万向轴总成及应用该万向轴总成的高频冲击螺杆钻具的制作方法

本发明属于油气钻井完井技术领域，具体涉及一种万向轴总成及应用该万向轴总成的高频冲击螺杆钻具。

背景技术：

螺杆钻具，是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具，是目前国内外石油、天然气钻井领域中应用最为广泛的钻具，其主要包括旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成从上至下依次连接，钻井液从旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动马达总成中的转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴总成传递给传动轴总成，再有传动轴总成传递给钻头，从而实现钻井作业。

为了满足深部底层中软硬交错底层、硬底层等可钻性差的地层的钻井失效等要求，现有技术中出现了多种高频冲击螺杆钻具，其基本原理是旋冲钻进技术，即将冲击和旋转结合起来的钻进方法，钻头在冲击钻井的过程汇总还可以结合旋转运动，更容易钻井，具体而言，旋冲钻井技术一般是通过在钻头上安装一个冲击器来实现的，通过该冲击器的配合，钻井过程中可以形成高频的、均匀稳定的冲击能量，使钻头和井底能够始终保持连续的高频切削，提高剪切效率，适用于复杂岩层钻探等可钻性差的的地层的钻探。

但该高频冲击螺杆钻具因为是通过在钻头上安装冲击器等方式实现，比如，现有技术中，专利号为201310254618.6，这件中国专利中公布了名称为凸轮式高频冲击钻井工具的装置，该凸轮式高频冲击钻井工具在钻井作业时上端连接螺杆钻具，下端连接钻头，钻压通过螺杆钻具的传动轴、工具的碟簧传递给悬挂螺母，再由悬挂螺母传递给钻头。应用该工具的高频冲击螺杆钻具的工作流程是，钻井液从旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动马达总成中的转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴总成传递给传动轴总成，再有传动轴总成传递给工具的碟簧、悬挂螺母，再由悬挂螺母传递给钻头，从而实现钻井作业。

高频冲击螺杆钻具的万向轴总成起到将马达产生的扭矩和转速平稳的最终传递给钻头的功能，而现有技术中使用最多的是花瓣式万向轴，弧形齿存在加工上的困难，而且花在泥浆等钻井液中工作，随着钻井参数的提高瓣齿会磨损更快，并且，容易出现疲劳断裂或者啮合在一起的瓣齿脱落等情况发生；并且，由于高频冲击螺杆钻具连接的钻头会频率较高的旋冲地层，在其钻探的过程中，会反馈给在钻头上方的高频冲击螺杆钻具较大的震动力度，因而对于连接了马达总成的万向轴总成具有较高的减震或者吸震要求，避免将较大的震动力度传达到马达总成上，影响了马达总成的提供动力功能，降低了高频冲击螺杆钻具的使用寿命，严重的甚至使得高频冲击螺杆钻具无法进行工作。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的使用花瓣式万向轴轴承的高频冲击螺杆钻具的万向轴总成容易发生疲劳断裂或者滑落等情况，使得整机寿命低的不足之处，提出了一种万向轴总成及应用该万向轴总成的高频冲击螺杆钻具。

本发明的目的时按照如下的技术方案实现的：

一种万向轴总成，包括万向轴，所述万向轴的两端分别连接且通过外套连接头与螺杆钻具的转子和传动轴连接，所述外套接头分别经保持架内的钢球与连接轴相连，实现与螺杆钻具的传动轴、转子的联接与动力传递，其特征在于，所述外套接头包括外套接头凸部和外套接头凹部，所述外套接头凸部插入到所述外套接头凹部中与所述外套接头凹部间隙连接，所述外套接头凸部不与所述外套接头凹部连接的另一端面上设置有第一连接头用于连接所述转子或者传动轴，所述外套接头凹部不与所述外套接头凸部连接的另一端面上设置有第二连接件用于连接所述万向轴，所述外套接头凸部内侧中央设置有连接座，所述连接座径向方向上设置有凹槽，所述万向轴两端设置有与所述凹槽对应的凸齿，所述外套头凹部内侧至少设置有两个连接孔，两个连接孔通过小连接轴连接。

优选的，所述外套接头凹部和外套接头凸部相连接位置的横截面图形为圆环形。

在更为优选的实施例中，所述外套接头凹部在其与所述外套接头凸部通过插入方式连接的面上设置相互配合的第一凹槽和第一凸起，第一凹槽的宽度宽于所述第一凸起的宽度，所述第一凹槽包括底面和三个侧面，封闭的侧面位于上方。

在更为优选的实施例中，所述连接座表面的轴向截面为二分之一圆，所述万向轴两端的轴向截面也为二分之一圆。

在更为优选的实施例中，所述万向轴上设置有与连接孔相配合的第一连接通孔，所述小连接轴穿过所述第一连接通孔，所述连接孔内设有内螺纹，所述小连接轴两端设置有外螺纹。

在更为优选的实施例中，还包括万向轴壳体，所述万向轴壳体为两端皆有通孔的空心圆柱状，所述万向轴壳体两端通过密封件与两个所述第一连接头密封连接。

在更为优选的实施例中，所述密封件为o型密封圈。

在更为优选的实施例中，所述密封件为氰化丁晴材料的橡胶材质。

在更为优选的实施例中，还包括吸震装置，所述吸震装置包括弹簧，所述万向轴两端的中心位置设置第二凹槽，所述第二凹槽为圆柱形凹槽，其内设置有压缩性弹簧，所述压缩性弹簧另一端接触所述连接座表面。

在更为优选的实施例中，还包括润滑装置，所述润滑装置包括设置在所述保持架内的储油腔和设置在保持架上与所述钢球接触的位置上的若干出油孔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过设置的外套接头凹部和外套接头凸部以插入互相间隙连接的方式配合，该外套接头凹部和外套接头凸部的加工简单，安装也简单，并且，接触面大，承载力更大，应力不像花瓣式万向轴总成一样容易集中在某一个地方，致使容易断裂，强度够，结构稳定。

且，设置了小连接轴加强所述外套接头凹部的结构稳定性。

且，万向轴和连接座的配合同样采取了插入与容纳的方式，使得所述连接座与万向轴配合紧密，更够更好的传递旋转和力矩，并且，将外套接头更好的连接在一起防止脱落，也通过设置了穿过所述万向轴的小连接轴来巩固该功能。

且，设置了万向轴壳体用于避免将除万向轴壳体以外的部件暴露在泥浆中，减少泥浆对万向轴总成的影响，保证使用寿命。

且，设置了吸震结构和润滑结构，用于吸震和润滑。尤其是针对高频冲击螺杆钻具，万向轴总成除了上述的作用外还需要尽量能够吸震，减少震动和位移的影响。

本发明还提供了一种高频冲击螺杆钻具，包括上述技术方案所述的万向轴总成，还包括旁通阀总成、马达总成、传动轴总成和高频冲击钻井工具，所述旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成和高频冲击钻井工具从上至下依次连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

应用了上述技术方案所述的万向轴总成，该高频冲击螺杆钻具的万向轴总成结构稳定，接触面积大，承载力好，结构强度好，且能够吸震和润滑，减少震动和位移对所述螺杆钻具的不良影响，保证和增加了所述高频冲击螺杆钻具的寿命。

附图说明

图1根据第一实施例所述万向轴总成的剖面结构示意图；

图2第一实施例中所述外套接头凹部与外套接头凸部的连接方式示意图；

图3第一实施例中所述外套接头凸部在垂直于万向轴轴线的截面示意图；

图4第一实施例中所述外套接头凹部在垂直于万向轴轴线的截面示意图；

图5第一实施例中所述外套接头凹部与外套接头凸部的更为优选的连接方式示意图；

图6第二实施例中所述高频冲击螺杆钻具结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种万向轴总成及应用了该万向轴总成的高频冲击螺杆钻具，为了使本发明人的技术方案更容易理解，具体见下文具体实施例。

第一实施例

参见图1，本实施例提供了一种万向轴总成，所述万向轴总成包括万向轴1，所述万向轴1的两端分别连接且通过外套连接头2与螺杆钻具的转子和传动轴连接，所述外套接头2分别经保持架内的钢球与万向轴相连，实现与螺杆钻具的传动轴、转子的联接与动力传递，其特征在于，所述外套接头2包括外套接头凸部21和外套接头凹部22，所述外套接头凸部21插入到所述外套接头凹部22中与所述外套接头凹部22间隙连接，所述外套接头凸部21不与所述外套接头凹部22连接的另一端面上设置有第一连接头23用于连接所述转子或者传动轴，所述外套接头凹部22不与所述外套接头凸部21连接的另一端面上设置有第二连接件24用于连接所述万向轴1，所述外套接头凸部21内侧中央设置有连接座25，所述连接座25径向方向上设置有凹槽，所述万向轴1两端设置有与所述凹槽对应的凸齿11，所述外套头凹部22内侧至少设置有两个连接孔221，两个连接孔221通过小连接轴222连接。

所述保持架与钢球在图1中有示出，保持架通过连接在所述外套接头凸部21上和另一端与所述万向轴1的表面连接，将所述钢球限制在内，其他实施例中，所述保持架与钢球的结构可参照现有技术中的设置，比如，中国专利号为201210205019.0，专利名称为：螺杆钻具球笼式万向轴中，这件专利中对保持架与钢球的设置有相应描述，本案中不再赘诉。

参见图2，所述外套接头凸部21和所述外套接头凹部22之间通过外套接头凸部21插入到所述外套接头凹部22之间进行连接，且是间隙连接，在所述螺杆钻具工作的过程中，所述外套接头凸部21和所述外套接头凹部22随着转子的旋转会出现面连接，该接触面大，承载力强。

参见图3，所述外套接头凸部21与所述外套接头凹部22相连接位置的横截面图形为圆环形，也就是，所述外套接头凸部21具有一定的厚度，其插入到所述外套结构凹部22内的部分的横截面图形为圆环形。

参见图4，所述外套接头凹部22与所述外套接头凸部21相连接位置的横截面图形为圆环形，也就是，所述外套接头凹部22容纳所述外套接头凸部21的容纳处在横截面的图形为圆环形，且，是两个圆环，靠内的圆环是外套接头凹部22的内侧与所述外套接头凸部21内侧接触的一面，靠外的圆环是外套接头凹部22的外侧与所述外套接头凸部21外侧接触的一面。

所述外套接头凸部21和外套接头凹部22之间的间隙连接可以根据实际情况进行设置，间隙稍大，两者之间的角度运动范围就稍微大一些，间歇小，两者之间的角度运动范围就稍微小一些，本案中所述间隙连接也可以是两者之间刚好面面连接。所述角度运动范围是由于转子和定子的偏心设置，转子在平面上做行星运动而需要对角度进行调整所做出的角度运动范围。

在其他实施例中，所述外套接头凹部与所述外套接头凸部相连接的所述外套接头凹部的内侧面或者所述外侧面，其中一个侧面可以设置为斜面，而不是本案中的垂直面，这样，也是为了使得两者之间的角度运动范围可以调整。

优选的，参见图5，所述外套接头凹部21在其与所述外套接头凸部22通过插入方式连接的面上设置相互配合的第一凹槽211和第一凸起222，第一凹槽211的宽度宽于所述第一凸起222的宽度，所述第一凹槽211包括底面和三个侧面，封闭的侧面位于上方。这样能够更好的将所述外套接头凹部21和外套接头凸部22连接在一起。更为优选地，所述第一凸起222的形状为长方体，相应地，所述第一凹槽211中的空间也为长方体；在其他实施例中，所述第一凸起的形状也可以为三角锥体。

在其他实施例中，也可以将所述第一凹槽设置在所述外套接头凸部上，相应地，所述第一凸起设置在所述外套接头凹部上。

所述外套接头凹部21和所述外套接头凸部22的间隙连接使得两者之间具有一定角度的运动范围，该角度可以根据实际情况设置，比如设置为0至5度。设置了第一凹槽211和第一凸起222后，第一凹槽211和第一凸起222的尺寸也可以根据实际情况设置，主要是考虑所述外套接头凹部21和所述外套接头凸部22的连接作用于相对运动。

所述第二连接件24是设置在所述外套接头凹部22远离所述外套接头凸部21一端的环状薄片，直径等于与其连接的万向轴1的直径，在第二连接件24外通过设置卡环和紧套圈将所述外套接头凹部22连接在所述万向轴1上。

在其他实施例中，也可以在所述第二连接件内设螺纹，通过在所述万向轴上外设螺纹将两者连接。

所述连接座25表面的轴向截面为二分之一圆，所述万向轴1两端的轴向截面也为二分之一圆，具体地，所述表面是指与所述万向轴1相连接的一面，所述轴向截面是指万向轴1的旋转轴，也就是说，参见图1，所述连接座25与所述万向轴1相连接的表面在万向轴1的轴方向上的截图为二分之一圆形，位于万向轴1上方的连接座25的表面为上半圆，位于万向轴1下方的连接座25的表面为下半圆；相应地，万向轴1的两端的半圆形与其连接的所述连接座25的表面的半圆形契合。

优选地，所述万向轴1上设置有与连接孔221相配合的第一连接通孔11，所述小连接轴222穿过所述第一连接通孔11，所述连接孔221内设有内螺纹，所述小连接轴222两端设置有外螺纹，所述两个连接孔221和所述小连接轴222的两端通过设置的相匹配的外螺纹和内螺纹连接在一起。所述小连接轴222位圆柱轴。

在其他实施例中，所述小连接轴两端与小连接轴轴线垂直的方向上延伸有薄板，所述薄板上设置有通孔，所述连接孔为螺纹孔，通过带帽螺钉将所述连接轴连接到所述外套接头凹部。

所述万向轴总成还包括万向轴壳体3，所述万向轴壳体3为两端皆有通孔的空心圆柱状，所述万向轴壳体3两端通过密封件与两个所述第一连接头23密封连接。并且，所述密封件为o型密封圈。优选地所述密封件为氰化丁晴材料的橡胶材质。

具体地，所述密封件的内直径等于或小于所述第一连接头23的直径，所述密封件的外直径等于或大于所述万向轴壳体3上的通孔的直径，所述o型密封圈的外侧面上设置有一圈凹槽，这样，就能够将所述万向轴壳体3与所述第一连接头23密封连接在一起。

在其他实施例中，所述密封件为氰化丁晴材料的橡胶材质的其他形状的密封件，比如所述密封件在与万向轴轴线垂直的方向的截面图形为圆形，但是在于该截面垂直的平面上的在所述万向轴轴线一侧的截面图形为直角三角形，一条直角边贴合所述第一连接头侧面，另一条直角边位于所述万向轴壳体上的通孔的平面内，换言之，直角顶点和一个锐角顶点位于第一连接头上，另一个锐角顶点位于所述万向轴壳体上，且也位于该通孔的边缘上。

参见图1，所述万向轴总成还包括吸震装置，所述吸震装置包括弹簧41，所述万向轴1两端的中心位置设置第二凹槽12，所述第二凹槽12为圆柱形凹槽，其内设置有压缩性弹簧41，所述压缩性弹簧41另一端接触所述连接座25表面。

所述第二凹槽12为圆柱形凹槽是指所述第二凹槽12开设在所述万向轴1上的立体空间接近为圆柱形凹槽，此处上接近为圆柱形凹槽是因为在本实施例中，所述万向轴1的两端为弧形的，所述第二凹槽12的形状实际上是圆柱形的一个顶面换成球面的一个形状，在竖直方向上的截图为一个开口的方形，开口的一条边由弧形替代。

所述万向轴总成还包括润滑装置，所述润滑装置包括设置在所述保持架内的储油腔和设置在保持架上与所述钢球接触的位置上的若干出油孔。所述储油腔上可以开设注油孔，通过该注油孔将润滑油注入到所述储油腔中。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过设置的外套接头凹部和外套接头凸部以插入互相间隙连接的方式配合，该外套接头凹部和外套接头凸部的加工简单，安装也简单，并且，接触面大，承载力更大，应力不像花瓣式万向轴总成一样容易集中在某一个地方，致使容易断裂，强度够，结构稳定。

且，设置了小连接轴加强所述外套接头凹部的结构稳定性。

且，万向轴和连接座的配合同样采取了插入与容纳的方式，使得所述连接座与万向轴配合紧密，更够更好的传递旋转和力矩，并且，将外套接头更好的连接在一起防止脱落，也通过设置了穿过所述万向轴的小连接轴来巩固该功能。

且，设置了万向轴壳体用于避免将除万向轴壳体以外的部件暴露在泥浆中，减少泥浆对万向轴总成的影响，保证使用寿命。

且，设置了吸震结构和润滑结构，用于吸震和润滑。尤其是针对高频冲击螺杆钻具，万向轴总成除了上述的作用外还需要尽量能够吸震，减少震动和位移的影响。

第二实施例

本实施例提供了一种应用了第一实施例所述的万向轴总成的高频冲击螺杆钻具。

参见图6，所述高频冲击螺杆钻具包括第一实施例所述的万向轴总成，还包括旁通阀总成5、马达总成6、传动轴总成7和高频冲击钻井工具8，所述旁通阀总成5、马达总成6、万向轴总成、传动轴总成7和高频冲击钻井工具8从上至下依次连接。

所述旁通阀总成5、马达总成6和传动轴总成7均可以采用现有技术中的类似结构，比如，可以采用专利号为201410150118.2专利名称为高效耐用的螺杆钻具这件专利中所述的结构；所述高频冲击钻井工具可采用专利号为201310254618.6的专利，专利名称为凸轮式高频冲击钻井工具，该凸轮式高频冲击钻井工具在钻井作业时上端连接螺杆钻具，下端连接钻头，钻压通过螺杆钻具的传动轴、工具的碟簧传递给悬挂螺母，再由悬挂螺母传递给钻头。

与现有技术相比，本实施例所述技术方案的优点在于：

具有第一实施例的优点，且该高频冲击螺杆钻具的万向轴总成结构稳定，接触面积大，承载力好，结构强度好，且能够吸震和润滑，减少震动和位移对所述螺杆钻具的不良影响，保证和增加了所述高频冲击螺杆钻具的寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。