CN213980619U - 一种带有棘轮机构的螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种带有棘轮机构的螺杆钻具，属于石油、天然气钻探设备技术领域，包括：螺杆钻具，该螺杆钻具包括壳体和轴杆，壳体为空心管状结构，轴杆位于壳体内且可在壳体内转动；棘轮机构，该棘轮机构位于壳体内且与壳体和轴杆连接，当壳体沿设定方向转动时，壳体通过棘轮机构驱动轴杆同步转动。本申请的螺杆钻具在正常钻井作业时棘轮机构不参与工作，螺杆钻具的轴杆扭矩无法传递到壳体上。当钻头在破岩过程中被卡阻，需要解卡时，利用地面转盘扭矩驱动壳体顺时针转动，利用棘轮机构的单向间歇运动的特点将壳体的扭矩传递到轴杆上，以使轴杆跟随壳体同步转动。轴杆将壳体的扭矩再传递给钻头，实现钻头的可靠快速解卡。

Description

一种带有棘轮机构的螺杆钻具

技术领域

本申请涉及石油、天然气钻探设备技术领域，特别涉及一种带有棘轮机构的螺杆钻具。

背景技术

在石油和天然气开采中，井下动力钻具的应用越来越广泛，动力钻具带动钻头实现地层的钻进，井下动力钻具通过地面设备泵入的钻井液驱动，工作时，钻井液泵入井下动力钻具，动力钻具将液力能转化为动能，带动井底钻头旋转。常见的动力钻具有两种：螺杆钻具和涡轮钻具。对于螺杆钻具，钻井液进入定子壳体内，驱动与定子壳体偏心的转子螺杆旋转，转子螺杆带动与其连接的万向轴和传动轴旋转，从而带动位于钻具下端的钻头旋转。涡轮钻具采用一级或多级涡轮节为钻具下端的钻头提供扭矩，每一级由不运动的定子和转动的转子组成，转子与轴连接，定子将钻井液导入转子，转子叶片在钻井液作用下旋转运动，为位于钻具下端的钻头提供扭矩。

在钻进过程中，钻头在切削岩石过程中可能会产生卡阻，当钻头出现严重的粘滑、井壁垮塌等异常状况下，钻头被卡钻。卡钻后，通常做法是提高地面转盘扭矩，地面转盘带动钻杆转动，当扭矩足够大时实现钻头解卡。但是，这种方法不适用于井底有动力钻具的钻具组合，因为常用的动力钻具结构无法将定子壳体扭矩传递给钻头。

在井底有动力钻具的情况下，常用的解卡方式有拉拔、震击和酸泡等方法，比如通过上提钻杆对卡阻部位产生一定拉力让钻头强行通过卡阻部位，震击器产生一定冲击力和将岩石振松破裂后，上提钻头通过卡阻部位，从而实现解卡。但上述解卡方式可靠性差，一旦解卡失败时，唯一的选择就是从安全接头处进行卸扣，将钻头、动力钻具和MWD留在井底，然后进行打捞。打捞失败时，需要填井和侧钻。当出现这种情况后，除了部分钻具组合留在井底造成工具损失外，打捞、填井和开窗侧钻也额外增加了昂贵的钻井作业成本。

发明内容

本申请实施例提供一种带有棘轮机构的螺杆钻具，以解决相关技术中动力钻具解卡可靠性差、钻井作业成本高的不足。

本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，包括：

螺杆钻具，所述螺杆钻具包括壳体和轴杆，所述壳体为空心管状结构，所述轴杆位于壳体内且可在所述壳体内转动；

棘轮机构，所述棘轮机构位于所述壳体内且与所述壳体和轴杆连接，当所述壳体沿设定方向转动时，所述壳体通过所述棘轮机构驱动所述轴杆同步转动。

在一些实施例中：所述棘轮机构包括棘轮和棘爪，所述棘轮的内圆套设在所述轴杆上且与轴杆同步转动，所述棘轮的外圆设有与所述棘爪单向啮合的楔形槽，所述棘爪的一端与所述壳体连接。

在一些实施例中：所述壳体上沿壳体的径向方向开设有连接所述棘爪的径向孔，所述棘爪位于所述径向孔内；

所述棘爪为长形柱状结构，所述径向孔内设有推动所述棘爪向所述棘轮方向伸出的弹性体。

在一些实施例中：所述径向孔内远离所述棘爪的一端设有与所述弹性体抵接的堵头，所述堵头与所述径向孔螺纹连接；

所述弹性体为螺旋压缩弹簧、碟形弹簧或波形弹簧中的任意一种。

在一些实施例中：所述棘轮的内圆与所述轴杆之间通过螺纹连接，所述螺纹的旋向为右旋，所述轴杆上设有与所述棘轮抵接的限位环。

在一些实施例中：所述棘轮的内圆与所述轴杆之间通过平键或花键连接。

在一些实施例中：所述壳体为传动轴壳体，所述轴杆为传动轴，所述传动轴壳体与所述传动轴之间通过推力轴承转动连接；

所述推力轴承的下方设有与所述传动轴壳体固定连接的下轴承静套，所述下轴承静套与所述推力轴承之间设有隔套；

所述隔套上开设有用以穿入所述棘爪的导向孔，所述导向孔为与所述棘爪适配的非圆孔；

所述棘轮的外圆直径大于所述下轴承静套的内径。

在一些实施例中：所述棘轮的外圆表面和棘爪的表面复合有耐磨合金层。

在一些实施例中：所述楔形槽沿所述棘轮的圆周方向设有多个，所述棘爪沿所述壳体的圆周方向设有多个，多个所述棘爪的另一端设有与所述楔形槽抵接的楔形面，所述楔形面与所述楔形槽平行。

在一些实施例中：所述棘轮机构包括棘轮和棘爪，所述棘轮的外圆与所述壳体的内壁固定连接，所述棘轮的内圆设有与所述棘爪单向啮合的楔形槽，所述棘爪的一端与所述轴杆连接。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，由于本申请的螺杆钻具在螺杆钻具的壳体内设置了棘轮机构，该棘轮机构位于壳体内且与壳体和轴杆连接，当壳体沿设定方向转动时，壳体通过棘轮机构驱动轴杆同步转动。

因此，本申请的螺杆钻具在正常钻井作业时棘轮机构不参与工作，棘轮机构的旋转不起限制作用，螺杆钻具的轴杆扭矩无法传递到壳体上。当钻头在破岩过程中被卡阻，需要解卡时，利用地面转盘扭矩驱动壳体顺时针转动，利用棘轮机构的单向间歇运动的特点将壳体的扭矩传递到轴杆上，以使轴杆跟随壳体同步转动。轴杆将壳体的扭矩再传递给钻头，实现钻头的可靠快速解卡。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，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为本申请实施例的结构示意图；

图2为图1中Ⅰ处的局部放大图；

图3为图1中Ⅱ处的局部放大图；

图4为图3中沿A-A方向的剖视图；

图5为图1中Ⅱ处的另一实施例的局部放大图；

图6为图5中沿B-B方向的剖视图。

附图标记：

1、旁通阀总成；2、防掉总成；3、马达总成；4、万向轴总成；5、传动轴总成；10、马达壳体；11、螺杆转子；12、棘轮；13、棘爪；14、隔套；15、弹性体；16、堵头；17、楔形槽；20、壳体；21、推力轴承；22、下轴承静套；23、轴杆；24、平键。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其能解决相关技术中动力钻具解卡可靠性差、钻井作业成本高的问题。

参见图1至图4所示，本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，包括：

螺杆钻具，该螺杆钻具包括壳体20和轴杆23，其中壳体20为空心管状结构，轴杆23位于壳体20内且可在壳体20内自由转动。壳体20包括依次连接的防掉壳体、马达壳体10、万向轴壳体和传动轴壳体，轴杆23包括依次连接的防掉杆、螺杆转子11、万向轴和传动轴。

具体地，该螺杆钻具包括依次螺纹连接的旁通阀总成1、防掉总成2、马达总成3、万向轴总成4和传动轴总成5。

其中，旁通阀总成1具有旁通和关闭两个位置，在起下钻作业过程中处于旁通位置，使钻柱中的钻井液循环绕过不经过马达总成3进入环空。当钻井液流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时钻井液流经防掉总成2和马达总成3，使钻井液变成机械能。

防掉总成2包括防掉壳体和位于防掉壳体内的防掉杆，防掉杆与马达总成3的螺杆转子11连接。防掉总成2的作用是由于异常原因造成壳体20断裂或脱扣时防止落井，并使泵压升高使地面及时发现问题避免造成事故。

马达总成3是由马达壳体10和螺杆转子11组成，马达壳体10和螺杆转子11相互啮合，利用两者的导程差而形成的螺旋密封线，同时形成密封腔。随着螺杆转子11在马达壳体10中的转动，密封腔沿着轴向移动，不断的生成和消失，完成其能量转换。

万向轴总成4是由万向轴壳体和万向轴组成，万向轴位于万向轴壳体内将螺杆转子11的偏心转动和扭矩传递给传动轴总成5的传动轴的同轴转动。

传动轴总成5是由传动轴壳体和传动轴组成，传动轴总成5在传动轴壳体内同轴转动，最终将螺杆转子11的扭矩和转速传递给钻头，实现井底破岩作业。

棘轮机构，该棘轮机构位于壳体20内且与壳体20和轴杆23连接，当壳体20沿设定方向转动时，壳体20通过棘轮机构驱动轴杆23同步转动。

本申请的螺杆钻具在正常钻井作业时棘轮机构不参与工作，棘轮机构的旋转不起限制作用，螺杆钻具的轴杆23扭矩无法传递到壳体20上。当钻头在破岩过程中被卡阻，需要解卡时，利用地面转盘扭矩驱动壳体20顺时针转动，利用棘轮机构的单向间歇运动的特点将壳体20的扭矩传递到轴杆23上，以使轴杆23跟随壳体20同步转动。轴杆23将壳体20的扭矩再传递给钻头，实现钻头的可靠快速解卡，解卡成功后，不需要起钻更换螺杆钻具，可继续正常钻进，减小了起下钻时间。本申请不仅限于螺杆钻具的解卡，同样适用于涡轮钻具的解卡。

在一些可选实施例中：参见图3和图4所示，本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，该螺杆钻具的棘轮机构包括棘轮12和棘爪13，棘轮12的内圆套设在轴杆23上且与轴杆23同步转动。棘轮12的外圆设有与棘爪13单向啮合的楔形槽17，棘爪13的一端与壳体20连接。

为了提高棘轮机构的结构强度，楔形槽17沿棘轮12的圆周方向设有六个，棘爪13沿壳体20的圆周方向设有三个，三个棘爪13的另一端设有与楔形槽17抵接的楔形面，该楔形面与楔形槽17平行。棘爪13沿壳体20的轴线方向设有两排，用于传递更大扭矩。在棘轮12的外圆表面和棘爪13的表面复合有耐磨合金层，该耐磨合金层可以采用碳化物焊条或喷涂碳化物涂层，提高棘爪13和棘轮12相互接触表面耐磨性，保证更长的使用寿命。

在壳体20上沿壳体20的径向方向开设有连接棘爪13的径向孔，棘爪13位于径向孔内。棘爪13为长形柱状结构，在径向孔内设有推动棘爪13向棘轮12方向伸出的弹性体15，弹性体15优选为螺旋压缩弹簧，本领域的技术人员还可以选用碟形弹簧或波形弹簧等。

在壳体20的径向孔内远离棘爪13的一端设有与弹性体15抵接的堵头16，该堵头16与径向孔螺纹连接。该堵头16不仅用来封堵壳体20的径向孔，同时堵头16与径向孔螺纹连接能够通过旋转调节弹性体15的弹性势能，以保证弹性体15在径向孔内能够可靠推动棘爪13向棘轮12方向伸出。

当钻头在破岩过程中被卡阻需要解卡时，利用地面转盘扭矩驱动壳体20顺时针转动。当壳体20顺时针转动时，位于径向孔内的棘爪13与棘轮12的楔形槽17啮合连接，以驱动棘轮12和轴杆23同步运动。

当螺杆钻具在正常钻井作业时，在壳体20内注入钻井液，钻井液驱动轴杆23顺时针转动。由于棘轮12的楔形槽17具有单向啮合作用，其不与棘爪13啮合连接，且棘轮12将棘爪13推入径向孔内。

在一些可选实施例中：参见图3和图4所示，本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，该螺杆钻具的棘轮12的内圆与轴杆23之间通过螺纹连接，轴杆23的螺纹的旋向为右旋，在轴杆23上设有与棘轮12抵接的限位环。

当壳体20和棘爪13带动棘轮12和轴杆23一起旋转时，右旋螺纹可保证棘轮12内孔台阶与轴杆23的限位环处于贴合状态并承受扭矩产生的轴向力，防止轴向力向上挤坏推力轴承21。

在一些可选实施例中：参见图5和图6所示，本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，该螺杆钻具的棘轮12的内圆与轴杆23之间通过平键24连接，棘轮12的内圆与轴杆23的外壁设有配合所述平键24键槽。本领域的技术人员还可以将棘轮12的内圆与轴杆23之间通过花键连接，棘轮12的内圆设有内键槽，轴杆23的外圆设有外花键，以保证棘轮12与轴杆23同步转动。

在一些可选实施例中：参见图3至图6所示，本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，该螺杆钻具的壳体20优选为传动轴壳体，轴杆23优选为传动轴，传动轴壳体与传动轴之间通过推力轴承21转动连接。

在推力轴承21的下方设有与传动轴壳体固定连接的下轴承静套22，在下轴承静套22与推力轴承21之间设有隔套14，隔套14用于将下轴承静套22与推力轴承21隔开。在隔套14上开设有用以穿入棘爪13的导向孔，该导向孔为与棘爪13适配的非圆孔，将导向孔设置为非圆孔用于防止棘爪13发生转动，对棘爪13起到定位作用。

当螺杆钻具的棘轮12的内圆与轴杆23之间通过螺纹连接或焊接时，棘轮12的外圆直径大于下轴承静套22的内径，起到防止传动轴断裂后落井的作用。

在一些可选实施例中：本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，该螺杆钻具的棘轮机构包括棘轮12和棘爪13，其中，棘轮12的外圆与壳体20的内壁固定连接，棘轮12跟随壳体20同步旋转运动，棘轮12的内圆设有与棘爪13单向啮合的楔形槽17，棘爪13的一端与轴杆23连接，棘爪13跟随轴杆23同步旋转运动。

当钻头在破岩过程中被卡阻需要解卡时，利用地面转盘扭矩驱动壳体20顺时针转动。当壳体20顺时针转动时，位于壳体20上的棘轮12与轴杆23上的棘爪13通过楔形槽17啮合连接，以驱动棘爪13和轴杆23同步运动。

当螺杆钻具在正常钻井作业时，在壳体20内注入钻井液，钻井液驱动轴杆23顺时针转动。由于棘轮12的楔形槽17具有单向啮合作用，其不与棘爪13啮合连接，棘轮机构处于非工作状态。

工作原理

本申请实施例提供了一种带有棘轮机构的螺杆钻具，由于本申请的螺杆钻具在螺杆钻具的壳体20内设置了棘轮机构，该棘轮机构位于壳体20内且与壳体20和轴杆23连接，当壳体20沿设定方向转动时，壳体20通过棘轮机构驱动轴杆23同步转动。

本申请的螺杆钻具在正常钻井作业时棘轮机构不参与工作，棘轮机构的旋转不起限制作用，螺杆钻具的轴杆23扭矩无法传递到壳体20上。当钻头在破岩过程中被卡阻，需要解卡时，利用地面转盘扭矩驱动壳体20顺时针转动，利用棘轮机构的单向间歇运动的特点将壳体20的扭矩传递到轴杆23上，以使轴杆23跟随壳体20同步转动。轴杆23将壳体20的扭矩再传递给钻头，实现钻头的可靠快速解卡。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于，包括：

螺杆钻具，所述螺杆钻具包括壳体(20)和轴杆(23)，所述壳体(20)为空心管状结构，所述轴杆(23)位于壳体(20)内且可在所述壳体(20)内转动；

棘轮机构，所述棘轮机构位于所述壳体(20)内且与所述壳体(20)和轴杆(23)连接，当所述壳体(20)沿设定方向转动时，所述壳体(20)通过所述棘轮机构驱动所述轴杆(23)同步转动。

2.如权利要求1所述的一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于：

所述棘轮机构包括棘轮(12)和棘爪(13)，所述棘轮(12)的内圆套设在所述轴杆(23)上且与轴杆(23)同步转动，所述棘轮(12)的外圆设有与所述棘爪(13)单向啮合的楔形槽(17)，所述棘爪(13)的一端与所述壳体(20)连接。

3.如权利要求2所述的一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于：

所述壳体(20)上沿壳体(20)的径向方向开设有连接所述棘爪(13)的径向孔，所述棘爪(13)位于所述径向孔内；

所述棘爪(13)为长形柱状结构，所述径向孔内设有推动所述棘爪(13)向所述棘轮(12)方向伸出的弹性体(15)。

4.如权利要求3所述的一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于：

所述径向孔内远离所述棘爪(13)的一端设有与所述弹性体(15)抵接的堵头(16)，所述堵头(16)与所述径向孔螺纹连接；

所述弹性体(15)为螺旋压缩弹簧、碟形弹簧或波形弹簧中的任意一种。

5.如权利要求2所述的一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于：

所述棘轮(12)的内圆与所述轴杆(23)之间通过螺纹连接，所述螺纹的旋向为右旋，所述轴杆(23)上设有与所述棘轮(12)抵接的限位环。

6.如权利要求2所述的一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于：

所述棘轮(12)的内圆与所述轴杆(23)之间通过平键(24)或花键连接。

7.如权利要求2所述的一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于：

所述壳体(20)为传动轴壳体，所述轴杆(23)为传动轴，所述传动轴壳体与所述传动轴之间通过推力轴承(21)转动连接；

所述推力轴承(21)的下方设有与所述传动轴壳体固定连接的下轴承静套(22)，所述下轴承静套(22)与所述推力轴承(21)之间设有隔套(14)；

所述隔套(14)上开设有用以穿入所述棘爪(13)的导向孔，所述导向孔为与所述棘爪(13)适配的非圆孔；

所述棘轮(12)的外圆直径大于所述下轴承静套(22)的内径。

8.如权利要求2所述的一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于：

所述棘轮(12)的外圆表面和棘爪(13)的表面复合有耐磨合金层。

9.如权利要求2所述的一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于：

所述楔形槽(17)沿所述棘轮(12)的圆周方向设有多个，所述棘爪(13)沿所述壳体(20)的圆周方向设有多个，多个所述棘爪(13)的另一端设有与所述楔形槽(17)抵接的楔形面，所述楔形面与所述楔形槽(17)平行。

10.如权利要求1所述的一种带有棘轮机构的螺杆钻具，其特征在于：

所述棘轮机构包括棘轮(12)和棘爪(13)，所述棘轮(12)的外圆与所述壳体(20)的内壁固定连接，所述棘轮(12)的内圆设有与所述棘爪(13)单向啮合的楔形槽(17)，所述棘爪(13)的一端与所述轴杆(23)连接。

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