一种钻井钻柱的旋转驱动和推送机构的制作方法

本申请是申请号为2016101393312、申请日为2016年03月11日、发明创造名称为“一种钻井钻柱的旋转驱动和推送机构”的专利的分案申请。

所属技术领域

本发明属于钻井技术领域，尤其涉及一种钻井钻柱的旋转驱动和推送机构。

背景技术：

目前对于小中型钻井而言，钻井设备较为复杂，造成了设备的制造成本和使用成本非常高，引起了物力和财力的大大损失。

对于钻深井而言，一根钻杆(钻柱)的长度肯定无法满足深度要求，这就要求多根钻杆连接起来使用。目前钻井所用的钻杆连接结构的外形尺寸均大于钻杆本身，在钻杆旋转带动钻头钻井的过程中，过大的钻杆连接结构很可能会对已钻好的井身产生干涉，从而破坏已钻好的井身，造成不必要的麻烦。

本发明设计一种钻井钻柱的旋转驱动和推送机构解决如上问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中的上述缺陷，本发明公开一种钻井钻柱的旋转驱动和推送机构，它是采用以下技术方案来实现的。

一种钻井钻柱的旋转驱动和推送机构，其特征在于：它包括钻杆固定机构、驱动电机、驱动电机固定结构、推送液压杆、空心驱动转轴、钻杆连接结构、液压杆固定支撑、钻杆杆身，其中两根推送液压杆安装方式完全相同，对于其中任意一根，推送液压杆一端安装在固定于地面上的液压杆固定支撑上，推送液压杆另一端安装在驱动电机固定结构上；两个驱动电机固定结构对称地安装在驱动电机上，驱动电机的转轴为空心的空心驱动转轴，空心驱动转轴两端均伸出电机机身且一端伸出较长和另一端伸出较短；上述钻杆杆身为实体圆柱体；任意两根钻杆杆身由钻杆连接结构连接。

上述两个钻杆固定机构对称地安装在空心驱动转轴一端。

上述钻杆固定机构包括钻杆固定块复位弹簧、钻杆固定块复位弹簧支撑、钻杆固定机构外壳、钻杆固定块干涉板、钻杆固定块、钻杆固定块支撑、钻杆固定块复位弹簧腔、钻杆固定块支撑滑孔、钻杆固定块腔，其中钻杆固定机构外壳为开有钻杆固定块复位弹簧腔和钻杆固定块支撑滑孔的空壳且安装在空心驱动转轴上；空心驱动转轴在安装有钻杆固定机构外壳处开有钻杆固定块腔；钻杆固定块复位弹簧支撑安装在钻杆固定机构外壳上；钻杆固定块复位弹簧一端安装在钻杆固定块复位弹簧支撑上，另一端安装在钻杆固定块干涉板上；钻杆固定块支撑一端安装在钻杆固定块干涉板上，另一端安装在钻杆固定块上；钻杆固定块复位弹簧、钻杆固定块干涉板安装在钻杆固定块复位弹簧腔内，钻杆固定块支撑安装在钻杆固定块支撑滑孔内，钻杆固定块安装在钻杆固定块腔内。

上述钻杆固定块中，以钻杆固定块支撑和钻杆固定块接触面为基准面，钻杆固定块一端面与基准面成45度，另一端面与基准面成90度，且钻杆固定块中间开有凹槽，凹槽将固定块基准面的对面分成两部分，一部分为斜面，另一部分为平面。

上述钻杆连接结构包括钻杆尾端、钻杆内杆、钻杆连接外套、钻杆首端卡孔、钻杆首端、钻杆连接第一卡块限位板、钻杆连接第一卡块滑套、钻杆连接第一卡块固定板、钻杆连接第一卡块、钻杆连接第一卡块安装卡板、钻杆连接第二卡块限位板、钻杆连接第二卡块滑套、钻杆连接第二卡块固定板、钻杆连接复位弹簧、钻杆连接第二卡块安装卡板、钻杆连接第二卡块、钻杆连接卡块限位板滑孔、钻杆连接卡块滑槽、钻杆连接卡块安装孔、卡块安装卡板定位槽、钻杆连接外套卡孔，其中钻杆连接外套安装在钻杆尾端，钻杆连接外套圆柱面上对称地开有两个钻杆连接外套卡孔；钻杆内杆安装在钻杆首端；钻杆内杆径向方向开有一个通孔，通孔的两端孔形状对称分布，从通孔一端到另一端分别由一侧的钻杆连接卡块滑槽和钻杆连接卡块安装孔、钻杆连接卡块限位板滑孔、另一侧的钻杆连接卡块滑槽和钻杆连接卡块安装孔组成，钻杆连接卡块滑槽对称分布于钻杆连接卡块安装孔两侧且钻杆连接卡块滑槽与钻杆连接卡块安装孔内部想通。

上述钻杆连接第一卡块通过钻杆连接第一卡块固定板安装在钻杆连接第一卡块滑套一端，钻杆连接第一卡块滑套另一端安装有钻杆连接第一卡块限位板；上述钻杆连接第二卡块通过钻杆连接第二卡块固定板安装在钻杆连接第二卡块滑套一端，钻杆连接第二卡块滑套另一端安装有钻杆连接第二卡块限位板；钻杆连接第一卡块和钻杆连接第二卡块分别对称安装在钻杆内杆上相互对称的两个钻杆连接卡块滑槽内，钻杆连接第一卡块滑套和钻杆连接第二卡块滑套分别对称安装在钻杆内杆上相互对称的钻杆连接卡块安装孔上；在钻杆连接卡块滑槽和钻杆连接卡块限位板滑孔过渡处开有卡块安装卡板定位槽，钻杆连接第一卡块安装卡板和钻杆连接第二卡块安装卡板分别对称的安装在两个卡块安装卡板定位槽上；钻杆连接第一卡块限位板和钻杆连接第二卡块限位板均运动于钻杆连接卡块限位板滑孔、连接第二卡块安装卡板、连接第一卡块安装卡板之间组成的空间内；钻杆连接复位弹簧一端安装在钻杆连接第一卡块滑套内，另一端安装在钻杆连接第二卡块滑套内。

上述钻杆首端上对称地开有钻杆首端卡孔，钻杆固定块的一部分与钻杆首端卡孔配合。

作为本技术的进一步改进，上述钻杆连接结构连接两根钻杆，其中一根钻杆的钻杆首端上的钻杆连接第一卡块和钻杆连接第二卡块分别与另一根钻杆上的钻杆尾端的两个钻杆连接外套卡孔配合。

作为本技术的进一步改进，上述钻杆连接第一卡块限位板的直径等于钻杆连接第二卡块滑套内径，且恰好相互嵌套。

作为本技术的进一步改进，上述钻杆连接第一卡块滑套长度、钻杆连接第二卡块滑套长度、钻杆连接卡块滑槽深度三者相等。

作为本技术的进一步改进，上述钻杆连接第一卡块安装卡板中间开孔直径等于钻杆连接第一卡块滑套外径，钻杆连接第二卡块安装卡板中间开孔直径等于钻杆连接第二卡块滑套外径。

相对于传统的钻井技术，本发明中驱动电机通过推送液压杆固定在液压杆固定支撑上，液压杆的伸缩能够带动驱动电机上下运动，驱动电机转轴为空心驱动转轴，空心驱动转轴通过钻杆固定机构能够带动钻杆杆身旋转和上下运动；两根钻杆杆身通过钻杆连接结构连接在一起，所设计的钻杆连接结构与钻杆固定机构有机的结合起来，实现了钻杆的连接和驱动功能。

本发明中的钻杆连接技术相对于传统的钻杆连接技术，本发明中一根钻杆的钻杆连接第一卡块、钻杆连接第一卡块滑套、钻杆连接第一卡块限位板组成一组滑动件，钻杆连接第二卡块、钻杆连接第二卡块滑套、钻杆连接第二卡块限位板组成另一组滑动件，两组滑动件相互嵌套伸缩。当两个滑动件伸开时，该钻杆连接第一卡块和钻杆连接第二卡块均伸出钻杆内杆外，并与另一根钻杆连接外套卡孔配合，起到对两根钻杆的连接作用；当对卡块施加径向压力时，两个滑动件相互嵌套，卡块运动到钻杆连接卡块滑套中，两根钻杆分离。本发明使用了结构紧凑的钻杆连接机构，能够保证在连接处的直径与钻杆杆身直径一致，避免了过大的钻杆连接结构对钻井井面的破坏，具有一定的实用效果。

附图说明

图1是钻杆连接结构整体透视图。

图2是钻杆连接结构剖视图。

图3是钻杆内杆结构示意图。

图4是钻杆内杆结构剖视图。

图5是卡块及相关结构连接示意图。

图6是钻杆内杆内孔结构及安装卡板示意图。

图7是钻杆连接外套结构示意图。

图8是钻杆安装卡板及钻杆连接卡块滑槽结构示意图。

图9是钻杆拆分过程示意图。

图10是钻杆连接过程示意图。

图11是整体钻井机构结构示意图。

图12是空心驱动转轴安装示意图。

图13是钻杆固定机构与钻杆配合结构剖视图。

图14是钻杆固定机构结构示意图。

图15是钻杆固定机构外壳内部结构示意图。

图16是钻杆固定块结构示意图。

图17是钻杆在空心驱动转轴内的安装示意图。

图中标号名称：1、钻杆尾端，2、钻杆内杆，3、钻杆连接外套，4、钻杆首端卡孔，5、钻杆首端，6、钻杆连接第一卡块限位板，7、钻杆连接第一卡块滑套，8、钻杆连接第一卡块固定板，9、钻杆连接第一卡块，10、钻杆连接第一卡块安装卡板，11、钻杆连接第二卡块限位板，12、钻杆连接第二卡块滑套，13、钻杆连接第二卡块固定板，14、钻杆连接复位弹簧，15、钻杆连接第二卡块安装卡板，16、钻杆连接第二卡块，17、钻杆连接卡块限位板滑孔，18、钻杆连接卡块滑槽，19、钻杆连接卡块安装孔，20、卡块安装卡板定位槽，21、钻杆连接外套卡孔，25、钻杆固定机构，26、驱动电机，27、驱动电机固定结构，28、推送液压杆，29、空心驱动转轴，30、钻杆连接结构，31、液压杆固定支撑，32、钻杆杆身，33、钻杆固定块复位弹簧，34、钻杆固定块复位弹簧支撑，35、钻杆固定机构外壳，36、钻杆固定块干涉板，37、钻杆固定块，38、钻杆固定块支撑，39、钻杆固定块复位弹簧腔，40、钻杆固定块支撑滑孔，41、钻杆固定块腔。

具体实施方式

如图11所示，它包括钻杆固定机构、驱动电机、驱动电机固定结构、推送液压杆、空心驱动转轴、钻杆连接结构、液压杆固定支撑、钻杆杆身，其中两根推送液压杆安装方式完全相同，对于其中任意一根，推送液压杆一端安装在固定于地面上的液压杆固定支撑上，推送液压杆另一端安装在驱动电机固定结构上；如图12所示，两个驱动电机固定结构对称地安装在驱动电机上，驱动电机的转轴为空心的空心驱动转轴，空心驱动转轴两端均伸出电机机身且一端伸出较长和另一端伸出较短；上述钻杆杆身为实体圆柱体；任意两根钻杆杆身由钻杆连接结构连接。

上述两个钻杆固定机构对称地安装在空心驱动转轴一端。钻杆固定机构设计目的在于将空心驱动转轴与钻杆连接在一起。当空心驱动转轴在驱动电机的带动下转动时，能够带动钻杆旋转。

如图13所示，上述钻杆固定机构包括钻杆固定块复位弹簧、钻杆固定块复位弹簧支撑、钻杆固定机构外壳、钻杆固定块干涉板、钻杆固定块、钻杆固定块支撑、钻杆固定块复位弹簧腔、钻杆固定块支撑滑孔、钻杆固定块腔，其中如图15所示，钻杆固定机构外壳为开有钻杆固定块复位弹簧腔和钻杆固定块支撑滑孔的空壳且安装在空心驱动转轴上；空心驱动转轴在安装有钻杆固定机构外壳处开有钻杆固定块腔；如图14所示，钻杆固定块复位弹簧支撑安装在钻杆固定机构外壳上；钻杆固定块复位弹簧一端安装在钻杆固定块复位弹簧支撑上，另一端安装在钻杆固定块干涉板上；钻杆固定块支撑一端安装在钻杆固定块干涉板上，另一端安装在钻杆固定块上；钻杆固定块复位弹簧、钻杆固定块干涉板安装在钻杆固定块复位弹簧腔内，钻杆固定块支撑安装在钻杆固定块支撑滑孔内，钻杆固定块安装在钻杆固定块腔内。钻杆固定块、钻杆固定块支撑和钻杆固定块干涉板组成一个滑动整体，该整体能够在钻杆固定机构外壳内腔中滑动，钻杆固定块复位弹簧设计需要保证钻杆固定块能够在不受力的作用下伸出钻杆固定块腔。

如图16所示，上述钻杆固定块中，以钻杆固定块支撑和钻杆固定块接触面为基准面，钻杆固定块一端面与基准面成45度，另一端面与基准面成90度，且钻杆固定块中间开有凹槽，凹槽将固定块基准面的对面分成两部分，一部分为斜面，另一部分为平面。钻杆固定块的形状设计首先为了保证钻杆固定块能够固定钻杆，其次保证两根钻杆在连接配合时能够将钻杆固定块与原钻杆分开，然后与新连接的钻杆固定。

如图1、2所示，上述钻杆连接结构包括钻杆尾端、钻杆内杆、钻杆连接外套、钻杆首端卡孔、钻杆首端、钻杆连接第一卡块限位板、钻杆连接第一卡块滑套、钻杆连接第一卡块固定板、钻杆连接第一卡块、钻杆连接第一卡块安装卡板、钻杆连接第二卡块限位板、钻杆连接第二卡块滑套、钻杆连接第二卡块固定板、钻杆连接复位弹簧、钻杆连接第二卡块安装卡板、钻杆连接第二卡块、钻杆连接卡块限位板滑孔、钻杆连接卡块滑槽、钻杆连接卡块安装孔、卡块安装卡板定位槽、钻杆连接外套卡孔，其中如图7所示，钻杆连接外套安装在钻杆尾端，钻杆连接外套圆柱面上对称地开有两个钻杆连接外套卡孔；如图3所示，钻杆内杆安装在钻杆首端；如图6所示，钻杆内杆径向方向开有一个通孔，通孔的两端孔形状对称分布，如图4所示，从通孔一端到另一端分别由一侧的钻杆连接卡块滑槽和钻杆连接卡块安装孔、钻杆连接卡块限位板滑孔、另一侧的钻杆连接卡块滑槽和钻杆连接卡块安装孔组成，钻杆连接卡块滑槽对称分布于钻杆连接卡块安装孔两侧且钻杆连接卡块滑槽与钻杆连接卡块安装孔内部想通。

本发明中，如图7所示，钻杆连接外套为一个空心的圆柱体，圆柱体的圆柱面上对称的开有两个方孔。钻杆内杆上的通孔可以通过打三次不同的孔组合而成，首先先用直径等于杆连接卡块限位板滑孔直径的钻头对钻杆内杆打通孔，之后用直径等于钻杆连接卡块安装孔直径的钻头在之前通孔两端各钻一定的深度，其深度等于钻杆连接卡块滑槽深度，最后利用特殊刀具在通孔两端的卡块安装孔基础上钻出卡块滑槽，滑槽深度与卡块安装孔深度一致。

如图2、5所示，上述钻杆连接第一卡块通过钻杆连接第一卡块固定板安装在钻杆连接第一卡块滑套一端，钻杆连接第一卡块滑套另一端安装有钻杆连接第一卡块限位板；上述钻杆连接第二卡块通过钻杆连接第二卡块固定板安装在钻杆连接第二卡块滑套一端，钻杆连接第二卡块滑套另一端安装有钻杆连接第二卡块限位板；钻杆连接第一卡块和钻杆连接第二卡块分别对称安装在钻杆内杆上相互对称的两个钻杆连接卡块滑槽内，钻杆连接第一卡块滑套和钻杆连接第二卡块滑套分别对称安装在钻杆内杆上相互对称的钻杆连接卡块安装孔上；如图4、8所示，在钻杆连接卡块滑槽和钻杆连接卡块限位板滑孔过渡处开有卡块安装卡板定位槽，钻杆连接第一卡块安装卡板和钻杆连接第二卡块安装卡板分别对称的安装在两个卡块安装卡板定位槽上，卡块安装卡板结构如图8中的b所示，卡块安装卡板定位槽形状如图8中的c所示；钻杆连接第一卡块限位板和钻杆连接第二卡块限位板均运动于钻杆连接卡块限位板滑孔、连接第二卡块安装卡板、连接第一卡块安装卡板之间组成的空间内；钻杆连接复位弹簧一端安装在钻杆连接第一卡块滑套内，另一端安装在钻杆连接第二卡块滑套内。

上述钻杆首端上对称地开有钻杆首端卡孔，钻杆固定块的一部分与钻杆首端卡孔配合。

如图17所示中的a所示，钻杆固定块被凹槽分成具有平面特征的一端(m端)和具有斜面特征的一端(n端)，a中钻杆固定块的m端与钻杆首端卡孔配合，能够将空心驱动转轴与钻杆连接在一起。此时，当驱动电机随着液压杆缩短而向下移动时，钻杆也会带着钻头向下钻井，当电机到达最低行程时，新的钻杆需要增加，此时利用新钻杆的钻杆连接外套套入钻杆内杆上，套入同时钻杆连接外套会对钻杆固定块的n端的斜面施加钻杆轴线方向的力，因为斜面作用，钻杆固定块会向钻杆固定块腔中移动，如图17中的b所示。当钻杆连接外套完全套入钻杆内杆上时，钻杆固定块完全进入钻杆固定块腔中，如图17中的c所示，此时空心驱动转轴与钻杆分离，在钻杆不动的情况，液压缸伸长，带动驱动电机和空心驱动转轴向上运动，当运动上至钻杆固定块与新钻杆的钻杆首端卡孔对齐位置处时，钻杆固定块的m端与新钻杆的钻杆首端卡孔配合，将新钻杆与空心驱动转轴连接固定，进而重复向下推送。

如图1、2所示，上述钻杆连接结构连接两根钻杆，其中一根钻杆的钻杆首端上的钻杆连接第一卡块和钻杆连接第二卡块分别与另一根钻杆上的钻杆尾端的两个钻杆连接外套卡孔配合。

本发明中，首先如图5所示，卡块的外形设计中一面具有斜面，设计的目的为了将斜面上的轴向力转成径向力；一根钻杆的钻杆连接第一卡块、钻杆连接第一卡块滑套、钻杆连接第一卡块限位板组成一组滑动件，钻杆连接第二卡块、钻杆连接第二卡块滑套、钻杆连接第二卡块限位板组成另一组滑动件，两组滑动件相互嵌套伸缩，在钻杆连接复位弹簧的作用下，两个滑动件保持伸开状态，两个滑动件在各自的卡块限位板与卡块安装卡板的位置限制下，伸出的最大量得到控制。如图10中的a所示，当一根钻杆连接外套套于另一根钻杆内杆上时，钻杆连接外套的轴线运动、外套壁面干涉作用以及卡块的斜面设计使两个卡块沿钻杆内杆径向方向收缩，收缩过程如图10中的b所示；当两个卡块遇到钻杆连接外套的卡孔时，钻杆连接外套失去对两个卡块的径向限制，该钻杆连接第一卡块和钻杆连接第二卡块均伸出钻杆内杆外，并与钻杆连接外套卡孔配合，起到对两根钻杆的连接作用，如图10中的c所示；如图9中的a所示，当对卡块施加径向压力时，如图9中的b所示，两个滑动件相互嵌套，卡块运动到钻杆连接卡块滑套中，两根钻杆分离，如图9中的c所示。

上述钻杆连接第一卡块限位板的直径等于钻杆连接第二卡块滑套内径，且恰好相互嵌套。上述钻杆连接第二卡块限位板的直径等于钻杆连接卡块限位板滑孔内径。这样的设计能够保证两个滑动件能够相互无干涉的在钻杆连接卡块限位板滑孔中伸缩嵌套。

上述钻杆连接第一卡块滑套长度、钻杆连接第二卡块滑套长度、钻杆连接卡块滑槽深度三者相等。这样的设计为了保证钻杆连接卡块在相互伸出时，在最大伸出量情况下，钻杆连接卡块能够保证有一部分仍然在卡块滑槽中，利用卡块滑槽对钻杆连接卡块的非伸缩方向起到约束作用。

上述钻杆连接第一卡块安装卡板中间开孔直径等于钻杆连接第一卡块滑套外径，钻杆连接第二卡块安装卡板中间开孔直径等于钻杆连接第二卡块滑套外径。卡块安装卡板内孔直径是大于卡块限位板的直径的，卡块限位板无法穿过卡块安装板，卡块安装板限制了卡块的最大伸出量。

另外两侧的钻杆连接卡块安装孔的直径略大于钻杆连接第二卡块限位板的直径，这样就能够保证钻杆连接第二卡块限位板能够安装在钻杆连接卡块限位板滑孔内，之后利用卡块安装卡板将卡块限位板限定在卡块限位板滑孔中滑动。此时两个卡块滑套与卡块安装孔之间必然具有一定的间隙，卡块安装孔无法对卡块滑套起到导轨的定位作用，所以本设计中才会利用卡块滑槽对卡块定位。

综上所述，本发明中驱动电机通过推送液压杆固定在液压杆固定支撑上，液压杆的伸缩能够带动驱动电机上下运动，驱动电机转轴为空心驱动转轴，空心驱动转轴通过钻杆固定机构能够带动钻杆杆身旋转和上下运动；两根钻杆杆身通过钻杆连接结构连接在一起，所设计的钻杆连接结构与钻杆固定机构有机的结合起来，实现了钻杆的连接和驱动功能。

另外，本发明中一根钻杆的钻杆连接第一卡块、钻杆连接第一卡块滑套、钻杆连接第一卡块限位板组成一组滑动件，钻杆连接第二卡块、钻杆连接第二卡块滑套、钻杆连接第二卡块限位板组成另一组滑动件，两组滑动件相互嵌套伸缩。当两个滑动件伸开时，该钻杆连接第一卡块和钻杆连接第二卡块均伸出钻杆内杆外，并与另一根钻杆连接外套卡孔配合，起到对两根钻杆的连接作用；当对卡块施加径向压力时，两个滑动件相互嵌套，卡块运动到钻杆连接卡块滑套中，两根钻杆分离。本发明使用了结构紧凑的钻杆连接机构，能够保证在连接处的直径与钻杆杆身直径一致，避免了过大的钻杆连接结构对钻井井面的破坏，具有一定的实用效果。