CN112031671B - 一种复合动力钻具连接头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合动力钻具连接头，属井下工具技术领域。壳体内通过串联轴承装有传动轴，串联轴承一端的壳体与传动轴之间设置有上TC动套和上TC静套，串联轴承另一端的壳体与传动轴之间设置有下TC动套和下TC静套。该连接头的一端与螺杆钻具的万向轴相连，另一端与涡轮钻具的涡轮主轴相连，螺杆马达产生的机械能通过连接头的传动轴传递给涡轮主轴，同时钻井液由传动轴内部的通道进而作用于涡轮叶片上，既实现螺杆钻具和涡轮钻具的连接，传递机械能，又能平衡螺杆马达和涡轮马达产生的轴向应力。在井下复杂工况下，连接螺杆马达和涡轮钻具的复合动力钻具连接头能满足钻井作业的要求，可以有效的延长复合动力钻具的使用寿命，提高钻井速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合动力钻具连接头，属井下工具技术领域。
背景技术
目前，随着我国油气藏开采向超深井的发展，对于井下动力钻具的性能要求进一步提高，一方面需要提高钻头的转速，另一方面需要增大扭矩，从而提高机械钻速，降低钻井成本，满足超深井钻井需求。螺杆钻具和涡轮钻具作为目前主要使用的井下动力钻具，各有其优缺点。螺杆钻具是依据莫依诺原理制造的容积式井下动力机械。目前主要使用的螺杆钻具具有低转速高扭矩的特点。涡轮钻具的原理是利用涡流在叶片两面产生的压差来使转子发生转动，涡轮钻具具有高转速低扭矩的特点。螺杆钻具有硬的机械特性，过载能力强；而涡轮钻具有软的机械特性，过载能力差，随着钻压增大导致切削阻力矩增大时，会引起转速下降，易被“压死”而造成制动。涡轮钻具的转速明显高于螺杆钻具，而螺杆钻具的压降远小于涡轮钻具。
由此可见，螺杆钻具和涡轮钻具钻井性能互补，因此，有必要研究一个连接器连接螺杆钻具和涡轮钻具，使连接的井下动力钻具同时具有高转速和高扭矩的特点。为有效的发挥螺杆钻具和涡轮钻具的优势，故亟需发明一种可以有效组合螺杆钻具和涡轮钻具、并具有通用性和互换性的复合动力钻具连接头。从而加快钻井速度，降低钻井成本。发明内容
本发明的目的在于：提供一种可连接螺杆钻具和涡轮钻具，从而组成一种复合动力钻具，使该复合动力钻具不仅具有螺杆钻具高扭矩和涡轮钻具高转速的特点，且还具有一定互换性和通用性的复合动力钻具连接头。
本发明的技术方案是：
一种复合动力钻具连接头，它由传动轴、壳体、串联轴承、上TC静套和下TC静套构成，其特征在于：壳体内通过串联轴承装有传动轴，串联轴承一端的壳体与传动轴之间设置有上TC动套和上TC静套，串联轴承另一端的壳体与传动轴之间设置有下TC动套和下TC静套，所述的传动轴为管状体。
所述的传动轴一端端口呈喇叭状，端口圆周升呈120°均布有圆孔。
所述的上TC动套与传动轴螺纹连接，上TC静套通过半圆柱键与壳体连接。
所述的下TC动套与传动轴螺纹连接，下TC静套与壳体螺纹连接。
所述的上TC动套和下TC动套分别为变径管状体，上TC静套端头与上TC动套之间和下TC静套端头与下TC动套之间分别套装有金属波纹环。
所述的上TC动套和上TC静套之间、上TC静套之间和壳体之间分别设置有密封圈；所述的下TC动套和下TC静套之间、下TC静套之间和壳体之间分别设置有密封圈。
所述的金属波纹环一端的上TC静套与上TC动套圆周之间和下TC静套与下TC动套圆周之间呈层叠状套装有碳化钨粉末烧结工艺形成的金属环。
本发明的有益效果在于：
1）、该复合动力钻具连接头同时适用于螺杆钻具和涡轮钻具。在不同螺杆钻具和涡轮钻具组合时，仅需通过其两端的螺纹即可快速完成组装，具有方便快捷的特点。
2）、该复合动力钻具连接头可以取代涡轮钻具的平衡鼓结构，具有平衡轴向应力的作用，可以有效的改善螺杆副和涡轮钻具涡轮副的工作条件。
3）、该复合动力钻具连接头通过波纹环，能有效增加密封度，降低钻井液对轴承的磨损，从而大大提高了连接头的使用寿命。
4）、通过该复合动力钻具连接头组装形成的复合动力钻具，不仅具有螺杆钻具高扭矩和涡轮钻具高转速的特点，且还具有一定互换性和通用性，可满足钻井作业的要求，有效增加生产效率。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的剖视结构示意图；
图3为本发明的上TC静套与壳体连接的截面示意图；
图4为本发明的上TC静套与壳体连接的立体示意图；
图5为本发明与螺杆钻具和涡轮钻具的连接状态示意图。
图中：1、传动轴，2、壳体，3、串联轴承，4、上TC静套，5、下TC静套，6、上TC动套，7、圆孔，8、半圆柱键，9、下TC动套,10、金属波纹环，11、金属环；12、水帽；13、万向轴壳体，14、涡轮主轴。
具体实施方式
该复合动力钻具连接头由传动轴1、壳体2、串联轴承3、上TC静套4和下TC静套5构成，壳体2内通过串联轴承3（推力轴承组）装有传动轴1，传动轴1为管状体；传动轴1一端端口呈喇叭状，端口圆周升呈120°均布有圆孔7。串联轴承3一端的壳体2与传动轴1之间设置有上TC动套6和上TC静套4，上TC动套6与传动轴1螺纹连接，上TC静套4通过半圆柱键4与壳体2连接，上TC静套4顶部为平面，对应的壳体2凸台上设置有键孔，半圆柱键4插入安装在键孔，通过半圆柱键4与上TC静套4顶部为平面的配合，以对上TC静套4进行周向限位。上TC动套6和上TC静套4之间，以及上TC静套4之间和壳体2之间分别设置有密封圈，以保证相互之间的密封性。
串联轴承3另一端的壳体2与传动轴1之间设置有下TC动套9和下TC静套5，下TC动套9与传动轴1螺纹连接，下TC静套5与壳体2螺纹连接。下TC动套9和下TC静套5之间，以及下TC静套5和壳体2之间分别设置有密封圈，以保证相互之间的密封性。
上TC动套6和下TC动套9分别为变径管状体，上TC静套4端头与上TC动套6之间和下TC静套5端头与下TC动套9之间分别套装有金属波纹环10。以增加TC动套和下TC静套之间的密封。
金属波纹环10一端的上TC静套4与上TC动套6圆周之间和下TC静套5与下TC动套9圆周之间呈层叠状套装有碳化钨粉末烧结形成的金属环11。
该复合动力钻具连接头在与螺杆钻具和涡轮钻具组装连接形成复合动力钻具时，首先将该连接头的传动轴1上端与螺杆钻具万向轴总成的水帽12相连，同时将连接头的壳体2与螺杆钻具的万向轴壳体13相连并用密封胶配合密封；螺杆钻具连接好之后，将该连接头的传动轴1下端与涡轮钻具的涡轮主轴14螺纹相连，同时将该连接头的下TC静套5与涡轮钻具的壳体相连，并用密封胶进行密封，然后将钻具（钻头）安装在涡轮钻具下端，由此完成复合动力钻具的组装装配。该复合动力钻具连接头的串联轴承3用来承受轴向力；由于复合动力钻具无法平衡螺杆马达和涡轮马达的轴向应力，只能平衡轴向力。螺杆钻具、涡轮钻具与该复合动力钻具连接头通过螺纹连接，没有相对轴向位移，故螺杆钻具和涡轮钻具产生的轴向力直接传递给该连接头的传动轴1，进而由串联轴承3进行平衡。
复合动力钻具的动力传递由两条路径同时进行；其一，复合动力钻具的组装装配完成并入井后，向复合动力钻具上端的转向螺杆钻具内通入钻井液，钻井液带动螺杆马达转动，马达产生的扭矩通过万向轴总成传递给连接头的传动轴1，进而传递给涡轮钻具的涡轮主轴14，从而实现涡轮主轴14转动。这一路径中，复合动力钻具充当螺杆钻具，保留了螺杆钻具的高扭矩特点。其二，该连接头的传动轴1传递扭矩的同时，高压钻井液由螺杆钻具的水帽12，通过连接头的传动轴1内部通道，再由传动轴1尾部的三个圆孔7流出，并继续下行进入涡轮钻具，下行的高压钻井液作用于涡轮钻具的涡轮叶片上使涡轮主轴14转动，从而带动钻具转动。这一路径中复合动力钻具充当涡轮钻具，保留了涡轮钻具的高转速特点。
并且该复合动力钻具连接头工作过程中，上TC动套6、下TC动套9与传动轴1保持相对静止，传动轴1作旋转运动。上TC静套4与上TC动套6圆周之间和下TC静套5与下TC动套9圆周之间呈层叠状套装有碳化钨粉末烧结形成的金属环11。可有效以减轻上TC静套4与上TC动套6之间和下TC静套5与下TC动套9之间的磨损，延长TC静套和TC动套的使用寿命。该复合动力钻具连接头的使用保留了螺杆钻具的高扭矩特点和涡轮钻具高转速的特点，有效的延长了复合动力钻具的使用寿命，提高了钻井效率。
Claims (3)
1.一种复合动力钻具连接头，它由传动轴（1）、壳体（2）、串联轴承（3）、上TC静套和下TC静套（5）构成，壳体（2）内通过串联轴承（3）装有传动轴（1），传动轴（1）为管状体；其特征在于：串联轴承（3）一端的壳体（2）与传动轴（1）之间设置有上TC动套（6）和上TC静套（4），上TC动套（6）与传动轴（1）螺纹连接，上TC静套（4）通过半圆柱键（8）与壳体（2）连接；上TC静套（4）顶部为平面，对应的壳体2凸台上设置有键孔，半圆柱键（8）插入安装在键孔，通过半圆柱键（8）与上TC静套（4）顶部平面的配合，以对上TC静套（4）进行周向限位；串联轴承（3）另一端的壳体（2）与传动轴（1）之间设置有下TC动套（9）和下TC静套（5），上TC动套（6）和下TC动套（9）分别为变径管状体，上TC静套（4）端头与上TC动套（6）之间和下TC静套（5）端头与下TC动套（9）之间分别套装有金属波纹环（10）；金属波纹环（10）一端的上TC静套（4）与上TC动套（6）圆周之间和下TC静套（5）与下TC动套（9）圆周之间呈层叠状套装有碳化钨粉末烧结工艺形成的金属环（11）,以减轻磨损；所述的传动轴（1）一端端口呈喇叭状，端口圆周升呈120°均布有圆孔（7）；
该连接头在与螺杆钻具和涡轮钻具组装连接形成复合动力钻具时，首先将该连接头的传动轴（1）上端与螺杆钻具万向轴总成的水帽（12）相连，同时将连接头的壳体（2）与螺杆钻具的万向轴壳体（13）相连并用密封胶配合密封；螺杆钻具连接好之后，将该连接头的传动轴（1）下端与涡轮钻具的涡轮主轴（14）螺纹相连，同时将该连接头的下TC静套（5）与涡轮钻具的壳体相连，并用密封胶进行密封，然后将钻具安装在涡轮钻具下端，由此完成复合动力钻具的组装装配；该连接头的串联轴承（3）用来承受轴向力；由于复合动力钻具无法平衡螺杆马达和涡轮马达的轴向应力，只能平衡轴向力；螺杆钻具、涡轮钻具与该复合动力钻具连接头通过螺纹连接，没有相对轴向位移，故螺杆钻具和涡轮钻具产生的轴向力直接传递给该连接头的传动轴（1），进而由串联轴承（3）进行平衡；
复合动力钻具的动力传递由两条路径同时进行；其一，复合动力钻具的组装装配完成并入井后，向复合动力钻具上端的转向螺杆钻具内通入钻井液，钻井液带动螺杆马达转动，马达产生的扭矩通过万向轴总成传递给传动轴（1），进而传递给涡轮钻具的涡轮主轴（14），实现涡轮主轴（14）转动；其二，传动轴（1）传递扭矩的同时，高压钻井液由螺杆钻具的水帽（12）、传动轴（1）内部通道，再由传动轴（1）尾部的三个圆孔（7）流出，并继续下行进入涡轮钻具，下行的高压钻井液作用于涡轮钻具的涡轮叶片上使涡轮主轴（14）转动，从而带动钻具转动。
2.根据权利要求1所述的一种复合动力钻具连接头，其特征在于：所述的下TC动套（9）与传动轴（1）螺纹连接，下TC静套（5）与壳体（2）螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种复合动力钻具连接头，其特征在于：所述的上TC动套（6）和上TC静套（4）之间、上TC静套（4）之间和壳体（2）之间分别设置有密封圈；所述的下TC动套（9）和下TC静套（5）之间、下TC静套（5）和壳体（2）之间分别设置有密封圈。
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