CN87100905A - 潜水钻井机的密封和减扭力装置 - Google Patents

Abstract

潜水钻机的密封和减扭力装置。六合密封能减少六方的震动，能重复多次减震。堵塞密封用水银堵住水泥不进入钻内。减压保密封用高扬程泵抽水，在六合密处有负压水流过保密封。扭力对钻井不利，潜水钻井机用减扭力变速箱出来两个轴头装两个上大、下小、反正转，两个钻头，扭力能抵消一部分，达到减扭力。用逐渐加速原理做离心泵轴流泵叶轮提高扬程。轴流泵细长适合做潜水泵在矿井、深井抽水抽油用。

Description

向来机器钻石油井都是用转盘钻机，动力在井上用的老长的钻杆在下端有几吨重的配重，配重下端才是钻头，转盘带动钻杆、配重、钻头转才能钻井，很费功。现在潜水钻机问世，动力是电动机在井下和钻头紧相连，钻杆和配重在电动机以上都不转，很省功。用潜水钻井机钻三五十米深的灌注桩孔就明显比转盘钻井机优越，钻的快，井深差别更明显。可是现在的潜水钻井钻机不能深钻。钻深了密封保不住，往钻机内部进水、砂、泥等，钻机的机件损坏不工作。所以不能和转盘钻机在深钻上比，只有在百米以内比。现在的潜水钻井机的密封保不住的原因有二。一、钻机在钻井工作时有震动密封不耐震，设计有不合理处。二、井深压强高，稍有震动便攻破密封，没有处理压强方法。

现在已研究出减震的六合密封，能堵住水砂泥不能进入钻机内部的堵塞密封，减少扭力装置，还有杨程高体形细的潜水电泵。

涡轮钻机杆不转比转盘钻机优越。还是动力在井上，不如潜水钻井机优越。潜水钻井克服了钻杆转和离动力远的弊病。三种钻机还有一种共有的弊病：井深井粗扭力很大，是功的损失，钻杆破劳。潜水钻井机能做减少扭力的装置，这是任何钻井机都办不到的。这套技术实现后卷扬机提着一个长钻杆没有什么扭力，动力在井底钻井，在深度上和粗度上都要超过以往钻井机。

减震六合密封：震动在各种机械运转中都无法避免。有的无大害不必克服。潜水钻井机的密封最怕震动，所以要研究减震动。钻头传来的震动经过轴，轴承传到全机身。震动的方向是紊乱的。以潜水钻井机工作姿势而言：有上下震、四周震，尤其是上下震对密封的破坏力最大。所以用六合密封迎合六方的震动现在的密封只有减轴上的震动，没有减机身上的震动。在设计上也有防碍减震处。减震原理是：震是怕软不怕刚，震在柔软的物质中消失多传动少。柔软能缓和冲击。震动是怕光滑不怕涩，在各个接触传动处采用滚动、光滑、梢减少震的传动。用重复减震是经过第一次减震后再经过二次多次减震，直至对密封起不了破坏作用为止。

六合密封工作次序和另件：迎合轴的震动在轴上适当部位（六合密封总厚度）车槽，槽中嵌开口环（无图），在环下按一托盘（图一）与轴固定，起与轴连结作用随轴转。托盘内径和轴动配合，往外有四个过螺丝孔，再往外有两个放四合盘盲孔朝上还有四个弹簧座（盲孔）朝上，放四个弹簧，四合盘盲孔中装四合盘橡胶垫图二。用硅橡胶耐温四合盘橡胶垫中装四合盘图三。它是小另件。四合盘中间是通孔，（准备插入元锥销）四个小元盲孔种中间孔钻豁，各放一杖元珠。元锥销插入中间紧松活动起滚动作用减震。托盘以上是大橡胶垫图四和托盘一样大，内孔径要小于轴。轴孔外有四个过螺丝和托盘对应。外径有两个过元锥销孔，而有四个过弹簧孔。大橡胶垫以上;中间是压紧盘图五，内径和轴动配合，外径要小于隔板的内径，还有四个螺孔和托板对应，是压紧托盘的，大橡胶垫外圆以上是隔板一图六。内径要大于压紧盘，外径和托盘外径相等，隔板上有两个螺孔按两个有改锥口的元锥销图七，穿过大橡胶垫插入下边的托盘上的四合盘中间孔。距两个螺孔90°的地方有两个四合盘盲孔朝上，和上一层的元锥销配合。还有四个弹簧座朝下，和托盘的弹簧对应。上面也有四个弹簧盲孔朝上，和朝下的盲孔错开，隔板一往上是橡胶垫图八。和隔板内外径一样大小，比大橡胶垫少轴周围部分，往外孔位和大橡胶一样，橡胶垫再往上是隔板二图九。隔板二和隔板一一样大小，只是弹簧座的位置要对应，因而不同有隔板一隔板二的分别。隔板二上面是橡胶垫（图八），橡胶垫上面是转密封环盘图十下面有朝下的元锥销弹簧座盲孔上面有嵌粘密封环的槽和密封环，以上说的密封件都是随轴转。

在上头不动的密封件是迎合机身上的震动。最上一层如用上面的平面，可在平面上做弹簧座盲孔，按两个元锥销朝下。往下是橡胶垫-隔板-橡胶垫，最下一层是静密封环盘图十一。上面有四合盘盲孔，弹簧座盲孔，下面有嵌粘密封环的槽和密封环。注意：经过一次橡胶减一次震，元锥销都朝下，四合盘都朝上。在最外部的密封：不动的经过两次橡胶垫，轴上的经过三层橡胶垫就行。图十二是外部密封装配示意图。在内部的密封各经过一层橡胶垫就行。外部密封不开内部没有开密封的理由。在井温高橡胶软化要用弹簧，井温不高不用弹簧。在地方小不能容纳全部密封的情况下可把四合盘的四个滚珠除掉，中间孔改为锥孔。

密封环平严没有油路不能滑润，易烧坏。应在密封环的内径开石磨形油路（图十图十一）不要通到外径。密封环的上下面都开油路或开一面。油有耗损，要备个储油箱图十四，放在机身以外，外壳以里，兼作衡压用。图十五储油箱接口。A螺丝上有孔，是通往六合密封以里的通路。B螺丝上没有孔，是堵塞和注油处。（或采用自行车内胎的接法）

六合密封虽做了周密的设计，在密封环旋转时，能转动就不是一体。转时也等于震动，在大压强下能攻开密封，这一点得用减压强的办法解决。

堵塞密封图十三是减扭力变速箱、六合密封装配位置、堵塞密封、减压强保密封水路示意图。这一段主要述堵塞密封，用图十三和另件几分别说明用途。在六合密封图十三-1以里轴以外，从上往下伸不到底的一个环形簿板档圈图十三-2。在档圈的里外注入定量的水银，以隔开六合密封以内轴以外的油（机体内部空隙全部注油）。六合密封有损坏时浸入的水泥砂不能越过水银进入钻内损坏钻内机件。挡圈图十三-2伸不到底一二厘米，距轴最少一厘米距六合密封二三厘米。其理由是：水、砂、泥比水银比重小的多，不能沉入水银越过挡圈进入钻内。同时钻内的油要注满。钻内有空余之地时挡圈外有高强压的水泥也能把挡圈的水银顶进去后水、泥能越过挡圈。只要钻内油满如何也顶不进去。挡圈以外的油要接通储油箱图十三-3处。补油耗和调压强、储油箱是橡胶做成图十四，装在六合密封的上方（图十三-3），外有保护层。保护层有孔调节内压用。泵工作时六合密封以外外壳以里有负压，储油箱也有负压，工作中停电泵停外壳内压强猛增，储油箱、六合密封内也得到同样的压强。六合密封有开时钻内的油能占领密封环的空隙，能减少或不损坏密封环。

堵塞密封深钻采用。浅钻可省去降低成本。

减压强保密封：井底压强高对潜水钻井机的密封破坏很大。又无法把井底压强消除。细细琢磨压强高也压不坏潜水钻井机外壳，压不塌井底。只在密封处才怕它。研究井底压强眼看不见，我是从气体流动开始而后转入液体流动得来，转了一个大弯。捷言其理三言两句即通。密封处怕正压不怕负压。在密封处制造一段负压是轻而易举的事。（这一段主要使水从钻外壳以内图十三-5流过造成负压）

水在管中流动有两种原因行成：一、水被挤得流动，水在水管中是无缝不入的找出路（从泵叶轮以上是正压）。二、水被吸的流动，水在管中是向吸的方向流动，无暇向四方和下使压力，压力向上（泵和叶轮以下是负压）。办法是在有密封的区域包上一层外壳，使负压水流过密封环处即成功。这段负压区进口要小于内部，负压增加。钻深井得用杨程高的泵才行。现在研究出潜水离心高压泵和潜水轴流高压泵。在下节再述。

减压保密封是用泵抽井中的泥浆水，水所经过的路是水从水池流入井眼到井底再往上返。从钻头中、下部开孔（无图）吸入细长轴下端芯管图十三-4。从芯管上端开孔吸入外壳图十三-17以内的图十三-5，六合密封以外的夹层上升至泵以下的管路中。泵以上接胶管或方钻杆排出井外（无图）下部外壳随钻头座图十三-16转，上部外壳固定在钻身两边有管通向泵。外壳转动部位有简易橡胶密封图十三-18外加铁皮保护。简易橡胶密封不大漏就行。这一措施是在六合密封以外，外壳以里得到无压强或负压强的力排除了正压强对密封攻击。对潜水钻井机深钻有十分把握。潜水钻井机能用上三种密封，在其他的潜水工具也能应用，潜水泵、潜水艇，轮船上的螺旋浆轴上也能应用，陆地上有直升飞机，同理海洋底也可有潜水游泳机，以观察海洋底情况，勘探石油打捞等工作。离心泵粗，轴流泵细长。钻大孔时泵可随潜水钻井机一同下井抽水。钻小孔时轴流泵可随潜水钻井机下井抽水。也可按在方钻杆内下端抽水，节省电缆，离心泵按在方钻杆下端（井口处是粗孔）。

减压保密封操作有一定的规矩：先开泵后开钻，先停钻后停泵。先开钻，先停泵密封处得不到减压作用。工作中停电比较危险，动力同时停，钻的转速小于泵的转速，可能钻先停泵后停。因泥、砂、石屑没抽净，来电开泵有困难，宜提钻再开泵。

井深底下温度高对电机不利。泵抽水带出泥砂、石，还有冷却电机的功能，井越深更需杨程高流量大的泵。

减扭力：在各种钻中都有扭力，有的为害不大不必克服。如钻铁木等，有的有害不能克服如转盘钻机、涡轮钻机。只有潜水钻井机能做到这一点，因为它的结构能用双钻头，动力和钻头离的最近。再者潜水钻井机有强有力的密封保住钻内机件不受泥、砂破坏。减扭力变速箱（图十三）道理简单：一个钻机出来的两个轴头。中心的细轴图十三-6按直径小的钻头先钻入。空心的粗轴图十三-7按大直径钻头，在小钻头以上，不碰后钻入。两个钻头的转向相反。小钻头先钻的面积要小于大钻头的面积（以大钻头扭力为主）这是为了留下点扭力保护钻杆连接（丝扣）件用，这个大小钻头的尺寸要在实践中确定，主扭力的转向不能出现相反，相反就破坏了丝扣的连结作用。由于换地层，由软换硬差的停多。小钻头的扭力大于大钻头，出现扭向相反。这时拆下大钻头换上反转小钻头，可改换电机转向，小转头倒着转，地层换过（小反钻头的深度超过原大小钻头的深度差），再换回电机转向和正转头。

取得转向相反的两个轴可用两个不同极数的电机得到也可用一般的减速箱道理把齿轮布置在园箱体里得到。又可用行星减速箱。现已减扭力行星变速箱为例图十三。电机轴上齿轮图十三-8和两个（上边）小行里齿轮图十三-9啮合。两个（上边）小行星齿轮图十三-9和固定（不转）内齿圈图十三-10啮合小行星齿轮带动行星轮架图十三-11转，转向和电机同行星轮架的下面中心按装一个细长轴图十三-6（下端按直径小的钻头）在φ行星齿轮轴图十三-14的下端有两个大行星齿轮图十三-12，因和小行星齿轮在同一轴上，转向转速同，比上边的齿轮大，两个大行星齿轮（图十三-12）上下错开互不接触，而和能转的内齿轮图十三-13啮合。转内齿轮比固定内齿轮径大，比大行星齿轮（图十三-12）的齿长一倍多，转内齿轮中心按空粗轴图十三-7，套在细长轴的外边，转向和电机相反。空粗轴下端有钻头座图十三-16按装大直径钻头两个轴转向相反钻头转向也反，所钻地层一样扭力能抵消，减少扭力对钻杆的疲劳，井上配重大大减少。细长轴和粗空轴之间安轴承，粗空轴和箱体图十三-15按轴承。钻头座（图十三-16）外园有过水孔，外边是六角形或/2角形，里园和细长轴之间的轴承，下面按六合密封，（图十三-1）。钻头座过水孔以外上面接触外壳下端简易橡胶密封，下面按转外壳。转外壳下端中心和细轴相接处有简易橡胶密封，简易密封处有铁壳保护。六合密封，堵塞密封，减压强保密封，减扭力变速箱图十三同时都用上了。在制造时不必同时都用上，可由浅到深，由简到繁。钻灌注桩孔甜水井，只用六合密封和减压保密封就行，钻大孔深井加上减扭力变速箱，钻石油井六合密封不顶再加上堵塞密封，在适用的情况下减少结构是为了降低成本。

在井口架子上按一个蜗轮蜗杆，蜗轮中有补心。每钻二、三米使方钻杆转几十度防井斜，还要装接、拆卸钻杆。

想使静止的东西很快运动或运动的东西很快静止，贯性总不如人意。逐渐加速或静止是比较好办的事，研究水泵叶轮采用逐渐加速的原理使水泵扬程增高。

在水桶的下部向水平方向按两个出水管：一个两头一样粗，水流的速度流量和横截面都一样，一个是一个头粗一个头细，粗头挨着水桶。这个出水管两头流量相同，流速不同，横截面不同，大头流速低。小头流速高。（大头横截面×大头流速＝小头横截面×小流速），这个由低流速逐渐变到高流速原理，离心泵、轴流泵采用这个原理能在同等的动力下得到较高的扬程。离心泵的叶轮是个圆的。转速一样，外圆的线速度高加给的力大，我见现在的离心泵叶轮都是外圆的水槽比内圆的水槽宽，这样做外圆加给水的力大内圆使不上劲，是外圆猛加力，不是逐渐加速度不合理。把水槽做成牛角一样才能充分利用叶轮。叶轮水槽宽度要符合逐渐加速原理-在直径各处槽宽乘线速度都得一样数，根据这个要求要划出叶轮的轮叶来。

离心泵的叶轮有几个轮叶就有几个水槽，要在叶轮上分几等分。以水槽进口处的弦长减去轮叶所占厚度（5毫米）为计算基准。叶轮越往外直径越大水槽越小成反比例。举例说明：φ100为水槽进口处，做六个水槽、六个轮叶分六等份，每份弦长是50毫米。减叶轮的厚度5毫米，还有45毫米为计算基准。在φ140处水槽宽应是：

45÷（φ140÷φ100）＝32.14，在φ180处是：45÷（φ180÷φ100）＝25，在220处是：45÷（φ220÷φ100）＝20.45以次类推，叶轮直径大到外圆处水槽就很小了不易过水，可把水槽合并，如六槽合并为三槽或四槽，再者把进口直径处往外移动，以达到推水合理。

划叶轮先划中线，中线划好后再在中线的两边各加半个轮叶厚度即成。图十六是怎样划分轮叶中心线，根据图十六的已知数算出未知数R和R中心与叶轮中心O位值。见表（一）。图十六划叶轮轮叶中心线：在140的园弧上相距60°划两个点，在两个点上用B划两个园。把两个园中心相连是C、B中心和O₁相连是A（十二等份弦长）。AAC是已知三角形。O₁和C中间相连是H。C和A的角度是：

(（六等份）60°-（十二等份）30°)/2 ＝15°

AAC和A₁A₁C₁是相似形。理由是：以O₁为中心A线移到B园相切是A₁。转向相同角度同，所以是相似形。根据AAC的尺寸计算出A₁H₁(C₁)/2 尺寸算出R（在H的延长线上）尺寸。轮叶的中心线要从B园的里边到O₁，再下到一个B园的外边，要R划园弧。几个弧连接一条曲线是轮叶的中心线。

第一个园上（在φ100）不计算，从第二个园开始，用三段（在φ140、φ180、φ220。）园弧连接起来便是所求的轮叶中心线，划线开始（不在有两个三角的地方划，往后移一点）。在φ140弧上相距60°处，用B划两个园。用第一个B61·8把铅笔头放在O₁上，园规脚放在离中035·91的点上。（注意这个点在0以外有两能放上，放那边轮叶弧线往那边划，是确定轮叶转向的，这次是往上右边放）先往左下划弧与园的里边相切，再往前划到φ100弧上，回来以O₁往上右划到后一个B园的外边相切，证明无误。第一个R用尽，R61·8加上φ180的 (B)/2 为R₁，伸到φ180

弧上记个点。再往后60°处又记个点。在两点各划一个B园用B85.23把铅笔放到上一个R与B处圆相切处，用规脚放到离O28.98的点上（借用）划弧，划到后一个B园外边相切（不相切调圆规脚点）第二个R用尽。用同样方法划下一段线。又法：为了划的六道轮叶曲线一样，可将甲乙丙三段线和O用有机玻璃照着划下来。把线以外的有机玻璃锯掉。在丙线的末端拴个线。顺着锯下的边围上一条线直到甲的起端。全长是：61.8+（85.23-61.8）+（107.25-85.23）＝107.25也就是最后一个R。在线头上加2.5是划轮叶前面线，在线头上减2.5是划轮叶后面线。用这个办法和划渐伸线相似，其实这一种减伸线，越往外伸的越小而得名。

这个例题在每个园上是相距20，也就是里外园距20。相距改成10则更细可用，要是两个圆相距太多所算出的弧长两头接不上则不可用。

④文件名称    页    行    补正前    补正后

说明书    7    18    φ    两

8    7    12角形    八角形

19    6    77.35    7.35

叶轮直径大，水槽长增加杨程。叶轮厚增加流量。

轴流泵向来是流量大场程低，经改革可以超过离心泵的杨程。轴流泵体细长，用逐渐加速原理适合做潜水泵轴流泵的叶轮要做成梢桶（截头园锥）形，进口粗出口细。轮叶做成螺旋（搅龙）形，进口螺距短出口螺距长。这样就能适应逐渐加速原理。

举例：小头    8厘米大头    20厘米长50厘米的梢形管做叶轮。这个梢管的容积是：8168.16立方厘米，减去

4厘米轴的体积628.32立方厘米，净容积是7539.84立方厘米。做螺旋的螺距不是等长是按叶轮容积等分确定螺旋的螺距。确定用几节螺旋用几除净容积，每节的容积都相等，同样多少的容积放到梢管里其长度不相等，粗头短细头长。每节螺旋片都要做成相同旋转角度。也就是不管螺距长短螺旋片绕轴的角度相等。每节一周都是一周，每节是两周都是两周，每节是300°都是300°。这样粗头螺距短-螺旋升角小，细头螺距长-螺旋升角大。粗头流速慢，细头流迅快前一节推过来的水，这一节推能上劲，下一节也能推上劲适合逐渐加速在制作中前一节和下一节螺旋片升角接头处要逐渐变角度不要一下子改成。要求每处的横截面乘螺距得数近似（或相等）。螺旋片的头数可按推水的厚度确定，单头、双头、多头，螺距短头少，螺距长头多。在一个叶轮中可以在细头处加轮叶，以适应推水厚度（比多级离心泵优）。

按梢管容积分节，当时我不会计算，有个可行的办法：用簿铁皮做个同样的梢管再往里放个同样的轴。梢管装满粮食或水。用秤等分梢管中粮食或水。再装一份量一次。装入梢管中每份的长度，即为每份的节长。以节长确定螺距。所量节长不太精确。再用试算的方法调整节长，以达到最近似值。

叶轮的梢是确定逐渐加速的。梢大加速幅度大。同样容积的叶轮螺距长流量大，螺距短扬程高。叶轮螺距同样长，粗的流量大，细的流量小。粗、细、螺距同，长的扬程高。叶轮细长，容量大，螺距短，扬程高。叶轮粗、短、螺距长，流量大。

水在叶轮里越流越快，横截面越小，这是合理的。物体从上往下自由降落，是越落越快是已经证明了的。从楼上丢个石子看不出加速来，但是石子越高砸的越重。在楼上用壶倒水：水才出壶咀是粗的，往下显着细了，再往下连不住了成水珠。再往下距离越来越大。这是水的粘力不强分开矩离。在漏粉条时看的更清楚：才出瓢是粗的越往下越细。烟筒是下头粗上头细。烟才升是慢的越升越快。这都是逐渐加速的实例。

图十七是把细长轴流泵装到方钻杆里的示意图。图十八是潜水泵轴水、油用的示意图，图十九是外园等粗，轴是倒梢的叶轮。原理和图十七、图十八同。图十七的升速幅度较大，图十九出口处线速度较高。这三个图的另件如下：（1）是叶轮轴。（2）螺旋轮叶。（3）叶轮外壳。（4）泵壳。（5）电机。（6）过水孔。（7）简易橡胶密封。（8）六合密封。（9）方钻杆。（10）出水管。

现已试算出三个例题的节长。和中径面积乘节长的积。节长是把这个梢管按容积等分几节的长度，在选择螺距时要选择和节长同样长，算起来比较方便，表二大头φ20厘米，小头φ8厘米，长50厘米。中心有φ4厘米轴。表三是大头φ18厘米，小头φ8厘米，长50厘米，中心有φ4厘米的轴。（参考图十七、十八）。表四是外园φ20厘米中心轴上头（大头）φ16厘米下头（小头）φ4厘米（参考图十九），三个例题的节长都是从上头开始。用粮食或水量出每节的节长后要计算确定是否正确，每节的节长乘轴截面加上每份的容积是应有体积，再按这一节的节长计算这一节的体积是实有体积，实有体积和应有体积近似证明无误，不近似调整节长重算，节长的合计是总长，应有体积实有体的合计是总体积。证明都对，每节长度的中间是节长中。在节长中计算直径总面积、净面积。节长乘净面积是计算方锥园锥体积的简易办法，比实际体积有点出入。表二、表三最上一节比实际体积少的数大。表四最上一节比实际体积多的数大。计算方园锥的简易办法，对长的误差大，短的误差小。外梢的数偏小。内梢的数偏大。内外梢同的管状体适合用方园锥体的简易计算办法。除了最上一节在各节中用平均值。表二用1500、表三用1262。上一节要用原数和下一节相近处适当加点数不能加到平均值。表四用2268，上一节用原数和下一节相近处适当减点数，不能减到平均值。用节长乘节中面积这个平均值，可以用还原的算法算出任意某处的螺距。如某处的净面积除平均值，商就是螺距。以次类推，计算各处的螺距很方便，有了各处的螺距轴径，外园和螺旋片所转度数，就可以计算出全长螺旋片。

Claims (5)

1、六合密封的功能，能减上、下、四周传来的震动、也能重复多次减震。六合密封用的有弹性物资，现用橡胶内藏弹簧。在接触件用滚珠滚动和锥销锥孔，能增加对密封的压力，没有退力，减少震动。石磨形油路是滑润密封环的。

2、堵塞密封是用簿板档圈插入水银中。使越过六合密封的水、泥、砂不能沉入水银中，进入簿板档圈，到机体内破坏机件。储油箱补油耗和衡压力。

3、减压强保密封能减去密封处的压强，自然压力不能攻开密封。用高扬程泵抽水在六合密封处造成压强低、无压强或负压强的水流过，保住六合密封不受攻入之害。用六合密封、堵塞密封、减压强保密封，在海洋深处的外露机械轴部分也能应用。

4、轴流泵用梢管或外皮直管轴倒梢管做成叶轮。泵内轮叶是螺旋片，用逐渐加速原理做成。各节容积相等，螺距不相等，各节轮叶旋转角度相等。各节螺距乘折中的横截面积数都  近似。离心泵用逐渐加速原理，在各个直径上的水槽宽乘线速度得数相同或近似。

5、为了减少扭力，用同心双轴，上大、下小，一个反转，一个正转的同心钻头减少扭力。

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