CN110685601A - 一种用于钻井工具的导向螺杆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于钻井工具的导向螺杆，包括：用于控制钻杆中泥浆流入所述导向钻杆的旁通阀总成；设置在所述旁通阀总成下游端的马达总成；设置在所述马达总成下游端的用于将所述马达总成的旋转动力传递给钻头的传动轴总成；其中，所述传动轴总成包括用于连接所述传动轴总成的传动轴外壳和设置在所述传动轴外壳内的传动轴，所述传动轴上安装有用于承载钻头钻压的串轴承，且在所述传动轴处设有TC套组件，所述TC套组件用于承载所述马达总成的偏心运动、所述万向轴总成的轴体摆动及所述传动轴的径向力。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井工具技术领域，具体地涉及一种用于钻井工具的导向螺杆。
背景技术
近几年，近钻头导向工具在油气开采的水平井、大位移井和复杂井等井中使用的越来越广泛。近钻头导向工具靠近钻头，可以及时确定井底地层情况和井眼轨迹，进而制定相应方案以确保钻具的工作性能。
目前，国内对导向螺杆的研究和生产已有几十年的历史，现在对导向螺杆原理的研究已有相当的水平和经验，导向螺杆的设计已经形成了一套成熟的设计理念和思路。导向螺杆的结构包括旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成四大部分。
然而，在施工过程中，近钻头导向工具连接在导向螺杆前面，而常规的导向螺杆在设计的过程中只考虑加上钻头的安全特性，并没有考虑近钻头导向工具对导向螺杆的受力影响及安全性。由此，导向螺杆在钻进过程中，滑动导向和复合钻井导向能力较差，且导向钻杆的寿命低，井下安全系数低。
发明内容
针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于钻井工具的导向螺杆，该导向螺杆通过结构参数的优化，保证了钻进系统具有合理的滑动导向和复合钻井导向能力，并且能使井眼具有较好的光滑度。同时，能够有效提高导向螺杆的使用寿命以及井下安全系数，增强了导向螺杆的综合性能。此外，该导向螺杆提高了定向段施工效率，结构简单，工艺成熟，便于推广应用。
为此，根据本发明，提供了一种用于钻井工具的导向螺杆，包括：用于控制钻杆中泥浆流向的旁通阀总成；设置在所述旁通阀总成下游端的马达总成；设置在所述马达总成下游端的用于将所述马达总成的旋转动力传递给钻头的传动轴总成；其中，所述传动轴总成包括用于连接所述传动轴总成的传动轴外壳和设置在所述传动轴外壳内的传动轴，所述传动轴上安装有用于承载钻头钻压的串轴承，且在所述传动轴处设有TC套组件，所述TC套组件用于承载所述马达总成的偏心运动、所述万向轴总成的轴体摆动及所述传动轴的径向力。
在一个优选的实施例中，所述TC套组件包括分别安装在所述传动轴上部和下部的第一TC动套和第二TC动套，以及分别安装在所述第一TC动套和所述第二TC动套上的第一TC静套和第二TC静套。
在一个优选的实施例中，所述第一TC静套和第二TC静套的最大外径大于所述传动轴外壳的内径。
在一个优选的实施例中，所述第一TC静套与所述传动轴外壳相对静止，所述第二TC动套与所述传动轴相对静止。
在一个优选的实施例中，在所述第一、第二TC静套的内表面和所述第一、第二TC动套的外表面均镶嵌有金刚石复合片。
在一个优选的实施例中，所述串轴承由硬质合金材料制成。
在一个优选的实施例中，所述串轴承的压力角为55°。
在一个优选的实施例中，在所述传动轴外壳的外壁上安装有稳定器，所述稳定器上镶嵌有合金柱。
在一个优选的实施例中，所述马达总成包括马达外壳和设置在所述马达外壳内的定子和转子，所述定子通过在所述马达外壳内壁上压注橡胶衬套而成。
在一个优选的实施例中，在所述转子的表面设有涂层。
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用于钻井工具的导向螺杆的结构。
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
下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本申请中，在将导向螺杆下放到井下作业时，处于靠近井口的一端定义为“上游端”或者相似用语，而将处于远离井口的一端定义为“下游端”或者相似用语。
图1显示了根据本发明的用于钻井工具的导向螺杆100的结构。如图1所示，导向螺杆100包括旁通阀总成50。旁通阀总成50主要用于控制泥浆能否流入导向螺杆100内。在旁通阀总成50的下端连接有防掉总成40，防掉总成40用于防止螺杆因异常原因造成壳体断裂或脱扣以避免落井事故，同时，能够使泵压升高，从而使地面发现问题并及时作出相应的措施，提高导向螺杆的安全性。在防掉总成40的下方连接有马达总成30，马达总成30将压力能转化成机械能，其作为导向螺杆100的动力部分。马达总成30的下端连接有万向轴总成20，其用于传递马达总成产生的动力。万向轴总成20的下端连接有传动轴总成10，在传动轴总成10的末端连接有钻头。传动轴总成10用于将马达总成30的旋转动力传递给钻头，并用于承受钻压所产生的轴向和径向载荷。
如图1所示，旁通阀总成50设置在导向螺杆100的最上端。旁通阀总成50用于连接管道，其有旁通和关闭两个状态，用于控制泥浆的流动。在起、下钻作业过程中，旁通阀50通常处于旁通状态，此时，导向螺杆100中的泥浆绕过马达总成30进入环空。当泥浆流量和压力达到标准设定值时，旁通阀50处于关闭状态，此时，泥浆流经马达总成30，把压力能转变成机械能。当泥浆流量值过小或停泵时，旁通阀孔重新处于旁通状态。
根据本发明，马达总成30连接在旁通阀总成50的下端。如图1所示，马达总成30包括定子301和转子302，以及设置在定子301外部的马达外壳303。根据本发明，定子301通过在马达外壳303的内壁上压注橡胶衬套而成。在一个实施例中，橡胶内孔为具有一定几何参数的螺旋，橡胶可以采用丁腈橡胶，也可以采用高饱和丁腈橡胶。转子302构造成螺杆，且在转子302表面设有涂层，以在转子302表面上形成一个薄硬层，从而显著提高转子302的耐磨性和耐腐蚀性。由此，降低了在复杂的应力工作环境下钻井液对转子302表面的腐蚀，显著提高了转子302的使用寿命。
在本实施例中，涂层主要用于增加转子302表面的耐磨、耐腐蚀、耐冲刷性能，可以采用陶瓷粉末。例如氧化铝粉末、碳化硅粉末、氧化锆粉末。当然也可以采用高分子材料，例如改性环氧树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚醚酮等材料。还可以是一些合金粉末，例如碳化钨粉末。涂层能够显著有效地提高转子302的耐磨、耐腐蚀、耐冲刷性能，能够延长转子302的使用寿命，有效增强了马达总成30的性能。
在本实施例中，定子301与转子302相互啮合，通过定子301与转子302的导程差而形成的螺旋密封线，同时形成密封腔。随着转子302在定子301中的转动，该密封腔沿着轴向移动，不断的生成与消失，从而将泥浆的压力能装换成机械能以完成其能量转换。马达总成30的这种结构有效提高了转子302与定子301之间的配合，显著提高了马达总成30的精度与动力性能。
根据本发明，在旁通阀总成50与马达总成30之间设有防掉总成40。防掉总成40用于防止导向螺杆100由于异常原因造成壳体断裂或脱扣，从而避免落井事故，以保证导向螺杆100的稳定性能。同时，防掉总成40能够在紧急情况下升高泵压，从而使地面能够及时发现问题并及时反应作出相应措施。
如图1所示，在马达总成30的下方连接有万向轴总成20。万向轴总成20包括万向轴外壳201，万向轴外壳201构造成大致圆筒状，且在万向轴外壳201内安装有万向轴202。万向轴总成20用于传递马达总成30的动力。
根据本发明，螺旋导杆100还包括传动轴总成10。如图1所示，传动轴总成10连接在万向轴总成20的下端。施工时，传动轴总成10下端连接有钻头。传动轴总成10主要用于将马达总成30的旋转动力传递给钻头，同时，用于承受钻压所产生的轴向和径向载荷。
如图1所示，传动轴总成10包括传动轴外壳102。传动轴外壳102构造成圆筒状。在一个实施例中，传动轴外壳102的上端设有锥形连接扣，传动轴外壳102通过螺纹连接安装到万向轴总成20的下端。在传动轴外壳102内同心安装有传动轴101。传动轴101构造成台阶轴结构，且在传动轴101的中心沿轴线方向设有中心孔道130，用于导出泥浆。根据本发明导向螺杆100，其增加了传动轴101的直径，从而达到增强传动轴101的承载能力的作用。与传动轴的最小直径为80mm的常规螺杆相比，该导向螺杆100中的传动轴101的最小直径设置为90mm。通过实际施工中的应用，优化后的传动轴101使得导向螺杆100的承载能力增加了近25％，并且显著增强了传动轴101的传动性能，提高了导向螺杆100的工作性能和安全性能。
另外，为了提升传动轴101的材料性能，传动轴101可由材料40CrNiMoA制成。同时，传动轴101加工之后，对传动轴101进行一系列后续处理以增强传动轴101的各项性能。例如，对传动轴101进行热处理，具体地，使用850℃淬火，600℃回火，并对传动轴101进行喷丸处理，以对传动轴101表面进行强烈的冲击，使传动轴101表面发生塑性变形，从而达到强化表面和改变表面状态以延长传动轴101的使用寿命。
根据本发明，在传动轴101处安装有TC套组件。这里需要说明的是，TC套组件是一组径向TC轴承，其可以硬质合金轴承或碳化钨轴承，其中，TC是指碳化钨，其是生产硬质合金的主要原料。如图1所示，TC套组件包括设置在传动轴101的上部和下部的第一TC动套106和第二TC动套111。同时，在第一TC动套106和第二TC动套111上分别安装有第一TC静套105和第二TC静套110。第一TC动套106、第一TC静套105和第二TC动套111、第二TC静套110安装在传动轴101上，主要用于承载马达总成30中的转子302的偏心运动、万向轴总成20中的万向轴轴体的摆动和传动轴101自身的定轴旋转产生的径向力。由此，提高导向螺杆100的导向能力和传动轴101的传动性能。
在本实施例中，在第一TC静套105、第二TC静套110的内表面和第一TC动套106、第二TC动套111的外表面均镶嵌有金刚石复合片(PDC)。有效降低了第一TC动套106、第一TC静套105和第二TC动套111、第二TC静套110在工作时受钻井液的冲蚀磨损，从而有效延长了第一TC动套106、第一TC静套105和第二TC动套111、第二TC静套110的使用寿命，同时，显著增强其承载能力。
如图1所示，传动轴外壳102安装在第一TC静套105和第二TC静套110的外侧。在本实施例中，第一TC静套105和第二TC静套110的最大外径均设置成大于传动轴外壳102的内径。在第一TC静套105与传动轴外壳102之间安装有键104，从而使第一TC静套105与传动轴外壳102相对静止。同时，在传动轴101的下端安装有锁母109。锁母109用于将第二TC动套111锁紧在传动轴101上，从而使第二TC动套111与传动轴101相对静止，从而增强传动轴总成10的稳定性。由此，通过第一TC动套106、第一TC静套105和第二TC动套111、第二TC静套110能够有效防止传动轴101掉落。在本实施例中，在锁母109的外侧安装有隔套108，隔套108对锁母109能够起到很好的支撑作用，从而保证第二TC动套111与传动轴101之间的稳定性能。另外，由第一TC动套106、第一TC静套105和第二TC动套111、第二TC静套110形成的TC套组件与防掉总成40形成三级防掉系统，进一步提高导向螺杆100的防掉性能和安全性能。
根据本发明，在传动轴101上还安装有串轴承103。如图1所示，串轴承103安装在第一TC动套106与第二TC动套111之间。串轴承103主要用于承载钻头的钻压。在一个实施例中，串轴承103采用硬质合金材料制成，这样能够有效降低串轴承103在工作过程中受到的钻井液的冲蚀磨损。此外，为了串轴承103的轴向承载能力，将轴承压力角由常规的45°设置为55°。这样，串轴承103显著增强了传动轴101对钻头钻压的承载能力，有效提高了钻头的钻进能力，进一步提高了导向螺杆100的导向性能。
另外，在传动轴101上安装有水帽107。传动轴101与水帽107之间密封，例如，在传动轴101与水帽107之间设有密封圈，从而确保泥浆从传动轴101的中心孔道130中通过。在本实施例中，在水帽107与第一TC动套106的端面之间设有配合止口121。该配合止口121用于减轻万向轴的摆动对传动轴101小头的侧向力。同时，第二TC动套111的承压面为外端面承压并增加有扶正止口122。该扶正止口122能够有效避免第二TC动套111上设有的防掉螺纹退刀槽过早损坏，提高了防掉性能的可靠性。
此外，为了进一步增强导向螺杆100的导向性能和稳定性能。在传动轴外壳102的外侧设有稳定器60。稳定器60设置在传动轴外壳102上且处于传动轴101的最下端，有效增强了导向螺杆100的造斜率，进一步提高了导向螺杆100的安全性能。在一个实施例中，在稳定器60上镶嵌有合金柱，该合金柱优选型号为φ12x10mm的合金柱，从而显著提高了稳定器60的耐磨性。
根据本发明的用于钻井工具的导向螺杆100优化了传动轴101的结构，改进了传动轴101的制造材料，并通过一系列加工处理提高了传动轴101的强度。同时，优化了马达总成30中的转子302的表面涂层的材料及工艺，对串轴承103进行了优化设计，提高串轴承103的轴承压力角。完善了防掉系统和稳定器60的结构，增强了导向螺杆100的造斜率，大大提高了导向螺杆100的综合性能。从而有效保证了钻进系统具有合理的滑动导向和复合钻井导向能力，并且能使井眼具有较好的光滑度。这些都有效提高了导向螺杆100的使用寿命以及井下安全系数，增强了导向螺杆100的综合性能。此外，该导向螺杆100提高了定向段施工效率，结构简单，工艺成熟，便于推广应用。
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 (10)
1.一种用于钻井工具的导向螺杆(100)，包括：
用于控制钻杆中泥浆流向的旁通阀总成(50)；
设置在所述旁通阀总成下游端的马达总成(30)；
设置在所述马达总成下游端的用于将所述马达总成的旋转动力传递给钻头的传动轴总成(10)；
其中，所述传动轴总成包括用于连接所述传动轴总成的传动轴外壳(102)和设置在所述传动轴外壳内的传动轴(101)，所述传动轴上安装有用于承载钻头钻压的串轴承(103)，且在所述传动轴处设有TC套组件，所述TC套组件用于承载所述马达总成的偏心运动、所述万向轴总成的轴体摆动及所述传动轴的径向力。
2.根据权利要求1所述的导向螺杆，其特征在于，所述TC套组件包括分别安装在所述传动轴上部和下部的第一TC动套(106)和第二TC动套(111)，以及分别安装在所述第一TC动套和所述第二TC动套上的第一TC静套(105)和第二TC静套(110)。
3.根据权利要求2所述的导向螺杆，其特征在于，所述第一TC静套和第二TC静套的最大外径大于所述传动轴外壳的内径。
4.根据权利要求2或3所述的导向螺杆，其特征在于，所述第一TC静套与所述传动轴外壳相对静止，所述第二TC动套与所述传动轴相对静止。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的导向螺杆，其特征在于，在所述第一、第二TC静套的内表面和所述第一、第二TC动套的外表面均镶嵌有金刚石复合片。
6.根据权利要求1所述的导向螺杆，其特征在于，所述串轴承由硬质合金材料制成。
7.根据权利要求6所述的导向螺杆，其特征在于，所述串轴承的压力角为55°。
8.根据权利要求1到4中任一项所述的导向螺杆，其特征在于，在所述传动轴外壳的外壁上安装有稳定器(60)，所述稳定器上镶嵌有合金柱。
9.根据权利要求7所述的导向螺杆，其特征在于，所述马达总成包括马达外壳和设置在所述马达外壳内的定子(301)和转子(302)，所述定子通过在所述马达外壳内壁上压注橡胶衬套而成。
10.根据权利要求9所述的导向螺杆，其特征在于，在所述转子的表面设有涂层。
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