装在传动轴(1)上；固定瓦B(20)通过柱销(11)与上壳体(25)固定静止不动，固定瓦A(12)通过柱销(11)与下壳体(7)固定静止不动；推力环B(19)、连接环B(18)和推力环A(14)、连接环A(15)均通过柱销(11)与隔环(17)固定，并随传动轴(1)转动。

3.根据权利要求2所述的采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成，其特征在于：所述上TC总成由上轴承内圈(24)和上轴承外圈(23)组成；所述下TC总成由下轴承内圈(9)和下轴承外圈(8)组成；上轴承内圈(24)、下轴承内圈(9)的外表面，或上轴承外圈(23)、下轴承外圈(8)的内表面上布置有一条或多条直沟槽或螺旋沟槽。

4.根据权利要求1、2或3所述的采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成，其特征在于：所述上密封总成由上活塞(28)、轴用密封件B(29)、孔用密封件B(30)和O型圈C(26)组成；所述下密封总成由下活塞(4)、轴用密封件A(3)、孔用密封件A(2)和O型圈A(6)组成；上密封总成相对于上壳体(25)、上轴套(27)可沿轴向移动，下密封总成相对于下壳体(7)、下轴套(5)可沿轴向移动；轴用密封件B(29)和轴用密封件A(3)为专用液体动压密封件；孔用密封件B(30)、孔用密封件A(2)为车式密封件。

5.根据权利要求1或2、3所述的采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成，其特征在于：上轴套(27)、下轴套(5)过盈装配在传动轴(1)上，两轴套外表面喷涂有一层厚度为0.1～0.4mm的镍基碳化物涂层，涂层表面硬度达到70～75HRC。

6.根据权利要求4所述的采用液体动压推力轴承组及液体动压密封的螺杆钻具传动轴总成，其特征在于：上轴套(27)、下轴套(5)过盈装配在传动轴(1)上，两轴套外表面喷涂有一层厚度为0.1～0.4mm的镍基碳化物涂层，涂层表面硬度达到70～75HRC。