CN102704833A - 一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具 - Google Patents

Abstract

一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，由马达节、磁力减速装置和磁力支承节等组成，各部件通过连接机构连接。在磁力减速装置输入轴和磁力减速装置外壳安装有若干永磁体，在磁力减速装置输出轴上安装有若干软磁体，所述永磁体与软磁体轴向设置，并沿圆周均匀分布，相邻永磁体之间磁极性相反，依靠磁力的作用实现减速传动，改变永磁体和软铁体的数量可改变传动比。在磁力支承节内安装有多个磁力轴承承受载荷，所述磁力轴承由磁力轴承内圈和磁力轴承外圈组成，均采用轴向充磁且充磁方向相反，磁力轴承内圈和磁力轴承外圈上均设置有斜面，斜面之间相互对应并有一定的间隙。本发明的磁力减速装置和磁力轴承具备无接触、无磨损、寿命长的工作特性。

Description

一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具

技术领域

本发明涉及一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，属于石油、地质等钻探领域。

背景技术

随着资源勘探开发及地球科学研究的需要，深孔及超深孔钻探工作量日益增加，传统的地面设备带动钻杆回转的驱动方式由于受到钻杆强度限制，破岩效率低下，容易发生孔内事故，难以满足深孔钻探要求。孔底动力钻具采用钻井液等钻井介质作为动力，在孔底直接驱动钻具工作，不依靠钻杆传递动力，钻进效率高、孔内事故少，在深孔及超深孔钻探中得到了广泛的应用。

孔底动力钻具由将其他能量转化为机械能的孔底动力马达和传递转速及扭矩的传动装置组成。常用的孔底动力钻具可分为螺杆钻具和涡轮钻具，螺杆钻具主要由螺杆马达节、万向节、支承节等组成，涡轮钻具主要由涡轮节及支承节等组成。目前为了降低孔底动力钻具特别是涡轮钻具的转速并提高工作扭矩，已经发展到附加减速装置的孔底动力钻具阶段，并取得了良好的效果。但在应用过程中研究人员发现现存的孔底动力钻具的传动技术还存在一些不足之处。

首先，孔底动力钻具的支承节通常采用接触式的多联推力球轴承、PDC轴承作为推力轴承，采用硬质合金轴承作为扶正轴承，钻井液作为润滑和冷却介质。多联推力球轴承、PDC轴承、硬质合金扶正轴承长期在含有固相磨粒的钻井液中工作，工作情况恶劣，工作寿命短。与其它接触式轴承一样，多联推力球轴承、PDC轴承、硬质合金扶正轴承的主要失效形式是由粘着磨损后引起的磨损、破碎以及冲击产生的撕裂，PDC轴承也会因井底温度高以及摩擦发生过热磨损。此外，采用接触式轴承的孔底动力钻具普遍存在启动扭矩大、传动功率低等问题。现有的孔底动力钻具接触式轴承的不足和缺陷制约了孔底动力钻具的发展和应用。

公知的涡轮钻具由于橡胶元件少，耐温能力强、成孔质量好，受到了广大钻探工作者的重视。目前，为提高孔底动力钻具的适应性，特别是提高涡轮钻具的适应性，针对特定地层，在钻具结构上采用了附加减速装置的设计，其减速装置采用行星齿轮减速结构，用于降低涡轮钻具的工作转速，提高涡轮钻具的输出扭矩。但是，现在采用的行星齿轮减速装置存在诸多不足：首先，行星齿轮减速装置由于齿轮接触传动过程中发生冲击、振动情况，同时受到岩屑等物质的冲蚀，齿轮将发生点蚀、磨损等现象，随着工作时间的推移必然发生疲劳破坏；其次，行星齿轮减速装置的内部普遍采用油润滑结构，润滑介质通常采用润滑油，并且需要采用必要的储油密封系统，该储油密封系统一般存在橡胶密封元件，在高温环境下密封元件和润滑介质容易发生失效，随着润滑介质的减少或失效，将进一步加速齿轮减速装置的失效；第三，为避免润滑介质泄漏，还需要设计压力补偿装置，此种装置通常存在延迟，因此难以避免润滑介质泄漏或者钻井液侵入；第四，由于受钻孔直径限制，行星齿轮减速装置的空间尺寸有限，因此难以通过提高结构尺寸来提高行星齿轮强度和寿命，扭矩过高也会造成齿轮破坏；第五，为了提高传动比，需要采用多级行星齿轮传动方式，减速装置的长度增加，结构愈加复杂，对润滑介质、结构强度的要求也大幅提高。

磁力传动技术是以现代磁学的基本理论，应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用，来实现力或转矩(功率)非接触传递的一种新技术。随着新型永磁材料的应用以及结构设计与工艺等方面的改进，大幅拓展了磁力传动技术的应用领域，反应搅拌釜、真空设备、高速机床、阀门传动机构等设备和装置，已经广泛地采用了磁力传动技术，但这项技术目前在孔底动力钻具领域还缺乏成功的应用。

因此，研究一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，解决孔底动力钻具现存问题，是钻探行业迫切需要开展的工作之一。

发明内容

为了解决现有孔底动力钻具多联推力球轴承、PDC轴承、硬质合金扶正轴承等接触式轴承磨损严重、寿命短、启动扭矩高、能量损耗大等问题，克服现有孔底动力钻具行星齿轮减速装置结构复杂、易损坏、寿命短等不足，本发明提供一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，利用永磁材料或电磁铁产生的磁力作用，发挥磁力传动无接触、无磨损的工作特性，使用非接触磁力轴承代替接触式的多联推力球轴承、PDC轴承、硬质合金扶正轴承，使用非接触式磁力减速装置代替孔底动力钻具的行星齿轮减速装置，特别是涡轮钻具行星齿轮减速装置，提高轴承和减速装置等传动机构的工作寿命和性能，以提高孔底动力钻具的整体寿命及应用效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，由马达节、磁力减速装置、磁力支承节等构成。所述一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具上端通过钻杆接头与上部钻杆柱组合螺纹连接。所述马达节为由钻井液等钻井介质驱动的螺杆马达、涡轮马达或叶片式马达等，也包括采用电力驱动的电动马达。所述马达节上端与钻杆接头下端连接，为下部钻具提供动力。所述磁力减速装置上端与所述马达节下端连接，其目的在于改变马达节输出轴运动速度，同时改变其工作扭矩以适应不同地层和钻探工具的工作要求。所述磁力支承节上端与所述磁力减速装置下端连接，所述磁力支承节内部设有多个磁力轴承组成的磁力轴承组，可承受、传递径向和轴向载荷。所述磁力支承节下端与钻头等钻探工具连接，驱动钻头等钻探工具破岩钻进。

所述马达节、磁力减速装置、磁力支承节的轴端通过连接机构连接，所述连接机构为花键联轴器形式或其他具备同样功能的连接方式，所述花键联轴器允许一定范围内的轴向位移，因此可在传递功率和扭矩的同时避免轴向冲击荷载，同时采用花键联轴器的连接形式便于相关部件的拆装、组合。所述钻杆接头、马达节、磁力减速装置、磁力支承节的外壳通过螺纹连接，轴向荷载可通过上述连接由上部钻柱组合传递到多个磁力轴承组成的磁力轴承组上，并传递到钻头等钻探工具上。

所述磁力减速装置由磁力减速装置上半联轴器、磁力减速装置上接头、磁力心轴、磁力减速装置输出轴、软磁体、永磁体、磁力减速装置外壳、磁力轴承、磁力减速装置下半联轴器和磁力减速装置下接头组成。所述磁力减速装置上半联轴器以花键形式与马达节下半联轴器连接，所述磁力减速装置上半联轴器下端与磁力心轴通过螺纹连接。所述磁力减速装置的磁力心轴的外壁上设有若干轴向设置的永磁体，所述磁力减速装置输出轴的外壁上设有若干轴向设置的软磁体，所述磁力减速装置外壳的内壁上设有若干轴向设置的永磁体，所述永磁体和软磁体沿圆周均匀分布，相邻永磁体之间磁极性相反。所述永磁体与软磁体长度相同。所述磁力心轴外表面的永磁体与所述磁力减速装置外壳内表面的永磁体以及磁力减速装置输出轴外壁上的若干软磁体相互作用，驱动磁力减速装置输出轴转动。通过改变永磁体和软磁体的数量，可调整磁力减速装置的传动比，并改变相应的传递的功率和扭矩。

所述磁力支承节由磁力支承节上半联轴器、磁力支承节上接头、磁力支承节主轴、外调节套、磁力轴承、内垫圈、外垫圈、磁力支承节外壳和下锁紧套组成。所述磁力支承节主轴下端通过螺纹与钻头等钻探工具连接。

优选地，所述磁力轴承由磁力轴承内圈和磁力轴承外圈组成，磁力轴承内圈和磁力轴承外圈均采用轴向充磁且充磁方向相反，磁力轴承内圈和磁力轴承外圈上各设置有斜面，斜面之间相互对应，并有一定的间隙，钻井液可在此空间通过，对此部件进行冷却并进入到下一元件内。

优选地，马达节为涡轮马达或螺杆马达。

优选地，马达节的数量为1-3个。

优选地，所述磁力心轴、磁力减速装置输出轴和磁力减速装置外壳由无磁材料制造而成。

优选地，所述磁力轴承的磁力轴承内圈与磁力轴承外圈由永磁材料制造而成。

优选地，所述永磁材料是高磁能积的稀土钐钴性永磁材料和钕铁硼永磁材料。

本发明的有益效果是：1、磁力传动技术具有无机械接触、无摩擦、无磨损等特点，可避免发生机械疲劳破坏，工作寿命长，同时由于主动磁力元件与从动磁力元件之间不存在刚性连接，不直接传递运动，可避免振动或冲击荷载的传递，实现传动装置的平稳运行，具备良好的稳定性；2、磁力元件的耐环境能力强，能够在-253℃至450℃的极限温度下工作，发热量小，能够满足孔底高温环境要求；3、磁力减速装置和磁力轴承利用磁场本身的特性进行工作，效率高，能耗低；4、所述采用磁力传动技术的孔底动力钻具无密封机构，无橡胶元件，依靠钻井介质对工作部件进行润滑和冷却，结构简单；5、采用磁力传动技术能够提高孔底动力钻具的工作寿命和稳定性，减少起下钻次数，提升成孔质量，可以提高机械钻速、降低钻探成本。

附图说明

图1是本发明一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具的结构示意图。

图2是本发明一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具的实施例一的整体结构剖面图。

图3是图2的A-A剖面结构图。

图4是磁力轴承的结构示意图。

图5是本发明一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具的实施例二的整体结构剖面图。

图1中A.钻杆接头，B.马达节，C.磁力减速装置，D.磁力支承节

图2中1.马达上接头，2.马达上半联轴器，3.马达心轴，4.外调节套，5.涡轮定子，6.涡轮转子，7.磁力轴承，8.马达外壳，9.马达下半联轴器，10.马达下接头，11.磁力减速装置上半联轴器，12.磁力减速装置上接头，13.磁力心轴，14.永磁体，15.磁力减速装置输出轴，16.软磁体，17.永磁体，18.磁力减速装置外壳，19.磁力轴承，20.磁力轴承，21.磁力装置下接头，22.磁力减速装置下半联轴器，23.磁力支承节上半联轴器，24.磁力支承节上接头，25.磁力支承节主轴，26.外调节套，27.磁力轴承，28.内垫圈，29.外垫圈，30.磁力支承节外壳，31.下锁紧套。

图4中32.磁力轴承外圈，33.磁力轴承内圈。

图5中34.螺杆转子，35.等壁厚橡胶定子，36.预轮廓定子外壳，37.万向轴，38.万向轴外壳。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图对本发明实施方式进行具体说明。如图1所示为本发明一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具的一种结构示意图，主要包括马达节B、磁力减速装置C和磁力支承节D，所述一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具通过钻杆接头A与上部钻杆柱组合螺纹连接。

实施例一：

如图2所示为本发明一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具的实施例一的整体结构剖面图，其马达节B为涡轮马达，钻具包括马达上接头1，马达上半联轴器2，马达心轴3，外调节套4，涡轮定子5，涡轮转子6，磁力轴承7，马达外壳8，马达下半联轴器9，马达下接头10，磁力减速装置上半联轴器11，磁力减速装置上接头12，磁力心轴13，永磁体14，磁力减速装置输出轴15，软磁体16，永磁体17，磁力减速装置外壳18，磁力轴承19，磁力轴承20，磁力减速装置下接头21，磁力减速装置下半联轴器22，磁力支承节上半联轴器23，磁力支承节上接头24，磁力支承节主轴25，外调节套26，磁力轴承27，内垫圈28，外垫圈29，磁力支承节外壳30，下锁紧套31。

其中所述马达上接头1上方与钻杆接头A通过螺纹连接，所述马达上接头1下方与所述马达外壳8通过螺纹连接，马达上半联轴器2与马达心轴3通过螺纹连接，多级涡轮定子5与涡轮转子6相间安装在马达心轴3上，同时间隔一段距离安装一个磁力轴承7用于校准马达心轴3与马达外壳8的同心度，马达心轴3下方与马达下半联轴器9通过螺纹连接，马达外壳8下方与马达下接头10通过螺纹连接，上述部件组成马达节B。所述马达上半联轴器2上端为内花键联轴器形式，所述马达下半联轴器9下端为外花键联轴器形式，多个马达节B可通过上述连接机构相互串联，提高工作性能。

所述马达下接头10与所述磁力减速装置上接头12及所述磁力减速装置外壳18和所述磁力减速装置下接头21通过螺纹依次连接。马达下半联轴器9下端为内花键联轴器形式，所述磁力减速装置上半联轴器11上端为外花键联轴器形式，两者通过花键连接。所述磁力减速装置上半联轴器11的下端与所述磁力心轴13通过螺纹连接，所述磁力心轴13的外壁上沿圆周均匀安装有永磁体14，所述磁力减速装置外壳18的内壁沿圆周均匀安装有永磁体17，所述磁力减速装置输出轴15的外壁上安装有软磁体16。所述磁力减速装置输出轴15下方与磁力减速装置下半联轴器22上端通过螺纹连接，磁力减速装置下半联轴器22的下端为内花键联轴器形式。

所述磁力减速装置下接头21与所述磁力支承节上接头24通过螺纹连接，所述磁力支承节上接头24与所述磁力支承节外壳30及所述下锁紧套31依次通过螺纹连接。所述磁力支承节上半联轴器23下端与所述磁力支承节主轴25通过螺纹连接，所述磁力支承节主轴25的外壁上有凸台，将所述多个磁力轴承27依次安装，其间设有外调节套26、内垫圈28和外垫圈29，可将磁力轴承隔开，并可调整各零件之间的距离，将所述磁力轴承压紧在磁力支承节主轴25的外壁上。所述磁力支承节主轴25的下端有螺纹，可与钻头等钻探工具连接进行钻探工作。

图3为图2的A-A剖面结构示意图，所示为所述磁力减速装置的结构。所述磁力心轴13的外壁上沿圆周均匀安装有永磁体14，相邻的永磁体14之间磁极性相反，所述磁力减速装置外壳18的内壁沿圆周均匀安装有永磁体17，相邻的永磁体17之间磁极性相反，所述磁力减速装置输出轴15的外壁上沿圆周均匀安装有软磁体16，所述磁力心轴13和磁力减速装置输出轴15及磁力减速装置外壳18采用高强度无磁材料制造，所述永磁体14、软铁体16与永磁体17长度相同，根据所需要的传动比选择相应的数量。

如图4所示为磁力轴承19、磁力轴承20、磁力轴承27的结构示意图。所述磁力轴承由磁力轴承内圈32、磁力轴承外圈33组成，所述磁力轴承内圈32有一斜面，所述磁力轴承外圈33有一斜面，两个斜面相互对应并有一定的间隙。所述磁力轴承内圈32与所述磁力轴承外圈33均采用轴向充磁且充磁方向相反，所述磁力轴承19、磁力轴承20、磁力轴承27同时具备径向扶正和轴向止推功能，并可承受径向与轴向载荷。所述磁力轴承19、所述磁力轴承20、所述磁力轴承27结构原理相同。

磁力轴承具备多种实施例，其性能根据磁力轴承的磁力轴承内圈32与磁力轴承外圈33的斜面与磁力轴承中轴线的夹角角度变化而改变，当斜面角度为0°时，此时即为磁力径向扶正轴承，当斜面角度为90°时，即为磁力轴向推力轴承。

在钻探工作开始前，首先将采用磁力传动技术的孔底动力钻具上端与钻杆连接，下端与取心工具或钻头连接，并送入到孔底。在钻进过程中，钻井液自钻杆中心经马达上接头1进入马达节外壳8与马达心轴3组成的环形空间内并推动涡轮转子6旋转，涡轮转子6带动马达心轴3旋转，并通过马达下半联轴器9与磁力减速装置上半联轴器11的花键连接带动磁力心轴13回转。磁力心轴13在回转的过程中通过磁力传动的方式，带动磁力减速装置输出轴15旋转，并通过磁力减速装置下半联轴器22与磁力支承节上半联轴器23的花键连接传递扭矩和转速，磁力支承节上半联轴器23带动磁力支承节主轴25旋转，磁力支承节主轴25旋转驱动取心工具或钻头旋转破岩钻进。

钻井液由马达上接头1进入马达外壳8与马达心轴3组成的环形空间，然后进入磁力减速装置上半联轴器11与磁力减速装置上接头12之间的环形空间，部分钻井液进入到磁力心轴13与磁力减速装置输出轴15之间的环形空间内，流经磁力轴承19进入磁力减速装置输出轴15的内部，部分钻井液进入到磁力减速装置输出轴15和磁力减速装置外壳18之间的环形空间内，流经磁力轴承20进入到磁力支承节内部。自磁力减速装置输出轴15中心流出的钻井液经磁力减速装置下半联轴器22流入到磁力支承节上半联轴器23内，大部分钻井液沿磁力支承节上半联轴器23中心的通道进入到磁力支承节主轴25的内部并输送给钻头等钻探工具。小部分钻井液经磁力支承节上半联轴器23的斜孔流入磁力支承节主轴25与磁力支承节外壳30之间的环形空间内，流经磁力轴承27组成的磁力轴承组后流出钻具。

在工作过程中，钻压通过钻杆传递到马达上接头1并传递到马达外壳8上，依次沿着马达下接头10、磁力减速装置上接头12、磁力减速装置外壳18、磁力减速装置下接头21、磁力支承节上接头24、外调节套26传递到磁力轴承27上，磁力轴承27将钻压传递到到磁力支承节主轴25的凸台上，最终作用到钻头等钻探工具上。

优选地，所述永磁体14、软磁体16与永磁体17的外部均有抗冲蚀磨损的外壳保护。

实施例二：

如图5所示，为本发明专利一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具实施例二的结构示意图。本实施例与上述实施例一的结构和功能基本相同，因此相同的部件以相同的标号表示，且不再重复赘述。本实施例与上述实施例一不同之处在于，所述马达节B为等壁厚螺杆马达，所述等壁厚螺杆马达由螺杆转子34、等壁厚橡胶定子35、预轮廓定子外壳36组成，其下方连接有万向轴37及万向轴外壳38。螺杆转子34的下方与万向轴37连接，万向轴37下方连接有马达下半联轴器9，马达下半联轴器9下方与磁力减速装置上半联轴器11连接。预轮廓定子外壳36通过螺纹与万向轴外壳38连接，万向轴外壳38与磁力减速装置上接头12连接。

以上所述仅为本发明示意性的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，主要由马达节、磁力减速装置、磁力支承节等构成，其特征在于：所述一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具上端通过钻杆接头与上部钻杆柱组合螺纹连接；所述马达节、磁力减速装置、磁力支承节的轴端通过连接机构连接，所述连接机构为花键联轴器形式或其他具备同样功能的连接方式；

所述磁力减速装置由磁力减速装置上半联轴器、磁力减速装置上接头、磁力心轴、磁力减速装置输出轴、软磁体、永磁体、磁力减速装置外壳、磁力轴承、磁力减速装置下半联轴器和磁力减速装置下接头组成；

所述磁力支承节由磁力支承节上半联轴器、磁力支承节上接头、磁力支承节主轴、外调节套、磁力轴承、内垫圈、外垫圈、磁力支承节外壳和下锁紧套组成。

2.根据权利要求1所述的一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，其特征在于：所述马达节为由钻井液等钻井介质驱动的螺杆马达、涡轮马达或叶片式马达等，也包括采用电力驱动的电动马达。

3.根据权利要求1和2所述的一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，其特征在于：所述马达节为涡轮马达，由涡轮马达、磁力减速装置、磁力支承节等组成；

所述涡轮马达由马达上接头、马达上半联轴器、马达心轴、外调节套、涡轮定子、涡轮转子、磁力轴承、马达外壳、马达下半联轴器、马达下接头组成。

4.根据权利要求1所述一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，其特征在于：所述磁力减速装置的磁力心轴上设有若干轴向设置的永磁体，所述磁力减速装置输出轴上设有若干轴向设置的软磁体，所述磁力减速装置外壳上设有若干轴向设置的永磁体，所述永磁体和软磁体沿圆周均匀分布，相邻永磁体之间磁极性相反，改变永磁体和软铁体的数量可改变传动比。

5.根据权利要求1和4所述的一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，其特征在于：所述永磁体和软磁体的外部均有抗冲蚀磨损的外壳保护。

6.根据权利要求1和4所述的一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，其特征在于：所述磁力心轴、磁力减速装置输出轴和磁力减速装置外壳由无磁材料制造而成。

7.根据权利要求1所述的采用磁力传动技术的孔底动力钻具，其特征在于：所述磁力轴承由磁力轴承内圈和磁力轴承外圈组成，磁力轴承内圈和磁力轴承外圈均采用轴向充磁且充磁方向相反，磁力轴承内圈和磁力轴承外圈上各设置有斜面，斜面之间相互对应，并有一定的间隙。

8.根据权利要求7所述的采用磁力传动技术的孔底动力钻具，其特征在于：所述磁力轴承的磁力轴承内圈与磁力轴承外圈由永磁材料制造而成。

Images