CN206972154U - 一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，由传动轴总成和马达总成组成，所述马达总成包括旁通阀阀体、阀芯、弹簧、密封圈Ⅰ、塞销、密封圈Ⅱ、阀套、密封圈Ⅲ、隔套、中间壳体、马达壳体、阳转子、阴转子、圆柱滚子轴承组、外齿轮Ⅰ、外齿轮Ⅱ、齿轮传动杆；所述传动轴总成包括下壳体、上TC轴承静套、上TC轴承动套、扶正器壳体、串轴承组、合金齿、防掉环、套筒、下TC轴承动套、下TC轴承静套、传动轴。本实用新型经过对螺杆钻具关键部位马达总成的改进，采用阴转子和阳转子配合，螺杆钻具就可以给钻头提供动力，同时去掉橡胶衬套，让马达工作受井下温度的影响，工作时间更长，适合在现有的深井和超深井底运转，扩展了钻井的领域。

Description

一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具

技术领域

本实用新型涉及钻井技术领域，具体涉及一种用于高温深井超深井的带有阴阳转子的全金属马达螺杆钻具。

背景技术

螺杆钻具(PDM drill)是一种以钻井液为动力，液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业，是目前应用最广泛的井下动力钻具，主要用于定向井、水平井的造斜及扭方位施工。

在螺杆钻井工程施工中，钻具的寿命稳定性和钻具使用的成功率对于工程的正常施工有着重要的影响。通过大量分析钻具出现故障的情况发现，马达定子部件出现的故障频率较高，且影响最严重，一旦发生问题，一般都需要起钻维修更换，给井下作业带来麻烦。马达定子部件出现故障的主要原因有如下几点：(1)马达工作的环境经常处在超高压的状态下；(2) 马达工作的过程中出现滞动的次数过多；(3)过盈配合的现象经常出现的马达定转子之间的配合上。疲劳失效是由于转子的旋转导致的，其旋转对橡胶做的功，会由于高频交变载荷作用的原因而作用在定子橡胶上，定子橡胶基体工作环境的温度长时间地超过额定温度，进而就会导致定子橡胶疲劳失效的产生，导致故障的出现。

针对目前存在的橡胶失效问题，国内外专家对此进行过很多相关研究，并主要采用了两种方式进行处理，一种方式是对橡胶的材料和加工工艺进行改良，并同时对螺杆钻具转子表面制备耐磨耐腐蚀的涂层，提高其使用寿命，但采用这种方法所制造的螺杆钻具，在深井和超深井的应用中表现效果不佳，寿命并未明显提高，不能满足现场需求。

另一种方式是在螺杆钻具中减少橡胶的使用，甚至完全采用金属结构的螺杆钻具，但目前存在的全金属结构螺杆钻具，和传统结构并无实质性不同，只是简单地把橡胶定子换为其他金属材料，虽然解决了橡胶磨损和老化的问题，但其使用效果比采用橡胶的抗冲击性差，且容易发生卡顿现象，在一定程度上降低了螺杆钻具的使用效果。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，通过改变螺杆钻具的结构，实现去橡胶的效果，减少螺杆钻具万向轴总成和水帽等零部件，减少零部件失效的概率，同时利用三瓣螺旋扶正式壳体能增强扶正、排岩屑及传导效果。

本实用新型的技术方案如下：

一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，由传动轴总成和马达总成组成，所述马达总成包括旁通阀阀体、阀芯、弹簧、密封圈Ⅰ、塞销、密封圈Ⅱ、阀套、密封圈Ⅲ、隔套、中间壳体、马达壳体、阳转子、阴转子、圆柱滚子轴承组、外齿轮Ⅰ、外齿轮Ⅱ、齿轮传动杆；所述传动轴总成包括下壳体、上TC轴承静套、上TC轴承动套、扶正器壳体、串轴承组、合金齿、防掉环、套筒、下TC轴承动套、下TC轴承静套、传动轴；

所述旁通阀阀体的下部外螺纹和上部内螺纹都使用API标准的NC螺纹扣，上部连接钻铤或钻杆，下部连接中间壳体，旁通阀阀体周向均匀布置5个塞销孔，塞销孔中设有内螺纹，塞销上设有与其相配的外螺纹；所述阀芯、阀套从上到下镶嵌在旁通阀阀体内孔中，旁通阀阀体内孔设有台阶，向下固定阀芯和阀套；阀芯和阀套中间以弹簧连接支撑，阀套和上方的阀芯采用间隙配合，阀芯侧边安装有密封圈Ⅰ、阀套安装有2个紧挨的密封圈Ⅱ，旁通阀阀体螺纹下端密封面部位设有密封圈Ⅲ，可以起到双重密封作用；

所述中间壳体下方连接马达壳体，马达壳体内平行地配置着一对相互啮合的螺旋形阳转子和阴转子，阳转子节圆外加工有凸齿，阴转子节圆内具有凹齿，两者啮合配合后可由阳转子带动阴转子转动，所述阳转子、阴转子的轴头都镶嵌在轴承座上，轴承座固定在下接头小端内孔端部，阳转子和阴转子下方连接有一对圆柱滚子轴承组，用于实现阳转子和阴转子的轴向和径向定位，并承受螺杆钻具传动轴的传动轴轴向力、径向力；阳转子前端通过轴向固定与外齿轮Ⅰ过盈配合，阴转子前端通过轴向固定与齿轮Ⅱ过盈配合，外齿轮Ⅰ、外齿轮Ⅱ与齿轮传动杆的啮合配合，齿轮传动杆将扭矩和转速传递给下端传动轴，传动轴连接钻头转动；

所述传动轴上方自下而上依次配合安装有串轴承组，推力球轴承组压紧在防掉环上，上 TC轴承动套安装在传动轴的上部外侧面上，上TC轴承动套的下端压紧在串轴承组上，上 TC轴承静套配合安装在上TC轴承动套的外周上，且上TC轴承静套与扶正器壳体上端通过螺纹配合连接，上TC轴承动套上部与传动轴上部通过螺纹配合连接，下TC轴承动套设于传动轴的轴头部分外圆周面上，且下TC轴承动套的下部与传动轴通过螺纹配合连接，下TC轴承静套配合安装在下TC轴承动套的外周上，下TC轴承静套与设于其外周上的扶正器壳体下端通过螺纹配合连接，下TC轴承动套的上端设有与之同轴的防掉环，传动轴的上端还固定有齿轮传动杆。

进一步的，所述阳转子和阴转子为螺距相同、旋向相反的两根螺杆装在金属定子的直孔中形成金属马达，都经过编排工艺加工，选用特殊的滚刀和特种螺旋铣床加工制成。

进一步的，所述传动轴总成的扶正器壳体采用三瓣螺旋式壳体，具有排屑效果好，还可以起到下部扶正作用；传动轴总成的其他结构和常规的传动轴总成结构相同。

进一步的，所述阳转子、阴转子的加工材料均为38CrNiAl，此种材料有效减少了金属转子之间的磨损，可有效延长整机使用寿命。

进一步的，所述一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的传动轴总成关键部件传动轴利用 42CrNiMo锻造成型，有足够的强度，可以承受10-15吨的钻压，表面经过喷涂工艺和探伤处理，与TC轴承动套配合运动，下部为65/8REG螺纹扣，可以连接相同扣型的牙轮钻头或金刚石钻头。

进一步的，所述一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的整体为全金属结构，无橡胶密封元件，耐高温，耐腐蚀，转动是定轴转动，传动平稳，不需要万向轴等结构，可以有效缩短螺杆长度，减少零件数量，便于和设计制造。

进一步的，所述一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的旁通阀总成中发阀芯阀套镶嵌在旁通阀阀体内孔中，旁通阀阀体内孔加工有与阀套阀芯接触对应的台阶，阀芯、阀套中间以弹簧配合，旁通阀阀体内表面、阀芯、阀套内外表面电镀有合适厚度的镀铬层，有效减缓钻井液的冲蚀。

进一步的，所述一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的传动轴总成关键部件传动轴总成的 TC轴承动套和静套接触部分分别利用耐磨合金烧结在其内外表面，有效增强了轴承的耐磨性，串轴承通过与传动轴的连接为间隙配合。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所提供的阴阳转子全金属马达螺杆钻具，通过对钻井工程中，高压流体的压力差作用，在常规橡胶螺杆钻具设计的基础上，该螺杆钻具利用螺杆式压缩机的工作原理的逆向思维，经过对螺杆钻具关键部位马达总成的改进，借助压缩机阴阳转子的设计的理念，利用钻井液在马达上下端的压力差推动阴阳转子转动，当泥浆通过马达时，泥浆的压力推动两根螺杆作定轴旋转产生扭矩，将其中一根螺杆的定轴旋转运动通过齿轮传递给传动轴，这样螺杆钻具就可以给钻头提供动力，同时去掉橡胶衬套，让马达工作受井下温度的影响，工作时间更长，适合在现有的深井和超深井底运转，扩展了钻井领域，且采用阴阳转子结构，外啮合不易发生卡顿，比内啮合更适用于井下作业。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的结构示意图；

图2为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的上段结构示意图；

图3为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的中段结构示意图；

图4为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的下段结构示意图；

图5为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的阳转子截面图；

图6为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的阴转子截面图；

图7为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的结构示意图；

图8为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的阳转子截面图；

图9为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的阴转子截面图；

图10为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的齿轮传动杆轴向结构图；

图11为一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具的齿轮传动杆径向结构图。

图中所示：

1-旁通阀阀体，2-阀芯，3-弹簧，4-密封圈Ⅰ，5-塞销，6-密封圈Ⅱ，7-阀套，8-密封圈Ⅲ，9-隔套10-中间壳体，11-马达壳体，12-阳转子，13-阴转子，14-圆柱滚子轴承组，15-外齿轮Ⅰ，16-外齿轮Ⅱ，17-齿轮传动杆，18-下壳体，19-上TC轴承静套，20-上TC轴承动套，21-扶正器壳体，22-串轴承组，23-合金齿，24-防掉环，25-套筒，26-下TC轴承动套，27-下TC轴承静套，28-传动轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，但并非用以限定本实用新型。

如图1～图11所示，一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，包括马达总成和传动轴总成，所述马达总成由旁通阀阀体1、阀芯2、弹簧3、密封圈Ⅰ4、塞销5、密封圈Ⅱ6、阀套7、密封圈Ⅲ8、隔套9、中间壳10、马达壳体11、阳转子12、阴转子13、轴承组14、外齿轮Ⅰ 15、外齿轮Ⅱ16、齿轮传动杆17，所述传动轴总成由下壳体18、上TC轴承静套19、上TC 轴承动套20、扶正器壳体21、串轴承组22、合金齿23、防掉环24、套筒25、下TC轴承动套26、下TC轴承静套27、传动轴28。

金属的马达总成可用于深井、超深井等温度过高的气井或油井，全金属螺杆钻具的部件均为金属件，整体为全金属结构，无橡胶密封元件，耐高温，耐腐蚀，转动是定轴转动，传动平稳，不需要万向轴等结构，可以有效缩短螺杆长度，减少零件数量，便于和设计制造。所述旁通阀阀体1内外螺纹使用API标准的NC螺纹扣，上部连接钻铤或钻杆，下部连接中间壳体10，旁通阀阀体1周向均匀布置5个塞销孔，塞销孔钻螺纹孔，与塞销5螺纹配合，阀芯2、阀套7镶嵌在旁通阀阀体1内孔中，旁通阀阀体1内孔加工有与阀芯2、阀套7接触对应的台阶，阀芯2、阀套7中间以弹簧3支撑配合，旁通阀阀体1内表面、阀芯2、阀套7 内外表面电镀有合适厚度的镀铬层，有效减缓钻井液的冲蚀，阀套7上有阀芯2，阀芯2与阀套7间隙配合，阀芯2有密封圈Ⅰ4、阀套7装有2个密封圈Ⅱ6，旁通阀阀体1端部有密封圈Ⅲ8，可以起到双重密封作用。阳转子12、阴转子13的轴头都镶嵌在轴承座上，轴承座固定在下接头小端内孔端部，阳转子12、阴转子13上的一对圆柱滚子轴承组14实现转子的轴向和径向定位，并承受螺杆钻具传动轴总成的传动轴28轴向力、径向力。马达总成部分平行地配置着一对相互啮合的螺旋形阳转子12和阴转子13，阳转子12节圆外加工有凸齿，阴转子13节圆内具有凹齿，两者啮合配合后可由阳转子12带动阴转子13转动，阳转子12前端通过轴向固定与外齿轮Ⅰ15过盈配合，阴转子13前端通过轴向固定与阴转子外齿轮Ⅱ16 过盈配合，外齿轮Ⅰ15、外齿轮Ⅱ16与齿轮传动杆17的啮合配合，做行星运动，阳转子12 和阴转子13为螺距相同、旋向相反的两根螺杆装在金属定子的直孔中形成金属马达，都经过编排工艺加工，选用特殊的滚刀和特种螺旋铣床加工制成。阳转子12、阴转子13的加工材料均为38CrNiAl，此种材料有效减少了金属转子之间的磨损，可有效延长整机使用寿命。传动轴28上自下而上还依次配合安装有串轴承组22，推力球轴承组22压紧在防掉环24上，所述上TC轴承动套20安装在传动轴28的上部外侧面上，上TC轴承动套20的下端压紧在串轴承组22上，所述上TC轴承静套19配合安装在上TC轴承动套20的外周上，且上TC 轴承静套19与扶正器壳体21上端通过螺纹配合连接，上TC轴承动套20上部与传动轴28 上部通过螺纹配合连接，下TC轴承动套26设于传动轴28的轴头部分外周面上，且下TC轴承动套26的下部与传动轴28通过螺纹配合连接，下TC轴承静套27配合安装在下TC轴承动套26的外周上，下TC轴承静套27与设于其外周上的扶正器壳体21下端通过螺纹配合连接，下TC轴承动套26的上端设有与之同轴的防掉环24，传动轴28的上端还固定有齿轮传动杆17，本实用新型的原理为当高压钻井液流过旁通阀，向下压下弹簧，阀芯堵塞旁通阀发提上的塞销5，塞销5上钻有通孔，钻井液将经过阀芯2、阀套7上的通道，进入马达部分的空隙，泥浆的压力推动阳转子12作定轴旋转产生扭矩，可由阳转子12带动阴转子13转动，阳转子12前端通过轴向固定与外齿轮Ⅰ15过盈配合，阴转子13前端通过轴向固定与齿轮Ⅱ 16过盈配合，外齿轮Ⅰ15、外齿轮Ⅱ16与齿轮传动杆17的啮合配合，齿轮传动杆17将扭矩和转速传递给下端传动轴28，传动轴28连接钻头转动，因此螺杆钻具可以给钻头提供动力。

全金属马达对高转速、高温和油基泥浆的适应性很强，相比常规钻具而言，更具耐磨性和耐腐蚀性，马达的输出动力、使用寿命都有较大幅度的提高。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，其特征在于，由传动轴总成和马达总成组成，所述马达总成包括旁通阀阀体(1)、阀芯(2)、弹簧(3)、密封圈Ⅰ(4)、塞销(5)、密封圈Ⅱ(6)、阀套(7)、密封圈Ⅲ(8)、隔套(9)、中间壳体(10)、马达壳体(11)、阳转子(12)、阴转子(13)、圆柱滚子轴承组(14)、外齿轮Ⅰ(15)、外齿轮Ⅱ(16)、齿轮传动杆(17)；所述传动轴总成包括下壳体(18)、上TC轴承静套(19)、上TC轴承动套(20)、扶正器壳体(21)、串轴承组(22)、合金齿(23)、防掉环(24)、套筒(25)、下TC轴承动套(26)、下TC轴承静套(27)、传动轴(28)；

所述旁通阀阀体(1)的下部外螺纹和上部内螺纹都使用API标准的NC螺纹扣，上部连接钻铤或钻杆，下部连接中间壳体(10)，旁通阀阀体(1)周向均匀布置5个塞销孔，塞销孔中设有内螺纹，塞销(5)上设有与其相配的外螺纹；所述阀芯(2)、阀套(7)从上到下镶嵌在旁通阀阀体(1)内孔中，旁通阀阀体(1)内孔设有台阶，向下固定阀芯(2)和阀套(7)；阀芯(2)和阀套(7)中间以弹簧(3)连接支撑，阀套(7)和上方的阀芯(2)采用间隙配合，阀芯(2)侧边安装有密封圈Ⅰ(4)、阀套(7)安装有2个紧挨的密封圈Ⅱ(6)，旁通阀阀体(1)螺纹下端密封面部位设有密封圈Ⅲ(8)，可以起到双重密封作用；

所述中间壳体(10)下方连接马达壳体(11)，马达壳体(11)内平行地配置着一对相互啮合的螺旋形阳转子(12)和阴转子(13)，阳转子(12)节圆外加工有凸齿，阴转子(13)节圆内具有凹齿，两者啮合配合后可由阳转子(12)带动阴转子(13)转动，所述阳转子(12)、阴转子(13)的轴头都镶嵌在轴承座上，轴承座固定在下壳体(18)小端内孔的端部，阳转子(12)和阴转子(13)下方连接有一对圆柱滚子轴承组(14)，用于实现阳转子(12)和阴转子(13)的轴向和径向定位，并承受螺杆钻具传动轴(28)的传动轴轴向力、径向力；阳转子(12)前端通过轴向固定与外齿轮Ⅰ(15)过盈配合，阴转子(13)前端通过轴向固定与外齿轮Ⅱ(16)过盈配合，外齿轮Ⅰ(15)、外齿轮Ⅱ(16)与齿轮传动杆(17)的啮合配合，齿轮传动杆(17)将扭矩和转速传递给下端传动轴(28)，传动轴(28)连接钻头转动；

所述传动轴(28)上方自下而上依次配合安装有串轴承组(22)，推力球轴承组压紧在防掉环(24)上，上TC轴承动套(20)安装在传动轴(28)的上部外侧面上，上TC轴承动套(20)的下端压紧在串轴承组(22)上，上TC轴承静套(19)配合安装在上TC轴承动套(20)的外周上，且上TC轴承静套(19)与扶正器壳体(21)上端通过螺纹配合连接，上TC轴承动套(20)上部与传动轴(28)上部通过螺纹配合连接，下TC轴承动套(26)设于传动轴(28)的轴头部分外圆周面上，且下TC轴承动套(26)的下部与传动轴(28)通过螺纹配合连接，下TC轴承静套(27)配合安装在下TC轴承动套(26)的外周上，下TC轴承静套(27)与设于其外周上的扶正器壳体(21)下端通过螺纹配合连接，下TC轴承动套(26)的上端设有与之同轴的防掉环(24)，传动轴(28)的上端还固定有齿轮传动杆(17)。

2.根据权利要求1所述的一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，其特征在于，所述阳转子(12)和阴转子(13)为螺距相同、旋向相反的两根螺杆装在金属定子的直孔中形成金属马达，都经过编排工艺加工，选用特殊的滚刀和特种螺旋铣床加工制成。

3.根据权利要求1所述的一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，其特征在于，传动轴总成的扶正器壳体(21)采用三瓣螺旋式壳体，具有排屑效果好，还可以起到下部扶正作用。

4.根据权利要求1所述的一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，其特征在于，所述阳转子(12)、阴转子(13)的加工材料均为38CrNiAl，此种材料有效减少了金属转子之间的磨损，可有效延长整机使用寿命。

5.根据权利要求1所述的一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，其特征在于，所述传动轴(28)利用42CrNiMo锻造成型，有足够的强度，可以承受10-15吨的钻压，表面经过喷涂工艺和探伤处理，与TC轴承动套配合运动，下部为65/8REG螺纹扣，可以连接相同扣型的牙轮钻头和金刚石钻头。

6.根据权利要求1所述的一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，其特征在于，所述阀芯(2)和阀套(7)镶嵌在旁通阀阀体(1)内孔中，旁通阀阀体(1)内孔加工有与阀套(7)和阀芯(2)接触对应的台阶，阀芯(2)和阀套(7)中间以弹簧(3)配合，旁通阀阀体内表面、阀芯、阀套内外表面电镀有合适厚度的镀铬层，有效减缓钻井液的冲蚀。

7.根据权利要求1所述的一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，其特征在于，所述传动轴总成的上TC轴承动套(20)和上TC轴承静套(19)，下TC轴承动套(26)和下TC轴承静套(27)接触部分分别利用耐磨合金烧结在其内外表面，有效增强了轴承的耐磨性，串轴承组(22)通过与传动轴的连接为间隙配合。

8.根据权利要求1所述的一种阴阳转子全金属马达螺杆钻具，其特征在于，所述传动轴总成和马达总成均为全金属结构，无橡胶密封元件，耐高温，耐腐蚀，转动是定轴转动，传动平稳；且无需设置万向轴，以此缩短螺杆长度，减少零件数量。