本实用新型涉及一种用于石油天然气页岩气钻井、矿山开采、地质钻井等领域中的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器。
背景技术：
近年来，随着国家对石油天然气需求日益增加，同时对于页岩气的开采也是当今热点，也是一个挑战。因为在钻井过程中，常会因为司钻技术、经验问题以至于送钻不及时或送钻过快，或是因为井壁摩阻问题，造成施加给钻头的钻压不稳定，影响破岩效率，甚至有可能因为钻压突然增大而损坏钻头、崩裂钻头的切削齿等，影响钻进速度。另一方面PDC钻头在钻硬或研磨性地层时，通常没有足够的扭矩来破碎岩石，从而产生卡钻的现象，井下钻杆扭力释放导致钻头失效。油田深部地层岩石坚硬、研磨极值高，应用常规牙轮钻头钻进，单只钻头进尺少，需要多次起下钻且机械钻速较低；应用螺杆进行复合钻进时，由于深井中温度较高，螺杆寿命低、使用效果不理想；同时在钻探深井超深井中常出现粘滑振动现象，粘滑振动易造成钻具失效，导致机械钻速降低。此外，采用气体钻井技术钻进可较大程度提高机械钻速，但在地层出水的情况下易引起井下复杂情况发生，且气体钻井配套设备多，成本相对较大。
针对以上问题，国内外已尝试了多种工具，取得了一定的提速效果，其中高频扭转冲击类工具占提速工具的主导地位。现场实验和理论研究均表明，该类工具可以给钻头附加高频扭转冲击力，辅助钻头破岩，降低钻柱的粘滑现象，提高机械钻速，降低钻进成本，实现更大的经济效益，同时也更好地保证钻井的安全性。
技术实现要素：
本实用新型的目的是：为了解决钻井过程中的钻头卡钻和钻柱的粘滑导致钻具失效和机械钻速较低的问题，特提供一种基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，以克服现有技术的缺陷，提高钻进速度。该工具能有效保护钻头，降低成本，提高破岩效率，增加钻井效率。
本实用新型的技术方案是：叶基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器由动力总成、万向轴总成、传动总成和冲击总成组成；所述动力总成下端依次连接万向轴总成、传动总成和冲击总成；所述的动力总成包括上接头、防掉锁母、防掉连杆、螺杆壳体、螺杆定子和螺杆转子，螺杆定子安装在螺杆壳体内部，螺杆转子和螺杆定子相互齿合，在钻井液的驱动下带动螺杆转子旋转；所述上接头上部与钻杆连接，下部通过螺纹与螺杆壳体连接，防掉连杆上端连接防掉锁母，下端连接螺杆转子；所述的万向轴总成包括活绞、球座、承压球、传动球、密封圈、锁紧套、密封套和万向轴连杆，球座安装在活绞内部，承压球安放在球座上，传动球安放在万向轴连杆端部凹槽，利用锁紧套将万向轴连杆和活绞配合，并利用密封圈和密封套密封活绞内部，万向轴连杆两端安装结构相同；所述的传动总成包括水帽、万向轴壳体、垫圈、螺杆传动轴、上轴承动圈、上轴承静圈、半圆键、轴承壳体、串轴承和转换接头，万向轴壳体上端连接螺杆壳体，下端连接轴承壳体，水帽上端连接万向轴总成，下端连接螺杆传动轴，并在水帽和螺杆传动轴安放垫圈，上轴承动圈通过螺纹安装螺杆传动轴上，在轴承壳体依次安装上轴承静圈、串轴承和转换接头，上轴承静圈通过半圆键周向固定在轴承壳体内部；所述冲击总成产生单向扭转冲击，包括法兰传动轴，螺钉，外齿轮，螺母，下壳体，O型密封圈A，内齿轮壳体，组合轴承A，花键传动轴，径向轴承，花键传动块，冲击传动轴，偏心冲击锤，传动销A，传动销B，传动轴，组合轴承B，组合轴承C，冲击外筒，导流轴承组，导流套，O型密封圈B，止推轴承，O型密封圈C；法兰传动轴上部开有螺纹孔，与螺杆传动轴下端通过螺纹连接，在叶轮传动轴的带动下旋转，法兰传动轴下端端面沿圆周方向开有3个均布的通孔，所述传动轴上端设置有与法兰传动轴下端端面相同的3个均布通孔，为螺钉和螺母实现定位，传动轴中部轴肩开有两个密封圈槽，为O型密封圈A提供安装位置，传动轴下段在180°方向铣为平面，在另外180°方向上开有供传动销安装的槽；所述外齿轮中心沿轴线方向开有通孔，通孔内安装固定有滑动轴承，螺钉轴向穿过滑动轴承，外齿轮安装于法兰传动轴和传动轴之间，通过螺钉和螺母固定；所述内齿轮壳体上端有与外齿轮啮合的齿，内齿轮壳体中部设置有轴肩，内部在180°方向上开有两个扇形流道，内齿轮壳体下部在180°方向上设置有两个相对槽；所述冲击外筒上端圆周方向开有8个径向通孔，为钻井液提供流通通道，从内部流向内齿轮壳体流道，下端外圆周方向设置有两个在180°方向相对的突出传动块，与内齿轮壳体下部的两个槽相配合，冲击外筒内部中上段设置有内花键结构；所述花键传动轴沿轴向方向开有与传动轴相配合的通孔，上端开有与冲击外筒相配合的外花键结构，下端同样设置为外花键结构；所述花键传动块内部设置有与花键传动轴下端相配合的内花建结构，外圆周方向上设置有周向台阶；所述冲击传动轴内部为腔室结构，在上端周向方向上设置有与花键传动块配合的台阶，中部设置有作为冲击座的周向台阶，冲击传动轴下端设置有直螺纹，下端端面设置为内六角结构，方便安装固定；所述偏心冲击锤为空心结构，在外圆周方向上设置有与冲击传动轴配套的作为冲击锤的周向台阶，内部设置有传动销槽，在与之相对的180°方向上设置有滑动传动销槽；所述O型密封圈A安装于传动轴的密封圈槽内，组合轴承A安装在传动轴上中段，组合轴承B安装在传动轴下端，实现整体结构的轴向和径向固定；花键传动轴套在传动轴上，花键传动块内部与花键传动轴配合，外部与冲击传动轴配合，实现扭矩的传递；传动销A、传动销B分别安装在传动轴的两个传动销槽内，实现传动销的固定，偏心冲击锤套在传动轴下端外部，传动销A卡在传动轴的传动销槽内，传动销B卡在传动轴的滑动传动销槽内；配合好的传动轴、传动销A、传动销B、偏心冲击锤、组合轴承B一齐装入冲击传动轴腔室内，实现安装固定；径向轴承套在花键传动轴上，通过花键传动轴与冲击外筒的中段轴肩固定；组合轴承C套在冲击传动轴下端，通过冲击外筒下端轴肩固定；冲击外筒套入内齿轮壳体内；所述导流轴承组套在内齿轮壳体下段，通过内齿轮壳体轴肩定位，同时安装在下壳体内部；所述下壳体上端与转换接头通过螺纹连接，下端通过螺纹与导流套连接，实现整个工具的装配固定；所述下接头中心开有螺纹通孔，实现与冲击传动轴的连接固定，端面开有个轴向通孔，为钻井液提供液流通道；所述止推轴承安装在导流轴承组和下接头之间，所述O型密封圈C安装在下壳体和下接头之间，实现端面密封。
上述方案中，所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述螺钉、外齿轮、螺母均为3个。
上述方案中，所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述导流轴承组为可以承受径向力和轴向力，轴承沿圆周方向设置有12个均布的轴向通孔。
上述方案中，所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述径向轴承为2个配套安装。
上述方案中，所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述组合轴承A、组合轴承B和组合轴承C均为滚针和推力组合球轴承。
上述方案中，所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述导流套为上半部分为外锥结构。
上述方案中，所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述O型密封圈A、O型密封圈B均为双密封结构，O型密封圈C为端面密封结构。
本实用新型的有益效果是：(1) 通过螺杆和差速齿轮实现冲击作用，工作性能稳定可靠；（2）解决了钻井过程中井下钻具容易造成的遇阻或遇卡的难题；(3) 该工具设计合理，性能可靠，产生周向冲击的有效保护钻头，消除钻头的粘滑和卡钻现象，提高机械钻速；（4）该工具适应性强，不仅可应用于深层直井，还可配合定向仪器应用于定向井和水平井中；（5）该工具有动作无死点，提供高频扭转冲击；（6）操作简单、寿命长、提速效果好等优点，配合PDC钻头使用可有效提高深井硬地层机械钻速。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型图1中的A-A剖面图。
图3是本实用新型图1中的B-B剖面图。
图4是本实用新型图1中的C-C剖面图。
图5是本实用新型图1中的D-D剖面图。
图6是本实用新型图1中的E-E剖面图。
图7是本实用新型图1中的F-F剖面图。
图8是本实用新型图1中的G-G剖面图。
图9～12为本实用新型一个撞击周期过程，图 9 为偏心冲击锤与冲击传动轴未碰撞；图 10 为偏心冲击锤与冲击传动轴两碰撞面刚接触；图 11 为偏心冲击锤与冲击传动轴碰撞过程中；图 12 为偏心冲击锤与冲击传动轴两碰撞面刚脱离。
图中1.上接头，2.防掉锁母，3.防掉连杆，4.螺杆壳体，5.螺杆定子，6.螺杆转子，7.活绞，8.球座，9.承压球，10.传动球，11.密封圈，12.锁紧套，13.密封套，14.连杆，15.水帽，16.万向轴壳体，17.垫圈，18.传动轴，19.上轴承动圈，20.上轴承静圈，21.半圆键，22.轴承壳体，23.串轴承，24.转换接头，25. 法兰传动轴，26. 螺钉，27. 外齿轮，28. 螺母，29. 下壳体，30. O型密封圈A，31. 内齿轮壳体，32. 组合轴承A，33. 花键传动轴，34. 径向轴承，35. 花键传动块，36. 冲击传动轴，37. 偏心冲击锤，38. 传动销A ，39. 传动销B， 40. 组合轴承B，41.组合轴承C，42.传动轴，43. 冲击外筒，44. 导流轴承组，45. 导流套，46. O型密封圈B，47. 止推轴承，48.O型密封圈C，49. 下接头。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本实用新型作进一步说明：
参见附图，叶基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器由动力总成、万向轴总成、传动总成和冲击总成组成；所述动力总成下端依次连接万向轴总成、传动总成和冲击总成；所述的动力总成包括上接头1、防掉锁母2、防掉连杆3、螺杆壳体4、螺杆定子5和螺杆转子6，螺杆定子5安装在螺杆壳体4内部，螺杆转子6和螺杆定子5相互齿合，在钻井液的驱动下带动螺杆转子6旋转；所述上接头1上部与钻杆连接，下部通过螺纹与螺杆壳体4连接，防掉连杆3上端连接防掉锁母2，下端连接螺杆转子6；所述的万向轴总成包括活绞7、球座8、承压球9、传动球10、密封圈11、锁紧套12、密封套13和万向轴连杆14，球座8安装在活绞7内部，承压球9安放在球座8上，传动球10安放在万向轴连杆14端部凹槽，利用锁紧套12将万向轴连杆14和活绞7配合，并利用密封圈11和密封套13密封活绞7内部，万向轴连杆14两端安装结构相同；所述的传动总成包括水帽15、万向轴壳体16、垫圈17、螺杆传动轴18、上轴承动圈19、上轴承静圈20、半圆键21、轴承壳体22、串轴承23和转换接头24，万向轴壳体16上端连接螺杆壳体4，下端连接轴承壳体22，水帽15上端连接万向轴总成，下端连接螺杆传动轴18，并在水帽15和螺杆传动轴18安放垫圈17，上轴承动圈19通过螺纹安装螺杆传动轴18上，在轴承壳体22依次安装上轴承静圈20、串轴承23和转换接头24，上轴承静圈20通过半圆键21周向固定在轴承壳体22内部；所述冲击总成产生单向扭转冲击，包括法兰传动轴25，螺钉26，外齿轮27，螺母28，下壳体29，O型密封圈A30，内齿轮壳体31，组合轴承A32，花键传动轴33，径向轴承34，花键传动块35，冲击传动轴36，偏心冲击锤37，传动销A38，传动销B39，传动轴42，组合轴承B40，组合轴承C41，冲击外筒43，导流轴承组44，导流套45，O型密封圈B46，止推轴承47，O型密封圈C48；法兰传动轴25上部开有螺纹孔，与螺杆传动轴5下端通过螺纹连接，在叶轮传动轴的带动下旋转，法兰传动轴25下端端面沿圆周方向开有3个均布的通孔，所述传动轴42上端设置有与法兰传动轴25下端端面相同的3个均布通孔，为螺钉26和螺母28实现定位，传动轴42中部轴肩开有两个密封圈槽，为O型密封圈A30提供安装位置，传动轴下段在180°方向铣为平面，在另外180°方向上开有供传动销安装的槽；所述外齿轮27中心沿轴线方向开有通孔，通孔内安装固定有滑动轴承，螺钉26轴向穿过滑动轴承，外齿轮27安装于法兰传动轴25和传动轴42之间，通过螺钉26和螺母28固定；所述内齿轮壳体31上端有与外齿轮27啮合的齿，内齿轮壳体中部设置有轴肩，内部在180°方向上开有两个扇形流道，内齿轮壳体31下部在180°方向上设置有两个相对槽；所述冲击外筒43上端圆周方向开有8个径向通孔，为钻井液提供流通通道，从内部流向内齿轮壳体31流道，下端外圆周方向设置有两个在180°方向相对的突出传动块，与内齿轮壳体31下部的两个槽相配合，冲击外筒43内部中上段设置有内花键结构；所述花键传动轴33沿轴向方向开有与传动轴42相配合的通孔，上端开有与冲击外筒43相配合的外花键结构，下端同样设置为外花键结构；所述花键传动块35内部设置有与花键传动轴33下端相配合的内花建结构，外圆周方向上设置有周向台阶；所述冲击传动轴（36）内部为腔室结构，在上端周向方向上设置有与花键传动块35配合的台阶，中部设置有作为冲击座的周向台阶，冲击传动轴36下端设置有直螺纹，下端端面设置为内六角结构，方便安装固定；所述偏心冲击锤37为空心结构，在外圆周方向上设置有与冲击传动轴配套的作为冲击锤的周向台阶，内部设置有传动销槽，在与之相对的180°方向上设置有滑动传动销槽；所述O型密封圈A30安装于传动轴42的密封圈槽内，组合轴承A32安装在传动轴42上中段，组合轴承B40安装在传动轴下端，实现整体结构的轴向和径向固定；花键传动轴33套在传动轴42上，花键传动块35内部与花键传动轴33配合，外部与冲击传动轴36配合，实现扭矩的传递；传动销A38、传动销B39分别安装在传动轴42的两个传动销槽内，实现传动销的固定，偏心冲击锤37套在传动轴42下端外部，传动销A38卡在传动轴42的传动销槽内，传动销B39卡在传动轴42的滑动传动销槽内；配合好的传动轴42、传动销A38、传动销B39、偏心冲击锤37、组合轴承B40一齐装入冲击传动轴36腔室内，实现安装固定；径向轴承34套在花键传动轴33上，通过花键传动轴33与冲击外筒43的中段轴肩固定；组合轴承C41套在冲击传动轴36下端，通过冲击外筒43下端轴肩固定；冲击外筒43套入内齿轮壳体31内；所述导流轴承组44套在内齿轮壳体31下段，通过内齿轮壳体轴肩定位，同时安装在下壳体29内部；所述下壳体29上端与转换接头24通过螺纹连接，下端通过螺纹与导流套45连接，实现整个工具的装配固定；所述下接头49中心开有螺纹通孔，实现与冲击传动轴的连接固定，端面开有6个轴向通孔，为钻井液提供液流通道；所述止推轴承47安装在导流轴承组44和下接头49之间，所述O型密封圈C48安装在下壳体29和下接头49之间，实现端面密封。
所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述所述螺钉26、外齿轮27、螺母28均为3个。
所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述导流轴承组44为可以承受径向力和轴向力，轴承沿圆周方向设置有12个均布的轴向通孔。
所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述径向轴承34为2个配套安装。
所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述组合轴承A32、组合轴承B40和组合轴承C41均为滚针和推力组合球轴承。
所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述导流套45为上半部分为外锥结构。
所述的基于螺杆与齿轮的差速扭力冲击器，其特征在于：所述O型密封圈A30、O型密封圈B46均为双密封结构，O型密封圈C48为端面密封结构。
工作时，高压钻井液从上接头1流入，依次通过动力总成、万向轴总成、传动总成，大部分钻井液通过法兰传动轴25与转换接头24和下壳体29之间的环空，经过导流轴承组44后经导流套45流向下接头；一小部分钻井液通过外齿轮27和内齿轮壳体31之间的环空，再通过冲击外筒43上端的径向通孔流向内齿轮壳体31和冲击外筒43之间的环空，流向下接头。当高压钻井液通过动力总成时，带动螺杆转子6高速旋转，螺杆转子6通过万向轴总成带动螺杆传动轴18旋转，进而带动法兰传动轴25旋转；一方面法兰传动轴25带动传动轴42旋转，传动轴通过传动销A38、传动销B39带动偏心冲击锤37高速旋转；另一方面法兰传动轴25带动外齿轮27转动，外齿轮27在绕法兰传动轴25轴线公转的同时，也绕自身轴线通过滑动轴承转，与内齿轮壳体31啮合，将一个较低的转速传递给内齿轮壳体31，内齿轮壳体带动冲击器外筒29，进而通过花键传动轴33、花键传动块35带动冲击传动轴36以一个较低的转速转动；从而与偏心冲击块23形成转速差，产生冲击作用，并将碰撞产生的扭转振动通过冲击传动轴36传递到下接头49。如图 9 ～ 12 所示，偏心冲击锤37和冲击传动轴36发生碰撞后，偏心冲击锤37 在惯性力的作用下绕传动销A38做偏心运动，传动销B39在槽内滑动，在两者的相互作用下冲击锤与冲击座的碰撞面分离，偏心冲击锤37与冲击传动轴36继续以不同的转速做同向转动，准备下一次碰撞。这样偏心冲击锤37的锤面与冲击传动轴36的冲击座会不断出现周期性的周向碰撞，由此形成高频单向周向冲击。工具产生的转动和冲击经下接头49传递到钻头，实现为钻头提供动力，并使钻头产生高频单向周向振动的目的，进而对转头实现有效的保护，提高钻井效率。