CN208734274U - 一种旋冲螺杆传动轴总成 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种旋冲螺杆传动轴总成，它由轴承外壳、串轴承组、中接头、冲锤外壳、上传动轴、下传动轴、弹簧、冲锤、砧子、防掉卡环、下接头、钻头接头等组成，其特征是下传动轴与冲锤之间存在的转速差迫使下传动轴中部的外凸块上螺旋面在回转过程中与冲锤内侧的内凸块下螺旋面发生接触啮合，下传动轴回转的部分扭矩转化为推动冲锤向上提升的推力，驱动冲锤沿冲锤外壳内壁上的导向槽克服弹簧预紧力向上提升，当内凸块下螺旋面爬升至外凸块上螺旋面最高点后二者分离，冲锤在自重及弹簧预紧力作用下，向下运动并冲击砧子形成冲击载荷，钻头接头将钻压、扭矩、转速及冲击载荷传递给钻头，实现高速切削和高频冲击联合破岩，提高钻头破岩效率。

Description

一种旋冲螺杆传动轴总成

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻探工程技术领域，特别涉及一种旋冲螺杆传动轴总成。

背景技术

随着油气勘探向深部不断拓展，钻井过程中遇到的硬地层和复杂地层越来越多。采用常规的旋转钻井，常常由于钻头存在破岩能量不足、破岩阻力大等问题造成机械钻速低、进尺短，钻头和钻具提前失效，已不能满足深井、超深井钻井时效要求。

经过多年的探索和实践，使用井下动力钻具(螺杆钻具和涡轮钻具)的复合钻井技术得到了快速发展，对于软～中硬地层提速效果显著，但是随着井深的增加，地层硬度增加、可钻性变差，使得井下动力钻具产生的高转速、大扭矩的静载切削破岩方式，不足以有效克服岩石壁硬度和抗压强度吃入地层破碎岩石，造成机械钻速降低、钻具及钻头的使用寿命缩短。

为了突破井下动力钻具在深井、超深井的硬地层钻进遇到的提速瓶颈，人们将旋冲钻井的理念引入到复合钻井技术当中，研发了一些具有轴向冲击功能的井下动力钻具。但是现有结构存在诸如旋冲钻具结构复杂、零部件多，凸轮需要同时承受高频动静载变化的受力情况、工具寿命短、压耗高等技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种旋冲螺杆传动轴总成，该旋冲螺杆传动轴总成结构简单、零部件少、关键零件受力单一、可靠性好、可以根据地层需要调整冲击载荷、无明显压耗增加。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种旋冲螺杆传动轴总成，包括：外壳机构及安装在其内的传动机构、轴向冲击机构和钻头接头；

所述传动机构的外壁设置有外凸块；

所述轴向冲击机构包括冲锤和弹性装置；所述冲锤套设于所述传动机构，所述冲锤的内壁具有内凸块，所述外凸块能够在所述传动机构钻进回转时接触所述内凸块并推升所述冲锤；所述冲锤能够向下运动冲击所述钻头接头；所述弹性装置能够为所述冲锤提供朝下的预紧力；

所述外壳机构包括冲锤外壳，所述冲锤外壳具有限制所述冲锤运动为沿轴向的导向结构。

优选的，所述外凸块具有外凸块上螺旋面，所述内凸块具有用于同所述外凸块上螺旋面接触推升配合的内凸块下螺旋面。

优选的，所述外凸块的数量为多个，所述内凸块的数量为与所述外凸块一一对应的多个。

优选的，多个所述外凸块沿周向均匀分布。

优选的，所述弹性装置为弹簧。

优选的，所述轴向冲击机构还包括设置在所述冲锤和所述钻头接头之间的砧子。

优选的，所述传动机构包括上传动轴和下传动轴，所述外凸块设置于所述下传动轴的外壁。

优选的，所述导向结构包括沿轴向开设在所述冲锤外壳内壁的导向槽，所述冲锤的外壁具有与所述导向槽配合的导向块。

优选的，还包括防掉卡环和下接头；

所述下接头固定连接于所述冲锤外壳，所述防掉卡环套在所述钻头接头外侧，所述防掉卡环的下端面能够挂靠于所述下接头的上端面。

优选的，所述外凸块在所述传动机构的外壁上沿周向不连续，所述冲锤的内凸块能够沿轴向运动至所述外凸块的上方和下方。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供的旋冲螺杆传动轴总成，其具有的优点和积极效果是：

1、可以将螺杆马达产生的扭矩和转速，及自身产生的轴向冲击载荷同时传递给井底钻头，从而实现钻头高速切削和高频冲击联合破岩；

2、结构简单、零部件少，工具拆装更换方便；

3、由于产生的轴向冲击载荷与弹簧预紧力及冲锤提升高度成正比，因此可以根据地层情况，调节弹簧预紧力及冲锤提升高度获得相应的轴向冲击载荷；

4、下传动轴上的外凸块上螺旋面和冲锤上的内凸块下螺旋面只作为启振面，不作为冲击面，从而避免了该两个零部件在工作过程中出现同时承受高频动静载变化的受力情况，有效提高零部件工作寿命短和可靠性；

5、采用机械传动方式产生轴向冲击载荷，无须泥浆液力能进行转化，因此整体无明显压耗增加，有效保证与本实用新型相连的螺杆马达工作性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的旋冲螺杆传动轴总成的整体结构示意图；

图2为沿图1中A-A截面的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的下传动轴的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的冲锤的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的冲锤壳体的结构示意图；

图6a、图6b和图6c为本实用新型实施例提供的旋冲螺杆传动轴总成的轴向冲击过程的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的旋冲螺杆传动轴总成的防空打功能的结构示意图。

其中，1为上TC轴承内圈；2为上TC轴承外圈；3为轴承外壳；4为串轴承组；5为上传动轴；6为中接头；7为压板；8为冲锤外壳；9为弹簧；10为下传动轴；11为冲锤；12为砧子；13为防掉卡环；14为下接头；15为钻头接头；16为六方传动面；17为外凸块，18为外凸块上螺旋面；19为内凸块，20为内凸块下螺旋面；21为导向块；22为导向槽。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供的冲螺杆传动轴总成，包括：外壳机构及安装在其内的传动机构、轴向冲击机构和钻头接头15，其结构可以参照图1所示；

其中，传动机构的外壁设置有外凸块17；

轴向冲击机构包括冲锤11和弹性装置；冲锤11套设于传动机构，冲锤11的内壁具有内凸块19，外凸块17能够在传动机构钻进回转时接触内凸块19并推升冲锤11；需要说明的是，在传动机构钻进回转的周期性运动过程中，其外壁外凸块17在接触内凸块19并推升冲锤11后，允许内凸块19向下回落；冲锤11设置在钻头接头15上方，冲锤11能够向下运动冲击钻头接头15；弹性装置能够为冲锤11提供朝下的预紧力；

外壳机构包括冲锤外壳8，该冲锤外壳8具有限制冲锤11运动为沿轴向的导向结构。可以理解的是，本方案提到的“轴向”、“上”和“下”的方向位置概念是基于外壳机构、传动机构和钻头接头15的结构和使用状态。

工作原理：

钻压传递过程：由螺杆钻具万向轴外壳通过外壳机构传递给钻头接头15，并最终传递给井底钻头；

扭矩和转速传递过程：由螺杆钻具马达转子和万向轴通过传动机构传递给钻头接头15，并最终传递给井底钻头；

轴向冲击：钻进过程中，螺杆钻具通过万向轴带动传动机构，从而在传动机构与冲锤11之间形成转速差，使得传动机构的外凸块17在回转过程中与冲锤11内侧的内凸块19发生接触啮合(如图6a所示)；接触啮合发生后，传动机构回转的一部分扭矩转化为推动冲锤11向上提升的推力，驱动冲锤11沿着冲锤外壳8内壁的导向结构克服弹性装置预紧力竖直向上提升；当内凸块19在外凸块17的作用下爬升最高点后(如图6b所示)，两者发生分离，冲锤11在自重及服弹性装置预紧力联合作用下，加速垂直向下运动并冲击钻头接头15(如图6c所示)，冲击过程产生的应力波通过钻头接头15传递给井底钻头，从而与钻压、扭矩、转速一起实现钻头在井底的高速切削和高频冲击联合破岩。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的旋冲螺杆传动轴总成，其具有的优点和积极效果是：

1、可以将螺杆马达产生的扭矩和转速，及自身产生的轴向冲击载荷同时传递给井底钻头，从而实现钻头高速切削和高频冲击联合破岩；

2、结构简单、零部件少，工具拆装更换方便；

3、由于产生的轴向冲击载荷与弹性装置预紧力及冲锤11提升高度成正比，因此可以根据地层情况，调节弹性装置预紧力及冲锤11提升高度获得相应的轴向冲击载荷；

4、传动机构的外凸块和冲锤11的内凸块两者接触作用面只作为启振面，不作为冲击面，从而避免了该两个零部件在工作过程中出现同时承受高频动静载变化的受力情况，有效提高零部件工作寿命短和可靠性；

5、采用机械传动方式产生轴向冲击载荷，无须泥浆液力能进行转化，因此整体无明显压耗增加，有效保证与本实用新型相连的螺杆马达工作性能。

作为优选，外凸块17具有外凸块上螺旋面18，内凸块19具有用于同外凸块上螺旋面18接触推升配合的内凸块下螺旋面20，其结构可以参照图3和图4所示，螺旋面配合结构能够保证两者充分啮合接触推动提升，螺旋方向根据传动机构钻进回转方向相应确定。在这里，外凸块17和内凸块19均可以整体为螺旋条形块。

为了进一步优化上述的技术方案，外凸块17的数量为多个，内凸块19的数量为与外凸块17一一对应的多个，以提高受力效果。

在本实施例中，多个外凸块17沿周向均匀分布，相应的内凸块19也为沿其周向均匀分布，使冲锤11受到在周向上均匀的推动提升力。

具体的，弹性装置为弹簧9，能够在轴向上提供有效的弹性回复力。相应的，弹簧9的上方安装有压板7。

作为优选，轴向冲击机构还包括设置在冲锤11和钻头接头15之间的砧子12，以承受来自冲锤11的轴向冲击应力并传递给钻头接头15。

在本实施例中，传动机构包括上传动轴5和下传动轴10，外凸块17设置于下传动轴10的外壁。上传动轴5上端分别与螺杆钻具的万向轴和上TC轴承内圈1通过螺纹连接，下端与下传动轴10通过螺纹连接。

外壳机构包括轴承外壳3、中接头6和冲锤外壳8，中接头6上下两端分别通过螺纹与轴承外壳3及冲锤外壳8相连。

具体的，导向结构包括沿轴向开设在冲锤外壳8内壁的导向槽22，冲锤11的外壁具有与导向槽22配合的导向块21，其结构可以参照图4和图5所示。进一步的，导向槽22和导向块21可以为多个，并沿周向均布。

本实用新型实施例提供的冲螺杆传动轴总成，还包括防掉卡环13和下接头14，其结构可以参照图2和图7所示；

下接头14固定连接于冲锤外壳8，防掉卡环13套在钻头接头15外侧，防掉卡环13的下端面能够挂靠于下接头14的上端面。起下钻过程中，底部钻头带动钻头接头15一起向下伸出，套在钻头接头15外侧的防掉卡环13随之挂靠在下接头14上端面上，从而限制底部钻头及钻头接头15落入井底。

为了进一步优化上述的技术方案，外凸块17在传动机构的外壁上沿周向不连续，冲锤11的内凸块19能够沿轴向运动至外凸块17的上方和下方。这样一来，钻头接头15上部的砧子12和冲锤11也在自重和弹簧9预紧力作用下下行，使得冲锤11内侧的内凸块19位于下传动轴10上的外凸块17的下侧并存在一定间距，保证了在下传动轴10回转过程中，外凸块17和内凸块19之间不会发生接触啮合，避免冲锤11产生上下往复运动，从而起到了防止冲锤11继续产生轴向冲击造成空打现象，进一步保证了工具的可靠性和避免井下落鱼事故发生。

下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

如图1所示，一种旋冲螺杆传动轴总成，是由上TC轴承内圈1、上TC轴承外圈2、轴承外壳3、串轴承组4、上传动轴5、中接头6、压板7、冲锤外壳8、弹簧9、下传动轴10、冲锤11、砧子12、防掉卡环13、下接头14、钻头接头15构成。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实用新型一种旋冲螺杆传动轴总成结构特征是：中接头6上下两端分别通过螺纹与轴承外壳3及冲锤外壳8相连；轴承外壳3上端通过螺纹与螺杆钻具万向轴外壳相连，内部由外至内依次装有上TC轴承外圈2、上TC轴承内圈1、串轴承组4和上传动轴5，上传动轴5上端分别与螺杆钻具的万向轴和上TC轴承内圈1通过螺纹连接，下端与下传动轴10通过螺纹连接；冲锤外壳8内部由下至上依次装有砧子12、下传动轴10、冲锤11、弹簧9和压板7，冲锤外壳8内壁上的导向槽22与冲锤11上的导向块21配合，下端与下接头14通过螺纹连接；下传动轴10中部外凸块17的上螺旋面18与冲锤11内部内凸块19的下螺旋面20配合；钻头接头15上端内侧通过六方传动面16与下传动轴10配合，上端外侧套有防掉卡环13。

如图1所示，本实用新型一种旋冲螺杆传动轴总成钻压、扭矩、转速传递过程是：钻压由螺杆钻具万向轴外壳传递给本实用新型一种旋冲螺杆传动轴总成的轴承外壳3，然后向下依次通过中接头6、冲锤外壳8和砧子12，传递给钻头接头15，并最终传递给井底钻头。扭矩和转速由螺杆钻具马达转子和万向轴传递给本实用新型一种旋冲螺杆传动轴总成的上传动轴5，进而通过下传动轴10传递给钻头接头15，并最终传递给井底钻头。

如图6a、图6b和图6c所示，本实用新型一种旋冲螺杆传动轴总成的轴向冲击工作原理是：钻进过程中，螺杆钻具通过万向轴带动本实用新型一种旋冲螺杆传动轴总成的上传动轴5回转，上传动轴5通过连接螺纹带动下传动轴10回转，从而在下传动轴10与冲锤11之间形成转速差，使得下传动轴10中部的外凸块上螺旋面18在回转过程中与冲锤11内侧的内凸块下螺旋面20发生接触啮合(如图6a所示)。接触啮合发生后，下传动轴10回转的一部分扭矩转化为推动冲锤11向上提升的推力，驱动冲锤11沿着冲锤外壳8内壁上的导向槽22克服弹簧9预紧力竖直向上提升。当内凸块下螺旋面20爬升至外凸块上螺旋面18最高点后(如图6b所示)，下传动轴10的外凸块17与冲锤11的内凸块19发生分离，冲锤11在自重及弹簧9预紧力联合作用下，加速垂直向下运动并冲击砧子12(如图6c所示)，冲击过程产生的应力波通过砧子12和钻头接头15传递给井底钻头，从而与钻压、扭矩、转速一起实现钻头在井底的高速切削和高频冲击联合破岩。

如图7所示，本实用新型一种旋冲螺杆传动轴总成的防空打功能原理是：起下钻过程中，底部钻头带动钻头接头15一起向下伸出，套在钻头接头15外侧的防掉卡环13随之挂靠在下接头14上端面上，从而限制底部钻头及钻头接头15落入井底。钻头接头15上部的砧子12和冲锤11也在自重和弹簧9预紧力作用下下行，使得冲锤11内侧的内凸块19位于下传动轴10上的外凸块17的下侧并存在一定间距，保证了在下传动轴10回转过程中，外凸块17和内凸块19之间不会发生接触啮合，避免冲锤11产生上下往复运动，从而起到了防止冲锤11继续产生轴向冲击造成空打现象，进一步保证了工具的可靠性和避免井下落鱼事故发生。

综上所述，本实用新型实施例公开了一种旋冲螺杆传动轴总成，它由轴承外壳、串轴承组、中接头、冲锤外壳、上传动轴、下传动轴、弹簧、冲锤、砧子、防掉卡环、下接头、钻头接头等组成，其特征是下传动轴与冲锤之间存在的转速差迫使下传动轴中部的外凸块上螺旋面在回转过程中与冲锤内侧的内凸块下螺旋面发生接触啮合，下传动轴回转的部分扭矩转化为推动冲锤向上提升的推力，驱动冲锤沿冲锤外壳内壁上的导向槽克服弹簧预紧力向上提升，当内凸块下螺旋面爬升至外凸块上螺旋面最高点后二者分离，冲锤在自重及弹簧预紧力作用下，向下运动并冲击砧子形成冲击载荷，钻头接头将钻压、扭矩、转速及冲击载荷传递给钻头，实现高速切削和高频冲击联合破岩，提高钻头破岩效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，包括：外壳机构及安装在其内的传动机构、轴向冲击机构和钻头接头(15)；

所述传动机构的外壁设置有外凸块(17)；

所述轴向冲击机构包括冲锤(11)和弹性装置；所述冲锤(11)套设于所述传动机构，所述冲锤(11)的内壁具有内凸块(19)，所述外凸块(17)能够在所述传动机构钻进回转时接触所述内凸块(19)并推升所述冲锤(11)；所述冲锤(11)能够向下运动冲击所述钻头接头(15)；所述弹性装置能够为所述冲锤(11)提供朝下的预紧力；

所述外壳机构包括冲锤外壳(8)，所述冲锤外壳(8)具有限制所述冲锤(11)运动为沿轴向的导向结构。

2.根据权利要求1所述的旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，所述外凸块(17)具有外凸块上螺旋面(18)，所述内凸块(19)具有用于同所述外凸块上螺旋面(18)接触推升配合的内凸块下螺旋面(20)。

3.根据权利要求1所述的旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，所述外凸块(17)的数量为多个，所述内凸块(19)的数量为与所述外凸块(17)一一对应的多个。

4.根据权利要求3所述的旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，多个所述外凸块(17)沿周向均匀分布。

5.根据权利要求1所述的旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，所述弹性装置为弹簧(9)。

6.根据权利要求1所述的旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，所述轴向冲击机构还包括设置在所述冲锤(11)和所述钻头接头(15)之间的砧子(12)。

7.根据权利要求1所述的旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，所述传动机构包括上传动轴(5)和下传动轴(10)，所述外凸块(17)设置于所述下传动轴(10)的外壁。

8.根据权利要求1所述的旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，所述导向结构包括沿轴向开设在所述冲锤外壳(8)内壁的导向槽(22)，所述冲锤(11)的外壁具有与所述导向槽(22)配合的导向块(21)。

9.根据权利要求1所述的旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，还包括防掉卡环(13)和下接头(14)；

所述下接头(14)固定连接于所述冲锤外壳(8)，所述防掉卡环(13)套在所述钻头接头(15)外侧，所述防掉卡环(13)的下端面能够挂靠于所述下接头(14)的上端面。

10.根据权利要求1所述的旋冲螺杆传动轴总成，其特征在于，所述外凸块(17)在所述传动机构的外壁上沿周向不连续，所述冲锤(11)的内凸块(19)能够沿轴向运动至所述外凸块(17)的上方和下方。