CN110439457B - 一种井下动力螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下动力螺杆钻具，由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成、钻头接头以及稳定器套筒组成，所述马达总成包括外管、螺旋定子橡胶、螺旋转子，所述螺旋定子橡胶固定在所述外管内壁，所述螺旋转子位于螺旋定子橡胶内，所述旁通阀总成用于向螺旋转子和螺旋定子橡胶之间输送泥浆，所述螺旋转子和螺旋定子橡胶之间填充有均匀分布的多个球体介质，所述球体介质与所述螺旋定子橡胶采用相同材料制成。本方案通过引入与定子橡胶材料形态的介质，从而降低转子与定子橡胶之间摩擦，达到降低定子橡胶温度的问题。

Description

一种井下动力螺杆钻具

技术领域

本发明涉及技术钻具领域，具体涉及一种井下动力螺杆钻具。

背景技术

井下动力钻具(downhole motor)是指能把钻井液的能量转化为钻井破岩动力的井底钻具，如，涡轮钻具、单螺杆钻具、电动钻具等.由于井下动力螺杆钻具(井底马达)具有高转速，可以显著提高机械钻速，特别是与PDC钻头配合使用将大大地提高钻井速度。一般井下动力螺杆钻具主要有三种，一是容积式螺杆钻具，二是叶片式涡轮钻具，三是电动钻具。由于结构的改进，新材料和新技术的应用，这三种井下钻具都有各自的优点，在不同时期都得到交替上升的迅速发展。

螺杆钻具是smithInternational总公司根据Moineau泵原理设计的，它克服了涡轮钻具的某些弱点。在性能上，具有低速、大扭矩的特征，压力降在4MPa以下，单瓣(或称单头、单线)螺杆钻具的输出转速低于400r/min，多瓣螺杆钻具的输出转速为90-150r/min，适合与牙轮钻头配套钻井。在结构上，具有零件少、装配简单、维修工作量小的特点，小尺寸规格的钻具也容易制作。整机长度6~sm，比较适合于钻定向井和丛式井的工艺要求。

电动钻具的输出转速在1200r/min以上，多级减速器结构复杂，可靠性差，井下电动机的绝缘和密封性能要求高。电枢绕组失效后，修复困难。特别是三牙轮钻头的纵向振动厉害，电动钻具的工况恶劣，使用寿命仅有30~40小时。40年代末，电动钻具随着涡轮钻具的发展而逐渐被淘汰。在西方国家，电动钻具现已基本绝迹。在独联体，仅有少数井队使用电动钻具钻水平井和大斜度延伸井，年钻井进尺不到涡轮钻具钻井进尺的1%。

涡轮钻具的优点是具有高速大扭矩的软特性，无横向振动，机械钻速高;全金属的涡轮钻具耐高温，适宜于深井和高温环境下作业;对油基钻井液不敏感，能适应在高密度的钻井液中工作。缺点是:钻具较长，钻头的适用范围小(减速涡轮钻具除外)；安装调整轴向间隙较繁琐。

螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力螺杆钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。螺杆钻的使用寿命一般为150～200小时，其薄弱环节是定子橡胶耐高温程度低，从而影响连续使用的时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种井下动力螺杆钻具，主要为一种螺杆钻具，致力于解决现有技术中定子橡胶耐高温程度低的问题，通过引入与定子橡胶材料形态的介质，从而降低转子与定子橡胶之间摩擦，达到降低定子橡胶温度的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种井下动力螺杆钻具，由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成、钻头接头以及稳定器套筒组成，所述马达总成包括外管、螺旋定子橡胶、螺旋转子，所述螺旋定子橡胶固定在所述外管内壁，所述螺旋转子位于螺旋定子橡胶内，所述旁通阀总成用于向螺旋转子和螺旋定子橡胶之间输送泥浆，所述螺旋转子和螺旋定子橡胶之间填充有均匀分布的多个球体介质，所述球体介质与所述螺旋定子橡胶采用相同材料制成。

为了解决传统定子橡胶与转子在强力摩擦下造成的高温现象，本方案引入球体介质，用于降低转子与橡胶定子之间的摩擦面积，同时为了避免球体介质对橡胶定子造成磨损，本方案采用与橡胶定子相同材料的指出球体介质，保证了转动过程中，球体介质不会磨损橡胶定子，从而达到对橡胶定子降温的目的。

进一步的，所述球体介质的尺寸大于向螺旋转子和螺旋定子橡胶相邻螺旋段之间的最小间隙，该结构设计的优势在于避免球体介质随泥浆往下流，造成大量球体介质聚集在马达底段的现象，使其可以均与分布与每一个螺旋段内。

进一步的，所述外管在螺旋转子两端分别设置有前密封套和后密封套；

所述螺旋转子前后两端分别设置一段直形的前联结段和后联结段，所述前联结段通过放掉总成活动安装在所述外管前端，所述后联结段与所述万向轴总成连接；

所述前密封套和后密封套分别与前联结段和后联结段过盈配合。

在螺旋转子前后两端构造密封结构，其目的是防止个别球体介质漏入下一段（万向轴总成），避免影响螺杆钻具的正常工作。

进一步的，所述球体介质的总体积不超过所述螺旋转子和螺旋定子橡胶之间总间隙空间的10%，该设计的目的是防止球体介质过多，造成泥浆形成的压力差不足的问题。

进一步的，所述球体介质的总体积为所述螺旋转子和螺旋定子橡胶之间总间隙空间的2.7%。

进一步的，所述螺旋转子头数和螺旋定子橡胶头数之比为（M-1-X）：M，其中M≥3，取整数，X为球体介质总体积与螺旋转子和螺旋定子橡胶之间总间隙系数比。

在传统的转子定子头数比一般为相差1个系数，在本方案中由于引入了球体介质，因此必须考虑球体介质对泥浆的影响，因此本方案中螺旋转子头数和螺旋定子橡胶头数之比为（M-1-X）：M，以保证足够的压力差推动转子形成稳定转矩。

进一步的，所述放掉总成由锁母、卡盘、承位接头、定子过渡接头组成，所述承位接头与所述前联结段一体成型制成；

所述定子过渡接头固定在外管前端，所述卡盘固定在承位接头上并伸入所述定子过渡接头与所述锁母配合形成放掉总成。

进一步的，所述稳定器套筒为螺旋状。

进一步的，所述万向轴总成采用活瓣式万向轴。

进一步的，所述旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成、钻头接头彼此之间通过螺纹接口连接。

本发明的有益效果是：和传统的螺杆钻具相比，本方案通过在定子和转子之间加入球体介质，使得转子和定子在发生相对转动的过程中，由传统的面接触调整为多点密集式接触，从而减小了转子与定子之间的摩擦面积，达到对螺旋定子橡胶降温的作用，从而延长其连续使用的时间。

附图说明

图1为本发明外部结构示意图；

图2为本发明剖面图；

图3为本发明马达总成的剖面图；

图4为本发明放掉总成的结构示意图；

图5为本发明马达总成转动过中的局部放大图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、2所示一种井下动力螺杆钻具，由旁通阀总成100、马达总成200、万向轴总成300、传动轴总成400、钻头接头500以及稳定器套筒600组成。在本方案中阀总成100万向轴总成300、传动轴总成400、钻头接头500均采用的现有技术，因此本实施例中不对以上部分进行详细说明，凡是合理的结构设计均可用于本发明。

如图3所示，本方案最大的改进在于对马达总成200进行了调节，从而降低其工作温度。马达总成200包括外管201、螺旋定子橡胶202、螺旋转子203，螺旋定子橡胶202固定在外管201内壁，螺旋转子203位于螺旋定子橡胶202内，旁通阀总成100用于向螺旋转子203和螺旋定子橡胶202之间输送泥浆，螺旋转子203和螺旋定子橡胶202之间填充有均匀分布的多个球体介质206，从图3可以看出，球体介质206均匀分布与螺旋转子203和螺旋定子橡胶202之间，这里的均匀分布是指在一个单位螺旋段内球体介质206的数量相同，而非空间分布上间隙均匀，在螺旋转子203转动过程中，螺旋转子203与螺旋定子橡胶202之间不断进行空隙-接触-空隙-接触的状态转换，而球体介质206则始终位于其间，当螺旋转子203与螺旋定子橡胶202处于接触状态时，可参考图5所示，球体介质206发生轻微变形，使得螺旋转子203与螺旋定子橡胶202不会形成面接触摩擦，从而降低定子橡胶的温度。作为优选的，球体介质206与螺旋定子橡胶202采用相同材料制成，球体介质206的尺寸大于向螺旋转子203和螺旋定子橡胶202相邻螺旋段之间的最小间隙。

作为一种优选实施例，外管201在螺旋转子203两端分别设置有前密封套205和后密封套204；螺旋转子203前后两端分别设置一段直形的前联结段211和后联结段212，前联结段211通过放掉总成活动安装在外管201前端，后联结段212与万向轴总成300连接；前密封套205和后密封套204分别与前联结段211和后联结段212过盈配合，这里的过盈配合的前提是指泥浆可以从其缝隙中漏出，而球体介质206则不能从缝隙中漏出，且本方案还应在维修周期内定期更换球体介质206和补充，从而保证其正常工作。

作为一种优选实施例，球体介质206的总体积不超过螺旋转子203和螺旋定子橡胶202之间总间隙空间的10%，作为最优选择，当球体介质206的总体积为螺旋转子203和螺旋定子橡胶202之间总间隙空间的2.7%时，螺旋定子橡胶202升温最慢。

作为一种优选实施例，螺旋转子203头数和螺旋定子橡胶202头数之比为M-1-X：M，其中M≥3，取整数，X为球体介质206总体积与螺旋转子203和螺旋定子橡胶202之间总间隙系数比。

作为一种优选实施例，放掉总成由锁母1、卡盘2、承位接头3、定子过渡接头4组成，承位接头3与前联结段211一体成型制成；定子过渡接头4固定在外管201前端，卡盘2固定在承位接头3上并伸入定子过渡接头4与锁母1配合形成放掉总成，其结构可参考图4所示。

作为一种优选实施例，稳定器套筒600为螺旋状，万向轴总成300采用活瓣式万向轴，旁通阀总成100、马达总成200、万向轴总成300、传动轴总成400、钻头接头500彼此之间通过螺纹接口连接。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种井下动力螺杆钻具，由旁通阀总成（100）、马达总成（200）、万向轴总成（300）、传动轴总成（400）、钻头接头（500）以及稳定器套筒（600）组成，所述马达总成（200）包括外管（201）、螺旋定子橡胶（202）、螺旋转子（203），所述螺旋定子橡胶（202）固定在所述外管（201）内壁，所述螺旋转子（203）位于螺旋定子橡胶（202）内，所述旁通阀总成（100）用于向螺旋转子（203）和螺旋定子橡胶（202）之间输送泥浆，其特征在于，所述螺旋转子（203）和螺旋定子橡胶（202）之间填充有均匀分布的多个球体介质（206），所述球体介质（206）与所述螺旋定子橡胶（202）采用相同材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种井下动力螺杆钻具，其特征在于，所述球体介质（206）的尺寸大于螺旋转子（203）和螺旋定子橡胶（202）相邻螺旋段之间的最小间隙。

3.根据权利要求2所述的一种井下动力螺杆钻具，其特征在于，所述外管（201）在螺旋转子（203）两端分别设置有前密封套（205）和后密封套（204）；

所述螺旋转子（203）前后两端分别设置一段直形的前联结段（211）和后联结段（212），所述前联结段（211）通过放掉总成活动安装在所述外管（201）前端，所述后联结段（212）与所述万向轴总成（300）连接；

所述前密封套（205）和后密封套（204）分别与前联结段（211）和后联结段（212）过盈配合。

4.根据权利要求3所述的一种井下动力螺杆钻具，其特征在于，所述球体介质（206）的总体积不超过所述螺旋转子（203）和螺旋定子橡胶（202）之间总间隙空间的10%。

5.根据权利要求4所述的一种井下动力螺杆钻具，其特征在于，所述球体介质（206）的总体积为所述螺旋转子（203）和螺旋定子橡胶（202）之间总间隙空间的2.7%。

6.根据权利要求5所述的一种井下动力螺杆钻具，其特征在于，所述螺旋转子（203）头数和螺旋定子橡胶（202）头数之比为（M-1-X）：M，其中M≥3，取整数，X为球体介质（206）总体积与螺旋转子（203）和螺旋定子橡胶（202）之间总间隙系数比。

7.根据权利要求6所述的一种井下动力螺杆钻具，其特征在于，所述放掉总成由锁母（1）、卡盘（2）、承位接头（3）、定子过渡接头（4）组成，所述承位接头（3）与所述前联结段（211）一体成型制成；

所述定子过渡接头（4）固定在外管（201）前端，所述卡盘（2）固定在承位接头（3）上并伸入所述定子过渡接头（4）与所述锁母（1）配合形成放掉总成。

8.根据权利要求1所述的一种井下动力螺杆钻具，其特征在于，所述稳定器套筒（600）为螺旋状。

9.根据权利要求1所述的一种井下动力螺杆钻具，其特征在于，所述万向轴总成（300）采用活瓣式万向轴。

10.根据权利要求1所述的一种井下动力螺杆钻具，其特征在于，所述旁通阀总成（100）、马达总成（200）、万向轴总成（300）、传动轴总成（400）、钻头接头（500）彼此之间通过螺纹接口连接。

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