CN206571419U - 一种叶片式井下动力钻具 - Google Patents

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朱林
朱晖晖
路丹妮
曹亭
高素娟
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Abstract

一种叶片式井下动力钻具，包括转子以及转子上下端分别连接的上端盖和定子，转子上安装有能够摆动的叶片，每个叶片间隔设置有挡板，所述的定子包括下端盖，下端盖上通过螺钉连接有套筒，套筒内部且在下端盖上设置有凸台；工作的过程中上端盖、套筒、凸台和下端盖固定不动，转子与叶片转动。当转子旋转时，始终有一对叶片与下盖接触，从而在叶片两侧形成两个密封腔，其中与入口连通的为高压腔，与出口连通的是低压腔。在高压腔中，由于作用在叶片上的压力大于挡板上的压力，在压差的作用下驱动转子转动，同时推动低压腔中的液体由下端盖上的出口流出；本实用新型适用于石油钻井行业中的低速大扭矩钻井，具有结构简单、制造成本低、整体尺寸小等优点。

Description

一种叶片式井下动力钻具
技术领域
本实用新型涉及钻探领域的一种钻井工具，特别涉及一种叶片式钻井设备。
背景技术
当前，井下动力钻具主要有三种，容积式螺杆钻具、叶片式涡轮钻具和电动钻具。其中，涡轮钻具具有高速大扭矩的软特性，无横向振动，机械钻速高，全金属结构使其耐高温和高压，因而适宜于深井和高温环境下作业。但是涡轮钻具本身较长，钻头的适用范围小，安装调整轴向间隙较为繁琐，而且不易实现低速大扭矩钻井。螺杆钻具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；在结构上，具有零件少、装配简单、维修工作量小的特点。但由于结构本身包含橡胶材料，使得它不适用于深井作业。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，目前已逐渐被淘汰。
发明内容
为了能更适应复杂井下环境且容易实现低速大扭矩，且能克服现有钻具不足的钻具，本实用新型提供了一种叶片式井下动力钻具，为容积式钻具，当结构固定时，其输出扭矩只与钻具的压降有关，而输出转速只与入口处的流量有关，从而可以通过控制压降与流量来改变钻具的输出扭矩和转速；这对于实现低速大扭矩钻井有着积极的意义。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种叶片式井下动力钻具，包括转子1以及转子1上下端分别连接的上端盖9和定子，转子1上安装有能够摆动的叶片5，每个叶片5间隔设置有挡板2，所述的定子包括下端盖6，下端盖6上通过螺钉连接有套筒8，套筒8内部且在下端盖6上设置有凸台7。
所述的叶片5的一端侧面设置有支撑板4。
所述的转子1、套筒8和叶片5设计成球面结构，使得叶片5在相对摆动的过程中两个侧面始终与套筒8的内表面、转子1球面接触。
所述的凸台7与叶片5的接触面为斜面结构。
本实用新型的突出创新点是：
(1)将转子1、套筒8和叶片5设计成球面结构，使得叶片在相对摆动的过程中两个侧面始终与套筒的内表面和转子上的球面接触，以达到密封效果，通过设计一种球面接触来实现叶片在运动过程中的密封要求，对于两个同心且相互配合的球面，当其中一个固定另一个绕球心转动时，无论朝那个方向旋转，两球面始终相接触。基于上述理论，
(2)设置有支撑板4，增加叶片支撑结构，解决叶片在运动时候碰到凸台 7时强度可能不足的问题。
(3)在解决叶片5与凸台7的冲击问题时，将凸台设计成斜面结构。
附图说明
图1是本实用新型的立体结构示意图。
图2是本实用新型结构重要零件配合示意图。
图3是本实用新型的基本原理图。
图4是本实用新型的工作过程图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的基本原理及工作过程进行说明。
参照图1，一种叶片式井下动力钻具，包括转子1以及转子1上下端分别连接的上端盖9和定子，转子1上安装有能够摆动的叶片5，叶片5与转子1之间的间隙配合形成转动副，即叶片相对于转子可在一定范围内摆动，也随转子绕其轴心转动，每个叶片5间隔设置有挡板2，所述的定子包括下端盖6，下端盖 6上通过螺钉连接有套筒8，套筒8内部且在下端盖6上设置有凸台7。
所述的叶片5的一端侧面设置有支撑板4，保证叶片5的刚性。
所述的转子1、套筒8和叶片5设计成球面结构，使得叶片5在相对摆动的过程中两个侧面始终与套筒8的内表面、转子1球面接触。
所述的凸台7与叶片5的接触面为斜面结构，解决叶片5与凸台7的冲击问题。
本实用新型的工作原理为：参照图2，新型叶片式井下动力钻具在工作的过程中上端盖9、套筒3、凸台7和下端盖6固定不动，转子1与叶片5转动。当转子1旋转时，始终有一对叶片5与下端盖接触，从而在叶片5两侧形成两个密封腔，其中与入口连通的为高压腔，与出口连通的是低压腔。在高压腔中，由于作用在叶片5上的压力大于挡板2上的压力，在压差的作用下驱动转子1 转动，同时推动低压腔中的液体由下端盖上的出口流出。
1、基本原理
参照图3，转子上的叶片5与挡板2与定子形成图中所示的密封腔，当液体流入封闭腔时会在叶片5与挡板2上产生一定的压力。作用在挡板2上的压力 FA＝PA；作用在叶片B上的压力FB＝PB，其中A为挡板的截面积，B为叶片的截面积，P为腔内的压强。由于B>A，所以FB>FA，从而在转子上产生一定的压差：F＝FB-FA＝P(B-A)；在压差F的作用下转子转动。
2、叶片5的具体工作过程
参照图4，转子1旋转一周时叶片5所处的四个状态。
状态一：b叶片即将离开凸台，泥浆由入口流入高压腔，利用高压腔中的压差，通过a叶片推动转子转动，b叶片逐渐由凸台7上的曲面‘滑下’，从而形成一个新的高压腔。
状态二：b叶片驱动转子转动，a叶片则开始‘爬上’凸台7，从而使原来的高压腔与出口连通而变为低压腔，在b叶片的驱动下，转子继续转动，使得新的高压腔进一步扩大。
状态三：a叶片已经‘爬上’凸台7，b叶片继续推动转子转动。
状态四：随着转子1的转动，c叶片代替b叶片驱动转子转动，同时b叶片‘爬上’凸台7，整个结构又进入状态一，从而构成一个循环，实现转子的持续转动。
当叶片5与下端盖6的上端面接触时，叶片5并不垂直于下端盖6，从而使高压腔作用在叶片5上的压力F可分解成一个平行于下端盖6的力Fh和一个垂直于下端盖6的力Fv。其中Fh驱动转子转动，Fv实现叶片的向下压紧，从而保证了高压腔在叶片处的密封性。同时，在轴上设计一个轴肩，使得叶片5并不与下端盖6直接接触，其间隙在需用的范围内，这样既保证了高压腔的密封性，又避免叶片5与下端盖6之间的磨损。
本实用新型以低速大扭矩为设计目标，从容积式泵入手，结合叶片马达的工作原理所设计出的一种低速大扭矩钻具。相比于涡轮钻具，它的轴向尺寸更小，输出扭矩更高。全金属结构又使其克服了螺杆钻具不耐高温、高压的缺点。所以新型叶片式井下动力钻具更加适应当前钻井的需要。

Claims (4)

1.一种叶片式井下动力钻具，其特征在于，包括转子(1)以及转子(1)上下端分别连接的上端盖(9)和定子，转子(1) 上安装有能够摆动的叶片(5)，每个叶片(5)间隔设置有挡板(2)，所述的定子包括下端盖(6)，下端盖(6)上通过螺钉连接有套筒(8)，套筒(8)内部且在下端盖(6)上设置有凸台(7)。
2.根据权利要求1所述的一种叶片式井下动力钻具，其特征在于，所述的叶片(5)的一端侧面设置有支撑板(4)。
3.根据权利要求1所述的一种叶片式井下动力钻具，其特征在于，所述的转子(1)、套筒(8)和叶片(5)设计成球面结构，使得叶片(5)在相对摆动的过程中两个侧面始终与套筒(8)的内表面、转子(1)球面接触。
4.根据权利要求1所述的一种叶片式井下动力钻具，其特征在于，所述的凸台(7)与叶片(5)的接触面为斜面结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108468510A (zh) * 2018-06-05 2018-08-31 张成功 一种井下工具旋转装置

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