一种兼做滚动轴承使用的锁紧装置的制作方法

本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种兼做滚动轴承使用的锁紧装置。兼做滚动轴承使用的锁紧装置是旋转滑动钻进工具关键技术之一，主要用于解决定向井(或斜井)和水平井钻井过程中螺杆钻具滑动钻进托压问题，提高定向钻进作业时效，降低定向钻井作业成本。

背景技术

钻井是发现和开采地下矿藏资源的必然途径。根据设计井眼轨迹形状，钻井可划分为直井、定向井(或斜井)和水平井。在致密油、致密气、煤层气和页岩气等非常规油气开发中，定向井(或斜井)和水平井占钻井总工作量80％以上。

在定向井(或斜井)和水平井钻井过程中，把使用螺杆钻具调整井眼轨迹或改变井眼空间钻进方向称为定向钻进。定向钻进时，螺杆钻具驱动钻头破岩钻进，井下钻具在地面钻压作用下克服井壁磨阻推着螺杆钻具向前滑动，因此，定向钻进也称为滑动钻进。相对而言，把井下钻具和螺杆钻具共同驱动钻头破岩钻进，称为复合钻进。

滑动钻进时，钻具贴着井眼底部向前滑行，钻具与井壁存在磨阻，因此，施加在钻头上实际钻压等于地面钻压减去钻具磨阻的差值，或者说，实际钻压小于地面钻压。在大斜度段和水平段中，滑动钻进时钻具磨阻随着井斜增大呈现数量级递增，当钻具磨阻大于地面钻压时，钻井无进尺，或者说，无论地面施加多大钻压，钻压都无法有效传递到钻头上，甚至钻具屈曲变形，连钻具都无法下放到井底，我们把这种现象称为托压。定向困难和托压问题是定向井(或斜井)和水平井钻井过程中螺杆钻具滑动钻进两大技术难题，也是一个世界性难题，但是，在相同井段或相同井眼条件下，复合钻进托压要明显小于滑动钻进托压，复合钻进机械钻速要远远大于滑动钻进机械钻速，由此来看，钻具旋转能够在很大程度上降低钻具磨阻，达到减缓或解决螺杆钻具滑动钻进托压问题。

根据多年钻井现场经验，研制出了旋转滑动钻进工具，可较好地解决螺杆钻具滑动钻进托压问题，其中，本发明专利兼做滚动轴承使用的锁紧装置是旋转滑动钻进工具关键技术之一。利用兼做滚动轴承使用的锁紧装置，不仅解决了旋转滑动钻进工具中外筒和传动轴在滑动钻进和复合钻进两种工况下锁紧问题，而且解决了旋转滑动钻进工具中外筒和传动轴在滑动钻进工况下轴向承压轴承问题，延长旋转滑动钻进工具使用寿命。

发明专利内容

本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种兼做滚动轴承使用的锁紧装置。兼做滚动轴承使用的锁紧装置是旋转滑动钻进工具关键技术之一，主要用于解决定向井(或斜井)和水平井钻井过程中螺杆钻具滑动钻进托压问题，提高定向钻进作业时效，降低定向钻井作业成本。

本发明专利采用如下具体技术方案实现：

兼做滚动轴承使用的锁紧装置主要由外筒、传动轴、活塞、锁紧套、锁紧座、钢珠、弹簧、弹簧座和下接头组成。

外筒是中孔、厚壁金属管，上部内径相对较小且与传动轴外径相同，对锁紧座起到限位作用，下部内径相对较大，用于固定安装锁紧座，底端为内螺纹，用于连接下接头。外筒既是旋转滑动钻进工具部件，又是兼做滚动轴承使用的锁紧装置部件，因此，附图中绘制出外筒部分截面，具体应用中，外筒顶端内部为扭矩传动段，技术参数与传动轴扭矩传动段相匹配，外筒顶端外部为外螺纹。

传动轴是中孔、厚壁金属轴，上部内径相对较小，用于钻井液通道，下部内径相对较大，用于固定安装活塞、弹簧和弹簧座，下部管体加工有锁紧孔，用于固定安装锁紧套，同一横截面锁紧孔周向均布且称为一排锁紧孔，具体孔数在设计加工时统筹考虑，附图中管体上有一排锁紧孔，具体应用中可设计加工多排锁紧孔且相邻排锁紧孔周向错开，具体排数在设计加工时统筹考虑。传动轴既是旋转滑动钻进工具部件，又是兼做滚动轴承使用的锁紧装置部件，因此，附图中绘制出传动轴部分截面，具体应用中，传动轴顶端外部依次为外螺纹、密封段、限位段和扭矩传动段。

活塞是中孔、厚壁金属管，上部外径相对较大，加工有锁紧槽，锁紧槽宽度和深度与钢珠和传动轴壁厚相匹配，附图中活塞上有一道锁紧槽，具体应用中可设计加工多道锁紧槽，且与传动轴上锁紧孔排数相等，具体道数在设计加工时统筹考虑，下部外径相对较小，用于固定安装弹簧，活塞内部是钻井液流道，上部内径相对较大，下部内径相对较小，当高压钻井液通过时形成压差，推动活塞下行。

锁紧套是中孔、薄壁金属管，外径与传动轴上锁紧孔直径相同，内径略大于钢珠直径，用于固定安装钢珠，朝向传动轴中孔端面为平面，朝向传动轴外部端面为圆弧面且与传动轴相匹配。

锁紧座是中孔、薄壁金属环，厚度与复合钻进和滑动钻进两种工况下传动轴行程相匹配，外径与外筒下部内径相同，内径与传动轴外径相同，锁紧座内壁居中加工有锁紧槽，锁紧槽宽度和深度与钢珠和传动轴壁厚相匹配。通常，外筒内部固定安装两组锁紧座，称为上组锁紧座和下组锁紧座，分别对应滑动钻进和复合钻进两种工况，附图中每组锁紧座仅有一个锁紧座，具体应用中，每组锁紧座可固定安装多个锁紧座，且与传动轴上锁紧孔排数相等，具体数量在设计加工时统筹考虑，其次，附图中锁紧座内壁加工一道锁紧槽，或者说，锁紧座为单元锁紧座(或锁紧座单元)，具体应用中，可把多个单元锁紧座合并加工成一个锁紧座，或者说，一个锁紧座内壁可设计加工多道锁紧槽且厚度等于多个单元锁紧座厚度和。

弹簧座是中孔、薄壁金属环，外部加工有外螺纹，且与传动轴底端内螺纹相匹配，内部直径相对较小，用于钻井液通道，顶端加工有台肩，用于固定安装弹簧，底端加工有开口槽，用于上、卸扣操作。

下接头是中孔、厚壁金属管，上部内径相对较大且与传动轴外径相同，用于传动轴下行，下部内径相对较小，用于钻井液通道，顶端为外螺纹，用于连接外筒。下接头既是旋转滑动钻进工具部件，又是兼做滚动轴承使用的锁紧装置部件，因此，附图中绘制出下接头部分截面，具体应用中，下接头底端为外螺纹，用于连接下部钻具。

组装时，首先安装外筒、锁紧座和下接头，固定好锁紧座；其次，把锁紧套固定安装进传动轴锁紧孔，锁紧套外端面与传动轴外壁吻合；再次，从传动轴底端安装活塞、弹簧和弹簧座；然后，把钢珠放置进锁紧套，用润滑脂固定好钢珠；最后，把传动轴安装进外筒。组装环境或条件不同，兼做滚动轴承使用的锁紧装置组装顺序或方法可能有所调整和改变，具体在组装时统筹考虑。

对于外筒和下接头间连接部位，可加工密封槽，可不加工密封槽，具体在设计加工时统筹考虑。

对于传动轴和弹簧座间连接形式，可采用螺纹连接，可采用卡簧安装，可采用其他连接，具体在设计加工时统筹考虑。

对于活塞和锁紧座上锁紧槽形状，可为圆弧状凹槽且圆弧直径与钢珠相匹配，可为直边状凹槽，可为圆弧和直边组合状凹槽，可为任意形状凹槽，尽可能增加锁紧槽和钢珠接触面积，增加承压载荷，具体在设计加工时统筹考虑。

活塞、弹簧和弹簧座安装方向不同，兼做滚动轴承使用的锁紧装置结构不同，进一步说，活塞、弹簧和弹簧座可从传动轴内部顶端安装，可从传动轴内部底端安装，安装方向不同，传动轴、活塞和弹簧座结构和形状将随之调整和改变，具体在设计加工时统筹考虑。

本发明专利的有益效果是：兼做滚动轴承使用的锁紧装置是旋转滑动钻进工具关键技术之一，旋转滑动钻进工具通常安放在钻具屈曲井深以上钻具中，距离钻头位置越近，托压解决效果越好。复合钻进时，首先下放钻具，传动轴随上部钻具下行，传动轴锁紧孔与下组锁紧座锁紧槽对齐，开泵，高压钻井液推动活塞下行，压缩弹簧，将钢珠挤到传动轴锁紧孔和下组锁紧座锁紧槽空间且将传动轴和外筒锁紧，传动轴和外筒间即无轴向相对移动，也无周向相对旋转，因此，兼做滚动轴承使用的锁紧装置具有锁紧功能。滑动钻进时，首先上提钻具，传动轴随上部钻具上行，传动轴锁紧孔与上组锁紧座锁紧槽对齐，开泵，高压钻井液推动活塞下行，压缩弹簧，将钢珠挤到传动轴锁紧孔和上组锁紧座锁紧槽空间且将传动轴和外筒锁紧，传动轴和外筒间虽无轴向相对移动，但有周向相对旋转，因此，兼做滚动轴承使用的锁紧装置除具有锁紧功能外，兼做滚动轴承。停泵时，活塞利用弹簧复位，传动轴锁紧孔与活塞锁紧槽对齐，传动轴和外筒锁紧解除，通过机械辅助操作可打开或闭合传动轴扭矩传动段和外筒扭矩传动段，进而转换成滑动钻进或复合钻进。

附图说明

附图1是本发明专利兼做滚动轴承使用的锁紧装置的结构示意图。

附图标记说明：1-外筒、2-传动轴、3-活塞、4-锁紧套、5-锁紧座、6-钢珠、7-弹簧、8-弹簧座、9-下接头。

具体实施方式

兼做滚动轴承使用的锁紧装置主要由外筒(1)、传动轴(2)、活塞(3)、锁紧套(4)、锁紧座(5)、钢珠(6)、弹簧(7)、弹簧座(8)和下接头(9)组成。

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明。

外筒(1)是中孔、厚壁金属管，上部内径相对较小且与传动轴(2)外径相同，对锁紧座(5)起到限位作用，下部内径相对较大，用于固定安装锁紧座(5)，底端为内螺纹，用于连接下接头(9)。外筒(1)既是旋转滑动钻进工具部件，又是兼做滚动轴承使用的锁紧装置部件，因此，附图中绘制出外筒(1)部分截面，具体应用中，外筒(1)顶端内部为扭矩传动段，技术参数与传动轴(2)扭矩传动段相匹配，外筒(1)顶端外部为外螺纹。

传动轴(2)是中孔、厚壁金属轴，上部内径相对较小，用于钻井液通道，下部内径相对较大，用于固定安装活塞(3)、弹簧(7)和弹簧座(8)，下部管体加工有锁紧孔，用于固定安装锁紧套(4)，同一横截面锁紧孔周向均布且称为一排锁紧孔，具体孔数在设计加工时统筹考虑，附图中管体上有一排锁紧孔，具体应用中可设计加工多排锁紧孔且相邻排锁紧孔周向错开，具体排数在设计加工时统筹考虑。传动轴(2)既是旋转滑动钻进工具部件，又是兼做滚动轴承使用的锁紧装置部件，因此，附图中绘制出传动轴(2)部分截面，具体应用中，传动轴(2)顶端外部依次为外螺纹、密封段、限位段和扭矩传动段。

活塞(3)是中孔、厚壁金属管，上部外径相对较大，加工有锁紧槽，锁紧槽宽度和深度与钢珠(6)和传动轴(2)壁厚相匹配，附图中活塞(3)上有一道锁紧槽，具体应用中可设计加工多道锁紧槽，且与传动轴(2)上锁紧孔排数相等，具体道数在设计加工时统筹考虑，下部外径相对较小，用于固定安装弹簧(7)，活塞(3)内部是钻井液流道，上部内径相对较大，下部内径相对较小，当高压钻井液通过时形成压差，推动活塞(3)下行。

锁紧套(4)是中孔、薄壁金属管，外径与传动轴(2)上锁紧孔直径相同，内径略大于钢珠(6)直径，用于固定安装钢珠(6)，朝向传动轴(2)中孔端面为平面，朝向传动轴(2)外部端面为圆弧面且与传动轴(2)相匹配。

锁紧座(5)是中孔、薄壁金属环，厚度与复合钻进和滑动钻进两种工况下传动轴(2)行程相匹配，外径与外筒(1)下部内径相同，内径与传动轴(2)外径相同，锁紧座(5)内壁居中加工有锁紧槽，锁紧槽宽度和深度与钢珠(6)和传动轴(2)壁厚相匹配。通常，外筒(1)内部固定安装两组锁紧座，称为上组锁紧座和下组锁紧座，分别对应滑动钻进和复合钻进两种工况，附图中每组锁紧座仅有一个锁紧座(5)，具体应用中，每组锁紧座可固定安装多个锁紧座(5)，且与传动轴(2)上锁紧孔排数相等，具体数量在设计加工时统筹考虑，其次，附图中锁紧座(5)内壁加工一道锁紧槽，或者说，锁紧座(5)为单元锁紧座(或锁紧座单元)，具体应用中，可把多个单元锁紧座合并加工成一个锁紧座，或者说，一个锁紧座内壁可设计加工多道锁紧槽且厚度等于多个单元锁紧座厚度和。

弹簧座(8)是中孔、薄壁金属环，外部加工有外螺纹，且与传动轴(2)底端内螺纹相匹配，内部直径相对较小，用于钻井液通道，顶端加工有台肩，用于固定安装弹簧(7)，底端加工有开口槽，用于上、卸扣操作。

下接头(9)是中孔、厚壁金属管，上部内径相对较大且与传动轴(2)外径相同，用于传动轴(2)下行，下部内径相对较小，用于钻井液通道，顶端为外螺纹，用于连接外筒(1)。下接头(9)既是旋转滑动钻进工具部件，又是兼做滚动轴承使用的锁紧装置部件，因此，附图中绘制出下接头(9)部分截面，具体应用中，下接头(9)底端为外螺纹，用于连接下部钻具。

组装时，首先安装外筒(1)、锁紧座(5)和下接头(9)，固定好锁紧座(5)；其次，把锁紧套(4)固定安装进传动轴(2)锁紧孔，锁紧套(4)外端面与传动轴(2)外壁吻合；再次，从传动轴(2)底端安装活塞(3)、弹簧(7)和弹簧座(8)；然后，把钢珠(6)放置进锁紧套(4)，用润滑脂固定好钢珠(6)；最后，把传动轴(2)安装进外筒(1)。组装环境或条件不同，兼做滚动轴承使用的锁紧装置组装顺序或方法可能有所调整和改变，具体在组装时统筹考虑。

对于外筒(1)和下接头(9)间连接部位，可加工密封槽，可不加工密封槽，具体在设计加工时统筹考虑。

对于传动轴(2)和弹簧座(8)间连接形式，可采用螺纹连接，可采用卡簧安装，可采用其他连接，具体在设计加工时统筹考虑。

对于活塞(3)和锁紧座(5)上锁紧槽形状，可为圆弧状凹槽且圆弧直径与钢珠(6)相匹配，可为直边状凹槽，可为圆弧和直边组合状凹槽，可为任意形状凹槽，尽可能增加锁紧槽和钢珠(6)接触面积，增加承压载荷，具体在设计加工时统筹考虑。

活塞(3)、弹簧(7)和弹簧座(8)安装方向不同，兼做滚动轴承使用的锁紧装置结构不同，进一步说，活塞(3)、弹簧(7)和弹簧座(8)可从传动轴(2)内部顶端安装，可从传动轴(2)内部底端安装，安装方向不同，传动轴(2)、活塞(3)和弹簧座(8)结构和形状将随之调整和改变，具体在设计加工时统筹考虑。

实施例

兼做滚动轴承使用的锁紧装置是旋转滑动钻进工具关键技术之一，旋转滑动钻进工具通常安放在钻具屈曲井深以上钻具中，距离钻头位置越近，托压解决效果越好。

复合钻进时，首先下放钻具，传动轴(2)随上部钻具下行，传动轴(2)锁紧孔与下组锁紧座锁紧槽对齐，开泵，高压钻井液推动活塞(3)下行，压缩弹簧(7)，将钢珠(6)挤到传动轴(2)锁紧孔和下组锁紧座锁紧槽空间且将传动轴(2)和外筒(1)锁紧，传动轴(2)和外筒(1)间即无轴向相对移动，也无周向相对旋转，因此，兼做滚动轴承使用的锁紧装置具有锁紧功能。

滑动钻进时，首先上提钻具，传动轴(2)随上部钻具上行，传动轴(2)锁紧孔与上组锁紧座锁紧槽对齐，开泵，高压钻井液推动活塞(3)下行，压缩弹簧(7)，将钢珠(6)挤到传动轴(2)锁紧孔和上组锁紧座锁紧槽空间且将传动轴(2)和外筒(1)锁紧，传动轴(2)和外筒(1)间无轴向相对移动，但有周向相对旋转，因此，兼做滚动轴承使用的锁紧装置除具有锁紧功能外，兼做滚动轴承。

停泵时，活塞(3)利用弹簧(7)复位，传动轴(2)锁紧孔与活塞(3)锁紧槽对齐，传动轴(2)和外筒(1)锁紧解除，通过机械辅助操作可打开或闭合传动轴(2)扭矩传动段和外筒(1)扭矩传动段，进而转换成滑动钻进或复合钻进。

以上对本发明专利的说明仅是优选范例，并不能被理解为对本发明专利技术方案内容的限制。以上内容在具体应用中，技术人员有可能需要根据具体情况作个别调整和改变，所述调整和改变均应落入本发明专利所附权利要求的保护范围之中。