CN217269975U - 一种新型钻具马达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型钻具马达，包括套筒和转轴，所述转轴呈螺旋状、同轴套设在套筒的内部、并与套筒可转动连接，所述套筒的内部设有定子组件；所述定子组件包括外壳和弹性体；通过转轴和定子组件形成容积式马达结构，以利用驱动介质的压力来产生动力，一般来说，高压可以产生很大的扭矩，且更容易控制转速，因此使涡轮钻具结构更加简单可靠，使用寿命更长，可以承受极其恶劣的钻井条件，降低其故障率，进而提供传统涡轮钻具无法达到的性能，提升其扭矩和功率水平，降低了恶劣环境中的每米钻进成本。

Description

一种新型钻具马达

技术领域

本实用新型涉及井下钻具技术领域，具体为一种新型钻具马达。

背景技术

传统钻井设备由井上的马达作为输出动力，通过单杆连接将动力传输至井底的钻头，这种动力输出方式在钻头达到一定深度时，由井上传输过来的扭矩、转速和功率经由每一节单杆的损耗开始变小；随着钻井深度的增加，对动力输出和动力传输的单杆的负荷也开始变大，设备的故障率也开始上升，这些因素积累起来带来的效果就是提高了每米的钻井成本，最终限制了钻井可钻探的深度。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种新型钻具马达，用于解决上述背景技术中提出的问题。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种新型钻具马达，包括套筒和转轴，所述转轴呈螺旋状、同轴套设在套筒的内部、并与套筒可转动连接，所述套筒的内部设有定子组件；所述定子组件包括外壳和弹性体，所述外壳呈中空管状、且沿套筒的轴向方向贴合设置在套筒的内壁，所述弹性体贴合设置在外壳的内壁、且其内表面与转轴的外表面共轭啮合并形成呈连续摆线螺旋曲面的螺旋空腔，所述转轴与弹性体的头数比为5/6，所述套筒与定子组件的重合区域还设有多个用于紧固定子组件的紧固件。

需要说明的是，传统钻井设备由井上的马达作为输出动力，通过单杆连接将动力传输至井底的钻头，这种动力输出方式在钻头达到一定深度时，由井上传输过来的扭矩、转速和功率经由每一节单杆的损耗开始变小；随着钻井深度的增加，对动力输出和动力传输的单杆的负荷也开始变大，设备的故障率也开始上升，这些因素积累起来带来的效果就是提高了每米的钻井成本，最终限制了钻井可钻探的深度，因此本方案通过一根强度极高且呈螺旋状的转轴作为转子，而定子组件作为定子并与转轴共轭啮合形成呈连续摆线螺旋曲面的螺旋空腔，因此通过转轴和定子组件形成容积式马达结构，以利用驱动介质的压力来产生动力，一般来说，高压可以产生很大的扭矩，且更容易控制转速，因此使涡轮钻具结构更加简单可靠，使用寿命更长，可以承受极其恶劣的钻井条件，降低其故障率，进而提供传统涡轮钻具无法达到的性能，提升其扭矩和功率水平，降低了恶劣环境中的每米钻进成本，进一步来说，由于不同数量的转轴和弹性体的头数比会带来完全不同的马达参数效果，本方案特选用5/6配比的转轴/弹性体头数比，使其转速和扭矩性能更加均衡，能满足额定钻头，能大大提升钻头的使用效果，进一步来说，目前传统的井下钻具用动力马达，其弹性体大多采用橡胶制成的，并且直接粘接固定在套筒的内壁，而这种方式在使用时，由于转轴与弹性体之间往往会发生挤压，因此在长时间工作后，容易导致弹性体在受到应力挤压后，易从套筒内壁上发生脱落，因此大大影响电机的使用寿命，基于此本方案，本方案巧妙地设有定子组件，而定子组件包括外壳和弹性体，由于弹性体通过外壳设置在套筒的内壁，并通紧固件连接，因此可大大提升弹性体与套筒之间的连接强度，以此避免弹性体受到应力挤压后，与套筒内壁之间发生脱落现象，从而避免动力马达漏失失效，以此提升马达的使用寿命。

优选地，紧固件包括等距开设在套筒外表面的沉孔，开设在外壳外表面、与沉孔一一对应的安装螺孔，以及对应设置在沉孔内、底端延伸至安装螺孔内并与其螺纹连接的安装螺栓。

具体实施时，使用者将定子组件插设在套筒内后，可使外壳与套筒的内壁进行贴合，并将外壳上的安装螺孔与套筒上的沉孔一一对应，而后使用者可将安装螺栓置入沉孔内并进行转动，以使安装螺栓转动后逐渐旋入安装螺孔中并与其旋紧，从而通过安装螺栓与安装螺孔的配合将外壳紧固安装在套筒内，以实现对定子组件进行固定安装，从而避免弹性体收到应力挤压后与套筒发生脱落。

进一步地，所述螺旋空腔的内壁沿其螺旋曲面方向开设有多条引导缝。

需要说明的是，通过在螺旋空腔的内壁沿其螺旋曲面方向开设有多条引导缝，可以使驱动介质（钻井液）在螺旋空腔内进行流动时，对驱动介质的流向进行引导，使其在螺旋空腔内流动时更加顺畅快速，以便于驱动介质推动转轴进行旋转，同时驱动介质在螺旋空腔内的流动速度更快时，能有效避免其流速过慢而造成驱动介质内的颗粒物质沉降堵塞螺旋空腔而造成转轴与弹性体磨损加速，从而降低弹性体的磨损，延长其工作寿命。

进一步地，还包括设于套筒端部的旁通阀，所述旁通阀包括内部设有阀腔、底端与套筒螺纹连接、顶端开设有与阀腔相连通的注入口、且四周开设有旁通孔的阀体，同轴设于阀腔底部、内部与开设在阀体底部中间的通孔相连通的阀座,底端滑动套接在阀座上、内部中间开设有呈喇叭状的流道、顶端与阀腔上部的台阶部相抵触、且四周对应旁通孔位置处均开设有流通孔的阀芯，以及位于阀座与阀芯之间、用于对阀芯进行弹性支撑的弹簧。

需要说明的是，初始状态时，弹簧处于自由状态并对阀芯进行弹性支撑，使阀芯上的流通孔与旁通孔相连通，而在工作时，驱动介质通过注入口进入至阀腔内时，当驱动介质的流量和压力达到预设值时，其可推动阀芯对弹簧进行压缩，以使阀芯在阀座外表面下滑，从而使流通孔与旁通孔错位，以关闭旁通孔，此时驱动介质可通过阀芯与阀座流入至马达本体内，以驱动马达本体旋转，而当驱动介质的流量和压力未达到预设值时，驱动介质对阀芯的压力难以克服弹簧的弹簧力和阀芯与阀座的静摩擦力时，弹簧将始终对阀芯进行弹性支撑，以此确保旁通孔与流通孔连通，用于允许钻井液在钻入井筒时从环空填充钻柱，或在钻出时将其排出。

更进一步地，所述阀座与阀芯重合区域还设有密封组件，所述密封组件包括环向开设在阀座外壁上的空槽，同轴套设在空槽内、外环面开设有多个缺口并形成锯齿状的密封圈，多个套设在密封圈外环面的缺口内的套环，所述套环的内部中空并注有冷却液。

需要说明的是，目前的旁通阀在工作时，由于其内部的阀芯与阀座之间经常会发生相对滑动，从而极易造成阀芯与阀座之间密封失效，从而对旁通阀的工作效果造成影响，进而影响到钻具马达的正常工作，基于此，本方案特在阀座与阀芯之间设有密封组件，通过密封组件的设置，便于阀芯在阀座上进行滑动时，能始终确保阀芯与阀座之间的密封，避免阀芯与阀座之间出现渗漏，而影响驱动介质对转轴的驱动，具体来说，密封组件包括空槽、密封圈和弹簧，当阀芯在阀座外表面进行上下滑动时，密封圈会在摩擦力的作用下发生挤压形变，从而使密封圈与阀芯内部进行紧密贴合，以填充阀座与阀芯之间的缝隙，进一步地由于套环内蓄有冷却液，因此其可在密封圈与阀芯之间因滑动摩擦而生热时，冷却液可对热量进行吸收，以避免密封圈长时间工作后导致热量集聚而使密封圈失效，从而延长密封圈的使用寿命，同时通过在套环内注有冷却液，由于冷却液本身压缩形变量有限，因此其可对密封圈的形变量进行一定的限制，避免密封圈形变量过大而造成与阀芯之间的摩擦力增加进而造成密封圈挤压失效，从而改善密封圈的使用效果，进而确保密封组件的密封效果，以此确保旁通阀正常工作，避免钻锯马达因阀芯与阀座之间发生泄漏而出现失效故障。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

（1）本实用新型通过转轴和定子组件形成容积式马达结构，以利用驱动介质的压力来产生动力，一般来说，高压可以产生很大的扭矩，且更容易控制转速，因此使涡轮钻具结构更加简单可靠，使用寿命更长，可以承受极其恶劣的钻井条件，降低其故障率，进而提供传统涡轮钻具无法达到的性能，提升其扭矩和功率水平，降低了恶劣环境中的每米钻进成本；

（2）本实用新型选用5/6配比的转轴与弹性体的头数比，使钻具马达转速和扭矩性能更加满足额定钻头，能大大提升钻头的使用效果；

（3）本实用新型定子组件包括外壳和弹性体，由于弹性体通过外壳设置在套筒的内壁，并通紧固件连接，因此可大大提升弹性体与套筒之间的连接强度，以此避免弹性体受到应力挤压后，与套筒内壁之间发生脱落现象，从而避免动力马达漏失失效，以此提升马达的使用寿命；

（4）本实用新型通过引导缝的设置，即可以实现钻井液在螺旋空腔内进行流动时，对驱动介质进行引导，使其通过螺旋空腔推动转轴旋转时更为顺畅，避免其流速过满而造成驱动介质内的颗粒物质堵塞螺旋空腔而造成转轴与弹性套磨损加速，也能在一定程度上避免弹性套与转轴之间的全面接触，从而降低弹性套的磨损，以进一步延长其工作寿命；

（5）本实用新型密封组件包括空槽、密封圈和弹簧，当阀芯在阀座外表面进行上下滑动时，密封圈会在摩擦力的作用下发生挤压形变，从而使密封圈与阀芯内部进行紧密贴合，以填充阀座与阀芯之间的缝隙，进一步地在密封圈形变时，会对套环进行挤压，而由于套环内蓄有冷却液，因此其可在密封圈与阀芯之间因滑动摩擦而生热时，冷却液可对热量进行吸收，以避免密封圈长时间工作后导致热量集聚而使的密封圈失效，从而延长密封圈的使用寿命，同时通过在套环内注有冷却液，而由于冷却液本身压缩形变量有限，因此其可对密封圈的形变量进行一定的限制，避免密封圈形变量过大而造成与阀芯之间的摩擦力增加进而造成密封圈挤压失效，从而改善密封圈的使用效果，进而确保密封组件的密封效果，以此确保旁通阀正常工作，避免钻具马达因阀芯与阀座之间发生泄漏而出现失效故障。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例1结构示意图；

图2为本实用新型A-A视向结构示意图；

图3为本实用新型B处局部结构放大示意图；

图4为本实用新型实施例2结构示意图（带旁通阀）；

图5为本实用新型C处局部结构放大示意图；

图6为本实用新型阀座局部结构示意图；

图7为本实用新型密封组件局部结构示意图；

图8为本实用新型模拟试验图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1、套筒；2、转轴；3、定子组件；30、外壳；31、弹性体；4、螺旋空腔；40、引导缝；5、紧固件；50、沉孔；51、安装螺孔；52、安装螺栓；6、旁通阀；60、阀体；600、旁通孔；61、阀座；62、阀芯；620、流通孔；63、弹簧；64、密封组件；640、空槽；641、密封圈；642、套环。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

首先，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。

实施例1

如图1至图3所示，一种新型钻具马达，包括套筒1和转轴2，转轴2呈螺旋状、同轴套设在套筒1的内部、并与套筒1可转动连接，套筒1的内部设有定子组件3；定子组件3包括外壳30和弹性体，外壳30呈中空管状、且沿套筒1的轴向方向贴合设置在套筒1的内壁，弹性体贴合设置在外壳30的内壁、且其内表面与转轴2的外表面共轭啮合并形成呈连续摆线螺旋曲面的螺旋空腔4，转轴2与弹性体31的头数比为5/6，套筒1与定子组件3的重合区域还设有多个用于紧固定子组件3的紧固件5。

需要说明的是，传统钻井设备由井上的马达作为输出动力，通过单杆连接将动力传输至井底的钻头，这种动力输出方式在钻头达到一定深度时，由井上传输过来的扭矩、转速和功率经由每一节单杆的损耗开始变小；随着钻井深度的增加，对动力输出和动力传输的单杆的负荷也开始变大，设备的故障率也开始上升，这些因素积累起来带来的效果就是提高了每米的钻井成本，最终限制了钻井可钻探的深度，因此本方案通过一根强度极高且呈螺旋状的转轴2作为转子，而定子组件3作为定子并与转轴2共轭啮合形成呈连续摆线螺旋曲面的螺旋空腔4，因此通过转轴2和定子组件3形成容积式马达结构，以利用驱动介质的压力来产生动力，一般来说，高压可以产生很大的扭矩，且更容易控制转速，因此使涡轮钻具结构更加简单可靠，使用寿命更长，可以承受极其恶劣的钻井条件，降低其故障率，进而提供传统涡轮钻具无法达到的性能，提升其扭矩和功率水平，降低了恶劣环境中的每米钻进成本，进一步来说，由于不同数量的转轴2和弹性体31的头数比会带来完全不同的马达参数效果，本方案特选用5/6配比的转轴2与弹性体31的头数比，使其转速和扭矩性能更加均衡，以满足额定钻头，能大大提升钻头的使用效果，进一步来说，目前传统的井下钻具用动力马达，其弹性体31大多采用橡胶制成的，并且直接粘接固定在套筒1的内壁，而这种方式在使用时，由于转轴2与弹性体31之间往往会发生挤压，因此在长时间工作后，容易导致弹性体31在受到应力挤压后，易从套筒1内壁上发生脱落，因此大大影响电机的使用寿命，基于此本方案，本方案巧妙地设有定子组件3，而定子组件3包括外壳30和弹性体31，由于弹性体31通过外壳30设置在套筒1的内壁，并通紧固件5连接，因此可大大提升弹性体31与套筒1之间的连接强度，以此避免弹性体31受到应力挤压后，与套筒1内壁之间发生脱落现象，从而避免动力马达漏失失效，以此提升马达的使用寿命。

具体请参阅图2和图3所示，紧固件5包括等距开设在套筒1外表面的沉孔50，开设在外壳30外表面、与沉孔50一一对应的安装螺孔51，以及对应设置在沉孔50内、底端延伸至安装螺孔51内并与其螺纹连接的安装螺栓52。

具体实施时，使用者将定子组件3插设在套筒1内后，可使外壳30与套筒1的内壁进行贴合，并将外壳30上的安装螺孔51与套筒1上的沉孔50一一对应，而后使用者可将安装螺栓52置入沉孔50内并进行转动，以使安装螺栓52转动后逐渐旋入安装螺孔51中并与其旋紧，从而通过安装螺栓52与安装螺孔51的配合将外壳30紧固安装在套筒1内，以实现对定子组件3进行固定安装，从而避免弹性体31收到应力挤压后与套筒1发生脱落，另外需要说明的是，本方案中紧固件5的主要作用是为了实现对定子组件3进行紧固，因此在实际使用时，紧固件5也可以采用自攻螺钉和沉孔或者锚钉结构对定子组件3进行固定安装，而本方案优选采用安装螺栓52和安装螺孔51一方面实现对定子组件3进行固定安装，而另一方面则是可以实现对定子组件3进行拆卸更换维护。

具体请参阅图2所示，螺旋空腔4的内壁沿其螺旋曲面方向开设有多条引导缝40。

需要说明的是，通过在螺旋空腔4的内壁沿其螺旋曲面方向开设有多条引导缝40，可以使驱动介质（钻井液）在螺旋空腔4内进行流动时，对驱动介质的流向进行引导，使其在螺旋空腔4内流动时更加顺畅快速，以便于驱动介质推动转轴2进行旋转，同时驱动介质在螺旋空腔4内的流动速度更快时，能有效避免其流速过慢而造成驱动介质内的颗粒物质沉降堵塞螺旋空腔4而造成转轴2与弹性体31磨损加速，从而降低弹性体31的磨损，延长其工作寿命。

实施例2

在实施例1的基础上，如图4至图7所示，一种新型钻具马达，还包括设于套筒1端部的旁通阀6，旁通阀6包括内部设有阀腔、底端与套筒1螺纹连接、顶端开设有与阀腔相连通的注入口、且四周开设有旁通孔600的阀体，同轴设于阀腔底部、内部与开设在阀体底部中间的通孔相连通的阀座61,底端滑动套接在阀座61上、内部中间开设有呈喇叭状的流道、顶端与阀腔上部的台阶部相抵触、且四周对应旁通孔600位置处均开设有流通孔620的阀芯62，以及位于阀座61与阀芯62之间、用于对阀芯62进行弹性支撑的弹簧63。

需要说明的是，初始状态时，弹簧63处于自由状态并对阀芯62进行弹性支撑，使阀芯62上的流通孔620与旁通孔600相连通，而在工作时，驱动介质通过注入口进入至阀腔内时，当驱动介质的流量和压力达到预设值时，其可推动阀芯62对弹簧63进行压缩，以使阀芯62在阀座61外表面下滑，从而使流通孔620与旁通孔600错位，以关闭旁通孔600，此时驱动介质可通过阀芯62与阀座61流入至马达本体内，以驱动马达本体旋转，而当驱动介质的流量和压力未达到预设值时，驱动介质对阀芯62的压力难以克服弹簧63的弹簧63力和阀芯62与阀座61的静摩擦力时，弹簧63将始终对阀芯62进行弹性支撑，以此确保旁通孔600与流通孔620连通，用于允许钻井液在钻入井筒时从环空填充钻柱，或在钻出时将其排出。

具体请参阅图7所示，阀座61与阀芯62重合区域还设有密封组件64，密封组件64包括环向开设在阀座61外壁上的空槽640，同轴套设在空槽640内、外环面开设有多个缺口并形成锯齿状的密封圈641，多个套设在密封圈641外环面的缺口内的套环642，套环642的内部中空并注有冷却液。

需要说明的是，目前的旁通阀6在工作时，由于其内部的阀芯62与阀座61之间经常会发生相对滑动，从而极易造成阀芯62与阀座61之间密封失效，从而对旁通阀6的工作效果造成影响，进而影响到钻具马达的正常工作，基于此，本方案特在阀座61与阀芯62之间设有密封组件64，通过密封组件64的设置，便于阀芯62在阀座61上进行滑动时，能始终确保阀芯62与阀座61之间的密封，避免阀芯62与阀座61之间出现渗漏，而影响驱动介质对转轴2的驱动，具体来说，密封组件64包括空槽640、密封圈641和弹簧63，当阀芯62在阀座61外表面进行上下滑动时，密封圈641会在摩擦力的作用下发生挤压形变，从而使密封圈641与阀芯62内部进行紧密贴合，以填充阀座61与阀芯62之间的缝隙，进一步地由于套环642内蓄有冷却液，因此其可在密封圈641与阀芯62之间因滑动摩擦而生热时，冷却液可对热量进行吸收，以避免密封圈641长时间工作后导致热量集聚而使密封圈641失效，从而延长密封圈641的使用寿命，同时通过在套环642内注有冷却液，由于冷却液本身压缩形变量有限，因此其可对密封圈641的形变量进行一定的限制，避免密封圈641形变量过大而造成与阀芯62之间的摩擦力增加进而造成密封圈641挤压失效，从而改善密封圈641的使用效果，进而确保密封组件64的密封效果，以此确保旁通阀6正常工作，避免钻锯马达因阀芯62与阀座61之间发生泄漏而出现失效故障。

另外请参阅图8所示，为了进一步证实本方案采用5/6配比的转轴与弹性体的头数比能达到一个更均衡的扭矩和转速性能，申请人特定模拟了1/2、3/4、5/6、7/8、9/10这5组数量配比下，转矩/转速的参数比；可知，当转轴/弹性体的头数比为5/6时，其钻具马达的转速和扭矩性能更加均衡。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、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 (5)

1.一种新型钻具马达，包括套筒（1）和转轴（2），其特征在于，所述转轴（2）呈螺旋状、同轴套设在套筒（1）的内部、并与套筒（1）可转动连接，所述套筒（1）的内部设有定子组件（3）；

所述定子组件（3）包括外壳（30）和弹性体（31），所述外壳（30）呈中空管状、且沿套筒（1）的轴向方向贴合设置在套筒（1）的内壁，所述弹性体（31）贴合设置在外壳的内壁、且其内表面与转轴（2）的外表面共轭啮合并形成呈连续摆线螺旋曲面的螺旋空腔（4），所述转轴（2）与弹性体（31）的头数比为5/6，所述套筒（1）与定子组件（3）的重合区域还设有多个用于紧固定子组件（3）的紧固件（5）。

2.根据权利要求1所述的一种新型钻具马达，其特征在于，所述紧固件（5）包括等距开设在套筒（1）外表面的沉孔（50），开设在外壳（30）外表面、与沉孔（50）一一对应的安装螺孔（51），以及对应设置在沉孔（50）内、底端延伸至安装螺孔（51）内并与其螺纹连接的安装螺栓（52）。

3.根据权利要求1所述的一种新型钻具马达，其特征在于，所述螺旋空腔（4）的内壁沿其螺旋曲面方向开设有多条引导缝（40）。

4.根据权利要求1所述的一种新型钻具马达，其特征在于，还包括设于套筒（1）端部的旁通阀（6），所述旁通阀（6）包括内部设有阀腔、底端与套筒（1）螺纹连接、顶端开设有与阀腔相连通的注入口、且四周开设有旁通孔（600）的阀体（60），同轴设于阀腔底部、内部与开设在阀体（60）底部中间的通孔相连通的阀座（61）,底端滑动套接在阀座（61）上、内部中间开设有呈喇叭状的流道、顶端与阀腔上部的台阶部相抵触、且四周对应旁通孔（600）位置处均开设有流通孔（620）的阀芯（62），以及位于阀座（61）与阀芯（62）之间、用于对阀芯（62）进行弹性支撑的弹簧（63）。

5.根据权利要求4所述的一种新型钻具马达，其特征在于，所述阀座（61）与阀芯（62）重合区域还设有密封组件（64），所述密封组件（64）包括环向开设在阀座（61）外壁上的空槽（640），同轴套设在空槽（640）内、外环面开设有多个缺口并形成锯齿状的密封圈（641），多个套设在密封圈（641）外环面的缺口内的套环（642），所述套环（642）的内部中空并注有冷却液。

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