一种涡轮钻具轴向冲击载荷自适应调节装置的制作方法

本发明涉及石油天然气钻采井下工具领域，尤其涉及一种涡轮钻具轴向冲击载荷自适应调节装置。

背景技术：

在油气钻采过程中，超深井、高温井和定向井对涡轮钻具需求非常迫切，恶劣的钻井工况对涡轮钻具使用寿命也提出了更高的要求。

目前涡轮钻具的使用寿命过短，严重限制了涡轮钻具的推广和应用。现有的涡轮钻具由涡轮节和支承节组成，涡轮节中多副转子将水力负荷全部传递到支承节中，方向垂直向下。钻头将钻压传递到支承节中，方向垂直向上。当轴向载荷发生突变时，较大的冲击载荷很容易造成支承节中推力轴承的失效，失效形式主要有压溃、点蚀、材料剥落、严重磨损等，轴承失效后涡轮钻具无法正常钻进，需要起钻更换轴承，耗时费力，增加钻井风险。

因此，合理的控制和主动调节轴向冲击载荷是提高涡轮钻具整机寿命的关键。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种涡轮钻具轴向冲击载荷自适应调节装置，该装置能自动调整钻井液流道的大小，利用流致阻尼效应减小轴向冲击载荷，能避免涡轮钻具推力轴承的快速失效，增长涡轮钻具的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:

本发明一种涡轮钻具轴向冲击载荷自适应调节装置，由涡轮轴、内套筒、轴承座、钢球、动环、涡轮壳体、滚珠、丝堵、静环和外套筒组成。

所述动环和静环均为圆环状结构，在周向方向均匀分布多个扇形流道；动环与静环的轴向安装间隙为2~5毫米。所述动环的内径上设有轴承滚道，外径上设有滚珠滚道；

所述内套筒将轴承座、钢球压紧在涡轮轴上，随着涡轮轴做旋转运动，动环可以与涡轮轴发生相对旋转。

所述涡轮壳体的内表面沿着周向方向上均匀分布多个螺旋滚道，螺旋滚道的顶端与涡轮壳体的外表面采用螺纹孔连通，螺纹孔中安装丝堵。涡轮壳体下端设有台阶，外套筒与台阶将静环压紧在涡轮壳体的内表面上，静环和涡轮壳体在钻井时保持静止不动。

所述螺旋滚道中安装滚珠，采用丝堵封堵。当动环的轴向位置发生变化时，滚珠可在螺旋滚道和滚珠滚道中运动，滚珠的滚动会导致动环发生周向旋转。

本发明一种轴向冲击载荷自适应调节装置安装在涡轮节的底部，涡轮钻具在钻井过程中，本发明的动环随着轴向载荷的变化，不断的调节轴向位置。当动环轴向位置发生变化时，动环的周向旋转由螺旋滚道和滚珠决定，动环发生周向旋转后，动环与静环的扇形流道的完全关闭，钻井液只能从动环和静环的轴向间隙绕流，产生显著的流致阻尼效应，流致阻尼能有效缓冲轴向的冲击载荷。由于动环的轴向位移和周向旋转随轴向载荷实时变化，从而能实现了轴向冲击载荷的自适应调节。

本发明的有益效果和优点如下：1.本发明不影响涡轮钻具的正常钻井，根据轴向冲击载荷的方向，基于钻井液产生的流致阻尼效应，实现冲击载荷的自适应调节，无需人工干预。2.本发明能有效避免涡轮钻具推力轴承的快速失效，提高涡轮钻具的工作寿命。

附图说明

图1为本发明一种涡轮钻具轴向冲击载荷自适应调节装置的结构示意图；

图2为本发明轴系零件安装示意图；

图3为本发明壳系零件安装示意图；

图4为本发明动环与涡轮壳体相对运动的示意图；

图5为本发明不受冲击载荷时的结构示意图；

图6为本发明受到向上冲击载荷时的结构示意图；

图7为本发明受到向下冲击载荷时的结构示意图；

图中，1.涡轮轴，2.内套筒，3.轴承座，4.钢球，5.动环，6.轴承座，7.内套筒，8.涡轮壳体，9.滚珠，10.丝堵，11.静环，12.外套筒，13.扇形流道，14.扇形流道，15.轴承滚道，16.滚珠滚道，17.螺旋滚道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明一种涡轮钻具轴向冲击载荷自适应调节装置，由涡轮轴1、内套筒（2，7）、轴承座（3，6）、钢球4、动环5、涡轮壳体8、滚珠9、丝堵10、静环11和外套筒12组成。

如图1所示，所述动环5和静环11均为圆环状结构，在周向方向均匀分布多个扇形流道（13，14）；动环5与静环11的轴向安装间隙为2~5毫米。所述动环5的内径上设有轴承滚道15，外径上设有滚珠滚道16；

如图2所示，所述内套筒2和内套筒7将轴承座3、钢球4、轴承座6压紧在涡轮轴1上，随着涡轮轴1做旋转运动，动环5可以与涡轮轴1发生相对旋转。

如图1所示，所述涡轮壳体8的内表面沿着周向方向上均匀分布多个螺旋滚道17，螺旋滚道17的顶端与涡轮壳体8的外表面采用螺纹孔18连通，螺纹孔18中安装丝堵10。

如图3所示，涡轮壳体8下端设有台阶19，外套筒12与台阶19将静环11压紧在涡轮壳体8的内表面上，静环11和涡轮壳体8在钻井时保持静止不动。

如图1和图4所示，所述螺旋滚道17中安装滚珠9，采用丝堵10封堵。当动环5的轴向位置发生变化时，滚珠9可在螺旋滚道17和滚珠滚道16中运动，滚珠9的滚动会导致动环5发生周向旋转。滚珠9的滚动方向，动环5的轴向运动方向和周向旋转方向如图4中箭头所示。

如图5所示，涡轮钻具正常钻井，无冲击载荷时，滚珠9处于螺旋滚道17的中间位置，动环5与静环11的轴向间隙ha为2~5毫米，轴向间隙ha如图5中所示。动环5的扇形流道13与静环11的扇形流道14的完全重合，扇形流道完全打开，如图5中的黑色填充部分。扇形流道（13,14）流通面积占涡轮钻具内环空面积的1/2，能够保证涡轮钻具的正常运行。

如图5和图6所示，当涡轮钻具受到向上的冲击载荷时，涡轮轴1向上移动，动环5与静环11的轴向间隙由初始值ha（如图5中所示）增大为hb（如图6中所示），轴向间隙hb为3.5~8毫米。涡轮壳体8内的滚珠9处于螺旋滚道17的顶部，动环5随着滚珠9的滚动发生逆时针周向旋转。动环5与静环11的扇形流道（13,14）完全关闭，钻井液只能在动环5和静环11的轴向间隙hb中绕流。钻井液流动通道迅速减小，产生明显的流致阻尼效应，能有效缓冲向上的冲击载荷，避免支承节的轴承受到冲击而快速失效。

如图5和图7所示，当涡轮钻具受到向下的冲击载荷时，涡轮轴1向下移动，动环5与静环11的轴向间隙由初始值ha（如图5中所示）减小为hc（如图7中所示），轴向间隙hc为0.5~2毫米。涡轮壳体8内的滚珠9处于螺旋滚道17的底部，动环5随着滚珠9的滚动发生顺时针周向旋转。动环5与静环11的扇形流道（13,14）完全关闭，钻井液只能在动环5和静环11的轴向间隙hc中绕流，钻井液流动通道迅速减小，产生明显的流致阻尼效应，能有效的缓冲向下的冲击载荷，避免支承节的轴承受到冲击而快速失效。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种涡轮钻具轴向冲击载荷自适应调节装置，它由涡轮轴、内套筒、轴承座、钢球、动环、涡轮壳体、滚珠、丝堵、静环和外套筒组成。所述动环和静环均为圆环状结构，在周向方向均匀分布多个扇形流道；所述动环可以与涡轮轴发生相对旋转；所述涡轮壳体的内表面沿着周向方向上均匀分布多个螺旋滚道；所述螺旋滚道中安装滚珠，采用丝堵封堵。当动环的轴向位置发生变化时，滚珠的滚动会导致动环发生周向旋转。本发明根据涡轮钻具轴向冲击载荷方向，自适应调节钻井液流动通道，利用流致阻尼效应减小轴向冲击载荷，提高涡轮钻具使用寿命。

技术研发人员：苟如意;张晓东;杨文武;何方舟
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2017.07.31
技术公布日：2017.11.28