一种伴随PDC钻头的惯性约束诱导钻进装置

摘要

一种伴随PDC钻头的惯性约束诱导钻进装置，行星架套装在太阳轮输入轴的外圆周表面，小滑动轴瓦套装在该太阳轮输入轴的圆周表面；4根行星齿轮轴均布在该行星架的表面；8个行星齿轮均分为2组，并使所述2组行星齿轮轴向排列的套装在所述各行星齿轮轴上，其中第一组行星齿轮靠近所述太阳轮输入轴连接钻铤端；所述第一组行星齿轮的端面与太阳轮输入轴一端台阶的内端面通过端面压力轴承贴合。行星架输出轴套装在所述太阳轮输入轴的外圆周表面，并使该行星架输出轴的内端面与所述行星架的外端面贴合。本发明是在行星轮减速器结构基础上完成的，具有冲击平稳连续、耐久性保障、保证钻孔孔眼质量，以及低能耗的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，适用于石油PDC钻头钻井的一种设备。

背景技术

石油钻井过程中经常会钻遇各向异性或硬质夹杂的地层，常引起钻进系统的粘滑、脱压、跳钻、崩齿和断刀等现象，严重影响了钻进进度、质量控制。随着现代工业自动化技术发展深入，钻井进度、质量控制的技术要求与成本控制的矛盾日益突出，迫切需要一种能够在恶劣工作环境下实现可靠、平稳、高效的钻进技术设备。

申请号为CN201610099208.2的发明创造中公开了一种吸震式高频扭力冲击器。该冲击器主要应用于石油钻井技术领域，特别涉及一种吸震式高频扭力冲击器。该发明冲击频率较其它钻具至少提升1倍，来自钻柱轴向震动被安装在钻具底部的碟簧组吸收，全面保护PDC钻头的切削齿。

申请号为CN201511028393.8的发明创造中公开了一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具。该钻具是一种用于气体钻井技术钻定向井、水平井和大斜度井，利用气驱液自循环，能够平稳输出扭矩的气体钻井螺杆钻具；包括从上至下依次连接的马达总成、万向轴总成和传动轴总成。该发明具有平稳输出扭矩、延长钻具使用寿命的效能。

《石油机械》2013.42的文献报道SLTIT型扭转冲击钻井提速工具消除PDC钻头卡滑现象、提高难钻地层机械钻速。该工具与PDC钻头配合使用，形成一种新的钻井工程提速技术，在缩短钻井周期的同时，还能够稳定钻进过程，延长钻具寿命。采用流体动力学理论、3D虚拟设计技术与试验研究相结合的研制方法，提速工具室内试验寿命＞150H。

《石油钻探技术》2015.1文献分别报道当前国内外应用的三种提速技术：液动旋冲提速工具、螺杆或涡轮马达钻具以及气体钻井技术。

上述钻具专利技术都具有较好钻井提速的应用效果，但是需要泥浆泵或气体泵的动力支援，一方面能耗较大；另一方面对于深井钻进力不从心或无流体循环的钻孔不适用。上述文献数据检索，未见到不依赖流体动力的惯性约束钻进装置的文献报道。

发明内容

为克服现有技术中存在的依赖流体循环动力、和能耗较大的不足，本发明提出了一种伴随PDC钻头的惯性约束诱导钻进装置。

本发明包括太阳轮输入轴、惯性双联齿圈、行星齿轮、端面压力轴承、行星架输出轴、行星架、行星齿轮轴、小滑动轴瓦和多头扭转弹簧。其中：所述行星架套装在所述太阳轮输入轴的外圆周表面，小滑动轴瓦套装在该太阳轮输入轴的圆周表面；4根行星齿轮轴均布在该行星架的表面；8个行星齿轮均分为2组，并使所述2组行星齿轮轴向排列的套装在所述各行星齿轮轴上，其中第一组行星齿轮靠近所述太阳轮输入轴连接钻铤端；所述第一组行星齿轮的端面与所述太阳轮输入轴一端台阶的内端面通过端面压力轴承贴合。

所述行星架输出轴套装在所述太阳轮输入轴的外圆周表面，并使该行星架输出轴的内端面与所述行星架的外端面贴合。

所述惯性双联齿圈的一端套装在所述太阳轮输入轴连接钻铤一端的外圆周表面,该惯性双联齿圈的另一端套装在所述行星架输出轴的外圆周表面,并使该惯性双联齿圈中部的内表面与所述行星齿轮的外圆周表面之间啮合；所述惯性双联齿圈的内表面与太阳轮输入轴的外表面之间腔内周有大滑动轴瓦。

所述多头扭转弹簧为弹性牵连约束的多头扭转弹簧,该多头扭转弹簧套装在所述述行星架输出轴的外圆周表面，并使该多头扭转弹簧的内端面与所述惯性双联齿圈的外端面嵌合，该多头扭转弹簧的外端的端面通过固定螺栓与所述行星架输出轴的外端端面固紧。

所述太阳轮输入轴的一端的外圆周表面为等径段，另一端的外圆周表面为多级的台阶状，其中的第一级台阶的圆周表面为第一组行星齿轮的配合表面，第二级台阶的圆周表面为端面压力轴承的安装面，第三级台阶的圆周表面为惯性双联齿圈的安装面，并且在所述第三级台阶的圆周表面有径向凸出的凸台，用于该惯性双联齿圈的轴向定位。所述太阳轮输入轴等径段的外径与行星架的内径相同，并使该太阳轮输入轴等径段与所述第一级台阶表面之间阶梯差的端面成为该行星架的轴向定位面；所述第三级台阶的外径与所述行星架输出轴的最大外径相同。

所述行星架输出轴内端的端面均布有用于安装所述行星架的销孔。该行星架输出轴外端的内表面为用于连接钻头的螺纹面。该行星架输出轴内端的内表面为等径段，该等径段的内径与所述太阳轮输入轴的外径相同，使该行星架输出轴与所述太阳轮输入轴间隙配合。所述行星架输出轴内表面中段的内径与所述装配螺母的外径相同，使该行星架输出轴与所述装配螺母间隙配合。该行星架中段的外表面直径最小，并且该中段与两端的外表面均以斜面过渡，在该中段形成了所述行星架输出轴外表面与多头扭转弹簧内表面的配合间隙，作为该多头扭转弹簧的变形空间；该行星架输出轴内端的外圆周表面为阶梯面，用于安装所述惯性双联齿圈。所述多头扭转弹簧套装在行星架输出轴的外圆周表面。

所述行星齿轮的模数为1.0～5.0。

所述惯性双联齿圈的内圆周表面轴向排列有2组与所述行星齿轮啮合的直齿面。所述惯性双联齿圈一端的内圆周表面与所述太阳轮输入轴一端外圆周上的台阶面配合，另一端的内圆周表面与行星架输出轴外圆周上的台阶面配合。在该惯性双联齿圈与行星架输出轴配合一端的端面均布有凹槽，用于与多头扭转弹簧的端面嵌合连接。

在所述太阳轮输入轴的尾端按装有装配螺母；该装配螺母套装在所述太阳轮输入轴的外圆周表面，并处于该太阳轮输入轴的外圆周表面与行星架输出轴的内圆周表面之间。

所述行星架为中空回转体。在该行星架的壳体上均布有行星齿轮的安装孔。在所述行星架两端端面上均布有四个用于安装各行星架输出轴的轴孔；所述的轴孔均分别与各所述的矩形通孔的两端贯通，并使分别位于行星架两端端面上的相互对应的通孔同心。在该行星架一端端面的内缘处有轴向突出的环形凸台，该凸台为止口。

所述行星架的外径小于所述惯性双联齿圈的内径，所述行星架的内径比太阳轮输入轴的外径大3～8mm。

本发明是在行星轮减速器结构基础上完成的。本发明的结构由五部分组成：第一部分是组装行星架输出部件：八个行星齿轮通过4个行星齿轮轴固定在行星架输出轴，形成了行星架输出部件；第二部分是在太阳轮输入轴上装大滑动轴瓦，并套装弹性牵连的惯性双联齿圈，保证惯性双联齿圈的内环端面与大滑动轴瓦处于过渡配合；第三部分是在太阳轮输入轴上安装小滑动轴瓦和端面轴承，然后在太阳轮轴和惯性双联齿圈之间填装行星架输出轴部件，保证太阳齿轮、行星齿轮与内联齿轮相互啮合，以及小滑动轴瓦与星架输出轴部件的过渡配合，并通过太阳轮输入轴端部的装配螺母锁紧行星架输出轴部件，还要加装防退螺栓确保锁紧可靠；第四部分是在星架输出轴部件安装另一端的大滑动轴瓦，并在外部套装弹性牵连约束的多头扭转弹簧，使得其端部的牵连槽与弹性牵连惯性双联齿圈的端部牵连槽相互配合，形成惯性扭转牵连机构；第五部分是在多头扭转弹簧与行星架输出轴部件配合的端部，用4个固定螺拴约束锁锭多头扭转弹簧的另一端，则结构装配完成。

针对现有钻进体系的振动、跳钻和脱压的问题，本发明提出惯性约束诱导钻进方法。本发明利用转子动力学惯性载荷的冲击振动响应原理，循环交变实现的一种惯性约束诱导钻进方法。本发明原理是释放转子惯性约束诱导的自由度约束，改写系统静力学设计方法，匹配独立的惯性元件约束周向交变冲击振动响应，缓解钻头钻进遇阻遇卡的钻进体系波动响应，稳定钻进体系的基本切削条件，实现连续稳定钻进的方法，为深地钻探、深孔加工和高效切削提供一种全新的惯性约束诱导钻进的方法。

与现有技术相比，本发明具有5个特点：

1)冲击平稳连续：缓解钻头遇阻冲击波传播，从源头抑制消除钻柱体系振动；遇阻及时响应破阻，避免钻进间断，保障切削连续；

钻头遇阻产生扭转剪切的横向冲击波，并通过惯性行星架9向上传递扭转冲击横波，并分解成三路向上传递。第一路冲击波通过扭转弹簧12分解部分剪切冲击波，但是由扭转弹簧的柔性将剪切冲击波的峰值缓冲降低；第二路与第三路冲击波分别通过行星轮8和太阳轮1按传动比分解冲击扭矩，其中大部分冲击扭矩传递到惯性双联外齿圈4上，仅有小部分扭矩冲击波传导到钻杆上大大缓解了冲击波传播，抑制了钻柱体系振动冲击响应带来的振荡运动,减小了钻头振动。

同时在钻进启动钻头切削时，钻头没有达到切削扭矩之前，太阳轮1输入的扭矩先以势能的形式储存在扭转弹簧12中。钻头达到切削扭矩之时，本发明装置与钻头同步旋转钻进，钻进才开始有了进展。钻进过程中一旦钻头遇阻，同步转动的惯性双联外齿圈4依靠惯性释放部分储存势能，并瞬间加到钻头上，相应提供额外的破岩扭矩，同时其转动速度也相应减小。本装置所提供的额外破岩扭矩和减速的大小取决于遇阻的大小，遇阻大释放能量多，减速大，反之亦然。钻头破岩后的能量突然释放，钻头会表现转动加速突进；同时减速的惯性双联外齿圈4也同步要求加速跟进原来的钻进转动速度；结果就是破岩后释放的能量重新分配，钻头加速突进减缓，惯性双联外齿圈4同步跟上来。如此钻头受到的交变应力减小，完成一轮冲击响应的切削循环，钻头连续缓冲的循环周期形成，形成连续切削的条件。

2)耐久性保障：结构减缓钻头受到的交变应力，保障钻头疲劳寿命的。

切削岩石需要钻头承担一定的载荷应力水平，但是如果这种载荷应力波动过大，波动冲击载荷就会更容易损伤钻头；如果连续钻进中钻头钻压和运动稳定性好，则钻头切削平均应力的波动小，也就是交变波动载荷的应力比小。本发明通过上述的缓冲减振系统，能够有效控制住交变载荷的应力波动幅值，缓冲钻头惯性振动冲击，减小钻头破阻突进以及遇阻冲击速度，实现钻头使用寿命的耐久性保障。

3)井眼质量保证：连续平稳钻进钻头不摆动，孔眼直径有保障，孔眼光滑规则；

正是由于上述的缓冲和原因，钻杆波动响应小以及钻头切削连续，钻杆不容易出现摆钻的运动稳定性问题，钻头只有自转的切削运动，少有摆动钻进的公转运动，则钻进孔眼直径的扩大率才有保证。同时切削的钻头运动轨迹平稳连续，所以钻孔孔眼相对光滑规则。

4)经济性：无额外动力需求，无排量要求，不做无用功，低能耗；

相对于国内外利用流体排量来辅助切削的发明专利，如阿特拉斯的Tork Buster和国内的扭冲钻井工具，以及螺杆泵复合钻井等技术，在同等泥浆排量下必然会增加井口泥浆柱塞泵负荷带来的能耗消耗。本发明装置无流体动力需求，也不像阿特拉斯Tork Buster主动攻击岩石，仅是遇阻后被动响应切削。本发明装置即不消耗流体动力，也不盲目消耗钻柱传导的动力，则能耗自然降低。

5)新颖性：突破传统静力学设计理念，应用动力学设计原理的实现技术。

本发明装置的设计原理是从动力学出发的设计概念，涉及到转动、速度、振动、冲击、频响、突进和迟滞等时间概念。不仅原理结构奇特，其动力学设计方法和连续冲击振动概念也是新颖的。

附图说明

图1为伴随PDC钻头的惯性约束钻进装置结构图，其中，1a是主视图，1b是1a的A-A向视图；

图2为太阳轮输入轴结构示意图，其中，2a是主视图，2b是右视图；

图3为行星架输出轴结构示意图，其中，3a是左视图，3b是主视图；

图4为行星齿轮结构示意图，其中，4a是左视图，4b是主视图，4c是轴测图；

图5为行星齿轮轴结构示意图，其中，5a是左视图，5b是主视图；

图6为惯性双联齿圈结构示意图，其中，6a是主视图，6b是右视图，6c是轴测图；

图7为行星架结构示意图，7a是主视图，7b是右视图，7c是轴测图；

图8为多头扭转弹簧结构示意图，8a是主视图，8b是8a的剖视图。图中：

1.太阳轮输入轴；2.大滑动轴瓦；3.端面压力轴承；4.惯性双联齿圈；5.行星齿轮；6.行星架；7.行星齿轮轴；8.小滑动轴瓦；9.行星架输出轴；10.装配螺母；11.防退螺栓；12.多头扭转弹簧；13.固定螺栓。

具体实施方式

本实施例是一种伴随PDC钻头的惯性约束钻进装置，包括阳轮输入轴1、惯性双联齿圈4、行星齿轮5、端面压力轴承3、行星架输出轴6、行星齿轮轴7、小滑动轴瓦8和多头扭转弹簧12。

其中：所述行星架6套装在所述太阳轮输入轴1的外圆周表面，4根行星齿轮轴7均布在该行星架的表面；8个行星齿轮5均分为2组，并使所述2组行星齿轮轴向排列的套装在所述各行星齿轮轴上，其中第一组行星齿轮靠近所述太阳轮输入轴连接钻铤端；所述第一组行星齿轮的端面与所述太阳轮输入轴一端台阶的内端面通过端面压力轴承3贴合。

所述行星架输出轴9套装在所述太阳轮输入轴1的外圆周表面，并使该行星架输出轴的内端面与所述行星架的外端面贴合。小滑动轴瓦1套装在该太阳轮输入轴1的圆周表面；装配螺母10位于该太阳轮输入轴的尾端，套装在所述太阳轮输入轴的外圆周表面，并处于该太阳轮输入轴的外圆周表面与行星架输出轴9的内圆周表面之间。在所述装配螺母与太阳轮输入轴1的端面配钻有防退螺栓11。

所述惯性双联齿圈4的一端套装在所述太阳轮输入轴连接钻铤一端的外圆周表面,该惯性双联齿圈的另一端套装在所述行星架输出轴9的外圆周表面,并使该惯性双联齿圈中部的内表面与所述行星齿轮5的外圆周表面之间啮合；所述惯性双联齿圈的内表面与太阳轮输入轴1的外表面之间腔内周有大滑动轴瓦2。

所述多头扭转弹簧12为弹性牵连约束的多头扭转弹簧,该多头扭转弹簧12套装在所述述行星架输出轴9的外圆周表面，并使该多头扭转弹簧的内端面与所述惯性双联齿圈4的外端面嵌合，该多头扭转弹簧的外端的端面通过固定螺栓13与所述行星架输出轴9的外端端面固紧。

所述太阳轮输入轴1为中空轴。该太阳轮输入轴的一端的外圆周表面为等径段，另一端的外圆周表面为多级的台阶状，其中的第一级台阶的圆周表面为第一组行星齿轮的配合表面，第二级台阶的圆周表面为端面压力轴承的安装面，第三级台阶的圆周表面为惯性双联齿圈4的安装面，并且在所述第三级台阶的圆周表面有径向凸出的凸台，用于该惯性双联齿圈的轴向定位。所述太阳轮输入轴等径段的外径与行星架6的内径相同，并使该太阳轮输入轴等径段与所述第一级台阶表面之间阶梯差的端面成为该行星架6的轴向定位面；所述第三级台阶的外径与所述行星架输出轴9的最大外径相同。

所述行星架输出轴9为中空回转体。该行星架输出轴内端的端面均布有销孔，用于安装所述行星架6。该行星架输出轴外端的内表面为用于连接钻头的螺纹面。该行星架输出轴内端的内表面为等径段，该等径段的内径与所述太阳轮输入轴1的外径相同，使该行星架输出轴与所述太阳轮输入轴间隙配合。所述行星架输出轴9内表面中段的内径与所述装配螺母10的外径相同，使该行星架输出轴与所述装配螺母间隙配合。该行星架中段的外表面直径最小，并且该中段与两端的外表面均以斜面过渡，在该中段形成了所述行星架输出轴外表面与多头扭转弹簧12内表面的配合间隙，作为该多头扭转弹簧的变形空间；该行星架输出轴内端的外圆周表面为阶梯面，用于安装所述惯性双联齿圈4。所述多头扭转弹簧套装在行星架输出轴的外圆周表面。

所述行星齿轮5为标准直齿轮。该行星齿轮的模数为1.0～5.0。本实施例中，该行星齿轮的模数为2.0。

所述惯性双联齿圈4为中空回转体。该惯性双联齿圈的内圆周表面轴向排列有2组与所述行星齿轮啮合的直齿面。所述惯性双联齿圈一端的内圆周表面与所述太阳轮输入轴1一端外圆周上的台阶面配合，另一端的内圆周表面与行星架输出轴9外圆周上的台阶面配合。在该惯性双联齿圈与行星架输出轴配合一端的端面均布有凹槽，用于与多头扭转弹簧12的端面嵌合连接。

所述行星架6为中空回转体。在该行星架的壳体上均布有四个矩形通孔，该矩形通孔为行星齿轮的安装孔。在所述行星架两端端面上均布有四个轴孔，用于安装各行星架输出轴9；所述的轴孔均分别与各所述的矩形通孔的两端贯通，并使分别位于行星架两端端面上的相互对应的通孔同心。在该行星架一端端面的内缘处有轴向突出的环形凸台，该凸台为止口。

所述行星架的外径小于所述惯性双联齿圈4的内径，所述行星架的内径比太阳轮输入轴1的外径大3～8mm。