CN108798503A - 螺杆式周向冲击钻井工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种螺杆式周向冲击钻井工具，减轻钻井过程中钻头产生的粘滑振动现象。其技术方案为：由动力总成、万向轴总成，传动总成和冲击总成组成，动力总成上部与钻杆连接，下部依次连接万向轴总成、传动总成和冲击总成，下部与钻头连接；工作时，钻井液从上接头进入驱动螺杆转动，依次带动相连的螺杆传动轴，齿轮传动轴转动，进而带动齿轮转动，通过齿轮啮合，使得从动齿轮带动冲击锤转动碰撞冲击壳体产生冲击作用，并将碰撞产生的扭转振动传递到下接头，最终传递到钻头，破碎岩石。本发明可以持续产生扭转冲击振动，提高钻头破岩效率，有效减少甚至避免卡钻和粘滑现象产生，均衡扭矩，保护钻头，延长钻头使用寿命，提高钻井速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气页岩气钻井、矿山开采、地质钻井等领域中的螺杆式周向冲击钻井工具。
背景技术
近年来，随着国家对石油天然气需求日益增加，同时对于页岩气的开采也是当今热点，也是一个挑战。因为在钻井过程中，常会因为司钻技术、经验问题以至于送钻不及时或送钻过快，或是因为井壁摩阻问题，造成施加给钻头的钻压不稳定，影响破岩效率，甚至有可能因为钻压突然增大而损坏钻头、崩裂钻头的切削齿等，影响钻进速度。另一方面PDC钻头在钻硬或研磨性地层时，通常没有足够的扭矩来破碎岩石，从而产生卡钻的现象，井下钻杆扭力释放导致钻头失效。油田深部地层岩石坚硬、研磨极值高，应用常规牙轮钻头钻进，单只钻头进尺少，需要多次起下钻且机械钻速较低；应用螺杆进行复合钻进时，由于深井中温度较高，螺杆寿命低、使用效果不理想；同时在钻探深井超深井中常出现粘滑振动现象，粘滑振动易造成钻具失效，导致机械钻速降低。此外，采用气体钻井技术钻进可较大程度提高机械钻速，但在地层出水的情况下易引起井下复杂情况发生，且气体钻井配套设备多，成本相对较大。
针对以上问题，国内外已尝试了多种工具，取得了一定的提速效果，其中高频扭转冲击类工具占提速工具的主导地位。现场实验和理论研究均表明，该类工具可以给钻头附加高频扭转冲击力，辅助钻头破岩，降低钻柱的粘滑现象，提高机械钻速，降低钻进成本，实现更大的经济效益，同时也更好地保证钻井的安全性，但是扭力冲击器结构复杂，加工装配难度大。
发明内容
本发明的目的是：为了解决钻井过程中的钻头卡钻和钻柱的粘滑导致钻具失效和机械钻速较低的问题，简化扭力冲击器结构，特提供一种螺杆式周向冲击钻井工具，以克服现有技术的缺陷，提高钻进速度。该工具能有效保护钻头，降低成本，提高破岩效率，增加钻井效率。
本发明的技术方案是：螺杆式周向冲击钻井工具，其特征在于：所述螺杆式周向冲击钻井工具由动力总成、万向轴总成，传动总成和冲击总成组成；所述动力总成下端依次连接万向轴总成、传动总成和冲击总成；所述动力总成包括上接头、防掉锁母、防掉连杆、定子壳体、橡胶衬套和螺杆，橡胶衬套安装在定子壳体内部，螺杆和橡胶衬套相互齿合，在钻井液的驱动下带动螺杆旋转；所述上接头上部与钻杆连接，下部通过螺纹与定子壳体连接，防掉连杆上端连接防掉锁母，下端连接螺杆；所述的万向轴总成由上活绞、球座、传动球、压圈、承压球、锁紧套、万向轴壳体、喉箍、连杆、密封套、垫圈和下活绞组成；所述传动总成包括上轴承动圈、传动轴、上轴承静圈、轴承壳体、串轴承、半圆键、下轴承动套、套筒、悬挂上接头、齿轮传动轴、上部吊环、上部密封圈、上部齿轮安装座、上部轴承、齿轮保护套、大齿轮、小齿轮、卡环；所述冲击总成包括冲击锤、冲击壳体、下部轴承、下部齿轮安装座和下部密封圈，下部吊环，下接头；所述悬挂上接头下部设置为花键结构，下部开有圆环半槽和密封圈安装槽，上部通过螺纹与轴承壳体连接，下部通过上部吊环与冲击壳体连接；所述冲击壳体上部设置有与悬挂上接头相配合的花键结构和圆环半槽；冲击壳体下部设置有与下接头相配合的花键结构和圆环半槽，实现冲击壳体的轴向和径向定位，通过吊环结构可以实现冲击壳体周向旋转；所述冲击壳体与悬挂上接头、下接头直接花键结构配合的花键槽和花键之间有间隙，此间隙不小于冲击壳体在发生碰撞时旋转的角度；所述冲击壳体中部沿圆周方向180°开有两个冲击孔，外部形状为与冲击锤配套的扇形结构，冲击锤安装穿过冲击孔，冲击孔下部端面开有部分圆环槽，小齿轮下部伸出轴穿过圆环槽；所述冲击壳体中部沿圆周方向180°与冲击孔所在端面垂直的方向上开有两个液流圆形通孔，作为钻井液液流通道；所述冲击锤外部轮廓为偏心凸轮结构，沿轴线开有与小齿轮下部伸出轴配合的正六边形通孔；所述传动轴上部通过螺纹与下活铰连接，下部通过螺纹与齿轮传动轴连接，齿轮传动轴沿中心轴向开有盲孔液流通道，齿轮传动轴中部沿圆周方向开有连通中心液流通道的斜孔通道，钻井液从中心流到流入，从圆周方向斜孔流道流出，齿轮传动轴下部伸出部分开有键槽；所述上部齿轮安装，下部齿轮安装座（40）的台阶端面开有均布的两个安装孔，分别供上部轴承、下部轴承安装，上部齿轮安装座通过中心轴螺纹安装于齿轮传动轴下部，通过轴肩结构与悬挂下接头下部接触，实现轴向定位，下部齿轮安装座开有供钻井液流通的轴向通孔，下部通过螺纹与下接头连接，通过台阶结构与下接头上端面接触，实现轴向定位；所述大齿轮通过键结构安装定位于齿轮传动轴下部，通过下部安装于齿轮传动轴上的卡环实现轴向固定；所述小齿轮与大齿轮啮合，上下端面分下沿中心轴线伸出安装轴，上部安装于上部轴承处，下部安装于下部轴承处，实现安装定位，下部伸出部分中部轴为正六边形结构，便于冲击锤安装固定；所述齿轮保护套外部轮廓为与大齿轮、小齿轮啮合的结构，为两个对半组合的形式，上端面开有轴向中心大孔，便于安装于齿轮传动轴上部，实现安装定位，上端面沿圆周方向180°均布有两个供小齿轮上端面伸出的轴通过的通孔齿轮保护套下端面为与冲击壳体轴向冲击通孔配合的结构，实现对齿轮的保护，防止钻井液冲流过齿轮，影响齿轮寿命，同时防止钻井液进入冲击孔，影响冲击锤的使用效果或工作寿命； 所述下接头沿轴向中心线开有液流通孔，上部圆周方向开有密封圈安装槽和吊环卡槽，中部沿圆周方向设置为花键结构；所述上部吊环安装于齿轮传动轴和冲击壳体配合形成的圆环槽内，下部吊环安装于冲击壳体与下接头配合形成的圆环槽内，使得冲击壳体实现轴向定位，且具有周向自由度。
上述方案中，所述大齿轮（34）为主动齿轮，小齿轮（35）为从动齿轮，通过齿轮传动比传动实现小齿轮高速转动。
上述方案中，所述上部吊环（29），下部吊环（42）均为2个成套安装，实现防掉，保证安全。
上述方案中，所述上部密封圈（30），下部密封圈（41）均为双密封结构，保证密封可靠性。
上述方案中，所述上部轴承（32），下部轴承（39）均为角接触球轴承，承受径向和轴向载荷。
本发明的有益效果是：(1) 通过螺杆带动冲击锤转动碰撞冲击壳体实现冲击作用，工作性能稳定可靠；（2）通过齿轮传动，实现高频冲击，提高破岩效率；(3) 该工具设计合理，性能可靠，产生周向冲击的有效保护钻头，消除钻头的粘滑和卡钻现象，提高机械钻速；（4）通过齿轮与冲击锤配合的纯机械结构实现冲击，适用于深井高温钻井条件；（5）该工具有动作无死点，提供高频扭转冲击；（6）结构简单、寿命长、提速效果好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明图1中的A-A剖面图。
图3是本发明图1中的B-B剖面图。
图4是本发明图1中的C-C剖面图。
图5是本发明图1中冲击壳体（38）半剖结构示意图。
图6是本发明图1中冲击锤（36）结构示意图。
图7是本发明图1中大齿轮（34）结构示意图。
图8是本发明图1中小齿轮（35）结构示意图。
图中1.上接头，2.防掉锁母，3.防掉连杆，4.定子壳体，5. 橡胶衬套，6.螺杆，7.上活绞，8.球座，9.传动球，10.压圈，11.承压球，12.锁紧套，13.万向轴壳体，14.喉箍，15.连杆，16.密封套，17.垫圈，18.下活绞，19.上轴承动圈，20.传动轴，21.上轴承静圈，22.轴承壳体，23.串轴承，24.半圆键，25.下轴承动套，26.套筒，27.悬挂上接头，28.齿轮传动轴，29.上部吊环，30.上部密封圈，31.上部齿轮安装座，32.上部轴承，33.齿轮保护套，34.大齿轮，35.小齿轮，36.冲击锤，37.卡环，38.冲击壳体，39.下部轴承，40.下部齿轮安装座，41.下部密封圈，42.下部吊环，43.下接头。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明作进一步说明：
参见附图，螺杆式周向冲击钻井工具，其特征在于：所述螺杆式周向冲击钻井工具由动力总成、万向轴总成，传动总成和冲击总成组成；所述动力总成下端依次连接万向轴总成、传动总成和冲击总成；所述动力总成包括上接头1、防掉锁母2、防掉连杆3、定子壳体4、橡胶衬套5和螺杆6，橡胶衬套5安装在定子壳体4内部，螺杆6和橡胶衬套5相互齿合，在钻井液的驱动下带动螺杆6旋转；所述上接头1上部与钻杆连接，下部通过螺纹与定子壳体4连接，防掉连杆3上端连接防掉锁母2，下端连接螺杆6；所述的万向轴总成由上活绞7、球座8、传动球9、压圈10、承压球11、锁紧套12、万向轴壳体13、喉箍14、连杆15、密封套16、垫圈17和下活绞18组成；所述传动总成包括上轴承动圈19、传动轴20、上轴承静圈21、轴承壳体22、串轴承23、半圆键24、下轴承动套25、套筒26、悬挂上接头27、齿轮传动轴28、上部吊环29、上部密封圈30、上部齿轮安装座31、上部轴承32、齿轮保护套33、大齿轮34、小齿轮35、卡环37；所述冲击总成包括冲击锤36、冲击壳体38、下部轴承39、下部齿轮安装座40和下部密封圈41，下部吊环41，下接头43；所述悬挂上接头27下部设置为花键结构，下部开有圆环半槽和密封圈安装槽，上部通过螺纹与轴承壳体连接，下部通过上部吊环与冲击壳体38连接；所述冲击壳体38上部设置有与悬挂上接头27相配合的花键结构和圆环半槽；冲击壳体38下部设置有与下接头43相配合的花键结构和圆环半槽，实现冲击壳体38的轴向和径向定位，通过吊环结构可以实现冲击壳体38周向旋转；所述冲击壳体38与悬挂上接头27、下接头43直接花键结构配合的花键槽和花键之间有间隙，此间隙不小于冲击壳体在发生碰撞时旋转的角度；所述冲击壳体中部沿圆周方向180°开有两个冲击孔，外部形状为与冲击锤配套的扇形结构，冲击锤36安装穿过冲击孔，冲击孔下部端面开有部分圆环槽，小齿轮下部伸出轴穿过圆环槽；所述冲击壳体38中部沿圆周方向180°与冲击孔所在端面垂直的方向上开有两个液流圆形通孔，作为钻井液液流通道；所述冲击锤36外部轮廓为偏心凸轮结构，沿轴线开有与小齿轮下部伸出轴配合的正六边形通孔；所述传动轴20上部通过螺纹与下活铰18连接，下部通过螺纹与齿轮传动轴28连接，齿轮传动轴28沿中心轴向开有盲孔液流通道，齿轮传动轴28中部沿圆周方向开有连通中心液流通道的斜孔通道，钻井液从中心流到流入，从圆周方向斜孔流道流出，齿轮传动轴下部伸出部分开有键槽；所述上部齿轮安装31，下部齿轮安装座40的台阶端面开有均布的两个安装孔，分别供上部轴承32、下部轴承39安装，上部齿轮安装座31通过中心轴螺纹安装于齿轮传动轴28下部，通过轴肩结构与悬挂下接头27下部接触，实现轴向定位，下部齿轮安装座39开有供钻井液流通的轴向通孔，下部通过螺纹与下接头连接，通过台阶结构与下接头上端面接触，实现轴向定位；所述大齿轮34通过键结构安装定位于齿轮传动轴28下部，通过下部安装于齿轮传动轴28上的卡环37实现轴向固定；所述小齿轮35与大齿轮34啮合，上下端面分下沿中心轴线伸出安装轴，上部安装于上部轴承32处，下部安装于下部轴承39处，实现安装定位，下部伸出部分中部轴为正六边形结构，便于冲击锤36安装固定；所述齿轮保护套33外部轮廓为与大齿轮34、小齿轮35啮合的结构，为两个对半组合的形式，上端面开有轴向中心大孔，便于安装于齿轮传动轴上部，实现安装定位，上端面沿圆周方向180°均布有两个供小齿轮上端面伸出的轴通过的通孔齿轮保护套下端面为与冲击壳体轴向冲击通孔配合的结构，实现对齿轮的保护，防止钻井液冲流过齿轮，影响齿轮寿命，同时防止钻井液进入冲击孔，影响冲击锤36的使用效果或工作寿命； 所述下接头43沿轴向中心线开有液流通孔，上部圆周方向开有密封圈安装槽和吊环卡槽，中部沿圆周方向设置为花键结构；所述上部吊环29安装于齿轮传动轴28和冲击壳体38配合形成的圆环槽内，下部吊环42安装于冲击壳体38与下接头43配合形成的圆环槽内，使得冲击壳体38实现轴向定位，且具有周向自由度。
上述方案中，所述大齿轮34为主动齿轮，小齿轮35为从动齿轮，通过齿轮传动比传动实现小齿轮高速转动。
上述方案中，所述上部吊环29，下部吊环42均为2个成套安装，实现防掉，保证安全。
上述方案中，所述上部密封圈30，下部密封圈41均为双密封结构，保证密封可靠性。
上述方案中，所述上部轴承32，下部轴承39均为角接触球轴承，承受径向和轴向载荷。
工作时，通过各部件之间相互配合，高压钻井液从上接头1流入，通过螺杆6与橡胶衬套5之间形成的压力腔使得螺杆6旋转，进一步将转动传递给万向轴总成，再通过传动轴20将转动传递给齿轮传动轴28，齿轮传动轴28带动大齿轮34转动，通过大齿轮34与小齿轮35之间的啮合，小齿轮35转动带动冲击锤36转动，在冲击壳体38的冲击孔内碰撞产生扭转振动，冲击壳体38将振动传递到下接头43，进而传递给钻头；冲击锤36碰撞冲击壳体后，带动冲击壳体38转动，由于冲击锤36为偏心凸轮结构，使得在二者相互转动过程中分开，进入下一次碰撞，实现为钻头提供动力，并使钻头产生高频单向周向振动的目的，进而对钻头实现有效的保护，提高钻井效率，有效减少甚至避免卡钻和粘滑现象产生，均衡扭矩，保护钻头，延长钻头使用寿命，提高钻井速度。
Claims (5)
1.螺杆式周向冲击钻井工具，其特征在于：所述螺杆式周向冲击钻井工具由动力总成、万向轴总成，传动总成和冲击总成组成；所述动力总成下端依次连接万向轴总成、传动总成和冲击总成；所述动力总成包括上接头（1）、防掉锁母（2）、防掉连杆（3）、定子壳体（4）、橡胶衬套（5）和螺杆（6），橡胶衬套（5）安装在定子壳体（4）内部，螺杆（6）和橡胶衬套（5）相互齿合，在钻井液的驱动下带动螺杆（6）旋转；所述上接头（1）上部与钻杆连接，下部通过螺纹与定子壳体（4）连接，防掉连杆（3）上端连接防掉锁母（2），下端连接螺杆（6）；所述的万向轴总成由上活绞（7）、球座（8）、传动球（9）、压圈（10）、承压球（11）、锁紧套（12）、万向轴壳体（13）、喉箍（14）、连杆（15）、密封套（16）、垫圈（17）和下活绞（18）组成；所述传动总成包括上轴承动圈（19）、传动轴（20）、上轴承静圈（21）、轴承壳体（22）、串轴承（23）、半圆键（24）、下轴承动套（25）、套筒（26）、悬挂上接头（27）、齿轮传动轴（28）、上部吊环（29）、上部密封圈（30）、上部齿轮安装座（31）、上部轴承（32）、齿轮保护套（33）、大齿轮（34）、小齿轮（35）、卡环（37）；所述冲击总成包括冲击锤（36）、冲击壳体（38）、下部轴承（39）、下部齿轮安装座（40）和下部密封圈（41），下部吊环（42），下接头（43）；所述悬挂上接头（27）下部设置为花键结构，下部开有圆环半槽和密封圈安装槽，上部通过螺纹与轴承壳体连接，下部通过上部吊环与冲击壳体（38）连接；所述冲击壳体（38）上部设置有与悬挂上接头（27）相配合的花键结构和圆环半槽；冲击壳体（38）下部设置有与下接头（43）相配合的花键结构和圆环半槽；所述冲击壳体（38）与悬挂上接头（27）、下接头（43）直接花键结构配合的花键槽和花键之间有间隙，此间隙不小于冲击壳体在发生碰撞时旋转的角度；所述冲击壳体中部沿圆周方向180°开有两个冲击孔，外部形状为与冲击锤配套的扇形结构，冲击锤（36）安装穿过冲击孔，冲击孔下部端面开有部分圆环槽，小齿轮下部伸出轴穿过圆环槽；所述冲击壳体（38）中部沿圆周方向180°与冲击孔所在端面垂直的方向上开有两个液流圆形通孔；所述冲击锤（36）外部轮廓为偏心凸轮结构，沿轴线开有与小齿轮下部伸出轴配合的正六边形通孔；所述传动轴（20）上部通过螺纹与下活铰（18）连接，下部通过螺纹与齿轮传动轴（28）连接，齿轮传动轴（28）沿中心轴向开有盲孔液流通道，齿轮传动轴（28）中部沿圆周方向开有连通中心液流通道的斜孔通道，齿轮传动轴下部伸出部分开有键槽；所述上部齿轮安装（31），下部齿轮安装座（40）的台阶端面开有均布的两个安装孔，分别供上部轴承（32）、下部轴承（39）安装，上部齿轮安装座（31）通过中心轴螺纹安装于齿轮传动轴（28）下部，通过轴肩结构与悬挂下接头（27）下部接触，下部齿轮安装座（39）开有供钻井液流通的轴向通孔，下部通过螺纹与下接头连接，通过台阶结构与下接头上端面接触；所述大齿轮（34）通过键结构安装定位于齿轮传动轴（28）下部，通过下部安装于齿轮传动轴（28）上的卡环（37）实现轴向固定；所述小齿轮（35）与大齿轮（34）啮合，上下端面分下沿中心轴线伸出安装轴，上部安装于上部轴承（32）处，下部安装于下部轴承（39）处，实现安装定位，下部伸出部分中部轴为正六边形结构，便于冲击锤（36）安装固定；所述齿轮保护套（33）外部轮廓为与大齿轮（34）、小齿轮（35）啮合的结构，为两个对半组合的形式，上端面开有轴向中心大孔，便于安装于齿轮传动轴上部，实现安装定位，上端面沿圆周方向180°均布有两个供小齿轮上端面伸出的轴通过的通孔齿轮保护套下端面为与冲击壳体轴向冲击通孔配合的结构；所述下接头（43）沿轴向中心线开有液流通孔，上部圆周方向开有密封圈安装槽和吊环卡槽，中部沿圆周方向设置为花键结构；所述上部吊环（29）安装于齿轮传动轴（28）和冲击壳体（38）配合形成的圆环槽内，下部吊环（42）安装于冲击壳体（38）与下接头（43）配合形成的圆环槽内。
2.根据权利要求1所述的螺杆式周向冲击钻井工具，其特征在于：所述大齿轮（34）为主动齿轮，小齿轮（35）为从动齿轮，通过齿轮传动比传动实现小齿轮高速转动。
3.根据权利要求1所述的螺杆式周向冲击钻井工具，其特征在于：所述上部吊环（29），下部吊环（42）均为2个成套安装。
4.根据权利要求1所述的螺杆式周向冲击钻井工具，其特征在于：所述上部密封圈（30），下部密封圈（41）均为双密封结构。
5.根据权利要求1所述的螺杆式周向冲击钻井工具，其特征在于：所述上部轴承（32），下部轴承（39）均为角接触球轴承，承受径向和轴向载荷。
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