CN114673460B - 一种耐高温全金属滚珠式活塞井下马达 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，包括上接头、外筒和轴承节，其中外筒体内包含钻具动力部件，主要由配流套件、定子活塞组件、多套滚珠和带螺旋槽的转子组成。定子活塞组件由上下带导向活塞配合组成，活塞组件既有非常好的密封特性，又有成熟的加工工艺，极大减小了钻具因泄漏而导致钻井液动能的损失，增大钻具扭矩输出；同时，钻井液在活塞内轮换交替，具有润滑和降温的优点，降低了钻具磨损和动能损耗，提高了使用寿命；配流套件采用两组配流阀，其通过和转子旋转配合打开和关闭阀门，钻具上下各一组，使得相对压力相互抵消，改善了钻具受力情况；多套滚珠将定子活塞轴向运动转换成转子旋转运动，具有周向滚动运动摩擦阻力小优点，提高钻具输出效率。整体钻具又全部采用全金属材料加工，使得井下钻具具有耐高温的特性。从而，为了解决了传统井下钻具不耐高温、易泄漏、低扭矩和使用周期短的问题，本申请创造性提出一种耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具。

Description

一种耐高温全金属滚珠式活塞井下马达
技术领域
本申请涉及井下钻具，尤其涉及一种耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具。
背景技术
地球深、超深井和高温地热等深层钻井领域钻探采用井底动力钻具驱动钻进，主要有螺杆马达和涡轮马达两种基本类型。传统橡胶螺杆马达温度超过180℃，钻具便会快速失效；全金属螺杆马达由于定转子间隙配合，泄漏大扭矩小，无法达到工作要求；而涡轮马达属于冲击式马达，非容积式马达，扭矩小达不到钻进要求，无法正常工作。因此，本申请结合活塞高精度密封效果，通过滚珠滚动将活塞直线运动转换曲线旋转运动，滚珠既有滚动摩擦力小，又有沿螺旋凹槽转动灵活的特点，从而该钻具有泄漏小、启动力矩小、输出扭矩大和效率高的特点，满足深、超深井钻进需求。
针对上述中的相关技术，传统的井下钻具在进行井下钻进时，存在高温失效和效率低的不足。
发明内容
为了能够在深、超深井和高温地热等地层进行有效钻进，本发明提供一种耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具。
本申请提供一种耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，具体采用如下的技术方案：
1.一种耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，包括上接头、外筒和轴承节，其中外筒体内包含钻具动力部件，主要由配流阀、定子活塞套件、多套的滚珠、螺旋凹槽和转子组成；配流阀(202)装配在转子(202)的上部和下部，与转子(2)组合成单向双通阀门；转子(2)底部与轴承节(5)连接；定子活塞套件(3)套装在转子(2)上，滚珠(203)装在定子活塞套件(3)上的活塞滚珠凹槽(303)内，并嵌入转子(202)表面上的螺旋凹槽(204)内；配流阀采用两组配流阀，各组同时上下给定子活塞套件注压，使得活塞浮动在钻具中并通过旋转打开和关闭阀门，实现活塞配流；多套的滚珠将定子活塞轴向运动转换成转子曲线运动，具有周向滚动运动摩擦阻力小优点；定子活塞套件由上下带导向活塞配合组成，整套钻具有四组定子活塞组件，形成两两对应双组活塞动力节，高压钻井液通过定子活塞组件压缩，带动滚珠沿螺旋凹槽轴向运动，由于定子通过外筒体固定，抵消滚珠反向扭矩，使得转子绕其中心旋转。
通过采用上述技术方案，定子活塞套件由上下带导向活塞配合组成，定子活塞套件既有非常好的密封特性，又有成熟的加工工艺，不需要特别复杂的工艺就可以加工出高精度高密封的活塞组件，大大减小了钻具因泄漏而导致钻井液动能的损失，提高了钻具输出扭矩；同时，钻井液在活塞内轮换伸缩，交替的钻井液带走活塞因配合摩擦产生的热能，具有润滑和降温的优点，降低了钻具磨损和动能损耗，提高了使用寿命。整体钻具又全部采用全金属材料加工，使得井下钻具具有耐高温的特性。从而，解决了传统井下钻具不耐高温、易泄漏、低扭矩和使用周期短的问题；
优选的，所述钻具采用四组定子活塞套件，每两组为一个动力节，可以根据钻进需求，设置多组动力节。
通过采用上述技术方案，主要用于针对不同钻井工况，设置多节动力节，增加井下钻具扭矩，提高钻具钻进效率。
优选的，所述配流阀采用两组配流阀，各组同时给定子活塞套件注压，使得定子活塞套件浮动在钻具中并通过旋转打开和关闭阀门，实现定子活塞套件配流；
通过采用上述技术方案，根据钻进和工况，设计钻具配流阀和转子进出口的大小，实现控制钻具流量进出的大小，优配泥浆泵参数，同时转子上下活塞同时相对工作，使得压力相互抵消，活塞浮动在转子上，改善了钻具受力情况。
优选的，多套的滚珠作为定子和转子之间动力转换部件，其周向运动将活塞直线运动转换成转子曲线运动。
通过采用上述技术方案，降低了钻具因摩擦产生的动能损耗，提高钻具输出效率。
优选的，带螺旋槽的转子，依据转子螺旋深度和滚珠的半径，计算和设计均匀分布sin曲线：y＝AsinBx
通过采用上述技术方案，滚珠在一个正弦回转凹槽内，通过调整正弦参数可以优选出最佳回转扭矩曲线，得到最大扭矩输出。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.配流阀采用两组配流阀，各组同时上下给活塞注压，使得活塞浮动在钻具中并通过旋转打开和关闭阀门，同时，转子上下活塞同时相对工作，使得压力相互抵消，活塞浮动在转子上，改善了钻具受力情况；
2.多套的滚珠将定子活塞轴向运动转换成转子曲线运动，具有周向滚动运动摩擦阻力小优点，降低了钻具因摩擦产生的动能损耗，提高钻具输出效率；
3.定子活塞套件由上下带导向活塞配合组成，整套钻具有四组定子活塞组件，形成双组活塞动力节，带动滚珠沿转子螺旋槽轴向运动，液压能转换成机械能更直接和更硬特性转换，能量损失小，钻具启动响应速度快。
4、采用四组定子活塞组件，每两组为一个动力节，可以根据钻进需求，设置多组动力节，实现扭矩增加更快捷，设计更优化。
附图说明
图1是本申请实施例中耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具整体结构示意图；
图2是体现新型全金属滚珠式活塞井下钻具中各部件的示意图；
图3是体现新型全金属滚珠式活塞井下钻具中内部结构的剖视图；
图4是体现配流机构安置、轴承节各之间配合关系的示意图；
图5是体现定子活塞套件和转子之间位置关系及配合关系的示意图；
图6是体现定子活塞套件之间装配关系示意图；
图7是体现转子具体结构的示意图；
图8是体现转子螺旋凹槽剖视图和具体示意图；
附图标记说明：1、外管；2、转子；201、挡圈；202、配流阀；203、滚珠；204、螺旋凹槽；205、螺旋凹槽曲线边缘；206、转子进出口；207、转子扶正；208、转子六方输出轴；3、定子活塞套件；301、活塞下密封组件；302、活塞扶正径向定位；303、活塞滚珠凹槽；304、活塞轴向扶正；305、活塞上密封组件；4、接头；5、轴承节；501、扶正轴承；502、支撑圈；503、止推轴承；504、下挡圈；505、固定接头；6、主轴。
具体实施方式
以下结合附图1-8对本申请作进一步详细说明。
本申请实施公开了一种耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具。参照图1，全金属滚珠式活塞井下钻具包括外管1、接头4、轴承节5和主轴6，接头4螺纹连接于外管1的一端，轴承节5螺纹连接于外管1的另一端，主轴6与轴承节5另一端连接，组合成整个钻具；配流阀(202)装配在转子(202)的上部和下部，与转子(2)组合成单向双通阀门；转子(2)底部与轴承节(5)连接；定子活塞套件(3)套装在转子(2)上，滚珠(203)装在定子活塞套件(3)上的活塞滚珠凹槽(303)内，并嵌入转子(202)表面上的螺旋凹槽(204)内。
参照图2和图3，外管内装配有：转子2、挡圈201、配流阀202、滚珠203、螺旋凹槽204、螺旋凹槽曲线边缘205、转子进出口206、转子扶正207、转子六方输出轴208，配流阀202与转子2组合成单向双通阀门，当转过一定角度时，阀门打开，定子活塞套件3与钻井液连通，推动定子活塞套件3作轴向运动，使得滚珠203沿转子螺旋凹槽曲线边缘205滚动，由于定子活塞套件3轴向运动通过正弦曲线转换成旋转运动，输出扭矩。
参照图4，配流阀202为四个单向阀，与转子2配合，实现单向开闭进出高压钻井液的阀门，每两个配流阀202组合成一个组件，组件之间错开90°，实现定子活塞套件3上下受力均匀，即浮动在转子上，改善了钻轴向受力情况。
参照图5和图6，高压钻井液经配流阀202孔进入活塞下密封组件301处，推动活塞轴向扶正304运动，完成半圈旋转90°；此时上部的配流阀202关闭，下部的配流阀(202)打开，活塞上密封组件305向上运动，排出活塞下密封组件301处内腔的钻井液，完成钻具一周旋转。
参照图7和图8，钻具转子2与滚珠203的配置关系，滚珠在定子活塞套件3推动下，沿螺旋凹槽204轨迹运转，带动转子2旋转，同时螺旋线是一个周期闭合的螺旋凹槽，实现周而复始的旋转。
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 (8)

1.一种耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，其特征在于，包括外管(1)、接头(4)、轴承节(5)和主轴(6)，接头(4)螺纹连接于外管(1)的一端，轴承节(5)螺纹连接于外管(1)的另一端，主轴(6)与轴承节(5)另一端连接，组合成整个钻具；外管内装配有转子(2)、挡圈(201)、配流阀(202)、滚珠(203)、螺旋凹槽(204)、螺旋凹槽曲线边缘(205)、转子进出口(206)、转子扶正(207)、转子六方输出轴(208)；配流阀(202)装配在转子(2)的上部和下部，与转子(2)组合成单向双通阀门；转子(2)底部与轴承节(5)连接；定子活塞套件(3)套装在转子(2)上，滚珠(203)装在定子活塞套件(3)上的活塞滚珠凹槽(303)内，并嵌入转子(202)表面上的螺旋凹槽(204)内。
2.根据权利要求1所述的耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，其特征在于：配流阀(202)为四个单向阀，与转子(2)配合，实现单向开闭进出高压钻井液的阀门，每两个配流阀(202)组合成一个组件，组件之间错开90°，实现定子活塞套件(3)上下受力均匀，即浮动在转子上，改善了钻轴向受力情况。
3.根据权利要求2所述的耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，其特征在于：高压钻井液经上部的配流阀(202)孔进入活塞上端活塞下密封组件(301)处，推动活塞沿轴向活塞轴向扶正(304)运动，完成半圈旋转90°；此时上部的配流阀(202)关闭，下部的配流阀(202)打开，活塞上密封组件(305)向上运动，排出活塞下密封组件(301)处内腔的钻井液，完成钻具一周旋转。
4.根据权利要求3所述的耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，其特征在于：钻具转子(2)与滚珠(203)的配置关系，滚珠在定子活塞套件(3)推动下，沿螺旋凹槽(204)轨迹运转，将定子活塞套件(3)轴向运动转换成转子(2)旋转；同时，螺旋线是一个周期闭合的螺旋凹槽，实现周而复始的旋转。
5.根据权利要求4所述的耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，其特征在于：定子活塞套件(3)由活塞轴向扶正(304)与活塞扶正径向定位(302)组成，使得活塞只能轴向运动。
6.根据权利要求5所述的耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，其特征在于：轴向运动转换成螺旋凹槽曲线边缘(205)，即正弦运动：y＝AsinBx，螺旋凹槽降低滚珠(203)滚动摩擦阻力，减小钻具从液压能转换成机械能的能量损失，增加了钻具扭矩输出，滚珠(203)又极易加工和更换，提高钻具工作效率和使用寿命。
7.根据权利要求6所述的耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，其特征在于：配流阀(202)与转子(2)配合，旋转一定角度，打开转子(2)上的定子活塞套件(3)高压进口，推动活塞工作；在旋转过一定角度，转子(2)上部的配流阀(202)关闭，从转子(2)下方配流阀(202)进高压水，反推转子运转，将上活塞内钻井液排出钻具腔体内，转子(2)所产生的的旋转力通过转子下方六方输出轴(208)外侧进入主轴(6)，将钻井液排出钻具外，通过外筒壁回流至地面的泥浆泵池中。
8.根据权利要求7所述的耐高温全金属滚珠式活塞井下钻具，其特征在于：转子(2)下方六方输出轴(208)与主轴(6)配合，将定子活塞套件(3)轴向运动转换成转子(2)的螺旋运动，并传扭至下端轴承节(5)，通过扶正轴承(501)和止推轴承(503)作用，将钻具轴向压力消退，只保留旋转力并传扭至下方主轴(6)，驱动钻具下方的钻头，进行岩石破碎；同时，钻井液流经钻头，达到冷却钻头目的。
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