CN115749581A - 一种防制动防掉大扭矩涡轮钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种防制动防掉大扭矩涡轮钻具，涉及钻井设备技术领域，主要结构包括涡轮节和轴承节；涡轮节采用三维涡轮叶片配合减速器的方式降低涡轮钻具输出转速，提高输出扭矩；改变现有涡轮钻具的整体结构，将减速器内置到涡轮节中，涡轮节与轴承节之间设置防掉传动轴，防掉传动轴与轴承节传动轴通过螺纹连接，防止钻具断裂后落井。轴承节增加防制动机构，采用防制动静盘与防制动动盘相互配合的方式防止涡轮钻具制动反转，达到了涡轮钻具防制动的目的。

Description

一种防制动防掉大扭矩涡轮钻具

技术领域

本发明涉及钻井设备技术领域，特别是涉及一种防制动防掉大扭矩涡轮钻具。

背景技术

涡轮钻具广泛应用于石油、天然气、地热等钻井工程，是提高钻井效率的重要井下工具之一。在应用涡轮钻具进行钻井施工过程中，由于钻具输出扭矩低，时常发生钻头卡钻问题，钻头卡钻后涡轮钻具发生制动导致问题难以处理，甚至引发钻具断裂落井的复杂井下事故，给工程带来巨大损失。

现有常规涡轮钻具结构一般包含涡轮节和轴承节，节与节之间外壳的连接方式为螺纹，节与节之间主轴的连接方式为花键，一旦外壳螺纹失效断裂，花键自动脱开，则发生钻具落井事故。且常规涡轮钻具输出扭矩低，易发生卡钻制动问题，导致发生复杂井下事故的风险骤增。

减速器涡轮钻具一般包含涡轮节、减速节、轴承节三部分，虽然提高了输出扭矩，但节与节之间的连接方式与常规涡轮钻具一致，发生卡钻问题后处理能力同样较弱，一旦外壳断裂同样会发生钻具落井事故。

现有涡轮钻具大多没有防制动机构，个别产品虽然有防制动机构，但其结构较为复杂，可靠性差、寿面短，难以满足工程应用需要。

现有涡轮钻具输出转速高扭矩低，无防掉机构，现有防制动机构结构复杂、可靠性差、寿面短，难以满足工程应用需要。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种防制动防掉大扭矩涡轮钻具，在提高涡轮钻具输出扭矩的同时，改进防制动机构，设置防掉机构，提高涡轮钻具输出扭矩及防制动、防掉能力，降低应用涡轮钻具钻井施工过程中发生卡钻、制动、钻具落井等复杂井下事故的风险。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种防制动防掉大扭矩涡轮钻具，包括涡轮节和轴承节；

所述涡轮节包括上接头、涡轮节外壳、外壳调节套、轴承、涡轮定子叶片、涡轮转子叶片、涡轮节主轴和减速器；

所述轴承节包括轴承节上端头、防掉传动轴、轴承节外壳、轴承组、密封套、锥形密封套、传动轴、静盘座、防制动静盘、防制动动盘和动盘座；

所述上接头一端用于与钻具相连接，所述上接头另一端与所述涡轮节外壳的一端相连接，所述涡轮节外壳的另一端所述轴承节上端头的一端相连接；

所述涡轮节主轴设置于所述涡轮节外壳内，所述涡轮节主轴上沿轴向设置有多个所述涡轮转子叶片，所述涡轮节外壳内壁上设置有多个所述涡轮定子叶片，且所述涡轮转子叶片与所述涡轮定子叶片交替设置；

所述涡轮节外壳与所述涡轮节主轴之间且位于全部的所述涡轮转子叶片和所述涡轮定子叶片的两端分别设置有一所述轴承；所述轴承的外圈侧壁与所述涡轮定子叶片的侧壁相接触，所述轴承的内圈侧壁与所述涡轮转子叶片的侧壁相接触；

所述减速器设置于所述涡轮节外壳内，且所述减速器的一端与所述涡轮节主轴相连接，所述减速器的另一端与所述防掉传动轴的一端相连接；

所述传动轴一端深入所述所述轴承节外壳后与所述防掉传动轴的另一端相连接；所述传动轴的另一端用于与钻具相连接；

所述传动轴一端与所述轴承节外壳之间设置有所述轴承组；

所述轴承组远离所述防掉传动轴的一侧位于所述传动轴上设置有所述锥形密封套，所述轴承节外壳内与所述锥形密封套相对应的设置有所述密封套；

所述传动轴内设置有中心孔，所述中心孔靠近所述防掉传动轴的一端不沿轴向贯穿所述传动轴，所述传动轴上沿径向设置有多个轴孔，所述锥形密封套上与所述多个轴孔相对应的设置有多个套孔；

所述轴承节外壳另一端内壁上设置有所述静盘座，所述静盘座内侧设置有所述防制动静盘；

所述传动轴另一端套设有所述动盘座，所述动盘座外壁上设置有所述防制动动盘，所述防制动静盘和所述防制动动盘的相邻端面传动连接。

可选的，所述涡轮节还包括外壳调整垫圈和主轴调整垫圈；所述轴承外圈与所述涡轮定子叶片之间设置有所述外壳调整垫圈，所述轴承内圈与所述涡轮转子叶片之间设置有所述主轴调整垫圈。

可选的，所述涡轮节主轴的一端设置有主轴压帽，所述主轴压帽与所述涡轮节主轴通过螺纹连接。

可选的，所述主轴压帽与所述轴承的内圈之间设置有主轴调节套。

可选的，所述涡轮节外壳内位于所述减速器的两端分别设置有第一减速器固定套和第二减速器固定套；所述第一减速器固定套和所述第二减速器固定套用于所述减速器的轴向定位。

可选的，所述第二减速器固定套与所述轴承节上端头之间设置有悬挂套。

可选的，所述减速器的另一端与所述防掉传动轴的一端通过花键连接。

可选的，所述防掉传动轴与所述轴承组的内圈之间设置有调节套。

可选的，所述防制动动盘与所述动盘座之间设置有碟形弹簧，所述碟形弹簧用于为所述防制动动盘提供轴向推力。

可选的，所述防掉传动轴深入所述涡轮节外壳内的一端沿径向设置有防掉落凸起，所述悬挂套位于所述防掉传动轴中部设置有安装孔，所述安装孔的尺寸小于所述防掉落凸起的尺寸。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，主要包含涡轮节和轴承节两部分。其中涡轮节，采用三维涡轮叶片配合减速器的方式降低涡轮钻具输出转速，提高输出扭矩；改变现有涡轮钻具的整体结构，将减速器内置到涡轮节中，涡轮节与轴承节之间设置防掉传动轴，防掉传动轴与轴承节传动轴通过螺纹连接，防止钻具断裂后落井。轴承节增加防制动机构，采用防制动静盘与防制动动盘相互配合的方式防止涡轮钻具制动反转，达到了涡轮钻具防制动的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明防制动防掉大扭矩涡轮钻具的结构示意图；

图2为本发明防制动防掉大扭矩涡轮钻具中涡轮定子叶片与涡轮转子叶片的结构示意图；

图3为本发明防制动防掉大扭矩涡轮钻具中防制动轴承节的结构示意图；

图4为本发明防制动防掉大扭矩涡轮钻具中防制动静盘的结构示意图；

图5为本发明防制动防掉大扭矩涡轮钻具中防制动动盘的结构示意图；

图6为本发明防制动防掉大扭矩涡轮钻具中防制动静盘与防制动动盘的结构示意图；

图7为本发明防制动防掉大扭矩涡轮钻具中焊接有自润滑涂层或PDC复合片的防制动动盘的结构示意图。

附图标记说明：1、防掉传动轴；2、轴承节外壳；3、调节套；4、轴承组；5、密封套；6、锥形密封套；7、传动轴；8、静盘座；9、防制动静盘；10、防制动动盘；11、碟形弹簧；12、动盘座；13、上接头；14、涡轮节外壳；15、外壳调节套；16、轴承；17、外壳调整垫圈；18、第一减速器固定套；19、第二减速器固定套；20、轴承节上端头；21、主轴压帽；22、主轴调节套；23、涡轮定子叶片；24、涡轮转子叶片；25、主轴调整垫圈；26、涡轮节主轴；27、减速器；28、悬挂套。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至7所示，本实施例提供一种防制动防掉大扭矩涡轮钻具，包括涡轮节和轴承16节；涡轮节采用三维涡轮叶片配合减速器27的方式降低涡轮钻具输出转速，提高输出扭矩；改变现有涡轮钻具的整体结构，将减速器27内置到涡轮节中，涡轮节与轴承16节之间设置防掉传动轴1，防掉传动轴1与轴承16节传动轴7通过螺纹连接，防止钻具断裂后落井。轴承16节增加防制动机构，采用防制动静盘9与防制动动盘10相互配合的方式防止涡轮钻具制动反转，达到了涡轮钻具防制动的目的。

于本具体实施例中，涡轮节包括上接头13、涡轮节外壳14、外壳调节套15、轴承16、涡轮定子叶片23、涡轮转子叶片24、涡轮节主轴26和减速器27；

轴承16节包括轴承节上端头20、防掉传动轴1、轴承节外壳2、轴承组4、密封套5、锥形密封套6、传动轴7、静盘座8、防制动静盘9、防制动动盘10和动盘座12；

上接头13一端用于与钻具相连接，上接头13另一端与涡轮节外壳14的一端相连接，涡轮节外壳14的另一端轴承节上端头20的一端相连接；

涡轮节主轴26设置于涡轮节外壳14内，涡轮节主轴26上沿轴向设置有多个涡轮转子叶片24，涡轮节外壳14内壁上设置有多个涡轮定子叶片23，且涡轮转子叶片24与涡轮定子叶片23交替设置；

涡轮节外壳14与涡轮节主轴26之间且位于全部的涡轮转子叶片24和涡轮定子叶片23的两端分别设置有一轴承16；轴承16的外圈侧壁与涡轮定子叶片23的侧壁相接触，轴承16的内圈侧壁与涡轮转子叶片24的侧壁相接触；

减速器27设置于涡轮节外壳14内，且减速器27的一端与涡轮节主轴26相连接，减速器27的另一端与防掉传动轴1的一端相连接；

传动轴7一端深入轴承节外壳2后与防掉传动轴1的另一端相连接；传动轴7的另一端用于与钻具相连接；传动轴7用于安装轴承16节内部各部件，并传递载荷；

传动轴7一端与轴承节外壳2之间设置有轴承组4；轴承组4为PDC轴承16，起到扶正和承担轴向荷载的作用；

轴承组4远离防掉传动轴1的一侧位于传动轴7上设置有锥形密封套6，轴承节外壳2内与锥形密封套6相对应的设置有密封套5；密封套5与锥形密封套6配合作用防止液流外泄，起到密封作用；

传动轴7内设置有中心孔，中心孔靠近防掉传动轴1的一端不沿轴向贯穿传动轴7，传动轴7上沿径向设置有多个轴孔，锥形密封套6上与多个轴孔相对应的设置有多个套孔；更具体的，密封套5上开有3个斜孔作为液流排出通道；锥形密封套6与密封套5配合作用防止液流外泄，起到密封作用；传动轴7上开有3个斜孔作为液流排出通道；

防制动动盘10安装在动盘座12外，防制动动盘10与动盘座12通过键槽形式形成固定结构。防制动动盘10采用耐磨硬质合金材料，具有良好的耐磨性和较长的工作寿命。更进一步的，防制动动盘10的防倒转齿上还可以焊接自润滑涂层或PDC复合片。

动盘座12安装在传动轴7上；焊接有自润滑涂层或PDC复合片的防制动动盘10

轴承节外壳2另一端内壁上设置有静盘座8，轴承节外壳2与静盘座8通过直螺纹连接，静盘座8与轴承节外壳2通过左旋螺纹连接，静盘座8内侧设置有防制动静盘9；

传动轴7另一端套设有动盘座12，动盘座12外壁上设置有防制动动盘10，防制动静盘9和防制动动盘10的相邻端面传动连接。防制动静盘9与静盘座8通过键槽形式形成固定结构。防制动静盘9采用耐磨硬质合金材料，具有良好的耐磨性和较长的工作寿命。

于更具体实施例中，涡轮节还包括外壳调整垫圈17和主轴调整垫圈25；轴承16外圈与涡轮定子叶片23之间设置有外壳调整垫圈17，轴承16内圈与涡轮转子叶片24之间设置有主轴调整垫圈25。

于更具体实施例中，涡轮节主轴26的一端设置有主轴压帽21，主轴压帽21与涡轮节主轴26通过螺纹连接。

于更具体实施例中，主轴压帽21与轴承16的内圈之间设置有主轴调节套22。

于更具体实施例中，涡轮节外壳14内位于减速器27的两端分别设置有第一减速器固定套18和第二减速器固定套19；第一减速器固定套18和第二减速器固定套19用于减速器27的轴向定位。

于更具体实施例中，第二减速器固定套19与轴承节上端头20之间设置有悬挂套28。

于更具体实施例中，减速器27的另一端与防掉传动轴1的一端通过花键连接。

于更具体实施例中，防掉传动轴1与轴承组4的内圈之间设置有调节套3，调节套3用于调整传动轴7上各部件的预紧力。

于更具体实施例中，防制动动盘10与动盘座12之间设置有碟形弹簧11，碟形弹簧11用于为防制动动盘10提供轴向推力。

于更具体实施例中，防掉传动轴1深入涡轮节外壳14内的一端沿径向设置有防掉落凸起，悬挂套28位于防掉传动轴1中部设置有安装孔，安装孔的尺寸小于防掉落凸起的尺寸。

本发明中的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，涡轮转子叶片24与涡轮定子叶片23在液流的冲击下为涡轮钻具提供动力。涡轮定子叶片23与涡轮转子叶片24叶型为非对称三维结构。涡轮转子叶片24安装在涡轮节主轴26上并沿轴向压紧，在涡轮钻具工作过程中与涡轮节主轴26相对静止，涡轮转子叶片24叶型为三维结构，涡轮转子叶片24叶型沿径向方向渐变拉伸提高输出扭矩。涡轮定子叶片23安装在涡轮节外壳14内并沿轴向压紧，在涡轮钻具工作过程中与涡轮节外壳14相对静止，沿涡轮钻具轴向投影涡轮定子叶片23尾缘与涡轮转子叶片24前缘重合，沿涡轮钻具轴向投影涡轮定子叶片23前缘与涡轮转子叶片24尾缘重合，涡轮定子叶片23入口角度与无冲击转速条件下涡轮转子叶片24尾缘液流流线角度一致。涡轮钻具工作的过程中，在液流的驱动下涡轮定子叶片23起导流作用静止不动，涡轮转子叶片24在液流的冲击下高速旋转。

上接头13上部为API螺纹用于与其他钻具连接，上接头13下部与涡轮节外壳14通过螺纹连接，旋紧后将涡轮定子叶片23压紧使其与涡轮节外壳14相对固定。

主轴压帽21与涡轮节主轴26通过螺纹连接，旋紧后将涡轮转子叶片24压紧使其与涡轮节主轴26相对固定。

涡轮节主轴26下端与减速器27输入端通过花键方式连接，将涡轮转子叶片24产生的扭矩转速传递给减速器27输入端。

减速器27通过第一减速器固定套18和第二减速器固定套19压紧在涡轮节外壳14内，工作时与涡轮节外壳14相对静止。减速器27的作用是将输入端输入的高转速降低为输出端的低转速，将输入端的低扭矩升高为输出端的高扭矩，减速器27减速比例可根据实际需要进行调整。减速器27输入端与涡轮节主轴26通过花键方式连接，减速器27输出端与防掉传动轴1通过花键方式连接。减速器27类型可以行星齿轮减速器27也可以选用其他型式的减速器27。

防掉传动轴1上加工有凸台，防掉传动轴1与减速器27输出端通过花键方式连接，防掉传动轴1与轴承16节传动轴7通过螺纹连接。防掉传动轴1上的凸台外径大于悬挂套28凸台内径。涡轮钻具正常工作过程中，防掉传动轴1上的凸台与悬挂套28凸台保持一定间隙，为流体通过提供通道；当涡轮钻具轴承节上端头20以下部分发生断裂后，防掉传动轴1下落悬挂在悬挂套28凸台上防止下部钻具落井，同时防掉传动轴1凸台与悬挂套28凸台接触关闭流体通道，防掉传动轴1凸台以上钻具内流体压力骤增，提醒地面作业人员井下钻具发生异常。

防掉传动轴1上端为花键结构，用于与涡轮钻具涡轮节主轴26连接；下端为螺纹结构，用于与传动轴7连接。

组装过程中，将动盘座12、碟形弹簧11、防制动动盘10、防制动静盘9、静盘座8、密封套5、锥形密封套6、轴承组4、调节套3和防掉传动轴1依次安装在传动轴7上，再将轴承节外壳2与静盘座8通过螺纹连接。防掉传动轴1与传动轴7通过螺纹将静盘座8、锥形密封套6、轴承组4和调节套3锁紧在传动轴7上；轴承节外壳2与静盘座8通过螺纹将密封套5和轴承组4依次锁紧在轴承节外壳2内。

正常钻进过程中，防掉传动轴1、调节套3、锥形密封套6、传动轴7、静盘座8和防制动动盘10共同沿顺时针旋转，各部件间没有相对转动；轴承节外壳2、密封套5、静盘座8和防制动静盘9固定不动，各部件间没有相对转动。

当发生钻头卡钻事故后，钻头无法旋转，导致防掉传动轴1、调节套3、锥形密封套6、传动轴7、静盘座8、防制动动盘10等部件固定不动；顺时针旋转轴承节外壳2，轴承节外壳2带动密封套5、静盘座8、防制动静盘9顺时针旋转，在碟形弹簧11的推动下防制动静盘9与防制动动盘10啮合，防制动静盘9驱动防制动动盘10旋转，防制动动盘10驱动动盘座12和主轴旋转，解除钻头卡钻事故。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，包括涡轮节和轴承节；

所述涡轮节包括上接头、涡轮节外壳、外壳调节套、轴承、涡轮定子叶片、涡轮转子叶片、涡轮节主轴和减速器；

所述轴承节包括轴承节上端头、防掉传动轴、轴承节外壳、轴承组、密封套、锥形密封套、传动轴、静盘座、防制动静盘、防制动动盘和动盘座；

所述上接头一端用于与钻具相连接，所述上接头另一端与所述涡轮节外壳的一端相连接，所述涡轮节外壳的另一端所述轴承节上端头的一端相连接；

所述涡轮节主轴设置于所述涡轮节外壳内，所述涡轮节主轴上沿轴向设置有多个所述涡轮转子叶片，所述涡轮节外壳内壁上设置有多个所述涡轮定子叶片，且所述涡轮转子叶片与所述涡轮定子叶片交替设置；

所述涡轮节外壳与所述涡轮节主轴之间且位于全部的所述涡轮转子叶片和所述涡轮定子叶片的两端分别设置有一所述轴承；所述轴承的外圈侧壁与所述涡轮定子叶片的侧壁相接触，所述轴承的内圈侧壁与所述涡轮转子叶片的侧壁相接触；

所述减速器设置于所述涡轮节外壳内，且所述减速器的一端与所述涡轮节主轴相连接，所述减速器的另一端与所述防掉传动轴的一端相连接；

所述传动轴一端深入所述所述轴承节外壳后与所述防掉传动轴的另一端相连接；所述传动轴的另一端用于与钻具相连接；

所述传动轴一端与所述轴承节外壳之间设置有所述轴承组；

所述轴承组远离所述防掉传动轴的一侧位于所述传动轴上设置有所述锥形密封套，所述轴承节外壳内与所述锥形密封套相对应的设置有所述密封套；

所述传动轴内设置有中心孔，所述中心孔靠近所述防掉传动轴的一端不沿轴向贯穿所述传动轴，所述传动轴上沿径向设置有多个轴孔，所述锥形密封套上与所述多个轴孔相对应的设置有多个套孔；

所述轴承节外壳另一端内壁上设置有所述静盘座，所述静盘座内侧设置有所述防制动静盘；

所述传动轴另一端套设有所述动盘座，所述动盘座外壁上设置有所述防制动动盘，所述防制动静盘和所述防制动动盘的相邻端面传动连接。

2.根据权利要求1所述的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述涡轮节还包括外壳调整垫圈和主轴调整垫圈；所述轴承外圈与所述涡轮定子叶片之间设置有所述外壳调整垫圈，所述轴承内圈与所述涡轮转子叶片之间设置有所述主轴调整垫圈。

3.根据权利要求1所述的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述涡轮节主轴的一端设置有主轴压帽，所述主轴压帽与所述涡轮节主轴通过螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述主轴压帽与所述轴承的内圈之间设置有主轴调节套。

5.根据权利要求1所述的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述涡轮节外壳内位于所述减速器的两端分别设置有第一减速器固定套和第二减速器固定套；所述第一减速器固定套和所述第二减速器固定套用于所述减速器的轴向定位。

6.根据权利要求5所述的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述第二减速器固定套与所述轴承节上端头之间设置有悬挂套。

7.根据权利要求1所述的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述减速器的另一端与所述防掉传动轴的一端通过花键连接。

8.根据权利要求1所述的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述防掉传动轴与所述轴承组的内圈之间设置有调节套。

9.根据权利要求1所述的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述防制动动盘与所述动盘座之间设置有碟形弹簧，所述碟形弹簧用于为所述防制动动盘提供轴向推力。

10.根据权利要求1所述的防制动防掉大扭矩涡轮钻具，其特征在于，所述防掉传动轴深入所述涡轮节外壳内的一端沿径向设置有防掉落凸起，所述悬挂套位于所述防掉传动轴中部设置有安装孔，所述安装孔的尺寸小于所述防掉落凸起的尺寸。

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