CN209780753U - 一种冲击螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冲击螺杆钻具，主要由旁通阀总成、螺杆马达总成、万向轴总成、传动轴总成四部分组成，与常规螺杆不同的是其传动轴总成主要由特殊设计的传动轴和冲击单元组成。冲击单元主要由上板、冲击锤、内衬、滚珠和下板组成，封闭在传动轴内部；传动轴与冲击锤之间、内衬与冲击锤之间分别装有滚珠。本实用新型利用流体同时驱动螺杆转动、冲击单元作圆周往复冲击运动。冲击单元与螺杆的传动轴部分一体化设计，二者之间无中间环节，能够同时给钻头提供较高的转速和周向冲击破岩能量的螺杆钻具。这种冲击螺杆钻具能够稳定钻头工作面，有利于控制井眼轨迹。

Description

一种冲击螺杆钻具

技术领域

本实用新型涉及一种钻井工具领域的井下动力钻具。

背景技术

螺杆钻具（PDM drill），是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具，主要由旁通阀总成、螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成四大部分总成。按螺杆万向轴轴承筒结构特征可分直螺杆和弯螺杆（又称导向螺杆）。

导向螺杆配合MWD随钻监测井眼轨迹参数，再加上高效PDC钻头，一次下钻，即可完成增斜、降斜、扭方位和稳斜等各种轨迹控制任务。有弯外壳螺杆钻具兼具造斜率高和钻进效率高两大优势，因此，被称为“导向钻进”，导向螺杆+MWD+高效钻头的钻具组合合称为“导向钻井系统”，因其改变井眼方向靠滑动钻进方式，所以又称“滑动导向钻井系统”。正是滑动导向钻井系统的出现，导致现代水平井和大位移井等新技术的诞生、发展。

目前导向螺杆钻具在作业过程中主要有井眼轨迹的难以准确控制、钻压传递不畅的问题，原因分析如下：

首先，导向马达在工作状态中，转子驱动钻头作顺时针转动，同时钻具外壳产生反扭矩，逆时针扭转一个角度，即反扭角。反扭角的存在使得造斜工具工具面发生很大变化，严重干扰控制井眼轨迹。

反扭角大小受很多因素的影响：1）同种类型的动力钻具，其反扭角与动力钻具扭矩成正比，而扭矩与钻井液流量平方成正比；2）钻压与地层因素的实时影响，实时变化的因素也就决定了反扭角无法准确计算出来，即使使用MWD，也不可能随心所欲钻出预想井眼轨迹。

其次，斜井中，当钻压与钻柱自重的轴向分力之和小于井壁摩阻，就会出现送钻困难，即钻压传递不畅。而大位移井中过长的近水平段，钻柱自重使其紧压井壁腹底一侧，而钻柱自重与钻压垂直井壁的分力之和成为井壁摩阻的正压力，而二者轴向分力之和相对很小，因此，大位移井、水平井的钻压传递问题尤为突出。

实用新型内容

本实用新型目的针对现有技术存在的问题，提供一种冲击螺杆钻具，解决导向螺杆钻具反扭角与钻压传递的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种冲击螺杆钻具，主要由旁通阀总成、螺杆马达总成、万向轴总成、传动轴总成四部分自上而下依次连接组成；而传动轴总成主要由轴承筒、轴承组、传动轴组件构成，所述传动轴组件主要由传动轴和冲击单元组成。

上述方案进一步包括：

所述传动轴上部有通孔和下部有联接扣，中部上下贯通的空腔结构内设有异形槽、轴承孔、矩形槽、对称分布的竖槽和半圆槽；所述的冲击单元封闭在传动轴组件的内部，主要由上板、冲击锤、内衬、滚珠和下板组成；上板和下板分别固定在空腔结构上下两端，冲击锤、内衬和滚珠封闭在传动轴、上板和下板内；其中冲击锤在外、内衬在内，滚珠设置在传动轴与冲击锤之间、内衬与冲击锤之间，内衬在上板、冲击锤和下板形成的空间内封闭并转动；冲击锤在传动轴、上板和下板空间内封闭并转动。

所述的冲击锤呈中空柱型，有向外凸出的外锤、向内凸出的内锤，外锤两侧分别有通道A和通道B，内锤两侧分别有通道C和通道D；所述的内衬呈中空柱型，有中空通道和外部通道相通，外壁有槽形结构。

在传动轴总成外体上设有扶正器。

本实用新型具有以下优势：

1）常规导向螺杆钻具的传动轴近钻头端，本实用新型因为设计了特殊的有扶正的冲击单元，使得原来PDC钻头较长的“机械剪切”单元转化成若干个“剪切+剪切冲击”的单元，破碎岩石的比能耗大大降低，同样钻井参数下，钻速提高，使得送钻容易，整条钻柱的延伸性能得到了改善，同时也就提高了钻压传递的效率。

2）井下动力钻具的运转工况取决于负载——钻头切削过程的稳定程度。也就是说，钻头稳定钻进时，螺杆钻具的反扭角相对稳定；反之，钻头卡滑，不稳定钻进时，钻具的反扭角也就变化难测了。因此，本实用新型中所描述的冲击螺杆钻具近钻头端的冲击单元，能够持续输出冲击功率，克服PDC钻头的卡滑问题，稳定钻进过程，在同样钻井参数下，使得螺杆钻具输出功率、扭矩和转速都相对稳定，那么，动力钻具的反扭角也就相对稳定，控制井眼轨迹变得相对容易。

3）本实用新型中涉及的冲击单元内有特殊设计的轴承，使得冲击锤能够在垂直、水平、倾斜等任何方向都能保持平稳转动、产生冲击。

附图说明

图1为本实用新型的冲击螺杆钻具剖视图；

图2为图1中传动轴组件剖面图；

图3为图2中的传动轴A-A截面图；

图4为图1中的传动轴总成一种状态的剖面图；

图5为图1中的传动轴总成另一种状态的剖面图；

图中标记：1-旁通阀总成；2-螺杆马达总成；3-万向轴总成；4-传动轴总成；41-轴承筒；42-轴承组；43-扶正器；44-传动轴组件；441-传动轴；442-冲击单元；4411-通孔；4412-异形槽；4413-轴承孔；4414-矩形槽；4415-竖槽；4416-半圆槽；4417-联接扣；4421-上板；4422-冲击锤；4423-内衬；4424-滚珠；4425-下板；44221-外锤；44222-内锤；44223-通道A；44224-通道B；44225-通道C；44226-通道D；44231-中空通道；44232-外部通道；44233-槽型结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。

实施例1：

参照附图1，一种冲击螺杆钻具，主要由旁通阀总成1、螺杆马达总成2、万向轴总成3、传动轴总成4四部分自上而下依次连接组成；而传动轴总成4主要由轴承筒41、轴承组42、扶正器43、传动轴组件44构成，其特征在于：所述传动轴组件44主要由传动轴441和冲击单元442组成。

参照附图2-5，所述传动轴441上部有通孔4411和下部有联接扣4417，中部上下贯通的空腔结构内设有异形槽4412、轴承孔4413、矩形槽4414、对称分布的竖槽4415和半圆槽4416；所述的冲击单元442封闭在传动轴组件44的内部，主要由上板4421、冲击锤4422、内衬(4423)、滚珠4424和下板4425组成；上板4421和下板4425分别固定在空腔结构上下两端，冲击锤4422、内衬4423和滚珠4424封闭在传动轴441、上板4421和下板4425内；其中冲击锤4422在外、内衬4423在内，滚珠4424设置在传动轴441与冲击锤4422之间、内衬4423与冲击锤4422之间，内衬4423在上板4421、冲击锤4422和下板4425形成的空间内封闭并转动；冲击锤4422在传动轴441、上板4421和下板4425空间内封闭并转动。

所述的冲击锤4422呈中空柱型，有向外凸出的外锤44221、向内凸出的内锤44222，外锤44221两侧分别有通道A44223和通道B44224，内锤44222两侧分别有通道C44225和通道D44226；所述的内衬4423呈中空柱型，有中空通道44231和外部通道44232相通，外壁有槽形结构44233。

实施例2：

参照附图1，一种冲击螺杆钻具，主要由旁通阀总成1、螺杆马达总成2、万向轴总成3、传动轴总成4四大部分组成；而传动轴总成4主要由轴承筒41、轴承组42、扶正器43、传动轴组件44构成，其中：所述传动轴组件44主要由特殊设计的传动轴441和冲击单元442组成。

参照附图2和3，特殊设计的传动轴441，上部有通孔4411和下部有联接扣4417，中部的上下贯通的空腔结构主要有异形槽4412、轴承孔4413、矩形槽4414、对称分布的竖槽4415和半圆槽4416。

参照附图4、图5，冲击单元442封闭在传动轴441的内部，主要由上板4421、冲击锤4422、内衬4423、滚珠4424和下板4425组成；传动轴441内部有上下贯通的空腔结构，上板4421和下板4425分别固定在空腔结构上下两端，冲击锤4422、内衬4423和滚珠4424封闭在特殊设计的传动轴441、上板4421和下板4425内，其中冲击锤4422在外、内衬4423在内，而传动轴441与冲击锤4422之间、内衬4423与冲击锤4422之间分别装有滚珠4424；这样内衬4423封闭在上板4421、冲击锤4422和下板4425形成的空间内，可转动；冲击锤4422封闭在特殊设计的传动轴441、上板4421和下板4425内，可转动。冲击锤4422呈中空柱型，有向外凸出的外锤44221、向内凸出的内锤44222，外锤44221两侧分别有通道A44223和通道B44224，内锤44222两侧分别有通道C44225和通道D44226；所述的内衬4423呈中空柱型，有中空通道44231和外部通道44232相通，外壁有槽形结构44233。

参照附图4、图5，异形槽4412用于容纳冲击单元442，并确保冲击单元442仅以轴线旋转运动；轴承孔4413中有轴承滚珠确保冲击锤4422在传动轴441内自由转动；矩形槽4414在冲击锤4422和内衬4423发生相对转动的极限位置，通过通道C44225与通道A44233联通；竖槽4415与中空通道44231联通，并在冲击锤4422和内衬4423发生相对转动的极限位置，通过通道D44226与通道A44223联通；半圆槽4416承受冲击锤4422的外锤44221的撞击；通道A44223和通道B44224通过外部通道44232联通中空通道44231，流体从中空通道44231中流入外部通道44232，并通道A44223或通道B44224流入4416半圆槽，从单一方向推动外锤44221，从而使4422冲击锤转动；中空通道44231与通孔4411联通；上板4421和下板4425限制冲击单元442的轴向位置，并将冲击锤4422和内衬4423封闭于其中；内锤44222限制4423的转动极限位置。

工作时，本实用新型的一种冲击螺杆钻具与PDC钻头联接。钻井液由上向下流入冲击螺杆钻具，一方面驱动螺杆马达总成2旋转，一方面驱动冲击单元442做圆周往复冲击。因此，钻头接收来自冲击螺杆钻具的旋转动能和圆周冲击动能。

以上仅是实现本实用新型的两种具体实施例，基于此实用新型原理的其它实现形式在本实用新型的范围之内。

Claims (4)

1.一种冲击螺杆钻具，主要由旁通阀总成（1）、螺杆马达总成（2）、万向轴总成（3）、传动轴总成（4）四部分自上而下依次连接组成；而传动轴总成（4）主要由轴承筒（41）、轴承组（42）、传动轴组件（44）构成，其特征在于：所述传动轴组件（44）主要由传动轴（441）和冲击单元（442）组成。

2.根据权利要求1所述的一种冲击螺杆钻具，其特征在于：所述传动轴（441）上部有通孔（4411）和下部有联接扣（4417），中部上下贯通的空腔结构内设有异形槽（4412）、轴承孔（4413）、矩形槽（4414）、对称分布的竖槽（4415）和半圆槽（4416）；所述的冲击单元（442）封闭在传动轴组件（44）的内部，主要由上板（4421）、冲击锤（4422）、内衬(4423)、滚珠（4424）和下板（4425）组成；上板（4421）和下板（4425）分别固定在空腔结构上下两端，冲击锤（4422）、内衬（4423）和滚珠（4424）封闭在传动轴（441）、上板（4421）和下板（4425）内；其中冲击锤（4422）在外、内衬（4423）在内，滚珠（4424）设置在传动轴（441）与冲击锤（4422）之间、内衬（4423）与冲击锤（4422）之间，内衬（4423）在上板（4421）、冲击锤（4422）和下板（4425）形成的空间内封闭并转动；冲击锤（4422）在传动轴（441）、上板（4421）和下板（4425）空间内封闭并转动。

3.根据权利要求2所述的一种冲击螺杆钻具，其特征在于：所述的冲击锤（4422）呈中空柱型，有向外凸出的外锤（44221）、向内凸出的内锤（44222），外锤（44221）两侧分别有通道A（44223）和通道B（44224），内锤（44222）两侧分别有通道C（44225）和通道D（44226）；所述的内衬（4423）呈中空柱型，有中空通道（44231）和外部通道（44232）相通，外壁有槽形结构（44233）。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种冲击螺杆钻具，其特征在于：在传动轴总成（4）外体上设有扶正器（43）。