CN109281607A - 一种多钻头组合式钻具系统的公转回转机构 - Google Patents
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Abstract
一种多钻头组合式钻具系统的公转回转机构，由动力传输组件、含有多级台阶的公转传动组件、含有台阶的固定限位组件、传电组件组成，该结构能使钻头系统中的切削齿单元在工作时可以同时进行公转与自转。本发明解决了在切削齿单元公转与自转同时进行过程中的导线缠绕问题，并且实现了公转电机的输出轴只传扭矩不传递压力，压力由承压轴承传递的功能。本发明采用公转电机传递扭矩的方式而不是使用传统的钻杆传递扭矩给钻头，钻杆承受较小的扭矩，减小了功率损耗，节约了能源成本，同时减小了更换钻杆的次数，提升了钻进效率。
Description
技术领域
本发明属于钻井、钻探技术领域，特别涉及了一种地质钻探、油气钻井、水文井钻井、科学钻探以及地下建筑等技术领域，具体为一种新型的、多钻头电驱动组合式钻进系统配套的多钻头公转回转机构。
背景技术
目前地质钻探以及石油钻探领域采用的钻具大多为钻杆柱驱动钻头，采用此钻进方式时，对钻杆柱要求较高，且钻杆柱容易磨损，钻头磨损不均匀，且能量利用率很低。目前，有采用孔底动力机的钻进方式解决钻杆磨损和能量利用率低的问题，一般采用的孔底动力机有螺杆钻和涡轮钻，但这类孔底动力机仍然无法解决钻头均匀磨损问题。针对目前存在的这些问题，提出了一种多钻头电驱动组合式钻进系统，钻进系统的多个切削齿单元在工作的过程中可以同时进行自转和公转，使切削齿单元的内外径不断的转换，多钻头低扭矩局部高速微破碎岩石，钻头齿动态磨损均匀。从根本上解决钻头内外径磨损不均匀、钻杆柱承受扭矩过大的问题，实现了降低钻进能耗、提高钻进效率的目的，进而降低了钻探成本。
发明内容
本发明的目的是针对多钻头电驱动组合式钻进系统配套一种公转回转机构，主要提供钻进系统钻头组公转的动力实现公转电机转子传扭、定子传压的功能。
本发明由动力传输组件、含有多级台阶的公转传动组件、含有台阶的固定限位组件、传电组件组成；
所述的动力传输组件包括公转电机、公转支撑短接、上部传输电能的导线组成，公转电机安装在公转支撑短接中，公转支撑短接内部中空，截面形状与公转电机相同，能限制公转电机在钻进过程中产生的反扭矩的作用下的转动，公转电机的输出轴将回转扭矩传递给下部的结构进行钻进；
所述的含有多级台阶的公转传动组件包括轴承内固定件，轴承内固定件上部与公转电机的输出轴连接并安装在过孔滑环的内部环空里，与过孔滑环的圈一同回转；轴承内固定件中部台阶上过盈配合固定有轴承内限位件限制轴承内圈的轴向移动；轴承内固定件下部安装有取心筒及其下部的自转组件，传递公转动力进行钻进，轴承内固定件下部与轴承内限位件的具有间隙，防止轴承内固定件回转时在钻压作用下轴承内固定件与轴承内限位件两零件接触，发生干涉。
所述的含有台阶的固定限位组件包括过孔滑环固定圈、轴承外固定件、轴承外限位件、轴承内限位件，过孔滑环固定圈上部与公转支撑短接下部通过四个径向螺钉进行固定连接，滑环固定圈下部与轴承外固定件上部通过四个径向螺钉固定连接，轴承外固定件内部以过盈配合的方式安装有过孔滑环并通过轴承外固定件的内台阶防止过孔滑环向下移动；轴承外固定件下部与轴承限外位件通过四个径向螺钉固定连接，径向螺钉固定零件的优点在于：结构简单，零件在轴向与径向上无相对位移，结合牢固，轴承外固定件与轴承外限位件的台阶配合形成一个轴承座，安装有单列向心球轴承，轴承内限位件安装在单列向心球轴承的上部，轴承内限位件与轴承外限位件分别防止单列向心球轴承的内圈与外圈移动，使得钻具在轴压作用下电机轴不受压而轴承承压。
所述的传电组件包括导线，导线将电力从地表开始向下传递给公转电机，带动轴承内固定件与下部结构公转，同时与公转电机并联的导线经过公转支撑短接与公转电机之间的间隙，过孔滑环、轴承内固定件内部的通道将电能传递给下部的结构，实现行星式多钻头结构自转组件的驱动。
所述公转电机为较低转速的大扭矩电动机。
所述过孔滑环固定圈内部有一个台阶用于固定过孔滑环，外部有一个台阶用于与轴承外固定件配合，侧面均匀分布多个用于固定的螺栓孔。
所述过孔滑环外部与过孔滑环固定圈配合，内圈与轴承内固定件配合，下部由轴承外固定件进行限位。
所述轴承内固定件有四个台阶，中间孔与公转电机的输出轴过盈配合，轴承内限位件与单列向心球轴承座于第二和第三个台阶上，侧面有多个螺栓孔。
本发明的工作原理及使用方法：
公转过程：公转电机带动轴承内固定件回转，轴承内固定件带动下部的自转组件回转实现公转。
公转电机的输出轴不承压：来自上部钻具的压力经由公转电机的定子传递给钻头组，公转电机的转子只为钻头组公转提供回转扭力。公转电机安装在公转支撑短接中，公转电机的输出轴与轴承内固定件连接，在轴承内固定件中部的台阶上安装有承压轴承，通过轴承内固定件，轴承外限位件与轴承内限位件三者的配合将单列向心球轴承紧固在安装位置，当钻进过程中施加钻压时，钻压作用在轴承内固定件进而作用在单列向心球轴承上，实现公转电机的输出轴不承压，只传递扭矩的功能。
导线不缠绕的实现：与公转电机并联的导线通过公转电机与公转支撑短接的间隙经过过孔滑环传递给下部的自转组件，过孔滑环通过其内部结构实现了切削齿单元公转自转同时进行时导线不缠绕。
公转电机将扭矩传给轴承内固定件，进而通过轴承内固定件将扭矩传给钻具头部。单列向心球轴承的目的是实现钻具上部不旋转，由与轴承内圈连接的轴承内固定件传扭和传压，实现了钻头部分的公转且钻具上部不旋转。
公转电机输出轴传递扭矩的工作原理为：
公转电机的输出轴将扭矩传给轴承内固定件，进而将扭矩传给钻头部分，实现钻头部分的公转。轴承内固定件与过孔滑环内圈以及单列向心球轴承紧密配合，达到钻具上部不旋转而钻头部分旋转的目的。
公转电机输出轴隔绝压力的工作原理为：
钻头部分将岩石的反作用力传给轴承内固定件，由于单列向心球轴承的限制作用，轴承内固定件通过单列向心球轴承将压力传给轴承外固定件，进而隔离了原本要传给公转电机的输出轴的压力，达到公转电机的输出轴隔绝压力的作用。
本发明的有益效果：
本发明解决了在切削齿单元公转与自转同时进行过程中的导线缠绕问题，并且实现了公转电机的输出轴只传扭矩不传递压力，压力由承压轴承传递的功能。
本发明采用公转电机传递扭矩的方式而不是使用传统的钻杆传递扭矩给钻头，钻杆承受较小的扭矩，减小了功率损耗，节约了能源成本，同时减小了更换钻杆的次数，提升了钻进效率。
附图说明
图1是本发明的侧视图。
图2是本发明的侧面剖视图。
图3是本发明的公转支撑短接示意图。
图4是本发明的公转支撑短接侧视图。
图5是本发明的公转支撑短接剖视图。
图6是本发明的公转大电机的正视图。
图7是本发明的公转大电机的侧视图。
图8是本发明的公转大电机的俯视图。
图9是本发明的过孔滑环固定的示意图。
图10是本发明的过孔滑环固定的侧视图。
图11是本发明的过孔滑环固定的侧面剖视图。
图12是本发明的过孔滑环示意图。
图13是本发明的过孔滑环的侧面剖视图。
图14是本发明的轴承内固定件示意图。
图15是本发明的轴承内固定件的剖视图。
图16是本发明的轴承固定件的侧视图。
图17是本发明的轴承固定件的侧面剖视图。
图18是本发明的轴承内限位件示意图。
图19是本发明的轴承限位件示意图。
图20是本发明应用于行星电驱动组合式钻头系统的示意图。
图中：1-公转支撑短接、2-公转电机、3-过孔滑环固定、4-过孔滑环、5-轴承内固定件、6-轴承外固定件、7-轴承内限位件、8-抗压轴承、9-轴承外限位件。
具体实施方式
请参阅图1至图19所示，本发明由动力传输组件、含有多级台阶的公转传动组件、含有台阶的固定限位组件和传电组件组成；
所述的动力传输组件包括公转电机2、公转支撑短接1、上部传输电能的导线组成，公转电机2安装在公转支撑短接1中，公转支撑短接1内部中空，截面形状与公转电机相同，能限制公转电机2在钻进过程中产生的反扭矩的作用下的转动，公转电机2的输出轴将回转扭矩传递给下部的结构进行钻进；
所述的含有多级台阶的公转传动组件包括轴承内固定件5，轴承内固定件5上部与公转电机2的输出轴连接并安装在过孔滑环4的内部环空里，与过孔滑环4的圈一同回转；轴承内固定件5中部台阶上过盈配合固定有轴承内限位件7限制轴承内圈的轴向移动；轴承内固定件5下部安装有取心筒及其下部的自转组件，传递公转动力进行钻进，轴承内固定件5下部与轴承内限位件7的具有间隙，防止轴承内固定件5回转时在钻压作用下轴承内固定件5与轴承内限位件7两零件接触，发生干涉。
所述的含有台阶的固定限位组件包括过孔滑环固定圈3、轴承外固定件6、轴承外限位件9、轴承内限位件7，过孔滑环固定圈3上部与公转支撑短接1下部通过四个径向螺钉进行固定连接，滑环固定圈3下部与轴承外固定件6上部通过四个径向螺钉固定连接，轴承外固定件6内部以过盈配合的方式安装有过孔滑环4并通过轴承外固定件6的内台阶防止过孔滑环4向下移动；轴承外固定件6下部与轴承限外位件9通过四个径向螺钉固定连接，径向螺钉固定零件的优点在于：结构简单，零件在轴向与径向上无相对位移，结合牢固，轴承外固定件6与轴承外限位件9的台阶配合形成一个轴承座，安装有单列向心球轴承8，轴承内限位件7安装在单列向心球轴承8的上部，轴承内限位件7与轴承外限位件9分别防止单列向心球轴承8的内圈与外圈移动，使得钻具在轴压作用下电机轴不受压而轴承承压。
所述的传电组件包括导线，导线将电力从地表开始向下传递给公转电机2，带动轴承内固定件5与下部结构公转，同时与公转电机2并联的导线经过公转支撑短接1与公转电机2之间的间隙，过孔滑环4、轴承内固定件5内部的通道将电能传递给下部的结构，实现行星式多钻头结构自转组件的驱动。
本发明的工作原理及使用方法：
如图20所示，公转过程：公转电机2带动轴承内固定件5回转，轴承内固定件5带动下部的自转组件回转实现公转。
公转电机2的输出轴不承压：来自上部钻具的压力经由公转电机2的定子传递给钻头组，公转电机2的转子只为钻头组公转提供回转扭力。公转电机2安装在公转支撑短接1中，公转电机2的输出轴与轴承内固定件5连接，在轴承内固定件5中部的台阶上安装有承压轴承，通过轴承内固定件5，轴承外限位件9与轴承内限位7件三者的配合将单列向心球轴承8紧固在安装位置，当钻进过程中施加钻压时，钻压作用在轴承内固定件5进而作用在单列向心球轴承8上，实现公转电机2的输出轴不承压，只传递扭矩的功能。
导线不缠绕的实现：与公转电机2并联的导线通过公转电机2与公转支撑短接1的间隙经过过孔滑环4传递给下部的自转组件，过孔滑环4通过其内部结构实现了切削齿单元公转自转同时进行时导线不缠绕。
公转电机2将扭矩传给轴承内固定件5，进而通过轴承内固定件5将扭矩传给钻具头部。单列向心球轴承8的目的是实现钻具上部不旋转，由与轴承内圈连接的轴承内固定件5传扭和传压，实现了钻头部分的公转且钻具上部不旋转。
Claims (1)
1.一种多钻头组合式钻具系统的公转回转机构，其特征在于：由动力传输组件、含有多级台阶的公转传动组件、含有台阶的固定限位组件、传电组件组成；
所述的动力传输组件包括公转电机(2)、公转支撑短接(1)、上部传输电能的导线组成，公转电机(2)安装在公转支撑短接(1)中，公转支撑短接(1)内部中空，截面形状与公转电机相同，能限制公转电机2在钻进过程中产生的反扭矩的作用下的转动，公转电机(2)的输出轴将回转扭矩传递给下部的结构进行钻进；
所述的含有多级台阶的公转传动组件包括轴承内固定件(5)，轴承内固定件(5)上部与公转电机(2)的输出轴连接并安装在过孔滑环(4)的内部环空里；轴承内固定件(5)中部台阶上过盈配合固定有轴承内限位件(7)限制轴承内圈的轴向移动；轴承内固定件(5)下部安装有取心筒及其下部的自转组件，传递公转动力进行钻进，轴承内固定件(5)下部与轴承内限位件(7)的具有间隙，防止轴承内固定件(5)回转时在钻压作用下轴承内固定件(5)与轴承内限位件(7)两零件接触，发生干涉；
所述的含有台阶的固定限位组件包括过孔滑环固定圈(3)、轴承外固定件(6)、轴承外限位件(9)和轴承内限位件(7)，过孔滑环固定圈(3)上部与公转支撑短接(1)下部通过四个径向螺钉进行固定连接，滑环固定圈(3)下部与轴承外固定件(6)上部通过四个径向螺钉固定连接，轴承外固定件(6)内部以过盈配合的方式安装有过孔滑环(4)并通过轴承外固定件(6)的内台阶防止过孔滑环(4)向下移动；轴承外固定件(6)下部与轴承限外位件(9)通过四个径向螺钉固定连接，轴承外固定件(6)与轴承外限位件(9)的台阶配合形成一个轴承座，安装有单列向心球轴承(8)，轴承内限位件(7)安装在单列向心球轴承(8)的上部，轴承内限位件(7)与轴承外限位件(9)分别防止单列向心球轴承(8)的内圈与外圈移动，使得钻具在轴压作用下电机轴不受压而轴承承压；
所述的传电组件包括导线，导线将电力从地表开始向下传递给公转电机(2)，带动轴承内固定件(5)与下部结构公转，与公转电机(2)并联的导线经过公转支撑短接(1)与公转电机(2)之间的间隙，过孔滑环(4)、轴承内固定件(5)内部的通道将电能传递给下部的结构。
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