CN1853029A - 在弯曲钻杆柱上具有主轴和钻头的摆线型马达的角度及反作用力矩调整器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于钻可控定向井的装置。该发明的控制装置包括中心中空部件以及连接到所述中心中空部件上的三个中空的彼此不在一条直线上的管状部件。所述中心部件和第一部件在连接到主轴的一侧均设有各自的弓形接触部分，因此形成一对排列于其间的弓形接触部分。所述弓形接触部分相对于钻杆柱的弯曲平面上的主轴子午面设在相反的两侧，并且沿着第一部件的中心轴线，弓形接触部分的最近的端部的距离为L，其中L≥D。第一部件的弓形接触部分相对于钻头的反作用力矩沿相反方向从钻杆柱的弯曲平面上的主轴的子午面偏移。所述发明提高了稳定性、增大了具有主轴和钻头的摆线型马达的偏移角，并且提高了底孔不同成分的钻孔精确性。

Description

在弯曲钻杆柱上具有主轴和钻头的摆线型马达的角度及反作用力矩调整器

技术领域

本发明涉及油气斜向井的钻井用装置，尤其是，本发明涉及在弯曲钻杆柱上具有主轴和钻头的摆线型马达的角度及反作用力矩调整器。

背景技术

公知的摆线型马达包括：中空壳体；定位在所述壳体中并且包括同轴配置的定子的多导程(multiple-lead)齿轮转子机构；以及定位在定子中的转子；并且还有通过驱动轴与转子连接并且定位在主轴壳体中的主轴。马达和主轴壳体使用两端具有螺纹的弯曲的转接器相互连接(RU专利2149971，E 21B4/02，7/08，1999)。

在这种现有技术的设计中，马达和主轴壳体通过螺纹附件连接到弯曲的转接器上；转子和主轴通过使用螺纹适配器的驱动轴相互连接；一个螺纹附件的内部空腔设有环形的珠缘，该珠缘容纳环圈；环圈的内径与驱动轴之间具有间隙，并且所述间隙的值不超过转接器的外径；弯曲的转接器的端部具有其轴线相互交叉的螺纹；以及所述螺纹之间的最长距离等于转子相对于定子的偏心距。

这种公知的设计的缺点如下：设定另外的角度值，并且使用发生在转接器、弯曲钻杆柱的马达和主轴上的反作用力矩补偿由钻头施加的横向力，需要将马达从主轴上脱开，以便能够更换转接器。

这种已知的设计的另外的缺点在于不能完全利用用于补偿由钻头施加的横向力的可能性(在转接器上的角度处于某些值处)，以及在于所述力的范围较窄，因为交叉的螺纹轴线之间的最长距离没有超过转子相对于定子的偏心距的值。

这种情况不允许补偿作用在钻头上的轴向载荷的波动的正的和负的峰值，并且不允许通过保持轴向载荷的现值而不损失斜向弯曲钻杆柱的稳定性地来维持作用在钻头上的最佳轴向载荷。

已知的角度调整器，包括中心中空部件以及与所述中心部件连接的三个中空的相互未对齐的管状部件。三个管状部件中的每一个具有内部通孔，其中内部中空管状部件设在第一和第二部件之间的中心区，并且第一和第二管状部件通过设在它们的彼此面对的端部上的螺纹连接到内部中空管状部件上，第一和第二管状部件通过螺纹连接到摆线型马达壳体上(美国专利5343966，E21B7/08，1994)。

在这种已知的设计中，第一或第二管状部件用于将摆线型马达壳体连接到主轴或钻杆上，所述中心和内部中空管状部件通过花键连接相互连接，并且当钻杆柱被升起时，重新设定新的角度值，而不需要从井下马达处脱开。

这种现有技术设计的缺点是，在钻透井底不同成分的过程中，缺乏通过利用发生在弯曲钻杆柱的角度调整器、马达和主轴上的反作用力矩来补偿由钻头所施加的横向力。

在这些情况下，由于校正施加在钻头上的横向力分量是比较困难的，因此钻井的优化很难实现，其中所述横向力分量产生反作用弯曲力矩，当斜向弯曲钻杆柱失去稳定性时，该反作用弯曲力矩改变方向(符号)。(见GazovayaPromyshlennost Journal[gas industry]，1998年2月，42-44)

由于施加在钻头上的横向力分量无法预期，这种困难会影响钻斜向井的精确性，这样钻井参数不能被优化，并且尤其是，不能通过保持轴向载荷的现值而不损失弯曲钻杆柱的稳定性来维持作用在钻头上的最佳轴向载荷。

与所述要求权利的设计最相关的现有技术为摆线型马达的角度及反作用力矩调整器，包括：

中心中空部件和连接到所述中心中空部件上的三个中空管状部件；

每个中空管状部件均具有通孔；

具有一个轴线的第一管状中空部件；

具有另一轴线的第二管状中空部件；

内部中空部件，所述内部中空部件设置在第一和第二部件之间的中心区，并具有第三轴线；

其中第一和第二管状部件通过设在相互面对的端部上的螺纹连接到内部中空部件；

第一中空管状部件通过螺纹连接到主轴上；

第二中空管状部件通过螺纹连接到马达壳体上；

中心中空部件通过花键连接到内部中空部件上；

内部中空部件的端部上具有螺纹，该螺纹具有彼此交叉并与中心轴线交叉的轴线；

所述螺纹轴线之间的最长距离是转子相对于摆线型马达定子的偏心距的两倍；

内部中空部件的中心轴线和其端部上的螺纹的任何轴线之间的最长距离等于转子相对于摆线型马达定子的偏心距(美国专利2186923，E 21B4/02，7/08，2000)。

这种已知的设计的缺点是，不能完全利用通过补偿钻头在钻孔中转动时产生的合成的径向不平衡力来增大偏移角以及提高在弯曲钻杆柱上具有主轴和钻头的摆线型马达的钻透能力的可能性。

在这种现有技术的设计中，调整器不具有自己的弓形接触部分，该弓形接触部分将提高弯曲钻杆柱的稳定性，所述弓形接触部分是比如相对于钻杆柱弯曲平面设置在不同侧并且在钻井时能够确保与井孔壁持续地接触，并且也将通过提供作用于钻头上的最佳轴向载荷进一步提高钻入井底不同成分的精确度，而不损失弯曲钻杆柱的稳定性的任何弓形接触部分。

发明内容

本发明行将解决的技术问题在于，通过补偿钻头在钻孔中转动时产生的合成的径向不平衡力，以及通过在钻井过程中使调整器上相对于钻杆柱弯曲平面处于不同侧的自身弓形接触部分与钻孔壁保持接触，以及通过提供作用在钻头上的最佳轴向载荷而提高钻入井底不同成分的精确性，并且不损失弯曲钻杆柱的稳定性，来提高钻杆柱弯曲平面上摆线型马达、调整器以及主轴的稳定性，增大偏移角并且提高在弯曲钻杆柱上具有主轴和钻头的摆线型马达的穿透能力。

所要求权利的技术方案的特征如下：

在弯曲钻杆柱上具有主轴和钻头的摆线型马达的角度及反作用力矩调整器中，包括中心中空部件以及连接到所述中心中空部件上的三个中空的相互未对齐的管状部件，三个部件中的每个均具有内部通孔；

内部中空部件设在第一和第二部件之间的中央区；

第一和第二管状部件通过设在它们的端部的彼此面对的螺纹连接到内部中空部件上；

第一中空管状部件通过螺纹连接到主轴上；

第二中空管状部件通过螺纹连接到齿轮转子型马达壳体上；

中心中空部件通过花键连接到内部中空部件上；

内部中空部件的端部具有螺纹，所述螺纹具有相互交叉且与内部中空部件的中心轴线交叉的轴线；

所述螺纹轴线之间的最长距离是转子相对于摆线型马达定子的偏心距的两倍；

内部中空部件的中心轴线和其端部上的螺纹的任何轴线之间的最长距离等于转子相对于摆线型马达定子的偏心距；

中心中空部件和第一中空管状部件在所述第一部件连接到主轴上的一侧均设有各自的弓形接触部分，所述弓形接触部分构成一对相对于钻杆柱弯曲平面上的主轴子午面设在不同侧的弓形接触部分，其中弓形接触部分的最近的端部沿着中心轴线按距离L设置，该距离L和主轴外径D之间具有如下关系：L≥D；并且在相对于由钻头施加的反作用力矩的相反方向上提供从钻杆柱弯曲平面上的主轴子午面偏离的第一中空管状部件的弓形接触部分(在横截面中)的角偏差。

此外，位于中心中空部件上以及位于第一中空管状部件上的弓形接触部分的母面被设置得高于各个管状部件的外表面，并且每个弓形接触部分包括成排的紧固在管状部件上的齿或销，其中所述齿或销的硬度大于所述弓形接触部分的硬度。

以这样的方式在第一部件连接至主轴的一侧处实现中心中空部件和第一中空管状部件：即所述部件中的每一部件均具有各自的弓形接触部分，使得在它们之间弓形接触部分构成相对于钻杆柱弯曲平面上的主轴子午面设在不同侧处的弓形接触部分对，并且沿着第一中空部件的中心轴线，所述弓形接触部分在所述弓形接触部分的最接近的端部之间以距离L被设置，该距离与主轴外径D之间具有如下关系：L≥D，其中，沿相对于由钻头施加的反作用力矩的相反方向设置第一中空管状部件的弓形接触部分从位于钻杆柱弯曲表面上的主轴子午面偏离的角偏差。以上述方式实现所述部件允许钻头旋转中心逆着钻头旋转方向发生偏移，并且补偿作用在弯曲钻杆柱头(well string head)上的力，因此，能够防止由依赖于轴向载荷而影响钻头的横向力的反作用的重新分布引起的倾角的改变，并且不损失弯曲钻杆柱的稳定性。

由于提高了作用于钻头上的横向力分量的校正精密度，这种安排允许最优化并且提高打井的精确性，其中所述横向力分量产生弯曲力矩，当倾斜的弯曲钻杆柱失去稳定性时，所述弯曲力矩改变其方向(符号)。

位于中心中空部件上以及位于第一中空管状部件上的弓形接触部分的母面高于各个管状部件的外表面的安排、以及弓形接触部分中的每个设有紧固在管状部件上的成排齿或销的设置，其中齿或销的硬度大于所述弓形接触部分的硬度，提高了位于钻杆柱弯曲平面上的摆线型马达、调整器以及主轴的稳定性，延长了调整器被井孔壁时的使用寿命，并且保证了对作用于钻头上的轴向负载的波动的正、负峰值的补偿，以及通过不使斜向弯曲钻杆柱的稳定性受损地保持轴向负载现值，确保了钻头上的最优轴向负载。

总之，这种技术方案允许补偿钻头在井孔中转动期间产生的合成的径向不平衡力，并且在钻井期间使调整器上相对于钻杆柱弯曲平面位于不同侧处的弓形接触部分与井孔壁保持接触。

附图说明

图1描述在弯曲钻杆柱上具有角度及反作用力矩调整器、主轴以及钻头的摆线型马达。

图2描述摆线型马达输出部分的图1所示部分I，所述马达通过角度及反作用力矩调整器连接到主轴上。

图3描述位于钻杆柱弯曲平面中的摆线型马达的角度及反作用力矩调整器。

图4描述沿图3中的线A-A的截面图。

图5描述沿图3中的线B-B的截面图。

图6描述第一中空管状部件的透视图。

图7描述第一中空管状部件沿其螺纹端部的轴线获得的截面图。

图8描述内部中空管状部件的透视图。

图9描述中心中空部件的透视图。

图10描述沿图2的线C-C的截面图。

具体实施方式

如图1和2所示，摆线型马达1具有位于弯曲钻杆柱5上的角度及反作用力矩调整器2、主轴3以及钻头4。

摆线型马达1的角度及反作用力矩调整器2包括中心中空部件6(图3)以及连接到所述中心中空部件6上的三个中空管状部件7、8和9，所述三个部件中的每一个分别具有内部通孔10、11、12。

第一中空管状部件7具有轴线13，第二管状部件8具有轴线14，并且内部中空管状部件9设置在第一管状部件7和第二管状部件8之间的中心区并且具有轴线15(图3、4)。中心中空管状部件6通过花键16与内部中空管状部件9相连接(图4、9)。

第一中空管状部件7和第二中空管状部件8通过彼此面对的端部19、20上的螺纹17、18连接到内部中空部件9上。

第一中空管状部件7的端部21和中心中空部件6的端部22上设有花键23，使用该花键可以将调整器的角度以及反作用力矩的设置成所需值(图4、6、9)。

第一中空管状部件7通过螺纹24连接到摆线型马达1的主轴3的壳体25上。

位于内部中空部件9的端部28和29上的螺纹17和18的轴线26和27彼此交叉并且与中空部件9的中心轴线15交叉。

螺纹17和18的轴线26和27之间的最长距离为2E，也就是转子30相对于摆线型马达1的定子31的偏心距E的两倍(图4、10)。

内部中空部件9的中心轴线15与位于内部中空部件9的端部28和29上的螺纹17和18的轴线26和27之间的最长距离等于转子30相对于摆线型马达1的定子31的偏心距E(图4、10)。

位于承受由摆线型马达的反作用力矩施加的不对称负载的内部中空部件9的端部28和29处的轴线26、27分别设置在离内部中空部件9的中心轴线15具有不同距离e1和e2的位置处。

在内部中空部件9的中心轴线15和螺纹18的轴线27之间形成角度α。

在内部中空部件9的中心轴线15和螺纹17的轴线26之间形成角度β。

第一中空管状部件7的螺纹部分24的弯曲轴线13可以相对于内部中空管状部件的中心轴线15形成角度γ。

中心中空部件6和第一中空管状部件7，在其连接到主轴3的一侧，分别设有各自的弓形接触部分32、33，例如在图1的平面中，这构成了相对于钻杆柱弯曲平面上的主轴3的子午面34设置在不同侧的成对弓形接触部分。弓形接触部分32、33的最近的边缘35、36沿着第一中空管状部件7的中心轴线15以距离L被设置，该距离与主轴3的外径D具有以下的关系：

L≥D；(图2、4)

在相对于由钻头4施加的反作用力矩Mr的相反方向上，设有从位于钻杆柱5的弯曲平面上的主轴子午面34偏离的第一中空管状部件7(在横截面中)的弓形接触部分33的角偏差37(图5)。

位于中心中空部件6上以及位于第一中空管状部件7上的弓形接触部分32、33的母面38被设置成高于各个中空部件6或7的外表面39(图2)。

弓形接触部分32、33具有紧固到它们的壁上的成排的齿或销40；所述齿或销的硬度大于各个管状部件6或7的所述部分32、33的硬度(图6、7、9)。

在弯曲钻杆柱上具有主轴和钻头的摆线型马达的角度及反作用力矩调节器的操作如下。

压力喷射流体通过钻杆柱5被传输到转子30和定子31之间的螺旋状腔室中。在转子30上产生转距，并且该转距引起转子30围绕定子31进行轨道运动，该运动通过万向节、驱动轴被转换成主轴3以及钻头4的转子的旋转运动。

在钻不同种类的岩石时，在角度及反作用力矩调节器2上以及同样在主轴3、摆线型马达1以及钻头4上，由于剪切力施加到钻头4上，发生反作用的弯曲力矩Mr。所述反作用力矩Mr由于其端部28、29上的螺纹17、18具有轴线26、27的内部中空管状部件9的存在而被补偿，所述轴线彼此交叉并且与所述部件的中心轴线15交叉。

转子30在定子31内的轨道运动与转矩从转子30传递到主轴3和钻头4上的传递方向相反。逆着钻头4的转动使轴线26、27相对于轴线15进行偏移(在横截面中)，在这种情况下，观察不到方向上的任何损失，也就是，观察不到钻头4上的轴向负载的波动的正的和负的峰值处的弯曲钻柱(bend string)的稳定性的符号(sign of stabilty)。

通过使每一个中心中空部件6和第一中空管状部件7在部件7连接到主轴3的一侧分别设有各自的弓形接触部分32、33，可以进一步提高钻头4的转动中心逆着钻头的转动(即逆着钻头的转距Mt)偏移的精确性。该弓形接触部分32、33构成一对弓形接触部分，该一对弓形接触部分相对于钻杆柱5的弯曲平面上的主轴3的子午面34设在不同侧，并且沿着第一中空管状部件7的中心轴线15，该对弓形接触部分32、33的最近的端部之间的距离被设置为L。该距离与主轴外径D之间具有如下关系：L≥D，并且它们还共同地形成从位于钻杆柱弯曲平面上的主轴子午面34处偏移的第一中空管状部件7的弓形接触部分33的角偏差37，该偏差相对于由钻头4施加的反作用力矩Mr处于相反的方向上。

这种安排允许最优化并且补偿弯曲钻杆柱头上的横向力，防止了由于有赖于轴向载荷的作用在钻头上的横向力的反作用的重新分配导致的倾角的改变，而不损失弯曲钻杆柱的稳定性。

在实践中，竖向的井孔被钻到预定的深度。接着钻杆柱被升起，内部中空管状部件7和/或8在螺纹17和/或18上被部分地旋松，然后中心中空部件6沿着花键16被滑移。

当出现这种情况时，第一中空管状部件7的主轴23与中心中空部件6脱开，用于设定齿轮转子马达1的角度以及反作用力矩的所需值。

通过在弯曲的钻杆柱上具有主轴和钻头的摆线型马达、通过钻头在钻孔中转动时产生的合成的径向不平衡力的补偿的使用、以及通过使相对于钻杆柱弯曲平面处于不同侧的在调整器上的自身弓形接触部分将钻井过程中与井孔壁保持接触，调整器所要求权利的设计提高了钻杆柱弯曲平面上的摆线型马达、调整器以及主轴的稳定性，增大了偏移角并且提高了钻入井底的不同成分的精确性。

工业应用

本发明适合于用在将石油和天然气从井中抽出的油气开采工业中，并且同样适合于用在使用液压马达的其它工业领域中。

Claims (2)

1、一种在弯曲钻杆柱上具有主轴和钻头的摆线型马达的角度及反作用力矩调整器，包括：

中心中空部件以及连接到所述中心中空部件上的三个中空的相互未对准的管状部件，三个管状部件中的每个均具有内部通孔；

内部中空管状部件设在第一和第二部件之间的中央区；

第一和第二管状部件通过设在它们的端部的彼此面对的螺纹连接到内部中空管状部件上；

第一管状部件通过螺纹连接到主轴上；

第二中空管状部件通过螺纹连接到马达壳体上；

中心中空部件通过花键连接到内部中空部件上；

内部中空部件的端部具有螺纹，所述螺纹具有相互交叉且与内部中空部件的中心轴线交叉的轴线；

所述螺纹轴线之间的最长距离是转子相对于摆线型马达定子的偏心距的两倍；

内部中空部件的中心轴线和其端部上的任一螺纹之间的最长距离等于转子相对于摆线型马达定子的偏心距；

其特征在于：

中心中空部件和第一中空管状部件在第一部件连接到主轴上的一侧均设有各自的弓形接触部分，所述弓形接触部分构成一对相对于钻杆柱弯曲平面上的主轴子午面设在不同侧处的弓形接触部分，其中弓形接触部分的最近的端部沿着中心轴线按距离L设置，该距离L和主轴外径D之间具有如下关系：L≥D，并且在相对于由钻头施加的反作用力矩的相反方向上提供第一中空管状部件的弓形接触部分从钻杆柱弯曲平面上的主轴子午面偏移的角偏差。

2、如权利要求1所述的摆线型马达的角度及反作用力矩调整器，其特征在于，位于中心中空部件上以及位于第一中空管状部件上的弓形接触部分的母面设置得高于各个管状部件的外表面，并且每个弓形接触部分包括成排的紧固在管状部件上的齿或销，其中所述齿或销的硬度大于所述弓形接触部分的硬度。

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