CN213144424U - 解卡振荡螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及解卡振荡螺杆钻具，属于石油开采设备技术领域，包括水力振荡装置、马达总成、万向轴总成、传动轴和单向离合装置，当传动轴相对于所述解卡振荡螺杆钻具的外壳沿第一方向旋转时，单向离合装置允许所述传动轴相对于所述外壳沿第一方向空转；但当所述外壳相对于所述传动轴沿第一方向旋转时，单向离合装置能够将外壳的扭矩传递到所述传动轴。本实用新型中当钻头遇到硬岩等复杂地层而发生制动卡死时，可直接驱动外壳旋转，单向离合装置将外壳、传动轴啮合为一个整体，利用外壳的扭矩将岩层破碎，实现解卡，从而使钻头能继续钻进，可提高工作效率。

Description

解卡振荡螺杆钻具

技术领域

本实用新型涉及石油开采设备技术领域，尤其涉及解卡振荡螺杆钻具。

背景技术

螺杆钻具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。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。

在石油开采领域中，大位移井、水平井、水平分支井和其他结构复杂井的数量不断增加，随着井眼水平段长度的不断增加，钻柱受到井壁施加的摩擦阻力也会不断增大，致使钻柱难以下入设计井深，并且在钻压和摩擦阻力的共同作用会发生挠曲变形。由于钻柱受到井壁摩擦阻力的作用，无法向钻头施加准确的钻压，严重影响钻进效率，一旦发生井下遇阻或着卡钻现象更是会对整个钻井过程产生重大影响。因此减小钻柱摩擦阻力，有效送进钻柱，向钻头准确施加钻压是大位移井、水平井、水平分支井和其他结构复杂井钻井技术的一个核心问题。

水力振荡器是减小钻柱摩擦阻力的主要工具，该工具通过钻井液的水击作用向钻柱施加周期性的轴向振动，有效减小钻井过程中钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻井破岩效率。

然而，当螺杆钻具钻进遇坚硬岩石时，尤其是在复杂地层，钻头易卡死，无法继续钻进，目前的做法是将钻头提离井底一端距离等旋转正常后再重新钻进，工作效率低。

实用新型内容

本实用新型旨在提供解卡振荡螺杆钻具，当钻头未卡死的时候可以提供轴向振荡力加速破岩钻进，当钻头遇阻卡死后又能够解卡并持续钻进，利于提高工作效率。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

解卡振荡螺杆钻具，包括水力振荡装置、动力总成、传动轴和单向离合装置，当传动轴相对于所述解卡振荡螺杆钻具的外壳沿第一方向旋转时，单向离合装置允许所述传动轴相对于所述外壳沿第一方向空转；但当所述外壳相对于所述传动轴沿第一方向旋转时，单向离合装置能够将外壳的扭矩传递到所述传动轴。

进一步的，解卡振荡螺杆钻具还包括连体水帽，传动轴上端与连体水帽固接，单向离合装置设于连体水帽与外壳之间。

或者，解卡振荡螺杆钻具还包括连体水帽，传动轴上端与连体水帽下端固接，所述单向离合装置包括多个柱销和弹簧；

所述连体水帽外圆面开有多个限位槽，多个限位槽沿连体水帽的圆周方向等间隔设置，限位槽的深度沿连体水帽圆周方向从一端到另一端逐渐增加；

所述限位槽的槽壁上开有弹簧腔，所述弹簧腔位于限位槽最深端的端面上，多个弹簧被一一置于所述弹簧腔中，多个柱销被一一设置在所述限位槽与所述外壳的内壁之间的空间中；柱销由弹簧支撑，以便所述多个柱销与所述外壳内壁接合，使得当所述外壳相对于所述连体水帽沿第一方向旋转时，能够将外壳的扭矩传递到所述连体水帽；

但当所述连体水帽相对于所述外壳沿所述第一方向旋转时，使得所述多个柱销允许所述连体水帽相对于所述外壳沿第一方向空转。

优选地，所述柱销和弹簧有至少三个。

进一步的，所述连体水帽下端有用于与传动轴连接的螺纹连接孔，连体水帽外侧壁有多个侧孔，侧孔内端与螺纹连接孔相通，所述限位槽位于所述侧孔下方。

其中，所述弹簧内端与弹簧腔的腔壁固接，弹簧外端为自由端，弹簧自由端与柱销连接。

或者，所述弹簧与柱销间设有钢球，弹簧内端与弹簧腔的腔壁固接，弹簧外端为自由端，弹簧自由端与钢球连接，钢球与柱销接触。

进一步的，解卡振荡螺杆钻具还包括万向轴，所述连体水帽上端与万向轴下端连接，万向轴上端与动力总成的转子连接。

进一步的，所述水力振荡装置包括定位筒、阀门壳体、上接头、弹簧、阀环接头、静阀环、动阀环和下接头；所述阀门壳体上端与上接头螺纹连接，阀门壳体下端与定子壳体连接，定位筒装在阀门壳体内并与上接头螺纹连接；

所述阀环接头装在上接头的阶梯孔中并与上接头间隙配合，阀环接头下端与定位筒采用键定位配合，阀环接头与定位筒间允许有一定的轴向位移；

所述静阀环安装在阀环接头中心孔的下端，所述动阀环固定安装在下接头中心孔的上端，下接头上开有至少两个侧孔；

所述弹簧套在阀环接头外，弹簧压缩在阀环接头与上接头之间给阀环接头一个向下的轴向预紧力，使静阀环与动阀环保持贴合；

静阀环与动阀环上均设有阀孔，通过静阀环与动阀环的相对转动来调节流量。

进一步的，解卡振荡螺杆钻具还包括外壳驱动装置，所述解卡振荡螺杆钻具的外壳上端与所述驱动装置连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型在正常钻进的时候可以提供轴向振荡力加速破岩钻进。当钻头遇到硬岩等复杂地层而发生制动卡死时，可通过驱动装置直接驱动外壳旋转，单向离合装置将外壳、传动轴啮合为一个整体，利用外壳的扭矩叠加内部液压马达产生的扭矩作用在钻头上实现在坚硬岩层的钻进，当最终突破坚硬岩层，钻头受到的阻力变小，其内在液压马达产生的扭矩足以驱动钻头钻进时，外壳的转速小于液压马达转速，连体水帽脱离外壳体从而实现解卡，这样复合钻进可极大提高工作效率。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是水力振荡装置的结构示意图；

图3是实施例一在连体水帽处的局部纵向剖视图；

图4是图3中A-A向的剖视图；

图5是实施例二在连体水帽处的局部纵向剖视图；

图6是图5中B-B向的剖视图；

图7是实施例二中连体水帽的纵向剖视图；

图8是图7中C-C向的剖视图；

图9是实施例三在连体水帽处的横向剖视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，本实施例公开的解卡振荡螺杆钻具，水力振荡装置6、马达总成7、万向轴总成3、连体水帽1、传动轴4和单向离合装置。

如图2所示，水力振荡装置包括定位筒68、阀门壳体67、上接头66、弹簧65、阀环接头64、静阀环63、动阀环62和下接头61；阀门壳体67上端与上接头66螺纹连接，阀门壳体67下端与定子壳体连接。

上接头66与减震器连接，定位筒68装在阀门壳体67内并与上接头66螺纹连接，阀环接头64装在上接头66的阶梯孔中并与上接头66间隙配合，阀环接头64下端与定位筒68采用花键定位配合，阀环接头64与定位筒68间允许有一定的轴向位移。

静阀环63安装在阀环接头64中心孔的下端，动阀环62固定安装在下接头61中心孔的上端，下接头61上开有至少两个侧孔，下接头61下端通过防掉杆8与转子连接。

弹簧65套在阀环接头64外，弹簧65压缩在阀环接头64与上接头66之间给阀环接头64一个向下的轴向预紧力，使静阀环63与动阀环62保持贴合。

阀环接头64侧壁有泥浆孔69，泥浆孔69允许泥浆通过以润滑阀环接头64，保证阀环接头64在弹簧65作用下轴向移动顺畅，进而确保静阀环63在弹簧65作用下始终与动阀环62贴合，确保密封性能。

静阀环63与动阀环62上均设有阀孔，通过静阀环63与动阀环的相对转动来调节流量。

动阀环62上的阀孔与静阀环63上的阀孔存在偏心距。本实施方式在静阀环63的中心设阀孔，动阀环62上设偏心的阀孔，同时下接头61与静阀环63存在偏心距。

运动过程中，动阀环62和静阀环63阀孔的重叠面积发生周期性变化，使得流过静阀环63和动阀环62的钻井液流量产生周期性变化，从而产生振荡力现象，实现给与螺杆钻具轴向振荡冲击力作用。

本实施例中马达转子下端与万向轴总成3连接，连体水帽1上端与万向轴下端连接，连体水帽1下端与传动轴4固接，传动轴4下端接钻头。在其他实施例中可用十字滑块联轴器替代万向轴总成3。

阀门壳体67、定子壳体、万向轴壳体、传动轴壳体等组成解卡振荡螺杆钻具的外壳2，这是本领域的常识此处不再赘述。

当传动轴4相对于外壳2沿第一方向旋转时，单向离合装置允许传动轴4相对于外壳2沿第一方向空转；但当外壳2相对于传动轴4沿第一方向旋转时，单向离合装置能够将外壳2的扭矩传递到传动轴4。

本实施例中单向离合装置采用现有的单向离合器，包括但不限于滚柱斜槽式单向离合器、棘轮棘爪式超越离合器等。单向离合器可设于传动轴4与外壳2之间，也可设于连体水帽1与外壳2之间。

如图3、4所示，以采用滚柱斜槽式单向离合器5，并将滚柱斜槽式单向离合器5安装于连体水帽1与外壳2之间为例，介绍本实用新型的工作原理。

滚柱斜槽式单向离合器5包括外环51、内环52、多个滚柱54和多个弹簧13，内环52上开有多个斜槽55，弹簧13安装在内环52上的弹簧腔中，弹簧13自由端与滚柱54连接。滚柱54被一一设置在斜槽55与外环51之间的空间中。滚柱54由弹簧13支撑，以便多个滚柱54与外环51内壁接合，使得当外环51相对于内环52沿第一方向旋转时，能够将外环51的扭矩传递到内环52。

但当内环52相对于外环51沿第一方向旋转时，使得多个滚柱54允许内环52相对于外环51沿第一方向空转。

在连体水帽1外表面上加工用于安装内环52的环形槽，在外壳内壁对应位置加工用于安装外环51的环形槽，内环52和外环51对应固定安装在环形槽中。

连体水帽1下端有螺纹连接孔15，用于与传动轴4连接。连体水帽1外侧壁有多个侧孔16，侧孔16内端与螺纹连接孔15相通，侧孔16用于钻井液的流通，环形槽位于侧孔16下方。

使用时，钻具的外壳2上端连接用于驱动其沿第一方向旋转的驱动装置，驱动装置包括电机及传动机构。

本实用新型的原理：

正常工作时，外壳2不转，马达转子作自转加公转的行星运动，带动动阀环一起运动，运动过程中，动阀环偏心阀孔和静阀环中心阀孔的重叠面积发生周期性变化，使得流过静阀环中心阀孔和动阀环偏心阀孔的钻井液流量产生周期性变化，从而产生水击现象，实现轴向冲击；

万向轴总成3将马达转子的行星运动转变为传动轴4的定轴转动，将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴4至钻头。连体水帽1、传动轴4及钻头在马达转子的作用下沿第一方向旋转，此时滚柱斜槽式单向离合器5为自由状态，连体水帽1及内环52可相对于外环51及外壳2沿第一方向空转。

当钻头遇坚硬岩石卡死时，启动与外壳2连接的驱动装置，外壳2由电机直接驱动着沿第一方向旋转，此时滚柱54与内环52及外环51的内壁接合，在摩擦力的作用下，外壳2的扭矩通过外环51传递给内环52、连体水帽1、传动轴4和钻头，继而使钻头沿第一方向继续旋转，继续破碎岩石，实现钻头的解卡。钻头解卡后，停止外壳2的驱动装置即可。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：如图5、6所示，本实施例中单向离合装置包括多个柱销17和弹簧13。柱销17的数量根据需要需要合理设置。作为优选，柱销17有至少三个。

如图7、8所示，连体水帽1外圆面开有多个限位槽11，多个限位槽11沿连体水帽1的圆周方向等间隔设置，限位槽11的深度沿连体水帽1圆周方向从一端到另一端逐渐增加，限位槽11具有凸轮轮廓的作用。

限位槽11的槽壁上开有弹簧腔12，弹簧腔12位于限位槽11最深端的端面上。连体水帽1下端有螺纹连接孔15，用于与传动轴连接。本实施例中限位槽11位于连体水帽1的侧孔16下方。

弹簧13被一一安装在弹簧腔12中，弹簧13内端与弹簧腔12的孔壁固接，弹簧13外端为自由端。

如图6所示，弹簧13的自由端连接有柱销17，柱销17被设置在限位槽11与外壳2的内壁之间的空间中。柱销17由弹簧13支撑，以便多个柱销17与外壳2内壁接合，使得当外壳2相对于连体水帽1沿第一方向旋转时，能够将外壳2的扭矩传递到连体水帽1。

但当连体水帽1相对于外壳2沿第一方向旋转时，使得多个柱销17允许连体水帽1相对于外壳2沿第一方向空转。

正常工作时，外壳2不转，连体水帽1、传动轴4及钻头在马达转子的作用下沿第一方向旋转，此时连体水帽1为自由状态，可相对于外壳2沿第一方向空转。

当钻头遇坚硬岩石卡死时，启动与外壳2连接的驱动装置，外壳2由电机直接驱动着沿第一方向旋转，此时柱销17与连体水帽1及外壳2内壁接合，在摩擦力的作用下，外壳2的扭矩传递给连体水帽1、传动轴4和钻头，继而使钻头沿第一方向继续旋转，继续破碎岩石，实现钻头的解卡。钻头解卡后，停止外壳2的驱动装置即可。

本实施例相对于实施例一结构更为简单，省去了内环与外环，只需对现有钻具的连体水帽进行改进，外壳的结构无需改变，方便制造，便于装配，成本更低。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于：如图9所示，本实施例在弹簧13的自由端连接钢球14，钢球14的外径不大于弹簧腔12的内径。弹簧13内端与弹簧腔12的腔壁固接，弹簧13的自由端与钢球14连接，钢球14与柱销17接触，弹簧13的弹力通过钢球14传递给柱销17。

本实用新型中当钻头遇到硬岩等复杂地层而发生制动卡死时，可通过电机直接驱动外壳旋转，单向离合装置将外壳、传动轴啮合为一个整体，利用外壳的扭矩叠加内部液压马达产生的扭矩作用在钻头上实现在坚硬岩层的钻进，当最终突破坚硬岩层，钻头受到的阻力变小，其内在液压马达产生的扭矩足以驱动钻头钻进时，外壳的转速小于液压马达转速，连体水帽脱离外壳体从而实现解卡，这样复合钻进可极大提高工作效率。

当然，本实用新型还可有其它多种实施方式，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.解卡振荡螺杆钻具，包括水力振荡装置、马达总成、万向轴总成和传动轴，其特征在于：它还包括单向离合装置，解卡振荡螺杆钻具的外壳与传动轴之间通过单向离合装置传动。

2.根据权利要求1所述的解卡振荡螺杆钻具，其特征在于：它还包括连体水帽，传动轴上端与连体水帽固接，单向离合装置设于连体水帽与外壳之间。

3.根据权利要求1所述的解卡振荡螺杆钻具，其特征在于：它还包括连体水帽，传动轴上端与连体水帽下端固接，所述单向离合装置包括多个柱销和弹簧；

所述连体水帽外圆面开有多个限位槽，多个限位槽沿连体水帽的圆周方向等间隔设置，限位槽的深度沿连体水帽圆周方向从一端到另一端逐渐增加；

所述限位槽的槽壁上开有弹簧腔，所述弹簧腔位于限位槽最深端的端面上，多个弹簧被一一置于所述弹簧腔中，多个柱销被一一设置在所述限位槽与所述外壳的内壁之间的空间中；柱销由弹簧支撑，以便所述多个柱销与所述外壳内壁接合，使得当所述外壳相对于所述连体水帽沿第一方向旋转时，能够将外壳的扭矩传递到所述连体水帽；

但当所述连体水帽相对于所述外壳沿所述第一方向旋转时，使得所述多个柱销允许所述连体水帽相对于所述外壳沿第一方向空转。

4.根据权利要求3所述的解卡振荡螺杆钻具，其特征在于：所述柱销和弹簧有至少三个。

5.根据权利要求3所述的解卡振荡螺杆钻具，其特征在于：所述连体水帽下端有用于与传动轴连接的螺纹连接孔，连体水帽外侧壁有多个侧孔，侧孔内端与螺纹连接孔相通，所述限位槽位于所述侧孔下方。

6.根据权利要求3所述的解卡振荡螺杆钻具，其特征在于：所述弹簧内端与弹簧腔的腔壁固接，弹簧外端为自由端，弹簧自由端与柱销连接。

7.根据权利要求3所述的解卡振荡螺杆钻具，其特征在于：所述弹簧与柱销间设有钢球，弹簧内端与弹簧腔的腔壁固接，弹簧外端为自由端，弹簧自由端与钢球连接，钢球与柱销接触。

8.根据权利要求3所述的解卡振荡螺杆钻具，其特征在于：它还包括万向轴，所述连体水帽上端与万向轴下端连接，万向轴上端与动力总成的转子连接。

9.根据权利要求1所述的解卡振荡螺杆钻具，其特征在于：所述水力振荡装置包括定位筒、阀门壳体、上接头、弹簧、阀环接头、静阀环、动阀环和下接头；所述阀门壳体上端与上接头螺纹连接，阀门壳体下端与定子壳体连接，定位筒装在阀门壳体内并与上接头螺纹连接；

所述阀环接头装在上接头的阶梯孔中并与上接头间隙配合，阀环接头下端与定位筒采用键定位配合，阀环接头与定位筒间允许有一定的轴向位移；

所述静阀环安装在阀环接头中心孔的下端，所述动阀环固定安装在下接头中心孔的上端，下接头上开有至少两个侧孔；

所述弹簧套在阀环接头外，弹簧压缩在阀环接头与上接头之间给阀环接头一个向下的轴向预紧力，使静阀环与动阀环保持贴合；

静阀环与动阀环上均设有阀孔，通过静阀环与动阀环的相对转动来调节流量。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的解卡振荡螺杆钻具，其特征在于：它还包括外壳驱动装置，所述解卡振荡螺杆钻具的外壳上端与所述驱动装置连接。

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