CN113389681A - 全金属动密封同心扶正式井下容积马达 - Google Patents

Abstract

本申请涉及马达的领域，尤其是涉及全金属动密封同心扶正式井下容积马达，包括外管、固接在外管内的定子、转动连接在定子内的转子以及悬挂安装在转子内的配流轴，外管和定子之间形成环空容腔，定子内腔为椭圆形；配流轴上端与钻井液连接，配流轴上开设有配流孔；转子侧壁处开设有容置槽，容置槽内放置有转子铜棒，转子内壁朝向每个转子铜棒的方向均开设有流通口，当转子转动时，多个流通口交错与配流孔连通，多个转子铜棒之间形成供钻井液流进的容置空间；每个流通口均在转子铜棒一侧形成与容置空间连通的缺口；定子上开设有连通环空容腔与容置空间的泄压口，配流孔和泄压口周向错位设置。本申请具有可以满足深井、超深井下高温钻探需要。

Description

全金属动密封同心扶正式井下容积马达

技术领域

本申请涉及马达的领域，尤其是涉及全金属动密封同心扶正式井下容积马达。

背景技术

目前在地质勘探、干热岩钻进及高温钻井中用的钻具主要是涡轮钻具和螺杆钻具，涡轮钻具和螺杆钻具都是一种以钻井液为动力，把液体的压力能转为机械能的井下动力钻具。

而涡轮钻具是一种非容积式井下动力马达，其转速高、扭矩低，对于破碎硬、较硬岩层效果不太理想。所以在进行硬质岩层破碎时，容积式的螺杆钻具由于其大扭矩的特点能够满足硬质岩层破碎的需要而得到广泛的应用。

常规的螺杆钻具马达中，定子部分包括定子金属壳体和橡胶衬套，定子金属壳体内腔为光滑圆柱面；橡胶通过硫化工艺粘结在定子金属壳体的内壁上形成橡胶衬套，橡胶衬套的内孔为连续螺旋曲面；转子部分安装在橡胶衬套的内孔中，并与橡胶衬套相啮合形成螺旋状的密封腔，钻井液从密封腔中流过时将带动转子转动，实现动力的输出。

而在地质勘探、干热岩钻进及高温钻井中，随着井下温度的增加，螺杆马达中橡胶制成的定子衬套由于是不耐高温件，所以严重影响了螺杆马达在井下使用时的性能和寿命，无法满足深井、超深井钻井的需要。

发明内容

为了满足深井、朝深井下高温钻探的需要，本申请提供全金属动密封同心扶正式井下容积马达。

本申请提供的全金属动密封同心扶正式井下容积马达采用如下的技术方案：

全金属动密封同心扶正式井下容积马达，包括竖直设置的外管、固接在所述外管内的筒状的定子、转动连接在定子内的转子以及悬挂安装在转子内孔中的配流轴，所述外管和所述定子之间形成环空容腔，所述定子内腔为椭圆形；

所述配流轴上端用于与外界钻井液连接，所述配流轴上开设有多个供钻井液流出的配流孔，同一横截面处的配流孔环绕所述配流轴的轴线等间距开设有n个（n为≥2的正整数）；所述转子侧壁处环绕所述转子轴线等间距开设有2n个容置槽，每个所述容置槽内均放置有转子铜棒，所述转子内壁朝向每个转子铜棒的方向均开设有流通口，当转子转动时，多个流通口交错与配流孔连通，所述转子铜棒受流通口内钻井液的推力可以在容置槽内滑动并抵接在定子内壁处，多个转子铜棒之间形成供钻井液流进的容置空间；每个所述流通口均在所述转子铜棒一侧形成与容置空间连通的缺口；所述定子上开设有多个连通环空容腔与容置空间的泄压口，同一横截面处的泄压口环绕所述定子轴线等间距设置有n个，所述配流孔和所述泄压口周向错位设置。

通过采用上述技术方案，外界钻井液流至配流轴后，将从配流轴的配流孔到达与之连通的流通口处，并进入容置空间中，而由于配流孔和泄压口错位设置，所以位于与配流孔连通的容置空间为高压腔，其相邻的一个容置空间与泄压口连通为低压腔。随着外界钻井液的持续注入，高压腔内的液体增大，而由于定子内腔为椭圆形，高压腔内的液体将向低压腔方向流动，所以最终使得钻井液将带动转子转动，使得高压腔的容积增大，而低压腔内的液体也将通过泄压口到达环空容腔内，使低压容积的容积减少，依次循环，从而实现转子的持续转动，实现动力的输出。本申请中通过椭圆形的定子内孔以及高压腔、低压腔的配合就可以带动转子转动，实现动力的输出，而无需采用不耐高温的橡胶材质的定子衬套，使得该马达能够适应井底较高的钻探温度，满足井下高温钻探的需要。

可选的，与所述泄压口连通的容置空间称为低压腔，与所述配流孔连通的容置空间称为高压腔，所述定子内壁靠近所述泄压口的位置嵌设有沿定子轴向布置的定子铜棒，所述定子铜棒位于所述高压腔内，所述定子铜棒环绕所述定子轴线等间距设置有n个，当所述低压腔与所述泄压口连通时，所述定子铜棒通过与所述转子外壁或所述转子铜棒抵接以使所述低压腔和所述高压腔保持互不连通状态。

通过采用上述技术方案，定子铜棒可以对转子起到扶正密封的效果，避免未与配流孔连通的容置槽内的定子铜棒缩回容置槽内而使得高压腔和低压腔连通，影响正常的动力输出工作。同时当钻井液持续进入高压腔室，定子铜棒也给钻井液一个推动转子转动的力，使得转子转动更加顺畅。

可选的，所述定子内壁上设置有上扶正环和下扶正环，所述转子转动连接在所述上扶正环和所述下扶正环之间。

通过采用上述技术方案，通过上扶正环和下扶正环，可以实现转子和定子的转动连接。

可选的，所述外管下端连接有连接套，所述外管套设在所述连接套端部，所述定子下端抵接在所述连接套上端。

通过采用上述技术方案，通过连接套可以对定子下端进行支撑，从而固定住定子在外管内的位置。

可选的，所述外管内滑动连接有上支撑架，所述上支撑架与所述定子上端插接配合，所述配流轴通过所述上支撑架悬挂安装在所述转子内孔中。

通过采用上述技术方案，通过上支撑架可以固定住定子上端与外管的径向位置，同时通过上支撑架也可以将定子与配流轴连接在一起，实现配流轴的悬挂安装。

可选的，所述上支撑架上开设有供所述配流轴插入的插孔，所述配流轴上端固接有固定环，所述固定环的直径大于所述插孔的直径。

通过采用上述技术方案，安装时，直接将配流轴插入插孔中，由于固定环的直径大于插孔的直径，所以固定环将抵接在上支撑架上端，不会由于重力作用向下滑落，从而实现配流轴在上支撑架上的悬挂安装。

可选的，所述配流轴侧壁上固接有限位块，所述插孔的内壁处开设有供所述限位块嵌入的限位槽。

通过采用上述技术方案，当将配流轴插入插孔中时，限位块也嵌入限位槽中，从而固定住配流轴的周向距离，避免配流轴随转子一起转动而影响正常的配流工作。

可选的，所述转子下端插接有输出轴，所述连接套下端连接有下接头，所述连接套套设在所述下接头上，所述下接头位于所述连接套内的一端用于对所述输出轴进行支撑。

通过采用上述技术方案，当转子转动时将带动输出轴转动，实现动力的输出，而通过下接头就可以对输出轴进行支撑，从而固定住输出轴的位置。

可选的，所述输出轴外壁上固接有限位环，所述限位环下侧与所述下接头上端之间安装有推力轴承。

通过采用上述技术方案，限位环的设置使得下接头可以对输出轴进行支撑，从而固定住输出轴的轴向位置。推力轴承的设置可以减少限位环和下接头之间的摩擦力，使得输出轴转动更加顺畅。

可选的，所述输出轴为筒状，所述输出轴内孔与所述环空容腔连通。

通过采用上述技术方案，低压腔内的钻井液可以通过泄压口到达环空容腔内，并最终从输出轴内孔中流出。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请中通过设计椭圆形内孔的定子以及高压腔和低压腔的配合，即可通过钻井液带动转子转动，实现动力的输出，而无需采用不耐高温的橡胶材质的定子衬套，使得该马达可以适应井底较高的钻探温度，满足井下高温钻探的需要；

2.定子铜棒的设置可以增加转子和定子之间的密封，避免高压腔和低压腔连通，同时也可以增加推动转子转动的力矩，使得转子转动更加顺畅，转子转动时，定子铜棒还可以对转子起到扶正的作用，提高转子的运转稳定性；

3.配流轴的悬挂安装使得配流轴不会对转子的转动造成妨碍，避免了转子承受水压过大而失效。

附图说明

图1是本申请的整体结构示意图。

图2是本申请的主视剖面示意图。

图3是本申请的俯视剖面示意图。

图4是本申请为了体现上支撑架和定子以及上扶正环和定子连接方式所做的剖面示意图。

图5是为了体现下支撑架和主轴以及下扶正环和定子连接方式所做的示意图。

图6是为了体现转子和输出轴连接方式所在的部分爆炸示意图。

附图标记说明：1、外管；11、连接套；12、上支撑架；121、插槽；122、插孔；123、限位槽；13、下接头；14、下支撑架；15、上接头；2、定子；21、泄压口；22、嵌入槽；23、定子铜棒；24、安装槽；3、转子；31、容置槽；32、转子铜棒；33、流通口；34、缺口；35、上扶正环；36、下扶正环；37、辅助杆；4、配流轴；41、配流孔；42、固定环；43、限位块；51、环空容腔；52、容置空间；521、高压腔；522、低压腔；53、放置容腔；6、输出轴；61、连接轴；62、主轴；621、限位环；622、辅助槽；63、推力轴承；64、第一向心轴承；65、第二向心轴承。

具体实施方式

以下结合附图1-6对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开全金属动密封同心扶正式井下容积马达。参照图1和图2，井下容积马达包括竖直设置的外管1、固接在外管1内的筒状的定子2、转动连接在定子2内的转子3以及悬挂安装在转子3内孔中的配流轴4。其中，定子2内腔为椭圆形，外管1和定子2之间互不接触形成环空容腔51。

参照图2和图3，配流轴4上端与外界钻井液连接，使得外界钻井液可以顺利进入配流轴4内孔中，在配流轴4上还开设有多个供钻井液流出的配流孔41，同一横截面处的配流孔41环绕配流轴4的轴线等间距开设有n个，其中n为≥2的正整数，优先的，本申请中以n=2为例进行说明，同一横截面处的配流孔41对称开设有2个。在转子3侧壁处环绕转子3轴线等间距开设有2n个容置槽31，即容置槽31开设有四个，每个容置槽31内均放置有转子铜棒32，在转子3内壁处朝向每个转子铜棒32的方向均开设有流通口33，当转子3转动时，配流孔41可以交替与流通口33连通，从外界流至配流轴4内孔中的钻井液也将从配流孔41流至与之连通的流通口33中，并推动转子铜棒32在容置槽31内滑动从而使得转子铜棒32抵接在定子2内壁上，此时每两个转子铜棒32之间均形成供钻井液流进的容置空间52。

其中，每个流通口33均在转子铜棒32一侧形成与容置空间52连通的缺口34，使得配流轴4内的钻井液可以从配流孔41到达与之连通的流通口33处，并通过缺口34到达容置空间52内，此时与配流孔41连通的容置空间52则为高压腔521。同时，在定子2上开设有多个连通环空容腔51和容置空间52的泄压口21，同一横截面处的泄压口21环绕定子2轴线等间距设置有n个，即同一横截面处的泄压口21环绕定子2轴线等间距设置有两个，且同一横截面处的配流孔41和泄压口21错位设置，使得各个容置空间52可以交错与配流孔41和泄压口21连通，即与高压腔521相邻的容置空间52与泄压口21连通，形成低压腔522，最终形成交错分布的高压腔521和低压腔522。外界钻井液到达配流轴4后，可以从配流孔41到达与配流孔41连通的流通口33中，并到达容置空间52内形成高压腔521，而与该高压腔521相邻的一个容置空间52则与泄压口21连通形成低压腔522。随着钻井液持续进入高压腔521中，高压腔521中的液体将推动转子3向低压腔522方向转动。如图2所示，高压腔521为了供更多的钻井液进入，将推动转子3顺时针转动，使得高压腔521的容积逐渐增大，而低压腔522中的钻井液也从泄压口21流出，依次循环，从而带动转子3持续的转动，实现动力的输出。

其中，为了避免当转子3转动时，未与配流孔41连通的流通口33处的转子铜棒32缩进容置槽31内而使得相邻两个容置空间52连通，即高压腔521与低压腔522连通，从而影响转子3的正常转动。在定子2内壁处靠近泄压口21的位置开设有嵌入槽22，定子铜棒23位于高压腔521内，在嵌入槽22中转动连接有定子铜棒23，定子铜棒23长度方向与定子2轴线方向一致，定子铜棒23设置有n个，即本申请中定子铜棒23设置有两个，两个定子铜棒23与同一横截面处的两个泄压口21一一对应。当转子3转动时，定子铜棒23侧壁始终与转子3外壁或转子铜棒32抵接以使得高压腔521和低压腔522始终保持互不连通状态，保证高压腔521和低压腔522之间的密封。同时定子铜棒23的设计还可以使得当钻井液进入高压腔521内时，定子铜棒23将给钻井液一个推动转子3转动的力，使得转子3转动更加顺畅；且多个定子铜棒23还可以对转子3起到扶正的作用，由于定子铜棒23与转子3接触时为滚动接触，也可以大大减少定子2与转子3之间的摩擦力，使得转子3转动更加顺畅。

参照图3和图4，在定子2上端开设有安装槽24，安装槽24开设在定子2内孔中，在安装槽24内放置有上扶正环35，在定子2内壁上固接有下扶正环36，下扶正环36靠近定子2下端，转子3转动连接在上扶正环35和下扶正环36之间，从而固定住转子3的位置，使得转子3可以在定子2内孔中转动。

参照图3和图5，在外管1下端螺纹连接有连接套11，具体的，在外管1下端加工有内螺纹，在连接套11上端加工有外螺纹，当将连接套11螺纹连接在外管1上时，连接套11上端位于外管1内且形成一个台阶面，定子2下端放置在连接套11上端从而使得连接套11可以对定子2起到支撑的作用，从而固定住定子2在外管1内的位置。

参照图4，在外管1内滑动连接有上支撑架12，上支撑架12与定子2上端插接配合，具体的，在上支撑架12上开设供定子2上端插入的插槽121，通过上支撑架12可以固定住定子2上端的径向位置。

参照图4和图6，配流轴4与上支撑架12悬挂配合，具体的，在上支撑架12上开设有供配流轴4插入的插孔122，且在配流轴4外壁上固接有固定环42，固定环42位于配流轴4上端，其中固定环42的直径大于插孔122的直径，使得当将配流轴4插入插孔122中后，固定环42可以卡在上支撑架12上侧从而固定住配流轴4的位置。同时配流轴4的悬挂设置也使得配流轴4不会和转子3产生干涉，避免了配流轴4上承受水压而产生的重力作用在转子3上而造成转子3失效的情况产生。

其中，为了固定住配流轴4的周向位置，在配流轴4侧壁上还固接有限位块43，限位块43位于配流轴4朝向固定环42的一端，限位环621环绕配流轴4轴线等间距设置有多个，同时在上支撑架12上开设有供限位块43滑动的限位槽123，当将配流轴4安装在插孔122中时，限位块43也滑动至限位槽123中，从而固定住配流轴4的周向位置，避免配流轴4随转子3转动而影响正常的配流工作。

参照图5和图6，在转子3下端设置有输出轴6，输出轴6用于与钻头连接以满足井底钻探需要。且在连接套11下端螺纹连接有下接头13，具体的，在连接套11下端加工有内螺纹，在下接头13上端加工有外螺纹，当将下接头13螺纹连接在连接套11上时，下接头13位于连接套11内的部分形成用于对输出轴6进行支撑的台阶面，从而对输出轴6起到支撑的作用，固定住输出轴6的轴向位置。

具体的，在转子3下端固接有辅助杆37，辅助杆37截面为非正圆形，输出轴6包括与辅助杆37插接配合的连接轴61以及与连接轴61远离辅助杆37的一端插接配合的主轴62，其中连接轴61远离辅助杆37的一端也为非正圆形，具体的辅助杆37以及连接轴61远离辅助杆37的一端可以为正多边形、椭圆形、异型等，只要能够实现当转子3转动时可以带动连接轴61和主轴62同步转动即可，本申请以辅助杆37的截面以及连接轴61远离辅助杆37的一端均为正六边形为例进行说明。

其中，在主轴62外壁上固接有限位环621，限位环621抵接在下接头13位于连接套11内的一端，从而固定住主轴62在下接头13内的位置，而连接轴61被夹持在主轴62和转子3之间，从而可以固定住主轴62和连接轴61的轴向位置。同时，为了减少当主轴62随转子3转动时，限位环621与下接头13之间产生的磨损，在限位环621和下接头13之间安装有三个推力轴承63，推力轴承63可以减少限位环621和下接头13之间的摩擦力，使得主轴62转动更加顺畅。

参照图5和图6，在主轴62上端开设有辅助槽622，辅助槽622开设在主轴62外壁处，使得辅助槽622侧壁形成一个阶梯面，在主轴62和连接套11内壁之间放置有第一向心轴承64，第一向心轴承64放置在辅助槽622侧壁形成的阶梯面上，从而固定住第一向心轴承64的轴向位置。

同时在第一向心轴承64上还放置有下支撑架14，下支撑架14与主轴62转动配合，通过下支撑架14可以固定住主轴62上端的径向位置，避免主轴62转动时发生晃动。同时主轴62和连接轴61均为筒状，在下支撑架14上侧与定子2内壁之间形成一个放置容腔53，放置容腔53同时与环空容腔51和输出轴6内孔连通，使得环空容腔51内的钻井液可以通过放置容腔53到达输出轴6内孔中，并最终从输出轴6内孔中输出，便于进行后续的钻探工作。

其中，在主轴62和连接套11之间还设置有第二向心轴承65，第二向心轴承65放置在限位环621上，可以减少主轴62和连接套11之间的摩擦力。

参照图4，为了便于该马达的安装，在外管1上端还螺纹连接有上接头15，钻探工具可以通过上接头15连接在外管1上以实现对配流轴4的供液工作。

同时，该马达选用全金属材质，不含有橡胶等不耐高温件，使得该马达可以用于高温环境下，满足井下高温钻探的需要，使用寿命更长。

本申请实施例全金属动密封同心扶正式井下容积马达的实施原理为：使用时，直接将外界输送钻井液的管道连接在上接头15上，外界钻井液将直接输送至配流轴4中，并从配流孔41中通过与之连通的流通口33到达容置空间52中，使得该容置空间52形成高压腔521，其相邻的一个容置空间52则与泄压口21连通形成低压腔522，随着钻井液的持续注入，位于高压腔521中的钻井液将通过转子铜棒32推动转子3向低压腔522转动以增大高压腔521的容积，此时低压腔522中的钻井液也从泄压口21流至环空容腔51中，并通过放置容腔53到达输出轴6内孔中，最后从输出轴6内孔中排出。随着转子3的转动，相邻的两个流通口33交错与配流孔41连通，使得高压腔521和低压腔522交替更换，从而带动转子3持续转动，转子3也带动连接轴61和主轴62转动，实现动力的输出。转子3和定子2之间通过转子铜棒32和定子铜棒23实现动密封，在保证密封的同时还能够大大减少转子3和定子2之间的摩擦力，使得转子3运转更加顺畅，大大延长了其使用寿命，且由于该马达整体均不含橡胶等不耐高温件，使得该马达能够适应井下高温钻探的需要，使用性能更好。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：包括竖直设置的外管(1)、固接在所述外管(1)内的筒状的定子(2)、转动连接在定子(2)内的转子(3)以及悬挂安装在转子(3)内孔中的配流轴(4)，所述外管(1)和所述定子(2)之间形成环空容腔(51)，所述定子(2)内腔为椭圆形；

所述配流轴(4)上端用于与外界钻井液连接，所述配流轴(4)上开设有多个供钻井液流出的配流孔(41)，同一横截面处的配流孔(41)环绕所述配流轴(4)的轴线等间距开设有n个（n为≥2的正整数）；所述转子(3)侧壁处环绕所述转子(3)轴线等间距开设有2n个容置槽(31)，每个所述容置槽(31)内均放置有转子铜棒(32)，所述转子(3)内壁朝向每个转子铜棒(32)的方向均开设有流通口(33)，当转子(3)转动时，多个流通口(33)交错与配流孔(41)连通，所述转子铜棒(32)受流通口(33)内钻井液的推力可以在容置槽(31)内滑动并抵接在定子(2)内壁处，多个转子铜棒(32)之间形成供钻井液流进的容置空间(52)；每个所述流通口(33)均在所述转子铜棒(32)一侧形成与容置空间(52)连通的缺口(34)；所述定子(2)上开设有多个连通环空容腔(51)与容置空间(52)的泄压口(21)，同一横截面处的泄压口(21)环绕所述定子(2)轴线等间距设置有n个，所述配流孔(41)和所述泄压口(21)周向错位设置。

2.根据权利要求1所述的全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：与所述泄压口(21)连通的容置空间(52)为低压腔(522)，与所述配流孔(41)连通的容置空间(52)为高压腔(521)，所述定子(2)内壁处嵌设有沿定子(2)轴向布置的定子铜棒(23)，所述定子铜棒(23)位于所述高压腔(521)内，所述定子铜棒(23)环绕所述定子(2)轴线等间距设置有n个，当所述低压腔(522)与所述泄压口(21)连通时，所述定子铜棒(23)通过与所述转子(3)外壁或所述转子铜棒(32)抵接以使所述低压腔(522)和所述高压腔(521)保持互不连通状态。

3.根据权利要求1所述的全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：所述定子(2)内壁上设置有上扶正环(35)和下扶正环(36)，所述转子(3)转动连接在所述上扶正环(35)和所述下扶正环(36)之间。

4.根据权利要求1所述的全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：所述外管(1)下端连接有连接套(11)，所述外管(1)套设在所述连接套(11)端部，所述定子(2)下端抵接在所述连接套(11)上端。

5.根据权利要求4所述的全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：所述外管(1)内滑动连接有上支撑架(12)，所述上支撑架(12)与所述定子(2)上端插接配合，所述配流轴(4)通过所述上支撑架(12)悬挂安装在所述转子(3)内孔中。

6.根据权利要求5所述的全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：所述上支撑架(12)上开设有供所述配流轴(4)插入的插孔(122)，所述配流轴(4)上端固接有固定环(42)，所述固定环(42)的直径大于所述插孔(122)的直径。

7.根据权利要求6所述的全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：所述配流轴(4)侧壁上固接有限位块(43)，所述插孔(122)的内壁处开设有供所述限位块(43)嵌入的限位槽(123)。

8.根据权利要求4所述的全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：所述转子(3)下端插接有输出轴(6)，所述连接套(11)下端连接有下接头(13)，所述连接套(11)套设在所述下接头(13)上，所述下接头(13)位于所述连接套(11)内的一端用于对所述输出轴(6)进行支撑。

9.根据权利要求8所述的全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：所述输出轴(6)外壁上固接有限位环(621)，所述限位环(621)下侧与所述下接头(13)上端之间安装有推力轴承(63)。

10.根据权利要求8所述的全金属动密封同心扶正式井下容积马达，其特征在于：所述输出轴(6)为筒状，所述输出轴(6)内孔与所述环空容腔(51)连通。

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