CN105484665B - 一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于气体钻井技术钻定向井、水平井和大斜度井，利用气驱液自循环，能够平稳输出扭矩的气体钻井螺杆钻具；包括从上至下依次连接的马达总成、万向轴总成和传动轴总成，马达总成包括叶片、进气口、凸轮、气缸、活塞、连杆、排气口、进液口、液缸、液体单向阀、储液腔、排液口、注液腔、注液孔、防掉帽、转子、定子和马达总成壳体；气体钻井时，利用地面注入的高压气体推动活塞高速往复运动，驱动螺杆内部不可压缩液体实现自循环运动，将压力能转化为机械能，使液体推动转子转动，通过万向轴和传动轴输出平稳和足够大的扭矩给钻头，从而实现气体钻井定向钻进作业。本发明具有平稳输出扭矩、延长钻具使用寿命的效能。
Description
技术领域
本发明涉及钻井设备技术领域，具体来说是一种用于气体钻井技术钻定向井、水平井和大斜度井，利用气驱液自循环，能够平稳输出扭矩的气体钻井螺杆钻具。
背景技术
气体钻井是欠平衡钻井技术的一种，主要是采用空气、氮气、天然气或柴油机尾气等作为循环介质的钻井技术。目前，气体钻井技术已被世界公认为一种有效缩短钻井时间、降低钻井成本、解放油气层的实用技术，已成为油气田高效开发的重要手段。但是现有气体钻井技术和装备主要应用于直井，还不能高效完成定向钻井形成定向井、水平井和多分支井等，严重地限制了气体钻井的应用范围。造成气体钻井困局的主要原因是缺乏可靠的适用于气体钻井定向钻进的关键设备—气体钻井螺杆钻具。由于气体是可压缩性介质，使得常规气体螺杆钻具在使用过程中输出扭矩值低、扭矩输出不稳定，造成钻具憋停和释放后高速转动，出现“飞车”等现象，导致现有气体钻井螺杆钻具性能差、寿命低，不能稳定可靠、高效安全地进行气体钻井定向钻进。
克服气体螺杆的“飞车”现象，实现气体钻井扭矩的平稳输出，延长钻具的使用寿命是气体钻水平井、定向井成功的关键。因此设计发明了一种用于气体钻定向井、水平井和大斜度井，利用气驱液自循环，能够平稳输出扭矩的气体螺杆钻具。本发明立足于材料力学、工程力学和流体动力学，通过合理的设计，借鉴“发动机”原理，充分利用气体钻井高压、大流量、可压缩性循环气体，设计井下“发动机”，利用地面压缩机输出的高压气体推动发动机井下螺杆活塞机构高速往复运动，驱动螺杆内部不可压缩液体实现自循环运动，使液体推动转子转动，实现气体压能-机械能(活塞)-液体压能-机械能(转子)的能量定向转化，输出平稳和足够大的扭矩给钻头，从而实现气体钻井定向钻进作业。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，能够平稳输出扭矩，用于气体钻定向井、水平井和大斜度井的定向钻进作业。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，包括从上至下依次连接的马达总成、万向轴总成和传动轴总成；所述马达总成包括叶片、进气口A、进气口B、凸轮、气缸A、气缸B、活塞A、活塞B、连杆、排气口A、排气口B、进液口A、进液口B、液缸A、液缸B、液体单向阀A、液体单向阀B、储液腔、排液口A、排液口B、注液腔、注液孔、防掉帽、转子、定子和马达总成壳体；所述马达总成壳体内上部设置两个左右对称的空腔，所述空腔内设置活塞A和活塞B，所述活塞A和活塞B将空腔分为上部对应的气缸A和气缸B、下部对应的液缸A和液缸B，所述连杆设于活塞A和活塞B之间，所述进气口A和进气口B均对应设于气缸A和气缸B的上方，所述排气口A和排气口B均对应设于气缸A和气缸B的顶部，所述凸轮设于进气口与气缸之间、且与设于进气口A/B上方的叶片同轴连接，所述凸轮转动可控制进气口A、进气口B、排气口A和排气口B的开启或关闭，所述进液口A和进液口B对应设于液缸A和液缸B的外壁上、且和注液腔连通，所述液缸A和液缸B底部均通过对应的液体单向阀A和液体单向阀B和储液腔连通；所述定子设于马达总成的下部，为具有螺旋内孔的管子，所述转子设于定子内，转子螺旋向上延伸至储液腔内和防掉帽连接，所述转子外壁为与定子内孔配合的螺旋线形，定子与转子共轭啮合。
进一步的，所述万向轴总成包括万向轴总成壳体、设于万向轴总成壳体内的万向轴和转子-万向轴接头，所述万向轴通过转子-万向轴接头与马达总成的转子底部连接，将转子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。
进一步的，所述传动轴总成包括传动轴、径向轴承和传动轴总成壳体，所述传动轴设于传动轴壳体内，径向轴承设于传动轴壳体和传动轴之间。
进一步的，所述传动轴总成还包括上径向轴承动圈和上径向轴承静圈，所述上径向轴承动圈和上径向轴承静圈设于径向轴承上的传动轴壳体和传动轴之间，并形成供润滑油润滑的润滑腔。
进一步的，所述传动轴总成还包括下径向轴承动圈和下径向轴承静圈，所述下径向轴承动圈和下径向轴承静圈设于径向轴承下的传动轴壳体和传动轴之间，并形成供润滑油润滑的润滑腔。
进一步的，所述传动轴总成还包括上径向轴承动圈、上径向轴承静圈、下径向轴承动圈和下径向轴承静圈；所述上径向轴承动圈和上径向轴承静圈设于径向轴承上的传动轴壳体和传动轴之间，并形成供润滑油润滑的润滑腔；所述下径向轴承动圈和下径向轴承静圈设于径向轴承下的传动轴壳体和传动轴之间，并形成供润滑油润滑的润滑腔。
进一步的，所述防掉帽和转子之间为螺纹连接。
本发明的有益技术效果是：与现有技术相比，本发明一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，利用气体钻井注入的高压气体推动活塞高速往复运动，驱动螺杆内部不可压缩液体实现自循环运动，利用液体推动螺杆转子转动，输出平稳和足够大的扭矩给钻头，从而实现气体钻井定向钻进作业。克服常规气体螺杆的“飞车”现象，实现气体钻井扭矩的平稳输出，延长钻具的使用寿命。本发明为气体钻定向井、水平井和大位移井技术提供了一种新的装备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具的三维视图；
图2是M-M剖面视图，为本发明的剖面结构视图；
图3是N-N剖面视图，为本发明的剖面结构视图；
图4是本发明的M-M剖面马达总成示意图；
图5是本发明的N-N剖面马达总成示意图；
图6是图4和图5中A-A剖面视图，为本发明的气缸进气流道凸轮机构示意图；
图7是图4和图5中B-B剖面视图，为本发明的气缸进气流道孔和排气流道孔示意图；
图8是本发明的凸轮机构三维示意图；
图9是本发明的马达总成活塞往复运动过程中气体和液体运动轨迹示意图；
图10是本发明的马达总成活塞往复运动过程中排出气体的运动轨迹示意图；
图11是本发明的排出气体在万向轴总成和传动轴总成中运动轨迹示意图；
图中标号：1-叶片、2-马达总成、3-万向轴总成、4-传动轴总成、5-进气口A、6-进气口B、7-凸轮、8-气缸A、9-气缸B、10-活塞A、11-活塞B、12-连杆、13-排气口A、14-排气口B、15-进液口A、16-进液口B、17-液缸A、18-液缸B、19-液体单向阀A、20-液体单向阀B、21-储液腔、22-排液口A、23-排液口B、24-注液腔、25-注液孔、26-防掉帽、27-转子、28-定子、29-马达总成壳体、30-转子-万向轴接头、31-万向轴、32-万向轴总成壳体、33-传动轴、34-上径向轴承动圈、35-上径向轴承静圈、36-径向轴承、37-下径向轴承动圈、38-下径向轴承静圈、39-传动轴总成壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
如图1-3所示，一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，包括叶片1、马达总成2、万向轴总成3、传动轴总成4、进气口A5、进气口B6、凸轮7、气缸A8、气缸B9、活塞A10、活塞B11、连杆12、排气口A13、排气口B14、进液口A15、进液口B16、液缸A17、液缸B18、液体单向阀A19、液体单向阀B20、储液腔21、排液口A22、排液口B23、注液腔24、注液孔25、防掉帽26、转子27、定子28、马达总成壳体29、转子-万向轴接头30、万向轴31、万向轴总成壳体32、传动轴33、上径向轴承动圈34、上径向轴承静圈35、径向轴承36、下径向轴承动圈37、下径向轴承静圈38和传动轴总成壳体39。
如图1所示，一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，包括从上至下依次连接马达总成2、万向轴总成3和传动轴总成4；
如图2-5所示，马达总成2包括叶片1、进气口A5、进气口B6、凸轮7、气缸A8、气缸B9、活塞A10、活塞B11、连杆12、排气口A13、排气口B14、进液口A15、进液口B16、液缸A17、液缸B18、液体单向阀A19、液体单向阀B20、储液腔21、排液口A22、排液口B23、注液腔24、注液孔25、防掉帽26、转子27、定子28和马达总成壳体29；
马达总成壳体内上部设置两个左右对称的空腔，空腔内设置活塞A和活塞B，活塞A和活塞B将空腔分为上部对应的气缸A和气缸B、下部对应的液缸A和液缸B，连杆设于活塞A和活塞B之间，进气口A和进气口B均对应设于气缸A和气缸B的上方，排气口A和排气口B均对应设于气缸A和气缸B的顶部，凸轮设于进气口与气缸之间、且与设于进气口A/B上方的叶片同轴连接，凸轮转动可控制进气口A、进气口B、排气口A和排气口B的开启或关闭，进液口A和进液口B对应设于液缸A和液缸B的外壁上、且和注液腔连通，液缸A和液缸B底部均通过对应的液体单向阀A和液体单向阀B和储液腔连通；定子设于马达总成的下部，为具有螺旋内孔的管子，转子设于定子内，转子螺旋向上延伸至储液腔内和防掉帽连接，转子外壁为与定子内孔配合的螺旋线形，定子与转子共轭啮合。
马达总成壳体接上部钻具，地面高压气体通过上部钻具和马达总成壳体进入螺杆钻具气缸流道，带动叶片转动，由于凸轮与叶片同轴，从而带动凸轮转动，从而控制气缸A、气缸B进气口和排气口的开启和关闭，气缸B的进气口B开启时气缸A的进气口A关闭，同时气缸B的排气口B关闭，气缸A的排气口A开启；高压气体由进气口B进入气缸B内，推动活塞B移动，带动液缸B的进液口B关闭，驱动液缸B内液体通过液体单向阀B进入储液腔，同时由于活塞A和活塞B通过连杆相连，活塞A向相反方向移动，从进液口A吸入自循环液体，并使气体由排气口A排出气缸A。
万向轴总成包括万向轴总成壳体32、设于万向轴总成壳体内的万向轴31和转子-万向轴接头30，万向轴通过转子-万向轴接头与马达总成的转子底部连接，将转子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。
传动轴总成包括传动轴33、径向轴承36和传动轴总成壳体39，传动轴设于传动轴壳体内，径向轴承设于传动轴壳体和传动轴之间。
为了保证传动轴平稳运转，传动轴总成还包括上径向轴承动圈34、上径向轴承静圈35、下径向轴承动圈37和下径向轴承静圈38；上径向轴承动圈和上径向轴承静圈设于径向轴承上的传动轴壳体和传动轴之间、并形成供润滑油润滑的润滑腔；下径向轴承动圈和下径向轴承静圈设于径向轴承下的传动轴壳体和传动轴之间、并形成供润滑油润滑的润滑腔；传动轴总成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，保证传动轴能够平稳输出扭矩和传递钻压。
如图6所示，通过凸轮的旋转控制进气口A、进气口B、排气口A和排气口B的开启和关闭，控制气体的流入和排出气缸A、气缸B。
如图7和图8所示，排气通道从气缸顶端绕过进气通道，因此B-B剖面视图中共有两个进气口，四个排气出口。
如图9所示，在具有压力能的液体进入储液腔后，通过转子与定子之间密封腔的形成、变化和消失，迫使转子在定子中作连续运动，转子转动带动万向轴旋转，再带动传动轴旋转，传动轴总成内径向滑动轴承承受钻压所产生的轴向和径向负荷，保证传动轴能够平稳输出扭矩，传动轴再将马达的旋转动力传递给钻头。液体经转子底部排液口A和排液口B流出，流入液体循环通道内，当进液口B开启时，液体流入液缸A中。可通过注液孔在地面向注液腔加入循环液体，保证马达内有充足的液体以满足驱动转子的要求。因此，液体在螺杆钻具马达中实现自循环，通过液体带动转子转动，克服常规气体螺杆的“飞车”现象，实现气体钻井扭矩的平稳输出，延长钻具的使用寿命。
如图10和图11所示，马达排出的气体经排气口B进入马达内气体流动通道，并通过万向轴总成，进入传动轴内，最终进入钻头，实现气体在螺杆钻具中的流动。万向轴把转子的偏心运动转换成定轴转动，再结合传动轴总成，将马达的转速和扭矩平稳地输出给钻头。
本发明气体钻井螺杆钻具两端均为母接头，一端连接上部钻具，另一端连接钻头。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，其特征在于，包括从上至下依次连接的马达总成、万向轴总成和传动轴总成，所述马达总成包括叶片、进气口A、进气口B、凸轮、气缸A、气缸B、活塞A、活塞B、连杆、排气口A、排气口B、进液口A、进液口B、液缸A、液缸B、液体单向阀A、液体单向阀B、储液腔、排液口A、排液口B、注液腔、注液孔、防掉帽、转子、定子和马达总成壳体；所述马达总成壳体内上部设置两个左右对称的空腔，所述空腔内设置活塞A和活塞B，所述活塞A和活塞B将空腔分为上部对应的气缸A和气缸B、下部对应的液缸A和液缸B，所述连杆设于活塞A和活塞B之间，所述进气口A和进气口B均对应设于气缸A和气缸B的上方，所述排气口A和排气口B均对应设于气缸A和气缸B的顶部，所述凸轮设于进气口A/B与气缸A/B之间、且与设于进气口A/B上方的叶片同轴连接，所述凸轮转动可控制进气口A、进气口B、排气口A和排气口B的开启或关闭，所述进液口A和进液口B对应设于液缸A和液缸B的外壁上、且和注液腔连通，所述液缸A和液缸B底部均通过对应的液体单向阀A和液体单向阀B和储液腔连通；所述定子设于马达总成的下部，为具有螺旋内孔的管子，所述转子设于定子内，转子螺旋向上延伸至储液腔内和防掉帽连接，所述转子外壁为与定子内孔配合的螺旋线形，定子与转子共轭啮合。
2.根据权利要求1所述气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，其特征在于，所述万向轴总成包括万向轴总成壳体、设于万向轴总成壳体内的万向轴和转子-万向轴接头，所述万向轴通过转子-万向轴接头与马达总成的转子底部连接，将转子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。
3.根据权利要求1所述气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，其特征在于，所述传动轴总成包括传动轴、径向轴承和传动轴总成壳体，所述传动轴设于传动轴壳体内，径向轴承设于传动轴壳体和传动轴之间。
4.根据权利要求3所述气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，其特征在于，所述传动轴总成还包括上径向轴承动圈和上径向轴承静圈，所述上径向轴承动圈和上径向轴承静圈设于径向轴承上的传动轴壳体和传动轴之间，并形成供润滑油润滑的润滑腔。
5.根据权利要求3所述气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，其特征在于，所述传动轴总成还包括下径向轴承动圈和下径向轴承静圈，所述下径向轴承动圈和下径向轴承静圈设于径向轴承下的传动轴壳体和传动轴之间，并形成供润滑油润滑的润滑腔。
6.根据权利要求3所述气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，其特征在于，所述传动轴总成还包括上径向轴承动圈、上径向轴承静圈、下径向轴承动圈和下径向轴承静圈；所述上径向轴承动圈和上径向轴承静圈设于径向轴承上的传动轴壳体和传动轴之间，并形成供润滑油润滑的润滑腔；所述下径向轴承动圈和下径向轴承静圈设于径向轴承下的传动轴壳体和传动轴之间，并形成供润滑油润滑的润滑腔。
7.根据权利要求1所述气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具，其特征在于，所述防掉帽和转子之间为螺纹连接。
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