CN213391966U - 一种带有发电功能的动力钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有发电功能的动力钻具。其技术方案是：马达的一端连接旁通阀，另一端连接万向轴，万向轴的另一端通过径向轴承、整流电路连接到发电机，发电机的另一端依次连接推力轴承和传动轴；所述旁通阀设置在马达的端部，下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀引入钻杆柱内，减小下钻过程的阻力，平衡钻杆内外液柱压力；起钻时，钻井液由钻杆柱内经旁通阀的侧阀孔流入环空，不致使钻井液溢于井台；所述发电机作为一个独立单元串接动力钻具中。本实用新型的有益效果：第一，通过加入发电机使动力钻具在完成其原有功能的基础上兼具了井下发电机的功能；第二，通过整流电路、输电线路可以将适用的电力输送到仪器；能够有效替代锂电池供电。

Description

一种带有发电功能的动力钻具

技术领域

本实用新型涉及钻井技术领域，特别涉及一种带有发电功能的动力钻具。

背景技术

随着石油钻井工业的发展,在复杂地质条件下钻深井、水平井、多分支井的过程中,井下随钻测量仪器和旋转导向仪器等发挥着至关重要的作用,其功能越来越强,使用的传感器和控制执行机构越来越多。在仪器工作过程中,一般都需要给井下电子测量总成及旋转导向系统中的导向控制模块供电。一种传统方式是利用耐高温锂电池供电,另外一种优选的方式是利用泥浆发电机供电。

目前的锂电池供电,其存在着诸如耐高温性差,输出电功率较小,操作不当时可能爆炸等缺点；泥浆发电机，受国外技术垄断，价格昂贵，国产泥浆发电机技术不成熟，产品功率低、寿命短，满足不了井下测量仪器多，测量时间长的要求，缺少一种安全可靠的供电手段为井下仪器供电。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种带有发电功能的动力钻具，利用动力钻具转子带动发电机转子发电，解决锂电池供电耐高温性差,输出电功率较小，操作不当时可能爆炸，以及泥浆发电机国外技术垄断，国产泥浆发电机技术不成熟，产品功率低、寿命短的问题。

本实用新型提到的一种带有发电功能的动力钻具，其技术方案是：包括旁通阀（1）、马达（2）、万向轴（3）、径向轴承（4）、整流电路（5）、发电机（6）、推力轴承（7）、传动轴（8）、输电线路（16），所述马达（2）的一端连接旁通阀（1），另一端连接万向轴（3），万向轴（3）的另一端通过径向轴承（4）、整流电路（5）连接到发电机（6），发电机（6）的另一端依次连接推力轴承（7）和传动轴（8）；

所述旁通阀（1）设置在马达（2）的端部，下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀（1）引入钻杆柱内，减小下钻过程的阻力，平衡钻杆内外液柱压力；起钻时，钻井液由钻杆柱内经旁通阀（1）的侧阀孔流入环空，不致使钻井液溢于井台；钻具工作时，高压钻井液流经旁通阀（1），把压力能转换为机械能；

所述马达（2）由马达壳体（21）、马达转子（22）、定子橡胶（23）组成，马达转子（22）是一根左旋螺杆，定子橡胶（23）是一根内衬橡胶的钢管，定子橡胶（23）的内孔呈螺旋形，马达转子（22）安装在定子橡胶（23）内孔，在具有压力能的液体作用下，迫使马达转子（22）在定子橡胶（23）中作连续运动；

所述万向轴（3）包括万向轴壳体外壳（31）、万向轴壳体衬层（32），将马达的偏心运动变换为传动轴的定轴旋转，同时传递扭矩给传动轴，以达到钻井的目的；

所述发电机（6）由发电机定子（52）、发电机转子（54）、发电机密封外壳（56）组成，作为一个独立单元串接动力钻具中，发电机转子（54）主要由导电的转子绕组、导磁的铁芯组成，与传动轴连接，发电机定子（52）的外壁与发电机密封外壳（56）连接，发电机密封外壳（56）起到隔离泥浆、保护发电机和整流电路的作用，发电机的冷却是靠流动的泥浆来实现的；

所述整流电路（5）是把交流电能转换为直流电能的电路，安装在发电机密封外壳（56）内，分别与发电机与输电线路（16）连接，自发电机的电刷引出的交流电经过整流后进入输电线路（16），输电线路沿动力钻具壳体传输到动力钻具与井下仪器的接头处。

优选的，上述旁通阀（1）由阀体（11）、阀芯（12）、侧阀孔（13）、弹簧（14）、阀套（15）组成，所述阀体（11）的内腔设有阀芯（12），阀芯（12）下侧通过弹簧（14）与阀套（15）配合，在阀芯（12）外侧的阀体（11）上设有侧阀孔（13），高压泥浆可通过侧阀孔（13）进入推开阀芯（12），进入阀体（11）内腔。

优选的，上述发电机（6）可以串接在动力钻具马达到钻头的任何一个位置。

优选的，上述发电机（6）的发电机转子与传动轴的连接方式可以是一个独立单元与传动轴连接起来也可以套在动力钻具传动轴上，发电机转子套在传动轴上的方式可以是螺纹或者花键连接。

优选的，上述发电机（6）的发电机定子与密封外壳的连接方式方式是螺纹或者花键连接；

所述发电机密封外壳与传动轴壳体的连接方式，可以是一个独立单元与传动轴壳体连接起来，也可以镶嵌在传动轴壳体内，镶嵌的方式是螺纹或者花键连接。

优选的，上述发电机（6）的发电机密封外壳的材质可以是钢材、塑料或陶瓷，能够起到隔离泥浆保护发电机和整流电路作用。

优选的，上述发电机（6）的冷却是靠流动的泥浆来实现的，流经传动轴中心的泥浆冷却发电机转子，流经密封外壳与传动轴壳体之间以及环形空间上返的泥浆冷却发电机定子。

优选的，上述输电线路（16）在径向轴承（4）处嵌入径向轴承静圈（41）与传动轴（8）的壳体之间，在万向轴（3）处嵌入万向轴（3）的万向轴壳体外壳（31）与万向轴壳体衬层（32）之间的夹层，在马达（2）处嵌入定子橡胶（23）内，在旁通阀（1）处通过阀体（11）的轴向钻孔嵌入，端部的接头端面（71）采用双圆环结构的电极（72）或者触点（73）连接。

优选的，上述马达可以是螺杆钻具也可以是采用涡轮钻具。

本实用新型的有益效果，具体如下：

第一，通过加入发电机使动力钻具在完成其原有功能的基础上兼具了井下发电机的功能；

第二，通过整流电路、输电线路可以将适用的电力输送到仪器；

第三，动力钻具作为一种成熟的产品具有良好的可靠性，用它带动发电机发电能有效解决井下发电机技术不成熟，产品功率低、寿命短的问题，为井下仪器的工作提供了可靠的保障；

第四，能够有效替代锂电池供电，解决了其耐高温性差，输出电功率较小，操作不当时可能爆炸的问题。

附图说明

附图1是本实用新型的结构示意图；

附图2是旁通阀的结构示意图；

附图3是马达的结构示意图；

附图4是万向轴的结构示意图；

附图5是传动轴的结构示意图；

附图6是发电机的断面结构示意图；

附图7是输电线路的接头端面的双圆环结构电极示意图；

附图8是输电线路的接头端面的触点结构电极示意图；

上图中：旁通阀1、马达2、万向轴3、径向轴承4、整流电路5、发电机6、推力轴承7、传动轴8，

阀体11、阀芯12、阀孔13、弹簧14、阀套15、输电线路16、

马达壳体21、马达转子22、定子橡胶23、万向轴壳体外壳31、万向轴壳体衬层32、径向轴承静圈41、径向轴承动圈42、

传动轴壳体51、发电机定子52、泥浆通道53、发电机转子54、发电机密封外壳56、传动轴中心孔57、接头端面71、电极72、触点73。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，参照附图1，本实用新型提到的一种带有发电功能的动力钻具，包括旁通阀1、马达2、万向轴3、径向轴承4、整流电路5、发电机6、推力轴承7、传动轴8、输电线路16，所述马达2的一端连接旁通阀1，另一端连接万向轴3，万向轴3的另一端通过径向轴承4、整流电路5连接到发电机6，发电机6的另一端依次连接推力轴承7和传动轴8；

所述旁通阀1设置在马达2的端部，下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀1引入钻杆柱内，减小下钻过程的阻力，平衡钻杆内外液柱压力；起钻时，钻井液由钻杆柱内经旁通阀1的侧阀孔流入环空，不致使钻井液溢于井台；钻具工作时，高压钻井液流经旁通阀1，把压力能转换为机械能；

所述马达2由马达壳体21、马达转子22、定子橡胶23组成，马达转子22是一根左旋螺杆，定子橡胶23是一根内衬橡胶的钢管，定子橡胶23的内孔呈螺旋形，马达转子22安装在定子橡胶23内孔，在具有压力能的液体作用下，迫使马达转子22在定子橡胶23中作连续运动；

所述万向轴3包括万向轴壳体外壳31、万向轴壳体衬层32，将马达的偏心运动变换为传动轴的定轴旋转，同时传递扭矩给传动轴，以达到钻井的目的；

所述发电机6由发电机定子52、发电机转子54、发电机密封外壳56组成，作为一个独立单元串接动力钻具中，发电机转子54主要由导电的转子绕组、导磁的铁芯组成，与传动轴连接，发电机定子52的外壁与发电机密封外壳56连接，发电机密封外壳56起到隔离泥浆、保护发电机和整流电路的作用，发电机的冷却是靠流动的泥浆来实现的；

所述整流电路5是把交流电能转换为直流电能的电路，安装在发电机密封外壳56内，分别与发电机与输电线路16连接，自发电机的电刷引出的交流电经过整流后进入输电线路16，输电线路沿动力钻具壳体传输到动力钻具与井下仪器的接头处。

参照附图2，本实用新型提到的旁通阀1由阀体11、阀芯12、侧阀孔13、弹簧14、阀套15组成，所述阀体11的内腔设有阀芯12，阀芯12下侧通过弹簧14与阀套15配合，在阀芯12外侧的阀体11上设有侧阀孔13，高压泥浆可通过侧阀孔13进入推开阀芯12，进入阀体11内腔。

优选的，上述发电机6的发电机密封外壳的材质可以是钢材、塑料或陶瓷，能够起到隔离泥浆保护发电机和整流电路作用。

优选的，上述发电机6的冷却是靠流动的泥浆来实现的，流经传动轴中心的泥浆冷却发电机转子，流经密封外壳与传动轴壳体之间以及环形空间上返的泥浆冷却发电机定子。

参照附图2-4，本实用新型的输电线路16在径向轴承4处嵌入径向轴承静圈41与传动轴8的壳体之间，在万向轴3处嵌入万向轴3的万向轴壳体外壳31与万向轴壳体衬层32之间的夹层，在马达2处嵌入定子橡胶23内，在旁通阀1处通过阀体11的轴向钻孔嵌入，端部的接头端面71采用双圆环结构的电极72，参照附图7。

优选的，上述马达可以是螺杆钻具也可以是采用涡轮钻具。

双层万向轴壳体有外壳和衬层组成，外壳承载强度、保护万向轴、控制造斜定向等功能；外壳体通过上、下螺纹分别和马达定子壳体下端及传动轴壳体上端连接，衬层保护、固定输电线路并使其免受泥浆冲蚀，且与外壳体连接在一起；

所述推力轴承由座圈、轴圈、钢球组成，用以承受工作状态时的钻压，马达、钻头水眼压降产生的轴向力及转子、万向轴、传动轴重量等各轴向力的合力。

所述传动轴包括水帽、传动轴、传动轴壳体、径向轴承、发电机、推力轴承组，它的作用是将马达的旋转扭矩传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷；

所述径向轴承分为上、下两组，主要作用是承受转子作行星运动引起的弯曲载荷和钻头转动时产生的侧向力，上径向轴承对钻井液起限流作用，它允许马达流出适量的钻井液通过轴承组件，起着冷却和润滑轴承的作用。

本实用新型的使用过程如下：

在钻井过程中，来自于地面泥浆泵的高压泥浆通过钻柱输送到动力钻具的旁通阀1，旁通阀1在泥浆压力作用下阀芯12下移，关闭侧阀孔13，此时泥浆进入马达2，当具有一定能量的压力液进入马达转子22、定子橡胶23形成的密封腔时，马达转子22在压力泥浆的驱动下，绕定子橡胶23轴线旋转，完成液体压力能向机械能的转化，万向轴33将做行星运动的马达转子22和做定轴转动的传动轴8连接起来，把马达转子22的平面行星运动转化为传动轴8的定轴转动，同时把马达2的输出扭矩及转速通过传动轴8传递到钻头；与此同时，由于发电机转子54中空六方套在传动轴8上，发电机定子52外圆六方与传动轴壳体51连接，所以在发电机转子54转动的过程中发电机定子52并不转动，发电机转子54绕组切割发电机定子52磁铁磁力线产生电流，这个电流经电刷传送至整流电路5整流成直流电经输电线路16输送到接头端面，接头端面的电极72与测量仪器接头端面的电极接触，将发电机输出的电力输送到测量仪器。

实施例2，参照附图1，本实用新型提到的一种带有发电功能的动力钻具，包括旁通阀1、马达2、万向轴3、径向轴承4、整流电路5、发电机6、推力轴承7、传动轴8、输电线路16，所述马达2的一端连接旁通阀1，另一端连接万向轴3，万向轴3的另一端通过径向轴承4、整流电路5连接到发电机6，发电机6的另一端依次连接推力轴承7和传动轴8；

所述旁通阀1设置在马达2的端部，下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀1引入钻杆柱内，减小下钻过程的阻力，平衡钻杆内外液柱压力；起钻时，钻井液由钻杆柱内经旁通阀1的侧阀孔流入环空，不致使钻井液溢于井台；钻具工作时，高压钻井液流经旁通阀1，把压力能转换为机械能；

所述马达2由马达壳体21、马达转子22、定子橡胶23组成，马达转子22是一根左旋螺杆，定子橡胶23是一根内衬橡胶的钢管，定子橡胶23的内孔呈螺旋形，马达转子22安装在定子橡胶23内孔，在具有压力能的液体作用下，迫使马达转子22在定子橡胶23中作连续运动；

所述万向轴3包括万向轴壳体外壳31、万向轴壳体衬层32，将马达的偏心运动变换为传动轴的定轴旋转，同时传递扭矩给传动轴，以达到钻井的目的；

所述发电机6由发电机定子52、发电机转子54、发电机密封外壳56组成，作为一个独立单元串接动力钻具中，发电机转子54主要由导电的转子绕组、导磁的铁芯组成，与传动轴连接，发电机定子52的外壁与发电机密封外壳56连接，发电机密封外壳56起到隔离泥浆、保护发电机和整流电路的作用，发电机的冷却是靠流动的泥浆来实现的；

所述整流电路5是把交流电能转换为直流电能的电路，安装在发电机密封外壳56内，分别与发电机与输电线路16连接，自发电机的电刷引出的交流电经过整流后进入输电线路16，输电线路沿动力钻具壳体传输到动力钻具与井下仪器的接头处。

与实施例1，不同之处是：参照附图8，本实用新型的输电线路16在径向轴承4处嵌入径向轴承静圈41与传动轴8的壳体之间，在万向轴3处嵌入万向轴3的万向轴壳体外壳31与万向轴壳体衬层32之间的夹层，在马达2处嵌入定子橡胶23内，在旁通阀1处通过阀体11的轴向钻孔嵌入，端部的接头端面71采用触点73结构，参照附图8。

本实用新型的使用过程如下：

在钻井过程中，来自于地面泥浆泵的高压泥浆通过钻柱输送到动力钻具的旁通阀1，旁通阀1在泥浆压力作用下阀芯12下移，关闭侧阀孔13，此时泥浆进入马达2，当具有一定能量的压力液进入马达转子22、定子橡胶23形成的密封腔时，马达转子22在压力泥浆的驱动下，绕定子橡胶23轴线旋转，完成液体压力能向机械能的转化，万向轴33将做行星运动的马达转子22和做定轴转动的传动轴8连接起来，把马达转子22的平面行星运动转化为传动轴8的定轴转动，同时把马达2的输出扭矩及转速通过传动轴8传递到钻头；与此同时，由于发电机转子54中空六方套在传动轴8上，发电机定子52外圆六方与传动轴壳体51连接，所以在发电机转子54转动的过程中发电机定子52并不转动，发电机转子54绕组切割发电机定子52磁铁磁力线产生电流，这个电流经电刷传送至整流电路5整流成直流电经输电线路16输送到接头端面，接头端面的电极72与测量仪器接头端面的触点73接触，将发电机输出的电力输送到测量仪器。

实施例3，本实用新型提到的一种带有发电功能的动力钻具，与实施例1不同之处是：

参照附图6，本实用新型提到的发电机6可以串接在动力钻具马达到钻头的任何一个位置，并且发电机6的发电机转子与传动轴的连接方式可以是一个独立单元与传动轴连接起来也可以套在动力钻具传动轴上，发电机转子套在传动轴上的方式可以是螺纹、花键、多边形中的任意一种或几种方式的组合。

另外，上述发电机6的发电机定子与密封外壳的连接方式方式可以是螺纹、花键、多边形中的任意一种或几种方式的组合；

所述发电机密封外壳与传动轴壳体的连接方式，可以是一个独立单元与传动轴壳体连接起来，也可以镶嵌在传动轴壳体内，镶嵌的方式可以是螺纹、花键、多边形中的任意一种或几种方式的组合。

以上所述，仅是本实用新型的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本实用新型的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种带有发电功能的动力钻具，其特征是：包括旁通阀（1）、马达（2）、万向轴（3）、径向轴承（4）、整流电路（5）、发电机（6）、推力轴承（7）、传动轴（8）、输电线路（16），所述马达（2）的一端连接旁通阀（1），另一端连接万向轴（3），万向轴（3）的另一端通过径向轴承（4）、整流电路（5）连接到发电机（6），发电机（6）的另一端依次连接推力轴承（7）和传动轴（8）；

所述旁通阀（1）设置在马达（2）的端部，下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀（1）引入钻杆柱内，减小下钻过程的阻力，平衡钻杆内外液柱压力；起钻时，钻井液由钻杆柱内经旁通阀（1）的侧阀孔流入环空，不致使钻井液溢于井台；钻具工作时，高压钻井液流经旁通阀（1），把压力能转换为机械能；

所述马达（2）由马达壳体（21）、马达转子（22）、定子橡胶（23）组成，马达转子（22）是一根左旋螺杆，定子橡胶（23）是一根内衬橡胶的钢管，定子橡胶（23）的内孔呈螺旋形，马达转子（22）安装在定子橡胶（23）内孔，在具有压力能的液体作用下，迫使马达转子（22）在定子橡胶（23）中作连续运动；

所述万向轴（3）包括万向轴壳体外壳（31）、万向轴壳体衬层（32），将马达的偏心运动变换为传动轴的定轴旋转，同时传递扭矩给传动轴，以达到钻井的目的；

所述发电机（6）由发电机定子（52）、发电机转子（54）、发电机密封外壳（56）组成，作为一个独立单元串接动力钻具中，发电机转子（54）主要由导电的转子绕组、导磁的铁芯组成，与传动轴连接，发电机定子（52）的外壁与发电机密封外壳（56）连接，发电机密封外壳（56）起到隔离泥浆、保护发电机和整流电路的作用，发电机的冷却是靠流动的泥浆来实现的；

所述整流电路（5）是把交流电能转换为直流电能的电路，安装在发电机密封外壳（56）内，分别与发电机与输电线路（16）连接，自发电机的电刷引出的交流电经过整流后进入输电线路（16），输电线路沿动力钻具壳体传输到动力钻具与井下仪器的接头处。

2.根据权利要求1所述的一种带有发电功能的动力钻具，其特征是：所述旁通阀（1）由阀体（11）、阀芯（12）、侧阀孔（13）、弹簧（14）、阀套（15）组成，所述阀体（11）的内腔设有阀芯（12），阀芯（12）下侧通过弹簧（14）与阀套（15）配合，在阀芯（12）外侧的阀体（11）上设有侧阀孔（13），高压泥浆可通过侧阀孔（13）进入推开阀芯（12），进入阀体（11）内腔。

3.根据权利要求1所述的一种带有发电功能的动力钻具，其特征是：所述发电机（6）可以串接在动力钻具马达到钻头的任何一个位置。

4.根据权利要求1所述的一种带有发电功能的动力钻具，其特征是：所述发电机（6）的发电机转子与传动轴的连接方式是一个独立单元与传动轴连接起来或者是套在动力钻具传动轴上，发电机转子套在传动轴上的方式是螺纹或花键连接。

5.根据权利要求1所述的一种带有发电功能的动力钻具，其特征是：所述发电机（6）的发电机定子与密封外壳的连接方式是螺纹或花键连接；

所述发电机密封外壳与传动轴壳体的连接方式，是一个独立单元与传动轴壳体连接起来，或者是镶嵌在传动轴壳体内，镶嵌的方式是螺纹或花键连接。

6.根据权利要求1所述的一种带有发电功能的动力钻具，其特征是：所述发电机（6）的发电机密封外壳的材质是钢材、塑料或陶瓷，能够起到隔离泥浆保护发电机和整流电路作用。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的一种带有发电功能的动力钻具，其特征是：所述发电机（6）的冷却是靠流动的泥浆来实现的，流经传动轴中心的泥浆冷却发电机转子，流经密封外壳与传动轴壳体之间以及环形空间上返的泥浆冷却发电机定子。

8.根据权利要求1所述的一种带有发电功能的动力钻具，其特征是：所述输电线路（16）在径向轴承（4）处嵌入径向轴承静圈（41）与传动轴（8）的壳体之间，在万向轴（3）处嵌入万向轴（3）的万向轴壳体外壳（31）与万向轴壳体衬层（32）之间的夹层，在马达（2）处嵌入定子橡胶（23）内，在旁通阀（1）处通过阀体（11）的轴向钻孔嵌入，端部的接头端面（71）采用双圆环结构的电极（72）或者触点（73）连接。

9.根据权利要求1所述的一种带有发电功能的动力钻具，其特征是：所述马达是螺杆钻具或者是采用涡轮钻具。

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