防制动涡轮钻具制造技术

本发明专利技术提出了一种防制动涡轮钻具，所述防制动涡轮钻具上端与钻铤或钻杆螺纹连接，其下端经动力输出轴与钻头连接；该防制动涡轮钻具包括依次连接成一个整体的短螺杆马达总成、特制涡轮总成和双啮合复合驱动总成，短螺杆马达总成的下端通过螺纹串联连接特制涡轮总成的上端，特制涡轮总成的下端通过螺纹连接双啮合复合驱动总成的上端，双啮合复合驱动总成通过其内配合的两对啮合棘轮结构连接与钻头连接的动力输出轴。该防制动涡轮钻具能够大幅降低研磨性硬地层钻井中的卡钻风险，更安全可靠。更安全可靠。更安全可靠。

【技术实现步骤摘要】
防制动涡轮钻具


[0001]本专利技术属于地质探矿工程及石油钻井
，主要涉及一种具有防钻头制动功能的防制动涡轮钻具。

技术介绍

[0002]石油钻井作为油气勘探开发中的一个重要环节，钻井技术水平的高低直接关系到油气勘探开发的效益的好坏，但目前钻穿硬、研磨性地层常常意味着巨大而独特的挑战。钻遇高研磨性硬地层通常会遇到机械钻速(ROP)低、振动大、井下钻具组合失效风险增加、频繁起下钻更换钻头和马达等问题导致大幅增加钻井成本。
[0003]在高研磨性硬地层钻井中，使用含螺杆钻具和PDC钻头的常规井下钻具组合(BHA)无法取得经济有效的进尺和可靠性。涡轮钻具非常适用于这种恶劣工况，能够更加高效地钻穿硬、研磨性地层，减少钻达完钻井深的起下钻次数，避免非生产时间，降低每米成本；但现有涡轮钻具受自身结构、性能的限制，其转速高扭矩小、工具压降相对于载荷变化不大的特点，在刚发生钻头制动或卡钻头复杂情况时，地面操作人员无法及时判断，易导致由于钻头粘卡造成的钻具落井事故，事故处理难度大，经常出填井侧钻甚至井眼报废等严重损失，使涡轮钻井技术的应用受到了严重制约。
[0004]中国专利CN106555549A公布的一种摩擦棘轮式防制动涡轮钻具可以实现实时防钻头制动功能，但结构复杂；而且无法通过泵压的变化及时判断钻头制动，尤其是无法及时判断是上部钻具还是钻头制动，不利于消除井下卡钻风险；其整机输出扭矩小、转速低也不利于及时消除钻头制动。
[0005]因此，迫切需要尽快解决现有涡轮钻具钻井的技术难点，大幅降低涡轮钻具钻井卡钻风险，使这项技术更加安全可靠，为研磨性硬地层钻井提供有效技术支撑。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本专利技术提出了一种防制动涡轮钻具，该涡轮钻具能够大幅降低研磨性硬地层钻井中的卡钻风险，更安全可靠。
[0007]为了实现以上专利技术目的，本专利技术提出了一种防制动涡轮钻具，所述防制动涡轮钻具上端与钻铤或钻杆螺纹连接，其下端经动力输出轴与钻头连接；该防制动涡轮钻具包括依次连接成一个整体的短螺杆马达总成、特制涡轮总成和双啮合复合驱动总成，短螺杆马达总成的下端通过螺纹串联连接特制涡轮总成的上端，特制涡轮总成的下端通过螺纹连接双啮合复合驱动总成的上端，双啮合复合驱动总成通过其内配合的两对啮合棘轮结构连接与钻头连接的动力输出轴。
[0008]在一种实施方案中，所述短螺杆马达总成包括：短螺杆马达定子、短螺杆马达转子和挠性轴，短螺杆马达转子外表面设有螺纹槽且安装在短螺杆马达定子内，短螺杆马达转子下端连接挠性轴；所述短螺杆马达定子与短螺杆马达转子组成大间隙容积式马达，通过钻井液驱动短螺杆马达转子相对于短螺杆马达定子转动。
[0009]在一种实施方案中，所述特制涡轮总成包括：涡轮马达定子组件、涡轮马达转子组件和涡轮转子主轴。
[0010]在一种实施方案中，涡轮马达定子组件包括涡轮上接头、涡轮节外筒、多级扶正轴承外圈和多级涡轮定子叶片，其中，涡轮上接头与短螺杆马达定子下端连接，涡轮节外筒连接在涡轮上接头的下端外侧，多级扶正轴承外圈设在涡轮定子叶片外侧。
[0011]在一种实施方案中，涡轮马达转子组件包括涡轮转子主轴、涡轮转子压紧套、多级扶正轴承内圈和多级涡轮转子叶片，所述涡轮转子压紧套设在涡轮转子主轴外侧并压在扶正轴承内圈上，扶正轴承内圈设在涡轮转子叶片的两端，涡轮转子压紧套和涡轮转子叶片均连接在涡轮转子主轴上。
[0012]在一种实施方案中，涡轮转子主轴位于涡轮上接头和涡轮节外筒内，且其上端连接挠性轴，下端连接双啮合复合驱动总成。
[0013]在一种实施方案中，所述多级涡轮定子叶片的外侧抵接涡轮节外筒；涡轮节外筒上端与涡轮上接头螺纹连接后，涡轮上接头沿涡轮节外筒内侧向下延伸抵接到多级涡轮定子叶片的上侧；涡轮节外筒下端通过螺纹连接有涡轮下接头，所述涡轮下接头与涡轮节外筒螺纹连接后涡轮下接头沿涡轮节外筒内侧向上延伸抵接到多级涡轮定子叶片的下侧。
[0014]在一种实施方案中，具有高转速软特性的特制涡轮总成和低转速硬特性的短螺杆马达总成串联后，整体的输出转速将大幅低于特制涡轮总成单独运转时的高转速而大于短螺杆马达总成单独运转的空转转速；钻进时，整机的输出转速若小于短螺杆马达的设计钻速，短螺杆马达总成输出扭矩，与特制涡轮总成的输出扭矩叠加作用于钻头；整机的输出转速若大于短螺杆马达的设计钻速，短螺杆马达总成就转化为螺杆泵形式工作，消耗特制涡轮总成输出的一部分扭矩。
[0015]在一种实施方案中，所述双啮合复合驱动总成包括：
[0016]驱动总成外壳，其螺纹连接涡轮下接头；
[0017]连接轴，其连接涡轮输出主轴并向下延伸；
[0018]弹性件，其套接在连接轴上；
[0019]动力传递棘轮组，其套接在连接轴上并滑动连接在外壳内，抵接在弹性件的一端；
[0020]下轴承壳，其与驱动总成外壳螺纹连接，位于动力传递棘轮组的输出端；和
[0021]动力输出轴，其活动穿过下轴承壳连接到经过动力传递棘轮组的连接轴上；连接轴和动力输出轴一体式连接。
[0022]在一种实施方案中，所述动力传递棘轮组包括：
[0023]上啮合静棘轮，其通过花键连接在驱动总成外壳的内表面，且驱动总成外壳上设有供上啮合静棘轮轴向移动的滑槽，上啮合静棘轮套接式连接在连接轴上；
[0024]上啮合动棘轮，其连接在上啮合静棘轮的下方，套接在连接轴上；和
[0025]下啮合动棘轮，其连接在上啮合动棘轮的下方，套接在连接轴上。
[0026]在一种实施方案中，所述上啮合静棘轮通过花键与驱动总成外壳联结成一体，并能轴向移动；上啮合动棘轮、下啮合动棘轮均通过花键与连接轴联结并轴向固定；在涡轮下接头下端面和上啮合动棘轮的上端面之间安装弹簧并预压紧。
[0027]在一种实施方案中，所述驱动总成外壳通过螺纹分别与涡轮下接头和下轴承壳连接，动力输出轴与连接轴通过多方体或花键联结，在钻压或动力输出轴自重的作用下，动力
输出轴能相对涡轮输出轴轴向伸缩，下轴承壳对动力输出轴起径向扶正支撑作用，动力输出轴将旋转动力传递给与其螺纹连接的钻头。
[0028]在一种实施方案中，所述短螺杆马达总成中的短螺杆马达定子的下端公螺纹连接到特制涡轮总成中的涡轮上接头上端的母螺纹，特制涡轮总成的涡轮下接头的下端公螺纹连接到双啮合驱动总成的外壳的上端母螺纹。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0030]本专利技术的防制动涡轮钻具，通过短螺杆马达和涡轮叶片马达将钻井液的液压能转化为钻头处的旋转机械能用于破岩。通过双啮合复合驱动总成结构，在钻头制动时将转盘或顶驱的高扭矩施加到钻头上。通过与涡轮节串联的短螺杆马达，降低涡轮钻具的转速，增加涡轮钻具的输出扭矩。钻头制动会使短螺杆马达制动，泵压大幅急剧上升，帮助操作人员及时判断钻头制动，防止卡钻。在出现严重卡钻头时，双啮合复合驱动总成的两对啮合棘轮可以分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种防制动涡轮钻具，其特征在于，所述防制动涡轮钻具上端与钻铤或钻杆螺纹连接，其下端经动力输出轴与钻头连接；该防制动涡轮钻具包括依次连接成一个整体的短螺杆马达总成、特制涡轮总成和双啮合复合驱动总成，短螺杆马达总成的下端通过螺纹串联连接特制涡轮总成的上端，特制涡轮总成的下端通过螺纹连接双啮合复合驱动总成的上端，双啮合复合驱动总成通过其内配合的两对啮合棘轮结构连接与钻头连接的动力输出轴。2.根据权利要求1所述的防制动涡轮钻具，其特征在于，所述短螺杆马达总成包括：短螺杆马达定子、短螺杆马达转子和挠性轴，短螺杆马达转子外表面设有螺纹槽且安装在短螺杆马达定子内，短螺杆马达转子下端连接挠性轴；所述短螺杆马达定子与短螺杆马达转子组成大间隙容积式马达，通过钻井液驱动短螺杆马达转子相对于短螺杆马达定子转动。3.根据权利要求1或2所述的防制动涡轮钻具，其特征在于，所述特制涡轮总成包括：涡轮马达定子组件，其包括涡轮上接头、涡轮节外筒、多级扶正轴承外圈和多级涡轮定子叶片，其中，涡轮上接头与短螺杆马达定子下端连接，涡轮节外筒连接在涡轮上接头的下端外侧，多级扶正轴承外圈设在涡轮定子叶片外侧；涡轮马达转子组件，其包括涡轮转子主轴、涡轮转子压紧套、多级扶正轴承内圈和多级涡轮转子叶片，所述涡轮转子压紧套设在涡轮转子主轴外侧并压在扶正轴承内圈上，扶正轴承内圈设在涡轮转子叶片的两端，涡轮转子压紧套和涡轮转子叶片均连接在涡轮转子主轴上；和涡轮转子主轴，其位于涡轮上接头和涡轮节外筒内，且其上端连接挠性轴，下端连接双啮合复合驱动总成。4.根据权利要求3所述的防制动涡轮钻具，其特征在于，所述多级涡轮定子叶片的外侧抵接涡轮节外筒；涡轮节外筒上端与涡轮上接头螺纹连接后，涡轮上接头沿涡轮节外筒内侧向下延伸抵接到多级涡轮定子叶片的上侧；涡轮节外筒下端通过螺纹连接有涡轮下接头，所述涡轮下接头与涡轮节外筒螺纹连接后涡轮下接头沿涡轮节外筒内侧向上延伸抵接到多级涡轮定子叶片的下侧。5.根据权利要求4所述的防制动涡轮钻具，其特征在于，具有高转速软特性的特制涡轮总成和低转速硬特性的短螺杆马达总成串联后，整体的输出转速将大幅低于特制涡轮总成单独运转时的高转...

【专利技术属性】
技术研发人员：王甲昌，刘匡晓，玄令超，张仁龙，张海平，孙峰，刘晓丹，胡彦峰，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：