CN116696228B - 一种带自调节输出扭矩的螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带自调节输出扭矩的螺杆钻具，涉及石油钻井设备技术领域，包括依次连接的马达总成、万向节总成、传动轴总成和钻头，还包括弹性件，且弹性件安装在马达总成、万向节总成、传动轴总成和钻头中的任意两节之间。本发明在使用过程中可根据地层的软硬程度自行调节钻头的扭矩，使钻头在针对不同软硬程度的地层时，钻头的力始终与地层钻进所需的力一致，不仅节能，且有利于降低橡胶衬套与转子的磨损，大大延长了螺杆钻具的寿命。

Description

一种带自调节输出扭矩的螺杆钻具

技术领域

本发明涉及石油钻井设备技术领域，具体而言，涉及一种带自调节输出扭矩的螺杆钻具。

背景技术

螺杆钻井是以钻井液为动力，通过螺杆钻具将液体压力能转化为机械能的钻井方式。在钻井过程中，螺杆钻具起到转动破碎地层的作用，螺杆钻具上端的管体起到连接支撑和输送液体的作用，而螺杆钻具对地层的破碎会受到地层的软硬程度影响，地层软则螺杆钻具所受的阻力较小，所需的液压负荷较低，地层硬则螺杆钻具所受的阻力较大，所需的液压负荷较高；同时，地层的软硬程度在竖直方向上分布没有规律，因此，螺杆钻具在钻井过程中所受的阻力也不断变化，使螺杆钻具产生震动，而螺杆钻具前端的钻头处由于震动更会增大阻力，为了满足螺杆钻具在所受阻尼较大的情况下也能运转，一般螺杆钻具设置的初始负荷较大，当螺杆钻具对脚软的地层进行钻进时，螺杆钻具则不需要在高负荷下运转，长期下来使螺杆钻具中的橡胶衬套和钻子被快速磨损，大大缩短了螺杆钻具的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带自调节输出扭矩的螺杆钻具，使螺杆钻具在使用过程中可根据地层的软硬程度自行调节钻头的扭矩，使钻头在针对不同软硬程度的地层时，钻头的力始终与地层钻进所需的力一致，不仅节能，且有利于降低橡胶衬套与转子的磨损，大大延长了螺杆钻具的寿命。

为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种带自调节输出扭矩的螺杆钻具，包括依次连接的马达总成、万向节总成、传动轴总成和钻头，还包括弹性件，且弹性件安装在马达总成、万向节总成、传动轴总成和钻头中的任意两节之间。

进一步的，所述弹性件安装在马达总成与万向节总成之间，连接弹簧两端分别与马达总成的转子输出端、万向节总成的连接座固定。

进一步的，所述弹性件为连接弹簧。

进一步的，所述连接弹簧为圆周面开设有螺旋槽的套筒，螺旋槽的螺旋方向与马达总成中转子的转动方向相同。

进一步的，所述螺旋槽两端未贯穿套筒两端端面。

进一步的，所述弹性件为多个，多个弹性件分别或串联后安装在马达总成、万向节总成、传动轴总成和钻头中的任意两节之间。

进一步的，所述传动轴总成的上TC轴承动圈外壁、上TC轴承静圈内壁、下TC轴承动圈外壁、下TC轴承静圈内壁均设有硬质合金层。

进一步的，所述马达总成的橡胶衬套表面、转子表面均涂有耐磨隔热层。

本发明的有益效果是：

本发明在钻井过程中，针对不同硬度的地层，钻头在钻进过程中受到的阻力可传递给弹性件，马达总成产生的扭矩也传递给弹性件，使弹性件做适应性的拧紧，而弹性件在拧紧的同时传递马达总成的扭矩，而在传递过程中，由于根据钻头在钻进过程中受到的阻力不同，钻头所需的扭矩也不相同，弹性件受力后的拧紧程度也会发生变化，使马达总成产生的多余扭矩被弹性件吸收，实现输出不同扭矩的效果，使钻头在针对不同软硬程度的地层时，钻头的扭矩始终与地层钻进所需的扭矩一致，不仅节能，且有利于降低橡胶衬套与转子的磨损，大大延长了螺杆钻具的寿命。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本发明提供的带自调节输出扭矩的螺杆钻具的剖视图；

图2是连接弹簧的结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1、旁通阀总成，2、防掉节， 3、马达总成，4、万向节总成，5、传动轴总成，6、连接弹簧，7、硬质合金层；

61、套筒，62、螺旋槽。

实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

如图1、图2所示，本发明提供了一种带自调节输出扭矩的螺杆钻具，包括依次连接的旁通阀总成1、防掉节2、马达总成3、万向节总成4、传动轴总成5和钻头，其中，旁通阀总成1、防掉节2、马达总成3、万向节总成4、传动轴总成5和钻头的结构均为螺杆钻具上的现有结构直接使用。所述马达总成3、万向节总成4、传动轴总成5和钻头中的任意两节之间连接有弹性件，即，弹性件可安装在马达总成3与万向节总成4之间、万向节总成4与传动轴总成5之间、传动轴总成5与钻头之间。

在本发明中，弹性件作为一个连接件，对相邻两节之间起到一个连接的作用，螺杆钻具在对地层钻进的过程中，马达总成3产生的扭矩需传递给钻头，因此，本发明中的弹性件还需对马达总成3的扭矩起到一个传递的作用。

在本发明中，弹性件自身具有弹性功能，当弹性件受到的扭矩较大且需要马达总成3提供的全部扭矩时，弹性件被完全拧紧，弹性件长度不能继续缩短，此时，马达总成3产生的扭矩通过弹性件全部进行传递，钻头的扭矩为马达总成3的最大扭矩，也为钻头在钻进过程中的最大扭矩；当弹性件受到的扭矩较小时，弹性件在拧紧至一定程度后不能再继续拧紧，此时弹性件仍具有一定的伸缩空间，马达总成3产生的扭矩虽可通过弹性件进行传递，但当弹性件受到的扭矩大于钻头所需的扭矩时，弹性件则可通过继续拧紧对多余的扭矩进行吸收，使最终通过弹性件传递至钻头上的扭矩即为钻头所需的扭矩。

本发明在钻井过程中，针对不同硬度的地层，钻头在钻进过程中受到的阻力可传递给弹性件，马达总成3产生的扭矩也传递给弹性件，使弹性件做适应性的拧紧，而弹性件在拧紧的同时传递马达总成3的扭矩，而在传递过程中，由于根据钻头在钻进过程中受到的阻力不同，钻头所需的扭矩也不相同，弹性件受力后的拧紧程度也会发生变化，使马达总成3产生的多余扭矩被弹性件吸收，实现输出不同扭矩的效果，使钻头在针对不同软硬程度的地层时，钻头的扭矩始终与地层钻进所需的扭矩一致，不仅节能，且有利于降低橡胶衬套与转子的磨损，大大延长了螺杆钻具的寿命。

所述弹性件安装在马达总成3与万向节总成4之间，弹性件一端与马达总成3的转子输出端固定，弹性件另一端与万向节总成4的连接座固定；同时，为了使弹性件在安装时能满足螺杆钻具中现有马达总成3与万向节总成4的结构，连接弹簧6与万向节总成4连接的一端具有套管结构，连接弹簧6与马达总成3连接的一端具有插接头结构，使弹性件一端可通过插接头结构插设在马达总成3的转子输出端后进行固定，弹性件另一端可通过套管结构套设在万向节总成4的连接座后固定，而弹性件与马达总成3、万向节总成4的连接方式可为螺纹连接、螺钉连接等方式。当弹性件与马达总成3、万向节总成4的连接方式为螺钉连接时，弹性件在插设在马达总成3的转子输出端后、弹性件套设在万向节总成4的连接座上后，采用多个螺钉从弹性件的圆周方向均匀拧紧固即可，而为了使弹性件与马达总成3、万向节总成4的连接处更加平整，马达总成3和万向节总成4上的螺钉孔可为沉头孔。

本发明中优先将弹性件安装在马达总成3与万向节总成4之间，一方面使马达总成3的动力能立即传递给弹性件，使弹性件的响应更加迅速，另一方面，使弹性件外壁与螺杆钻具的壳体之间具有足够的空间可供泥浆通过，避免对泥浆的输送造成影响。当然，在不考虑泥浆输送等因素的情况下，弹性件可随意布置在马达总成3、万向节总成4、传动轴总成5和钻头中的任意两节之间；同时，当传动轴总成5中的传动轴为多段时，弹性件也可安装在传动轴总成5中的任意两段传动轴之间。

所述弹性件为连接弹簧6，连接弹簧6选用强度较大的金属材质制成，在保证弹性件在受力后能通过拧紧而实现伸缩功能的同时使弹性件具有足够的强度，保证弹性件能对马达总成3产生的扭矩进行传递。

所述连接弹簧6为圆周面开设有螺旋槽62的套筒61，螺旋槽62为通槽，为了使连接弹簧6与马达总成3、万向节总成4配合，连接弹簧6与万向节总成4连接的一端呈敞开状，而插接头结构则位于连接弹簧6与马达总成3连接的一端；同时，螺旋槽62的螺旋方向与马达总成3中转子的转动方向相同，使马达总成3将扭矩传递给连接弹簧6后，连接弹簧6在受到扭矩后能沿螺旋槽62的螺旋方向进行拧紧，使连接弹簧6实现压缩，避免对连接弹簧6造成破坏。

所述螺旋槽62两端未贯穿套筒61两端端面，使连接弹簧6并非为螺旋的条状结构，不仅方便连接弹簧6与马达总成3、万向节总成4的连接，且保证连接弹簧6在受力后能拧紧压缩的同时使连接弹簧6具有足够的强度，保证了对马达总成3产生的扭矩的传递。当然，在螺旋槽62两端未贯穿套筒61两端端面的情况下，在保证连接弹簧6自身强度时，套筒61上的螺旋槽62可为多个，多个螺旋槽62可沿套筒61的圆周方向均匀间隔排布。

当然，在本发明中，弹性件也可为多个。当弹性件为多个时，多个弹性件分别安装在马达总成3、万向节总成4、传动轴总成5和钻头中的任意两节之间，例如，当弹性件为两个时，两个弹性件可分别安装在马达总成3与万向节总成4之间、传动轴总成5与钻头；同时，当弹性件为多个时，多个弹性件也可在依次串联后安装在马达总成3、万向节总成4、传动轴总成5和钻头中的任意两节之间，例如，将多个弹性件依次串联组装成一个较长的弹性件后，将组装后的整个弹性件直接安装在马达总成3与万向节总成4之间。

所述传动轴总成5的上TC轴承动圈外壁、上TC轴承静圈内壁、下TC轴承动圈外壁、下TC轴承静圈内壁均设有硬质合金层7，提高了传动轴总成5中传动轴抗冲击能力的刚度要求。

所述马达总成3的橡胶衬套表面、转子表面均涂有耐磨隔热层，提高马达总成3中橡胶衬套、转子的耐磨性，提高了橡胶衬套、转子的使用寿命。

在本发明中，当需要钻进时，通过泥浆泵将泥浆输送至马达总成3内，进入到马达总成3内的泥浆驱动马达总成3中的转子进行转动，当钻头未进行钻进时，钻头未受到阻力，使连接弹簧6不会受到钻头传递的阻力，此时转子在转动的同时直接带动连接弹簧6转动，连接弹簧6在转动的同时通过传动轴总成5、万向轴总成直接传递给钻头，钻头进行空转；当钻头在进行钻进时，钻头会受到阻力，钻头受到的阻力通过传动轴总成5、万向轴总成传递给连接弹簧6，而马达总成3中转子的扭矩也会传递给连接弹簧6，连接弹簧6在受到钻头的阻力和马达总成3中转子的扭矩后，连接弹簧6会通过拧紧压缩对两者的扭矩差进行吸收，从而使马达总成3中转子的扭矩与钻头钻进所需扭矩一致，使钻头的扭矩实现自调节。

本发明在需求高扭矩时，连接弹簧6收缩，马达总成3中的转子下移，马达总成3中的转子配合长度增加，输出扭矩增加；当需求低扭矩时，连接弹簧6伸长，达总成中的转子上移，达总成中的转子配合长度减短，输出扭矩减小。本发明能实现输出扭矩自适应调节，达到不同输出扭矩效果，不仅节能，且有利于保护橡胶与转子。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种带自调节输出扭矩的螺杆钻具，其特征在于，包括依次连接的马达总成(3)、万向节总成(4)、传动轴总成(5)和钻头，还包括弹性件，且弹性件安装在马达总成(3)、万向节总成(4)、传动轴总成(5)和钻头中的任意两节之间；所述弹性件为连接弹簧(6)，根据钻头在钻进过程中所需的扭矩不同，弹性件受力后的拧紧程度发生相应变化，使马达总成产生的多余扭矩被弹性件吸收，实现不同扭矩的输出，使钻头在针对不同软硬程度的地层时，钻头的扭矩始终与地层钻进所需的扭矩一致；所述连接弹簧(6)为圆周面开设有螺旋槽(62)的套筒(61)，螺旋槽(62)的螺旋方向与马达总成(3)中转子的转动方向相同；所述螺旋槽(62)两端未贯穿套筒(61)两端端面。

2.根据权利要求1所述的带自调节输出扭矩的螺杆钻具，其特征在于，所述弹性件安装在马达总成(3)与万向节总成(4)之间，连接弹簧(6)两端分别与马达总成(3)的转子输出端、万向节总成(4)的连接座固定。

3.根据权利要求1或2所述的带自调节输出扭矩的螺杆钻具，其特征在于，所述弹性件为多个，多个弹性件分别或串联后安装在马达总成(3)、万向节总成(4)、传动轴总成(5)和钻头中的任意两节之间。

4.根据权利要求3所述的带自调节输出扭矩的螺杆钻具，其特征在于，所述传动轴总成(5)的上TC轴承动圈外壁、上TC轴承静圈内壁、下TC轴承动圈外壁、下TC轴承静圈内壁均设有硬质合金层(7)。

5.根据权利要求3所述的带自调节输出扭矩的螺杆钻具，其特征在于，所述马达总成(3)的橡胶衬套表面、转子表面均涂有耐磨隔热层。