CN115162943A - 连续油管钻井井下行星齿轮减速器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续油管钻井井下行星齿轮减速器，包括定子缸筒，所述定子缸筒中设置有行星齿轮减速总成和万向传动总成，在所述行星齿轮减速总成与所述定子缸筒间预留有供钻井液流通的第一流道，在所述万向传动总成与所述定子缸筒间预留有供钻井液流通的第二流道；其中：在所述定子缸筒的内圆周面形成有一段齿圈，所述行星齿轮减速总成包括偏心轴组件，所述偏心轴组件上设置有支撑齿轮和减速齿轮，所述支撑齿轮和减速齿轮均与所述齿圈啮合。本发明的目的在于提供一种连续油管钻井井下行星齿轮减速器，利用偏心轴组件代替了行星齿轮的中心轮，在保持减速比前提下，缩小了工具外径，能够满足小井眼深井、超深井的钻井作业要求。

Description

连续油管钻井井下行星齿轮减速器
技术领域
本发明属于油气井工程领域，具体地，涉及一种连续油管钻井井下行星齿轮减速器，用于连接动力钻具和钻头，将动力钻具输出轴的高转速、低扭矩转化成低转速、高扭矩的旋转动力传递给钻头旋转钻进。
背景技术
深井、超深井勘探与开发的日益增多，地面转盘或顶驱驱动使井下旋转的钻柱与井壁的摩阻越来越大。由于井下动力钻具能有效减小钻柱旋转时与井壁的摩阻，因此井下动力钻具更多的应用在深井、超深井的钻井作业中。井下动力钻具可分为螺杆钻具、涡轮钻具、电动钻具。
随着连续油管应用日益广泛，并逐渐延伸到钻井等作业，但深井、超深井井下温度高、压力大，常规螺杆钻具定子橡胶材料在高温条件下容易产生橡胶老化，缩短使用寿命，且螺杆钻具钻井振动大，所钻井眼不规则，钻井效率低，不能满足深井、超深井小井眼高温钻井要求。涡轮钻具与电动钻具由全金属零部件结构，耐高温，振动小，所钻井眼规则质量好，刚好避免了涡轮钻具不耐高温，振动大，井眼不规则的缺陷，适合深井高温井钻井，但电动钻具转速高(600-1200rpm)、扭矩低，钻进时钻头磨损较大，效率低，需要减速器对电动钻具进行减速增扭矩，提高钻井效率，但目前有的具有代表性减速器是多级行星齿轮减速器，该减速器直径大，强度低，目前市售的最小行星涡轮减速器是俄罗斯的行星涡轮减速器，直径141mm，不能满足小直径钻具减速、增扭的要求。因此研制新型小直径连续油管钻井井下减速器，对推进连续油管深井超深井高温高压钻井有非常重要的实际意义。
文献(纪博.涡轮钻具叠加行星减速器的研制及应用[J].西部探矿工程，2019，10：89-90，92)介绍一种涡轮钻具叠加行星减速器，该减速器采用叠加行星结构原理进行减速，直径大，一定程度的降低了大直径涡轮转速、提高了大直径涡轮扭矩，配合涡轮钻具+PDC钻头，扩大了涡轮钻具和PDC钻头的使用范围。但该减速器采用行星齿轮结构，对于小直径而言，由于行星齿轮所占空间大，减速器外径受限制，减小外径必然要以牺牲结构强度为代价，因此该行星齿轮减速器不能满足小直径高减速大增扭涡轮钻具减速钻井要求。
文献(赵宁，等.一种带齿轮减速器的新型涡轮钻具[J].石油机械，2000，28(9)：51-52，56)为消除常规涡轮钻具的低扭矩、高转速等不利因素，设计了带齿轮减速器的涡轮钻具。当向井下泵入钻井液时，带齿轮减速器的涡轮节转速按减速比减小，其扭矩按一定比例增大，从而实现大扭矩、中转速的动力钻具配中高速牙轮钻头或PDC钻头钻进，大幅度提高机械钻速的目标。但该减速器还是以行星齿轮为主要减速载体减速，减速器外径不可能太小，同样不能满足小直径涡轮钻具减速要求。
文献(谭春飞，等.叶片数对水力减速级涡轮输出性能的影响研究[J].石油机械.2017，45(2)：6-9)在涡轮钻具中装入一定数量的水力减速级涡轮可以显著降低涡轮轴的空转转速及工作转速，水力减速级涡轮依然存在效率低、体积大的缺陷，不能满足小井眼涡轮钻具减速要求。
文献(陈洪兵，等.俄罗斯减速器涡轮钻具驱动PDC钻头在西西伯利亚油田的成功应用[J].石油钻探技术，2005，33(2)：48-50.)，在优选PDC钻头结构的情况下，用减速器涡轮钻具驱动PDC钻头，钻头进尺和机械钻速都较牙轮钻头有显著的提高，经济和社会效益显著。但该减速器直径仍然较大，不能满足小直径蜗轮减速要求。
专利CN106090132A报道了一种涡轮减速器，涉及减速器技术领域，包括机座、电动机、联轴器、主动轴、一级小齿轮、一级大齿轮、二级齿轮轴、二级大齿轮、三级齿轮轴、三级大齿轮、四级齿轮轴、大齿轮、齿轮箱、轴承盖、轴承、油封、箱盖。本发明涡轮减速器，采用了四级齿轮传动，齿轮传动布置在低速级，有效地降低了提升机工作速率，但同样体积大，强度低，不适合小井眼涡轮钻具减速要求。
专利CN942114280报道了一种供石油勘探和钻井，特别是与现有井下动力钻具配合使用的闭式少齿差井下减速器，其特征在于油润滑的两级减速内齿轮副传动或一级减速内齿轮副加滑动块的传动，将井下动力钻具发动机主轴的高转速、小扭矩的旋转运动，变换成低转速大扭矩的旋转运动，但同样体积大，强度低，不适合小井眼涡轮钻具减速要求。
有鉴于此，设计一种适用于小井眼深井、超深井的井下减速器是本领域亟待解决的问题。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种连续油管钻井井下行星齿轮减速器，利用偏心轴组件代替了行星齿轮的中心轮，在保持减速比前提下，缩小了工具外径，能够满足小井眼深井、超深井的钻井作业要求。
为了达到上述目的，采用如下设计方案：
本发明首先公开了一种连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其关键在于：包括定子缸筒(1)，所述定子缸筒(1)中设置有行星齿轮减速总成(2)和万向传动总成(3)，在所述行星齿轮减速总成(2)与所述定子缸筒(1)间预留有供钻井液流通的第一流道，在所述万向传动总成(3)与所述定子缸筒(1)间预留有供钻井液流通的第二流道；其中：在所述定子缸筒(1)的内圆周面形成有一段齿圈，所述行星齿轮减速总成包括偏心轴组件(201)，所述偏心轴组件(201)上设置有支撑齿轮(202)和减速齿轮(203)，所述支撑齿轮(202)和减速齿轮(203)均与所述齿圈啮合，使得二者在偏心轴组件(201)的带动下一方面围绕所述定子缸筒(1)轴线转动，另一方面围绕自身轴线转动。
更进一步地，所述偏心轴组件(201)包括短偏心花键轴(204)，所述短偏心花键轴(204)的下端键连接有长偏心花键轴(205)；在所述短偏心花键轴(204)上通过第一轴承组件连接有所述支撑齿轮(202)；在所述长偏心花键轴(205)下端通过第二轴承组件连接有减速齿轮(203)。
更进一步地，在所述支撑齿轮(202)与所述减速齿轮(203)间的长偏心花键轴上还通过第三轴承组件连接有等效惯性齿轮(206)，所述等效惯性齿轮(206)的质量等于所述支撑齿轮(202)与所述减速齿轮(203)的质量之和，用于在所述偏心轴组件(201)转动过程中抵消所述支撑齿轮(202)与所述减速齿轮(203)的惯性。
更进一步地，所述万向传动总成(3)包括一级联轴器(301)，所述一级联轴器(301)上端与所述减速齿轮(203)下端的旋转轴键连接，所述一级联轴器(301)下端通过万向节接头连接有传动轴(302)，在所述传动轴下端通过万向节接头还连接有二级联轴器(303)。
更进一步地，在所述定子缸筒(1)中对应所述一级联轴器(301)还设置有支撑套(304)。
更进一步地，在所述定子缸筒(1)的上端通过销钉连接有上接头总成(4)，所述上接头总成(4)包括上接头(401)，所述上接头(401)中设置有花键主轴(402)和偏心主轴(403)，所述偏心主轴(403)的上端与所述花键主轴(402)键连接，所述偏心主轴(403)的下端与所述短偏心花键轴(204)键连接；其中：在所述花键主轴(402)与所述上接头(401)间预留供钻井液流通的第三流道，在所述偏心主轴(403)与所述定子缸筒(1)间预留有供钻井液流通的第四流道。
更进一步地，所述偏心主轴(403)与所述定子缸筒(1)间还设置有上扶正轴承(404)，在所述定子缸筒(1)中还设置有用于抵接所述扶正轴承(404)的调整套(405)。
更进一步地，在所述定子缸筒(1)的下端通过销钉连接有下接头总成(5)，所述下接头总成(5)包括下接头(501)，所述下接头(501)中设置有输出轴(502)以及连接在输出轴(502)下端的花键套(503)；其中：所述输出轴(502)与所述定子缸筒(1)之间预留有供钻井液流通的第五流道，所述花键套(503)与所述下接头(501)之间预留有供钻井液流通的第六流道，在所述输出轴(502)和所述花键套(503)中共同形成有一段连通所述第五流道和所述第六流道的管腔。
更进一步地，在所述输出轴(502)与所述定子缸筒(1)之间还设置有推力轴承组(504)和下扶正轴承(505)。
更进一步地，在所述推力轴承组(504)和支撑套(304)之间还设置有挡流套(506)，所述挡流套用于将钻井液引流至所述管腔中。
本发明与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)通过偏心轴组件代替传统行星齿轮减速器的中心轮，配合万向传动总成传递动力，在保证性能的前提下，减小了径向尺寸，有助于小井眼的钻探和开发；
(2)能够有效降低动力钻具的转速，使得动力钻具的扭矩大幅提升，从而减少钻探过程中对钻头的损坏；
(3)采用支撑齿轮形成动态支撑，同时配合等效惯性齿轮抵消惯性，能够有效消除振动，增加减速器运行的稳定性；
(4)由于本发明仅利用偏心轴组件、减速齿轮和定子缸筒齿圈实现减速增扭效果，结构紧凑，避免了行星轮布置的动力干涉问题；
(5)采用耐高温纯金属材料制作，延长工具在深井和超深井高温环境中的使用寿命。
附图说明
图1为实施例一中行星齿轮减速器外观示意图；
图2为实施例一中行星齿轮减速器整体剖视示意图；
图3实施例一中行星齿轮减速器沿A-A剖面剖开的俯视示意图；
图4a为实施例一中定子缸筒主视图；
图4b为实施例一中定子缸筒仰视图；
图5a为实施例一中短偏心花键轴主视图；
图5b为实施例一中短偏心花键轴仰视图；
图6a为实施例一中长偏心花键轴主视图；
图6b为实施例一中长偏心花键轴俯视图；
图7a为实施例一中支撑齿轮主视图；
图7b为实施例一中支撑齿轮仰视图；
图8a为实施例一中减速齿轮主视图；
图8b为实施例一中减速齿轮仰视图；
图9a为实施例一中偏心主轴主视图；
图9b为实施例一中偏心主轴仰视图；
图10为采用摆线齿轮时行星齿轮减速器沿A-A剖面剖开的俯视示意图；
图中标号：1-定子缸筒、2-行星齿轮减速总成、3-万向传动总成、4-上接头总成、5-下接头总成、201-偏心轴组件、202-支撑齿轮、203-减速齿轮、204-短偏心花键轴、205-长偏心花键轴、206-等效惯性齿轮、207-支撑齿轮第一油封环、208-支撑齿轮第一滚子轴承、209-支撑齿轮第二油封环、210-支撑齿轮第二滚子轴承、211-支撑齿轮轴瓦、212-短偏心花键轴轴瓦、213-减速齿轮油封环、214-减速齿轮滚子轴承、215-减速齿轮轴瓦、216-长偏心花键轴短轴瓦、217-等效惯性齿轮第一油封环、218-等效惯性齿轮第一滚子轴承、219-等效惯性齿轮第二油封环、220-等效惯性齿轮第二滚子轴承、221-等效惯性齿轮轴瓦、222-长偏心花键轴长轴瓦、301-一级联轴器、302-传动轴、303-二级联轴器、304-支撑套、401-上接头、402-花键主轴、403-偏心主轴、404-上扶正轴承、405-调整套、501-下接头、502-输出轴、503-花键套、504-推力轴承组、505-下扶正轴承、506-挡流套。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1、图2、图3、图4a、图4b示出了本发明的第一种实施例：一种连续油管钻井井下行星齿轮减速器，包括定子缸筒1，所述定子缸筒1中设置有行星齿轮减速总成2和万向传动总成3，在所述行星齿轮减速总成2与所述定子缸筒1间预留有供钻井液流通的第一流道，在所述万向传动总成3与所述定子缸筒1间预留有供钻井液流通的第二流道；其中：在所述定子缸筒1的内圆周面形成有一段齿圈，所述行星齿轮减速总成包括偏心轴组件201，所述偏心轴组件201上设置有支撑齿轮202和减速齿轮203，所述支撑齿轮202和减速齿轮203均与所述齿圈啮合，使得二者在偏心轴组件201的带动下一方面围绕所述定子缸筒1轴线转动，另一方面围绕自身轴线转动。
如图2至图8b所示，具体实施时，所述偏心轴组件201包括短偏心花键轴204，具体结构如图5a和图5b所示，所述短偏心花键轴204的下端键连接有长偏心花键轴205，具体结构如图6a和图6b所示；在所述短偏心花键轴204上通过第一轴承组件连接有所述支撑齿轮202；在所述长偏心花键轴205下端通过第二轴承组件连接有减速齿轮203，具体结构如图7a和图7b所示。在所述支撑齿轮202与所述减速齿轮203间的长偏心花键轴上还通过第三轴承组件连接有等效惯性齿轮206，所述等效惯性齿轮206的质量等于所述支撑齿轮202与所述减速齿轮203的质量之和，用于在所述偏心轴组件201转动过程中抵消所述支撑齿轮202与所述减速齿轮203的惯性。
从图2可以看出，本实施方式中，所述支撑齿轮、所述第一轴承组件包括支撑齿轮第一油封环207、支撑齿轮第一滚子轴承208、支撑齿轮第二油封环209、支撑齿轮第二滚子轴承210、支撑齿轮轴瓦211以及短偏心花键轴轴瓦212；
所述第二轴承组件包括减速齿轮油封环213、减速齿轮滚子轴承214、减速齿轮轴瓦215、长偏心花键轴短轴瓦216；
所述第三轴承组件包括等效惯性齿轮第一油封环217、等效惯性齿轮第一滚子轴承218、等效惯性齿轮第二油封环219、等效惯性齿轮第二滚子轴承220、等效惯性齿轮轴瓦221、长偏心花键轴长轴瓦222。
具体地，所述万向传动总成3包括一级联轴器301，所述一级联轴器301上端与所述减速齿轮203下端的旋转轴键连接，所述一级联轴器301下端通过万向节接头连接有传动轴302，在所述传动轴下端通过万向节接头还连接有二级联轴器303。作为优选，在所述定子缸筒1中对应所述一级联轴器301还设置有支撑套304。
请参阅图2、图9a和图9b，在所述定子缸筒1的上端通过销钉连接有上接头总成4，所述上接头总成4包括上接头401，所述上接头401中设置有花键主轴402和偏心主轴403，所述偏心主轴403的上端与所述花键主轴402键连接，所述偏心主轴403的下端与所述短偏心花键轴204键连接；其中：在所述花键主轴402与所述上接头401间预留供钻井液流通的第三流道，在所述偏心主轴403与所述定子缸筒1间预留有供钻井液流通的第四流道。优选地，所述偏心主轴403与所述定子缸筒1间还设置有上扶正轴承404，在所述定子缸筒1中还设置有用于抵接所述扶正轴承404的调整套405。
本实施方式中，上扶正器轴承从内到外分为一、二、三、四、五层，一层为实体结构其内圆面为圆筒面与偏心主轴外圆面的花键过盈配合；二层为周向内外均匀交替且相连通的多个钻井液通道，三层为实体结构圆筒结构，四层为周向均匀分布的几个沿轴向贯通的流道，五层为实体结构外圆面为圆筒面，五层外圆面外径与调整套405外圆面外径相同且同轴。
在具体的应用场景中，在所述定子缸筒1的下端通过销钉连接有下接头总成5，所述下接头总成5包括下接头501，所述下接头501中设置有输出轴502以及连接在输出轴502下端的花键套503；其中：所述输出轴502与所述定子缸筒1之间预留有供钻井液流通的第五流道，所述花键套503与所述下接头501之间预留有供钻井液流通的第六流道，在所述输出轴502和所述花键套503中共同形成有一段连通所述第五流道和所述第六流道的管腔。在所述输出轴502与所述定子缸筒1之间还设置有推力轴承组504和下扶正轴承505。在所述推力轴承组504和支撑套304之间还设置有挡流套506，所述挡流套用于将钻井液引流至所述管腔中。
从前文描述的内容可以得出，所述第三流道、所述第四流道、所述第一流道、所述第二流道、所述第五流道、所述管腔和所述第六流道依次连通，并共同作为钻井液在减速器中的流通路径。
需要说明的是本实施例中所述支撑齿轮202、所述减速齿轮203以及所述等效惯性齿轮206可以采用图3所示的渐开线齿轮，所述齿圈对应设置成渐开线齿圈。在其他一些实施例中，所述支撑齿轮202、所述减速齿轮203以及所述等效惯性齿轮206也可以采用图10所示的摆线齿轮，所述齿圈对应设置成摆线齿圈。
本发明的原理如下：
工作时，动力钻具输出转速为n1，输出扭矩为T1，减速器将动力钻具输出的动力通过花键主轴402和偏心主轴403带动偏心轴组件201，使得偏心轴组件201带动减速齿轮203旋转。受减速齿轮203与定子缸筒1齿圈轮廓的相互作用影响，在减速齿轮203绕定子缸筒1轴线公转的同时，减速齿轮1也绕自身的轴线自转。设减速齿轮203直径为r2，定子缸筒1齿圈的直径为r1。根据周转杆系运动工作理论，设公转转速为n1，则自转转速为n2＝(r2-r1)n1/r2。减速器通过万向联轴器与减速齿轮203底部形成的旋转轴相连，将减速齿轮203的自转转速和扭矩传递给输出轴，再经减速器的花键套将动力传递给支承节主轴，从而带动钻头旋转破岩。根据能量守恒原理，减速器输出转速n2＝(r2-r1)n1/r2，则输出扭矩T2＝(r2/r2-r1)T1。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于：包括定子缸筒(1)，所述定子缸筒(1)中设置有行星齿轮减速总成(2)和万向传动总成(3)，在所述行星齿轮减速总成(2)与所述定子缸筒(1)间预留有供钻井液流通的第一流道，在所述万向传动总成(3)与所述定子缸筒(1)间预留有供钻井液流通的第二流道；其中：在所述定子缸筒(1)的内圆周面形成有一段齿圈，所述行星齿轮减速总成包括偏心轴组件(201)，所述偏心轴组件(201)上设置有支撑齿轮(202)和减速齿轮(203)，所述支撑齿轮(202)和减速齿轮(203)均与所述齿圈啮合，使得二者在偏心轴组件(201)的带动下一方面围绕所述定子缸筒(1)轴线转动，另一方面围绕自身轴线转动。
2.根据权利要求1所述的连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于：所述偏心轴组件(201)包括短偏心花键轴(204)，所述短偏心花键轴(204)的下端键连接有长偏心花键轴(205)；在所述短偏心花键轴(204)上通过第一轴承组件连接有所述支撑齿轮(202)；在所述长偏心花键轴(205)下端通过第二轴承组件连接有减速齿轮(203)。
3.根据权利要求2所述的连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于：在所述支撑齿轮(202)与所述减速齿轮(203)间的长偏心花键轴上还通过第三轴承组件连接有等效惯性齿轮(206)，所述等效惯性齿轮(206)的质量等于所述支撑齿轮(202)与所述减速齿轮(203)的质量之和，用于在所述偏心轴组件(201)转动过程中抵消所述支撑齿轮(202)与所述减速齿轮(203)的惯性。
4.根据权利要求2或3所述的连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于：所述万向传动总成(3)包括一级联轴器(301)，所述一级联轴器(301)上端与所述减速齿轮(203)下端的旋转轴键连接，所述一级联轴器(301)下端通过万向节接头连接有传动轴(302)，在所述传动轴(302)下端通过万向节接头还连接有二级联轴器(303)。
5.根据权利要求4所述的连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于：在所述定子缸筒(1)中对应所述一级联轴器(301)还设置有支撑套(304)。
6.根据权利要求5所述的连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于，在所述定子缸筒(1)的上端通过销钉连接有上接头总成(4)，所述上接头总成(4)包括上接头(401)，所述上接头(401)中设置有花键主轴(402)和偏心主轴(403)，所述偏心主轴(403)的上端与所述花键主轴(402)键连接，所述偏心主轴(403)的下端与所述短偏心花键轴(204)键连接；其中：在所述花键主轴(402)与所述上接头(401)间预留供钻井液流通的第三流道，在所述偏心主轴(403)与所述定子缸筒(1)间预留有供钻井液流通的第四流道。
7.根据权利要求6所述的连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于：所述偏心主轴(403)与所述定子缸筒(1)间还设置有上扶正轴承(404)，在所述定子缸筒(1)中还设置有用于抵接所述扶正轴承(404)的调整套(405)。
8.根据权利要求7所述的连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于：在所述定子缸筒(1)的下端通过销钉连接有下接头总成(5)，所述下接头总成(5)包括下接头(501)，所述下接头(501)中设置有输出轴(502)以及连接在输出轴(502)下端的花键套(503)；其中：所述输出轴(502)与所述定子缸筒(1)之间预留有供钻井液流通的第五流道，所述花键套(503)与所述下接头(501)之间预留有供钻井液流通的第六流道，在所述输出轴(502)和所述花键套(503)中共同形成有一段连通所述第五流道和所述第六流道的管腔。
9.根据权利要求8所述的连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于：在所述输出轴(502)与所述定子缸筒(1)之间还设置有推力轴承组(504)和下扶正轴承(505)。
10.根据权利要求9所述的连续油管钻井井下行星齿轮减速器，其特征在于：在所述推力轴承组(504)和支撑套(304)之间还设置有挡流套(506)，所述挡流套用于将钻井液引流至所述管腔中。
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