用于螺杆钻具的传动轴总成的制作方法

1.本发明涉及石油天然气钻井、矿产开发及地质勘探领域的设备，尤其涉及用于螺杆钻具的传动轴总成，例如涉及用于短弯螺杆钻具的传动轴总成。


背景技术：

2.螺杆钻具是石油天然气钻井、矿产开发及地质勘探的作业过程中广泛使用的动力钻具之一，主要由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成等组成。随着石油天然气钻井、矿产开发及地质勘探技术的不断发展，对螺杆钻具的要求也越来越高，比如更长的使用寿命、更高的耐冲击性能、更高的输出扭矩、更强的过载能力等等，这就要求对螺杆钻具的研究及应用技术不断进步，以提高螺杆钻具的性能，满足现场使用要求。
3.在各种螺杆钻具中，短弯螺杆(sbtb)钻具由于具有较短的弯点到钻头的距离，在油气钻井过程中，在相同钻压施加情况下，相比普通螺杆能获得更高的造斜率。例如，外径127mm、弯角1.83
°
的普通螺杆造斜率最大为10
°
/30m，而外径127mm、弯角1.83
°
的短弯螺杆造斜率可达12.7
°
/30m，从而在斜井眼钻进过程中，提高复合钻井比例并且提高机械钻速。
4.在弯点与钻头之间是螺杆钻具的传动轴总成，缩短弯点到钻头的距离就意味着缩短传动轴总成的长度。传动轴总成主要由传动轴、传动轴壳体、径向轴承、推力轴承组和储油密封等部件组成。其中，轴承的结构和尺寸基本确定，缩小空间有限。目前看来，更有可能对储油密封的尺寸和结构进行调整。
5.近年来，对螺杆钻具的储油密封作出了改进和优化。
6.例如，由发明名称为“自动调压油密封传动轴总成”、申请号为cn200810154096.1的专利文献已知，传动轴的上、下密封装置具有调压功能，使内部压力与外部压力流体压力保持平衡。就是说，自动调压油密封与传动轴是串联布置的，这增加了传动轴总成的长度。
7.又例如，在发明名称为“螺杆钻具双补偿自动调压油密封传动轴总成”、申请号为cn201711390741.5的专利文献中，双补偿自动调压油密封通过活塞移动实现润滑油的补充，但该结构也是与传动轴串联布置的，也会增加传动轴总成的长度。
8.又例如，发明名称为“一种具有压力补偿功能的油密封螺杆钻具传动轴总成”、申请号为cn201110226400.0的专利文献公开了一种用于石油天然气钻井的具有压力补偿功能的油密封螺杆钻具传动轴总成。其通过活塞移动来实现压力补偿功能，所采用的补偿系统与轴承组串联，同样无法缩短传动轴总成的长度。
9.又例如，发明名称为“一种具有高密封性能的螺杆钻具传动轴总成”、申请号为cn200810045153.2的专利文献涉及一种基于上下刀口密封装置的浮动式传动轴总成，这种密封补偿形式与活塞式补偿密封相比补偿量小、密封寿命短，无法为轴承组提供充分的润滑，不利于螺杆钻具的工作寿命。
10.以上所列现有技术的储油密封均分布于轴承组的上下两端，属于串联式结构，不适于用在短弯螺杆钻具中。


技术实现要素：

11.针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于螺杆钻具的传动轴总成，包括：
12.传动主轴系统，包括传动主轴，所述传动主轴包括由内壁限定出的有压力流体流过的内腔，并且沿压力流体的流向在上游具有上端、在下游具有下端；
13.轴承系统，围绕所述传动主轴的外面布置；
14.润滑介质补偿系统，包括：
15.设置在所述传动主轴的内腔中的中心管，所述压力流体从该中心管的管腔中流过，该中心管沿压力流体的流向在上游具有第一端部、在下游具有第二端部并且具有由所述第一端部和第二端部限定出的轴向长度，其中，所述传动主轴包括与所述中心管的轴向长度对应的主轴区段，该主轴区段的内径大于所述中心管的外径，从而所述中心管的外壁与该主轴区段的内壁限定出环绕空间，所述第一端部贴靠在所述传动主轴的内壁上，从而阻止所述压力流体从该第一端部直接流入所述环绕空间；
16.设置在所述环绕空间内的活塞，所述活塞将所述环绕空间分隔为润滑介质空间和传压空间，在所述润滑介质空间内储存有润滑介质；
17.开设于所述传动主轴上并且从所述润滑介质空间延伸至所述轴承系统的润滑介质通道，
18.开设于所述第二端部附近并且能使所述传压空间与所述压力流体连通的传压孔。
19.在这种传动轴总成中，润滑介质补偿系统与轴承系统并联；具体地，通过在传动主轴的内腔中设置中心管，在由传动主轴与中心管之间限定出的环绕空间中实现润滑介质的储存，并且利用传动主轴内外的压力差来驱动活塞移动，从而确保及时地向轴承系统补充润滑介质，改善轴承系统的润滑效果，进而延长螺杆钻具动力传动系统的工作寿命。而且，通过润滑介质补偿系统与轴承系统并联设置，在提供充足的储存润滑介质的空间的情况下，有效缩短传动轴总成的长度，从而为缩短短弯螺杆钻具的弯点至钻头的距离提供了一种有利的、高效的解决方案。
20.在一些实施例中，在所述传动主轴上开设有至少一个润滑介质通道。
21.优选地，开设有两个润滑介质通道。
22.在一些实施例中，在所述传动主轴的内壁上设置有内腔台肩，所述中心管的第一端部抵靠在所述内腔台肩上。
23.由此，中心管以简单且稳固的方式布置在传动主轴的内腔中。
24.在一些实施例中，所述中心管在所述第一端部设置有密封结构。
25.由此，阻止压力流体从中心管的第一端部直接流入环绕空间及其润滑介质空间，并且阻止润滑介质空间内的润滑介质泄漏至传动主轴的内腔。
26.在一些实施例中，所述密封结构为构造于所述第一端部的环绕的密封沟槽，在所述密封沟槽内布置有o型密封圈。
27.作为备选方案，在所述第一端部与内腔台肩之间布置密封垫圈。
28.在一些实施例中，在所述传动主轴的内腔中设置有支撑座，所述支撑座支撑在所述中心管的第二端部上并且开设有中心通孔。
29.由此，传动主轴的内腔中的压力流体经由传压孔和中心通孔流出。
30.在一些实施例中，所述传动主轴在内壁上设置有卡簧槽，在所述卡簧槽中布置有用于支持所述支撑座的卡簧。
31.在一些实施例中，所述传动主轴系统还包括可螺纹连接在所述传动主轴上的上固定螺母和下固定螺母，所述上固定螺母布置在所述传动主轴的上端附近。
32.在一些实施例中，所述轴承系统包括：
33.轴承组，沿压力流体的流向在上游紧贴所述下固定螺母；
34.上轴套，包括上轴承外套和上轴承内套，所述上轴承内套围绕所述传动主轴的外周面地布置在所述轴承组与所述上固定螺母之间，所述上轴承外套沿径向布置在所述上轴承内套外侧并且沿压力流体的流向位于所述轴承组上游；
35.下轴套，沿压力流体的流向位于所述下固定螺母下游；
36.上轴承外壳，沿径向布置在所述上轴承外套外侧；
37.下轴承外壳，沿径向布置在所述下轴套外侧并且能与所述上轴承外壳相互扣接；
38.止推环，沿径向布置在所述下固定螺母外侧并且位于所述轴承组与所述下轴承外壳之间。
39.由此，利用上固定螺母和下固定螺母对轴承系统进行固定。
40.在一些实施例中，在所述传动主轴的外周面上构造有定位轴肩，所述下轴套抵靠在所述定位轴肩上。
41.本发明的优选特征部分在下文描述，部分可通过阅读本文而明白。
附图说明
42.以下，结合附图来详细说明本发明的实施例。
43.图1示意性地示出根据本发明的实施例的传动轴总成的剖视图。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
45.图1示意性地示出根据本发明的实施例的传动轴总成的剖视图。传动轴总成包括传动主轴系统、轴承系统和润滑介质补偿系统。所述传动主轴系统包括传动主轴1，其沿轴向具有由内壁限定出的内腔，压力流体从该内腔中流过。在本实施例中，压力流体可以是钻井液。传动主轴1沿压力流体的流向具有上端和下端，压力流体从上端流向下端，该上端通过公扣与万向轴系统连接，该下端通过母扣与钻头连接。
46.在传动主轴1的外周面上，在靠近该上端和中部的位置分别设有螺纹，上固定螺母2和下固定螺母8分别通过螺纹连接紧固在传动主轴1的外周面上。
47.所述轴承系统包括轴承组6、止推环7、上轴套、下轴套11、上轴承外壳5和下轴承外壳10。在本实施例中，轴承组6可以是推力球轴承。轴承组6沿径向由内至外包括内圈和外圈。轴承组6的内圈围绕传动主轴1的外周面布置并且沿压力流体的流向在上游紧贴下固定螺母8。轴承组6的外圈沿径向布置在轴承组6的内圈的外侧。所述上轴套包括上轴承外套3和上轴承内套4，上轴承外套3沿径向布置在上轴承内套4的外侧。上轴承外壳5沿径向布置
在所述上轴套外侧、在本实施例中布置在上轴承外套3外侧，下轴承外壳10沿径向布置在下轴套11外侧。上轴承外壳5和下轴承外壳10沿径向部分重叠并且能相互扣接。
48.围绕传动主轴1的外周面并且沿压力流体的流向从上游至下游依次贴靠地布置有上固定螺母2、上轴承内套4、轴承组6的内圈、下固定螺母8和下轴套11。基于此，同样沿压力流体的流向从上游至下游依次贴靠地布置有上轴承外套3、轴承组6的外圈、止推环7和下轴承外壳10。在本实施例中，止推环7可以是径向轴承。
49.在本实施例中，上轴承外套3和上轴承内套4具有基本相同或相同的轴向长度。
50.在本实施例中，下固定螺母8和止推环7具有基本相同或相同的轴向长度。
51.在本实施例中，下轴承外壳10与下轴套11具有基本相同或相同的轴向长度。
52.在本实施例中，在传动主轴1的下端附近、在外周面上构造有定位轴肩，下轴套11沿压力流体的流向从上游抵靠在该定位轴肩上，从而实现所述轴承系统的轴向定位。
53.在传动主轴1的内腔中设置有中心管12，压力流体从该中心管12的管腔中流过，并且该中心管12沿压力流体的流向在上游具有第一端部12.1、在下游具有第二端部12.2并且具有由第一端部12.1和第二端部12.2限定出的轴向长度。传动主轴1包括与中心管12的轴向长度对应的主轴区段，该主轴区段的内径大于中心管12的外径，从而在中心管12的外壁与传动主轴1的该主轴区段的内壁之间限定出环绕空间16。在环绕空间16内设置有活塞13，活塞13将环绕空间16分隔为润滑介质空间16.1和传压空间16.2，在润滑介质空间16.1内储存有润滑介质。中心管12的第一端部12.1贴靠在所述传动主轴1的内壁上，并且中心管12在第一端部12.1设置有密封结构，从而所述压力流体能从传动主轴1的内腔流入中心管12的管腔，而无法从第一端部12.1直接流入环绕空间16。中心管12在第二端部12.2附近开设有传压孔15，传压孔15能使传压空间16.2与压力流体连通，换言之，压力流体的压力能经由传压孔15和传压空间16.2施加至活塞13。
54.如图1所示，在本实施例中，在传动主轴1的内壁上设置有内腔台肩17，内腔台肩17将该内腔分隔为两个内腔区段，其中一个内腔区段的直径小于另一个内腔区段的直径。换言之，内腔台肩17将传动主轴1分隔为两个主轴区段，其中一个主轴区段的内径小于另一个主轴区段的内径。中心管12设置在所述内腔的直径较大的内腔区段中、即设置在内径较大的主轴区段中。所述直径较大的内腔区段的直径、即所述内径较大的主轴区段的内径大于中心管12的外径，从而中心管12的外壁与所述内径较大的主轴区段的内壁限定出环绕空间16。
55.在本实施例中，中心管12的第一端部12.1抵靠内腔台肩17。中心管12在第一端部12.1构造有环绕的密封沟槽，在该密封沟槽中布置o型密封圈。在另一些未示出的实施例中，作为替代方案，也可直接在第一端部12.1与内腔台肩17之间布置密封垫圈。中心管12的第二端部12.2支撑在支撑座14上。支撑座14也布置在中心管12所在的所述内径较大的主轴区段中，并且凭借卡簧19支持在构造于传动主轴1内壁上的卡簧槽18中。在第二端部12.2上开设有传压孔15，支撑座14开设有与传压孔15相对应的中心通孔14.1，从而所述压力流体能从中心管12的管腔流出。
56.在环绕空间16中布置有活塞13。活塞13将环绕空间16分隔为润滑介质空间16.1和传压空间16.2，在润滑介质空间16.1内储存有润滑介质。如上文所述，在中心管12的第一端部12.1设置有密封沟槽和o型密封圈，从而阻止润滑介质空间16.1内的润滑介质泄漏至传
动主轴1的内腔，并且阻止压力流体从第一端部12.1直接流入环绕空间16。在本实施例中，所述润滑介质可以是润滑油，润滑介质空间16.1可以是储油空间。流经中心管12的管腔的压力流体的压力能通过开设在第二端部12.2上的传压孔15、进而通过传压空间16.2施加至活塞13并使活塞13在压力作用下移动。
57.此外，在传动主轴1上开设有润滑介质通道9，其从润滑介质空间16.1延伸至上述轴承系统，从而将润滑介质供给至所述轴承系统。在一些实施例中，有利地开设有至少一个润滑介质通道。在本实施例中优选地，设置有两个润滑介质通道。
58.上述中心管12、其传压孔15、活塞13、支撑座14和润滑介质通道9属于根据本发明的实施例的传动轴总成的润滑介质补偿系统。在另一些未示出的实施例中，替代卡簧和卡簧槽地，支撑座也可通过其它方式固定，例如通过螺纹连接紧固在传动主轴的内壁上。在又另一些未示出的实施例中，也可不设置所述支撑座；在这种情况下，在传动主轴的内壁上可构造有定位台肩，中心管直接抵靠在该定位台肩上。
59.在螺杆钻具的工作状态下，压力流体流经传动主轴1并且流过连接于传动主轴1的下端的钻头，在这个过程中产生压降，从而沿压力流体的流向，在中心管12上游的传动主轴1内腔及中心管12管腔中的压力高于传动轴总成外部的压力、亦即高于上下轴承外壳5、10外部的压力。在这种情况下，流经中心管12管腔的压力流体的压力经由开设于中心管12的第二端部12.2的传压孔15、继而经由环绕空间16的传压空间16.2作用至活塞13的下侧、也就是作用至活塞13朝向第二端部12.2的一侧。在用于所述轴承系统的润滑介质消耗的情况下，活塞13在上述较高的内腔压力及管腔压力的作用下向上移动、也就是朝向第一端部12.1移动，将润滑介质从润滑介质空间16.1经由润滑介质通道9补充至所述轴承系统内部，以提供润滑。在本实施例中，所述工作状态可以指的是钻井作业。
60.根据上文所述可看出，通过在传动主轴1的内腔中设置中心管12、利用传动主轴1内外压差来控制活塞13的移动、并通过开设于传动主轴1上的润滑介质通道9将润滑介质供给至轴承系统，实现所述润滑介质补偿系统与轴承系统的并联。通过这种并联设置，不仅确保及时地向轴承系统补充润滑介质，改善轴承系统的润滑效果，延长螺杆钻具动力传动系统的工作寿命，而且有效地缩短传动轴总成的长度，提升短弯螺杆钻具的定向钻井效率。
61.另外，在此示例性地描述根据本发明的实施例的传动轴总成的组装方式。将下轴套11和下轴承外壳10沿径向由内之外分别套装在传动主轴1上。安装下固定螺母8，将其拧紧在传动主轴1上，再将止推环7套装在下固定螺母8上。接着，将轴承组6套装在传动主轴1上，再将上轴承内套4和上轴承外套3沿径向由内之外分别套装在传动主轴1上。接着，将上轴承外壳5套装于上轴承外套3，安装上固定螺母2，将其拧紧在传动主轴1上。此时，上轴承外壳5和下轴承外壳10初步扣接，就是说未相互紧扣。然后，将中心管12装入传动主轴1的内腔，向环绕空间16中注满润滑介质，安装活塞13，并且利用活塞13将润滑介质供给至轴承系统各处之后，将上轴承外壳5和下轴承外壳10相互扣紧。接着，安装支撑座14，并用卡簧19固定。
62.在本文中，术语“包括”、“包含”或者其变体意在涵盖式，而非穷尽式，从而包括一系列要素的系统、总成、装置、产品或者设备可包括这些要素，而不排除还可包括没有明确列出的其他要素。
63.已参考上述实施例具体示出并描述了本发明的示例性总成、系统、结构及零部件，
其仅为实施本总成、系统、结构及零部件的最佳模式的示例。本领域的技术人员可以理解的是可以在实施本总成、系统、结构及零部件时对这里描述的总成、系统、结构及零部件的实施例做各种改变而不脱离界定在所附权利要求中的本发明的精神及范围。所附权利要求意在界定本总成、系统、结构及零部件的范围，故落入这些权利要求中及与其等同的总成、系统、结构及零部件可被涵盖。对本总成、系统、结构及零部件的以上描述应被理解为包括这里描述的全部的新的及非显而易见的元素的结合，而本技术或后续申请中可存在涉及任何新的及非显而易见的元素的结合的权利要求。此外，上述实施例是示例性的，对于在本技术或后续申请中可以要求保护的全部可能特征及元素组合中，没有一个单一特征或元素是必不可少的。
64.附图标记列表
65.1 传动主轴
66.2 上固定螺母
67.3 上轴承外套
68.4 上轴承内套
69.5 上轴承外壳
70.6 轴承组
71.7 止推环
72.8 下固定螺母
73.9 润滑介质通道
74.10 下轴承外壳
75.11 下轴套
76.12 中心管
77.12.1 第一端部
78.12.2 第二端部
79.13 活塞
80.14 支撑座
81.14.1 中心通孔
82.15 传压孔
83.16 环绕空间
84.16.1 润滑介质空间
85.16.2 传压空间
86.17 内腔台肩
87.18 卡簧槽
88.19 卡簧