一種新型旋衝鑽具的製作方法
2023-07-11 19:52:01
本發明屬於鑽井技術領域，特別涉及一種新型旋衝鑽具。
背景技術：
目前，在國內外的鑽井施工作業中，相關旋轉和衝擊聯合破巖技術已經得到驗證，目前僅有國外少部分大公司的類似工具得到批量成功運用，但國外公司保密工作做的很到位，我們無法看到鑽具的內部結構，僅僅能從外觀和功能描述上猜測他的結構原理為油密封螺杆鑽具傳動軸內內置衝擊發生器。各家結構可能略有不同，而國內也有一些公司和研究機構在做相關研究，要麼停留在理論研究、要麼有些相關材料和工藝技術不成熟，使用壽命滿足不了現場使用要求，所以一直還未有批量推廣使用。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種在開放式潤滑傳動軸總成中內置衝擊發生器，結構簡單，實現了常規螺杆鑽具和渦輪鑽具的旋轉鑽進及彎殼體定向功能，同時還能夠實現衝擊鑽的功能，能夠有效提高鑽井速度的新型懸衝鑽具。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種新型旋衝鑽具，包括防掉轉換總成、馬達總成、萬向軸總成和傳動衝擊總成；
所述防掉轉換總成包括防掉轉換接頭、防掉盤和防掉連杆，防掉轉換接頭內部設有防掉盤，防掉連杆的上端套入防掉盤，並通過備緊螺母固定，防掉連杆的另一端連接馬達總成的轉子上端；
所述萬向軸總成包括萬向軸外筒以及萬向軸外筒內部安裝的上球鉸接頭、傳動球、半環、鎖緊套、橡膠密封套、球鉸連杆和下球鉸接頭；兩組傳動球分別固定安裝在球鉸連杆的兩端，上球鉸接頭分別與馬達總成和球鉸連杆相連，下球鉸接頭分別連接球鉸連杆和傳動衝擊總成；
所述傳動衝擊總成包括傳動軸、花鍵心軸和花鍵殼體；
傳動軸一端與球鉸連杆連接，傳動軸的另一端固定連接花鍵心軸，花鍵心軸的底部安裝在花鍵殼體中；
傳動軸的外面設有傳動殼體，傳動殼體與傳動軸之間設有鑽具串軸承，鑽具串軸承的頂部設有上TC軸承靜圈，上TC軸承靜圈與傳動軸之間設有上TC軸承動圈；
花鍵心軸的外面設有滑套，滑套外部為母花鍵，母花鍵在發生器殼體內部的公花鍵中滑動，連接體上下分別與傳動殼體和花鍵殼體固定連接；滑套與花鍵心軸之間從上到下依次設有彈性組件、衝擊上凸輪座和衝擊下凸輪座，衝擊上凸輪座和衝擊下凸輪座之間設有多個圓球形滾動體；衝擊下凸輪座底部設有密封體，密封體底部固定連接花鍵殼體；
花鍵殼體的頂部的外側設有發生器殼體，發生器殼體的上端與連接體相連，發生器殼體的下端外部設有防掉套筒；花鍵殼體底部設有油堵，花鍵心軸底部與花鍵殼體相連處設有密封件；花鍵心軸的下方設有防掉鎖釘。
進一步地，馬達總成包括螺杆馬達或渦輪馬達。螺杆馬達包括外螺旋形的轉子和鋼筒內掛有內螺旋橡膠的定子，定子與防掉轉換接頭固定連接，轉子安裝在定子內，並能夠在定子內部旋轉。渦輪馬達由多組全金屬的渦輪定子和渦輪轉子組成渦輪定子與防掉轉換接頭固定連接，渦輪轉子在渦輪定子中旋轉。
進一步地，所述傳動球採用長圓球、圓柱球頭或圓柱倒圓角形狀。所述球鉸連杆兩端還分別設有承壓球；上球鉸接頭和下球鉸接頭內分別設有球座，承壓球位於球座內。
進一步地，所述防掉盤內孔設計成內四方、內六方或者內八方孔，防掉盤的端面上設有4～12個過流孔。防掉連杆和備緊螺母均為中空結構，備緊螺母內安裝有能夠更換的噴嘴。
進一步地，所述衝擊上凸輪座上安裝的凸輪數量為2～8個，衝擊下凸輪座每旋轉一圈，衝擊上凸輪座上下運動2～8次。
進一步地，所述彈性組件包括碟簧或波簧。
本發明的有益效果是：
1、本發明是一種採用開放式潤滑的多滾動凸輪式結構的旋衝鑽具，在開放式潤滑傳動軸總成中內置衝擊發生器，結構簡單，具有很好的潤滑冷卻效果；採用這種結構減少了密封組件，使得鑽具不受井下溫度的影響，提高鑽具的可靠性，實現了常規螺杆鑽具和渦輪鑽具的旋轉鑽進及彎殼體定向功能，同時還能夠實現衝擊鑽的功能，兩種功能合二為一，能夠有效提高鑽井速度；
2、本發明的在鑽具頂部設有防掉轉換總成，在傳動衝擊總成底部設有防掉套筒和防掉鎖釘等防掉裝置，這種雙防掉設置，結構緊湊、能夠杜絕落井事故發生；
3、花鍵連接結構，既能夠起到傳遞扭矩的作用，又兼有下TC滑動軸承的功能，花鍵心軸下端連接防掉鎖釘既起到防掉的功能，同時又具備行程開關的功能，即壓並時衝擊發生器啟動，脫開時衝擊發生器關閉，達到保護髮生器的目的。
附圖說明
圖1為本發明的旋衝鑽具結構示意圖；
圖2為本發明的防掉轉換總成結構示意圖；
圖3為本發明的馬達總成的一種結構示意圖；
圖4為本發明的馬達總成的橫截面示意圖；
圖5為本發明的萬向軸總成結構示意圖；
圖6為本發明的萬向軸總成的防掉連杆結構示意圖；
圖7為本發明的萬向軸總成的傳動球結構示意圖；
圖8為本發明的傳動衝擊總成結構示意圖；
圖9為本發明的花鍵殼體及花鍵的橫截面示意圖；
圖10為本發明的滑套橫截面示意圖；
圖11為本發明的衝擊下凸輪座橫截面示意圖；
圖12為本發明的上滑動TC軸承橫截面示意圖；
附圖標記說明：
1-防掉轉換總成，1-1-防掉轉換接頭，1-2-備緊螺母，1-3-防掉盤，1-4-防掉連杆；
2-馬達總成，2-1-定子，2-2-轉子；
3-萬向軸總成，3-1-萬向軸外筒，3-2-上球鉸接頭，3-3-傳動球，3-4-半環，3-5-鎖緊套，3-6-橡膠密封套，3-7-球鉸連杆，3-8-下球鉸接頭，3-9-上球座，3-10-承壓球；
4-傳動衝擊總成，4-1-上TC軸承動圈，4-2-上TC軸承靜圈，4-3-傳動殼體，4-4-鑽具串軸承，4-5-傳動軸，4-6-連接體，4-7-彈性組件，4-8-滑套，4-9-衝擊上凸輪座，4-10-圓球形滾動體，4-11-衝擊下凸輪座，4-12-密封體，4-13-發生器殼體，4-14-防掉套筒，4-15-花鍵心軸，4-16-油堵，4-17-密封件，4-18-花鍵殼體，4-19-防掉鎖釘。
具體實施方式
下面結合附圖進一步說明本發明的技術方案。
如圖1所示，一種新型旋衝鑽具，包括防掉轉換總成1、馬達總成2、萬向軸總成3和傳動衝擊總成4；
如圖2所示，所述防掉轉換總成1包括防掉轉換接頭1-1、防掉盤1-3和防掉連杆1-4，防掉轉換接頭1-1內部設有防掉盤1-3，防掉連杆1-4的上端套入防掉盤1-3，並通過備緊螺母1-2固定，防掉連杆1-4的另一端連接馬達總成2的轉子2-2上端；
防掉轉換接頭1-1上端連接鑽柱，防掉連杆1-4下端連接轉子2-2，能夠實現鑽具外筒斷裂後轉子2-2上端連接的防掉盤1-3懸掛在防掉轉換接頭1-1內臺階上。防掉盤1-3內孔設計成內四方、內六方或者內八方孔，套在有外四方的防掉連杆1-4上，並被備緊螺母1-2鎖緊在防掉連杆1-4上，當防掉轉換總成1啟動時不論防掉盤1-3受到正向或反向旋轉扭矩時，其扭矩都不會傳遞給備緊螺母1-2，所以備緊螺母1-2不會退扣，防掉啟動就會更加可靠，並關閉鑽具內泥漿通道，井口壓力升高預警，即鑽具內防掉。防掉盤1-3的端面上設有4～12個過流孔，使鑽井液泥漿順利通過防掉轉換接頭1-1，儘量減少壓耗，而且在鑽具外筒斷裂後啟動防掉轉換總成1時不至於所有流道全部堵死，造成鑽具內外泥漿無法循環，從而可能造成井底沉沙，使鑽具易產生砂卡，造成二次井下事故。防掉連杆1-4和備緊螺母1-2均可做成中空結構，備緊螺母1-2內可以安裝能夠更換的噴嘴，可以調節流過馬達總成2的泥漿流量從而實現調節轉速的目的，以滿足不同鑽井工藝參數需求，特別適合大排量鑽井工況下分流泥漿，保護馬達總成2，以提高馬達總成2的壽命。
如圖5所示，所述萬向軸總成3包括萬向軸外筒3-1以及萬向軸外筒3-1內部安裝的上球鉸接頭3-2、傳動球3-3、半環3-4、鎖緊套3-5、橡膠密封套3-6、球鉸連杆3-7和下球鉸接頭3-8；兩組傳動球3-3分別固定安裝在球鉸連杆3-7的兩端，上球鉸接頭3-2分別與馬達總成2和球鉸連杆3-7相連，下球鉸接頭3-8分別連接球鉸連杆3-7和傳動衝擊總成4；球鉸連杆3-7分別與上球鉸接頭3-2、下球鉸接頭3-8、傳動球3-3、鎖緊套3-5和半環3-4共同組成上下兩組具有萬向功能和傳遞扭矩功能的對稱球鉸鏈連接，並被上下兩個橡膠密封套3-6分別密封在上下油腔中工作；
萬向軸總成3所具有的萬向功能能夠實現轉子2-2的行星運動轉化成鑽頭旋轉的定軸轉動，特別是在萬向軸外筒3-1具有一定彎度時起著重要的轉化作用，並將馬達總成2產生的扭矩傳遞給傳動軸4-5。其中傳動球3-3有上下兩組，起傳遞扭矩的作用，且巧妙的將常規的圓球形設計成長圓球、圓柱球頭或圓柱倒圓角形狀，如圖7所示，加大了傳遞扭矩的能力，從而提高了傳動的可靠性和壽命。所述球鉸連杆3-7兩端還分別設有承壓球3-10，如圖6所示；上球鉸接頭3-2和下球鉸接頭3-8內分別設有球座3-9，承壓球3-10位於球座3-9內；所述球鉸連杆3-7將常規球鉸連杆與承壓球3-10合二為一；上球鉸接頭3-2和下球鉸接頭3-8分別與球座3-9合二為一，簡化了結構，提高了傳動的可靠性和壽命；這四者是萬向軸總成3的核心傳動受力件，其性能和壽命決定了該總成的性能和壽命。該結構起著提高其傳遞扭矩能力和使用壽命，承壓球起著萬向和承受軸向力的作用，橡膠密封套將所有萬向、傳力機構實現油密封，大大增加了潤滑性能、大大減少摩擦阻力、從而延長了萬向節的使用壽命為原結構的1倍到1.5倍，大大提高了經濟效益。
如圖8所示，所述傳動衝擊總成4包括傳動軸4-5、花鍵心軸4-15和花鍵殼體4-18；傳動軸4-5一端與球鉸連杆3-7連接，傳動軸4-5的另一端固定連接花鍵心軸4-15，花鍵心軸4-15的底部安裝在花鍵殼體4-18中，如圖9所示；
傳動軸4-5的外面設有傳動殼體4-3，傳動殼體4-3與傳動軸4-5之間設有鑽具串軸承4-4，鑽具串軸承4-4的頂部設有上TC軸承靜圈4-2，上TC軸承靜圈4-2與傳動軸4-5之間設有上TC軸承動圈4-1；
花鍵心軸4-15的外面設有滑套4-8，如圖10所示，滑套4-8外部為母花鍵，母花鍵可在發生器殼體4-13內部的公花鍵中滑動，連接體4-6上下分別與傳動殼體4-3和花鍵殼體4-18固定連接；滑套4-8與花鍵心軸4-15之間從上到下依次設有彈性組件4-7、衝擊上凸輪座4-9和衝擊下凸輪座4-11，衝擊上凸輪座4-9和衝擊下凸輪座4-11之間設有多個圓球形滾動體4-10；衝擊下凸輪座4-11底部設有密封體4-12，密封體4-12底部固定連接花鍵殼體4-18；
花鍵殼體4-18的頂部的外側設有發生器殼體4-13，發生器殼體4-13的上端與連接體4-6相連，發生器殼體4-13的下端外部設有防掉套筒4-14；花鍵殼體底部設有油堵4-16，花鍵心軸4-15底部與花鍵殼體4-18相連處設有密封件4-17；花鍵心軸4-15的下方設有防掉鎖釘4-19。
萬向軸總成3輸入的扭矩和轉速通過傳動軸4-5傳遞給花鍵心軸4-15，花鍵心軸4-15又通過花鍵殼體4-18驅動傳遞給鑽頭，驅動鑽頭旋轉鑽進；同時花鍵心軸4-15又將少部分的扭矩通過密封體4-12傳遞衝擊下凸輪座4-11，驅動衝擊下凸輪座4-11順時針旋轉，而衝擊下凸輪座4-11座上凸輪數量為2～8個，如圖11所示，衝擊下凸輪座4-11每旋轉一圈，衝擊上凸輪座4-9就上下運動2～8次，同時衝擊上凸輪座4-9上端的彈性組件4-7在衝擊上凸輪座4-9上行時儲能，下行時釋放能量，從而完成高頻率的上下衝擊動作。衝擊上凸輪座4-9和衝擊下凸輪座4-11之間布滿了圓球形滾動體4-10，以達到減少摩擦阻力和延長凸輪壽命的作用，這正是該衝擊發生器成功推廣使用的關鍵，而衝擊下凸輪座4-11的轉速和其上安裝的凸輪的數量直接決定了衝擊發生器的衝擊頻率，以滿足不同鑽井工藝和地層特點的需求，而彈性組件4-7的極限壓縮力值決定了衝擊力值的大小，衝擊力通過衝擊下凸輪座4-11傳遞給連接在一起的密封體4-12和花鍵殼體4-18直接傳遞給鑽頭，實現鑽頭衝擊破巖，從而實現鑽頭旋轉和衝擊鑽進相結合的複合鑽進模式。鑽壓通過傳動殼體4-3內臺階傳遞給鑽具串軸承4-4，再傳遞給傳動軸4-5、花鍵心軸4-15和花鍵殼體4-18，而花鍵殼體4-18直接連接在鑽頭上，同時通過下滑動TC軸承(花鍵連接結構，既能夠起到傳遞扭矩的作用，又兼有下TC滑動軸承的功能)和上滑動TC軸承(如圖12所示)以吸收轉子2-2行星運動和鑽具旋轉所產生的徑向力，以延長鑽具串軸承4-4的使用壽命，保證鑽頭平穩旋轉鑽進。花鍵心軸4-15下端連接防掉鎖釘4-19既起到防掉的功能，同時又具備行程開關的功能，即壓並時衝擊發生器啟動，脫開時衝擊發生器關閉，達到保護髮生器的目的。
馬達總成2包括螺杆馬達或渦輪馬達。螺杆馬達包括外螺旋形的轉子2-2和鋼筒內掛有內螺旋橡膠的定子2-1，如圖3和圖4所示，定子2-1與防掉轉換接頭1-1固定連接，轉子2-2安裝在定子2-1內，並能夠在定子2-1內部旋轉。他是一個能量轉化裝置，通過泥漿壓力驅動外螺旋形的轉子2-2在內螺旋形的定子2-1內旋轉，並將定轉子嚙合所形成的封閉螺旋密封腔不斷向下移動，能夠實現鑽具內高壓泥漿鑽井液液壓能轉化成驅動鑽頭旋轉所需的機械能；其中轉子2-2還可做成中空的，以根據現場情況分流多餘的泥漿鑽井液，由於其結構和材料特性適用於中低轉速鑽井，且泥漿流道不易堵塞，皮實耐用，製造成本較低，因此也是市場上推廣運用最多的結構形式。
另一種是渦輪馬達，渦輪馬達由多組全金屬的渦輪定子和渦輪轉子組成渦輪定子與防掉轉換接頭1-1固定連接，渦輪轉子在渦輪定子中旋轉。高速泥漿通過渦輪定轉子葉片間形成的流道，驅動轉子在定子中高速旋轉，從而實現液壓能向機械能的轉化。由於其結構和材料特性不受井下溫度和耐油性的影響，因此相對螺杆馬達有適用範圍廣、壽命長、轉速高的優點，特別適用於高溫井、油基泥漿和高轉速鑽井工況，但同時存在定轉子組數較多、產品較長、製造成本較高，且其泥漿通道狹窄容易堵塞的缺點，因此相對螺杆馬達的廣泛使用也有一定局限性，但是根據實際鑽井工況兩種結構形式的馬達可以互補選擇使用。
進一步地，所述彈性組件4-7包括碟簧或波簧。
本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護範圍內。