CN110219587B - 一种井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统 - Google Patents

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Abstract

一种井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，属于钻井工程井下工具技术领域，包括回转驱动扭矩电机、压力调节连接件和内外钻头连接组件，所述回转驱动扭矩电机、压力调节连接件和内外钻头连接组件的中心轴均位于同一轴线上，本发明利用普通扭矩电机工作时内外转子存在相互逆向回转的特性，通过引入带滑键的内钻头传扭杆，改变所驱动的下部内外钻头在钻孔轴向上的相对位置，进而调节钻头碎岩时所受钻压，实现当内外钻头钻遇不同硬度地层时，内外钻头所受扭矩的自动平衡，防止当钻遇不同岩层时内外钻头受力不均匀所导致内外双钻头磨损程度不同及卡钻的情况，可极大程度上提高钻头碎岩效率。

Description

一种井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统
技术领域
本发明属于钻井工程井下工具技术领域，具体涉及一种适配于井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统。
背景技术
在钻井和钻探过程中，钻柱受到的回转扭矩很大，主要来自于钻头回转碎岩、井壁或孔壁摩擦、井内泥浆阻力等，在巨大的反扭力作用下钻柱变形严重，成螺旋状，且井越深变形越大。同时，在回转中钻柱与井壁碰撞摩擦，磨损和交变载荷作用极易使钻杆柱提前损坏，导致断钻具等井内事故的发生，给整个工程带来巨大损失。很明显，钻具在井内回转和碎岩产生的反扭矩危害到整个钻柱和地面设备，也导致了成井质量差、钻井周期长、钻井成本高等一系列不良后果。为此，国内外本领域专家想方设法降低钻柱对井壁的扰动，其中一些人对扭矩平衡钻具系统进行了相关的研究，但由于使用扭矩电机驱动钻具时无法调节钻压，因此无法实现扭矩的自平衡，相继失败了。而现有技术中提出了“一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统，专利文献申请号为201710082518.8”，从根本上解决了前人研究中所遇到的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，主要用于解决传统电机驱动内外钻头逆向回转碎岩时，内外钻头由于无法调节钻压而导致无法实时平衡扭矩的问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，其特征在于，所述回转驱动系统包括：回转驱动扭矩电机、压力调节连接件和内外钻头连接组件，所述回转驱动扭矩电机、压力调节连接件和内外钻头连接组件的中心轴均位于同一轴线上；所述压力调节连接件包括外钻头传力套及内钻头传扭杆；所述内外钻头连接组件包括内钻头连接件与外钻头连接件；所述回转驱动扭矩电机包括回转驱动扭矩电机外转子组及穿设在回转驱动扭矩电机外转子组内部的回转驱动扭矩电机内转子组两部分；所述外钻头传力套、回转驱动扭矩电机外转子组和外钻头连接件自上而下顺次配合紧固连接构成回转驱动系统外侧部分；所述内钻头传扭杆的上部与压力调节系统配合紧固连接，内钻头传扭杆的下部与内钻头连接件配合紧固连接，同时设置在内钻头传扭杆上的滑键与回转驱动扭矩电机内转子组上的滑键槽间隙配合连接构成回转驱动系统内侧部分。
进一步，所述内钻头传扭杆的首尾两端分别设置有螺纹，内钻头传扭杆的首端通过螺纹与压力调节系统丝扣连接，内钻头传扭杆的尾端通过螺纹与内钻头连接件丝扣连接，内钻头传扭杆上设置有滑键，滑键用于与位于回转驱动扭矩电机内转子组内壁上的滑键槽间隙配合。
进一步，所述内钻头传扭杆是一根贯穿整个回转驱动系统的空心轴，内钻头传扭杆的中心通孔为钻孔内循环的钻井液提供流通通道。
更进一步，所述内钻头传扭杆为整体式结构。
更进一步，所述内钻头传扭杆是由至少两个内钻头传扭杆单元沿轴向对接组成的分体式结构，在每个内钻头传扭杆单元的中部设置有与回转驱动扭矩电机内转子组内壁上的滑键槽间隙配合的滑键。
进一步，所述回转驱动扭矩电机的数量与内钻头传扭杆单元的数量相同，且一一对应。
进一步，相邻两个回转驱动扭矩电机之间通过扭矩电机连接组件连接。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出的一种井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，无需额外输送扭矩即可同时驱动内外双钻头同时逆向回转碎岩，且当内外钻头钻遇不同硬度地层时，内外钻头扭矩实现动态平衡，确保内外双钻头有效碎岩，提高钻头碎岩效率。
附图说明
图1是本发明实施例中井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统整体结构示意图。
图2是本发明实施例中井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统外观结构示意图。
图3是图2的B-B向结构示意图。
图4是本发明实施例中井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统内侧部分结构示意图
图5是本发明实施例中井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统外侧部分结构示意图。
附图中各部件的标记如下：1-外钻头传力套；2-第一内钻头传扭杆单元；3-回转驱动扭矩电机内转子组；4-回转驱动扭矩电机外转子组；5-扭矩电机连接组件；6-电机固定螺栓；7-内钻头连接件；8-外钻头连接件；9-第二内钻头传扭杆单元；201-第一滑键；202-传扭杆柱体；301-滑键槽；302-回转驱动扭矩电机内转子组内壁；901-第二滑键。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，限定有“第一”及“第二”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
请参阅图1至图5所示，本发明提出一种井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，用于在钻探作业中驱动内外双钻头同步逆向回转碎岩，该回转驱动系统包括回转驱动扭矩电机、压力调节连接件和内外钻头连接组件，所述回转驱动扭矩电机、压力调节连接件和内外钻头连接组件的中心轴均位于同一轴线上；所述压力调节连接件包括外钻头传力套1及内钻头传扭杆；所述内外钻头连接组件包括内钻头连接件7与外钻头连接件8；所述回转驱动扭矩电机采用市面上能够购买到的普通扭矩电机，回转驱动扭矩电机包括回转驱动扭矩电机外转子组4及穿设在回转驱动扭矩电机外转子组4内部的回转驱动扭矩电机内转子组3两部分，回转驱动扭矩电机用于在钻具钻进过程中实现扭矩自平衡，为下部连接的内外双钻头提供各自所需扭矩，在本实施例中含有两个回转驱动扭矩电机，两个回转驱动扭矩电机呈上下布置，且两个回转驱动扭矩电机之间通过扭矩电机连接组件5连接，需要理解的是，本发明中回转驱动扭矩电机的数量可以视所适配的整套钻具的具体要求予以增加；所述外钻头传力套1、回转驱动扭矩电机外转子组4和外钻头连接件8自上而下顺次配合紧固连接构成回转驱动系统外侧部分，外钻头传力套1用于给回转驱动扭矩电机一个钻孔轴向上的约束；所述内钻头传扭杆的上部与压力调节系统配合紧固连接，内钻头传扭杆的下部与内钻头连接件7配合紧固连接，同时设置在内钻头传扭杆上的滑键与回转驱动扭矩电机内转子组3上的滑键槽301间隙配合连接构成回转驱动系统内侧部分，内钻头传扭杆用于给内钻头连接件7一个在钻孔轴向上的约束，并使得内钻头连接件7及外钻头连接件8在钻孔轴向上的相对位置可以发生变化，从而在内外钻头同步逆向回转碎岩的同时能改变内外钻头所受钻压，实现扭矩平衡。
钻具钻进时，回转驱动扭矩电机的回转驱动扭矩电机内转子组3和回转驱动扭矩电机外转子组4逆向回转，内外钻头连接组件带动内外双钻头同步逆向回转碎岩。当出现内外钻头碎岩扭矩不平衡的情况时，由于内钻头传扭杆与回转驱动扭矩电机内转子组3间通过滑键连接，因此可以在传递扭矩的同时改变内钻头传扭杆与回转驱动扭矩电机在钻孔轴向上的相对位置，实现调节内外钻头所受钻压的目的。
其中，所述内钻头传扭杆是一根贯穿整个回转驱动系统的空心轴，内钻头传扭杆的中心通孔为钻孔内循环的钻井液提供流通通道，所述内钻头传扭杆为整体式结构或者是由至少两个内钻头传扭杆单元沿轴向对接组成的分体式结构，每个内钻头传扭杆单元的中部设置有与回转驱动扭矩电机内转子组内壁302上的滑键槽301间隙配合的滑键。
本实施例采用分体式结构的内钻头传扭杆，内钻头传扭杆包括第一内钻头传扭杆单元2及第二内钻头传扭杆单元9，第一内钻头传扭杆单元2的顶部设置有螺纹，用于连接压力调节系统，第一内钻头传扭杆单元2的底端为公扣，第一内钻头传扭杆单元2通过设置在其底端的公扣与第二内钻头传扭杆单元9顶端的母扣通过丝扣连接，第二内钻头传扭杆单元9的底端设置有螺纹，用于连接内钻头连接件7；第一内钻头传扭杆单元2的中部设置有第一滑键201，第二内钻头传扭杆单元9的中部设置有第二滑键901，第一滑键201用于与位于上部的回转驱动扭矩电机内转子组内壁302上的滑键槽301间隙配合，第二滑键901用于与位于下部的回转驱动扭矩电机内转子组内壁302上的滑键槽301间隙配合，在传递扭矩的同时可以实现内钻头传扭杆与回转驱动扭矩电机间相对的轴向位移，此外，由于内钻头传扭杆实质上是一根贯穿回转驱动系统的空心轴，在钻具工作时钻孔内循环的钻井液将通过内钻头传扭杆流动，可以有效的防止钻井液流入回转驱动扭矩电机导致烧毁的问题。
当使用多个回转驱动扭矩电机时，所述井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统还包括数量为8N个的电机固定螺栓6，N为回转驱动系统中回转驱动扭矩电机的数量，电机固定螺栓6用于配合扭矩电机连接组件5连接各个回转驱动扭矩电机。
本发明利用普通扭矩电机工作时内外转子存在相互逆向回转的特性，通过引入带滑键的内钻头传扭杆，改变所驱动的下部内外钻头在钻孔轴向上的相对位置，进而调节钻头碎岩时所受钻压，实现当内外钻头钻遇不同硬度地层时，内外钻头所受扭矩的自动平衡，防止当钻遇不同岩层时内外钻头受力不均匀所导致内外双钻头磨损程度不同及卡钻的情况，可极大程度上提高钻头碎岩效率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，其特征在于，所述回转驱动系统包括：回转驱动扭矩电机、压力调节连接件和内外钻头连接组件，所述回转驱动扭矩电机、压力调节连接件和内外钻头连接组件的中心轴均位于同一轴线上；所述压力调节连接件包括外钻头传力套(1)及内钻头传扭杆；所述内外钻头连接组件包括内钻头连接件(7)与外钻头连接件(8)；所述回转驱动扭矩电机包括回转驱动扭矩电机外转子组(4)及穿设在回转驱动扭矩电机外转子组(4)内部的回转驱动扭矩电机内转子组(3)两部分；所述外钻头传力套(1)、回转驱动扭矩电机外转子组(4)和外钻头连接件(8)自上而下顺次配合紧固连接构成回转驱动系统外侧部分；所述内钻头传扭杆的上部与压力调节系统配合紧固连接，内钻头传扭杆的下部与内钻头连接件(7)配合紧固连接，同时设置在内钻头传扭杆上的滑键与回转驱动扭矩电机内转子组(3)上的滑键槽(301)间隙配合连接构成回转驱动系统内侧部分。
2.根据权利要求1所述的井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，其特征在于，所述内钻头传扭杆的首尾两端分别设置有螺纹，内钻头传扭杆的首端通过螺纹与压力调节系统丝扣连接，内钻头传扭杆的尾端通过螺纹与内钻头连接件(7)丝扣连接，内钻头传扭杆上设置有滑键，滑键用于与位于回转驱动扭矩电机内转子组内壁(302)上的滑键槽(301)间隙配合。
3.根据权利要求1或2所述的井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，其特征在于，所述内钻头传扭杆是一根贯穿整个回转驱动系统的空心轴，内钻头传扭杆的中心通孔为钻孔内循环的钻井液提供流通通道。
4.根据权利要求3所述的井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，其特征在于，所述内钻头传扭杆为整体式结构。
5.根据权利要求3所述的井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，其特征在于，所述内钻头传扭杆是由至少两个内钻头传扭杆单元沿轴向对接组成的分体式结构，在每个内钻头传扭杆单元的中部设置有与回转驱动扭矩电机内转子组内壁(302)上的滑键槽(301)间隙配合的滑键。
6.根据权利要求5所述的井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，其特征在于，所述回转驱动扭矩电机的数量与内钻头传扭杆单元的数量相同，且一一对应。
7.根据权利要求6所述的井下扭矩自平衡有缆钻具的回转驱动系统，其特征在于，相邻两个回转驱动扭矩电机之间通过扭矩电机连接组件(5)连接。
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