CN204200073U - 一种螺杆钻具传动轴总成的密封机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种螺杆钻具传动轴总成的密封机构，芯轴外周自上而下依次套装有上密封套、本体、外壳和缸套，上密封套与芯轴上端之间设有上活塞，上活塞内壁上部设有上刮圈，上活塞内壁中部设有上旋转油封，上活塞内壁下部设有上活塞自润滑复合轴承；上活塞外壁沿轴线方向依次设有多组O型圈和摩擦套。缸套与芯轴下端之间设有下活塞，下活塞内壁下部设有下刮圈，下活塞内壁中部设有下旋转油封，下活塞内壁上部设有下活塞自润滑复合轴承；下活塞外壁上部通过双凸油封与缸套密封，缸套下部旋接有定位销，定位销尾部插入下活塞纵向槽中；缸套与外壳相旋接的螺纹段上方的缝隙内填充有O型圈。上下密封机构之间的部件在润滑油环境下工作，使用寿命长。

Description

一种螺杆钻具传动轴总成的密封机构

技术领域

本实用新型涉及一种螺杆钻具传动轴总成，尤其涉及一种螺杆钻具传动轴总成的密封机构，螺杆钻具传动轴总成用于产生的扭矩及转速为钻头提供动力，密封机构用于阻止泥浆进入芯轴外周的夹套内，属于石油钻井设备技术领域。

背景技术

在石油钻井中，利用螺杆钻具产生的扭矩及转速为钻头提供所需的动力，从而进行破岩钻进。螺杆钻具上部旋接钻具，下部旋接钻头。由于螺杆钻具紧挨着钻头，使得大位移井、多底井、分支井等的定向井的承钻成为可能。

螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置。当高压液体进入钻具时，迫使转子在定子中滚动，由此产生扭矩和转速，通过万向轴传递到传动轴总成，由传动轴总成传递扭矩及转速来为钻头提供动力，达到钻井的目的。

目前常用的螺杆钻具技术为开式普通螺杆钻具技术，具有相同的结构、使用温度低、使用范围小、使用寿命短的现象，无法进行短半径水平井的作业，也实现不了加快钻井速度提升、钻井周期缩短、钻井成本降低的当今需求。

开式螺杆钻具传动轴总成的密封机构主要由芯轴、下TC轴承固定套、下TC轴承旋转套、本体、防掉机构、弹簧、下定位套、卡套、串轴承、上定位套、上TC轴承固定套和上TC轴承旋转套等组成。

钻井中，来自泥浆泵泵入的泥浆通过钻具水眼进入传动轴总成，一路通过芯轴水眼，进入钻头喷嘴射向井底后携带岩屑返回地面；另一路通过上TC轴承固定套与上TC轴承旋转套间的缝隙流向串轴承，在通过下TC轴承固定套、下TC轴承旋转套间的缝隙流向钻具外的环空。整个TC轴承及串轴承都敞露在泥浆中，由于泥浆中含有多的微小岩石颗粒及泥浆的化学腐蚀，大大降低了轴承的使用寿命，其使用寿命在100小时左右，使用温度在100度以下，也无法与MWd、LWd、旋转导向钻进系统配套使用。

该螺杆钻具传动轴总成的密封机构上的下TC轴承固定套、下TC轴承旋转套、上TC轴承固定套、上TC轴承旋转套承担着径向的扶正功能，多组串轴承串接在一起，主要承担着轴向载荷及部分的扶正载荷。扶正器是与本体连为一体的，一担扶正器磨损，该螺杆钻具就失效。

随着石油钻井技术的发展，特别是海洋及陆地沙漠石油钻探，为了获得更好的经济效益，需要开发丛式井、多底井、鱼刺井和大位移水平井，而且常常要在更复杂的地层，如高陡构造带钻井；承钻上述高难度、高水平的油气井，就需要对螺杆钻具提出更高的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种螺杆钻具传动轴总成的密封机构，可以阻止泥浆进入芯轴外的夹套内，使防掉机构的轴承封闭在润滑油腔内工作，使用寿命长。

为解决以上技术问题，本实用新型的一种螺杆钻具传动轴总成的密封机构，芯轴的中心沿轴线设有贯通的芯轴水眼，所述芯轴的外周自上而下依次套装有上密封套、本体、外壳和缸套，所述上密封套与所述芯轴上端之间的环状空间中设有上活塞，所述上活塞的内壁上部设有上刮圈，所述上活塞的内壁中部设有上旋转油封，所述上活塞的内壁下部设有上活塞自润滑复合轴承；所述上刮圈和上旋转油封与所述芯轴的外壁实现密封，所述上活塞自润滑复合轴承卡在所述芯轴的外壁上；所述上活塞的外壁沿轴线方向依次设有多组O型圈和摩擦套。

相对于现有技术，本实用新型取得了以下有益效果：上活塞在上密封套与芯轴之间的环形腔内可上下移动； O型圈和摩擦套紧密贴着上密封套的内壁及上活塞的外壁，阻止了上密封装置随芯轴转动；上活塞自润滑复合轴承可以减小芯轴的旋转阻力且起到扶正的作用，上活塞内壁的润滑油不能越过上旋转油封向上流动；上刮圈可以阻止较大的岩屑下行，防止岩屑损坏上旋转油封。

作为本实用新型的改进，所述上活塞的下部设有上活塞油道，所述上活塞油道的下端与上油腔相通；所述上活塞油道的上端向内通往各内油孔出口，所述上活塞油道的上端向外分别通往各外油孔出口，所述内油孔位于所述上旋转油封与所述上活塞自润滑复合轴承之间且沿圆周均匀分布；所述外油孔分别位于各组所述O型圈和摩擦套之间且沿圆周均匀分布。上油腔中的压力油通过上活塞油道向各内油孔和各外油孔出口，实现对上活塞自润滑复合轴承、O型圈和摩擦套的润滑。

作为本实用新型的改进，所述上活塞的上部设有上活塞泥浆通道，所述上活塞泥浆通道向内通往内泥浆孔出口，所述上活塞泥浆通道向外通往外泥浆孔出口；所述内泥浆孔位于所述上刮圈和所述上旋转油封之间且沿圆周均匀分布，所述外泥浆孔位于最顶层的所述O型圈以上且沿圆周均匀分布。活塞泥浆通道使泥浆对上活塞产生向下的压力，与上油腔中的油压形成平衡，当上方的泥浆压力大于下方的油压时，上活塞向下移动；当上方的泥浆压力小于下方的油压时，上活塞向上移动。

作为本实用新型的改进，所述缸套与所述芯轴的下端之间的环状空间设有下活塞，所述下活塞的内壁下部设有下刮圈，所述下活塞的内壁中部设有下旋转油封，所述下活塞的内壁上部设有下活塞自润滑复合轴承；所述下刮圈和下旋转油封与所述芯轴的外壁实现密封，所述下活塞自润滑复合轴承卡在所述芯轴的外壁上；所述下活塞的外壁上部通过双凸油封与所述缸套实现密封，所述下活塞的外壁下部设有沿轴向延伸的下活塞纵向槽，所述缸套的下部旋接有定位销，所述定位销的尾部圆柱台插入所述下活塞纵向槽中；所述缸套与所述外壳相旋接的螺纹段上方的缝隙内填充有O型圈。定位销旋紧在缸套上，定位销尾部圆柱台插入下活塞纵向槽中，保证了下活塞不随芯轴转动；下活塞自润滑复合轴承可以减小芯轴的旋转阻力且起到扶正的作用，下活塞的外壁上部通过双凸油封与缸套实现密封，下活塞的内壁通过下刮圈和下旋转油封与芯轴的外壁实现密封，下旋转油封可以阻止上方的润滑油向下渗漏，下刮圈可以阻止飞溅的岩屑伤害下旋转油封。

作为本实用新型的改进，所述双凸油封的内侧对称设有两个波峰，与所述波峰对应的外侧对称设有两个波谷，外侧凸部的半径和内侧凹部的半径均为r、外侧凹部的半径和内侧凸部的半径均为R，且r=0.4~0.8R。双凸油封的内径凸部与下活塞在有较大的过盈量，保证了顺利的安装，同时芯轴在偏心旋转、推动下活塞沿径向位移时，双凸油封能封住缸套与下活塞之间的缝隙。

作为本实用新型的改进，所述缸套的下端口圆周上均匀分布有多个缸套泥浆孔，各所述缸套泥浆孔的下端开口，所述缸套泥浆孔的上端与所述下活塞的下端面相通；所述下活塞的上端面设有下活塞油槽，所述下活塞油槽的上端与所述下油腔相通。缸套上的缸套泥浆孔可以使井筒环空的泥浆进入缸套内，推动下活塞运动，以保持下油腔与井筒环空泥浆的压力平衡。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本实用新型。

图1为本实用新型螺杆钻具传动轴总成的主视图。

图2为图1中上密封装置的放大图。

图3为图2中上活塞的结构示意图。

图4为图1中防掉机构的放大图。

图5为图1中可更换扶正器的主视图。

图6为图5的俯视图。

图7为图1中下密封装置的放大图。

图8为图7中缸套的主视图。

图9为图8的仰视图。

图中：1.芯轴；1a.芯轴水眼；2.上密封套；3.上油腔；4.上密封装置；4a.上活塞；4b.上刮圈；4c.上旋转油封；4d.上活塞自润滑复合轴承；4e.O型圈；4f.摩擦套；4g.上活塞油道；4h.上活塞泥浆通道；5.本体；5a.本体注油通道；5b.本体注油堵头；5c.本体自润滑复合轴承；6.防掉机构；6a.上平面轴承；6b.防掉卡块；6c.卡块防松螺钉；6d.卡套；6e.弹簧挡圈；6f.下平面轴承；6g.调节环； 7.可更换扶正器；7a.扶正器防松螺钉；7b.扶正条；8.外壳；8a.外壳自润滑复合轴承；8b.外壳注油通道；8c.外壳注油堵头；8d.外壳密封盖；8e.外壳旋转油封；9.缸套；9a.下注油堵头；9b.缸套泥浆孔；9c.定位销；9d.O型圈；10.下油腔；11.下密封装置；11a.下活塞；11a1.下活塞纵向槽；11b.下刮圈；11c.下旋转油封；11d.下活塞自润滑复合轴承；11e.双凸油封；11f.下活塞油槽。

具体实施方式

如图1至图9所示，本实用新型的螺杆钻具传动轴总成的密封机构包括芯轴1，芯轴1的中心沿轴线设有贯通的芯轴水眼1a，芯轴1的上端设有与万向轴连接的公螺纹，芯轴1的下端设有与钻头连接的母螺纹，芯轴1的外周自上而下依次套装有上密封套2、本体5、外壳8和缸套9，上密封套2的上端设有与万向轴壳体连接的公螺纹，上密封套2的下端与本体5的上端相旋接，本体5的下端与外壳8的上端相旋接，外壳8的下部与缸套9的上端相旋接；上密封套2的内壁与芯轴1的外壁通过上密封装置4实现密封，上密封装置4与本体5的上端面之间形成上油腔3，本体5的上段设有本体注油通道5a与上油腔3相通，本体注油通道5a的外端口被本体注油堵头5b封闭；本体5的上段内壁通过本体自润滑复合轴承5c支撑在芯轴1外周，本体5的下段内壁通过防掉机构6与芯轴1的外壁连接，防掉机构6浸在油腔中，本体5的外周旋接有可更换扶正器7；外壳8的内壁通过外壳自润滑复合轴承8a支撑在芯轴1外周；缸套9的内壁与芯轴1的外壁通过下密封装置11实现密封，下密封装置11与外壳8的下端头之间设有下油腔10，缸套9上设有下注油堵头9a与下油腔10相通。

钻井中，泥浆可以全部进入芯轴水眼1a，通过芯轴水眼1a进入钻头喷嘴射向井底后携带岩屑返回地面，芯轴1旋转而外周的各套不转；芯轴1外周上密封套2、本体5、外壳8和缸套9依次旋接实现密封。上密封套2的内壁与芯轴1的外壁通过上密封装置4实现密封，上密封装置4与本体5的上端面之间形成上油腔3，从本体注油通道5a向上油腔3内注满压力油，然后用本体注油堵头5b将本体注油通道5a的出口封堵；上油腔3的压力油及上密封装置4将泥浆封堵在上密封装置4上方。防掉机构6浸在油腔中，在润滑情况下工作，不与泥浆接触；本体5的外周旋接有可更换扶正器7，避免扶正器损坏导致整个传动轴总成报废。长通径外壳自润滑复合轴承8a可以减小芯轴1在外壳8中的旋转阻力，而且可以起到扶正的作用。缸套9的内壁与芯轴1的外壁通过下密封装置11实现密封，下密封装置11与外壳8的下端头之间设有下油腔10，向下油腔10内注满压力油后，采用下注油堵头9a封堵，下密封装置11和下油腔10中的压力油使泥浆不能向上进入缸套9的环状缝隙中，保证了上方夹套中的各部件不接触泥浆，延长了使用寿命。

外壳8的中部设有外壳注油通道8b，外壳注油通道8b与外壳自润滑复合轴承8a相通，外壳注油通道8b的外端口封堵有外壳注油堵头8c。通过外壳注油通道8b可以向外壳自润滑复合轴承8a注油，保证其润滑良好。

如图2、图3所示，上密封装置4包括上活塞4a，上活塞4a的内壁上部设有上刮圈4b，上活塞4a的内壁中部设有上旋转油封4c，上活塞4a的内壁下部设有上活塞自润滑复合轴承4d；上刮圈4b和上旋转油封4c与芯轴1的外壁实现密封，上活塞自润滑复合轴承4d卡在芯轴1的外壁上；上活塞4a的外壁沿轴线方向依次设有多组O型圈4e和摩擦套4f。上密封装置4在上密封套2与芯轴1之间的环形腔内可上下移动； O型圈4e和摩擦套4f紧密贴着上密封套2的内壁及上活塞4a的外壁，阻止了上密封装置4随芯轴1转动；上活塞自润滑复合轴承4d可以减小芯轴1的旋转阻力且起到扶正的作用，上活塞内壁的润滑油不能越过上旋转油封4c向上流动；上刮圈4b可以阻止较大的岩屑下行，防止岩屑损坏上旋转油封4c。

上活塞4a的下部设有上活塞油道4g，上活塞油道4g的下端与上油腔3相通；上活塞油道4g的上端向内通往各内油孔出口，上活塞油道4g的上端向外分别通往各外油孔出口，内油孔位于上旋转油封4c与上活塞自润滑复合轴承4d之间且沿圆周均匀分布；外油孔分别位于各组O型圈4e和摩擦套4f之间且沿圆周均匀分布。上油腔3中的压力油通过上活塞油道4g向各内油孔和各外油孔出口，实现对上活塞自润滑复合轴承4d、O型圈4e和摩擦套4f的润滑。

上活塞4a的上部设有上活塞泥浆通道4h，上活塞泥浆通道4h向内通往内泥浆孔出口，上活塞泥浆通道4h向外通往外泥浆孔出口；内泥浆孔位于上刮圈4b和上旋转油封4c之间且沿圆周均匀分布，外泥浆孔位于最顶层的O型圈4e以上且沿圆周均匀分布。活塞泥浆通道使泥浆对上活塞4a产生向下的压力，与上油腔3中的油压形成平衡，当上方的泥浆压力大于下方的油压时，上活塞4a向下移动；当上方的泥浆压力小于下方的油压时，上活塞4a向上移动。

如图4至图6所示，防掉机构6包括上平面轴承6a、防掉卡块6b、下平面轴承6f和调节环6g，上平面轴承6a的上部顶在本体5的内台阶下方，上平面轴承6a的下部支撑在防掉卡块6b上，防掉卡块6b的下部支撑在下平面轴承6f上，下平面轴承6f的下部支撑在调节环6g上，调节环6g的下部支撑在外壳8的上端口上；防掉卡块6b由对称的两半合围而成，防掉卡块6b的内圆周壁设有多道防掉卡环且各防掉卡环分别嵌装在芯轴1上对应的卡槽内。上平面轴承6a、防掉卡块6b、下平面轴承6f和调节环6g构成一组能正常运转的轴承体系，且在油浸环境下工作，不容易发生损坏；防掉卡块6b通过多道防掉卡环卡在芯轴1的卡槽中，实现轴向定位，且将防掉机构6固定在芯轴1上。防掉机构6与芯轴1成为一体，保证了上平面轴承6a与下平面轴承6f在高轴向钻压下的正常运转。

防掉卡块6b的中部通过卡块防松螺钉6c固定在芯轴1上，防掉卡块6b的外周套装有卡套6d，卡套6d的下端支撑在防掉卡块6b下部的外台阶上，卡套6d的顶在弹簧挡圈6e的下方，弹簧挡圈6e嵌装在防掉卡块6b的圆周上。卡块防松螺钉6c将防掉卡块6b固定在芯轴1上，卡套6d套在防掉卡块6b对应的环形台阶面上，阻止了防掉卡块6b从芯轴1上脱开，弹簧挡圈6e将卡套6d轴向定位。

如图5、图6所示，可更换扶正器7的外圆周均匀分别有多道扶正条7b，可更换扶正器7的轴向中部通过多个扶正器防松螺钉7a旋接在本体5上，各扶正器防松螺钉7a沿本体5的圆周均匀分布。可更换扶正器7是独立的套装结构，其上的扶正条7b可根据用户需求，制作成三至六条，已经制作成直条、螺旋条等旋向，在现场可根据钻井的施工状况，选择所需的可更换扶正器7，大大降低了施工成本。

外壳8的下端头旋接有外壳密封盖8d，外壳密封盖8d的下端设有面向芯轴1的外壳密封槽，外壳密封槽中嵌装有外壳旋转油封8e。外壳8的下端头的外壳密封盖8d及外壳旋转油封8e可以阻止下油腔10中的润滑油上行。

如图7至图9所示，下密封装置11包括下活塞11a，下活塞11a的内壁下部设有下刮圈11b，下活塞11a的内壁中部设有下旋转油封11c，下活塞11a的内壁上部设有下活塞自润滑复合轴承11d；下刮圈11b和下旋转油封11c与芯轴1的外壁实现密封，下活塞自润滑复合轴承11d卡在芯轴1的外壁上；下活塞11a的外壁上部通过双凸油封11e与缸套9实现密封，下活塞11a的外壁下部设有沿轴向延伸的下活塞纵向槽11a1，缸套9的下部旋接有定位销9c，定位销9c的尾部圆柱台插入下活塞纵向槽11a1中；缸套9与外壳8相旋接的螺纹段上方的缝隙内填充有O型圈9d。下密封机构内的定位销9c旋紧在缸套9上，定位销9c尾部圆柱台插入下活塞纵向槽11a1中，保证了下活塞11a不随芯轴1转动；下活塞自润滑复合轴承11d可以减小芯轴1的旋转阻力且起到扶正的作用，下活塞11a的外壁上部通过双凸油封11e与缸套9实现密封，下活塞11a的内壁通过下刮圈11b和下旋转油封11c与芯轴1的外壁实现密封，下旋转油封11c可以阻止上方的润滑油向下渗漏，下刮圈11b可以阻止飞溅的岩屑伤害下旋转油封11c。

双凸油封11e的内侧对称设有两个波峰，与波峰对应的外侧对称设有两个波谷，外侧凸部的半径和内侧凹部的半径均为r、外侧凹部的半径和内侧凸部的半径均为R，且r=0.4~0.8R。双凸油封11e的内径凸部与下活塞11a在有较大的过盈量，保证了顺利的安装，同时芯轴1在偏心旋转、推动下活塞11a沿径向位移时，双凸油封11e能封住缸套9与下活塞11a之间的缝隙。

缸套9的下端口圆周上均匀分布有多个缸套泥浆孔9b，各缸套泥浆孔9b的下端开口，缸套泥浆孔9b的上端与下活塞11a的下端面相通；下活塞11a的上端面设有下活塞油槽11f，下活塞油槽11f的上端与下油腔10相通。缸套9上的缸套泥浆孔9b可以使井筒环空的泥浆进入缸套9内，推动下活塞11a运动，以保持下油腔10与井筒环空泥浆的压力平衡。

以上所述仅为本实用新型之较佳可行实施例而已，非因此局限本实用新型的专利保护范围。除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围内。本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (6)

1.一种螺杆钻具传动轴总成的密封机构，芯轴的中心沿轴线设有贯通的芯轴水眼，所述芯轴的外周自上而下依次套装有上密封套、本体、外壳和缸套，其特征在于：所述上密封套与所述芯轴上端之间的环状空间中设有上活塞，所述上活塞的内壁上部设有上刮圈，所述上活塞的内壁中部设有上旋转油封，所述上活塞的内壁下部设有上活塞自润滑复合轴承；所述上刮圈和上旋转油封与所述芯轴的外壁实现密封，所述上活塞自润滑复合轴承卡在所述芯轴的外壁上；所述上活塞的外壁沿轴线方向依次设有多组O型圈和摩擦套。

2.根据权利要求1所述的螺杆钻具传动轴总成的密封机构，其特征在于：所述上活塞的下部设有上活塞油道，所述上活塞油道的下端与上油腔相通；所述上活塞油道的上端向内通往各内油孔出口，所述上活塞油道的上端向外分别通往各外油孔出口，所述内油孔位于所述上旋转油封与所述上活塞自润滑复合轴承之间且沿圆周均匀分布；所述外油孔分别位于各组所述O型圈和摩擦套之间且沿圆周均匀分布。

3.根据权利要求2所述的螺杆钻具传动轴总成的密封机构，其特征在于：所述上活塞的上部设有上活塞泥浆通道，所述上活塞泥浆通道向内通往内泥浆孔出口，所述上活塞泥浆通道向外通往外泥浆孔出口；所述内泥浆孔位于所述上刮圈和所述上旋转油封之间且沿圆周均匀分布，所述外泥浆孔位于最顶层的所述O型圈以上且沿圆周均匀分布。

4.根据权利要求1所述的螺杆钻具传动轴总成的密封机构，其特征在于：所述缸套与所述芯轴的下端之间的环状空间设有下活塞，所述下活塞的内壁下部设有下刮圈，所述下活塞的内壁中部设有下旋转油封，所述下活塞的内壁上部设有下活塞自润滑复合轴承；所述下刮圈和下旋转油封与所述芯轴的外壁实现密封，所述下活塞自润滑复合轴承卡在所述芯轴的外壁上；所述下活塞的外壁上部通过双凸油封与所述缸套实现密封，所述下活塞的外壁下部设有沿轴向延伸的下活塞纵向槽，所述缸套的下部旋接有定位销，所述定位销的尾部圆柱台插入所述下活塞纵向槽中；所述缸套与所述外壳相旋接的螺纹段上方的缝隙内填充有O型圈。

5.根据权利要求4所述的螺杆钻具传动轴总成的密封机构，其特征在于：所述双凸油封的内侧对称设有两个波峰，与所述波峰对应的外侧对称设有两个波谷，外侧凸部的半径和内侧凹部的半径均为r、外侧凹部的半径和内侧凸部的半径均为R，且r=0.4~0.8R。

6.根据权利要求4所述的螺杆钻具传动轴总成的密封机构，其特征在于：所述缸套的下端口圆周上均匀分布有多个缸套泥浆孔，各所述缸套泥浆孔的下端开口，所述缸套泥浆孔的上端与所述下活塞的下端面相通；所述下活塞的上端面设有下活塞油槽，所述下活塞油槽的上端与下油腔相通。