CN216690958U - 一种用于井下钻具的电动陀螺减振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于井下钻具的电动陀螺减振器，包括：构造为密封筒状的壳体；动力总成，所述动力总成能够将液体动能转换为第一机械能；布置在所述壳体内的发电总成，所述发电总成能够将所述动力总成产生的第一机械能转化为电能；设置在所述发电总成的下端的电力总成；以及连接在所述电力总成的下端的陀螺总成，所述陀螺总成与所述壳体的内壁形成转动连接；其中，所述电力总成能够将发电总成产生的电能转化为第二机械能，并通过所述第二机械能驱动所述陀螺总成旋转，使得所述陀螺总成能够稳定井下钻具，所述第二机械能产生的转速大于产生所述第一机械能的转速。

Description

一种用于井下钻具的电动陀螺减振器

技术领域

本实用新型属于油气钻井技术领域，具体地，涉及一种用于井下钻具的电动陀螺减振器。

背景技术

在油气钻井作业过程中，受井下环境的影响，钻头在井底工作不平稳会使钻柱产生明显纵向振动，即跳钻现象。跳钻引起钻具共震，这对钻头、钻杆及地面设备都产生相当大的破坏作用，对井壁的稳定也产生巨大的影响，是一重大的安全隐患。因此，现有技术中在钻井施工时通常会使用稳定器来减振，稳定器是用于稳定井下钻具以起到防斜作用的工具。在深井钻井尤其是硬地层中，由于稳定器靠近钻头，经常会受到钻柱纵向振动以及钻头振动的影响，如果不能有效地减少和吸收振动，极易造成钻头或其他井下工具失效，对钻井的稳定性、定向的准确性和钻井的安全性都产生了严重威胁。

中国专利文献CN201810237340.4公开了一种钻井用双摆提速钻具，该钻井用双摆提速钻具针对目前的钻井提速工具对于高抗压强度和高塑性的地层提速效果不明显等问题，其利用陀螺的稳定性原理减少钻头的横向和径向摆动，但是该钻井用双摆提速钻具的密封性差，陀螺容易受钻井液影响，导致钻井工具的减振性能降低。

现有的井下减振钻具密封效果不佳，且由于机械传动的限制，对主要稳定部件陀螺的转速提高有限，导致其减振性能差。此外，对于不同型号工具需要反复设计，其适用范围有限，使用寿命短、制造成本高、结构复杂。

实用新型内容

针对如上所述的技术问题，本实用新型旨在提出一种用于井下钻具的电动陀螺减振器，该电动陀螺减振器能够避免主要零部件与钻井液接触，提高了密封性能，并且避免了传动结构之间的磨损，大大延长了钻具的使用寿命。该电动陀螺减振器能够在涡轮转速一定的情况下为陀螺提供更高的转速，且适用范围广，非常有利于提高钻井作业效率。

为此，根据本实用新型提供了一种用于井下钻具的电动陀螺减振器，包括：

构造为密封筒状的壳体；

动力总成，所述动力总成能够将液体动能转换为第一机械能；

布置在所述壳体内的发电总成，所述发电总成能够将所述动力总成产生的第一机械能转化为电能；

设置在所述发电总成的下端的电力总成；以及

连接在所述电力总成的下端的陀螺总成，所述陀螺总成与所述壳体的内壁形成转动连接；

其中，所述电力总成能够将发电总成产生的电能转化为第二机械能，并通过所述第二机械能驱动所述陀螺总成旋转，使得所述陀螺总成能够稳定井下钻具，所述第二机械能产生的转速大于产生所述第一机械能的转速。

在一个实施例中，所述壳体构造成阶梯管状，其包括第一圆筒和固定连接在第一圆筒的下端的第二圆筒，在所述第一圆筒的上端设有沿轴向延伸的圆柱形安装部，所述第一圆筒的直径小于所述第二圆筒的直径。

在一个实施例中，所述动力总成包括：

安装在所述圆柱形安装部上的导流帽；

转动连接在所述第一圆筒上的涡轮；以及

永磁耦合机构，所述永磁耦合机构包括固定在所述涡轮的内壁上的外转子和设置在所述第一圆筒内的内转子；

其中，所述导流帽能够将钻井液导流至所述涡轮，所述涡轮在钻井液作用下带动所述外转子转动，使得所述内转子在电磁耦合作用下转动，从而将液体动能转换为所述第一机械能。

在一个实施例中，所述内转子包括转子主轴和多个形成于所述转子主轴的外壁面上的内永磁体，所述转子主轴与所述壳体的内壁形成转动连接，多个所述永磁体沿轴向延伸设置，且在周向上均匀间隔开分布。

在一个实施例中，所述外转子包括多个构造为条形的外永磁体，在所述涡轮的内壁上设有多个沿轴向延伸的安装槽，多个所述安装槽在周向上均匀间隔开分布，多个所述外永磁体对应安装在所述安装槽内。

在一个实施例中，所述发电总成包括固定在所述壳体内的第一支架和安装在所述第一支架上的发电机，所述发电机的动力输入端通过第一联轴器与所述转子主轴固定连接，

所述转子主轴能够为所述发电机提供旋转动力，从而将所述第一机械能转化为电能。

在一个实施例中，所述电力总成包括固定在所述壳体内的第二支架、安装在所述第二支架上的整流稳定器和电力马达。

在一个实施例中，所述第二支架构造成包括上腔体和下腔体的圆筒状，所述整流稳定器安装在所述上腔体内，所述电力马达安装在所述下腔体内，且所述电力马达的输出端向下伸出。

在一个实施例中，所述陀螺总成包括构造成圆柱体形的陀螺，所述陀螺的上端通过第二联轴器与所述电力马达的输出端固定连接。

在一个实施例中，在所述壳体的下端固定安装有陀螺底座，在所述陀螺底座与所述壳体之间设有密封件，从而在所述壳体内形成密封空间，所述陀螺的下端与所述陀螺底座形成转动连接。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

根据本实用新型的用于井下钻具的电动陀螺减振器通过涡轮与永磁耦合机构利用电磁耦合原理实现机械能与电能的转化，并通过发电总成和电力总成实现机械能与电能相互转化与传递，避免了齿轮或轴类传动机构的直接物理接触，减少零部件之间的磨损，并且对应地降低了功率传递部件的更换率，非常有利于提高传动效率和延长使用寿命。该电动陀螺减振器通过将涡轮以外的主要部件布置在壳体内的密闭空间内，这不仅解决了井下钻具在泥浆中工作时的密封问题，而且对不同型号的钻具均具有适用性。该电动陀螺减振器能够在涡轮转速一定的情况下为陀螺提供更高的转速，且适用范围广，非常有利于提高钻井作业效率。

附图说明

下面将参照附图对本实用新型进行说明。

图1显示了根据本实用新型的井下钻具的电动陀螺减振器的结构。

在图中各附图标记为：

100-电动陀螺减振器；

1-壳体；

11-第一圆筒；

12-第二圆筒；

13-圆柱形安装部；

2-动力总成；

21-导流帽；

22-涡轮；

23-外转子；

24-内转子；

241-转子主轴；

242-永磁体；

3-发电总成；

31-第一支架；

32-发电机；

33-第一联轴器；

4-电力总成；

41-第二支架；

411-上腔体；

412-下腔体；

42-整流稳定器；

43-电力马达；

5-陀螺总成；

51-陀螺；

52-第二联轴器；

6-陀螺底座。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本实用新型的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本实用新型进行介绍。

在本申请中，需要说明的是，将用于井下钻具的电动陀螺减振器100下放到井筒中靠近井口的一端定义为上端或相似用语，将远离井口的一端定义为下端或相似用语。

图1显示了根据本实用新型的井下钻具的电动陀螺减振器100的结构。在实际应用中，电动陀螺减振器100连接到井下钻具(未示出)中。如图1所示，电动陀螺减振器100包括从上到下依次连接的动力总成1、发电总成2、电力总成3 和陀螺总成4。动力总成1能够将液体动能转换为第一机械能，发电总成2能够将动力总成1产生的第一机械能转化为电能，电力总成3能够将发电总成2产生的电能转化为第二机械能，并通过第二机械能驱动陀螺总成4旋转，使得陀螺总成4能够稳定井下钻具。第二机械能产生的转速大于产生第一机械能的转速，从而使发电总成2能够为陀螺总成4提供更高的转速。

根据本实用新型，壳体1构造成密封筒状。如图1所示，壳体1构造成阶梯管状，壳体1包括第一圆筒11、固定连接在第一圆筒11的下端的第二圆筒12，并且在第一圆筒11的上端设有沿轴向延伸的圆柱形安装部13。第一圆筒11的直径小于第二圆筒12的直径而小于圆柱形安装部13的直径。第一圆筒11和第二圆筒12连通，且在第一圆筒11和第二圆筒12的内部形成密闭空间。圆柱形安装部13的功能将在下文介绍。

根据本实用新型，动力总成2包括安装在壳体1的上端的导流帽21、安装在第一圆筒11上的涡轮22和永磁耦合机构。动力总成1用于将液体动能转换为第一机械能。

如图1所示，导流帽21安装在圆柱形安装部13上。在一个实施例中，导流帽21通过螺纹与圆柱形安装部13形成固定连接。导流帽21构造成圆锥面，用于对钻井液起导流作用。

根据本实用新型，涡轮22套装在壳体1的第一圆筒11上。涡轮22包括主体圆筒和多个形成于主体圆筒外的涡轮叶片。涡轮22通过主体圆筒套装在第一圆筒11的外壁上，且在主体圆筒的内壁与第一圆筒11的外壁之间设有两个间隔开分布的轴承，两个轴承分别处于靠近主体圆筒的两端位置处。由此，涡轮22 通过两个轴承与第一圆筒11形成转动连接，并且在涡轮22与壳体1的第一圆筒 11之间形成有间隙。导流帽21安装在圆柱形安装部13且向下延伸，使得导流帽 21的下端面对靠近主体圆筒的上端位置的轴承进行压紧。

根据本实用新型，永磁耦合机构包括固定在涡轮22的内壁上的外转子23和设置在第一圆筒11的内部的内转子24。

在本实施例中，外转子23包括多个构造为条形的外永磁体，在涡轮22的主体圆筒的内壁上设有多个沿轴向延伸的安装槽，多个安装槽在周向上均匀间隔开分布，多个外永磁体对应安装在各个安装槽内。

在本实施例中，内转子24包括转子主轴241和多个形成于转子主轴24的外壁面上的内永磁体242。转子主轴241与壳体1的内壁形成转动连接。在一个实施例中，在转子主轴241与壳体1之间设有一个轴承，从而使转子主轴241与壳体1的内壁形成转动连接。多个内永磁体242沿轴向延伸设置，且在周向上均匀间隔开分布。由此，永磁耦合机构的外转子23和内转子24之间由壳体1和气隙分开，实现了将涡轮22以外的主要部件密封在壳体1的内部。涡轮22与永磁耦合机构共同作用，可以在不接触的前提下，将液体的动能稳定的转换为机械能并传递至转子主轴241。

动力总成2在作业过程中，钻井液进入井下钻井工具后，在导流帽21的导流作用下，高压钻井液流经涡轮22，从而带动涡轮22高速转动，由此将液体动能转化为第一机械能(涡轮机械能)。涡轮22在转动过程中，带动外转子23同步转动。永磁耦合机构利用电磁耦合原理，使得涡轮22内部的外永磁转子驱动固定在转子主轴241上的内永磁转子242产生旋转，从而将涡轮22产生的第一机械能传递至转子主轴241，使得转子主轴241产生一定的旋转速率。

根据本实用新型，发电总成3包括固定在壳体1的内部的第一支架31和安装在第一支架上的发电机32。动力总成2产生的动力通过发电总成3向下传递，并实现机械能到电能的转化。

如图1所示，第一支架31构造成圆筒状，包括第一圆筒本体和固定在第一圆筒本体的下端的安装底板。第一支架31与壳体1的第一圆筒11的内壁固定连接。例如，第一支架31与壳体1的第一圆筒11的内壁可以通过焊接方式形成固定安装。

在本实施例中，发电机32固定安装在安装底板上。例如，可以在安装底板上设有矩形槽，发电机32的底座嵌固于矩形槽内，并通过螺栓与安装底板固定连接。发电机32的动力输入端朝上。发电机32的动力输入端通过第一联轴器33 与动力总成2中的转子主轴241固定连接。由此，动力总成2通过转子主轴241 能够将产生的第一机械能传递给发电总成3，以为发电机32提供旋转动力，从而将第一机械能转化为电能。

根据本实用新型，电力总成4包括固定在壳体1内的第二支架41、安装在第二支架上的整流稳定器42和电力马达43。第二支架41布置在第一支架31的下端。发电总成3产生的电能通过电力总成4重新转化为第二机械能(转动机械能)。第二机械能产生的转速大于产生第一机械能的转速，从而在动力不足的情况下为陀螺提供更高转速。

如图1所示，第二支架41也构造成圆筒状，包括第二圆筒本体和固定在第二圆筒本体的内壁上的上安装板、下安装板。上安装板、下安装板在轴向上彼此间隔开分布，从而在第二圆筒本体内分隔出上腔体411和下腔体412。

在本实施例中，整流稳定器42布置在上腔体411内。在一个实施例中，在上安装板上设有矩形槽。整流稳定器42的底座嵌固于矩形槽内，并通过螺栓与上安装板固定连接。发电总成3产生电流经过整流稳压器42后进入电动马达43，电动马达43将电能重新转化为机械能(第二机械能)。

而电力马达43布置在下腔体412内。在一个实施例中，下安装板为周向间隔开布置有多个螺栓孔的圆环，电力马达43通过螺栓与下安装板固定连接。电力马达43的输出端穿过下安装板向下延伸。通过电力总成4，发电总成3产生的电能重新转化为转动机械能。

根据本实用新型，陀螺总成5包括构造成圆柱体形的陀螺51，陀螺51的上端通过第二联轴器52与电力马达43的输出端固定连接。

如图1所示，在壳体1的第二圆筒12的下端固定安装有陀螺底座6。在陀螺底座6与壳体1的第二圆筒12之间设有密封件(未示出)，从而在壳体1内形成了密闭空间。永磁耦合机构、发电总成2、电力总成3和陀螺总成4均布置在密闭空间内，而涡轮22处于密闭空间外，这显著增强了电动陀螺减振器100的密封性能，有效避免永磁耦合机构、发电总成2、电力总成3和陀螺总成4与钻井液接触，非常有利于延长电动陀螺减振器100的使用寿命。

在本实施例中，陀螺51的下端与陀螺底座6形成转动连接。陀螺底座6与密封件共同实现对壳体1的封闭与对电动陀螺的支撑。

如图1所示，陀螺51的两端构造成阶梯形台阶结构，从而在陀螺51的两端分别形成了上安装柱体和下安装柱体，上安装柱体和下安装柱体的直径均小于陀螺51的外径。陀螺51的上端通过在上安装柱体上安装轴承，从而与壳体1的第二圆筒12的内壁形成转动连接。陀螺51的下端通过在下安装柱体上安装轴承，从而与陀螺底座6形成转动连接。

下面简述根据本实用新型的用于井下钻具的电动陀螺减振器100工作原理。电动陀螺减振器100安装到井下钻具中，具体安装到钻具管串中，并在管串与电动陀螺减振器100的径向之间形成环空通道，用于过流钻井液。在工作过程中，钻井液进入井下钻井工具后，在导流帽21的导流作用下流经涡轮22后进入环空通道，从而形成钻井液循环，在这一过程中，高压钻井液流经涡轮22并带动涡轮22高速转动，此时，通过涡轮22将液体动能转化为涡轮机械能。涡轮22在转动过程中，带动外转子23同步转动，永磁耦合机构利用电磁耦合原理，使得外永磁转子驱动固定在转子主轴241上的内永磁转子242产生旋转，从而将涡轮 22产生的机械能(第一机械能)传递至转子主轴241，使得转子主轴241产生一定的旋转速率。在转子主轴241的带动下，发电总成3中的发电机32产生电流，从而将机械能转化为电能。发电机32产生的电流经过电力总成4中的整流稳压器42后进入电动马达43，电动马达43将电能重新转化为机械能(第二机械能)，并经过第二联轴器52转矩传递至陀螺总成5中的陀螺51，进而使陀螺51在电动马达43的带动下产生旋转，高速旋转的陀螺51能够稳定井下钻井工具，增强井下钻井工具的稳定性。

根据本实用新型的用于井下钻具的电动陀螺减振器100通过涡轮22与永磁耦合机构利用电磁耦合原理实现机械能与电能的转化，并通过发电总成3和电力总成4实现机械能与电能相互转化与传递，避免了齿轮或轴类传动机构的直接物理接触，减少零部件之间的磨损，并且对应地降低了功率传递部件的更换率，非常有利于提高传动效率和延长使用寿命。该电动陀螺减振器100通过将涡轮22 以外的主要部件布置在壳体1内的密闭空间内，这不仅解决了井下钻具在泥浆中工作时的密封问题，而且对不同型号的钻具均具有适用性。该电动陀螺减振器100 能够在涡轮转速一定的情况下为陀螺51提供更高的转速，且适用范围广，非常有利于提高钻井作业效率。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施方案而已，并不构成对本实用新型的任何限制。尽管参照前述实施方案对本实用新型进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于井下钻具的电动陀螺减振器，其特征在于，包括：

构造为密封筒状的壳体(1)；

动力总成(2)，所述动力总成能够将液体动能转换为第一机械能；

布置在所述壳体内的发电总成(3)，所述发电总成能够将所述动力总成产生的第一机械能转化为电能；

设置在所述发电总成的下端的电力总成(4)；以及

连接在所述电力总成的下端的陀螺总成(5)，所述陀螺总成与所述壳体的内壁形成转动连接；

其中，所述电力总成能够将发电总成产生的电能转化为第二机械能，并通过所述第二机械能驱动所述陀螺总成旋转，使得所述陀螺总成能够稳定井下钻具，所述第二机械能产生的转速大于产生所述第一机械能的转速。

2.根据权利要求1所述的电动陀螺减振器，其特征在于，所述壳体构造成阶梯管状，其包括第一圆筒(11)和固定连接在第一圆筒的下端的第二圆筒(12)，在所述第一圆筒的上端设有沿轴向延伸的圆柱形安装部(13)，所述第一圆筒的直径小于所述第二圆筒的直径。

3.根据权利要求2所述的电动陀螺减振器，其特征在于，所述动力总成包括：

安装在所述圆柱形安装部上的导流帽(21)；

转动连接在所述第一圆筒上的涡轮(22)；以及

永磁耦合机构，所述永磁耦合机构包括固定在所述涡轮的内壁上的外转子(23)和设置在所述第一圆筒内的内转子(24)；

其中，所述导流帽能够将钻井液导流至所述涡轮，所述涡轮在钻井液作用下带动所述外转子转动，使得所述内转子在电磁耦合作用下转动，从而将液体动能转换为所述第一机械能。

4.根据权利要求3所述的电动陀螺减振器，其特征在于，所述内转子包括转子主轴(241)和多个形成于所述转子主轴的外壁面上的内永磁体(242)，所述转子主轴与所述壳体的内壁形成转动连接，多个所述永磁体沿轴向延伸设置，且在周向上均匀间隔开分布。

5.根据权利要求3所述的电动陀螺减振器，其特征在于，所述外转子包括多个构造为条形的外永磁体，在所述涡轮的内壁上设有多个沿轴向延伸的安装槽，多个所述安装槽在周向上均匀间隔开分布，多个所述外永磁体对应安装在所述安装槽内。

6.根据权利要求4所述的电动陀螺减振器，其特征在于，所述发电总成包括固定在所述壳体内的第一支架(31)和安装在所述第一支架上的发电机(32)，所述发电机的动力输入端通过第一联轴器(33)与所述转子主轴固定连接，

所述转子主轴能够为所述发电机提供旋转动力，从而将所述第一机械能转化为电能。

7.根据权利要求3所述的电动陀螺减振器，其特征在于，所述电力总成包括固定在所述壳体内的第二支架(41)、安装在所述第二支架上的整流稳定器(42)和电力马达(43)。

8.根据权利要求7所述的电动陀螺减振器，其特征在于，所述第二支架构造成包括上腔体(411)和下腔体(412)的圆筒状，所述整流稳定器安装在所述上腔体内，所述电力马达安装在所述下腔体内，且所述电力马达的输出端向下伸出。

9.根据权利要求8所述的电动陀螺减振器，其特征在于，所述陀螺总成包括构造成圆柱体形的陀螺(51)，所述陀螺的上端通过第二联轴器(52)与所述电力马达的输出端固定连接。

10.根据权利要求9所述的电动陀螺减振器，其特征在于，在所述壳体的下端固定安装有陀螺底座(6)，在所述陀螺底座与所述壳体之间设有密封件，从而在所述壳体内形成密封空间，所述陀螺的下端与所述陀螺底座形成转动连接。

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