一种基于螺杆钻具的机械式轴向旋转冲击钻井工具的制作方法

本发明涉及一种基于螺杆钻具的机械式轴向旋转冲击钻井工具，属于石油矿场机械领域。

背景技术

随着油气勘探的不断深入，井深由中浅层向深层、超深层延伸，复杂地层、难钻地层所占比例增加，破岩难度加大。传统的旋转钻井方法机械钻速低，并且极易产生粘滑、振动、钻头脱压等问题。目前，国内已有的旋转冲击钻井工具包括阀式液动冲击器、射流式液动冲击器、射吸式冲击器、自激振荡式旋冲工具等几类，这些旋转冲击钻井工具虽然能在一定程度上提高机械钻速，但在使用过程中也存在一些不足，一是单次冲击功较小，只有100～500j，不足以形成有效的岩石体积破碎；二是冲击频率和冲击载荷不稳定，且不易调整，不适应现场复杂工况；三是对钻井液要求无固相或固相含量低，导致施工操作难度加大。针对我国当前深部地层钻井难点和钻井破岩技术的实际情况，亟需发展新的高效破岩技术，为我国钻井工程提速降本提供科学指导和技术支撑。

技术实现要素：

本发明旨在提高钻井效率，降低钻井成本，并克服已有旋转冲击钻井工具的不足，其采用的技术方案如下：

一种基于螺杆钻具的机械式轴向旋转冲击钻井工具，包括旁通阀总成、挠性轴、螺杆马达定子、螺杆马达转子、定子壳体、水帽、上密封组、轴承外壳、上tc轴承、推力轴承、上芯轴、下tc轴承、下密封组、中间壳体、上紧定螺钉、jdb固体自润滑轴承、滚轮座、滚轮、下紧定螺钉、凸轮座、花键套、下芯轴、下壳体、防掉螺帽、锁紧垫圈、圆螺母、钻头接头、弹性挡圈、o形密封圈、挡圈、中间硬盘根、底部硬盘根、软盘根、顶部硬盘根，其特征在于：滚轮安装在滚轮座上，滚轮座通过上紧定螺钉安装在中间壳体上，凸轮座通过下紧定螺钉安装在花键套上，花键套内表面加工有花键，花键套外表面加工有螺纹，下芯轴与花键套通过螺纹连接，上芯轴下部位置加工有外花键，上芯轴与花键套通过花键连接，上芯轴最下端加工有螺纹，防掉螺帽与上芯轴通过螺纹连接，且防掉螺帽外径小于花键套下部螺纹圆柱面的外径。

上密封组在轴承外壳和水帽之间的环形空间内，下密封组在上芯轴和中间壳体之间的环形空间内，上密封组和下密封组结构相同，o形密封圈和挡圈在顶部硬盘根径向内侧，顶部硬盘根在钻井液一侧通过弹性挡圈定位，软盘根沿轴向三个并排布置，且软盘根之间安装有中间硬盘根。

锁紧垫圈与圆螺母安装在防掉螺母下端，圆螺母通过螺纹与上芯轴连接。

软盘根材料为丁腈橡胶，且截面形状为v字形，中间硬盘根材料为不锈钢。

滚轮与滚轮座之间装有jdb固体自润滑轴承，凸轮座上部沿圆周方向按周期加工有冲击曲线，周期总数与滚轮总数量相同。

螺杆马达转子为空心结构，挠性轴布置在螺杆马达转子内部，且挠性轴上部通过螺纹与螺杆马达转子相连接，挠性轴下部通过螺纹与水帽相连接。

相对于现有技术，本发明的有益成果是：采用机械式冲击方法，冲击频率和冲击功可以实现稳定输出，并且对钻井液固相要求不高；合理设计了上密封组和下密封组结构和位置，使上tc轴承、推力轴承、下tc轴承可采用油润滑方式，而花键连接位置以及凸轮座和滚轮工作位置采用钻井液润滑，利用钻井液对金属摩擦表面进行冷却，增加了工具的整体使用寿命；将挠性轴布置在螺杆马达转子内部，有效减少工具整体长度，有利于造斜；

附图说明

图1为本发明一种基于螺杆钻具的机械式轴向旋转冲击钻井工具的总体结构图。

图2为上密封组结构示意图。

图3为图1的局部放大图。

图4为滚轮及滚轮座的安装图。

图5为凸轮座结构示意图。

图6为图1中a-a面的断面图。

图7为上芯轴结构示意图。

图8为花键套结构示意图。

1-旁通阀总成；2-挠性轴；3-螺杆马达定子；4-螺杆马达转子；5-定子壳体；6-水帽；7-上密封组；8-轴承外壳；9-上tc轴承；10-推力轴承；11-上芯轴；12-下tc轴承；13-下密封组；14-中间壳体；15-上紧定螺钉；16-jdb固体自润滑轴承；17-滚轮座；18-滚轮；19-下紧定螺钉；20-凸轮座；21-花键套；22-下芯轴；23-下壳体；24-防掉螺帽；25-锁紧垫圈；26-圆螺母；27-钻头接头；701-弹性挡圈；702-o形密封圈；703-挡圈；704-中间硬盘根；705-底部硬盘根；706-软盘根；707-顶部硬盘根

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明：

一种基于螺杆钻具的机械式轴向旋转冲击钻井工具，包括旁通阀总成1、挠性轴2、螺杆马达定子3、螺杆马达转子4、定子壳体5、水帽6、上密封组7、轴承外壳8、上tc轴承9、推力轴承10、上芯轴11、下tc轴承12、下密封组13、中间壳体14、上紧定螺钉15、jdb固体自润滑轴承16、滚轮座17、滚轮18、下紧定螺钉19、凸轮座20、花键套21、下芯轴22、下壳体23、防掉螺帽24、锁紧垫圈25、圆螺母26、钻头接头27、弹性挡圈701、o形密封圈702、挡圈703、中间硬盘根704、底部硬盘根705、软盘根706、顶部硬盘根707，其特征在于：滚轮18安装在滚轮座17上，滚轮座17通过上紧定螺钉15安装在中间壳体14上，中间壳体14上部通过螺纹与轴承外壳8相连接，中间壳体14下部通过螺纹与下壳体23相连接，凸轮座20通过下紧定螺钉19安装在花键套21上，花键套21内表面加工有花键，花键套21外表面加工有螺纹，下芯轴22与花键套21通过螺纹连接，上芯轴11下部位置加工有外花键，上芯轴11与花键套21通过花键连接，上芯轴11最下端加工有螺纹，防掉螺帽24与上芯轴11通过螺纹连接，且防掉螺帽24外径小于花键套21下部螺纹圆柱面的外径。

上密封组7在轴承外壳8和水帽6之间的环形空间内，下密封组13在上芯轴11和中间壳体14之间的环形空间内，上密封组7和下密封组13结构相同，上tc轴承9、推力轴承10、下tc轴承12安装在上芯轴11和轴承外壳8之间的环形空间内，上密封组7和下密封组13可对上tc轴承9、推力轴承10、下tc轴承12形成可靠的密封效果，o形密封圈702和挡圈703在顶部硬盘根707径向内侧，顶部硬盘根707在钻井液一侧通过弹性挡圈701定位，软盘根706沿轴向三个并排布置，且软盘根706之间安装有中间硬盘根704，底部硬盘根705分别在上密封组7和下密封组13的最内侧。

锁紧垫圈25与圆螺母26安装在防掉螺母24下端，圆螺母26通过螺纹与上芯轴11连接，防止防掉螺母24由于振动而松扣。

软盘根706材料为丁腈橡胶，且截面形状为v字形，中间硬盘根704材料为不锈钢。

滚轮18与滚轮座17之间装有jdb固体自润滑轴承16，可在滚轮18和滚轮座17之间形成有效的润滑，减小滚轮18和滚轮座17之间的磨损，凸轮座20上部沿圆周方向按周期加工有冲击曲线，周期总数与滚轮18总数量相同。

螺杆马达转子4为空心结构，挠性轴2布置在螺杆马达转子4内部，且挠性轴2上部通过螺纹与螺杆马达转子4相连接，挠性轴2下部通过螺纹与水帽6相连接。

其工作原理为：

旁通阀总成1通过螺纹与定子壳体5相连接，定子壳体5内部硫化有螺杆马达定子3，螺杆马达定子3与螺杆马达转子4形成共轭副，正常钻进时，旁通阀总成1关闭，钻井液全部流经螺杆马达，将部分液体能转变为机械能，挠性轴2将螺杆马达转子4的平面行星运动转变为定轴转动，并将扭矩经水帽6传递到上芯轴11，经过花键作用，上芯轴11带动花键套21以及凸轮座20旋转，凸轮座20相对于滚轮18做圆周运动，由于凸轮座20上加工有特制的轮廓线，迫使滚轮18、滚轮座17和其他相关部件上升，然后在重力作用下下落，轴向冲击作用由此产生，经凸轮座20、花键套21、下芯轴22、钻头接头27传递至钻头。在起钻时，花键套21坐在防掉螺帽24上表面上，冲击作用停止。

以上用实例方式对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述实例，凡在本发明基础上所做的任何修改与变形，均在本发明的保护范围之内。