利用滚动螺旋实现减摩阻增效益的防滞动工具 |
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| 申请号 | CN201610382178.6 | 申请日 | 2016-06-02 | 公开(公告)号 | CN105863525A | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 西南石油大学; | 发明人 | 田家林; 杨应林; 杨琳; 胡书辉; 蔡旭东; 杜凡; 周韬; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种利用滚动螺旋实现减摩阻增效益的防滞动工具，通过 螺纹 连接安装在 钻头 上部，包括上端总成、压 力 平衡腔、中部总成、螺旋传动总成和下接头。所述的上端总成前端安装压力平衡腔，再连接中部总成，中部总成前端依次连接螺旋传动总成和下接头，通过 沟道 外壳 、螺旋芯轴与 滚动体 相配合，构成滚珠螺旋副，并在钻压作用下保持自 锁 ，当钻头所受 地层 反作用力增大时，滚珠螺旋副解除自锁状态，螺旋芯轴相对沟道外壳向后转动，从而使钻头所受反向 扭矩 与轴向反作用力减小，其受力重新达到平衡时，滚珠螺旋副将再次保持自锁，实现钻头的正常钻进。本发明的防滞动工具可以有效降低地层反作用力，从而提高钻井效率，节约钻井成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.利用滚动螺旋实现减摩阻增效益的防滞动工具，其特征在于：所述的防滞动工具包括上端总成、压力平衡腔、中部总成、螺旋传动总成和下接头(31)，在上端总成前端安装压力平衡腔，再连接中部总成，中部总成前端依次连接螺旋传动总成和下接头(31)；所述上端总成包括上接头(1)、内管(4)、弹簧(6)、L形密封圈(2)、矩形密封圈a(3)，将L形密封圈(2)和矩形密封圈a(3)组合成在一起，安装在上接头(1)内圆周上，将弹簧(6)安装在内管(4)上，并将内管(4)后端安装在上接头(1)内孔，利用L形密封圈(2)和矩形密封圈a(3)组合密封内管(4)与上接头(1)之间的间隙，钻压通过弹簧(6)向下传递；压力平衡腔包括外壳(5)、导流筒(12)、上密封环(9)、下密封环(16)、耐磨橡胶环a(7)、O形密封圈a(8)、矩形密封圈b(10)、矩形密封圈c(11)、O形密封圈b(13)、矩形密封圈d(14)、耐磨环(15)、耐磨橡胶环b(17)，将耐磨橡胶环a(7)安装在上密封环(9)外圆周后端，并在上密封环(9)内外圆周上分别安装O形密封圈a(8)与矩形密封圈b(10)，使四者组合为一个整体，安装在导流筒(12)后端，在下密封环(16)前端内外圆周上分别安装耐磨橡胶环b(17)与耐磨环(15)，并在其后端内外圆周上分别安装矩形密封圈d(14)与O形密封圈b(13)，将五者组合为一个整体，安装在短节(19)外圆周上，在内管(4)前端安装导流筒(12)，将短节(19)安装在导流筒(12)前端，并将外壳(5)安装在上接头(1)前端，泥浆通过导流筒(12)圆周上小孔进入压力平衡腔，推动上密封环(9)和下密封环(16)移动，直到泥浆充满压力平衡腔，利用泥浆吸收工具工作时产生的振动；中部总成包括连接短节(21)、O形密封圈c(18)、矩形密封圈e(20)、O形密封圈d(22)，在连接短节(21)后端安装O形密封圈c(18)，中部安装矩形密封圈e(20)，前端安装O形密封圈d(22)，构成中部总成，安装在短节(19)前端；螺旋传动总成包括沟道外壳(23)、螺旋芯轴(24)、滚动体(25)、外壳锁紧接头(28)、外壳补偿短节(26)、调整垫片(27)、矩形密封圈f(29)、矩形密封圈g(30)，将矩形密封圈f(29)与矩形密封圈g(30)分别安装在外壳锁紧接头(28)上，使三者组合为一个整体安装在螺旋芯轴(24)圆周上，再依次装上调整垫片(27)与外壳补偿短节(26)，将沟道外壳(23)安装在外壳(5)前端，最后将滚动体(25)安装在螺旋芯轴(24)圆周上的沟道内，并将螺旋芯轴(24)安装在连接短节(21)前端，利用外壳锁紧接头(28)将外壳补偿短节(26)与调整垫片(27)锁紧在沟道外壳(23)，在螺旋芯轴(24)前端安装下接头(31)，下接头(31)前端接扣钻头，在钻压作用下滚珠螺旋副处于自锁状态，钻头正常破岩，当底层对钻头的反作用力增大时，滚珠螺旋副受力发生改变，解除自锁，螺旋芯轴(24)相对沟道外壳(23)产生一个向后转动，从而使钻头所受反向扭矩与轴向反作用力减小，当受力重新达到平衡时，螺旋芯轴(24)向前转动，使滚珠螺旋副将再次保持自锁，实现钻头的正常钻进。 |
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| 说明书全文 | 利用滚动螺旋实现减摩阻增效益的防滞动工具技术领域背景技术[0002] 随着石油天然气开发程度的增加，开采难度也不断加大，钻井工程面临的地质环境与钻井工艺也越来越复杂。地层环境差异对井下钻井工具的使用提出了新的要求，提高井下工具的使用寿命，提高钻井效率，节约钻井成本也是节能环保新形势下的必然趋势。钻头钻进过程中，除了受到上部钻具传递下来的钻压与扭矩、泥浆压力等作用力外，还会受到不规则的地层反作用力，包括轴向反向冲击、周向反作用扭矩、井壁摩擦力等，地层反作用力通过钻头传递到上部钻具，使上部钻具产生振动、扭转等运动，这将影响上部钻具的正常工作，并降低钻具的使用寿命，钻头的使用性能与使用寿命也将受到影响，从而对钻井作业产生影响，降低钻井效率，增加钻井成本。 [0003] 防滞动工具主要应用于石油天然气钻井工程，用于降低地层反作用扭矩与轴向反作用力，改善钻头做面临的地层环境，实现钻头高效破岩。开展防滞动工具的设计研究，可以将地层反作用的轴向和周向作用力耦合利用起来，利用反作用力实现防滞动工具正常运转，将地层反作用力转变为有益作用。所以，防滞动井下工具的研究是石油天然气钻井新形势下的必然需求，也将是未来井下工具发展的必然趋势。 发明内容[0004] 为了探索解决背景技术中所述的降低地层反作用扭矩与轴向反作用力，并将其有效利用起来，本发明提供了一种利用滚动螺旋实现减摩阻增效益的防滞动工具，本发明的防滞动工具通过沟道外壳、螺旋芯轴与滚动体相配合，构成滚珠螺旋副，并在钻压作用下保持自锁，在钻井扭矩驱动下实现钻头正常破岩，当钻头所受地层反作用力增大时，滚珠螺旋副解除自锁状态，螺旋芯轴相对沟道外壳向后转动，从而使钻头所受反向扭矩与轴向反作用力减小，直到钻头受力重新达到平衡，滚珠螺旋副将再次保持自锁，实现钻头的正常钻进。 [0005] 本发明的技术方案是：利用滚动螺旋实现减摩阻增效益的防滞动工具由上端总成、压力平衡腔、中部总成、螺旋传动总成和下接头，在上端总成前端安装压力平衡腔，再连接中部总成，中部总成前端依次连接螺旋传动总成和下接头；所述上端总成包括上接头、内管、弹簧、L形密封圈、矩形密封圈a，将L形密封圈和矩形密封圈a组合成在一起，安装在上接头内圆周上，将弹簧安装在内管4上，并将内管后端安装在上接头内孔；所述的压力平衡腔包括外壳、导流筒、上密封环、下密封环、耐磨橡胶环a、O形密封圈a、矩形密封圈b、矩形密封圈c、O形密封圈b、矩形密封圈d、耐磨环、耐磨橡胶环b，将耐磨橡胶环a安装在上密封环外圆周后端，并在上密封环内外圆周上分别安装O形密封圈a与矩形密封圈b，使四者组合为一个整体，安装在导流筒后端，在下密封环前端内外圆周上分别安装耐磨橡胶环b与耐磨环，并在其后端内外圆周上分别安装矩形密封圈d与O形密封圈b，将五者组合为一个整体，安装在短节外圆周上，在内管前端安装导流筒，将短节安装在导流筒前端，并将外壳安装在上接头前端；所述的中部总成包括连接短节、O形密封圈c、矩形密封圈e、O形密封圈d，在连接短节后端安装O形密封圈c，中部安装矩形密封圈e，前端安装O形密封圈d，构成中部总成，安装在短节前端；所述的螺旋传动总成包括沟道外壳、螺旋芯轴、滚动体、外壳锁紧接头、外壳补偿短节、调整垫片、矩形密封圈f、矩形密封圈g，将矩形密封圈f与矩形密封圈g分别安装在外壳锁紧接头上，使三者组合为一个整体安装在螺旋芯轴圆周上，再依次装上调整垫片与外壳补偿短节，将沟道外壳安装在外壳前端，最后将滚动体安装在螺旋芯轴圆周上的沟道内，并将螺旋芯轴安装在连接短节前端，利用外壳锁紧接头将外壳补偿短节与调整垫片锁紧在沟道外壳，在螺旋芯轴前端安装下接头；所述的弹簧安装上内管之前应该在其表面涂上润滑脂，减少弹簧与外壳内表面之间的摩擦，降低弹簧的磨损；L形密封圈和矩形密封圈a组合数量为2组，保证内管与上接头之间的间隙能被完全密封；螺旋芯轴安装之前，其圆周上的沟道底部应涂上润滑脂。 [0006] 本发明的有益效果是：(1)本次发明的利用滚动螺旋实现减摩阻增效益的防滞动工具可以实现钻头的正常破岩，当钻头产生粘滑、卡钻现象时，钻头所受的反向扭矩和轴向反作用力增大，滚珠螺旋副解除自锁，螺旋芯轴产生反向转动，可以有效缓和钻头所受的地层反作用力。(2)利用沟道外壳、螺旋芯轴与滚动体构成滚珠螺旋副，实现工具的防滞动工作原理，其结构新颖，具有理论研究价值以及进一步开发完善的可能性。(3)压力平衡腔中的密封结构采用滑动安装方式，当螺旋芯轴产生反向转动，压缩弹簧时，弹簧所处空腔中的润滑脂可以推动密封结构向前移动，同时压力平衡腔中的泥浆可以通过通孔回流到泥浆流道，实现压力平衡。(4)采用独立下接头结构，可以根据不同钻井参数设置，通过更换不同尺寸的下接头，便于安装不同尺寸的钻头。附图说明 [0007] 图1是本发明的结构示意图； [0008] 图2是弹簧的结构示意图； [0009] 图3是上密封环的结构示意图； [0010] 图4是导流筒的结构示意图； [0011] 图5是下密封环的结构示意图； [0012] 图6是螺旋芯轴的结构示意图； [0013] 图中1-上接头，2-L形密封圈，3-矩形密封圈a，4-内管，5-外壳，6-弹簧，7-耐磨橡胶环a，8-O形密封圈a，9-上密封环，10-矩形密封圈b，11-矩形密封圈c，12-导流筒，13-O形密封圈b，14-矩形密封圈d，15-耐磨环，16-下密封环，17-耐磨橡胶环b，18-O形密封圈c，19-短节，20-矩形密封圈e，21-连接短节，22-O形密封圈d，23-沟道外壳，24-螺旋芯轴，25-滚动体，26-外壳补偿短节，27-调整垫片，28-外壳锁紧接头，29-矩形密封圈f，30-矩形密封圈g，31-下接头。 具体实施方式[0014] 下面结合附图对本发明作进一步说明： [0015] 参见图1，利用滚动螺旋实现减摩阻增效益的防滞动工具由上端总成、压力平衡腔、中部总成、螺旋传动总成和下接头31，在上端总成前端安装压力平衡腔，再连接中部总成，中部总成前端依次连接螺旋传动总成和下接头31；所述上端总成包括上接头1、内管4、弹簧6、L形密封圈2、矩形密封圈a3，将L形密封圈2和矩形密封圈a3组合成在一起，安装在上接头1内圆周上，将弹簧6安装在内管4上，并将内管4后端安装在上接头1内孔，利用L形密封圈2和矩形密封圈a3组合密封内管4与上接头1之间的间隙，钻压通过弹簧6向下传递。所述的压力平衡腔包括外壳5、导流筒12、上密封环9、下密封环16、耐磨橡胶环a7、O形密封圈a8、矩形密封圈b10、矩形密封圈c11、O形密封圈b13、矩形密封圈d14、耐磨环15、耐磨橡胶环b17，将耐磨橡胶环a7安装在上密封环9外圆周后端，并在上密封环9内外圆周上分别安装O形密封圈a8与矩形密封圈b10，使四者组合为一个整体，安装在导流筒12后端，在下密封环16前端内外圆周上分别安装耐磨橡胶环b17与耐磨环15，并在其后端内外圆周上分别安装矩形密封圈d14与O形密封圈b13，将五者组合为一个整体，安装在短节19外圆周上，在内管4前端安装导流筒12，将短节19安装在导流筒12前端，并将外壳5安装在上接头1前端，泥浆通过导流筒12圆周上小孔进入压力平衡腔，推动上密封环9和下密封环16移动，直到泥浆充满压力平衡腔，利用泥浆吸收工具工作时产生的振动。 [0016] 所述的中部总成包括连接短节21、O形密封圈c18、矩形密封圈e20、O形密封圈d22，在连接短节21后端安装O形密封圈c18，中部安装矩形密封圈e20，前端安装O形密封圈d22，构成中部总成，安装在短节19前端。 [0017] 所述的螺旋传动总成包括沟道外壳23、螺旋芯轴24、滚动体25、外壳锁紧接头28、外壳补偿短节26、调整垫片27、矩形密封圈f29、矩形密封圈g30，将矩形密封圈f29与矩形密封圈g30分别安装在外壳锁紧接头28上，使三者组合为一个整体安装在螺旋芯轴24圆周上，再依次装上调整垫片27与外壳补偿短节26，将沟道外壳23安装在外壳5前端，最后将滚动体25安装在螺旋芯轴24圆周上的沟道内，并将螺旋芯轴24安装在连接短节21前端，利用外壳锁紧接头28将外壳补偿短节26与调整垫片27锁紧在沟道外壳23，在螺旋芯轴24前端安装下接头31，下接头31前端接扣钻头，在钻压作用下滚珠螺旋副处于自锁状态，钻头正常破岩，当底层对钻头的反作用力增大时，滚珠螺旋副受力发生改变，解除自锁，螺旋芯轴24相对沟道外壳23产生一个向后转动，从而使钻头所受反向扭矩与轴向反作用力减小，当受力重新达到平衡时，螺旋芯轴24向前转动，使滚珠螺旋副将再次保持自锁，实现钻头的正常钻进。 [0018] 所述的弹簧6安装上内管4之前应该在其表面涂上润滑脂，减少弹簧6与外壳5内表面之间的摩擦，降低弹簧6的磨损；L形密封圈2和矩形密封圈a3组合数量为2组，保证内管4与上接头1之间的间隙能被完全密封；螺旋芯轴24安装之前，其圆周上的沟道底部应涂上润滑脂，用于安放与润滑滚动体25。 |
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