一種機械振動衝擊傳動軸的製作方法

2023-12-11 23:36:47

本發明涉及油氣勘探開發鑽井動力鑽具技術領域，尤其涉及一種產生機械振動衝擊的傳動軸。

背景技術：

在利用長水平井、大位移井勘探開發油氣藏鑽井過程中，鑽遇堅硬且研磨性強的地層時，使用常規動力鑽具普遍存在機械鑽速低的問題。近年來，旋轉衝擊破巖鑽井技術越來越受到重視，衝擊載荷能瞬時提升接觸應力至極高，局部應力集中，在巖石內容易產生微裂紋，當衝擊載荷足夠大時，應力很快接近或超過強度極限，巖石產生脆性破壞，進而崩離；由於井底巖石始終受到軸向壓力的作用，鑽頭齒下面尚未破碎的巖石處於緊張的預壓應力狀態，預加靜載能有效改善衝擊能量的傳遞條件，增加能量有效利用率，受到高頻衝擊作用後容易破碎；在旋轉破巖同時，鑽井液由連續流變為高壓脈衝射流，對井底巖屑層和巖屑進行反覆和突發衝刷，有利於消除巖屑的壓持效應，改善噴射效果；在旋轉衝擊鑽進時，鑽頭上鑽壓的作用是保證衝擊裝置正常工作，確保切削刀具與巖石表面能經常、可靠地接觸，所需鑽壓比常規旋轉鑽井低20％～60％，可解決深井鑽井中比載荷不足和與巖石接觸時間短的矛盾，在不增加任何設備的情況下提高了鑽探能力。

研究表明：在旋轉的基礎上，增加衝擊動力，將衝擊鑽進的單次破巖作用與旋轉鑽進的連續破巖作用相結合，提高破巖效率，能夠有效的提高堅硬、研磨性地層鑽井機械鑽速。

技術實現要素：

本發明針對現有技術存在的技術問題,提供一種產生機械振動衝擊的傳動軸，在動力鑽具旋轉破巖過程中，產生機械振動衝擊，利用衝擊破巖的技術優勢，提高動力鑽具鑽堅硬、研磨性地層的機械鑽速。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種機械振動衝擊傳動軸，包括中空的鑽頭接頭1和主傳動軸10，在主傳動軸10外部設有衝擊發生裝置，在主傳動軸10與鑽頭接頭1之間設有衝擊執行機構。

上述方案進一步包括：

所述衝擊發生裝置是在主傳動軸10的下半段套裝絲槓凸輪筒4，絲槓凸輪筒4內與主傳動軸10方角插接配合，絲槓凸輪筒4外與支撐球殼體7套接配合，在絲槓凸輪筒4外面開設多道弧形軌道槽，每道軌道槽包括一段抬升螺旋軌道16和一段水平過渡軌道17，每道軌道槽分別與支撐球6構成限位配合，支撐球殼體7與每級軌道槽對應處設有與支撐球6配合的球窩和裝配通道，裝配通道與球堵5配合鎖定支撐球6，絲槓凸輪筒4下端設有與鑽頭接頭1連接的凸頭；主傳動軸10的上半段套裝有增強軸承串9和推力軸承外殼8，其中推力軸承外殼8上、下端分別通過上軸承15、下軸承14與主傳動軸10旋轉配合，推力軸承外殼8下端與支撐球殼體7連接；所述衝擊執行機構是在絲槓凸輪筒4與鑽頭接頭1連接的凸頭內設置間隙配合的上衝擊盤3和下衝擊盤2，其中上衝擊盤3與主傳動軸10的下端連接，下衝擊盤2與鑽頭接頭1上臺階相接，上衝擊盤3和下衝擊盤2為中空結構。

所述下衝擊盤2及鑽杆接頭1中空為偏心中空結構。

主傳動軸10上端與水帽12連接。

由於採用了上述技術方案，本發明的機械振動衝擊的傳動軸在使用時，所述軸承殼體上端與動力鑽具外殼體螺紋連接，所述水帽與動力鑽具萬向軸下端螺紋連接，與動力鑽具成為一體。馬達轉動動力輸入所述主傳動軸，所述主傳動軸通過下端的六方體驅動所述絲槓凸輪體轉動，由於所述支撐球殼體與動力鑽具外殼體固定連接，絲槓凸輪體與支撐球殼體相對轉動，布置在絲槓凸輪體與支撐球殼體之間的支撐球，提供支撐作用，同時充當力傳遞的中介；所述絲槓凸輪體轉動過程中，由於在井身軸方向所述絲槓凸輪體不動，其筒體上布置的帶螺旋抬升軌道驅使支撐球支撐鑽柱抬升，所述支撐球從軌道起始點到軌道終止點抬升上部衝擊鑽柱一個衝擊行程，在所述水平過渡軌道內上部衝擊鑽柱在鑽壓及重力作用下自由下落，與上部衝擊鑽柱固結為一體的所述上衝擊盤衝擊所述下衝擊盤，從而使鑽頭對地層進行一次衝擊破巖，反覆循環，組成整個工具的旋轉衝擊破巖鑽井。在所述上衝擊盤衝擊所述下衝擊盤衝擊過程中，由於所述下衝擊盤及所述鑽杆接頭鑽井液流道偏置，所述上衝擊盤鑽井液流道置中，在衝擊瞬間，鑽井液流道過流面積瞬間變為極小，鑽井液由連續流變為高壓脈衝射流，對井底巖屑層和巖屑進行反覆和突發衝刷，改善鑽頭水力噴射效果。隨著所述主傳動軸的轉動，與機械振動衝擊傳動軸連接的鑽頭產生周期性地振動衝擊，同時鑽井液由連續流變為高壓脈衝射流，旋轉衝擊破巖與高壓脈衝射流相結合，從而提高動力鑽具鑽堅硬、研磨性地層的機械鑽速。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖；

圖2是圖1在A-A剖視圖；

圖3是圖1中關鍵零件4正視圖；

圖中1.鑽頭接頭，2.下衝擊盤，3.上衝擊盤，4.絲槓凸輪筒，5.球堵，6.支撐球，7.支撐球殼體，8.推力軸承外殼，9.增強軸承串，10.主傳動軸，11.軸承殼體（優先TC軸承殼體），12.水帽，13.衝擊行程，14.下軸承，15.上軸承（優先TC軸承），16. 螺旋抬升軌道，17. 水平過渡軌道。

具體實施方式

下面結合附圖說明中的圖1、圖2、圖3對本發明進一步說明。

在圖1所示中，一種機械振動衝擊傳動軸，包括鑽頭接頭1、下衝擊盤2、上衝擊盤3、絲槓凸輪筒4、球堵5、支撐球6、支撐球殼體7、推力軸承外殼8、增強軸承串9、主傳動軸10、TC軸承殼體11、水帽12、下軸承14、上TC軸承15、螺旋抬升軌道16、水平過渡軌道17等。在所述鑽頭接頭1內設置衝擊執行機構，包括下衝擊盤2和上衝擊盤3，所述下衝擊盤2與鑽頭接頭1銷軸固定連接，所述下衝擊盤2和鑽頭接頭1中間是偏心貫通孔鑽井液流道，所述上衝擊盤3與所述主傳動軸10螺紋連接，內部鑽井液流道處於正中心；所述絲槓凸輪筒4下端與所述鑽頭接頭1螺紋連接，其中心是內六方通孔，與所述主傳動軸10配合用以傳動，所述絲槓凸輪筒4外筒表面布置多層絲槓凹凸輪形式的螺旋抬升軌道16，每層軌道由多段相同尺寸的半圓截面槽循環組成，半圓截面槽有一定的螺旋升角，每段螺旋抬升軌道之間是沒有升角的水平過渡軌道17；所述支撐球殼體7上端與所述推力軸承外殼8螺紋連接，其筒體內表面布置多層容納所述支撐球的窩和裝配通道，所述支撐球殼體7與所述絲槓凸輪筒4通過支撐球6連接，所述支撐球6與所述支撐球殼體7可沿所述絲槓凸輪筒4上布置的抬升螺旋16軌道轉動，並在軸向有一定的衝擊行程，組成衝擊發生裝置；所述推力軸承外殼9上端與TC軸承殼體11下端螺紋連接，其內布置所述加強型軸承串，其筒體下端內部設置下軸承14；所述TC軸承殼體11是一上下端帶螺紋的筒體，內部設置上TC軸承。

參照圖2，所述主傳動軸10筒體下端是外六方，中心是鑽井液流道，絲槓凸輪筒4中心是內六方，主傳動軸10與絲槓凸輪筒4通過六方傳遞轉動動力，其活動連接可分割鑽柱為能傳遞扭矩且可以軸向振動的上部衝擊鑽柱和下部鑽頭及其附屬物兩部分。所述支撐球6布置在絲槓凸輪筒4與支撐球殼體7之間，提供支撐作用，同時充當力傳遞的中介。

參照圖3，所述絲槓凸輪筒4外筒表面布置多層絲槓凹凸輪形式的螺旋抬升軌道16和水平過渡軌道，每層螺旋抬升軌道16由多段相同尺寸的半圓截面槽循環組成，半圓截面槽有一定的螺旋升角，每段螺旋抬升軌道之間是沒有升角的水平過渡軌道17。

本發明的機械振動衝擊傳動軸在組裝時：所述軸承殼體11上端與動力鑽具外殼體螺紋連接，所述水帽12與動力鑽具萬向軸下端螺紋連接，絲槓凸輪筒4與支撐球殼體7套合，旋入球堵5推送支撐球6，使其一半置於絲槓凸輪筒4的螺旋抬升軌道16內，此時球堵5鎖止但未完全旋入，裝配完成全部支撐球6後，向下推動支撐球殼體7，直到不能動為止，此時支撐球6安裝到位，在絲槓凸輪筒4與支撐球殼體7之間提供支撐作用，同時充當力傳遞的中介，最後旋入全部球堵5。

本發明的機械振動衝擊傳動軸在使用時：馬達轉動動力輸入所述主傳動軸10，所述主傳動軸10通過下端的六方體驅動所述絲槓凸輪筒4轉動，由於所述支撐球殼體7與動力鑽具外殼體固定連接，絲槓凸輪筒4與支撐球殼體7相對轉動，布置在絲槓凸輪筒4與支撐球殼體7之間的支撐球6提供支撐作用，同時充當力傳遞的中介；所述絲槓凸輪筒4轉動過程中，由於在井身軸方向所述絲槓凸輪筒4不動，其筒體上布置的螺旋抬升軌道16驅使支撐球6支撐鑽柱抬升，所述支撐球6從螺旋抬升軌道16起始點到軌道終止點抬升上部衝擊鑽柱一個衝擊行程13，在所述水平過渡軌道17內上部衝擊鑽柱在鑽壓及重力作用下自由下落，與上部衝擊鑽柱固結為一體的所述上衝擊盤3衝擊所述下衝擊盤2，從而使鑽頭對地層進行一次衝擊破巖，反覆循環，組成整個工具的旋轉衝擊破巖鑽井。

在所述上衝擊盤衝擊所述下衝擊盤衝擊過程中，由於所述下衝擊盤2及所述鑽杆接頭1鑽井液流道偏置，所述上衝擊盤3鑽井液流道置中，在衝擊瞬間，鑽井液流道過流面積瞬間變為極小，鑽井液由連續流變為高壓脈衝射流，對井底巖屑層和巖屑進行反覆和突發衝刷，改善鑽頭水力噴射效果。

隨著所述主傳動軸10的轉動，與機械振動衝擊傳動軸連接的鑽頭產生周期性地振動衝擊，同時鑽井液由連續流變為高壓脈衝射流，旋轉衝擊破巖與高壓脈衝射流相結合，從而提高動力鑽具鑽堅硬、研磨性地層的機械鑽速。其中，鑽柱振動頻率、衝擊力大小可通過確定結構尺寸來得到。