中空反置螺杆钻具的制作方法

1.本发明涉及井下动力钻具领域，进一步的，涉及一种将定向能辅助与机械破岩相结合的井下动力钻具，尤其涉及一种中空反置螺杆钻具。


背景技术：

2.近年来，由于钻井难度和深度的不断增加，在钻井过程中新型的破岩方式也不断出现，如等离子破岩、电子束破岩、激光破岩等技术的应用。这些技术被视为21世纪钻井领域革命性技术，受到世界各国石油工作者的重视。
3.以激光破岩为例：其基本原理是利用高能激光束直接作用岩石，使之局部快速加热到熔化和气化状态并形成气、液两相混合物，然后由高速辅助气流将其携走和排除，该破岩方法是一种非机械接触式的物理破岩方法。将该种定向能辅助和机械破岩相结合的联合破岩方法能显著提高机械钻速2至4倍，钻压和扭矩降低90％以上，钻井成本降低10％至20％，因此，定向能辅助和机械破岩相结合的联合破岩方法是一种高效的破岩新方法、新技术。定向能辅助和机械破岩相结合的联合破岩钻井是在原有钻井装备的基础上，将定向能从地面输送到井底，故作为原有钻井的动力工具的螺杆钻具，同样需要提供定向能通道的通道，同时还需要保证螺杆钻具的输出钻井动力的性能。但是，现阶段并没有能够与定向能辅助和机械破岩相配合的螺杆钻具，现有的螺杆钻具无法满足既能够进行机械破岩，又能够对定向能进行传递以完成定向能辅助破岩的要求，限制了定向能辅助和机械破岩相结合的联合破岩方法的发展。
4.针对相关技术中螺杆钻具无法既进行机械破岩，又能够对定向能进行传递的问题，目前尚未给出有效的解决方案。
5.由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种中空反置螺杆钻具，以克服现有技术的缺陷。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种中空反置螺杆钻具，能够将定向能辅助和机械破岩相结合，在该螺杆钻具的内部不仅能够供钻井介质流过，还能够为光纤等能量设备提供可通过的中空通道，实现将液压能转换为机械能带动钻头钻井的同时，还可实现将定向能输送至井底与钻头进行联合破岩作业，提高钻进效率。
7.本发明的目的可采用下列技术方案来实现：
8.本发明提供了一种中空反置螺杆钻具，其设置于钻柱的底部，并随所述钻柱下入至井内预设位置，所述中空反置螺杆钻具包括外筒主体、传动轴、第一万向轴和能在所述外筒主体内做行星摆动的定子，其中：
9.所述传动轴、所述第一万向轴和所述定子由上至下顺序连接，所述外筒主体能转动地套设于所述传动轴、所述第一万向轴和所述定子的外侧，所述外筒主体的底端设置有钻头，所述传动轴的顶端与所述钻柱连接，所述传动轴与所述外筒主体能转动地连接，所述
第一万向轴和所述定子与所述外筒主体之间分别留有相连通的第一间隙和螺旋状的第二间隙，所述钻头上开设有与所述第二间隙相连通的第四能量通道；所述传动轴、所述第一万向轴和所述定子上分别沿轴向开设有顺序连通的第一能量通道、第二能量通道和第三能量通道，所述第一万向轴上还开设有连通所述第二能量通道与所述第一间隙的过液孔；供能线缆顺序通过所述第一能量通道、所述第二能量通道、所述第三能量通道和所述第四能量通道并与井内的定向能破岩装置连接，钻井介质顺序通过所述第一能量通道、所述过液孔、所述第一间隙、所述第二间隙和所述第四能量通道并排出至井内；
10.当所述钻井介质通过所述第二间隙时，所述钻井介质推动所述定子在所述外筒主体的内部做行星摆动，且所述外筒主体做周向转动。
11.在本发明的一较佳实施方式中，所述传动轴与所述外筒主体之间设置有承受所述传动轴径向载荷的第一轴承和第三轴承以及承受所述传动轴轴向载荷的第二轴承，所述第一轴承、所述第二轴承和所述第三轴承均套设于所述传动轴上，且所述第一轴承的内壁、所述第二轴承的内壁和所述第三轴承的内壁均与所述传动轴的外壁连接，所述第一轴承的外壁、所述第二轴承的外壁和所述第三轴承的外壁均与所述外筒主体的内壁连接。
12.在本发明的一较佳实施方式中，所述第一轴承、所述第二轴承和所述第三轴承由上至下顺序排布。
13.在本发明的一较佳实施方式中，所述第一轴承和所述第三轴承均为径向轴承；所述第二轴承为推力轴承。
14.在本发明的一较佳实施方式中，所述传动轴的顶端伸出至所述外筒主体的上方并与所述钻柱的底部连接，位于所述外筒主体上方的所述传动轴的外壁上设置有能与打捞工具配合卡接的打捞凸台。
15.在本发明的一较佳实施方式中，所述过液孔的数量为多个，各所述过液孔均位于所述第一万向轴的上部，且各所述过液孔沿所述第一万向轴的周向均匀排布。
16.在本发明的一较佳实施方式中，所述第一万向轴为挠轴万向轴。
17.在本发明的一较佳实施方式中，所述定子的外壁上沿周向匀布有多条呈螺旋状的第一凸台，所述外筒主体的内壁上与所述定子相对位置沿周向均布有多条螺旋状的第二凸台，所述第一凸台的螺旋方向与所述第二凸台的螺旋方向相同，且所述第一凸台的数量少于所述第二凸台的数量，以在所述外筒主体的内壁与所述定子的外壁之间形成所述第二间隙。
18.在本发明的一较佳实施方式中，所述定子的下方设置有破岩装置接头，且所述破岩装置接头的顶端与所述供能线缆连接，所述破岩装置接头的底端穿过所述第四能量通道并与所述定向能破岩装置连接。
19.在本发明的一较佳实施方式中，所述破岩装置接头的外壁与所述第四能量通道的内壁之间留有供钻井介质通过的第四间隙。
20.在本发明的一较佳实施方式中，所述定子与所述破岩装置接头之间设置有第二万向轴，所述第二万向轴的顶端与所述定子的底端连接，所述第二万向轴的底端与所述破岩装置接头的顶端连接，所述第二万向轴上开设有与所述第三能量通道相连通的第五能量通道，所述第三能量通道通过所述第五能量通道与所述第四能量通道连通。
21.在本发明的一较佳实施方式中，所述第二万向轴为挠轴万向轴。
22.在本发明的一较佳实施方式中，所述外筒主体包括由上至下顺序连接的传动轴外壳、万向轴外壳、转子外壳和钻头接头外壳，所述传动轴外壳、所述万向轴外壳、所述转子外壳和所述钻头接头外壳均为沿竖向设置的、两端开口的筒状结构，所述传动轴位于所述传动轴外壳内，所述第一万向轴位于所述万向轴外壳内，所述定子位于所述转子外壳内，所述第二万向轴以及所述破岩装置接头的上部均位于所述钻头接头外壳内。
23.在本发明的一较佳实施方式中，所述供能线缆为光纤。
24.在本发明的一较佳实施方式中，所述定向能破岩装置为光纤激光器或超声波发生器。
25.由上所述，本发明的中空反置螺杆钻具的特点及优点是：
26.外筒主体的底部设置有钻头，外筒主体的内部由上至下顺序连接有传动轴、第一万向轴和定子，且在传动轴、第一万向轴和定子上分别开设有顺序连通的第一能量通道、第二能量通道和第三能量通道，钻头上开设有第四能量通道，从而能够为光纤等供能线缆提供能量通道，为井下的定向能破岩装置提供能量，保证定向能辅助破岩的顺利进行。
27.传动轴与外筒主体能转动地连接，第一万向轴和定子与外筒主体之间分别留有相连通的第一间隙和第二间隙，第一万向轴上开设有连通第二能量通道与第一间隙的过液孔，第四能量通道与第二间隙相连通，钻井介质在通过第二间隙的过程中，能够推动定子在外筒主体的内部做行星摆动，由于定子通过第一万向轴与传动轴连接，因此，定子在做行星摆动的同时不做周向转动，从而使得钻井介质推动外筒主体做周向转动，进而带动底部的钻头进行转动，保证机械破岩的顺利进行。
28.定子设置于外筒主体的内部，在作业过程中定子只在外筒主体的内部做行星摆动，而不做周向转动，外筒主体带动钻头做周向转动，不仅便于光纤等供能线缆顺序通过第一能量通道、第二能量通道、第三能量通道和第四能量通道，而且不会对钻头的正常作业造成影响，达到了将定向能破坏地层与机械钻井合理、有效结合的技术效果，进一步提高钻进速度，大大提高钻井作业效率。
附图说明
29.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
30.其中：
31.图1：为本发明中空反置螺杆钻具的结构示意图。
32.图2：为图1中a位置的局部放大图。
33.图3：为图1中b位置的局部放大图。
34.图4：为图1中c位置的局部放大图。
35.图5：为本发明中空反置螺杆钻具中定子与转子外壳的连接结构示意图。
36.图6：为图1中d位置的局部放大图。
37.本发明中的附图标号为：
38.1、外筒主体；
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101、传动轴外壳；
39.102、万向轴外壳；
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103、转子外壳；
40.1031、第二凸台；
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104、钻头接头外壳；
41.2、钻头；
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3、传动轴；
42.301、打捞凸台；
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302、第一能量通道；
43.4、第一轴承；
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5、第三轴承；
44.6、第二轴承；
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7、第一万向轴；
45.701、过液孔；
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702、第一间隙；
46.703、第二能量通道；
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8、定子；
47.801、第一凸台；
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802、第二间隙；
48.803、第三能量通道；
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9、第二万向轴；
49.901、第三间隙；
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902、第五能量通道；
50.10、破岩装置接头；
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1001、第四能量通道。
具体实施方式
51.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
52.如图1至图5所示，本发明提供了一种中空反置螺杆钻具，其设置于钻柱的底部，并随钻柱下入至井内预设位置。该中空反置螺杆钻具包括外筒主体1、传动轴3、第一万向轴7和能在外筒主体1内沿外筒主体1的周向做行星摆动的定子8，传动轴3、第一万向轴7和定子8由上至下顺序连接，且传动轴3的底端与第一万向轴7的顶端以及第一万向轴7的底端与定子8的顶端之间分别通过螺纹结构配合连接，虽然传动轴3、第一万向轴7以及定子8之间分别通过螺纹结构连接，第一万向轴7在顶端固定的状态下，其底端能够做行星摆动，进而保证与第一万向轴7的底端连接的定子8也能够进行行星摆动。外筒主体1为沿竖直方向设置的、两端开口的圆筒状结构，外筒主体1能转动地套设于传动轴3、第一万向轴7和定子8的外侧，在外筒主体1的底端设置有钻头2，钻头2的顶端与外筒主体1的底端通过螺纹结构配合连接，传动轴3的顶端与钻柱的底端通过螺纹结构配合连接，传动轴3的外壁与外筒主体1的内壁之间能转动地连接，第一万向轴7的外壁与外筒主体1的内壁之间留有圆环状的第一间隙702，定子8的外壁与外筒主体的内壁之间留有螺旋状的第二间隙802，钻头2的内部沿竖直方向开设有贯通钻头2的第四能量通道1001，第一间隙702、第二间隙802和第四能量通道1001由上至下顺序连通；传动轴3的内部沿竖直方向开设有贯通传动轴3的第一能量通道302，第一万向轴7的内部沿竖直方向开设有贯通第一万向轴7的第二能量通道703，定子8的内部沿竖直方向开设有贯通定子8的第三能量通道803，第一能量通道302、第二能量通道703、第三能量通道803和第四能量通道1001由上至下顺序连通，在第一万向轴7上还开设有连通第二能量通道703与第一间隙702的过液孔701；地面上的供能线缆能够顺序通过第一能量通道302、第二能量通道703、第三能量通道803和第四能量通道1001并与井内的定向能破岩装置连接，地面通入的钻井介质能够顺序通过第一能量通道302、过液孔701、第一间隙702、第二间隙802和第四能量通道1001并排出至井内；当钻井介质通过第二间隙802时，钻井介质推动定子8在外筒主体1的内部做行星摆动，且外筒主体1做周向转动。
53.本发明在外筒主体1的底部设置有钻头2，外筒主体1的内部由上至下顺序连接有传动轴3、第一万向轴7和定子8，且在传动轴3、第一万向轴7和定子8上分别开设有由上至下顺序连通的第一能量通道302、第二能量通道703和第三能量通道803，钻头2上开设有第四能量通道1001，从而能够为光纤等供能线缆提供能量通道，为井下的定向能破岩装置提供
能量，保证定向能辅助破岩的顺利进行。另外，传动轴3与外筒主体1能转动地连接，第一万向轴7和定子8与外筒主体1之间分别留有相连通的第一间隙702和第二间隙802，且在第一万向轴7上开设有连通第二能量通道703与第一间隙702的过液孔701，地面通入的钻井介质可顺利通过外筒主体1，且在钻井介质通过第二间隙802的过程中，能够推动定子8在外筒主体1的内部做行星摆动，由于传动轴3与钻杆连接，定子8通过第一万向轴7与传动轴3连接，在工作状态下钻杆自身不进行周向转动，在钻井介质的推力作用下定子8在外筒主体1内仅做行星摆动，而推动外筒主体1做周向转动，进而通过外筒主体1带动底部的钻头2进行转动，保证机械破岩的顺利进行。
54.本发明中由于定子8设置于外筒主体1的内部，在作业过程中定子8只在外筒主体1的内部做行星摆动，而不做周向转动，外筒主体1带动钻头2做周向转动，不仅便于光纤等供能线缆顺序通过第一能量通道302、第二能量通道703、第三能量通道803和第四能量通道1001顺利下入至井下并与定向能破岩装置连接，而且不会对钻头2的正常作业造成影响，达到了将定向能破坏地层与机械钻井合理、有效结合的技术效果，进一步提高钻进速度，大大提高钻井作业效率。
55.进一步的，钻井介质可为但不限于泥浆。
56.进一步的，供能线缆可为但不限于光纤。
57.进一步的，定向能破岩装置可为但不限于光纤激光器或超声波发生器，当然也可为其他能够完成定向能破岩作业的装置。
58.在本发明的一个可选实施例中，如图1、图2所示，传动轴3为沿竖直方向设置的、两端开口的圆筒状结构，传动轴3与外筒主体1之间由上至下顺序设置有第一轴承4、第二轴承6和第三轴承5，第一轴承4和第三轴承5用于承受传动轴3径向载荷，第二轴承6用于承受传动轴3轴向载荷，从而保证传动轴3与外筒主体1之间连接的稳定性，同时对外筒主体1起到限位的作用，确保外筒主体1仅能沿周向转动，而不会随定子8摆动。
59.进一步的，第一轴承4和第三轴承5均为径向轴承；第二轴承6为推力轴承。
60.具体的，如图1、图2所示，第一轴承4、第二轴承6和第三轴承5均套设于传动轴3上，且第一轴承4的内壁、第二轴承6的内壁和第三轴承5的内壁均与传动轴3的外壁连接，第一轴承4的外壁、第二轴承6的外壁和第三轴承5的外壁均与外筒主体1的内壁连接。
61.进一步的，如图1、图2所示，传动轴3的顶端伸出至外筒主体1的上方并与钻柱的底部通过螺纹结构配合连接，位于外筒主体1上方的传动轴3的外壁上沿传动轴3的周向设置有圆环状的打捞凸台301，打捞凸台301能够与打捞工具配合卡接，从而便于对螺杆钻具的打捞。
62.在本发明的一个可选实施例中，如图1、图3所示，第一万向轴7沿竖直方向设置，第一万向轴7上的过液孔701的数量为多个，各过液孔701均位于第一万向轴7的上部，且各过液孔701沿第一万向轴7的周向均匀排布，保证钻井介质能够通过各过液孔701均匀流入至第一间隙702中，进而能够顺利推动定子8做行星摆动以及外筒主体1做周向转动。
63.进一步的，第一万向轴7为挠轴万向轴(即：一种软轴)。
64.在本发明的一个可选实施例中，如图1、图4、图5所示，定子8的外壁上沿定子8的周向匀布有多条呈螺旋状的第一凸台801，外筒主体1的内壁上与定子8相对位置沿外筒主体1的周向均布有多条螺旋状的第二凸台1031，第一凸台801的螺旋方向与第二凸台1031的螺
旋方向相同，且第一凸台801的数量少于第二凸台1031的数量，以在外筒主体1的内壁与定子8的外壁之间形成螺旋状的第二间隙802。该结构在常规应用状态下，固定外筒主体1，定子8在外筒主体1的内部做行星摆动的同时自身还会进行周向转动，本发明中外筒主体1可沿周向转动，但通过第一万向轴7对定子8进行限位，以使其在外筒主体1内仅能做行星摆动，在钻井介质的推力作用下外筒主体1沿周向转动，从而达到通过定子8的行星摆动带动外筒主体1转动的目的，进而带动钻头2进行转动。
65.具体的，如图5所示，第一凸台801的数量为5个，第二凸台1031的数量为6个。
66.在本发明的一个可选实施例中，如图1、图6所示，中空反置螺杆钻具还包括破岩装置接头10，破岩装置接头10设置于定子8的下方，供能线缆顺序穿过第一能量通道302、第二能量通道703和第三能量通道803后与破岩装置接头10的顶端连接，破岩装置接头10的底端穿过第四能量通道1001并与定向能破岩装置连接。
67.进一步的，破岩装置接头10的外壁与第四能量通道1001的内壁之间留有供钻井介质通过的第四间隙，保证通过外筒主体1的钻井介质能够顺利排出。
68.进一步的，如图1、图6所示，定子8与破岩装置接头10之间沿竖直方向设置有第二万向轴9，第二万向轴9的顶端与定子8的底端通过螺纹结构配合连接，第二万向轴9的底端与破岩装置接头10的顶端通过螺纹结构配合连接，第二万向轴9上开设有与第三能量通道803相连通的第五能量通道902，第三能量通道803通过第五能量通道902与第四能量通道1001连通。通过第二万向轴9的设置，能够对定子8的行星摆动进行消除，避免位于定子8下方的破岩装置接头10随定子8做行星摆动，进而保证破岩装置接头10能够与定向能破岩装置稳定连接。
69.进一步的，第二万向轴9为挠轴万向轴(即；一种软轴)。
70.在本发明的一个可选实施例中，如图1至图6所示，外筒主体1包括由上至下顺序连接的传动轴外壳101、万向轴外壳102、转子外壳103和钻头接头外壳104，传动轴外壳101、万向轴外壳102、转子外壳103和钻头接头外壳104均为沿竖直方向设置的、两端开口的圆筒状结构，传动轴3位于传动轴外壳101内，第一轴承4、第二轴承6和第三轴承5位于传动轴3与传动轴外壳101之间；第一万向轴7位于万向轴外壳102内；定子8位于转子外壳103内，且各第二凸台1031设置于转子外壳103的内壁上；第二万向轴9以及破岩装置接头10的上部均位于钻头接头外壳104内。
71.进一步的，传动轴外壳101的底端与万向轴外壳102的顶端通过螺纹结构配合连接，万向轴外壳102的底端与转子外壳103的顶端通过螺纹结构配合连接，转子外壳103的底端与钻头接头外壳104的顶端通过螺纹结构配合连接，钻头2位于钻头接头外壳104的下方，且钻头2的顶部与钻头接头外壳104的底端通过螺纹结构配合连接。
72.本发明的中外筒主体1的直径大于传统螺杆钻具的直径，可以同时满足钻井介质和光纤等供能线缆的通过。由于定子8依次通过第一万向轴7和传动轴3与钻柱连接，从地面相外筒主体1内通入钻井介质后，在钻井介质的推力作用下，定子8不会发生周向转动，只做行星摆动，而转子外壳103在钻井介质的推力作用下实现周向转动，由于定子8上设置有第三能量通道803且定子8自身不发生周向转动，从而方便光纤等供能线缆的通过。由于转子外壳103通过万向轴外壳102与传动轴外壳101连接，传动轴外壳101与传动轴3能转动地连接，可使得转子外壳103与传动轴外壳101做同轴转动，进而通过转子外壳103的周向转动替
代了定子8的周向转动，实现了在定子8不做周向转动时自身也能进行行星摆动，转子外壳103通过钻头接头外壳104带动钻头2转动。定子8通过第二万向轴9与破岩装置接头10连接，通过第二万向轴9消除定子8的行星摆动，保证光纤等供能线缆的顺利通过以及破岩装置接头10与定向能破岩装置的稳定连接，实现定向能破坏地层与机械钻井相结合。
73.本发明的中空反置螺杆钻具的特点及优点是：
74.一、该中空反置螺杆钻具在外筒主体1的底部设置有钻头2，外筒主体1的内部形成有供光纤等供能线缆通过的能量通道，能够确保将能量顺利提供给井下的定向能破岩装置，保证定向能辅助破岩的顺利进行。
75.二、该中空反置螺杆钻具中传动轴3与外筒主体1能转动地连接，且在外筒主体1的内部设置有能做行星摆动的定子8，钻井介质在通过外筒主体1的过程中，在钻井介质能够推动定子8做行星摆动的同时，外筒主体1做周向转动，进而通过外筒主体1带动底部的钻头2进行转动，保证机械破岩的顺利进行。
76.三、该中空反置螺杆钻具在作业过程中，定子8只做行星摆动，而不做周向转动，外筒主体1带动钻头2做周向转动，不仅便于光纤等供能线缆顺利通过下入至井下，而且不会对钻头2的正常作业造成影响，达到了将定向能破坏地层与机械钻井合理、有效结合的技术效果，进一步提高钻进速度，大大提高钻井作业效率，适于推广使用。
77.以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。