CN110374494B - 一种螺杆钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种螺杆钻具，包括：用于控制钻杆中泥浆流向的旁通阀；设置在所述旁通阀下游端的螺杆马达，所述螺杆马达包括定子和转子；与所述螺杆马达相连接的用于传递所述螺杆马达产生的转矩和转速的传动轴总成，所述传动轴总成包括万向轴组件和止推轴承组件；其中，所述万向轴组件设置成球式万向轴结构。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井工具领域，具体地涉及一种螺杆钻具。
背景技术
螺杆钻具是一种井下动力钻具，目前在石油钻井工具领域应用非常广泛，广泛应用于定向井、水平井的造斜和扭方位井段，随着复合钻井技术的发展，也被应用于直井段钻井提速和防斜打直作业中。50年代中期，美国开始研制螺杆钻具，1962年开始用于生产。不同厂家生产钻具包括迪纳钻具、纳维钻具和波斯钻具等，其基本原理都是基于容积式螺杆马达，只是内部结构和技术参数略有不同。至80年代中期，美国的迪纳钻具已发展成两个系列10种规格，纳维钻具有两个系列14种规格。
近10年来，随着水平井、径向井、分支水平井的大量涌现，螺杆钻具的发展也产生了质的飞跃。在美国和西欧，几乎90％的大、中曲率半径水平井的定向造斜和水平井段都是由螺杆钻具钻成，导向钻井系统已成了定向井中公认的标准化专用工具，同时，也出现了许多新型的专用螺杆钻具。
然而，现有技术中的螺杆钻具仍然存在一些问题。例如，在采用螺杆钻具定向施工过程中，螺杆钻具的滑动比例高而导致增斜效率低、机械钻速低。
发明内容
针对一些至少如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种螺杆钻具，该螺杆钻具具有高造斜率的使用特征，该高造斜率螺杆钻具有以下调弯点位置为核心设计思路。在结构特征上该螺杆钻具通过球式万向轴结构增加了密封空间，增加了连接轴的直径，提高了万向轴的传输扭矩，从而可减小止推轴承组件的尺寸缩短了传动轴的长度，缩短了螺杆钻具的弯点到传动轴的连接有钻头的端面的距离，通过设计高造斜率螺杆钻具，调整螺杆钻具弯点距输入端的长度，提高了螺杆钻具的造斜率，降低了滑动钻进比例，提高了钻进复合进尺比例和钻具的机械效率。
根据本发明提供了一种螺杆钻具，包括：用于控制钻杆中泥浆流向的旁通阀；设置在所述旁通阀下游端的螺杆马达，所述螺杆马达包括定子和转子；与所述螺杆马达相连接的用于传递所述螺杆马达产生的转矩和转速的传动轴总成，所述传动轴总成包括万向轴组件和止推轴承组件；其中，所述万向轴组件设置成球式万向轴结构。
在一个优选的实施例中，所述万向轴组件包括万向轴，所述万向轴包括与所述螺杆马达连接的第一部分和与所述止推轴承组件连接的第二部分，且在所述第一部分与所述第二部分的连接处形成了弯点。
在一个优选的实施例中，所述万向轴的第二部分的长度与所述万向轴的长度的比为25-35％。
在一个优选的实施例中，所述万向轴的弯曲度设为1°-1.5°。
在一个优选的实施例中，所述万向轴的上端和下端分别设有转子接头和传动轴接头。
在一个优选的实施例中，在所述万向轴与所述转子接头及所述传动轴接头之间均设有传动钢球和球座，且在所述球座中均设有承压钢球，从而形成了球式万向轴结构。
在一个优选的实施例中，所述球式万向轴结构中的所述传动钢球设为8球或6球结构。
在一个优选的实施例中，所述止推轴承组件包括主轴和设置在所述主轴上的推力轴承机构，且所述推力轴承机构由GCr15制成。
在一个优选的实施例中，所述螺杆钻具的弯点到所述主轴的连接有钻头的端面的距离处于1100-1200mm的范围内。
在一个优选的实施例中，所述螺杆马达采用的橡胶材料的邵尔硬度在83-88度范围内，且其拉断伸长率不小于200％，撕裂强度大于40KN/m。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1显示了根据本发明的螺杆钻具的结构。
图2显示了图1所示螺杆钻具中的旁通阀的拆散零件的剖视图。
图3显示了图1所示螺杆钻具中的防掉装置的拆散零件的剖视图。
图4显示了图1所示螺杆钻具中的螺杆马达的拆散零件的剖视图。
图5显示了图1所示螺杆钻具中的传动轴总成的拆散零件的剖视图。
图6显示了图1所示螺杆钻具中的止推轴承总成的拆散零件的剖视图。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
在本申请中，将螺杆钻具下放到井下作业时，处于靠近井口的一端定义为上端或者相似用语，而将处于远离井口的一端定义为下端或者相似用语。
图1显示了根据本发明的螺杆钻具10的结构。如图1所示，螺杆钻具10包括旁通阀100。旁通阀100主要用于改变液体的流向。在旁通阀100的下端连接有防掉装置600，防掉装置600用于保证螺杆钻具10在使用时的可靠性，防止其在施工过程中脱落。在防掉装置600的下方连接有螺杆马达200，螺杆马达200将压力能转化成机械能，其作为螺杆钻具10的动力部分。螺杆钻具10还包括用于传递螺杆马达200产生的扭矩和转速的传动轴总成，传动轴总成包括万向轴组件400和连接在万向轴组件400下端的止推轴承组件500。万向轴组件400与螺杆马达200相连接。止推轴承组件500的自由端用于连接钻头。
图2显示了旁通阀100的结构。如图2所示，旁通阀100包括旁通阀壳体101，旁通阀壳体101构造成大致圆筒状，在旁通阀壳体101的侧壁上设有旁通阀孔(未示出)，且在旁通阀壳体101的内部设有台肩。在旁通阀壳体101的内部安装有阀芯103和阀座106，阀芯103和阀座106构造成相适配的圆筒状结构。阀芯103套在阀座106上且可沿阀座106的轴向移动，且阀座106安装到旁通阀壳体101的内部的台肩上。在阀座106与阀芯103之间安装有弹簧104，弹簧104用于顶起阀芯103而使旁通阀100处于旁通状态。
在本实施例中，在阀座106的底部设有孔用弹性挡圈107，在一个优选的实施例中，弹性挡圈107采用B型孔用弹性挡圈。同时，在阀芯103与阀座106之间设有密封圈105，在阀芯103的上部设有密封圈102，密封圈102和密封圈105优选采用O型橡胶密封圈。此外，在阀座106的底部还设有滤套108，滤套108用于过滤钻井液中的杂质。
在施工过程中，当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀总成100时，在流体压力作用下，阀芯103在阀座106中滑动，阀芯103的运动能够改变液体的流向，使得旁通阀100有旁通和关闭两个状态。在起、下钻作业过程中，旁通阀孔未闭和，旁通阀100处于旁通状态，此时，钻柱中泥浆绕过螺杆马达200进入环空。当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯103下移而关闭旁通阀孔，此时，泥浆流经螺杆马达200，把压力能转变成机械能。当泥浆流量值过小或停泵时，弹簧104把阀芯103顶起，旁通阀孔重新处于旁通状态。
根据本发明，螺杆钻具10还包括防掉装置600，如图1所示，防掉装置600连接在旁通阀100的下游端。如图3所示，防掉装置600包括防掉外壳601，防掉外壳601构造成大致圆筒形。在防掉外壳601内安装有防掉轴603，在防掉轴603的上端安装有防掉螺母605。为了提高防掉轴601与防掉螺母605之间的紧固性，在提高防掉轴601与防掉螺母605之间设有防掉垫圈604。防掉垫圈604能够有效避免防掉轴601与放掉螺母605之间的松动，防止螺杆钻具10在施工过程中脱落，保证了螺杆钻具10的稳定性。
在本实施例中，防掉轴601设置为非焊接式的。在一个优选的实施例中，防掉轴601与防掉螺母605之间通过丝扣连接。同时，在装配时，旁通阀壳体101的下端与防掉装置600的防掉外壳601通过丝扣连接。这样，旁通阀100与防掉装置总成600通过丝扣形式装配连接，其连接方式简单，安装方便。
图4显示了螺杆钻具10中的螺杆马达200的结构。如图4所示，螺杆马达200包括定子201，定子201构造成圆筒状，且在定子201的两段内侧均设有丝扣。在定子201的内部设安装有与定子201相适配的转子202，在转子202的两端的轴向内侧均设有内丝扣。转子202构造为螺旋线弧面结构，定子201的内部构造为与转子201的螺旋弧面结构相适配的螺旋孔。螺杆马达200的这种结构能够有效提高转子202与定子201之间的配合，提高了螺杆马达200的精度与动力性能。
在本实施例中，螺杆马达200采用等长线型结构设计，并且在加工过程中采用抛光和测量等工序，严格控制转子加工尺寸精度。同时，优化螺杆马达200的橡胶材料的选择。螺杆马达200的定子201采用高硬度橡胶材料，从而使得螺杆马达200的橡胶材料的邵尔硬度处于83-88度范围内，其扯断伸长率不小于200％，撕裂强度大于40KN/m，阿克隆磨耗不大于0.3cm3/(1.61Km)。这使螺杆马达200的憋压能力由常规的1.0MPa，提高至1.3MPa，大大提升了螺杆马达200的性能，有效提高了螺杆钻具10的工作效率。
在一个实施例中，防掉外壳601与定子201通过丝扣连接，并且防掉轴603通过丝扣与转子202连接。转子202和定子201共同作用形成了螺杆钻具10内的动力部分。当泥浆流经螺杆马达200时，在螺杆马达200的进、出口形成一定的压力差，从而推动转子202绕定子201的轴线旋转，从而把压力能转变成机械能，产生转矩而带动万向轴组件400转动，最终传递给钻头进行钻井施工。
根据本发明，螺杆钻具10还包括传动轴总成。如图4所示，传动轴总成包括连接在螺杆马达200下游端的万向轴组件400。万向轴组件400包括万向轴外壳311，万向轴外壳311构造成大致圆筒状。在万向轴外壳311内安装有万向轴409，万向轴409包括直段部分和弯段部分，安装时，弯段部分处于远离井口的位置。如图4所示，万向轴409的弯段部分的长度设置为万向轴409的长度的四分之一到三分之一的范围内。优选地，万向轴409的弯曲度设为1°-1.5°。且万向轴409的弯点处于万向轴的直段部分与弯段部分的连接处，从而使得螺杆钻具10的万向轴409的弯点相比于常规的螺杆钻具的弯点向下移了一段距离，使得传动轴总成的弯点到螺杆钻具10的连接有钻头的下端面的距离为1100～1200mm，相比较于常规的螺杆钻具的传动轴弯点到连接有钻头的下端面为1450～1600mm的距离缩短了一定的距离。从而实现了将螺杆钻具10的弯点下移350-400mm的距离，这大大提高了螺杆钻具10的造斜率，提高了螺杆钻具10的钻进复合进尺比例，强化了螺杆钻具10的钻进轨迹的控制能力，同时有效提高了该螺杆钻具10的机械效率。
此外，在万向轴409的上端连接有转子接头401，在万向轴409的下端连接有传动轴接头411。在本实施例中，万向轴409通过压紧圈、密封套403、卡箍404、压块405、传动钢球406、承压钢球408、球座407等零件分别与转子接头401和传动轴接头411连接，从而形成球式万向轴结构。其中，传动钢球406设置成8球或6球结构。在本实施例中，传动钢球406优选设置成6球结构。这样使得万向轴结构更加灵活，能够有效提高钻具的性能。万向轴结构采用8球或6球结构，使得万向轴组件400的扭矩提高到了22000N.m。这保证了弯点下移条件下螺杆钻具的可靠性，大大提高了螺杆钻具10的钻进效率。
在安装连接时，首先，在转子接头401内安装上压紧圈402，并在上压紧圈402内固定安装密封套403。之后，将卡箍404压紧在密封套403上。之后，将压块405、传动钢球406、球座407、承压钢球408放置于转子接头401内。然后，将连接好的转子接头401与万向轴409的上端连接。而万向轴409的下端与传动轴接头411通过丝扣连接，在连接前，先将下压紧圈410压紧在密封套403中并安装到卡箍404、压块405、传动钢球406、球座407和承压钢球408内。之后，安装到传动轴接头411内。由此，形成了球式万向轴结构。最后，将连接好的万向轴结构安装到万向轴外壳311内。
在本实施例中，万向轴外壳311的上部的直段部分与定子201通过丝扣连接。同时，万向轴409通过转子接头401与转子202相连接。在一个实施例中，转子接头401与转子202通过丝扣连接。万向轴结构主要用于传递来自螺杆马达200的扭矩与转速。万向轴组件400通过球式万向轴结构增加了螺杆钻具10的密封腔空间，从而增加了万向轴409的大头直径，与万向轴的大头直径为65-70mm的常规螺杆钻具相比，该螺杆钻具的大头直径增加了5-7mm。这大大提高了万向轴结构的传输扭矩，使得万向轴409在扭矩校核时具有更高的安全系数，保证了扭矩的安全输出。
根据本发明，传动轴总成还包括止推轴承组件500，止推轴承组件500连接在万向轴组件400的下游端。如图5所示，止推轴承组件500包括上轴承外壳514和下轴承外壳512。上轴承外壳514和下轴承外壳512均构造成圆筒状，并且上轴承外壳514和下轴承外壳512通过丝扣连接在一起而形成止推轴承组件500的外壳部分。在一个实施例中，在上轴承外壳514和下轴承外壳512的连接处设有轴垫圈511和O型橡胶密封圈513。这样有效增强了止推轴承组件500的密封性。
根据本发明，在止推轴承组件500的轴承外壳内安装有主轴510。如图5所示，主轴510构造成台阶轴结构，且在主轴510的中心沿轴线方向设有中心孔道516。在主轴510上安装有推力轴承机构506，推力轴承机构506处于上轴承外壳514内，并且在推力轴承机构506与主轴之间安装有上径向轴承内套505和下径向轴承内套509。在推力轴承机构506的下端从上到下依次安装有止推环507和下螺母508，且止推环507和下螺母508处于下轴承外壳512内。在推力轴承机构506与上轴承壳514之间安装有上径向轴承外套504，且在推力轴承机构506的上端设置有上固定螺母502。在上固定螺母502与推力轴承机构506之间设置有密封圈503。在一个优选的实施例中，密封圈503为O型橡胶密封圈。主轴510安装好推力轴承机构506及相关零件后安装到轴承外壳514内，由此形成了止推轴承组件500。止推轴承组件500连接在万向轴组件400的下游端，其中，轴承外壳514与万向轴外壳311相连接，主轴510与万向轴409下端的传动轴接头411相连接，且通过螺钉412固定。
在本实施例中，主轴510的下端设有用于连接钻头的接头部分517。接头部分517的直径大于主轴的直径，从而在接头部分517处形成有台阶部分518。下轴承外壳512安装在主轴510上，且下轴承外壳512的底部承接在台阶部分518上，同时，在下轴承外壳512与台阶部分之间设有主轴垫圈511。安装时，止推轴承组件500中的上轴承外壳514的上端与万向轴组件400中的万向轴外壳311的下端通过丝扣连接。在一个实施例中，接头部分517的直径设置为174mm，有效提高了主轴510的传输扭矩。在一个优选的实施例中，螺杆钻具10采用5刀翼PDC钻头。
根据本发明，止推轴承组件500由常规的采用10组推力轴承改进为采用5组，从而使得推力轴承机构506的长度相比较于常规的推力轴承机构缩短了0.15-1.20m，由此，实现了缩短主轴510的长度。在一个实施例中，推力轴承机构506优选由GCr15制成。这样在保证推力轴承机构506的性能和主轴510的强度的同时，实现了缩短传动轴总成而使弯点下移的目的，从而使螺杆钻具10的弯点到连接部分517的端面的距离控制在1100-1200mm范围内。进一步缩短了螺杆钻具10的长度，同时能够保证螺杆钻具10的稳定性，有效提高了螺杆钻具10的造斜率，进一步提高了钻具的机械钻速和施工效率。
在本实施例中，在主轴510的表面上镀上一层耐磨材料。例如，在主轴510的表面上镀铬。通过在主轴外表面上镀上耐磨材料，提高了主轴510与推推力轴承之间的润滑度，有效提高了主轴510的耐磨性。
根据本发明的螺杆钻具10通过将万向轴组件400设置成球式万向轴结构，并在保证万向轴409扭矩安全输出的条件下增加了万向轴409的的大端直径，从而提高了钻具的扭矩。同时，通过对止推轴承组件500的改进，使推力轴承机构506的长度缩短了0.165m，从而缩短了主轴510的长度。由此，缩短了螺杆钻具10的长度，使螺杆钻具10的弯点距传动轴的连接有钻头的一端的距离控制在1100-1200mm的范围内。这显著提高了螺杆钻具10的造斜率，使螺杆钻具10施工井的井斜角由51.7°增至95.5°，方位角由246.41°调整到237.31°。这使得螺杆钻具10在滑动钻进时平均造斜率达到了0.30-0.40°/m。大大提高了螺杆钻具10的造斜率，提高了钻具定向施工过程中的复合进尺比例，达到了提高钻具的机械转速和施工效率的目的，同时有效地强化了螺杆钻具10对钻进轨迹的控制能力。
下面简述根据本发明的螺杆钻具10的工作原理。首先，当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀总成100时，在压力作用下，阀芯103在阀座106中滑动，阀芯103的运动能够改变液体的流向，使得旁通阀100有旁通和关闭两个状态。其中，在起、下钻作业过程中，阀座106与阀芯103的通孔未闭和，旁通阀100处于旁通状态，从而使钻柱中泥浆绕过马达进入环空。而当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯103下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流经螺杆马达200。由此，在螺杆马达200的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，从而把压力能转变成机械能。之后，通过万向轴结构将螺杆马达的转动转变为主轴510的定轴转动，从而将螺杆马达200产生的扭矩及转速传递给钻头，从而实现钻井作业。螺杆钻具10通过钻具上的弯点结构实现钻进过程中的井筒造斜，大大提高了螺杆钻具10的造斜率和钻进复合进尺比例。
下面以对比例和具体实施例详细描述本发明的螺杆钻具的技术效果。其中螺杆钻具采用PDC钻进，钻进654m-760m，钻井井眼直径为8-1/2英寸，且钻头采用5刀翼PDC，井口采用50钻机设备。模型选型确定参数之后，采用8-1/2英寸的伴随螺杆钻具进行施工。螺杆钻具的钻压设置为50KN，且螺杆钻具10的转速设置为45r/min，螺杆钻具10的钻进的进尺范围为3292m-3540m。以下通过对比例与各具体实施例的具体参数进行说明。
通过对上述对比例和各实施例进行对比，可知本发明通过弯点下移0.1-0.12m，显著提高了螺杆钻具的造斜率，有效提高了钻进复合进尺比例，有效强化了螺杆钻具的钻进轨迹的控制能力。
根据本发明的螺杆钻具10通过结构改进，其万向轴组件400通过采用万向轴结构，在满足万向轴扭矩的情况下，将螺杆钻具10中的万向轴409的弯点相比于常规钻具中的万向轴的弯点下移0.1-0.12m。并且利用内部加工工艺提高了螺杆橡胶材料的性能，提高了螺杆马达的加工精度，保证了螺杆钻具10的传递扭矩与转速的可靠性。同时，止推轴承组件500通过缩短推力轴承机构506的长度而达到缩短主轴510的长度。由此，螺杆钻具10通过缩短传动轴总成的长度，从而缩短了螺杆钻具10的弯点至连接有钻头的传动轴的端面的距离，使其控制在1100～1200mm范围内，这相比较于常规的螺杆钻具的传动轴弯点到连接有钻头的下端面为1450～1600mm的距离缩短了350-400mm。这在不改变螺杆钻具10的弯角的条件下，大大提高了螺杆的造斜率，既保证了复合状态下螺杆钻具10的可靠性，又提高了定向施工过程中的复合进尺比例，达到了提高机械钻速，提高定向施工效率的目的。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种螺杆钻具（10），包括：
用于控制钻杆中泥浆流向的旁通阀（100）；
设置在所述旁通阀下游端的螺杆马达（200），所述螺杆马达包括定子（201）和转子（202）；
与所述螺杆马达相连接的用于传递所述螺杆马达产生的转矩和转速的传动轴总成，所述传动轴总成包括万向轴组件（400）和止推轴承组件（500），所述止推轴承组件包括主轴和设置在所述主轴上的推力轴承机构；
其中，所述万向轴组件设置成球式万向轴结构，所述万向轴组件包括万向轴（409），所述万向轴包括与所述螺杆马达连接的第一部分和与所述止推轴承组件连接的第二部分，且在所述第一部分与所述第二部分的连接处形成了弯点，
其中，所述万向轴的第二部分的长度与所述万向轴的长度的比为25-35%，所述万向轴的弯曲度设为1°-1.5°，并且所述螺杆钻具的弯点到所述主轴的连接有钻头的端面的距离处于1100-1200mm的范围内。
2.根据权利要求1所述的螺杆钻具，其特征在于，所述万向轴的上端和下端分别设有转子接头（401）和传动轴接头（411）。
3.根据权利要求2所述的螺杆钻具，其特征在于，在所述万向轴与所述转子接头及所述传动轴接头之间均设有传动钢球（406）和球座（407），且在所述球座中均设有承压钢球（408），从而形成了球式万向轴结构。
4.根据权利要求3所述的螺杆钻具，其特征在于，所述球式万向轴结构中的所述传动钢球设为8球或6球结构。
5.根据权利要求1或2所述的螺杆钻具，其特征在于，所述推力轴承机构由GCr15制成。
6.根据权利要求1或2所述的螺杆钻具，其特征在于，所述螺杆马达采用的橡胶材料的邵尔硬度在83-88度范围内，且其拉断伸长率不小于200%，撕裂强度大于40kN/m。
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