基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具.pdf

本发明公开了一种用于石油钻井等领域中的基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具，解决了钻深井、超深井过程中卡钻、粘滑、破岩效率的问题。其技术方案是：上端涡轮外壳与上部外筒体通过丝扣连接，上部涡轮中心轴、中空传动轴、下端涡轮外壳、下部外筒体、八方套依次通过螺纹相连，下部涡轮中心轴、转接头、双螺旋滚珠丝杠依次通过螺纹相连，传动管通过球支座与椭球中心球面上的圆形球槽配合沿着双螺旋滚珠丝杆上下移动，砧子与钻头接头通过丝扣相连。本发明可以使钻头接头旋转的同时受到轴向冲击力，提高了钻头破岩的效率，提高了机械钻速，进而降低钻井成本。

1.  基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具，主要是由上端涡轮驱动总成、中空传 动轴、上部外筒体、下端涡轮驱动总成、双螺旋滚珠丝杆、传动管、冲击锤、砧子、八 方套、钻头接头等组成；其特征在于，上部涡轮外壳(1)与上部外筒体((19))之间通过螺 纹连接，在上部涡轮外壳(1)内轴肩上开有均匀分布的液流通孔(2)；上端涡轮驱动总成 (6)-(8)设置在上部涡轮外壳(1)的内部，其中涡轮转子(6)安装于涡轮中心轴(8)上，其 上端由螺纹连接在涡轮中心轴(8)上的螺母(4)进行轴向定位，下端通过涡轮中心轴(8)的 外轴肩进行轴向定位；涡轮定子(7)紧贴上部涡轮外壳(1)内壁，其上下端分别通过上调 整环(5)和下调整环(10)进行轴向定位，上调整环(5)由上部涡轮外壳(1)内轴肩与涡轮定 子(7)进行轴向固定，下调整环(10)由涡轮定子(7)与涡轮中心轴(8)外轴肩进行定位；涡 轮中心轴(8)下端开有轴向液流通道，其上端通过上部涡轮外壳(1)内轴肩进行定位，并 在其下端开有均匀的进液通道(11)；平键(9)安装在涡轮转子(6)和涡轮中心轴(8)的键槽 中；在上部涡轮外壳(1)内轴肩凹槽与涡轮中心轴(8)上端之间安装有径向轴承组合(3)； 密封圈(12)安装在上端涡轮外壳(1)下端与涡轮中心轴(8)下端之间；在涡轮中心轴(8)外 轴肩和上部外筒体(1)内轴肩之间有垫圈(13)和轴承组合(15)，轴承组合(15)是由圆柱滚 子轴承和推力球轴承组成，轴承组合(15)下端由螺纹连接在涡轮中心轴(8)上的螺母(14) 进行轴向定位；中空传动轴(20)上下端依次与涡轮中心轴(8)和下部涡轮外壳(21)通过螺 纹连接，且与上部外筒体(19)为间隙配合，在其外壁与上部外筒体(19)之间有动密封圈 组(16)-(18)；在下部涡轮外壳(21)内轴肩上开有均匀分布的液流通孔(22)；下端涡轮驱 动总成(26)-(28)安装在下部涡轮外壳(21)内部，其中涡轮转子(27)安装涡轮中心轴(28) 上，其上端由螺纹连接在涡轮中心轴(28)上的螺母(25)进行轴向定位，下端通过涡轮中 心轴(28)的外轴肩进行轴向定位；涡轮定子(26)紧贴下部涡轮外壳(21)内壁，其上下端 分别通过上调整环(23)和下调整(30)环进行轴向定位，上调整环(23)由下部涡轮外壳(21) 内轴肩与涡轮定子(26)进行轴向固定，下调整环(30)由涡轮定子(26)与涡轮中心轴(28) 外轴肩进行定位；涡轮中心轴(28)上端通过下部涡轮外壳(39)内轴肩进行定位；平键(29) 安装在涡轮转子(27)和涡轮中心轴(28)的键槽中；在下部涡轮外壳(21)内轴肩凹槽与涡 轮中心轴(28)上端之间安装有径向轴承组合(24)；转接头(37)上下端依次与涡轮中心轴 (28)和双螺旋滚珠丝(38)通过螺纹进行连接，在其上下端开有均匀分布的进液通道(31) 和排液通道(36)；密封圈(32)安装在转接头(37)和下部涡轮外壳(39)上端之间；下部外 筒体(39)内轴肩与转接头(37)之间安装有挡圈(34)和轴承组合(35)，轴承组合(35)是由 圆柱滚子轴承和推力球轴承组成，其下端由螺纹连接在转接头(37)上的螺母(33)进行轴 向定位；在双螺旋滚珠丝杆(38)螺纹副之间装有光滑的椭球(41)，在椭球(41)中心球面 上开有圆形球槽；在传动管(42)内壁通过螺钉(47)连接一个球支座(48)，球支座(48)通 过固定的圆球与椭球(41)中心面的圆形球槽配合来传递双螺旋滚珠丝杆(38)和传动管 (42)之间的运动；传动管(42)为沿着轴线对称分开的两瓣，并采用螺钉(40)将分开的两 瓣连接起来，其下端与冲击锤(43)通过螺纹连接；砧子(44)安装在八方套(45)内，其下 端与钻头接头(46)用通过螺纹进行连接。

2.  根据权利要求1所述的基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具，其特征在于径 向轴承组合(3)与径向轴承组合(24)为背对背安装的角接触球轴承，轴承组合(15) 与轴承组合(35)为圆柱滚子轴承和推力球轴承组成。

3.  根据权利要求1所述的基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具，其特征在于密 封圈(12)与密封圈(32)为由L型密封圈和长方形密封圈组成的密封结构；动密封圈 组(16)-(18)，动密封圈组由3组L型密封圈(16)与长方形密封圈(17)，以及2个垫圈 (18)组成车氏密封结构。

基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具
技术领域
本发明涉及一种用于石油钻井、矿山开采、地质钻探，天然气、煤气层的钻井等领域中 具有振动冲击的井下钻具。
背景技术
近些年来，随着我国工业的不断发展，石油、天然气的需求和开采量也日益增多。然而， 这种局面导致大量浅层油气资源的枯竭。为了缓解我国石油资源的短缺问题，人们开始向深 井、超深井等环境条件严峻的领域进行石油开采。但是根据开采现场情况表明：随着钻井深 度的增加，岩石在地层围压的作用下其强度和硬度都明显增加，使岩石破碎的难度大大增加； 同时在钻井过程中，钻头常常会出现卡钻、粘滑现象；这些因素导致钻头机械钻速下降，破 岩效率降低，增加了钻井成本。目前大部分现场采用液动冲击回转钻井技术，由于液动冲击 器的换向动作是依靠钻井液驱动换向阀来实现的，在其工作过程中容易出现以下两个缺陷： 一是钻井液的冲蚀导致开关阀件不能正常工作，从而造成整个冲击器性能不稳定，寿命短； 二是振动频率和冲击力随钻井液排量和泵压等因素的变化而变化，这种变化无论对钻头设计 还是对岩层破碎做功求解都很难做到与实际情况相符，冲击破碎效果不理想。
基于此，为了有效的提高钻头机械钻速，达到迅速破岩的目的，本文提出基于涡轮与双 螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具。
发明内容
本发明的目的是：为了解决钻深井以及大位移井过程中现的卡钻、粘滑现象，提高破岩 效率，降低钻井成本，特提供基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动 冲击工具，主要是由上端涡轮驱动总成、中空传动轴、上部外筒体、下端涡轮驱动总成、双 螺旋滚珠丝杆、传动管、冲击锤、砧子、八方套、钻头接头等组成；其特征在于，上部涡轮 外壳与上部外筒体之间通过螺纹连接，在上部涡轮外壳内轴肩上开有均匀分布的液流通孔； 上端涡轮驱动总成设置在上部涡轮外壳的内部，其中涡轮转子安装于涡轮中心轴上，其上端 由螺纹连接在涡轮中心轴上的螺母进行轴向定位，下端通过涡轮中心轴的外轴肩进行轴向定 位；涡轮定子紧贴上部涡轮外壳内壁，其上下端分别通过上调整环和下调整环进行轴向定位， 上调整环由上部涡轮外壳内轴肩与涡轮定子进行轴向固定，下调整环由涡轮定子与涡轮中心 轴外轴肩进行定位；涡轮中心轴下端开有轴向液流通道，其上端通过上部涡轮外壳内轴肩进 行定位，并在其下端开有均匀的进液通道；平键安装在涡轮转子和涡轮中心轴的键槽中；在 上部涡轮外壳内轴肩凹槽与涡轮中心轴上端之间安装有径向轴承组合；密封圈安装在上端涡 轮外壳下端与涡轮中心轴下端之间；在涡轮中心轴外轴肩和上部外筒体内轴肩之间有垫圈和 轴承组合，轴承组合是由圆柱滚子轴承和推力球轴承组成，轴承组合下端由螺纹连接在涡轮 中心轴上的螺母进行轴向定位；中空传动轴上下端依次与涡轮中心轴和下部涡轮外壳通过螺 纹连接，且与上部外筒体为间隙配合，在其外壁与上部外筒体之间有动密封圈组，动密封圈 组由3组L型密封圈与长方形密封圈，以及2个垫圈组成；在下部涡轮外壳内轴肩上开有均 匀分布的液流通孔；下端涡轮驱动总成安装在下部涡轮外壳内部，其中涡轮转子安装涡轮中 心轴上，其上端由螺纹连接在涡轮中心轴上的螺母进行轴向定位，下端通过涡轮中心轴的外 轴肩进行轴向定位；涡轮定子紧贴下部涡轮外壳内壁，其上下端分别通过上调整环和下调整 环进行轴向定位，上调整环由下部涡轮外壳内轴肩与涡轮定子进行轴向固定，下调整环由涡 轮定子与涡轮中心轴外轴肩进行定位；涡轮中心轴上端通过下部涡轮外壳内轴肩进行定位； 平键安装在涡轮转子和涡轮中心轴的键槽中；在下部涡轮外壳内轴肩凹槽与涡轮中心轴上端 之间安装有径向轴承组合；转接头上下端依次与涡轮中心轴和双螺旋滚珠丝杆通过螺纹进行 连接，在其上下端开有均匀分布的进液通道和排液通道；密封圈安装在转接头和下部涡轮外 壳上端之间；下部外筒体内轴肩与转接头之间安装有挡圈和轴承组合，轴承组合是由圆柱滚 子轴承和推力球轴承组成，其下端由螺纹连接在转接头上的螺母进行轴向定位；在双螺旋滚 珠丝杆螺纹副之间装有光滑的椭球，在椭球中心球面上开有圆形球槽；在传动管内壁通过螺 钉连接一个球支座，球支座通过固定的圆球与椭球中心面的圆形球槽配合来传递双螺旋滚珠 丝杆和传动管之间的运动；传动管为沿着轴线对称分开的两瓣，并采用螺钉将分开的两瓣连 接起来，其下端与冲击锤通过螺纹连接；砧子安装在八方套内，其下端与钻头接头用通过螺 纹进行连接。
本发明的有益效果是：(1)该工具通过双螺旋滚珠丝杆使冲击锤往复冲击砧子，砧子把 冲击力传递到钻头上，使钻头受到均匀频率的轴向冲击；(2)钻头在轴向冲击和旋转力的作 用下，可以有效避免卡钻、粘滑现象，使机械钻速大大提高、延长钻头使用寿命，提高钻井 效率。
附图说明
图1是本发明基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具的结构示意图。
图中：1.上部涡轮外壳、2.液流通孔、3.径向轴承组合、4.螺母、5.上调整环、6.涡轮 转子、7.涡轮定子、8.涡轮中心轴、9.平键、10.下调整环、11.进液通道、12.密封圈、13. 垫圈、14.螺母、15.轴承组合、16.L型密封圈、17.长方形密封圈、18.垫圈、19.上部外筒 体、20.中空传动轴、21.下部涡轮外壳、22.液流通孔、23.上调整环、24.径向轴承组合、25. 螺母、26.涡轮定子、27.涡轮转子、28.涡轮中心轴、29.平键、30.下调整环、31.进液通道、 32.密封圈、33.螺母、34.垫圈、35.轴承组合、36.排液通道、37.转接头、38.双螺旋滚珠丝 杆、39.下部外筒体、40.螺钉、41.椭球、42.传动管、43.冲击锤、44.砧子、45.八方套、 46.钻头接头。
图2是本发明图1传动管组合的示意图。
图中：40.螺钉、42.传动管、47.螺钉、48.球支座。
图3为本发明图1中椭球41的放大图。
具体实施方式
根据附图所示，基于涡轮与双螺旋滚珠丝杆的井下振动冲击工具，主要是由上端涡轮驱 动总成6-8、中空传动轴20、上部外筒体19、下端涡轮驱动总成26-28、双螺旋滚珠丝杆38、 传动管42、冲击锤43、砧子44、八方套45、钻头接头46等组成；其特征在于，上部涡轮外 壳1与上部外筒体19之间通过螺纹连接，在上部涡轮外壳1内轴肩上开有均匀分布的液流通 孔2；上端涡轮驱动总成6-8设置在上部涡轮外壳1的内部，其中涡轮转子6安装于涡轮中 心轴8上，其上端由螺纹连接在涡轮中心轴8上的螺母4进行轴向定位，下端通过涡轮中心 轴8的外轴肩进行轴向定位；涡轮定子7紧贴上部涡轮外壳1内壁，其上下端分别通过上调 整环5和下调整环10进行轴向定位，上调整环5由上部涡轮外壳1内轴肩与涡轮定子7进行 轴向固定，下调整环10由涡轮定子7与涡轮中心轴8外轴肩进行定位；涡轮中心轴8下端开 有轴向液流通道，其上端通过上部涡轮外壳1内轴肩进行定位，并在其下端开有均匀的进液 通道11；平键9安装在涡轮转子6和涡轮中心轴8的键槽中；在上部涡轮外壳1内轴肩凹槽 与涡轮中心轴8上端之间安装有径向轴承组合3；密封圈12安装在上端涡轮外壳1下端与涡 轮中心轴8下端之间；在涡轮中心轴8外轴肩和上部外筒体1内轴肩之间有垫圈13和轴承组 合15，轴承组合15是由圆柱滚子轴承和推力球轴承组成，轴承组合15下端由螺纹连接在涡 轮中心轴8上的螺母14进行轴向定位；中空传动轴20上下端依次与涡轮中心轴8和下部涡 轮外壳21通过螺纹连接，且与上部外筒体19为间隙配合，在其外壁与上部外筒体19之间有 动密封圈组16-18，动密封圈组由3组L型密封圈16与长方形密封圈17，以及2个垫圈18 组成；在下部涡轮外壳21内轴肩上开有均匀分布的液流通孔22；下端涡轮驱动总成26-28 安装在下部涡轮外壳21内部，其中涡轮转子27安装涡轮中心轴28上，其上端由螺纹连接在 涡轮中心轴28上的螺母25进行轴向定位，下端通过涡轮中心轴28的外轴肩进行轴向定位； 涡轮定子26紧贴下部涡轮外壳21内壁，其上下端分别通过上调整环23和下调整30环进行 轴向定位，上调整环23由下部涡轮外壳21内轴肩与涡轮定子26进行轴向固定，下调整环 30由涡轮定子26与涡轮中心轴28外轴肩进行定位；涡轮中心轴28上端通过下部涡轮外壳 39内轴肩进行定位；平键29安装在涡轮转子27和涡轮中心轴28的键槽中；在下部涡轮外 壳21内轴肩凹槽与涡轮中心轴28上端之间安装有径向轴承组合24；转接头37上下端依次 与涡轮中心轴28和双螺旋滚珠丝杆38通过螺纹进行连接，在其上下端开有均匀分布的进液 通道31和排液通道36；密封圈32安装在转接头37和下部涡轮外壳39上端之间；下部外筒 体39内轴肩与转接头37之间安装有挡圈34和轴承组合35，轴承组合35是由圆柱滚子轴承 和推力球轴承组成，其下端由螺纹连接在转接头37上的螺母33进行轴向定位；在双螺旋滚 珠丝杆38螺纹副之间装有光滑的椭球41，在椭球41中心球面上开有圆形球槽；在传动管42 内壁通过螺钉47连接一个球支座48，球支座48通过固定的圆球与椭球41中心面的圆形球 槽配合来传递双螺旋滚珠丝杆38和传动管42之间的运动；传动管42为沿着轴线对称分开的 两瓣，并采用螺钉40将分开的两瓣连接起来，其下端与冲击锤43通过螺纹连接；砧子44安 装在八方套45内，其下端与钻头接头46用通过螺纹进行连接。
工作过程中，钻井液流经液流通孔2进入上端涡轮驱动总成6-8,在钻井液的驱动下，涡 轮转子6通过平键9带动涡轮中心轴8转动，同时涡轮中心轴8通过中空传动轴20把转矩传 递给下端涡轮外壳21，并逐次经过下部外筒体39、八方套45、砧子44把转矩传递到钻头接 头46上；同时进入涡轮驱动总成6-8的钻井液从涡轮定子7和涡轮转子6中流出，接着通过 液流通道11进入涡轮中心轴8内部并流经中空传动轴20内部进入下端涡轮外壳21内部；然 后通过液流通孔22进入下端涡轮驱动总成26-28驱动涡轮中心轴28转动，接着经过进液通 道31进入转接头37内部，并通过排液通道36流出；涡轮中心轴28通过转接头37带动双螺 旋滚珠丝杆38转动，随着双螺旋滚珠丝杆38的单向旋转，传动管42通过球支座48上的圆 球与椭球41中心面上的圆形球槽的配合沿着双螺旋滚珠丝杆38上下往复运动，当椭球41向 上运动到双螺旋滚珠丝杆38上部螺纹终止处时开始换向，同理，当椭球41向下运动到双螺 旋滚珠丝杆38下部螺纹终止处时开始换向；随着传动管42的上下往复运动，冲击锤43也上 下移动，当冲击锤43继续向下移动时，将冲击砧子44使钻头接头46受到轴向冲击。