CN105275720A - 一种带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达 - Google Patents

Abstract

一种带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，属于钻井设备技术领域，它设有锁紧螺母、平衡毂、涡轮马达主轴、上径向扶正轴承、涡轮转子、涡轮定子和下径向扶正轴承；所述锁紧螺母配装在涡轮马达主轴的上端，锁紧螺母与涡轮马达主轴均为中空结构；所述平衡毂、上径向扶正轴承、涡轮转子和下径向扶正轴承从上至下依次套装在涡轮马达主轴上；所述平衡毂的平衡毂外套内壁与锁紧螺母上端面形成压力平衡腔，在平衡毂外套和平衡毂内套之间形成环状缝隙；所述上径向扶正轴承在轴承内套与轴承外套之间形成轴承配合间隙；轴承配合间隙、环状缝隙、压力平衡腔、锁紧螺母及涡轮马达主轴的中空结构贯通。本发明解决了涡轮马达主轴轴向力与钻压不平衡的问题。

Description

一种带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达

技术领域

本发明涉及一种钻探涡轮钻具，尤其是一种带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，属于钻井设备技术领域。

背景技术

涡轮钻井技术可减少能源消耗、降低成本，具有良好的经济与社会效益，是钻探工程领域前沿技术之一。涡轮钻具是工业应用最早的一种井下动力钻具，其工作原理是将工作液的流体压力能量转变为输出轴的旋转机械能量，驱动钻头转动以破碎井底地层岩石。

涡轮钻具以涡轮马达为动力部分，以涡轮马达主轴为支撑部分，在涡轮马达主轴上设有止推轴承组，钻井作业时，涡轮马达主轴要承担轴向力和钻压。现有技术中，涡轮钻具处于工作状态时，具有一定压力的工作液由涡轮钻具上端进入涡轮马达工作腔，通过液力传动驱动涡轮马达的转子及涡轮马达主轴运转，此时涡轮马达主轴受到的轴向力包括工作液通过涡轮马达转子时产生的向下轴向力、涡轮马达主轴上端与下端压差造成的向下轴向力。针对大尺寸涡轮钻具而言，由于涡轮马达主轴承受的向下轴向力通常远大于钻压，涡轮马达主轴承受的轴向力与钻压存在不平衡的问题，极易导致涡轮马达主轴上的止推轴承组过早失效。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，以解决大尺寸涡轮钻具涡轮马达主轴承受的轴向力与钻压不平衡的问题，延长涡轮钻具的工作寿命。

本发明上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，包括上接头、锁紧螺母、平衡毂、涡轮马达主轴、上径向扶正轴承、涡轮转子、涡轮定子、涡轮马达壳体、下径向扶正轴承和下接头；所述锁紧螺母与涡轮马达主轴均为中空结构，锁紧螺母配装在涡轮马达主轴的上端；所述平衡毂、上径向扶正轴承、涡轮转子和下径向扶正轴承从上至下依次套装在涡轮马达主轴的外面；所述平衡毂由平衡毂外套和平衡毂内套组成，所述平衡毂外套上端设有端盖，在平衡毂外套内壁与锁紧螺母上端面之间形成压力平衡腔，平衡毂外套和平衡毂内套以间隙配合方式装配，在平衡毂外套和平衡毂内套之间形成环状缝隙；所述上径向扶正轴承由轴承内套和轴承外套组成，在轴承内套与轴承外套之间形成轴承配合间隙；所述轴承配合间隙、环状缝隙、压力平衡腔、锁紧螺母及涡轮马达主轴的中空结构以串联方式贯通。

上述带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，所述平衡毂内套、上径向扶正轴承内套、涡轮转子和下径向扶正轴承内套通过锁紧螺母与涡轮马达主轴下部的轴肩端面压紧，成为一个随涡轮转子旋转的整体；所述平衡毂外套、上径向扶正轴承外套、涡轮定子和下径向扶正轴承外套通过上接头、下接头与涡轮马达壳体端面压紧，成为一个静止的整体。

上述带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，所述平衡毂外套在端盖上设有阶梯孔，所述阶梯孔与绳索取芯钻进工艺中的取芯内管总成相匹配。

上述带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，所述平衡毂外套内径为D1，平衡毂内套外径为D2，在平衡毂外套和平衡毂内套之间形成的环状缝隙宽度

Δ1=（D1-D2）/2，且0.20mm≤Δ1≤1.00mm，平衡毂外套的轴向长度L1≥200mm，平衡毂内套的轴向长度L2≥150mm。

上述带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，所述上径向扶正轴承的轴向长度L3≥60mm，上径向扶正轴承的轴承外套的内径D3与上径向扶正轴承的轴承内套的外径D4的配合间隙Δ2=（D3-D4）/2，且0.20mm≤Δ2≤1.00mm。

上述带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，所述马达主轴中空结构的内孔直径D3≥Φ20mm。

本发明在钻探涡轮钻具中空马达中设置了轴向力平衡毂，该轴向力平衡毂由平衡毂外套和平衡毂内套组成，平衡毂外套和平衡毂内套以间隙配合方式装配，在平衡毂外套和平衡毂内套之间形成了环状缝隙，同时在平衡毂外套内壁与锁紧螺母上端面之间形成了压力平衡腔，环状缝隙与上径向扶正轴承的轴承配合间隙、压力平衡腔、锁紧螺母及涡轮马达主轴的内孔贯通。因此，当钻探涡轮钻具中空马达处于工作状态时，具有一定压力的工作液由涡轮钻具上端进入涡轮马达工作腔时，少量工作液由上径向扶正轴承下端面，通过上径向扶正轴承的轴承配合间隙、平衡毂外套和平衡毂内套之间的环状缝隙进入压力平衡腔，再由锁紧螺母及涡轮马达主轴的内孔到达下接头处，与通过涡轮马达工作腔(涡轮定子叶栅间隙及涡轮转子叶栅间隙)的工作液汇合。根据流体力学的节流减压原理，在上述工作过程中，流经上径向扶正轴承的轴承配合间隙、平衡毂外套和平衡毂内套之间的环状缝隙、进入压力平衡腔的少量工作液压力会受到很大损失，因此由锁紧螺母上端面传递给涡轮马达主轴的轴向压力会显著降低，因涡轮马达主轴上端与下端压差造成的向下轴向力很小。经试验证明：与现有技术比较，某种采用轴向力平衡毂的涡轮钻具，其涡轮马达主轴受到的轴向力可减小68%以上。

综上所述，本发明有效地缓解了涡轮马达主轴承受的轴向力与钻压不平衡的问题，延长了涡轮钻具的工作寿命。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图；

图2是轴向力平衡毂的剖面结构示意图；

图3是图2中I处结构放大图；

图4是图2中A-A剖面结构示意图；

图5是上径向扶正轴承剖面结构示意图；

图6是图5中J处结构放大图；

图7是本发明在常规钻进过程中的工作原理示意图；

图8是与绳索取芯钻进工艺匹配的轴向力平衡毂的剖面结构示意图；

图9是本发明在绳索取芯钻进过程中的工作原理示意图。

图中各标号清单为：1、上接头，2、锁紧螺母，3、涡轮马达主轴，4、轴向力平衡毂，4-1、平衡毂外套，4-2、平衡毂内套，4-3、环状缝隙，4-4、阶梯孔，5、上径向扶正轴承，5-1、轴承外套，5-2、轴承内套，5-3、轴承配合间隙，6、涡轮定子，7、涡轮转子，8、涡轮马达壳体，9、下径向扶正轴承，10、下接头，11、工作液，12、取芯内管总成；

H、压力平衡腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参看图1至图6，本发明所述带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达包括上接头1、锁紧螺母2、平衡毂4、涡轮马达主轴3、上径向扶正轴承5、涡轮转子7、涡轮定子6、涡轮马达壳体8、下径向扶正轴承9和下接头10；所述锁紧螺母2与涡轮马达主轴3均为中空结构，锁紧螺母2配装在涡轮马达主轴3的上端；所述平衡毂4、上径向扶正轴承5、涡轮转子7和下径向扶正轴承9从上至下依次套装在涡轮马达主轴3的外面；所述平衡毂4由平衡毂外套4-1和平衡毂内套4-2组成，所述平衡毂外套4-1上端设有端盖，在平衡毂外套内壁与锁紧螺母上端面之间形成压力平衡腔H，平衡毂外套4-1和平衡毂内套4-2以间隙配合方式装配，在平衡毂外套4-1和平衡毂内套4-2之间形成环状缝隙4-3；所述上径向扶正轴承5由轴承内套5-2和轴承外套5-1组成，在轴承内套5-2与轴承外套5-1之间形成轴承配合间隙5-3；所述轴承配合间隙5-3、环状缝隙4-3、压力平衡腔H、锁紧螺母及涡轮马达主轴的中空结构以串联方式贯通；所述平衡毂内套4-2、上径向扶正轴承内套5-2、涡轮转子7和下径向扶正轴承9的内套通过锁紧螺母2与涡轮马达主轴3下部的轴肩端面压紧，成为一个随涡轮转子旋转的整体；所述平衡毂外套4-1、上径向扶正轴承外套5-1、涡轮定子6和下径向扶正轴承9的外套通过上接头1、下接头10与涡轮马达壳体8端面压紧，成为一个静止的整体。

参看图7，当涡轮钻具中空马达处于工作状态时，具有一定压力的工作液11由涡轮钻具上端进入涡轮马达工作腔前，少量工作液由上径向扶正轴承5下端面，通过上径向扶正轴承5的轴承配合间隙5-3、平衡毂外套4-1和平衡毂内套4-2之间的环状缝隙4-3进入压力平衡腔H，再由锁紧螺母2及涡轮马达主轴3的内孔到达下接头10处，与通过涡轮马达工作腔的工作液汇合。根据流体力学的节流减压原理，在上述工作过程中，流经上径向扶正轴承5的轴承配合间隙5-3、平衡毂外套4-1和平衡毂内套4-2之间的环状缝隙4-3、进入压力平衡腔H的少量工作液压力会受到很大损失，因此由锁紧螺母2上端面传递给涡轮马达主轴3的轴向压力会显著降低，因涡轮马达主轴3上端与下端压差造成的向下轴向力很小。例如:一种涡轮转子7的叶冠外径为220mm，涡轮转子7基体外径为158mm的涡轮钻具，采用现有技术时，涡轮马达主轴3受到的轴向力为288.10kN，其中工作液通过涡轮马达涡轮转子时产生的向下轴向力为92.03kN，涡轮马达主轴3上端与下端因马达压降（=10MPa）产生的向下轴向力为196.07kN。对上述涡轮钻具配置轴向力平衡毂4，使其上径向扶正轴承5的轴承外套5-1内径D3=158.3mm，轴承内套5-2的外径D4=158mm，上径向扶正轴承5的轴向长度L3=100mm，平衡毂外套4-1的内径D5=158.35mm，平衡毂内套4-2的外径D2=158mm，平衡毂外套4-1的轴向长度L1=400mm，平衡毂内套4-2的轴向长度L2=300mm；通过轴向力平衡毂4的轴向力平衡作用，该涡轮钻具的涡轮马达主轴3上、下两端承受的工作液压力十分微小，可忽略不计，此时涡轮马达主轴3受到的轴向力仅包括工作液11通过涡轮马达涡轮转子时产生的向下轴向力，大小为92.03kN；由此可见，与现有技术比较，采用轴向力平衡毂的涡轮钻具，其涡轮马达主轴受到的轴向力可减小68%以上。

参看图8、图9，在本发明所述的带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达中，所述平衡毂4的另一实施例为与绳索取芯钻进工艺匹配的结构，该实施例在平衡毂外套4-1的端盖上设有阶梯孔4-4，所述阶梯孔4-4用于装配绳索取芯钻进工艺中的取芯内管总成12，其工作原理为：当钻探涡轮钻具中空马达进行绳索取芯钻进时，具有一定压力的工作液11由涡轮钻具上端进入涡轮马达工作腔前，少量工作液由上径向扶正轴承5下端面，通过上径向扶正轴承5的轴承配合间隙5-3、平衡毂外套4-1和平衡毂内套4-2之间的环状缝隙4-3进入压力平衡腔H，再由锁紧螺母2及涡轮马达主轴3的内孔与取芯内管总成12的间隙到达下接头10处，与通过涡轮马达工作腔的工作液汇合。根据流体力学的节流减压原理，在上述工作过程中，流经上径向扶正轴承5的轴承配合间隙5-3、平衡毂外套4-1和平衡毂内套4-2之间的环状缝隙4-3、进入压力平衡腔H的少量工作液压力会受到很大损失，由锁紧螺母2上端面传递给涡轮马达主轴3的轴向压力会显著降低，因此涡轮马达主轴3上端与下端压差造成的向下轴向力很小。

Claims (6)

1.一种带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，其特征是，所述带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达包括上接头（1）、锁紧螺母（2）、平衡毂（4）、涡轮马达主轴（3）、上径向扶正轴承（5）、涡轮转子（7）、涡轮定子（6）、涡轮马达壳体（8）、下径向扶正轴承（9）和下接头（10）；所述锁紧螺母（2）与涡轮马达主轴（3）均为中空结构，锁紧螺母（2）配装在涡轮马达主轴（3）的上端；所述平衡毂（4）、上径向扶正轴承（5）、涡轮转子（7）和下径向扶正轴承（9）从上至下依次套装在涡轮马达主轴（3）的外面；所述平衡毂（4）由平衡毂外套（4-1）和平衡毂内套（4-2）组成，所述平衡毂外套（4-1）上端设有端盖，在平衡毂外套内壁与锁紧螺母上端面之间形成压力平衡腔（H），平衡毂外套（4-1）和平衡毂内套（4-2）以间隙配合方式装配，在平衡毂外套（4-1）和平衡毂内套（4-2）之间形成环状缝隙（4-3）；所述上径向扶正轴承（5）由轴承内套（5-2）和轴承外套（5-1）组成，在轴承内套（5-2）与轴承外套（5-1）之间形成轴承配合间隙（5-3）；所述轴承配合间隙（5-3）、环状缝隙（4-3）、压力平衡腔（H）、锁紧螺母及涡轮马达主轴的中空结构以串联方式贯通。

2.根据权利要求1所述的带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，其特征是，所述平衡毂内套（4-2）、上径向扶正轴承内套（5-2）、涡轮转子（7）和下径向扶正轴承（9）的内套通过锁紧螺母（2）与涡轮马达主轴（3）下部的轴肩端面压紧，成为一个随涡轮转子旋转的整体；所述平衡毂外套（4-1）、上径向扶正轴承外套（5-1）、涡轮定子（6）和下径向扶正轴承（9）的外套通过上接头（1）、下接头（10）与涡轮马达壳体（8）端面压紧，成为一个静止的整体。

3.根据权利要求2所述的带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，其特征是，所述平衡毂外套（4-1）在端盖上设有阶梯孔（4-4），所述阶梯孔（4-4）与绳索取芯钻进工艺中的取芯内管总成（12）相匹配。

4.根据权利要求1或2或3所述的带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，其特征是，所述平衡毂外套（4-1）内径为D1，平衡毂内套（4-2）外径为D2，在平衡毂外套（4-1）和平衡毂内套（4-2）之间形成的环状缝隙（4-3）的宽度Δ1=（D1-D2）/2，且0.20mm≤Δ1≤1.00mm，平衡毂外套（4-1）的轴向长度L1≥200mm，平衡毂内套（4-2）的轴向长度L2≥150mm。

5.根据权利要求4所述的带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，其特征是，所述上径向扶正轴承（5）的轴向长度L3≥60mm，上径向扶正轴承（5）的轴承外套（5-1）内径D3与轴承内套（5-2）外径D4的配合间隙Δ2=（D3-D4）/2，且0.20mm≤Δ2≤1.00mm。

6.根据权利要求5所述的带有轴向力平衡毂的涡轮钻具中空马达，其特征是，所述马达主轴（3）的内孔直径D3≥Φ20mm。