一种螺杆钻具传动轴总成的制作方法

本实用新型属于石油钻探领域，具体涉及一种螺杆钻具传动轴总成，可防止螺杆钻具制动失速。

背景技术：

螺杆钻具复合钻进是目前应用广泛的提速技术。当螺杆钻具遇到硬夹层或砾岩，破岩扭矩峰值高于螺杆钻具输出扭矩时，就会出现螺杆制动失速，尤其是随着螺杆橡胶的磨损，螺杆制动更易发生，频繁地、长时间制动还会造成泥浆刺穿橡胶造成螺杆钻具失效；为避免螺杆制动，只能限制钻压以降低破岩扭矩峰值，这导致机械钻速降低。为解决该问题，国内外如斯伦贝谢、哈里伯顿等公司通过优化橡胶配方、机械结构等不断提高螺杆钻具的输出扭矩和连续工作寿命；美国阿特拉公司等设计使用扭矩冲击器增加冲击功能等降低最大破岩扭矩。

根据资料调研，现有螺杆钻具均是增大螺杆的输出扭矩或使用冲击器降低破岩扭矩，来避免螺杆制动失速，提高螺杆的破岩速度和使用寿命。以下是查找的一些专利和文献资料。

专利号为CN107476759A的中国专利公布了一种大扭矩串联马达等壁厚螺杆钻具，在近钻头处，配合扶正器，可实现传递较大扭矩克服破岩扭矩振幅较大的难题。工作时，钻井液流向动力部分，高压钻井液由马达入口向出口移动过程中,消耗自身水功率对中空转子做功,钻井液压力能转换为中空转子旋转机械能，整套螺杆钻具的在实心转子和空心转子配合作用下，削减了输出转速对钻压的敏感性，相对单独的实心转子马达或空心转子马达，显示出明显的优越性。

专利号为CN107489381A的中国专利提供了一种防过载螺杆钻具，包括旁通阀组件、马达组件、万向节组件和传动轴组件，该四个组件由上而下顺序螺纹连接成螺杆钻具，在万向节组件和传动轴组件之间还设有一个防过载组件，当螺杆钻具超载工作时，传动轴传递给传动短节的扭矩过大超过设定值的时候，碟簧组提供的压力不足以保持花间短节和传动短节的齿状结构的接触状态，传动短节的齿状结构与花键短节的齿状结构在轴向会分离，从而避免了过大的扭矩传递给花键短节及以上的万向节组件和马达组件，避免了过大扭矩导致马达压降过大而造成马达组件的损坏，有效提高了螺杆钻具的使用寿命。

专利号为CN201526278U的中国专利涉及一种低速大扭矩螺杆钻具，由旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成与传动轴总成五部分组成，通过增加马达总成的马达头数、加长马达级数与优化马达线型来增加马达扭矩。该实用新型专利只是在已有螺杆结构基础上微调螺杆结构部分增大螺杆输出扭矩减轻破岩扭矩振幅过大导致的螺杆制动失速问题，效果有限。

专利号为CN 107165574 A的中国专利涉及一种钻井工程中提供井下钻井动力用的冲锤式冲击螺杆钻具，通过将冲锤置入配流筒内腔盲孔内实现旋冲钻井的工艺需求，在提供破岩扭矩的同时提供连续轴向冲击力，提高破岩效率，机械磨损小，寿命高，克服了现有旋冲螺杆钻具的缺陷。该专利只是通过增加冲锤机构降低破岩扭矩，提高机械钻速，无法完全避免制动失速问题。

文章“螺杆驱动旋冲钻井工具设计及试验研究”，提出了一种螺杆钻具驱动的新型机械式旋冲钻井工具，将螺杆高速旋转与冲击器高频冲击相结合，提高螺杆钻具的破岩效率。该工具则是通过高频振动减小钻头的破岩扭矩，实现破岩效率的提高，无法完全避免制动失速问题。

文章“应用于螺杆钻具的轴向振动冲击装置研制”基于推力轴承滚动体在特制起伏轨道上滚动产生轴向振动的特性，研制了一种轴向振动冲击装置，通过与螺杆马达集成使用，具有旋冲钻井和螺杆+转盘双驱复合钻井的技术优点。该工具则是将轴向振动冲击装置与螺杆配合使用，旋冲振动+双驱复合减小钻头的破岩扭矩，实现破岩效率的提高，无法完全避免制动失速问题。

随着石油钻探向深井、超深井及更复杂地层挺进，以上技术并未从根本上解决螺杆制动失速问题，因此，有必要设计一种复合钻井中专门防止螺杆制动失速的传动轴总成。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种螺杆钻具传动轴总成，将转盘扭矩传递至钻头，防止螺杆制动失速，保护螺杆定子(橡胶)，延长螺杆钻具的寿命。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种螺杆钻具传动轴总成，包括同轴线设置的传动轴、轴承组总成、外套筒和棘轮离合器；

所述外套筒通过轴承组总成与传动轴连接；

所述棘轮离合器安装在所述轴承组总成上。

所述轴承组总成包括位于传动轴上部的上轴承静套和上轴承动套、位于传动轴下部的下轴承静套和下轴承动套，以及位于传动轴中部的轴承组；

所述上轴承动套的内壁、下轴承动套的内壁分别与传动轴的外壁连接；

所述上轴承静套的外壁与外套筒的内壁连接；

所述下轴承静套的上部外壁与外套筒的内壁连接，其下部伸出到外套筒的外部。

所述上轴承动套的下端面与上轴承静套的下端面位于第一平面内；

所述下轴承动套的上端面与下轴承静套的上端面位于第二平面内；

所述第一平面、第二平面、外套筒的内壁、传动轴的外壁围合形成环状的轴承组安装腔；

所述轴承组安装在所述轴承组安装腔内。

所述上轴承动套在轴向上的长度大于上轴承静套在轴向上的长度；

所述下轴承动套在轴向上的长度大于下轴承静套在轴向上的长度；

所述下轴承动套的下部和下轴承静套的下部均位于所述外套筒的下端面的下方；

在所述下轴承静套的下部外壁上设有台阶，所述外套筒的下端面与此台阶的端面接触。

在所述下轴承静套的下部开有安装腔，所述棘轮离合器安装在该安装腔内；

所述安装腔的外壁的直径与外套筒的外径相等；

在所述下轴承静套的下部开有旁通孔，所述旁通孔位于外套筒与棘轮离合器之间；

所述下轴承静套的内壁与下轴承动套的外壁之间有环形间隙；

所述旁通孔将该环形间隙与外部连通。

优选地，在所述下轴承静套的下部开有6个在圆周上均布的旁通孔；

所有旁通孔的中心轴线位于同一个平面内；

沿所述传动轴的轴向方向上任意两个旁通孔的中心轴线之间的距离不超过2mm；

所述轴承组总成包括轴承紧固螺钉，其安装在传动轴的上部，与上轴承动套的上端面接触。

优选地，所述上轴承动套和下轴承动套通过内螺纹与传动轴的外壁相连；

所述下轴承静套和上轴承静套通过外螺纹与外套筒的内壁连接；

所述轴承组总成采用硬质合金材质制成，在其表面上压制有金属膜层。

所述棘轮离合器包括棘轮、棘爪、棘爪固定销钉；

所述棘轮开有中心通孔，所述传动轴和下轴承动套穿过所述棘轮的中心通孔；

所述棘轮的中心通孔与下轴承动套的外壁通过焊接方式连接或通过键槽连接；

所述棘爪的一端通过棘爪固定销钉固定在下轴承静套的内壁上，另一端与棘轮接触；

优选地，在下轴承静套的内壁上安装有弹簧片，所述弹簧片位于棘爪与下轴承静套的内壁之间；

所述弹簧片的一端通过弹簧片固定销钉固定到下轴承静套的内壁上，另一端压在所述棘爪上。

优选地，在所述下轴承静套的内壁上连接有6个在圆周上均布的棘爪；

所有棘爪的中心轴截面位于同一个平面内，沿传动轴的轴向方向上任意两个棘爪的中心轴截面之间的距离不超过2mm；

在每个棘爪与下轴承静套的内壁之间均配有弹簧片。

所述螺杆钻具传动轴总成进一步包括位于传动轴下方的下接头，其与传动轴的下端连接，或者与传动轴设计成一体的；

所述下接头的外径大于传动轴的外径；

所述下轴承动套的下端面与下接头的上端面接触。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)解决了常规螺杆钻具复合钻进时转盘扭矩无法参与钻头破岩的技术问题，即转盘扭矩无法直接抵抗钻头反扭矩的技术问题；

(2)提高了螺杆复合钻进时的钻压，进而提高了机械钻速；

(3)解决了常规螺杆在软硬交错复杂地层复合钻进时制动失速问题，延长了螺杆寿命并可适当延长回次进尺。

附图说明

图1是本实用新型螺杆钻具传动轴总成的主视图

图2是图1中的A——A向剖面图；

附图中标记及相应的零部件名称：1-轴承紧固螺钉、2-外套筒、3-上轴承静套、4-上轴承动套、5-轴承组、6-下轴承静套、7-下轴承动套、8-旁通孔、9-棘爪、10-棘轮、11-下接头、12-弹簧片固定销钉、13-棘爪固定销钉、14-弹簧片、15-传动轴。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

现有螺杆钻具在钻进软硬交错地层时，容易因反扭矩波动过大而出现制动失速的问题，尤其是随着螺杆橡胶的磨损，螺杆制动更易发生，频繁地、长时间制动还会造成泥浆刺穿橡胶造成螺杆钻具失效，因此为提高复合钻进时钻头的扭矩、保护螺杆，本实用新型设计了新的螺杆钻具结构-带超越式棘轮离合器的传动轴。

如图1和图2所示，本实用新型螺杆钻具传动轴总成，包括传动轴15、轴承组总成、外套筒2、棘轮离合器和下接头11(所述下接头11可以设计为与传动轴15一体的，也可以设计成分体的，两者通过螺纹或者其它方式连接。)，其中轴承组总成包括轴承紧固螺钉1、上轴承静套3、上轴承动套4、轴承组5、下轴承静套6和下轴承动套7。棘轮离合器包括棘轮10、棘爪9、棘爪固定销钉13、弹簧片14、弹簧片固定销钉12。

外套筒2和传动轴15靠轴承组总成连接；轴承组总成中采用螺纹将下轴承动套7和上轴承动套4与传动轴15相连，采用螺纹将下轴承静套6和上轴承静套3与外套筒2相连，最后用轴承紧固螺钉1紧固；棘轮离合器安装在轴承组总成的下轴承动套7和下轴承静套6上；其中下轴承静套6下端要铣出高度和内径足够容纳棘轮10和棘爪9的内腔；棘轮10与下轴承动套7采用焊接或键槽连接方式；棘爪9采用棘爪固定销钉13固定到下轴承静套6上；另外为给棘爪9施加一定的压力，要在下轴承静套6上安装弹簧片14；弹簧片采用弹簧片固定销钉12固定到下轴承静套6上。

进一步，轴承组总成采用硬质合金材质，外加防磨、防冲蚀特制金属膜，即在硬质合金材料上压制有金属膜，以提高轴承的耐磨、抗冲蚀能力；

进一步，在下轴承静套6下端，即外套筒以下、棘轮离合器以上每60°钻一个旁通孔8，共6个，且处在同一平面内，沿传动轴的轴向方向上任意两个孔的中心轴线之间的距离不超过2mm，将流经轴承组的钻井液从旁通孔8排出，防止高速钻井液冲蚀棘轮离合器。

进一步，在常规螺杆钻具配备该新型传动轴，在棘轮离合器的作用下，可防止螺杆转子相对于定子逆时针旋转，进而避免螺杆出现制动时速。

具体地，所示棘轮离合器剖面图如图2所示，所述棘轮离合器包括棘爪9、棘轮10、棘爪固定销钉13、弹簧片14和弹簧片固定销钉12；其中棘爪9围绕棘轮10每60°安装一个，共6个(图2中标出了一个棘爪，其它5个仅用黑点表示了位置)，所有棘爪的中心轴截面位于同一个平面内，沿传动轴的轴向方向上任意两个棘爪的中心轴截面之间的距离不超过2mm，以分散棘轮离合器突然闭合时所带来的冲击力，增强棘轮离合器的工作效果；另每个棘爪配有可为棘爪提供压力的弹簧片14。

本实用新型的工作原理如下：若破岩扭矩低于螺杆工作扭矩或螺杆转子转速高于转盘转速时，连接在传动轴上的棘轮10相对于外套筒上的棘爪9顺时针转动，棘轮离合器处于分离状态，离合器不起作用，螺杆处于正常工作状态；当破岩扭矩高于螺杆工作扭矩或螺杆转子转速低于转盘转速时，棘轮10相对于棘爪9逆时针旋转，棘轮离合器自动切换至接合状态，下轴承动套上的棘轮10被棘爪9楔紧而被外套筒带动以转盘转速顺时针转动，可实现将转盘扭矩传递至钻头，防止螺杆制动失速，保护螺杆定子(橡胶)，延长螺杆钻具的寿命。

本实用新型的传动轴在常规螺杆基础上，只通过增加棘轮式超越离合结构就可克服软硬交错地层破岩扭矩振幅过大的问题，利用棘轮在反扭矩过大时将转子和定子锲紧，使定子带动转子和钻头旋转，将转盘扭矩传递到钻头，从根本上解决了破岩扭矩振幅过大导致的螺杆制动失速问题，可保护螺杆因制动失速导致的橡胶磨损，延长螺杆的使用寿命。相较于常规螺杆传动轴，该传动轴还可适应更高钻压，进一步改善了螺杆钻具钻遇复杂地层的提速效果，在石油钻探领域具有广阔的应用前景。

上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。