CN110685592B - 一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，包括涡轮节、变速支承节和钻头节，涡轮节包括上壳体、涡轮轴和多套涡轮组件，涡轮组件重叠固定在上壳体内，涡轮轴与多套涡轮组件固定连接；钻头节包括下壳体和钻头连接轴；变速支承节包括中壳体、支承机构和变速机构，变速机构包括输入轴、输出轴和多套行星变速组件，输入轴的上端与涡轮轴固定连接，输出轴的下端与钻头连接轴固定连接，输入轴的下端和输出轴的上端均与多套行星变速组件连接；支承机构包括上推力轴承组和下推力轴承组，上推力轴承组和下推力轴承组均包括多套推力轴承组件。本发明解决了现有涡轮钻具不能满足小直径、大功率、低转速要求和需要频繁更换支承节的技术问题。

Description

一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，尤其涉及一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具。

背景技术

现有技术中石油钻井用井下动力装置有三种，分别为螺杆钻具、涡轮钻具和电动钻具。其中涡轮钻具是石油钻井工程中非常重要的井下动力装置。涡轮钻具是利用高压钻井液作能源，在井下驱动钻头，完成钻井工作的。它具有结构简单，使用方便，耐高温、钻深井、转速高、功率大、寿命长等特点，在石油钻井工程中得到广泛地应用。但因涡轮钻具输出转速高(600-1500r/min),不能与常规常用的低转速（低转速指400r/min以下）钻头配合使用，例如不能与工作转速要求在100-300r/min内的PDC钻头配合使用，导致涡轮钻具的应用受到很大的限制。

为了解决上述技术问题，中国专利公告号为CN2583344Y的现有技术在2003年10月29日公开了一种组合式减速涡轮钻具，其至少包括涡轮节、涡轮钻具中间支承节和减速装置，涡轮节、涡轮钻具中间支承节和减速装置自上而下顺次设置，各部分的两端通过连接装置与相邻部分彼此连接。该专利使涡轮钻具整机的安装、维修更加方便和快捷；减速装置在充油密封润滑条件下工作，可靠性更高，使用寿命更长；同时，减速装置还能够使涡轮钻具的输出扭矩和工作转速更适合于现有高速牙轮钻头和PDC钻头，较大幅度提高钻速。但在实际钻井应用过程中，该专利是通过增加专门的支承节来解决钻杆轴向力大的问题，但由于钻具的轴向力很大，因此导致其支承节寿命短，钻井过程中需要频繁更换，不仅增加了成本，还影响钻井效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，本发明使得涡轮钻具能适配低转速钻头，解决了现有涡轮钻具不能满足小直径、大功率和低转速要求的技术问题；同时通过在内部设置推力轴承组件代替支承节承担了钻杆轴向力大的技术问题，解决了需要频繁更换支承节的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：包括从上至下依次设置的涡轮节、变速支承节和钻头节，所述涡轮节包括上壳体、涡轮轴和多套涡轮组件，多套涡轮组件重叠固定在上壳体内，涡轮轴与多套涡轮组件固定连接；所述钻头节包括下壳体和设置在下壳体内的钻头连接轴；所述变速支承节包括中壳体、支承机构和变速机构，所述中壳体的两端分别与上壳体和下壳体固定连接，所述变速机构包括输入轴、输出轴和多套重叠固定在中壳体内的行星变速组件，输入轴的上端与涡轮轴固定连接，输出轴的下端与钻头连接轴固定连接，输入轴的下端和输出轴的上端均与多套行星变速组件连接；所述支承机构包括上推力轴承组和下推力轴承组，上推力轴承组和下推力轴承组均包括多套推力轴承组件，上推力轴承组的多套推力轴承组件重叠固定在输入轴的上部，下推力轴承组的多套推力轴承组件重叠固定在输出轴的下部。

所述行星变速组件包括内齿圈、行星轮、行星架和太阳轮，多套行星变速组件的内齿圈依次相互密封固定连接，输入轴的下端为太阳轮齿轴，分别与多套行星变速组件中的行星轮相啮合；输出轴的上端为行星架，多套行星变速组件中的行星轮安装在行星架上面。

所述变速支承节还包括固定在中壳体内的上轴承套和下轴承套，上推力轴承组通过压盖和锁紧螺母固定在上轴承套与输入轴之间，下推力轴承组通过压盖和锁紧螺母固定在下轴承套与输出轴之间；上轴承套与多套行星变速组件中最上端的内齿圈密封固定连接，下轴承套与多套行星变速组件中最下端的内齿圈密封固定连接。

所述上轴承套与输入轴之间固定设置有上锁紧推力轴承，该上锁紧推力轴承位于上推力轴承组的下方；所述下轴承套与输出轴之间固定设置有下锁紧推力轴承，该下锁紧推力轴承位于下推力轴承组的上方。

所述上推力轴承组和下推力轴承组中的每组推力轴承组件内均设置有用于起轴向隔离作用的隔套。

所述变速支承节内设置有分别与涡轮节和钻头节相通的流道，所述钻头连接轴的径向开设有与流道相通的进液口，轴向开设有出液口。

所述流道由开设在上轴承套外表面的沟槽、内齿圈外表面的沟槽和下轴承套外表面的沟槽组合形成。

所述涡轮轴通过连接套A与输入轴固定连接，所述钻头连接轴通过连接套B与输出轴固定连接。

所述连接套A和连接套B均为螺纹套或花键套。

采用本发明的优点在于：

1、本发明的关键之处在于对现有的涡轮钻具采用了叠加思路进行改进，具体的，通过将多套涡轮组件叠加地安装在涡轮节内和将多套行星变速组件叠加地安装在变速器节内，就能够形成一种具有大功率、低转速的新型减速涡轮钻具。将多套推力轴承叠加地安装在输入轴和输出轴上，就能通过推力轴承承担涡轮轴向下的轴向力和钻头连接轴向上的轴向力。与现有技术相比，本发明不仅提高了涡轮钻具的技术性能和工作寿命，还解决了涡轮钻具大功率无外支承节的难题。

2、本发明可以有效地将涡轮钻具输出转速控制在（200～500r/min），能够适应现有石油技术钻井用的大部分钻头（如PDC钻头）的使用要求，特别适用于深井和超深井的场合。

3、本发明中推力轴承组件设置在密封的轴承套内，且工作时采用油润滑，相比外部支承节而言，不再需要频繁地更换外部支承节，不仅大大地延长了工作寿命，还提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明中行星变速组件的安装结构示意图；

图3是本发明中上推力轴承组的安装结构示意图；

图4是本发明中下推力轴承组的安装结构示意图；

图中的标记为：1、涡轮节，2、涡轮组件，3、涡轮轴，4、连接套A，5、输入轴，6、中壳体，7、变速支承节，8、输出轴，9、连接套B，10、钻头节，11、钻头连接轴，12、行星变速组件，13、内齿轮，14、行星轮，15、行星架，16、上壳体，17、下壳体，18、压盖，19、锁紧螺母，20、均载碟簧，21、轴承隔套，22、推力轴承，23、推力轴承组件，24、上锁紧推力轴承，25、下锁紧推力轴承，26、流道，27、隔套，28、上推力轴承组，29、下推力轴承组，30、上轴承套，31、下轴承套，32、进液口，33、出液口。

具体实施方式

本发明提供了一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，如图1所示，包括从上至下依次设置的涡轮节1、变速支承节7和钻头节10，所述涡轮节1、变速支承节7和钻头节10的组成、位置、连接关系具体如下：

所述涡轮节1包括上壳体16、涡轮轴3和多套涡轮组件2，优选涡轮组件2的数量为95—108套，多套涡轮组件2重叠固定在上壳体16内。其中，涡轮组件2为现有常规产品，其包括定子和转子，涡轮轴3与多套涡轮组件2中的转子固定连接。

所述钻头节10包括下壳体17和设置在下壳体17内的钻头连接轴11。

所述变速支承节7包括中壳体6、支承机构和变速机构，所述中壳体6的两端分别与上壳体16和下壳体17螺纹固定连接，且连接处均设置有密封圈。如图2所示，所述变速机构包括输入轴5、输出轴8和多套重叠固定在中壳体6内的行星变速组件12，输入轴5的上端通过连接套A4与涡轮轴3固定连接，输出轴8的下端通过连接套B9与钻头连接轴11固定连接，连接套A4和连接套B9均优选为螺纹套或花键套；多套行星变速组件重叠固定能实现小直径大功率的作用。行星变速组件12包括内齿圈、行星轮14、行星架15和太阳轮，多套行星变速组件12的内齿圈依次相互密封固定连接，输入轴5的下端为太阳轮齿轴，太阳轮齿轴是由多套行星变速组件12中的太阳轮固定在一起形成的，太阳轮齿轴分别与多套行星变速组件12中的行星轮14相啮合；输出轴8的上端为行星架15，多套行星变速组件12中的行星轮14安装在行星架15上面。其中，优选行星变速组件12的数量为3-15套。行星变速组件12采用重叠固定的结构，使得其承载能力是各行星变速组件12之和。所述支承机构包括上推力轴承组28和下推力轴承组29，上推力轴承组28和下推力轴承组29均包括多套推力轴承组件23，优选上推力轴承组28中推力轴承组件23的数量为2-8套，优选下推力轴承组29中推力轴承组件23的数量为2-4套，推力轴承组件23包括推力轴承22、均载碟簧20和轴承隔套21。上推力轴承组28的多套推力轴承组件23重叠固定在输入轴5的上部，用于共同承担涡轮轴3向下的轴向力；下推力轴承组29的多套推力轴承组件23重叠固定在输出轴8的下部，用于共同承担钻头连接轴11向上的轴向力。

本发明中，如图3、4所示，所述变速支承节7还包括螺纹固定在中壳体6内的上轴承套30和下轴承套31，上轴承套30与多套行星变速组件12中最上端的内齿圈密封固定连接，下轴承套31与多套行星变速组件12中最下端的内齿圈密封固定连接；上轴承套30内和下轴承套31内根据需要设置有用于安装各部件的台阶，上推力轴承组28通过位于上推力轴承组28上方的压盖18和锁紧螺母19固定在上轴承套30与输入轴5之间，且上推力轴承组28的每套推力轴承组件23内设置有用于起轴向隔离作用的隔套27；下推力轴承组29通过位于下推力轴承组29下方的压盖18和锁紧螺母19固定在下轴承套31与输出轴8之间，且下推力轴承组29的每套推力轴承组件23内设置有用于起轴向隔离作用的隔套27。进一步的，所述上轴承套30与输入轴5之间固定设置有上锁紧推力轴承24，该上锁紧推力轴承24位于上推力轴承组28的下方；所述下轴承套31与输出轴8之间固定设置有下锁紧推力轴承25，该下锁紧推力轴承25位于下推力轴承组29的上方。

本发明中，所述变速支承节7内设置有流道26，该流道26优选由开设在上轴承套30外表面的沟槽、内齿圈外表面的沟槽和下轴承套31外表面的沟槽组合形成。位于上推力轴承组28上方的压盖18和位于下推力轴承组29下方的压盖18上均设置有通孔，流道26的两端分别通过通孔与涡轮节1内部和钻头节10内部相通。所述钻头连接轴11的径向开设有与流道26相通的进液口32，轴向开设有出液口33。

本发明的工作原理为：

1，涡轮节1内，将冲洗液送入涡轮节1，在冲洗液的冲击作用下，冲洗液带动涡轮组件2的转子高速转动，从而带动涡轮轴3高速转动。

2，变速支承节7内，高速转动的涡轮轴3将带动输入轴5高速转动，高速转动的输入轴5经行星变速组件12减速后，带动输出轴8低转速转动。

3，钻头节10内，输出轴8带动连接在钻头连接轴11上的钻头转动。

在上述过程中，冲洗液经过涡轮节1后，通过流道26进入钻头节10的下壳体17与钻头连接轴11之间，并经进液口32进入钻头连接轴11，再经出液口33流出。

Claims (9)

1.一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：包括从上至下依次设置的涡轮节（1）、变速支承节（7）和钻头节（10），所述涡轮节（1）包括上壳体（16）、涡轮轴（3）和多套涡轮组件（2），多套涡轮组件（2）重叠固定在上壳体（16）内，涡轮轴（3）与涡轮组件（2）固定连接；所述钻头节（10）包括下壳体（17）和设置在下壳体（17）内的钻头连接轴（11）；所述变速支承节（7）包括中壳体（6）、支承机构和变速机构，所述中壳体（6）的两端分别与上壳体（16）和下壳体（17）固定连接，所述变速机构包括输入轴（5）、输出轴（8）和多套重叠固定在中壳体（6）内的行星变速组件（12），输入轴（5）的上端与涡轮轴（3）固定连接，输出轴（8）的下端与钻头连接轴（11）固定连接，输入轴（5）的下端和输出轴（8）的上端均与行星变速组件（12）连接；所述支承机构包括上推力轴承组（28）和下推力轴承组（29），上推力轴承组（28）和下推力轴承组（29）均包括多套推力轴承组件（23），上推力轴承组（28）的多套推力轴承组件（23）重叠固定在输入轴（5）的上部，下推力轴承组（29）的多套推力轴承组件（23）重叠固定在输出轴（8）的下部。

2.根据权利要求1所述的一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：所述行星变速组件（12）包括内齿圈、行星轮（14）、行星架（15）和太阳轮，多套行星变速组件（12）的内齿圈依次相互密封固定连接，输入轴（5）的下端为太阳轮齿轴，分别与多套行星变速组件（12）中的行星轮（14）相啮合；输出轴（8）的上端为行星架（15），多套行星变速组件（12）中的行星轮（14）安装在行星架（15）上面。

3.根据权利要求1所述的一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：所述变速支承节（7）还包括固定在中壳体（6）内的上轴承套（30）和下轴承套（31），上推力轴承组（28）通过压盖（18）和锁紧螺母（19）固定在上轴承套（30）与输入轴（5）之间，下推力轴承组（29）通过压盖（18）和锁紧螺母（19）固定在下轴承套（31）与输出轴（8）之间；上轴承套（30）与多套行星变速组件（12）中最上端的内齿圈密封固定连接，下轴承套（31）与多套行星变速组件（12）中最下端的内齿圈密封固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：所述上轴承套（30）与输入轴（5）之间固定设置有上锁紧推力轴承（24），该上锁紧推力轴承（24）位于上推力轴承组（28）的下方；所述下轴承套（31）与输出轴（8）之间固定设置有下锁紧推力轴承（25），该下锁紧推力轴承（25）位于下推力轴承组（29）的上方。

5.根据权利要求3所述的一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：所述上推力轴承组（28）和下推力轴承组（29）中的每套推力轴承组件（23）内均设置有用于起轴向隔离作用的隔套（27）。

6.根据权利要求3所述的一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：所述变速支承节（7）内设置有分别与涡轮节（1）和钻头节（10）相通的流道（26），所述钻头连接轴（11）的径向开设有与流道（26）相通的进液口（32），轴向开设有出液口（33）。

7.根据权利要求6所述的一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：所述流道（26）由开设在上轴承套（30）外表面的沟槽、内齿圈外表面的沟槽和下轴承套（31）外表面的沟槽组合形成。

8.根据权利要求1所述的一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：所述涡轮轴（3）通过连接套A（4）与输入轴（5）固定连接，所述钻头连接轴（11）通过连接套B（9）与输出轴（8）固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种石油钻井用无支承节减速涡轮钻具，其特征在于：所述连接套A（4）和连接套B（9）均为螺纹套或花键套。

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