一种用于井下旋转导向钻井工具的高负载万向节

本发明属于旋转导向钻井工具中的高负载万向节，其核心功能是在基于“指向钻头”原理的旋转导向钻井系统中，作为紧凑、高承载的万向节传递钻井负载。本发明涉及一种用于井下旋转导向钻井工具的高负载万向节，属于石油钻井装备。

背景技术：

1、在旋转导向钻井系统中，为实现深井、复杂地层中的精确轨迹控制，必须在钻柱内集成一个能在极小空间内同时完成高负载传递与动态角度偏转的专用柔性关节——万向节。作为导向执行机构的核心，其性能直接决定了整个系统的可靠性、导向精度与作业效率。井下极端工况对该部件提出了多重严苛且相互制约的要求：其一，受限于井眼尺寸，万向节必须具备极端紧凑的径向结构；其二，需在狭小空间内持续承受巨大的钻井扭矩、钻压以及强烈的振动与冲击；其三，必须能够实现动态、可控的微小角度偏转，以驱动钻头精准、快速指向目标方向；其四，在高压钻井液环境中，必须具备极高的运行可靠性，任何失效都将导致高昂的非生产时间成本。

2、旋转导向钻井用万向节的技术发展，主要围绕实现钻井液流通、降低摩擦、提高密封性与承载能力等目标展开，形成了多条各有侧重的技术路线。其中，采用多组陶瓷球传递扭矩的精密结构（亦称“球铰式”）是一种常见方案，它将陶瓷球置于钻头轴圆周的凹窝中，并与带有圆柱形通道的扭矩环配合，利用球体的滚动实现小角度偏转与扭矩传递。然而，该方案存在固有缺陷：首先，陶瓷球与通道之间为点/线接触，接触应力集中，承载能力有限，在井下高负载、高振动的恶劣工况下易发生损坏；其次，其结构通常较为复杂，为承受轴向载荷需额外设置多组独立的推力轴承，导致在有限的井眼尺寸内难以实现结构紧凑化，制约了小尺寸、高强度工具的发展。另一类主流方案是双十字轴流道式，其通过两个十字轴连接万向节叉与中间轴，并在内部设计复杂的贯通流道以允许钻井液通过，核心解决了钻井液的流通密封难题，但代价是结构异常复杂、加工难度大、径向尺寸较大，且多个活动密封点可靠性挑战高。为了提升耐用性，滚珠润滑式方案在传统十字轴结构基础上进行改良，在轴杆上开设凹槽并在轴套内设置滚珠与润滑系统，将滑动摩擦转变为滚动摩擦以减小阻力，但其仍受限于十字轴的基本形式，在极端负载下滚珠存在破碎风险，且径向尺寸缩减有限。针对高压密封的特定难题，中空瓦片密封式方案同样基于双十字轴，但其创新重点在于采用带预紧结构的圆弧状瓦片体动态密封件，以适应偏转和位移，保证高压流道密封，然而该方案将技术复杂性集中于密封系统，对材料与工艺要求苛刻，且未对核心承载结构进行根本性强化。此外，也有一些结构相对简化的尝试，如多面体-柱销摆动式，它通过多面体短节、柱销和带球形键的中心管实现多自由度摆动导向，但柱销与球形键之间接触面积小，接触应力高，难以可靠传递井下巨大的扭矩与钻压。综上所述，现有技术路线往往顾此失彼：或为追求多功能（如流通、密封）而牺牲了结构的紧凑性与可靠性；或为简化结构而无法兼顾高负载承载能力。因此，目前仍缺乏一种能够协同满足旋转导向钻井对极端紧凑的径向尺寸、极高的扭矩与钻压承载、动态可控的微小角度偏转以及井下恶劣工况下的长期工作可靠性等多项复合型苛刻要求的万向节解决方案。

3、因此，综合井下工况对高承载、小尺寸与小角度偏转的需求，现有技术均存在明显不足。亟待一种能兼顾超大负载、极端紧凑结构及可靠、小角度偏转能力的专用万向节方案，以推动旋转导向钻井技术，特别是小井眼、大位移钻井技术的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种能够用于井下旋转导向工具的高负载万向节，解决井下工况对高负载、小尺寸与小角度偏转的问题。

2、本发明的目的是这样实现的，用于井下旋转导向工具的高负载万向节，包括主轴、副轴、三球轴、上滑动块、下滑动块、第一螺钉、分体式凸形块、第二螺钉、上承载环、下承载环；

3、在本发明的一较佳实施方式中，主轴上设置有外花键和外螺纹，三球轴上设置有内螺纹和三个均匀的球形轴，下承载环上设置有内花键，主轴通过螺纹与三球轴连接，下承载环通过花键与主轴连接。上滑动块底部挖有凹球面，并设置有两个螺纹孔，下滑动块顶部挖有凹球面，并设置有一个螺钉通孔，上滑动块通过所述第一螺钉与两个下滑动块连接在一起，三球轴的三个球形轴通过凸球面在上滑动块和下滑动块组合而成的内部凹球面内滚动。

4、在本发明的一较佳实施方式中，分体式凸形块为120°的扇形柱体，分体式凸形块在中间设置有环形凹槽，且其上下两侧对称设置有一个圆弧凸形块和一个凸起u形块，以及四个螺钉通孔；副轴也为120°扇形柱体，副轴上均匀设置有八个螺纹孔，副轴在中间部分设置有环形凹槽，且下端设置有内螺纹，副轴上下两侧对称设置有四个圆弧凹槽和四个u形凹槽；两个分体式凸形块通过圆弧凸形块和凸起u形块分别嵌入到副轴的圆弧凹槽和u形凹槽中，共同组合成一个圆柱体，并且分体式凸形块通过第二螺钉和副轴连接。

5、在本发明的一较佳实施方式中，所述用于井下旋转导向钻井工具的高负载万向节具有小角度偏转能力：三球轴和主轴保持同轴，其上均匀安装的三个上滑动块、下滑动块可沿分体式凸形块与副轴的凹槽轴向移动，从而实现主轴偏转角度的灵活调节。

6、在本发明的一较佳实施方式中，上承压防掉环设置有内螺纹和凸形弧面，上承压防掉环通过螺纹与所述主轴连接，下承压防掉环设置有凹形弧面，下承压防掉环放置上所述副轴的上端。上承载环上端设置有外螺纹，上承载环下端设置有凸形弧面，上承载环通过螺纹和所述副轴连接，下承载环上端设置有凹形弧面，当主轴的右端受到钻压时，下承载环通过弧面接触将钻压传递至上承载环，继而由副轴和分体式凸形块的接触端面、第二螺钉、上承压防掉环和下承压防掉环承载；当主轴进行小角度偏转时，下承载环可绕着上承载环滑动，上承压防掉环绕着下承压防掉环滑动，使得钻压始终均匀传递至副轴、分体式凸形块和第二螺钉上。

7、在本发明的一较佳实施方式中，主轴旋转过程中，扭矩载荷经由三球轴、上滑动块与下滑动块的球面协同传递，同时通过上滑动块、第一螺钉、下滑动块、第二螺钉、分体式凸形块及副轴的接触侧面共同承载。

8、在本发明的一较佳实施方式中，密封套筒的上下两端均设置有螺钉孔，副轴的上下两端均设置有螺纹孔和密封圈槽，o型密封圈放置在副轴的密封圈槽上，密封套筒通过第三螺钉连接在副轴上，将万向节的核心部分与外部隔离。

9、在本发明的一较佳实施方式中，用于井下旋转导向钻井工具的高负载万向节的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1，用第一螺钉组合三球轴、上滑动块和下滑动块；步骤s2，将两个组合的三球轴、上滑动块和下滑动块放置在两个分体式凸形块的凹槽内，将最后一个组合放置在副轴的凹槽内；步骤s3，用第二螺钉将两个分体式凸形块和副轴连接在一起，将上承载环安装在副轴的下端；步骤s4，安装主轴和下承载环，将主轴安装在三球轴上；步骤s5，安装密封套筒、下承压防掉环和上承压防掉环。

10、由上所述，本发明提供的用于井下旋转导向工具的高负载万向节具有如下技术效果：通过球面匀载、侧面分担和端面承载的复合方式，实现了高承载能力与均匀受力的统一，显著提升了万向节在井下复杂交变载荷下的承载极限与疲劳寿命；以120°扇形柱体的分体式凸形块与副轴相互嵌合的方式，结构紧凑，空间利用率高；偏转结构与承载结构的深度耦合，避免因偏转而产生的附加弯矩和局部过载，实现了动态偏转中的静态承载；部件采用分体式（如分体式凸形块）和组合式（如滑动块组件）设计，装配简单，维护性好。