CN104213829A - 气体钻井井下动力钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体钻井井下动力钻具，包括双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔液排气传动短节。双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔液排气传动短节采用螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封；密封垫d设置在双作用液压动力短节和密闭循环式液驱马达之间。本发明能将气体能量转换为高压液体能，通过液压油在容积式马达内部的密闭循环来驱动转子旋转，克服了气体直接驱动马达时因压缩性导致的动力不足，同时也保留了气体作为循环介质的全部优势，有效解决了气体钻水平井、定向井和大位移井的井下动力问题。

Description

气体钻井井下动力钻具

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井装备技术领域，具体地说，涉及一种用于气体钻井的井下动力钻具，它适合在气体钻水平井、定向井和大位移井中使用。

背景技术

目前国内油气资源勘探难度越来越大，目标已转向低产、低压、低渗等难开采油气藏，其中包含大量水敏、盐敏、碱敏及碎屑岩地层，与钻井滤液作用后渗透率急剧降低，用常规钻井方法很难实现储层保护或发现新气藏。国内外实践经验表明，利用气体钻井技术更加有利于发现和保护油气层，而利用水平井可以增加单井控制面积，有效提高单井产量，产能，延长单井生产时间，还可减少耕地征用和环境污染，具有显著的经济效益。水平井与气体钻井技术的结合能最大限度地解放油气层，为发现和合理开发低压低渗油气藏开辟新径，然而两者的结合还缺乏一个关键：一种专门用于气体钻井的井下动力钻具。目前用于气体钻井的井下动力钻具有空气螺杆和自转式空气锤。空气螺杆由传统的泥浆螺杆钻具改进而来，它本身因钻井液不可压缩而具有硬的机械特性，正是因为这个优点才使得它能广泛应用于定向和水平钻井。但空气螺杆尽管针对气体的可压缩性采取了一系列的结构优化和改进，基本满足以泡沫、充气为介质的欠平衡钻井，但当循环介质为纯气体和雾化液时仍然是用气体直接作用于螺杆马达，实际体积流量和压力随时在变，压缩性对输出动力的削弱程度仍然巨大，输出的扭矩和转速不稳定自然无法应用于气体钻定向井、水平井。自转式空气锤采用旋转、冲击方式破岩，气体不仅要产生冲击功还要驱动钎头旋转，需要非常高的压力才能实现有效钻进，做功时工况恶劣，钻具整体寿命短，现场实用性差。由于缺乏一种有效的井下动力钻具，造成气体钻井目前只能依靠地面设备的力量驱动钻柱旋转，这种方式往往只能在直井段、稳斜段以及长度较小的水平段使用，而在造斜段和长水平段，钻柱是无法旋转的。通常做法是在直井段和稳斜段采用气体钻井提速、治漏，在造斜段和长度更大的水平段则转换为泥浆采用常规方式钻进，不但增加了工作量和施工难度，也没有达到利用气体钻井发现和保护储层的目的，极大地限制了气体钻井技术的发展和应用。

公开号为CN2893125，公开日为2007年4月25日的中国专利文献公开了一种用于气体、泡沫钻井的螺杆钻具，它包括气体、泡沫马达、密封万向轴和密封传动轴，气体、泡沫马达、密封万向轴、密封传动轴依次连接。该马达在导热和密封性方面都作了有针对性的设计，马达转/定子头数较传统马达为大，可降低转速（40～100r/min）和减小转子运动时的惯性力；马达转排量比传统的泥浆马达要大，在满足携岩的同时一定程度上降低了马达启动和工作压降。

实践表明，这种基于传统泥浆螺杆钻具优化、改进而来的井下动力钻具虽然能基本满足以泡沫、充气为介质的欠平衡钻井，但当循环介质为纯气体和雾化液时由于气体压缩导致输出通过螺杆马达的实际气体流量不稳定，输出的扭矩和转速也不稳定，从而无法满足现场施工要求，气体钻水平井、定向井和大位移井的井下动力钻具问题仍然没有得到很好解决。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种气体钻井井下动力钻具，本发明能将气体能量转换为高压液体能，通过液压油在容积式马达内部的密闭循环来驱动转子旋转，克服了气体直接驱动马达时因压缩性导致的动力不足，同时也保留了气体作为循环介质的全部优势，有效解决了气体钻水平井、定向井和大位移井的井下动力问题。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种气体钻井井下动力钻具，包括依次连接的双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔液排气传动短节，其特征在于：所述的双作用压气动力短节包括上接头、逆止阀、阀座、密封垫a、配流盘、分流塞、气动活塞、外缸、内缸、配气筒、排气接头和连杆；上接头的一端与钻具组合螺纹连接，另一端与外缸螺纹连接；阀座通过台阶定位在上接头下端和配流盘上端；阀座中心孔安装有逆止阀，密封垫a设置在阀座与配流盘之间；配流盘通过键定位在外缸内部，分流塞安装在配流盘的中心孔上；内缸上加工有若干道轴向气槽，槽上加工有径向气槽，内缸上、下端通过台阶分别定位在配流盘下端和外缸内部；气动活塞两端对称分布有上、下两组轴向气道，上气道通向前气室，下气道通向后气室，并在上、下两组轴向气道的相邻端加工有与活塞外圆柱面相贯通的径向气槽；配气筒采用螺纹连接在气动活塞的中心排气道内壁上，配气筒下部加工有上下两组配气孔，配气筒通过排气接头中心孔，并与排气接头形成间隙密封面；连杆通过双作用液压动力短节的顶盖、底盖中心孔与配气筒螺纹连接，并与双作用液压动力短节的顶盖和底盖形成间隙密封面；排气接头上端通过螺纹与外缸相连，下端与双作用液压动力短节通过螺纹连接，其上端面加工有一中心孔供配气筒通过，并与配气筒形成间隙密封面。

前气室由配流盘、气动活塞和内缸之间的环形空间形成。

后气室由气动活塞、外缸和排气接头之间的环形空间形成。

排气室由排气接头、双作用液压动力短节顶盖和连杆之间的环形空间形成。

所述的双作用液压动力短节包括顶盖、油缸、油缸外壳、底盖、矩形单向阀、堵头、液压柱塞、肋板、密封垫b和密封垫c；双作用液压动力短节在周向上设置有排气腔、泵油腔和回油腔三个通道；排气腔由顶盖、顶盖外壳、油缸、油缸外壳、底盖、底盖外壳和肋板形成，进口与排气室连通，出口与密闭循环式液驱马达的排气腔连通；泵油腔由油缸、油缸外壳、底盖、底盖外壳和肋板形成，进口与前油室泵油阀、后油室泵油阀的出油端相连，出口与密闭循环式液驱马达的承载接头水眼连通，顶端由顶盖密封；回油腔由油缸、油缸外壳、底盖、底盖外壳和肋板形成，进口与密闭循环式液驱马达的回油孔连通，出口与前油室回油阀、后油室回油阀的进油端相连；顶盖上对应泵油腔和回油腔的位置上安装有两个矩形单向阀，一端分别与泵油腔和回油腔连通，一端与前油室连通；底盖上对应泵油腔和回油腔的位置上安装有两个矩形单向阀，一端分别与泵油腔和回油腔连通，一端与后油室连通；液压柱塞与连杆通过键连接，装配于油缸内；顶盖、油缸和底盖通过顶盖外壳、油缸外壳和底盖外壳上加工的螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封；密封垫b设置在顶盖和油缸之间，密封垫c设置在底盖和油缸之间。

前油室由顶盖、液压柱塞、油缸和连杆之间的环形空间形成。

后油室由底盖、液压柱塞、油缸和连杆之间的环形空间形成。

密闭循环式液驱马达包括承载接头、承载接头外壳、防掉锁母、防掉连杆、转子、定子壳体、定子橡胶衬套、马达外壳、万向轴总成、万向轴总成壳体、万向轴总成外壳、回油孔、泄油孔、泄油螺塞、密封垫e和密封垫f；双作用液压动力短节在周向上设置有排气腔和回油腔两个通道；排气腔由承载接头、承载接头外壳、定子壳体、马达外壳、万向轴总成壳体、万向轴总成外壳和肋板形成，进口与双作用液压动力短节的排气腔连通，出口与排气孔连通；回油腔由承载接头、承载接头外壳、定子壳体、马达外壳、万向轴总成壳体、万向轴总成外壳和肋板形成，进口与回油孔连通，出口与双作用液压动力短节的回油腔连通；承载接头上端与双作用液压动力短节的底盖螺纹连接，下端与定子壳体螺纹连接；承载接头、定子壳体、万向轴壳体通过螺纹自上而下依次连接；定子橡胶衬套热贴合于定子壳体内壁上；防掉锁母、防掉连杆、转子、万向轴总成通过螺纹自上而下依次连接，装配于定子橡胶衬套内；万向轴总成壳体上加工有回油孔，万向轴总成外壳上对应回油腔位置加工有泄油孔，由泄油螺塞密封；承载接头、定子壳体和万向轴总成壳体通过螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封。

密封垫e设置在承载接头外壳和马达外壳之间。

密封垫f设置在马达外壳和万向轴总成外壳之间。

隔液排气传动短节包括上TC动套、上TC静套、轴密封装置a、排气隔套、隔套压块、轴密封装置b、上传压套、旋转传动短节、稳定器、串轴承、传动轴壳体、轴密封装置c和下传压套；旋转传动短节上加工有上、下两个限位台阶，上端与万向轴总成通过螺纹连接、下端与钻头相连；串轴承装配于上、下两个限位台阶之间；上TC动套、上TC静套、轴密封装置a、排气隔套、隔套压块、轴密封装置b、上传压套依次装配于旋转传动短节与传动轴壳体之间；下传压套通过螺纹与传动轴壳体连接，并由轴密封装置c密封其与旋转传动短节之间的间隙；稳定器通过螺纹连接在传动轴壳体的外表面上。

下传压套内表面和旋转传动短节外表面镶嵌有硬质合金块。

双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔液排气传动短节采用螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封；密封垫d设置在双作用液压动力短节和密闭循环式液驱马达之间。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：

1、现有技术在用气体驱动螺杆马达转子时因气体泄露或气体压缩程度的不确定性导致输出的动力不足或机械特性不稳定，无法适应于纯气体和雾化钻井作业。本发明采用不可压缩的液压油作为直接驱动螺杆马达的工作介质，保留了其与生俱来的硬机械特性，避免了气体直接驱动螺杆马达时的能量流失，能量利用效率大幅提高，克服了因气体压缩、泄露导致的动力不足问题，输出动力无论在数值上还是在稳定性上都足以满足气体钻井需要。

2、本发明的双作用压气动力短节利用气体作为动力源驱动气动活塞做功，将气体能量转变为气动活塞的往复高频运动，实现了气体能量向机械能的转变，气动活塞的机械能通过连杆传递给液压柱塞，以实现其在双作用液压动力短节中的往复运动，短节设计独立，外形与钻具整体保持一致，安装、拆卸、维修及配套方便，互换性强。

3、本发明的双作用液压动力短节将机械能转变为高压液动能，驱动着液压油在密闭循环空间内高压、高速循环，短节设计独立，外形与钻具整体保持一致，安装、拆卸、维修及配套方便，互换性强。

4、本发明的密闭循环式液驱马达将液压油的高压液动能转变为马达转子的旋转机械能并通过隔液排气传动短节传递给钻头破岩，密闭循环式液驱马达实现了液压油在钻具内的密闭循环，保留了螺杆作为容积式马达与生俱来的硬机械特性，输出的扭矩和转速不再直接受气体压缩性和气密性不足的影响，能量利用效率大幅提高，从根本上解决了现有技术的动力不足和不稳定问题，马达设计独立，安装、拆卸、维修及配套方便，互换性强。

5、本发明的隔液排气传动短节具有密闭液压油、隔液排气和密封传动轴的作用，短节设计独立，外形与钻具整体保持一致，安装、拆卸、维修及配套方便，互换性强。气体做功后膨胀通过该短节直接排出至环空携岩，保留了气体作为循环介质的全部优势，有效解决了气体钻水平井、定向井和大位移井的井下动力问题。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明双作用压气动力短节的结构示意图；

图2a为图2中A-A剖面图；

图3为本发明双作用液压动力短节的结构示意图；

图3a为图3中B-B剖面图；

图3b为单向阀周向分布示意图；

图3c为图3中C-C剖面图；

图3d为密封垫b和密封垫c的截面图；

图4为本发明密闭循环式液驱马达的结构示意图；

图4a为图4中D-D剖面图；

图4b为图4中E-E剖面图；

图4c为密封垫e和密封垫f截面图；

图5为本发明隔液排气传动短节的结构示意图；

图5a为图5中F-F剖面图。

图中标记：

1-上接头；2-逆止阀；3-阀座；4-密封垫a；5-配流盘；6-分流塞；7-前气室；8-气动活塞；9-外缸；10-内缸；11-活塞上气道；12-轴向气槽；13-径向气槽；14-活塞径向气槽；15-活塞下气道；16-后气室；17-配气筒；18-上配气孔；19-下配气孔；20-排气接头；21-连杆；22-排气室；23-顶盖；24-矩形单向阀；24a-前油室泵油阀；24b-前油室回油阀；24c-后油室泵油阀；24d-后油室回油阀；25-堵头；26-排气腔；27-顶盖外壳；28-密封垫b；29-液压柱塞；30-前油室；31-后油室；32-油缸；33-泵油腔；34-油缸外壳；35-密封垫c；36-底盖外壳；37-底盖；38-承载接头水眼；39-密封垫d；40-防掉锁母；41-防掉凸环；42-承载接头；43-承载接头外壳；44-密封垫e；45-防掉连杆；46-定子壳体；47-定子橡胶衬套；48-马达外壳；49-转子；50-密封垫f；51-万向轴总成；52-回油孔；53-泄油孔；54-泄油螺塞；55-万向轴总成壳体；56-万向轴总成外壳；57-上TC动套；58-上TC静套；59-轴密封装置a；60-排气隔套；61-排气孔；62-旋转传动短节排气孔；63-隔套压块；64-轴密封装置b；65-上传压套；66-上限位台阶；67-旋转传动短节；68-旋转传动短节水眼；69-稳定器；70-串轴承；71-下限位台阶；72-传动轴壳体；73-轴密封装置c；74-下传压套；75-钻具接头；76-回油腔；77-回油道；78-阀座；79-阀芯；80-弹簧；81-肋板。

具体实施方式

实施例1

参照说明书附图，本发明公开了一种双作用压气动力短节，包括上接头1、逆止阀2、阀座3、密封垫a4、配流盘5、分流塞6、气动活塞8、外缸9、内缸10、配气筒17、排气接头20和连杆21。上接头1的一端与钻具组合螺纹连接，另一端与外缸9螺纹连接；阀座3通过台阶定位在上接头1下端和配流盘5上端；阀座3中心孔安装有逆止阀2，密封垫a4设置在阀座3与配流盘5之间；配流盘5通过键定位在外缸9内部，分流塞6安装在配流盘5的中心孔上；内缸10上加工有若干道轴向气槽12，槽上加工有径向气槽13，内缸10上、下端通过台阶分别定位在配流盘5下端和外缸9内部；

气动活塞8两端对称分布有上、下两组轴向气道，上气道11通向前气室7，下气道15通向后气室16，并在上、下两组轴向气道的相邻端加工有与活塞外圆柱面相贯通的径向气槽14；配气筒17采用螺纹连接在气动活塞8的中心排气道内壁上，配气筒17下部加工有上下两组配气孔（18、19），配气筒17通过排气接头20中心孔，并与排气接头形成间隙密封面；连杆21通过双作用液压动力短节的顶盖23、底盖37中心孔与配气筒17螺纹连接，并与双作用液压动力短节的顶盖23和底盖37形成间隙密封面；排气接头20上端通过螺纹与外缸9相连，下端与双作用液压动力短节通过螺纹连接，其上端面加工有一中心孔供配气筒17通过，并与配气筒形成间隙密封面；前气室7由配流盘5、气动活塞8和内缸10之间的环形空间形成。后气室16由气动活塞8、外缸9和排气接头20之间的环形空间形成。排气室22由排气接头20、双作用液压动力短节顶盖23和连杆21之间的环形空间形成。

实施例2

参照说明书附图，本发明公开了一种双作用液压动力短节，包括顶盖23、油缸32、油缸外壳34、底盖37、矩形单向阀24、堵头25、液压柱塞29、肋板81、密封垫b28和密封垫c35。双作用液压动力短节在周向上设置有排气腔26、泵油腔33和回油腔76三个通道；排气腔26由顶盖23、顶盖外壳27、油缸32、油缸外壳34、底盖37、底盖外壳36和肋板81形成，进口与排气室22连通，出口与密闭循环式液驱马达的排气腔26连通；泵油腔33由油缸32、油缸外壳34、底盖37、底盖外壳36和肋板81形成，进口与前油室泵油阀24a、后油室泵油阀24c的出油端相连，出口与密闭循环式液驱马达的承载接头水眼38连通，顶端由顶盖23密封；回油腔76由油缸32、油缸外壳34、底盖37、底盖外壳36和肋板81形成，进口与密闭循环式液驱马达的回油孔52连通，出口与前油室回油阀24b、后油室回油阀24d的进油端相连；顶盖23上对应泵油腔33和回油腔76的位置上安装有两个矩形单向阀（24c和24d），一端分别与泵油腔33和回油腔76连通，一端与前油室30连通；底盖37上对应泵油腔33和回油腔76的位置上安装有两个矩形单向阀（24c和24d），一端分别与泵油腔33和回油腔76连通，一端与后油室31连通；液压柱塞29与连杆21通过键连接，装配于油缸32内；顶盖23、油缸32和底盖37通过顶盖外壳27、油缸外壳34和底盖外壳36上加工的螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封；密封垫b28设置在顶盖23和油缸32之间，密封垫c35设置在底盖37和油缸32之间。前油室30由顶盖23、液压柱塞29、油缸32和连杆21之间的环形空间形成。后油室31由底盖37、液压柱塞29、油缸32和连杆21之间的环形空间形成。

实施例3

参照说明书附图，本发明公开了一种密闭循环式液驱马达，包括承载接头42、承载接头外壳43、防掉锁母40、防掉连杆45、转子49、定子壳体46、定子橡胶衬套47、马达外壳48、万向轴总成51、万向轴总成壳体55、万向轴总成外壳56、回油孔52、泄油孔53、泄油螺塞54、密封垫e44和密封垫f50。双作用液压动力短节在周向上设置有排气腔26和回油腔76两个通道；排气腔26由承载接头42、承载接头外壳43、定子壳体46、马达外壳48、万向轴总成壳体55、万向轴总成外壳56和肋板81形成，进口与双作用液压动力短节的排气腔26连通，出口与排气孔61连通；回油腔76由承载接头42、承载接头外壳43、定子壳体46、马达外壳48、万向轴总成壳体55、万向轴总成外壳56和肋板81形成，进口与回油孔52连通，出口与双作用液压动力短节的回油腔76连通；承载接头42上端与双作用液压动力短节的底盖37螺纹连接，下端与定子壳体46螺纹连接；承载接头42、定子壳体46、万向轴壳体55通过螺纹自上而下依次连接；定子橡胶衬套47热贴合于定子壳体46内壁上；防掉锁母40、防掉连杆45、转子49、万向轴总成51通过螺纹自上而下依次连接，装配于定子橡胶衬套47内；万向轴总成壳体55上加工有回油孔52，万向轴总成外壳56上对应回油腔76位置加工有泄油孔53，由泄油螺塞54密封；承载接头42、定子壳体46和万向轴总成壳体55通过螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封；密封垫e44设置在承载接头外壳43和马达外壳48之间，密封垫f50设置在马达外壳48和万向轴总成外壳56之间。

实施例4

参照说明书附图，本发明公开了一种隔液排气传动短节，包括上TC动套57、上TC静套58、轴密封装置a59、排气隔套60、隔套压块63、轴密封装置b64、上传压套65、旋转传动短节67、稳定器69、串轴承70、传动轴壳体72、轴密封装置c73和下传压套74。旋转传动短节67上加工有上、下两个限位台阶（66、71），上端与万向轴总成51通过螺纹连接、下端与钻头相连；串轴承70装配于上、下两个限位台阶（66、71）之间；上TC动套57、上TC静套58、轴密封装置a59、排气隔套60、隔套压块63、轴密封装置b64、上传压套65依次装配于旋转传动短节67与传动轴壳体72之间；下传压套74通过螺纹与传动轴壳体72连接，并由轴密封装置c73密封其与旋转传动短节67之间的间隙；下传压套74内表面和旋转传动短节67外表面镶嵌有硬质合金块；稳定器69通过螺纹连接在传动轴壳体72的外表面上。

实施例5

参见图1、图2、图3、图4和图5，结合上述实施例，本发明主要由四大机构构成，分别是双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔夜排气传动短节，双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔液排气传动短节采用螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封；密封垫d39设置在双作用液压动力短节和密闭循环式液驱马达之间。当然，也可以采用现有的双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔夜排气传动短节连接来实现。

实施例6：本发明各部件的组装顺序

步骤1，将气动活塞8与配气筒17通过螺纹连接到位，与连杆21通过键连接到位后整体装配于内缸10里；步骤2，配气筒17和连杆21穿过排气接头20的中心孔后排气接头20再与外缸9通过螺纹连接；步骤3，连杆21穿过顶盖23中心孔与液压柱塞29通过键连接后再装配于油缸32内，顶盖23、油缸32和底盖37的各标线对齐和螺纹台阶面间隙符合要求后依次紧扣，以确保各腔室对正连接，并通过密封垫b28和密封垫c35密封；步骤4，螺纹连接排气接头20与顶盖23；步骤5，依次连接承载接头42、定子壳体46、万向轴总成壳体55和传动轴壳体72，各标线对齐和螺纹台阶面间隙符合要求后依次紧扣，以确保各腔室对正连接，并通过密封垫e44和密封垫f50密封，定子橡胶衬套47热贴合于定子壳体46内壁上；步骤6，依次连接防掉连杆45、转子49、万向轴总成51和旋转传动短节67；步骤7，将上述构件依次套上上TC动套57、上TC静套58、轴密封装置a59、排气隔套60、轴密封装置b64、上传压套65、串轴承70和轴密封装置c73装配于万向轴总成壳体55和传动轴壳体72内；步骤8，将下传压套74压入传动轴壳体72内，与传动轴壳体72螺纹连接并紧扣，防掉连杆45上端穿过防掉凸环41后用防掉锁母40锁紧；步骤9，将排气接头20与顶盖23螺纹连接；步骤10，将承载接头42与底盖37螺纹连接，标线对齐和螺纹台阶面间隙符合要求后紧扣，以确保各腔室对正连接，并通过密封垫d39密封。

实施例7：本发明的工作原理及工作过程

在气体钻井时，本发明通过双作用压气动力短节的上接头1连接钻具组合下入井底，地面设备提供的压缩气体推开逆止阀2，气体通过阀座3开设的环形气道进入配流盘5；配流盘5将气体引导至内缸10和外缸9之间的轴向气槽12中，并通过径向气槽13、活塞下气道15流至后气室16，推动气动活塞8和与之相连接的配气筒17、连杆21高速上行；气动活塞8和配气筒17上行至上配气孔18露出排气接头20上端面时，后气室31内的高压气体经上配气孔18和下配气孔19流至排气室22里，上冲程结束；气动活塞8继续上行，当气动活塞8依靠活塞径向气槽14与径向气槽13的相对位置差关闭通向后气室16的通道而打开通向前气室7的通道时，气体经径向气槽13，轴向气槽12和活塞上气道11流至前气室7；当气动活塞8上行至配流盘5的中心杆进入配气筒17时，前气室7封闭，在惯性作用下气动活塞8继续上行，其内的气体被压缩，压力不断升高；压力升高至一定程度时又推动气动活塞8和与之相连接的配气筒17、连杆21高速下行；气动活塞8和配气筒17下行至上配气孔18位于排气接头20上端面以下时，前气室7内高压气体经配气筒17、上配气孔18和下配气孔19流至排气室22和排气腔26里，下冲程结束；如此往复，双作用压气动力短节将气体能量转换成了气动活塞8的上下往复运动；气体做功结束后经排气室22、排气腔26、排气孔61、旋转传动短节排气孔47和水眼68直接排出至环空，保留了气体作为循环介质钻井的全部优势。

双作用液压动力短节的液压柱塞29由气动活塞8、配气筒17和连杆21驱动液压柱塞29上行时推动前油室30内的液压油打开前油室泵油阀24a，经泵油腔33输出一定压力和体积的液压油；由于液压油不可压缩，致使整个钻具密闭腔室内的液压油仍然以相同体积的量打开后油室回油阀24d，经回油腔76和底盖37的回油道77流回油缸32内，保证了油液流动的连续性；液压柱塞29下行时推动后油室31内的液压油打开后油室泵油阀24c，经泵油腔33输出一定压力和体积的液压油；由于液压油不可压缩，致使整个钻具密闭腔室内的液压油仍然以相同体积的量打开前油室回油阀24b，经回油腔76和顶盖23的回油道77流回油缸32内，同样保证了油液流动的连续性；无论液压柱塞29在何位置，只要与油缸32有持续的相对位移，就会输出液压能。

由双作用液压动力短节输出的高压油经泵油腔33流至密闭循环式液驱马达的承载接头水眼38、转子49和定子橡胶衬套47形成的共轭腔以驱动马达转子49旋转，并输出扭矩；万向轴总成51将马达转子49的行星运动转换为定轴运动；做功后的低压液压油经万向轴总成壳体55上的回油孔52返回至回油腔76和回油道77中；密闭循环式液驱马达下端由本发明的第四部分隔液排气传动短节的轴密封装置a封闭，由此形成了一个液压油的密闭循环通道。

密闭循环式液驱马达输出的扭矩和转速通过万向轴总成51传递到隔液排气传动短节上，该机构不仅起着封闭液驱马达下端、将排气腔26内的气体引至旋转传动短节水眼68的作用，还起着密封润滑轴承、传递钻压和支撑侧向力的作用；轴密封装置a59用于封闭液压油循环通道；排气隔套60、隔套压块63用于隔离排气；轴密封装置b64、轴密封装置c73用于密封润滑串轴承70；上TC动套57、上TC静套58以及分别加工在下传压套74、旋转传动短节67对应位置上的硬质合金块起着支撑侧向力的作用；上传压套65、串轴承70、下传压套74以及旋转传动短节67上的上、下限位台阶（66、71）起着短节防掉和传递钻压的作用。

本发明从根本上解决了气体直接驱动马达转子因气体压缩、泄露导致的动力不足问题。采用不可压缩的液压油作为介质在密闭腔室内驱动螺杆马达，不仅保留了螺杆马达与生俱来的硬机械特性，输出动力足以满足气体钻井需要，同时气体做功后膨胀，并通过钻头水眼直接排出至环空携岩，保留了气体作为循环介质的全部优势，有效解决了气体钻水平井、定向井和大位移井的井下动力问题，是破解气体钻井定向钻进难题的有力武器。 

Claims (10)

1.一种气体钻井井下动力钻具，包括依次连接的双作用压气动力短节、双作用液压动力短节、密闭循环式液驱马达和隔液排气传动短节，其特征在于：所述的双作用压气动力短节包括上接头、逆止阀、阀座、密封垫a、配流盘、分流塞、气动活塞、外缸、内缸、配气筒、排气接头和连杆；上接头的一端与钻具组合螺纹连接，另一端与外缸螺纹连接；阀座通过台阶定位在上接头下端和配流盘上端；阀座中心孔安装有逆止阀，密封垫a设置在阀座与配流盘之间；配流盘通过键定位在外缸内部，分流塞安装在配流盘的中心孔上；内缸上加工有若干道轴向气槽，槽上加工有径向气槽，内缸上、下端通过台阶分别定位在配流盘下端和外缸内部；气动活塞两端对称分布有上、下两组轴向气道，上气道通向前气室，下气道通向后气室，并在上、下两组轴向气道的相邻端加工有与活塞外圆柱面相贯通的径向气槽；配气筒采用螺纹连接在气动活塞的中心排气道内壁上，配气筒下部加工有上下两组配气孔，配气筒通过排气接头中心孔，并与排气接头形成间隙密封面；连杆通过双作用液压动力短节的顶盖、底盖中心孔与配气筒螺纹连接，并与双作用液压动力短节的顶盖和底盖形成间隙密封面；排气接头上端通过螺纹与外缸相连，下端与双作用液压动力短节通过螺纹连接，其上端面加工有一中心孔供配气筒通过，并与配气筒形成间隙密封面。

2.根据权利要求1所述的气体钻井井下动力钻具，其特征在于：前气室由配流盘、气动活塞和内缸之间的环形空间形成。

3.根据权利要求2所述的气体钻井井下动力钻具，其特征在于：后气室由气动活塞、外缸和排气接头之间的环形空间形成。

4.根据权利要求3所述的气体钻井井下动力钻具，其特征在于：排气室由排气接头、双作用液压动力短节顶盖和连杆之间的环形空间形成。

5.根据权利要求1所述的气体钻井井下动力钻具，其特征在于：所述的双作用液压动力短节包括顶盖、油缸、油缸外壳、底盖、矩形单向阀、堵头、液压柱塞、肋板、密封垫b和密封垫c；双作用液压动力短节在周向上设置有排气腔、泵油腔和回油腔三个通道；排气腔由顶盖、顶盖外壳、油缸、油缸外壳、底盖、底盖外壳和肋板形成，进口与排气室连通，出口与密闭循环式液驱马达的排气腔连通；泵油腔由油缸、油缸外壳、底盖、底盖外壳和肋板形成，进口与前油室泵油阀、后油室泵油阀的出油端相连，出口与密闭循环式液驱马达的承载接头水眼连通，顶端由顶盖密封；回油腔由油缸、油缸外壳、底盖、底盖外壳和肋板形成，进口与密闭循环式液驱马达的回油孔连通，出口与前油室回油阀、后油室回油阀的进油端相连；顶盖上对应泵油腔和回油腔的位置上安装有两个矩形单向阀，一端分别与泵油腔和回油腔连通，一端与前油室连通；底盖上对应泵油腔和回油腔的位置上安装有两个矩形单向阀，一端分别与泵油腔和回油腔连通，一端与后油室连通；液压柱塞与连杆通过键连接，装配于油缸内；顶盖、油缸和底盖通过顶盖外壳、油缸外壳和底盖外壳上加工的螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封；密封垫b设置在顶盖和油缸之间，密封垫c设置在底盖和油缸之间。

6.根据权利要求5所述的气体钻井井下动力钻具，其特征在于：前油室由顶盖、液压柱塞、油缸和连杆之间的环形空间形成。

7.根据权利要求6所述的气体钻井井下动力钻具，其特征在于：后油室由底盖、液压柱塞、油缸和连杆之间的环形空间形成。

8.根据权利要求1所述的气体钻井井下动力钻具，其特征在于：密闭循环式液驱马达包括承载接头、承载接头外壳、防掉锁母、防掉连杆、转子、定子壳体、定子橡胶衬套、马达外壳、万向轴总成、万向轴总成壳体、万向轴总成外壳、回油孔、泄油孔、泄油螺塞、密封垫e和密封垫f；双作用液压动力短节在周向上设置有排气腔和回油腔两个通道；排气腔由承载接头、承载接头外壳、定子壳体、马达外壳、万向轴总成壳体、万向轴总成外壳和肋板形成，进口与双作用液压动力短节的排气腔连通，出口与排气孔连通；回油腔由承载接头、承载接头外壳、定子壳体、马达外壳、万向轴总成壳体、万向轴总成外壳和肋板形成，进口与回油孔连通，出口与双作用液压动力短节的回油腔连通；承载接头上端与双作用液压动力短节的底盖螺纹连接，下端与定子壳体螺纹连接；承载接头、定子壳体、万向轴壳体通过螺纹自上而下依次连接；定子橡胶衬套热贴合于定子壳体内壁上；防掉锁母、防掉连杆、转子、万向轴总成通过螺纹自上而下依次连接，装配于定子橡胶衬套内；万向轴总成壳体上加工有回油孔，万向轴总成外壳上对应回油腔位置加工有泄油孔，由泄油螺塞密封；承载接头、定子壳体和万向轴总成壳体通过螺纹依次连接，各部分腔室对正后通过密封垫密封。

9.根据权利要求1所述的气体钻井井下动力钻具，其特征在于：密封垫e设置在承载接头外壳和马达外壳之间；密封垫f设置在马达外壳和万向轴总成外壳之间。

10.根据权利要求1所述的气体钻井井下动力钻具，其特征在于：隔液排气传动短节包括上TC动套、上TC静套、轴密封装置a、排气隔套、隔套压块、轴密封装置b、上传压套、旋转传动短节、稳定器、串轴承、传动轴壳体、轴密封装置c和下传压套；旋转传动短节上加工有上、下两个限位台阶，上端与万向轴总成通过螺纹连接、下端与钻头相连；串轴承装配于上、下两个限位台阶之间；上TC动套、上TC静套、轴密封装置a、排气隔套、隔套压块、轴密封装置b、上传压套依次装配于旋转传动短节与传动轴壳体之间；下传压套通过螺纹与传动轴壳体连接，并由轴密封装置c密封其与旋转传动短节之间的间隙；稳定器通过螺纹连接在传动轴壳体的外表面上。