CN115898255A - 一种马达节及耐高温大功率螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种马达节及耐高温大功率螺杆钻具，马达节包括定子外壳、等壁厚金属衬套、等壁厚橡胶衬套及转子，马达节采用三次曲线拟合来确定线型，增大钻具功率；耐高温大功率螺杆钻具包括由上而下依次连接的旁通阀总成、防掉节、马达节、万向节总成和轴承节总成，对各部分进行优化，使其井下运转稳定，安全可靠，整机总效率高，能输出更大的扭矩，耐高温，使用寿命高，更能适应目前各种复杂井钻进的需要，工作的可靠性高。旁通阀能减少杂质流入、防止逆流；防掉节减小冲击工作更加可靠；万向轴运转灵活，能效高，万向轴可在无砂粒和钻井液冲蚀的环境下工作，轴承节工作加装减震和防掉，更加稳定，使用寿命长，机械强度高。

Description

一种马达节及耐高温大功率螺杆钻具

技术领域

本发明涉及石油钻井设备技术领域，特别是涉及一种马达节及耐高温大功率螺杆钻具。

背景技术

近几年，随着对石油资源的日益增长，井下环境日益复杂，国内的钻探技术也得到了快速发展，井下动力钻具的开发也随之加快。螺杆钻具是当今石油钻探领域的一个重要组成部分，它最早是应用于直井，但随着资源的不断发展，各种复杂井如定向井、水平井、大位移井的出现，但同时也面临了散热性能差，使用寿命短等许多问题。

目前使用的螺杆钻具中，常规的螺杆钻具已规格化、系列化，不同的规格型号适用于不同结构参数的需要。虽然我国在螺杆钻具方面取得了不错的成绩，但是在耐磨、耐高温、工作寿命方面还存在不足，对直井和特殊钻井来说，螺杆马达可能存在功率较小不满足要求的问题；而且螺杆钻具工作环境恶劣，通常会受到复杂的载荷作用以及高温环境、井壁挤压、液体腐蚀等情况，这会导致钻具工作寿命和性能效率降低，影响钻井进展，甚至会发生事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种马达节及耐高温大功率螺杆钻具，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单，使用方便，井下运转稳定，安全可靠，整机总效率高，能输出更大的扭矩，工作时间长，使用寿命高，更能适应目前各种复杂井钻进的需要。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种马达节，包括

定子外壳，所述定子外壳的内腔曲面与等壁厚金属衬套的外壁螺旋曲面的导程相同；以及

等壁厚金属衬套，所述等壁厚金属衬套的内壁上贴有一层等壁厚橡胶衬套；以及

等壁厚橡胶衬套，所述等壁厚橡胶衬套与转子共轭啮合；所述等壁厚橡胶衬套内嵌入有散热网，且所述散热网与等壁厚金属衬套相接触；以及

转子，所述转子的外壁为与所述定子外壳中定子的内孔配合的螺旋线形，防掉杆与转子的顶部同轴连接，所述定子的顶部与防掉外壳底部通过螺纹连接。

在其中一个实施例中，所述转子与等壁厚橡胶衬套的共轭啮合曲面为基于三次曲线拟合来确定的线型；选用三次样条函数作为转子齿顶廓形的拟合曲线，进行数值分析求解，得到离散的定子与转子的共轭线型。

在其中一个实施例中，所述定子外壳与等壁厚金属衬套通过螺旋啮合固定。

在其中一个实施例中，所述定子外壳与等壁厚金属衬套之间的间隙中插入有卡柱，所述卡柱用于将所述定子外壳和等壁厚金属衬套相固定。

在其中一个实施例中，所述等壁厚橡胶衬套和转子的表面均涂有耐磨隔热层。

在其中一个实施例中，所述转子的径向横截面为均布齿型或花瓣形。

本发明还提供一种耐高温大功率螺杆钻具，包括上述的马达节，还包括

旁通阀总成，所述旁通阀总成包括筒状的阀体，所述阀体的内腔中安装有阀芯和阀座，所述阀芯可在阀体内上下滑动，所述阀座套在阀芯上，所述阀座底部抵在阀体内腔下部设置的台肩上，所述阀芯和阀座之间安装弹簧，所述弹簧用于将所述阀芯顶部抵在所述阀体内腔上部设置的台肩上；所述阀芯的侧壁均匀设置有阀芯孔，所述阀体侧壁上与所述阀芯孔对应的位置开设有旁通孔，每个所述旁通孔内均装有单向开合的挡板，所述阀芯和阀座内壁设置有环形密封槽，所述环形密封槽内安装有密封圈；所述旁通阀总成顶部的粗滤网卡在所述阀体顶部的台肩上，位于所述粗滤网底部的细滤网与所述阀芯相固定；以及

防掉节，所述防掉节包括防掉外壳、防掉螺母、垫片和防掉杆，所述防掉外壳为筒状，所述防掉杆设置于所述防掉外壳内，所述防掉螺母和垫片依次安装在所述防掉杆的顶端，所述阀体的底部与所述防掉外壳的顶部通过螺纹连接；以及

万向节总成，所述万向节总成包括筒状的万向轴壳体，所述万向轴壳体内安装有万向轴，所述万向轴包括传动杆和安装在传动杆两端的连接座，所述传动杆的两端位于所述连接座的活动腔内，且所述传动杆与连接座之间通过球铰结构连接；所述转子的底部与万向轴上部的连接座固定连接，所述定子的底部与所述万向轴壳体的顶部通过螺纹连接；以及

轴承节总成，所述轴承节总成包括筒状的轴承节外壳，所述轴承节外壳内安装有管状的传动轴，所述传动轴的底部可安装钻头，所述传动轴的顶端套有筒状的压紧水帽，所述传动轴与轴承节外壳内壁之间设有间隙；所述传动轴上部和下部都安装有径向扶正体，所述传动轴的中部安装有金属推力轴承组，径向扶正体和所述金属推力轴承组的内径都相同，所述金属推力轴承组和径向扶正体之间安装有弹簧，所述轴承节外壳上安装有稳定器；所述万向轴下部的连接座与所述压紧水帽的顶部通过螺纹连接，所述万向轴壳体的底部与所述轴承节外壳通过螺纹相连。

在其中一个实施例中，所述阀座和阀芯都为筒状，所述阀芯的内腔顶部开口为喇叭状。

在其中一个实施例中，所述防掉螺母与防掉杆通过反扣螺纹连接，所述防掉垫片和防掉杆通过自锁螺纹连接。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明中的马达节及耐高温大功率螺杆钻具，结构简单，使用方便，井下运转稳定，安全可靠，整机总效率高，能输出更大的扭矩，工作时间长，使用寿命高，更能适应目前各种复杂井钻进的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中耐高温大功率螺杆钻具的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中旁通阀总成结构图；

图3为本发明实施例中防掉总成结构图；

图4为本发明实施例中螺杆马达结构图；

图5为本发明实施例中螺杆马达截面图；

图6为本发明实施例中传动总成结构图；

图7为本发明实施例中轴承节总成结构图；

图8为本发明实施例中散热网结构图；

其中，1旁通阀总成；102粗滤网；103细滤网；104阀芯；105弹簧；106挡板；107液压杆；108密封圈；109阀座；110阀芯孔；

2防掉节；201防掉外壳；202防掉螺母；203垫片；204防掉杆；

3马达节；301定子外壳；302等壁厚金属衬套；303等壁厚橡胶衬套；304散热网；305卡柱；306转子；

4万向节总成；401万向轴壳体；402万向轴；403传动杆；404连接座；405活动腔；406球铰结构；

5轴承节总成；501压紧水帽；502传动轴；503径向扶正体；504轴承节外壳；505金属推力轴承组；506稳定器；507减震弹簧；508垫片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种马达节及耐高温大功率螺杆钻具，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单，使用方便，井下运转稳定，安全可靠，整机总效率高，能输出更大的扭矩，工作时间长，使用寿命高，更能适应目前各种复杂井钻进的需要。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图8所示，本发明提供一种马达节3，包括定子外壳301、等壁厚金属衬套302、等壁厚橡胶衬套303、散热网304、卡柱305和转子306，定子外壳301的内腔曲面与等壁厚金属衬套302外壁螺旋曲面的导程相同，螺旋啮合，定子外壳301下方延申出台肩支撑等壁厚金属衬套302，间隙中插入卡柱305固定，等壁厚金属衬套302的内壁上贴有一层等壁厚橡胶衬套303，散热网304嵌入等壁厚橡胶衬套303内，散热网304外侧有突起与等壁厚金属衬套302接触，转子306的外壁为与定子301内孔配合的螺旋线形，等壁厚橡胶衬套303与转子306共轭啮合，且转子306表面均涂有耐磨隔热层。

马达节3的转子306和定子采用三次样条函数拟合和加权优化数学模型形成共轭啮合曲面，以解决现有螺杆钻具普遍存在着的共轭啮合曲面形状复杂、制造难度大且精度要求高、泄漏通道多、易于形成齿间干涉和线型畸变等缺点的井下螺杆钻具。定子外壳301与等壁厚金属衬套302螺旋连接，间隙中插入卡柱305进行固定，定子外壳301下方延伸出台肩，卡住等壁厚金属衬套302，这样既能对等壁厚金属衬套302进行更换，节约成本，又能保证等壁厚金属衬套302安装稳固，保证马达工作的可靠性。

定子壳体301为全金属，定子壳体301的内腔曲面与等壁厚金属衬套302外壁螺旋曲面的导程相同，等壁厚金属衬套302可以旋合进定子壳体301的内腔。定子壳体301与金属衬套有圆柱型金属，其螺旋角度略小于外壁螺旋曲面。定子外壳301与等壁厚金属衬套302之间的间隙可以充入橡胶用以减震，也可以通入高压气体平衡压力，延长螺杆马达的工作寿命。等壁厚橡胶衬套303嵌入有散热网304，散热网304使用导热性良好的6063型铝合金制成，且散热网304外部有突起与金属衬套接触，结合定子外壳301与等壁厚金属衬套302分离的间隙，散热性得到增强。

等壁厚橡胶衬套303和转子306表面有耐磨散热涂层，转子306表面使用耐磨陶瓷层，等壁厚橡胶衬套303表面使用氟特加氟碳涂层。可以降低橡胶和转子306的磨损量，提高螺杆钻具的使用寿命。

本发明还提供一种耐高温大功率螺杆钻具，包括自上而下依次相连的旁通阀总成1、防掉节2、马达节3、万向节总成4和轴承节总成5，

旁通阀总成1包括筒状的阀体101，阀体101的内腔中安装有阀芯104和阀座109，阀座109和阀芯104都为筒状，阀座109套在阀芯104上，阀座109底部抵在阀体101的内腔下部设置的台肩上，阀芯104可在阀体101内上下滑动，阀芯104和阀座109之间安装弹簧105，弹簧105可将阀芯104顶部抵在阀体101内腔上部设置的台肩上，阀芯104的内腔顶部开口106为喇叭状，阀芯104侧壁均匀设置有阀芯孔110，阀体101侧壁设置旁通孔，每个旁通孔内均装有挡板106，挡板106由液压杆107支撑只能单向开关，每个旁通孔都与一个阀芯孔110对应，阀芯104和阀座109内壁设置有环形密封槽，密封槽内安装有密封圈108。旁通阀顶部的粗滤网102卡在阀体101顶部的台肩上，下面的细滤网103与阀芯104固定。

旁通阀总成1的阀体101前后钻通孔，通孔内设置单向活动的挡板106，由液压杆107支撑，在大流量钻井液工况下，保证这个部位不会出现反流，工作的可靠性高。阀芯104的内腔顶部开口为喇叭状，使阀芯104的内腔形成一个流线型的流道，减小主流道的水利损失，关断力大。旁通阀总成1顶部设置粗细两层滤网，且细滤网103中部呈三角型，能够有效过滤杂质，细滤网103积累的杂质便于清理。

防掉节2由防掉外壳201、防掉螺母202、垫片203和防掉杆204组成，防掉外壳201为筒状，防掉杆204位于防掉外壳201内，防掉螺母202和垫片203依次安装在防掉杆204顶端；防掉螺母202与防掉杆204通过反扣螺纹连接，垫片203与防掉杆204通过自锁螺纹连接，提高了防掉螺母202固定的稳定性和工作寿命，从而保证防掉节工作的可靠性。

万向节总成4包括筒状的万向轴壳体401，万向轴壳体401内安装有万向轴402，万向轴402包括传动杆403和安装在传动杆403两端的连接座404，传动杆403两端位于连接座404设置的活动腔405内，传动杆403与连接座404之间的前后两侧和左右两侧都对称设置有球铰结构406；万向节总成4中的万向轴402采用了双球铰对称结构，无不均匀角速度，两对结构一个传递扭矩，一个传递轴向力，使万向轴运转灵活，能效高。连接座404的活动腔405由胶囊密封，保护万向轴402的球铰机构，由胶囊和活动腔405形成的内腔中充满润滑油，使万向轴402可在无砂粒和钻井液冲蚀的环境下工作，使用寿命长。

轴承节总成5包括筒状的轴承节外壳504，轴承节外壳504内安装有管状的传动轴502，传动轴502底部可安装钻头，传动轴502顶端套有筒状的压紧水帽501，传动轴502与轴承节外壳504内壁之间设有间隙，传动轴502上部和下部都安装有径向扶正体403，传动轴502中部安装有金属推力轴承组505，径向扶正体503和金属推力轴承组505的内径都相同，在金属推力轴承组505和径向扶正体503之间安装有减震弹簧507，径向扶正体503和减震弹簧507之间由垫片508隔开，轴承节外壳501上安装有稳定器506。

轴承节总成5中的使用径向扶正体503起到扶正作用，在金属推力轴承组505上下均有径向扶正体503，保证了轴承和减震弹簧507正常工作，进而影响在定向、纠斜和导向钻进作业中轴承的强度和寿命的问题。轴承和下方扶正块中间加装减震弹簧507，通过垫片508隔开，用于螺杆钻具减震，保证整体工作的稳定性，提高轴承的工作寿命。轴承节外壳和下部轴承钻螺纹孔，加装平角螺纹，在传动轴对齐处加工凹槽，螺钉卡在凹槽处防止传动轴掉落。轴承节外壳上加工有台阶，用于固定稳定器506，稳定器506选用可拆卸的偏心稳定器，在稳定器506内部和轴承节外壳对应部位加工螺纹，便于安装和拆卸，有利与增强钻具的刚性。

阀体101底部与防掉外壳201顶部通过螺纹连接，防掉杆204与转子302顶部同轴连接，定子301顶部与防掉外壳201底部通过螺纹连接，转子302底部与万向轴402上部的连接座404固定连接，定子301底部与万向轴壳体401顶部通过螺纹连接，万向轴402下部的连接座404与压紧水帽503顶部通过螺纹连接，万向轴壳体401底部与轴承节外壳504通过螺纹相连。

本发明中的耐高温大功率螺杆钻具，由旁通阀总成1、防掉节2、马达节3、万向节总成4和轴承节总成5组成，由上而下依次连接。耐高温大功率螺杆钻具对各部分进行优化，使其井下运转稳定，安全可靠，整机总效率高，能输出更大的扭矩，耐高温，使用寿命高，更能适应目前各种复杂井钻进的需要，工作的可靠性高。马达节3采用三次曲线拟合来确定线型，增大钻具功率，定子壳体301与等壁厚金属衬套302之间靠卡柱305和螺旋啮合固定在一起，等壁厚金属衬套302内壁粘结一层等壁厚橡胶衬套303，转子306与等壁厚橡胶衬套303啮合形成密封腔；橡胶衬套和转子306表面均涂有耐磨隔热涂层；等壁厚橡胶衬套303内嵌入散热网304，散热网304与金属衬套接触；旁通阀能减少杂质流入、防止逆流；防掉节2减小冲击工作更加可靠；万向轴402运转灵活，能效高，万向轴402可在无砂粒和钻井液冲蚀的环境下工作，轴承节工作加装减震和防掉，更加稳定，使用寿命长，机械强度高。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种马达节，其特征在于：包括

定子外壳，所述定子外壳的内腔曲面与等壁厚金属衬套的外壁螺旋曲面的导程相同；以及

等壁厚金属衬套，所述等壁厚金属衬套的内壁上贴有一层等壁厚橡胶衬套；以及

等壁厚橡胶衬套，所述等壁厚橡胶衬套与转子共轭啮合；所述等壁厚橡胶衬套内嵌入有散热网，且所述散热网与等壁厚金属衬套相接触；以及

转子，所述转子的外壁为与所述定子外壳中定子的内孔配合的螺旋线形，防掉杆与转子的顶部同轴连接，所述定子的顶部与防掉外壳底部通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的马达节，其特征在于：所述转子与等壁厚橡胶衬套的共轭啮合曲面为基于三次曲线拟合来确定的线型；选用三次样条函数作为转子齿顶廓形的拟合曲线，进行数值分析求解，得到离散的定子与转子的共轭线型。

3.根据权利要求1所述的马达节，其特征在于：所述定子外壳与等壁厚金属衬套通过螺旋啮合固定。

4.根据权利要求1所述的马达节，其特征在于：所述定子外壳与等壁厚金属衬套之间的间隙中插入有卡柱，所述卡柱用于将所述定子外壳和等壁厚金属衬套相固定。

5.根据权利要求1所述的马达节，其特征在于：所述等壁厚橡胶衬套和转子的表面均涂有耐磨隔热层。

6.根据权利要求1所述的马达节，其特征在于：所述转子的径向横截面为均布齿型或花瓣形。

7.一种耐高温大功率螺杆钻具，其特征在于：包括权利要求1-6中任一项所述的马达节，还包括

旁通阀总成，所述旁通阀总成包括筒状的阀体，所述阀体的内腔中安装有阀芯和阀座，所述阀芯可在阀体内上下滑动，所述阀座套在阀芯上，所述阀座底部抵在阀体内腔下部设置的台肩上，所述阀芯和阀座之间安装弹簧，所述弹簧用于将所述阀芯顶部抵在所述阀体内腔上部设置的台肩上；所述阀芯的侧壁均匀设置有阀芯孔，所述阀体侧壁上与所述阀芯孔对应的位置开设有旁通孔，每个所述旁通孔内均装有单向开合的挡板，所述阀芯和阀座内壁设置有环形密封槽，所述环形密封槽内安装有密封圈；所述旁通阀总成顶部的粗滤网卡在所述阀体顶部的台肩上，位于所述粗滤网底部的细滤网与所述阀芯相固定；以及

防掉节，所述防掉节包括防掉外壳、防掉螺母、垫片和防掉杆，所述防掉外壳为筒状，所述防掉杆设置于所述防掉外壳内，所述防掉螺母和垫片依次安装在所述防掉杆的顶端，所述阀体的底部与所述防掉外壳的顶部通过螺纹连接；以及

万向节总成，所述万向节总成包括筒状的万向轴壳体，所述万向轴壳体内安装有万向轴，所述万向轴包括传动杆和安装在传动杆两端的连接座，所述传动杆的两端位于所述连接座的活动腔内，且所述传动杆与连接座之间通过球铰结构连接；所述转子的底部与万向轴上部的连接座固定连接，所述定子的底部与所述万向轴壳体的顶部通过螺纹连接；以及

轴承节总成，所述轴承节总成包括筒状的轴承节外壳，所述轴承节外壳内安装有管状的传动轴，所述传动轴的底部可安装钻头，所述传动轴的顶端套有筒状的压紧水帽，所述传动轴与轴承节外壳内壁之间设有间隙；所述传动轴上部和下部都安装有径向扶正体，所述传动轴的中部安装有金属推力轴承组，径向扶正体和所述金属推力轴承组的内径都相同，所述金属推力轴承组和径向扶正体之间安装有弹簧，所述轴承节外壳上安装有稳定器；所述万向轴下部的连接座与所述压紧水帽的顶部通过螺纹连接，所述万向轴壳体的底部与所述轴承节外壳通过螺纹相连。

8.根据权利要求7所述的耐高温大功率螺杆钻具，其特征在于：所述阀座和阀芯都为筒状，所述阀芯的内腔顶部开口为喇叭状。

9.根据权利要求7所述的耐高温大功率螺杆钻具，其特征在于：所述防掉螺母与防掉杆通过反扣螺纹连接，所述防掉垫片和防掉杆通过自锁螺纹连接。

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