CN107724952B - 一种脉动增扭马达 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种脉动增扭马达，包括外壳体，以及设置在所述外壳体内的如下装置：容积式动力总成；传动轴，传动轴的一端通过联轴器连接到所述容积式动力总成；振击锤，以可滑动的方式安装在传动轴上；传动轮组，所述传动轮组设置在所述传动轴与所述振击锤之间；砧子，设置在传动轴的另一端。本发明的脉动增扭马达利用传动轴的旋转能量产生旋转振击效应，可根据现场条件安装在钻具组合中，能够满足各种钻井工艺的技术要求，进一步提高钻头破岩的切削力，且结构简单，更不会影响弯马达的造斜特性。同时，脉动增扭马达还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便等特点。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等领域，具体涉及一种脉动增扭马达。
背景技术
随着浅部油气藏的开发殆尽，深井、超深井的数量逐年增加，但随着井深的增加，岩层更加坚硬难以破碎，严重影响了机械钻速的提高，钻速的降低已经成为制约我国深层油气藏高效开发的技术瓶颈，而现有常规破岩钻井技术不能满足提速提效的工艺要求，国外对于先进提速技术保密垄断，限制了国内技术的发展。
目前“PDC+马达”复合钻井工艺技术既能发挥PDC钻头高效切削的优势，又能进行复合钻进，钻井效果较好，还能降低地面机泵的能耗，因此在深井、超深井、复杂结构井等钻探过程中得到了广泛应用。但是常规马达输出的扭矩是连续的，且是恒定不变的。由于地层的不均质性，使得钻头破碎岩石的过程不是稳定状态，极易导致钻头出现粘滑卡钻等复杂情况，不仅影响钻井效率，而且对钻头的切削齿造成较大损坏，降低钻头的使用寿命，为此国内外研制了相关的扭转冲击工具，能够有效提高PDC钻头的切削能量，防止粘滑振动的影响，保护钻头，对于提高钻速具有积极作用，国内外也提出了相关扭力冲击工具的专利，可参见CN201520767504.6、CN201410514618.X、CN201310726252.8、CN201410306930.X、CN201310586179.9、CN201010511421.2、CN200910058083.9、CN201310698227.3、CN201420040141.1等。
但是现有扭力冲击工具结构复杂，零部件较多，体积较大，且扭力冲击工具需要在较大钻压条件下才能发挥功效，而钻压大时，不仅会造成井眼发生偏斜，影响井身质量，还会产生轴向振动，如果减小钻压，又不能发挥扭力冲击工具的功效。目前国内外也未见到扭力冲击工具与马达配合使用的应用报道，由此可见，如果将常规扭力冲击工具与马达简单的连接起来，不仅影响“PDC+马达”工艺的提速效果，还可能引起马达内部结构的损坏；而且国内外现有扭转冲击工具外形尺寸较长，会对弯马达的造斜特性造成不利影响，无法满足复杂结构井轨迹精确控制的要求。弯马达，也就是钻井行业中常用的弯外壳马达，即马达的外壳具有一定的弯角，利用弯角，采用滑动钻进的工艺，就能够完成定向井的钻进施工，弯角的不同，弯马达的造斜特性不同，理论上，弯角越大，造斜率越高，现有弯马达只具有造斜特性，而不具备提速的功能，既要提高弯马达的钻井施工效率，即提高钻速，还不能改其造斜特性，必须两者兼顾，这是目前国内外研发的主要方向。
因此急需设计研发一种既能为钻头提供脉动性旋转振击效应，提高钻头破岩时的瞬时扭矩，又不影响马达的造斜特性，在发挥PDC钻头技术优势的同时还能保护钻头，结构简单、性能可靠、维护操作方便的脉动增扭马达。这对于发挥“PDC+马达”钻井工艺技术优势，进一步提高钻井破岩的效率，提升我国深层油气藏高效开发的钻井工艺技术水平，增强国际竞争力具有重要的经济价值和社会价值。
发明内容
为了进一步提高深井、超深井的钻井速度，在现有技术装备的基础上，既要充分发挥“PDC+马达”复合钻井工艺的提速优势，又要提升钻井效果，提高井眼质量的控制能力，还要降低钻井综合成本，缩短施工作业周期，满足深层油气藏高效开发钻井的工艺要求，打破国外在深井、超深井提高钻速方面的技术垄断。本发明的目的是为石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等的现场提供脉动增扭马达。
根据本发明的一个方面，提供一种脉动增扭马达，包括外壳体，以及设置在所述外壳体内的如下装置：
容积式动力总成；传动轴，传动轴的一端通过联轴器连接到所述容积式动力总成；振击锤，以可滑动的方式安装在传动轴上；传动轮组，所述传动轮组设置在所述传动轴与所述振击锤之间；砧子，设置在传动轴的另一端。
进一步地，所述振击锤内壁设置有滑槽；振击锤与传动轴之间设置有定位销，所述定位销的一端固定在所述传动轴上，所述定位销的另一端与滑槽配合；所述振击锤与所述传动轴间设置有弹簧装置。可选地，所述定位销可以是一个或多个。
进一步地，所述传动轴上部与外壳体内壁之间设置有上扶正轴承，所述传动轴下部与外壳体内壁之间设置有下扶正轴承。
进一步地，所述传动轮组包括固定连接的一级传动轮与二级传动轮，所述一级传动轮与所述传动轴配合连接，所述二级传动轮与所述振击锤配合连接。
优选地，所述振击锤上部设置有传动齿，与所述二级传动轮啮合。
进一步地，所述振击锤下部设置有振击块，所述振击块均布在振击锤下部。
优选地，所述振击块与所述砧子的碰撞面均为倾斜面。
进一步地，所述传动轴与所述外壳体内壁之间设置有密封装置和密封装置；所述密封装置、密封装置、外壳体内壁、传动轴外壁形成的空间内充满润滑油。
进一步地，在所述传动轴上部设置有旁通孔。
进一步地，脉动增扭马达还包括推力轴承，安装在所述传动轴与所述外壳体之间。
本发明的脉动增扭马达利用传动轴的旋转能量产生旋转振击效应，可根据现场条件安装在钻具组合中，能够满足各种钻井工艺的技术要求，进一步提高钻头破岩的切削力，且结构简单，更不会影响弯马达的造斜特性，这对于国内现有技术装备条件下进一步提高深井、超深井的钻井效率具有重要意义。同时，脉动增扭马达还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便等特点。如果振击锤失效，传动轴仍能驱动钻头旋转破岩，无须起钻更换工具。
现场试验结果表明，利用脉动增扭马达能够平均提高钻井效率57.8％-86.6％，节省钻井周期11-26天，且钻井质量符合设计标准，实现了低能耗、高效率的钻井目的。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1是依据本发明实施例的脉动增扭马达结构示意图。
图2是依据本发明实施例的脉动增扭马达A-A截面示意图。
图3是依据本发明实施例的脉动增扭马达滑槽与定位销结构示意图。
图中1-外壳体、2-容积式动力总成、3-联轴器、4-传动轴、5-旁通孔、6-上扶正轴承、7-密封装置、8-一级传动轮、9-二级传动轮、10-弹簧装置、11-定位销、12-振击锤、13-密封装置、14-推力轴承、15-下扶正轴承、16-砧子、17-振击块、18-滑槽。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本公开提出了一种脉动增扭马达，包括外壳体，以及设置在所述外壳体内的如下装置：
容积式动力总成；传动轴，传动轴的一端通过联轴器连接到所述容积式动力总成；振击锤，以可滑动的方式安装在传动轴上；传动轮组，所述传动轮组设置在所述传动轴与所述振击锤之间；砧子，设置在传动轴的另一端。
具体地，传动轴通过联轴器连接到所述容积式动力总成，并获得动力，通过传动轮组将动力传递到所述振击锤，使得所述振击锤可以在传动轴上旋转上下往复运动，进而脉动式的撞击砧子。随着振击锤的旋转，振击块与砧子碰撞，振击块与砧子碰撞的冲击力就会增加传动轴的扭矩。由于振击块与砧子的碰撞是脉动性的，因此产生的附加扭矩也是脉动性的，随着传动轴的不断旋转，振击锤就对传动轴产生了脉动性扭矩，进而传递至钻头，达到了提高钻头破岩扭矩的目的。
优选地，所述振击锤内壁设置有滑槽；振击锤与传动轴之间设置有定位销，所述定位销的一端固定在所述传动轴上，所述定位销的另一端与滑槽配合；所述振击锤与所述传动轴间设置有弹簧装置。可选地，所述定位销可以是一个或多个。通过设置定位销与滑槽的配合，实现了振击锤与传动轴之间的可滑动连接。此外，通过在所述振击锤与所述传动轴间设置弹簧装置，能够使得振击锤沿着滑槽往复运动，进而可以不断的撞击砧子。
进一步地，所述传动轴上部与外壳体内壁之间设置有上扶正轴承，所述传动轴下部与外壳体内壁之间设置有下扶正轴承。
进一步地，所述传动轮组包括固定连接的一级传动轮与二级传动轮，所述一级传动轮与所述传动轴配合连接，所述二级传动轮与所述振击锤配合连接。优选地，所述振击锤上部设置有传动齿，与所述二级传动轮啮合。
传动轴驱动一级传动轮旋转，由于一级传动轮与二级传动轮固定连接，因此二级传动轮也开始旋转，然后驱动振击锤旋转，且振击锤的转向与传动轴的转向相同，由于一级传动轮与二级传动轮的传动比不同，因此振击锤的转速高于传动轴的转速，就能使振击锤与砧子发生高速碰撞。
进一步地，所述振击锤下部设置有振击块，所述振击块均布在振击锤下部。优选地，所述振击块与所述砧子的碰撞面均为倾斜面。
进一步地，所述传动轴与所述外壳体内壁之间设置有密封装置和密封装置；所述密封装置、密封装置、外壳体内壁、传动轴外壁形成的空间内充满润滑油。
进一步地，在所述传动轴上部设置有旁通孔。钻井液经过螺杆马达的定转子后，经过旁通孔进入传动轴内部，传动轴下部连接钻头，因此钻井液就能够达到钻头，并从钻头水眼进入井眼。
进一步地，脉动增扭马达还包括推力轴承，安装在所述传动轴与所述外壳体之间。传动轴与外壳体之间是相对转动的，并且钻压是由外壳体传递给推力轴承，然后传递给传动轴，最终传递至钻头，因此推力轴承既可以实现传动轴与外壳体之间的相对转动功能，又能够传递钻压。
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
如图1和图2所示，本实施例的脉动增扭马达包括外壳体1、容积式动力总成2、联轴器3、传动轴4、旁通孔5、上扶正轴承6、密封装置7、一级传动轮8、二级传动轮9、弹簧装置10、定位销11、振击锤12、密封装置13、推力轴承14、下扶正轴承15、砧子16、振击块17、滑槽18。
容积式动力总成2与传动轴4之间安装联轴器3，传动轴4上部加工旁通孔5，传动轴4上部与外壳体1内壁之间安装上扶正轴承6，传动轴4下部与外壳体1内壁之间安装下扶正轴承15，推力轴承14安装在传动轴4与外壳体1之间。
一级传动轮8与二级传动轮9固定连接，一级传动轮8与传动轴4配合，二级传动轮9与振击锤12配合，振击锤12安装在传动轴4上，振击锤12上加工振击块17，振击块17均布在振击锤12下部，传动轴4上加工砧子16，砧子16均布在传动轴4外壁上，振击块17与所述砧子16的碰撞面均为倾斜面。振击锤12内壁加工滑槽18，振击锤12与传动轴4间安装弹簧装置10，振击锤12与传动轴4之间安装定位销11，定位销11固定在传动轴4上，定位销11与滑槽18配合，传动轴4与外壳体1内壁之间安装密封装置7和密封装置13。密封装置7、密封装置13、外壳体1内壁、传动轴4外壁形成的空间内充满润滑油.
在钻井液作用下，容积式动力总成2产生旋转扭矩，通过联轴器3传递至传动轴4，驱动传动轴4旋转，传动轴4驱动一级传动轮8旋转，由于一级传动轮8与二级传动轮9固定连接，因此二级传动轮9也开始旋转，然后驱动振击锤12旋转，且振击锤12的转向与传动轴4的转向相同，由于一级传动轮8与二级传动轮9的传动比不同，因此振击锤12的转速高于传动轴4的转速，就能使振击块17与砧子16发生碰撞，如图3所示，初始状态时定位销11处于滑槽18的a点，振击锤12的振击块17与砧子16碰撞的同时继续转动，此时定位销11位于滑槽18的b点，振击块17与砧子16碰撞后，产生的冲击力的分力使振击锤12向上移动，定位销11也会在滑槽18内移动，当定位销11位于滑槽18的c点时，振击锤12的振击块17转过砧子16，即振击块17与砧子16分离，振击锤12边旋转边向上移动并压缩弹簧装置10，当振击块17转过砧子16后，振击锤12又在弹簧装置10回复力的作用下向下移动，随着振击锤12的旋转，振击块17再次与砧子16碰撞，振击块17与砧子16碰撞的冲击力就会增加传动轴4的扭矩，由于振击块17与砧子16的碰撞是脉动性的，因此产生的附加扭矩也是脉动性的，随着传动轴4的不断旋转，振击锤12就对传动轴4产生了脉动性扭矩，进而传递至钻头，达到了提高钻头破岩扭矩的目的。
本发明的脉动增扭马达，主要涉及石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探、煤层气开发等行业领域。脉动增扭马达安装在底部钻具组合与钻头之间，既符合常规“PDC+马达”复合钻井工艺技术要求，又能为PDC钻头破岩提供脉动性旋转振击能量，即脉动性提高钻头钻头破岩的瞬时扭矩。脉动增扭马达既能克服深井、超深井钻井过程中“PDC+马达”工艺破岩能量不足的问题，又能克服常规振击工具尺寸较长影响弯马达造斜特性的问题，满足复杂结构井轨迹控制的要求，进一步提高钻井速度。同时，脉动增扭马达还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点，便于批量制造和大范围推广应用。
脉动增扭马达利用传动轴的旋转能量产生旋转振击效应，可根据现场条件安装在钻具组合中，能够满足各种钻井工艺的技术要求，进一步提高钻头破岩的切削力，且结构简单，更不会影响弯马达的造斜特性，这对于国内现有技术装备条件下进一步提高深井、超深井的钻井效率具有重要意义。而且，如果振击锤失效，传动轴仍能驱动钻头旋转破岩，无须起钻更换工具。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (9)
1.一种脉动增扭马达，其特征在于，包括外壳体(1)，以及设置在所述外壳体(1)内的如下装置：
容积式动力总成(2)；
传动轴(4)，传动轴(4)的一端通过联轴器(3)连接到所述容积式动力总成(2)；
振击锤(12)，以可滑动的方式安装在传动轴(4)上；
传动轮组，所述传动轮组设置在所述传动轴(4)与所述振击锤(12)之间；
砧子(16)，设置在传动轴(4)的另一端；
其中，所述振击锤(12)内壁设置有滑槽(18)；
振击锤(12)与传动轴(4)之间设置有定位销(11)，所述定位销(11)的一端固定在所述传动轴(4)上，所述定位销(11)的另一端与滑槽(18)配合；
所述振击锤(12)与所述传动轴(4)间设置有弹簧装置(10)。
2.根据权利要求1所述的脉动增扭马达，其特征在于，所述传动轴(4)上部与外壳体(1)内壁之间设置有上扶正轴承(6)，所述传动轴(4)下部与外壳体(1)内壁之间设置有下扶正轴承(15)。
3.根据权利要求1所述的脉动增扭马达，其特征在于，所述传动轮组包括固定连接的一级传动轮(8)与二级传动轮(9)，所述一级传动轮(8)与所述传动轴(4)配合连接，所述二级传动轮(9)与所述振击锤(12)配合连接。
4.根据权利要求3所述的脉动增扭马达，其特征在于，所述振击锤(12)上部设置有传动齿，与所述二级传动轮(9)啮合。
5.根据权利要求1所述的脉动增扭马达，其特征在于，所述振击锤(12)下部设置有振击块(17)，所述振击块(17)均布在振击锤(12)下部。
6.根据权利要求5所述的脉动增扭马达，其特征在于，所述振击块(17)与所述砧子(16)的碰撞面均为倾斜面。
7.根据权利要求1所述的脉动增扭马达，其特征在于，所述传动轴(4)与所述外壳体(1)内壁之间设置有密封装置(7)和密封装置(13)；
所述密封装置(7)、密封装置(13)、外壳体(1)内壁、传动轴(4)外壁形成的空间内充满润滑油。
8.根据权利要求1所述的脉动增扭马达，其特征在于，在所述传动轴(4)上部设置有旁通孔(5)。
9.根据权利要求1所述的脉动增扭马达，其特征在于，还包括推力轴承(14)，安装在所述传动轴(4)与所述外壳体(1)之间。
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