具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成.pdf

本发明公开了一种具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，它具有传动轴及外体，外体与传动轴之间设有双向限位轴承，特点是，传动轴分为上传动轴和下传动轴两部分，对应于传动轴的外体也分为上、下外体两部分，在下外体与下传动轴之间的环形空腔内活动设有连为一体的环形刚体冲击套和上启振座，在环形刚体冲击套的下端设有冲击座，冲击座固定连接在下传动轴上，在上启振座与下传动轴之间、环形刚体冲击套与下传动轴之间设有启振装置，本发明不仅保持了螺杆钻具原有的功能，还具有使用寿命长、可控频率、可控冲击力大小的液动冲击器功能，可以在任何井型的钻井施工中，大幅度提高钻头破岩效率，提高钻井机械钻速，降低钻井施工成本。

1、  一种具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，它具有传动轴，在传动轴外侧设有外体，外体与传动轴之间设有双向限位轴承，在传动轴的上端连接有过水连接短节(1)，过水连接短节(1)上设有过水孔(C)与传动轴内的空腔相通，其特征是，传动轴分为上传动轴(5)和下传动轴(12)两部分，上传动轴(5)与下传动轴(12)为活动连接，对应于传动轴，外体也分为上外体(2)和下外体(3)两部分，在下外体(3)与下传动轴(12)之间的环形空腔内活动设有环形刚体冲击套(11)和上启振座(9)，环形刚体冲击套(11)与上启振座(9)连接为一体，在上启振座(9)的顶端设有弹簧(7)，弹簧(7)的另一端与下外体(3)的内顶壁相接，在环形刚体冲击套(11)的下端设有冲击座(13)，冲击座(13)固定连接在下传动轴(12)上，在上启振座(9)与下传动轴(12)之间、环形刚体冲击套(11)与下传动轴(12)之间设有启振装置，下传动轴(12)的上端设有与其内腔相通的传压孔(B)，传压孔(B)的位置设在上启振座(9)上方。

2、  根据权利要求1所述的具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，其特征是，所述设在上启振座(9)与下传动轴(12)之间的启振装置包括下启振座(10)，下启振座(10)与上启振座(9)的位置相对应并固定连接在下传动轴(12)上，在上启振座(9)与下启振座(10)接触的端面上沿周向平面对应的分别设置N个等分等高度等斜度的斜面(23)，N≥2。

3、  根据权利要求2所述的具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，其特征是，在所述斜面(23)上设有硬质合金材料(17)。

4、  根据权利要求2所述的具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，其特征是，在所述下启振座(10)的斜面(23)上设置滚珠槽，滚珠槽内设有滚珠(18)，滚珠(18)的直径大于滚珠槽的深度。

5、  根据权利要求1所述的具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，其特征是，所述设在环形刚体冲击套(11)与下传动轴(12)之间的启振装置包括在下传动轴(12)本体上沿周向同一横截面上设置M个等分等螺旋角的轨道槽(24)，M≥2，在环形刚体冲击套(11)上设置轴孔，轴孔内设有固定螺栓(19)，固定螺栓(19)顶部设有活动钢球(20)，钢球(20)的顶部位于下传动轴(12)上的轨道槽(24)内。

6、  根据权利要求1所述的具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，其特征是，在环形刚体冲击套(11)和上启振座(9)与下外体(3)之间设有轴向滑动支撑装置。

7、  根据权利要求6所述的具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，其特征是，所述轴向滑动支撑装置包括在下外体(3)内表面上设有滑道槽(25)，对应的在环形刚体冲击套(11)及上启振座(9)的外表面上设有滚珠槽(26)，滑道槽(25)及滚珠槽(26)内设有滚珠(8)。

8、  根据权利要求6所述的具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，其特征是，所述轴向滑动支撑装置包括在下外体(3)内表面上设有滑道槽(25)，对应的在环形刚体冲击套(11)及上启振座(9)的外表面上设有滑套孔，滑套孔内固定设有销轴(22)，在销轴(22)上套装滑套(21)，滑套(21)的顶端插装在下外体(3)上的滑道槽(25)内。

具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成
技术领域
本发明涉及石油钻井和地质勘查钻井用液动冲击器和螺杆钻具技术领域，具体地讲是一种具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成。
背景技术
螺杆钻具是目前在全世界范围内业已成熟的石油钻井或地质勘查钻井井下动力钻具，是定向井钻井和复合钻井的必备工具，其型号和种类繁多，但原理和构成基本相同，钻井速度也大致一样。如何提高钻井速度是目前世界各国正在研究的技术难题。
提高钻井速度的核心技术内容是如何提高钻头的破岩效率。围绕该技术内容，除了研究钻头技术、水力喷射破岩技术以及其它钻井技术以外，近几十年又提出了旋转冲击钻井技术(简称旋冲钻井)概念，并进行了大量的技术研究和现场应用。业已证明，旋冲钻井可以大幅度提高钻井的机械钻速(每小时钻头钻进地层的米数称为机械钻速)，具有广泛的应用价值。旋冲钻井技术的核心内容，是在钻具的近钻头上方连接一个冲击器，钻井过程中，钻具一边旋转，冲击器一边产生一个轴向冲击力作用于钻头，钻头对岩石产生一个交变的冲击力，达到快速破岩的目的。目前世界各国研制出的冲击器类型较多，按动力方式不同可分为液动、气动、电动、气液混合及机械作用等形式。在石油钻井或地质勘查领域研究应用最广泛的是液动和气动两种。液动冲击器是以液力(钻井液)为驱动介质，按照结构的不同可分为阀式正作用、阀式反作用、阀式双作用(含活阀式和节流式)、射流式、射吸式等形式。这些冲击器的主要结构包括换向机构(活塞、弹簧、密封件、冲锤)及能量传递机构(砧子、钻头)等。现场应用证明，由于液动冲击器的换向动作是依靠液体(钻井液)驱动换向机构(阀件)来实现的，故普遍存在两大致命的缺陷，一是液体(钻井液)的冲蚀或其中的固相颗粒，使得开关阀件不能正常地实现规定的动作，要么工作不正常，要么不工作，且阀件寿命短，从而造成了整个冲击器性能不稳定，寿命短；二是振动频率和冲击力随着液体(钻井液)排量和泵压等因素的变化而变化，是一个随机变量，这种变化，无论对钻头设计(或选型)还是对岩层破碎功的求解都很难做到与实际情况相符，现场应用也充分证明了这个事实，冲击破岩效果不明显。因此，多年来该技术尚未进行普及性推广应用，仍处于技术研发和完善阶段。气动冲击器是以空气为循环介质，工作原理与液动冲击器大同小异，因其无液体的冲蚀或固相颗粒的破坏，设计相对容易，且寿命和应用效果都优于液动冲击器，但仅限于空气钻井使用，应用范围受限。其它方式冲击器(或振击器)仅限于地面或地表使用，不能应用于石油钻井或地质勘查钻井使用，故不赘述。
现有的液动冲击器工作原理严重制约了技术的进一步发展，限制了冲击破岩技术在钻井中的应用，而传统螺杆钻具单一的功能，也限制了其应用规模的扩大和领域的拓宽。如果能将二者功能合二为一，既增加了液动冲击器的寿命、可控性和效果性，又推动了螺杆钻具在钻井中的规模化应用与技术的进步，技术发展前景应该十分广阔。
发明内容
本发明的目的旨在克服已有技术存在的缺陷，为石油勘探开发钻井、非石油资源勘查和开采钻井用螺杆钻具提供一种具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，使现有的各型号和规格的螺杆钻具，连接本发明后，不仅保持了螺杆钻具原有的功能，还具有使用寿命长、可控频率、可控冲击力大小的液动冲击器功能，可以在任何井型的钻井施工中，大幅度提高钻头破岩效率，提高钻井机械钻速，降低钻井施工成本。
本发明的技术方案是：一种具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成，它具有传动轴，在传动轴外侧设有外体，外体与传动轴之间设有双向限位轴承，在传动轴的上端连接有过水连接短节，过水连接短节上设有过水孔与传动轴内的空腔相通，特点是，传动轴分为上传动轴和下传动轴两部分，上传动轴与下传动轴为活动连接，对应于传动轴，外体也分为上外体和下外体两部分，在下外体与下传动轴之间的环形空腔内活动设有环形刚体冲击套和上启振座，环形刚体冲击套与上启振座连接为一体，在上启振座的顶端设有弹簧，弹簧的另一端与下外体的内顶壁相接，在环形刚体冲击套的下端设有冲击座，冲击座固定连接在下传动轴上，在上启振座与下传动轴之间、环形刚体冲击套与下传动轴之间设有启振装置，下传动轴的上端设有与其内腔相通的传压孔，传压孔的位置设在上启振座上方。
所述设在上启振座与下传动轴之间的启振装置包括下启振座，下启振座与上启振座的位置相对应并固定连接在下传动轴上，在上启振座与下启振座接触的端面上沿周向平面对应的分别设置N个等分等高度等斜度的斜面，N≥2。其中，为了提高斜面的耐磨强度及延长其耐磨寿命，在斜面上可以烧结上硬质合金材料，或者在下启振座的斜面上设置滚珠槽，滚珠槽内安装上滚珠，滚珠的直径要略大于滚珠槽的深度，即滚珠凸出于斜面表面，以减小工作时的斜面摩阻力。
所述设在环形刚体冲击套与下传动轴之间的启振装置包括在下传动轴本体上沿周向同一横截面上设置M个等分等螺旋角的轨道槽，M≥2，在环形刚体冲击套上设置轴孔，轴孔内设有固定螺栓，固定螺栓顶部设有活动钢球，钢球的顶部位于下传动轴上的轨道槽内。
为了上启振座和环形刚体冲击套轴向移动更加灵活，限制周向运动，在环形刚体冲击套和上启振座与下外体之间还可以设有轴向滑动支撑装置。所述的轴向滑动支撑装置可以是在下外体内表面上设有滑道槽，对应的在环形刚体冲击套及上启振座的外表面上设有滚珠槽，滑道槽及滚珠槽内安装有滚珠，或者对应的在环形刚体冲击套及上启振座的外表面上设有滑套孔，滑套孔内固定设有销轴，在销轴上套装滑套，滑套的顶端插装在下外体上的滑道槽内。
本发明的工作原理是，当螺杆钻具的万向轴转动时，下传动轴同步转动，带动环形刚体冲击套到启振面的上死点位置，旋转到一定角度后，环形刚体冲击套在自身重力、弹簧力以及传压孔传递的液压力的作用下，从上死点位置瞬间向下冲击冲击座，冲击座将冲击力通过下传动轴传递给钻头。如此往返，下传动轴每转动一圈，环形刚体冲击套就上下冲击若干次，形成固定频率的冲击力，从而使钻头边旋转边冲击岩层，达到快速破岩的目的。
本发明与现有的液动冲击器和螺杆钻具相比，具有的优点是：
1、冲击器上行动作是依靠机械的方式实现的，无密封件，无液压开关阀件，可靠性强，动作连续，寿命长；
2、冲击力大小可通过调整钻头上的喷嘴直径、弹簧力、启振高度和环形刚体冲击套重量来调节，满足不同型号钻头和地层对冲击力大小的要求；
3、冲击频率可通过调整启振装置上的启振面几何形状和数量来调节，针对不同的地层优选出最佳的振动频率；
4、增加了现有螺杆钻具的功能，且不影响原有的性能，拓宽了螺杆钻具的应用范围；
5、推动了螺杆钻具向大扭矩、长寿命、多功能方向发展，开辟了液动冲击器研究新领域，将旋冲钻井技术的应用推向了新的高潮，促进了冲击破岩机理的深层次研究，对钻井技术具有划时代的意义。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细地解释说明。
附图说明
图1-本发明的结构示意图；
图2.1-本发明的一种启振装置结构示意图；
图2.2-图2.1的A向视图；
图3.1-本发明的另一种启振装置结构示意图；
图3.2-图3.1的B向视图；
图4.1-本发明的第三种启振装置结构示意图；
图4.2-图4.1的C-C剖视图；
图4.3-本发明第三种启振装置的下传动轴上的轨道槽展开图；
图5.1-本发明轴向滑动支撑装置的一种结构示意图；
图5.2-图5.1的D-D剖视图；
图6.1-本发明轴向滑动支撑装置的另一种结构示意图；
图6.2-图6.1的E-E剖视图。
附图图面说明：
1过水短节，2上外体，3下外体，4上径向TC轴承，5上传动轴，6推力轴承，7弹簧，8滚珠，9上启振座，10下启振座，11环形刚体冲击套，12下传动轴，13冲击座，14下径向TC轴承，15下接头，16背帽，17硬质合金材料，18滚珠，19固定螺栓，20钢球，21滑套，22销轴，23斜面，24轨道槽，25滑道槽，26滚珠槽，A花键副，B传压孔，C过水孔。
具体实施方式
参考图1所示，本发明的传动轴总成由两大部分组成：
一部分是上体总成，与现有螺杆钻具的结构基本相似，它由上外体2、过水连接短节1、上传动轴5、上径向TC轴承4、推力轴承6及背帽16组成。过水连接短节1上端直接与螺杆钻具的万向轴下端公扣连接，下端与上传动轴5通过丝扣连接，过水连接短节1上开有3-4个与上传动轴5内的循环空腔相通的过水孔C，用于钻井液转流到上传动轴5内腔中。上外体2内微过盈装入上径向TC轴承4和推力轴承6，上传动轴5插入到上径向TC轴承4和推力轴承6内，用背帽16螺纹紧固，限制上径向TC轴承4的转子上移。上径向TC轴承4用于防止上传动轴5径向磨损，推力轴承6用来承载钻压和螺杆钻具空转时的重力，上下限位，自由活动孔隙不能超过3-5mm。
另一部分是下体总成，与现有螺杆钻具的结构相似的是，基本由下外体3、下传动轴12、下径向TC轴承14及下接头15组成。下外体3的上端与上外体2的下端通过螺纹连接，下外体3的下端连接下接头15，下接头15内微过盈套装下径向TC轴承14定子(外套)，下径向TC轴承14转子(内套)微过盈套装在下传动轴12的下端体上，防止轴体径向偏磨，下传动轴12的下端与钻头连接。与现有螺杆钻具结构不同的是，上传动轴5与下传动轴12之间为活动连接，如图所示，可以将下传动轴12的上端制为内花键，插入到上传动轴5下端的外花键内，两者形成花键副A的连接方式，能够上下轴向移动；在下外体3与下传动轴12之间的环形空腔内安装一个上启振座9和环形刚体冲击套11，上启振座9与环形刚体冲击套11通过螺纹连接为一体，在上启振座9的顶端设有弹簧7，弹簧7的另一端与下外体3的内顶壁相接，弹簧7预紧有一定的弹簧力，在环形刚体冲击套11的下端设有冲击座13，冲击座13通过螺纹固定连接在下传动轴12上，在环形刚体冲击套11和上启振座9与下外体3之间安装有轴向滑动装置，在上启振座9与下传动轴12之间、环形刚体冲击套11与下传动轴12之间设置启振装置，下传动轴12的上端开有与其内腔相通的传压孔B，传压孔B的位置设在上启振座9上方，其作用是用于传递钻头喷嘴上的压耗。
所述的启振装置可以有多种形式，如图1所示，对应于上启振座9设置一个下启振座10，下启振座10固定连接在下传动轴12上，将上启振座9的下端面和对应的下启振座10的上端面，沿周向平面等分成若干个等高度、等斜度的斜面23，如图2.1、图2.2所示，斜面23的数量最好为2-12个之间，斜度为0.5-7度之间。工作时，上启振座9不旋转，下启振座10随下传动轴12旋转，在斜面力的作用下，将上启振座9顶起或放空。为了提高斜面的的耐磨寿命，在每个斜面23上可以烧结上硬质合金材料17。
参考图3.1、图3.2所示，此种启振装置基本与上述相同，不同的是，加工完斜面23后，再在下启振座10的斜面23上铣磨出等深度、等宽度的滚珠槽，放入滚珠18，滚珠槽的深度为滚珠18直径的2/3或4/5，上启振座9的下端面仍为光滑的等数量的斜面。工作原理与上述相同，但斜面摩阻力较小。
启振装置还可以是如图4.1、图4.2、图4.3所示结构，在下传动轴12的本体上沿周向同一横截面上铣磨出4-12个等分的、等螺旋角的、光滑的轨道槽24，轨道槽24的深度为3-8mm，螺旋角为0.75-5度，所有轨道槽24的最低点在同一水平面上，误差不超过0.5mm，最高点也在同一水平面上，误差不超过0.5mm，从最高点到最低点要光滑过渡，与下传动轴12构成的过渡角不超过10度；对应的在环形刚体冲击套11上开2-4个轴孔，轴孔内用螺纹安装固定螺栓19，在固定螺栓19顶部安装可以活动的钢球20，用固定螺栓19顶端将钢球20顶入到下传动轴12上的轨道槽24内，顶紧后再松出1mm的间隙，钢球20的一部分位于轴孔内，另一部分位于下传动轴12上的轨道槽24内，沿周向可自由转动为宜。为防止固定螺栓19工作中松扣，实际中可在环形刚体冲击套上设计防松机构，这样钢球20便可以自由转动或滑动了。当下传动轴12旋转时，环形刚体冲击套11在钢球20的带动下，沿着下传动轴12上的轨道槽24作上下运动。当环形刚体冲击套11到达上死点(即轨道槽24的最高点)后，环形刚体冲击套11便在弹簧7、传压孔B传递的液压力以及自身重力的作用下，快速下击冲击座13，产生一个波频的冲击力。下传动轴12继续旋转，环形刚体冲击套11再次被钢球20带到上死点，再次重复下击动作，如此往返，产生周期性冲击力。
上述启振装置可以单独使用，即或者只安装上启振座与下传动轴之间的启振装置并使用，或者只在环形刚体冲击套与下传动轴之间安装启振装置并使用，也可以根据实际情况(例如：钻井地质不同、施工进程要求等)同时使用，即在上启振座与下传动轴之间及环形刚体冲击套与下传动轴之间同时都安装上启振装置并使用。
由于转动时，环形刚体冲击套11及上启振座9可能与下外体3(或者下传动轴12)之间发生摩擦并随之周向转动，因此，为了轴向移动灵活，限制周向转动，在环形刚体冲击套11和上启振座9与下外体3之间还可以安装有轴向滑动支撑装置。如图5.1、图5.2所示，可以在下外体3的内表面上开有2-6个滑道槽25，对应的在环形刚体冲击套11及上启振座9的外表面上均开有与滑道槽25同样深度、宽度和数量的滚珠槽26，滚珠槽26的长度为滚珠数量乘直径再加8-20mm，将滚珠8放进滚珠槽26(滑道槽25)内，形成轴向可以滑动，但径向和周向不能移动的轴向滑动连接方式。
如图6.1、图6.2所示，在下外体3的内表面上开好滑道槽25后，还可以对应的在环形刚体冲击套11及上启振座9的外表面上开有滑套孔，滑套孔内固定安装销轴22，在销轴22上套装滑套21，滑套21的顶端插装在下外体3上的滑道槽25内。轴向滑动原理同上。
本发明的传动轴总成由传统的一体结构改变为由上、下传动轴组成的两体总成结构，应用中可以将承受撞击力大的、易磨损的下体总成部件单独使用更高硬度合金材料制作，不但可以减少整个螺杆钻具的生产成本，而且能够延长其使用寿命，提高工作效率。