CN103806832A - 井下动力金属马达总成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下动力金属马达总成，属于石油及天然气钻井井下螺杆钻具领域。所述马达总成至少由两级或两级以上马达组成，所述一级马达与二级马达通过转子连接套和连接定位接头联接在一起；所述一级马达的一级定子壳体的空腔内自上而下顺次设置有一级上轴承座、一级上过渡连接环、一级上填料盒、一级定子配流壳体、一级下填料盒、一级下过渡连接环、一级下轴承座、一级密封端盖，以上零件均为空腔结构，包容着一级转子；所述一级定子壳体、一级定子配流壳体、一级转子材质为金属材料。与传统螺杆马达的不同之处在于转子工作时，转子相对于定子是作同心旋转，没有偏心运动，使井眼更加规则，能提高钻井效率。

Description

井下动力金属马达总成

技术领域

本发明涉及石油及天然气钻井井下螺杆钻具领域，特别涉及一种井下动力金属马达总成。

背景技术

井下螺杆钻具由四大部分组成，从上至下依次是旁通阀，马达总成，万向轴和传动轴总成；其中，所述旁通阀安装在螺杆钻具的最上端；所述马达总成包括转子和定子两部分，转子是一根加工成螺旋形的钢轴，其上端是自由端，下端与万向轴相连，定子内是一个模压成型的橡胶套筒，它的内部是螺旋通道，包容着转子，橡胶套筒固定在马达的钢制本体上一起成为定子；所述万向轴一般由两个万向接头组成一个万向轴；所述传动轴总成是将马达转子的能量传给钻头，通过外壳与定子相连控制钻头的钻进方向。当钻井液在泵的驱动下通过马达时，它流经转子与定子间的空腔，推动转子旋转。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：钻井马达作为石油钻井工程中应用最为广泛的一种井下动力钻具，在钻井工程中起着非常重要的作用。现有技术的马达总成，其定子内是一个模压成型的橡胶套筒，橡胶套筒与马达的钢制本体固联在上一起成为定子，但橡胶套筒非全金属定子承压能力低，不能适应井况的最高温度，而且不耐腐蚀，因而，采用橡胶套筒结构的定子在高温井、腐蚀井、高压井中存在的井下事故隐患较多。

现有技术的马达总成，其转子工作时是作偏心旋转运动，而传动轴总成工作时是作同心运动，要把这两个部件的运动联合起来，就需要万向轴接头，这种不同心运动使钻头发生振颤，造成井下工具磨损；由于两个万向接头组成一个万向轴势必造成马达总成的长度较长，因而不适于在大斜度井，多分枝井中应用。

发明内容

为了解决现有技术采用万向轴将转子与传动轴总成不同心运动联合起来，非全金属马达总成耐高温耐腐蚀性差，适应范围受限的问题，本发明实施例提供了一种井下动力金属马达总成，可降低由于转子与传动轴总成不同心运动造成的钻头振颤，减少井下工具的磨损，提高耐磨性能和耐腐蚀性能，适应性强。所述技术方案如下：

一种井下动力金属马达总成，所述马达总成至少由两级或两级以上马达组成，所述一级马达与二级马达通过转子连接套和连接定位接头联接在一起；所述一级马达至少包括：一级定子壳体、一级定子配流壳体、一级转子、一级定子密封条、一级转子密封条、一级轴承、一级上轴承座、一级上过渡连接环、一级上填料盒、一级下填料盒、一级下过渡连接环、一级下轴承座、一级密封端盖、一级填料盒内套及密封件；所述一级定子壳体的空腔内自上而下顺次设置有一级上轴承座、一级上过渡连接环、一级上填料盒、一级定子配流壳体、一级下填料盒、一级下过渡连接环、一级下轴承座、一级密封端盖，以上零件均为空腔结构，包容着一级转子；所述一级定子壳体、一级定子配流壳体、一级转子材质为金属材料。

具体地，所述一级上轴承座和一级下轴承座内设置有一级轴承；所述一级转子的上端位于顶部封闭的一级上轴承座内的一级轴承内，一级转子的下端设置在转子连接套内，转子连接套设置在连接定位接头内,所述连接定位接头为一空心圆柱体，其上端与一级定子壳体联接，下端与二级马达的二级定子壳体联接；所述转子连接套为一带内孔的圆柱体，其内孔上部与一级转子下部形状相吻合，内孔下部与二级转子上部形状相吻合；所述转子连接套与连接定位接头之间的通道为驱动流体通道。

具体地，所述一级定子壳体与一级定子配流壳体之间的通道为驱动流体通道；所述一级上填料盒和一级下填料盒内壁与一级转子外壁之间设置有一级填料盒内套及密封件。

具体地，所述二级马达至少包括：二级定子壳体、二级定子配流壳体、二级转子、二级转子密封条、二级上密封端盖、二级上轴承座、二级上过渡连接环、二级上填料盒、二级下填料盒、二级下过渡连接环、二级下轴承座、二级轴承、二级下密封端盖、二级填料盒内套及密封件、二级定子密封条；所述二级定子壳体的空腔内自上而下顺次设置有二级上密封端盖、二级上轴承座、二级上过渡连接环、二级上填料盒、二级定子配流壳体、二级下填料盒、二级下过渡连接环、二级下轴承座、二级下密封端盖，以上零件均为空腔结构，包容着二级转子；所述二级定子壳体、二级定子配流壳体、二级转子材质为金属材料。

具体地，所述二级上轴承座和二级下轴承座内设置有二级轴承，所述二级转子上端设置在转子连接套内，下端伸出二级定子壳体，与螺杆钻具中的传动轴总成联接；所述二级上填料盒和二级下填料盒内壁与二级转子外壁之间设置有二级填料盒内套及密封件。

具体地，所述一级马达的一级转子与二级马达的二级转子存在相位差；所述一级转子与一级定子配流壳体为间隙配合，所述二级转子与二级定子配流壳体为间隙配合。

具体地，所述一级定子配流壳体、二级定子配流壳体的横截面内腔均为圆形，外壁为圆弧相接形成橄榄形状，沿径向对称分布的两个橄榄头部与一级定子壳体、二级定子壳体联接，且两个橄榄头部分别设置有沿径向对称分布的一级定子凹槽、二级定子凹槽和一级定子配流孔、二级定子配流孔，所述一级定子凹槽、二级定子凹槽内设置有一级定子密封条、二级定子密封条。

具体地，所述一级转子、二级转子的横截面外壁均由圆弧相接构成，且沿径向对称突出两个瓣，在突出的瓣上设置有沿径向对称分布的一级转子凹槽、二级转子凹槽,在凹槽内分别设置有一级转子密封条、二级转子密封条；所述一级转子、二级转子的中心分别设置有一级转子通道、二级转子通道和与之相通的一级转子径向通孔、二级转子径向通孔；所述一级转子通道与沿径向对称分布的一级转子高压腔体和一级转子低压腔体相通，所述二级转子通道与沿径向对称分布的二级转子高压腔体和二级转子低压腔体相通。

进一步地，所述一级定子配流壳体和二级定子配流壳体的横截面内腔为圆形，外壁的横截面为多边形或圆弧相接形成橄榄形状。

相比现有技术，本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例通过两级或两级以上马达组成，将一级马达与二级马达通过转子连接套和连接定位接头联接在一起，与传统螺杆马达的不同之处在于转子工作时，转子相对于定子是作同心旋转，没有偏心运动，因此不需要设置万向轴，而且转子的同心旋转降低了钻头的振颤，使井眼更加规则，能提高钻井效率，减少井下工具的磨损。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的井下动力金属马达总成结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的图1中A-A剖视图；

图3是本发明实施例一提供的图1中B-B剖视图；

图4是本发明实施例提供的井下动力金属马达总成工作原理示意；

图5是本发明实施例二提供的井下动力金属马达总成的定子配流壳体横截面剖视图。

图1中各符号表示含义如下：

1一级马达，1-1一级定子壳体，1-2一级定子配流壳体，1-3一级转子，1-4一级定子密封条，1-5一级转子密封条，1-6一级轴承，1-7一级上轴承座，1-8一级上过渡连接环，1-9一级上填料盒，1-10一级下填料盒，1-11一级下过渡连接环，1-12一级下轴承座，1-13一级密封端盖，1-14一级填料盒内套及密封件；

2二级马达，2-1二级定子壳体，2-2二级定子配流壳体，2-3二级转子，2-4二级转子密封条，2-5二级上密封端盖，2-6二级上轴承座，2-7二级上过渡连接环，2-8二级上填料盒，2-9二级下填料盒，2-10二级下过渡连接环，2-11二级下轴承座，2-12二级轴承，2-13二级下密封端盖，2-14二级填料盒内套及密封件，2-15二级定子密封条；

3 转子连接套；

4 连接定位接头；

5 驱动流体通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

参见图1所示，本发明实施例提供了一种井下动力金属马达总成，为金属叶片容积式马达，马达总成作为井下螺杆钻具的一部分组成，设置在旁通阀与传动轴总成之间，本发明实施例在螺杆钻具中的布设是：自上而下依次是旁通阀，马达总成，传动轴总成，取消了现有技术的万向轴。所述马达总成至少由两级：一级马达1和二级马达2或两级以上马达组成，所述一级马达1与二级马达2通过转子连接套3和连接定位接头4联接在一起。

具体地，所述一级马达1至少包括：一级定子壳体1-1、一级定子配流壳体1-2、一级转子1-3、一级定子密封条1-4、一级转子密封条1-5、一级轴承1-6、一级上轴承座1-7、一级上过渡连接环1-8、一级上填料盒1-9、一级下填料盒1-10、一级下过渡连接环1-11、一级下轴承座1-12、一级密封端盖1-13、一级填料盒内套及密封件1-14等零部件；所述一级定子壳体1-1、一级定子配流壳体1-2、一级转子1-3由金属材料制成，可选用不锈钢材料制作；所述一级定子壳体1-1的空腔内自上而下顺次设置有一级上轴承座1-7、一级上过渡连接环1-8、一级上填料盒1-9、一级定子配流壳体1-2、一级下填料盒1-10、一级下过渡连接环1-11、一级下轴承座1-12、一级密封端盖1-13，以上零件均为空腔结构，包容着一级转子1-3，一级转子1-3穿过所述零件的空腔；所述一级定子壳体1-1与一级定子配流壳体1-2之间的通道为驱动流体通道5。

所述一级上轴承座1-7和一级下轴承座1-12内设置有一级轴承1-6；所述一级转子1-3的上端位于顶部封闭的一级上轴承座1-7内的一级轴承1-6内，一级转子1-3的下端设置在转子连接套3内，转子连接套3设置在连接定位接头4内，所述连接定位接头4为一空心圆柱体，其上端外螺纹与一级定子壳体1-1内螺纹联接，下端外螺纹与二级马达2的二级定子壳体2-1内螺纹联接；所述转子连接套3为一带内孔的圆柱体，其内孔上部与一级转子1-3下部形状相吻合，内孔下部与二级马达2的二级转子2-3上部形状相吻合；所述转子连接套3与连接定位接头4之间的通道为驱动流体通道5。

所述一级上填料盒1-9和一级下填料盒1-10内壁与一级转子1-3外壁之间设置有一级填料盒内套及密封件1-14。

具体地，所述二级马达2至少包括：二级定子壳体2-1、二级定子配流壳体2-2、二级转子2-3、二级转子密封条2-4、二级上密封端盖2-5、二级上轴承座2-6、二级上过渡连接环2-7、二级上填料盒2-8、二级下填料盒2-9、二级下过渡连接环2-10、二级下轴承座2-11、二级轴承2-12、二级下密封端盖2-13、二级填料盒内套及密封件2-14、二级定子密封条2-15等零部件；所述二级定子壳体2-1、二级定子配流壳体2-2、二级转子2-3由金属材料制成，可选用不锈钢材料制作；所述二级定子壳体2-1的空腔内自上而下顺次设置有二级上密封端盖2-5、二级上轴承座2-6、二级上过渡连接环2-7、二级上填料盒2-8、二级定子配流壳体2-2、二级下填料盒2-9、二级下过渡连接环2-10、二级下轴承座2-11、二级下密封端盖2-13，以上零件均为空腔结构，包容着二级转子2-3，二级转子2-3穿过所述零件的空腔。

所述二级上轴承座2-6和二级下轴承座2-11内设置有二级轴承2-12，所述二级转子2-3上端设置在转子连接套3内，下端伸出二级定子壳体2-1，与螺杆钻具中的传动轴总成联接；所述二级上填料盒2-8和二级下填料盒2-9内壁与二级转子2-3外壁之间设置有二级填料盒内套及密封件2-14。

同时参见图2、图3、图4所示，具体地，所述一级马达1的一级转子1-3与二级马达2的二级转子2-3存在相位差；所述一级转子1-3与一级定子配流壳体1-2不能接触，为间隙配合，二级转子2-3与二级定子配流壳体2-2不能接触，为间隙配合，配合间隙必须能够满足转子高速旋转的要求。

具体地，所述一级定子配流壳体1-2、二级定子配流壳体2-2均为空腔结构，其横截面内腔均为圆形，外壁为圆弧相接形成橄榄形状，沿径向对称分布的两个橄榄头部与一级定子壳体1-1、二级定子壳体2-1联接，且两个橄榄头部分别设置有沿径向对称分布的一级定子凹槽1-2a、二级定子凹槽2-2a和一级定子配流孔1-2b、二级定子配流孔2-2b，所述一级定子凹槽1-2a、二级定子凹槽2-2a内设置有一级定子密封条1-4、二级定子密封条2-15。

具体地，所述一级转子1-3、二级转子2-3的横截面外壁均由圆弧相接构成，且沿径向对称突出两个瓣，在突出的瓣上设置有沿径向对称分布的一级转子凹槽1-3a、二级转子凹槽2-3a,在凹槽内分别设置有一级转子密封条1-5、二级转子密封条2-4，所述转子凹槽尺寸必须略大于转子密封条的尺寸；所述一级转子1-3、二级转子2-3的中心分别设置有一级转子通道1-3b、二级转子通道2-3b和与之相通的一级转子径向通孔1-3c、二级转子径向通孔2-3c；所述一级转子通道1-3b与沿径向对称分布的一级转子高压腔体1-3d和一级转子低压腔体1-3e相通，所述二级转子通道2-3b与沿径向对称分布的二级转子高压腔体2-3d和二级转子低压腔体2-3e相通，这样才能产生最大的力偶驱动转子。

实施例二

参见图5所示，所述一级定子配流壳体1-2和二级定子配流壳体2-2的横截面内腔为圆形，外壁的横截面为多边形，可以是六边形、八边形。

以上本发明实施例主要描述金属马达总成的两级马达结构，两级以上的马达以此类推。

参见图1、图2、图3、图4所示，本发明实施例的工作原理：驱动流体可以是液体或溶剂或气体。驱动流体从一级定子壳体1-1与一级定子配流壳体1-2之间的通道5进入，通过一级定子配流壳体1-2的配流孔1-2b进入一级定子配流壳体1-2与一级转子1-3之间的腔室，由于一级定子密封条1-4、一级转子密封条1-5的密封作用，腔室形成一级转子高压腔体1-3d和一级转子低压腔体1-3e，由于驱动流体的流动以及在一级转子高压腔体1-3d与一级转子低压腔体1-3e的压力差的作用下，一级转子1-3随之转动，流体通过一级转子1-3的一级转子径向通孔1-3c进入一级转子中心通道1-3b流出。在一级转子1-3旋转的过程中，一级转子高压腔体1-3d和一级转子低压腔体1-3e大小会发生变化，压力差相应也会出现波动，因此对于单个的定转子而言，旋转动力是不稳定的，为了保持动力的恒定，金属马达系统必须至少由两级定转子组成，而且不同级的转子存在一定的相位差，即，当动力流体进入一级马达1时，一部分流体通过一级定子配流壳体1-2的配流孔1-2b进入一级马达1，另一部分沿着一级转子1-3与一级定子配流壳体1-2的间隙流入二级马达2，进入二级定子配流孔2-2b，从而驱动二级转子2-3转动，最终所有流体通过所述一级转子中心通道1-3b、二级转子中心通道2-3b全部流出。

在马达的运行过程中，驱动流体作用在转子上产生一个动力偶形成扭矩从而驱动转子旋转，单个马达产生的扭矩与定子配流壳体内腔半径R2、转子圆弧半径R1、驱动腔室的轴向长度L以及高压腔与低压腔室的压差P有关。

本发明实施例还具有的优点：马达总成采用全金属材料制成，定子的耐磨性能大大提高，可以在较高温度环境下工作；可以采用有机溶剂、酸、油基钻井液或气体来提供动力；金属马达承压能力高，因而长度较短，更适合大斜度井，多分枝井，短半径和严重狗腿的定向井中应用；可广泛适用于高温井、腐蚀井、高压井等井况钻井作业、小井眼微井眼钻井作业、连续管钻井作业、欠平衡钻井作业等，为钻井作业提供安全可靠的钻井动力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种井下动力金属马达总成，其特征在于，所述马达总成至少由两级或两级以上马达组成，所述一级马达(1)与二级马达(2)通过转子连接套(3)和连接定位接头(4)联接在一起；所述一级马达(1)至少包括：一级定子壳体(1-1)、一级定子配流壳体(1-2)、一级转子(1-3)、一级定子密封条(1-4)、一级转子密封条(1-5)、一级轴承(1-6)、一级上轴承座(1-7)、一级上过渡连接环(1-8)、一级上填料盒(1-9)、一级下填料盒(1-10)、一级下过渡连接环(1-11)、一级下轴承座(1-12)、一级密封端盖(1-13)、一级填料盒内套及密封件(1-14)；所述一级定子壳体(1-1)的空腔内自上而下顺次设置有一级上轴承座(1-7)、一级上过渡连接环(1-8)、一级上填料盒(1-9)、一级定子配流壳体(1-2)、一级下填料盒(1-10)、一级下过渡连接环(1-11)、一级下轴承座(1-12)、一级密封端盖(1-13)，以上零件均为空腔结构，包容着一级转子(1-3)；所述一级定子壳体(1-1)、一级定子配流壳体(1-2)、一级转子(1-3)材质为金属材料。

2.根据权利要求1所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级上轴承座(1-7)和一级下轴承座(1-12)内设置有一级轴承(1-6)；所述一级转子(1-3)的上端位于顶部封闭的一级上轴承座(1-7)内的一级轴承(1-6)内，一级转子(1-3)的下端设置在转子连接套(3)内，转子连接套(3)设置在连接定位接头(4)内，所述连接定位接头(4)为一空心圆柱体，其上端与一级定子壳体(1-1)联接，下端与二级马达(2)的二级定子壳体(2-1)联接；所述转子连接套(3)为一带内孔的圆柱体，其内孔上部与一级转子(1-3)下部形状相吻合，内孔下部与二级转子(2-3)上部形状相吻合；所述转子连接套(3)与连接定位接头(4)之间的通道为驱动流体通道(5)。

3.根据权利要求1所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级定子壳体(1-1)与一级定子配流壳体(1-2)之间的通道为驱动流体通道(5)；所述一级上填料盒(1-9)和一级下填料盒(1-10)内壁与一级转子(1-3)外壁之间设置有一级填料盒内套及密封件(1-14)。

4.根据权利要求1所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述二级马达(2)至少包括：二级定子壳体(2-1)、二级定子配流壳体(2-2)、二级转子(2-3)、二级转子密封条(2-4)、二级上密封端盖(2-5)、二级上轴承座(2-6)、二级上过渡连接环(2-7)、二级上填料盒(2-8)、二级下填料盒(2-9)、二级下过渡连接环(2-10)、二级下轴承座(2-11)、二级轴承(2-12)、二级下密封端盖(2-13)、二级填料盒内套及密封件(2-14)、二级定子密封条(2-15)；所述二级定子壳体(2-1)的空腔内自上而下顺次设置有二级上密封端盖(2-5)、二级上轴承座(2-6)、二级上过渡连接环(2-7)、二级上填料盒(2-8)、二级定子配流壳体(2-2)、二级下填料盒(2-9)、二级下过渡连接环(2-10)、二级下轴承座(2-11)、二级下密封端盖(2-13)，以上零件均为空腔结构，包容着二级转子(2-3)；所述二级定子壳体(2-1)、二级定子配流壳体(2-2)、二级转子(2-3)材质为金属材料。

5.根据权利要求1或4所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述二级上轴承座(2-6)和二级下轴承座(2-11)内设置有二级轴承(2-12)，所述二级转子(2-3)上端设置在转子连接套(3)内，下端伸出二级定子壳体(2-1)，与螺杆钻具中的传动轴总成联接；所述二级上填料盒(2-8)和二级下填料盒(2-9)内壁与二级转子(2-3)外壁之间设置有二级填料盒内套及密封件(2-14)。

6.根据权利要求1或4所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级马达(1)的一级转子(1-3)与二级马达(2)的二级转子(2-3)存在相位差；所述一级转子(1-3)与一级定子配流壳体(1-2)为间隙配合，所述二级转子(2-3)与二级定子配流壳体(2-2)为间隙配合。

7.根据权利要求1或4所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级定子配流壳体(1-2)、二级定子配流壳体(2-2)的横截面内腔均为圆形，外壁为圆弧相接形成橄榄形状，沿径向对称分布的两个橄榄头部与一级定子壳体(1-1)、二级定子壳体(2-1)联接，且两个橄榄头部分别设置有沿径向对称分布的一级定子凹槽(1-2a)、二级定子凹槽(2-2a)和一级定子配流孔(1-2b)、二级定子配流孔(2-2b)，所述一级定子凹槽(1-2a)、二级定子凹槽(2-2a)内设置有一级定子密封条(1-4)、二级定子密封条(2-15)。

8.根据权利要求1或4所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级转子(1-3)、二级转子(2-3)的横截面外壁均由圆弧相接构成，且沿径向对称突出两个瓣，在突出的瓣上设置有沿径向对称分布的一级转子凹槽(1-3a)、二级转子凹槽(2-3a),在凹槽内分别设置有一级转子密封条(1-5)、二级转子密封条(2-4)；所述一级转子(1-3)、二级转子(2-3)的中心分别设置有一级转子通道(1-3b)、二级转子通道(2-3b)和与之相通的一级转子径向通孔(1-3c)、二级转子径向通孔(2-3c)；所述一级转子通道(1-3b)与沿径向对称分布的一级转子高压腔体(1-3d)和一级转子低压腔体(1-3e)相通，所述二级转子通道(2-3b)与沿径向对称分布的二级转子高压腔体(2-3d)和二级转子低压腔体(2-3e)相通。

9.根据权利要求1或4所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级定子配流壳体(1-2)和二级定子配流壳体(2-2)的横截面内腔为圆形，外壁的横截面为多边形或圆弧相接形成橄榄形状。

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