CN108240175B - 恒压式旋转振击螺杆马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒压式旋转振击螺杆马达，其包括外壳体以及其内安装的旋转机构，其中：旋转机构包括自上而下依次连接的容积式动力总成、传动轴以及定阀，定阀外壁中部与外壳体之间形成环空B且其环空内安装有能够绕定阀相对旋转的动阀；恒压式旋转振击马达安装在底部钻具组合与钻头之间，既符合常规“PDC+马达”复合钻井工艺技术要求，又能消除轴向振动，保持钻头的钻压恒定，有利于保护PDC钻头，延长钻头使用寿命；并且还能为PDC钻头破岩提供旋转振击能量，克服了深井、超深井钻井过程中轴向振动对PDC钻头的损坏，及破岩能量不足等问题，在满足防斜打直技术要求的基础上，进一步提高了钻井速度。

Description

恒压式旋转振击螺杆马达

技术领域

本发明属于石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等行业井下作业设备领域，具体涉及一种恒压式旋转振击马达。

背景技术

随着浅部油气藏的开发殆尽，深井、超深井的数量逐年增加，但随着井深的增加，岩层更加坚硬难以破碎，严重影响了机械钻速的提高，钻速的降低已经成为制约我国深层油气藏高效开发的技术瓶颈，而现有常规破岩钻井技术不能满足提速提效的工艺要求，国外对于先进提速技术保密垄断，限制了国内技术的发展。“PDC+马达”复合钻井工艺技术既能发挥PDC钻头高效切削的优势，又能进行复合钻进，防斜打直效果较好，还能降低地面机泵的能耗，因此在深井、超深井的钻探过程中得到了广泛应用，但为了防止井斜只能采用小钻压的钻井方式，而钻压是影响钻速的关键因素，对于常规“PDC+马达”工艺，钻压较小虽然有利于确保井身质量，有利于防斜打直，但在一定程度上是以牺牲钻速为代价的，现场实践证明，适当增大钻压能够大幅提高钻井速度，但容易造成井斜角过大，影响井身质量，并且导致井底钻头发生轴向振动，使得施加在钻头上的钻压不稳定，损坏钻头切削齿，减小钻头使用寿命，降低机械钻速，国内外相关研究结果表明，轴向减振工具越靠近钻头，减振效果越好，而现有螺杆马达不具备减振功能，如果将现有常规减振工具安装在螺杆马达的上部，就延长了减振工具到钻头的距离，从而降低了减振效果，并且目前未见到减振工具安装在马达与钻头之间的应用实例；现场实践证明，旋转振击效应能够有效提高PDC钻头的切削能量，防止粘滑振动的影响，保护钻头，对于提高钻速具有积极作用，国内外也提出了相关扭力冲击工具的专利（CN201520767504.6、CN201410514618.X、CN201310726252.8、CN201410306930.X、CN201310586179.9、CN201010511421.2、CN200910058083.9、CN201310698227.3、CN201420040141.1），但是现有扭力冲击工具结构复杂，零部件较多，体积较大，且扭力冲击工具需要在较大钻压条件下才能发挥功效，而钻压大时，不仅会造成井眼发生偏斜，影响井身质量，还会产生轴向振动，如果减小钻压，确保了井身质量，但又不能发挥扭力冲击工具的功效，目前国内外也未见到扭力冲击工具与马达配合使用的应用实例，由此可见，如果将常规扭力冲击工具与马达简单的连接起来，不仅影响“PDC+马达”工艺的提速效果，还可能引起马达内部结构的损坏；并且国内外现有马达只具有利用钻井液能量驱动钻头旋转的简单功能，不同时具备轴向减振或旋转振击的功能，因此急需设计研发一种既具有减振功能，且减振器尽可能靠近钻头，还能够产生旋转振击效应，在发挥PDC钻头技术优势的同时还能保护钻头，还要结构简单，性能可靠，维护操作方便的恒压式旋转振击螺杆马达，这对于发挥“PDC+马达”钻井工艺技术优势，进一步提高钻井破岩的效率，提升我国深层油气藏高效开发的钻井工艺技术水平，增强国际竞争力具有重要的经济价值和社会价值。

发明内容

为了进一步提高深井、超深井的钻井速度，在现有技术装备的基础上，既要充分发挥“PDC+马达”复合钻井工艺的提速优势，又要兼顾防斜打直效果，提高井眼质量的控制能力，还要降低钻井综合成本，缩短施工作业周期，满足深层油气藏高效开发钻井的工艺要求，打破国外在深井、超深井提高钻速方面的技术垄断。本发明的目的就是为石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等的现场提供一种具有减振或旋转振击功能的恒压式旋转振击马达。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种恒压式旋转振击螺杆马达，包括外壳体以及其内安装的旋转机构，其中：

所述旋转机构包括自上而下依次连接的容积式动力总成、传动轴以及定阀； 所述传动轴为中空管状且其与外壳体之间形成环空A，所述定阀上端与传动轴下端传动连接，且定阀外壁上下两端与外壳体之间形成密封配合，所述传动轴壁上设有将环空环空A与其内腔连通的旁通孔；

所述定阀外壁中部与外壳体之间形成环空B且其环空内安装有能够绕定阀相对旋转的动阀；所述定阀外壁中部对称设有两条轴向的导向块且将环空B间隔为对称布置的两个半腔，所述导向块与外壳体之间形成密封配合；所述动阀包括分别位于所述两半腔中的滑块，每个滑块分别将对应的半腔分为腔室A和腔室C且每个滑块的中央开槽并与外壳体、定阀包围构成腔室B；所述定阀的内腔中央通过安全阀分割为上下两腔，且上腔侧壁设有多个高压孔、下腔侧壁设有多个低压孔，所述高压孔与腔室B对应连通，所述低压孔与腔室A和腔室C对应连通；

所述定阀外壁上开设有两条槽型通道，用于分别连通腔室A与腔室B、腔室B与腔室C；当所述动阀绕定阀转动时，所述滑块上部能够交替打开槽型通道而将腔室A与腔室B、腔室B与腔室C分别连通，同时所述滑块下部能够将腔室A与腔室C交替连通低压孔。

进一步的，所述容积式动力总成与传动轴之间安装联轴器。

进一步的，所述传动轴与定阀之间安装弹簧，传动轴与定阀构成花键配合。

进一步的，所述传动轴下部设有花键，传动轴通过花键与定阀内壁构成花键配合。

进一步的，所述定阀外壁与外壳体内壁之间安装有密封装置、密封装置构成密封配合。

进一步的，所述传动轴和外壳体上部之间安装上扶正轴承；所述定阀下部与外壳体下部之间安装下扶正轴承。

进一步的，恒压式旋转振击马达还包括推力轴承，所述推力轴承安装传动轴与弹簧之间，并且安装在上扶正轴承下部。

本发明的原理是：定阀、动阀、外壳体内壁之间分别形成腔室A、腔室B、腔室C、腔室D、腔室E、腔室F（腔室A、腔室B、腔室C位于一个半腔，腔室D、腔室E、腔室F元位于另一个半腔，结构以及作用原理相同），在钻井液作用下，容积式动力总成产生旋转扭矩，通过联轴器传递至传动轴，由于传动轴与定阀之间是花键配合方式，因此定阀也随之转动，由于钻头直接与定阀下端相连，进而驱动钻头转动破岩；钻井液经过容积式动力总成后，经旁通孔进入传动轴，然后到达定阀内部，初始状态时，腔室A与腔室B连通，腔室D与腔室E连通，腔室C与腔室F经过低压孔与钻头连通，此时钻井液经过高压孔先进入腔室B与腔室D，然后进入腔室A与腔室E，此时腔室A与腔室E是高压腔，而腔室C与腔室F是低压腔，在高压钻井液的作用下，动阀开始顺时针快速转动，在这个过程中，腔室A与腔室E空间逐渐增大，腔室C与腔室F空间逐渐减小，且腔室内的钻井液通过低压孔流到钻头，当动阀与定阀撞击时就会产生旋转振击力，并由定阀传递至钻头，与此同时，腔室A与腔室B间的流道关闭，腔室D与腔室E间的流道关闭，高压钻井液无法再次进入，并且腔室A与腔室E经过低压孔与钻头连通，腔室A与腔室E转化为低压腔，而腔室B与腔室C连通，腔室D与腔室F连通，腔室C与腔室F转化为高压腔，随着钻井液的进入，动阀就会逆时针转动，随着动阀的转动，腔室A与腔室E空间逐渐减小，腔室内的钻井液经低压孔流到钻头，直至与定阀撞击，动阀逆时针撞击定阀时，腔室A与腔室B再次连通，腔室D与腔室E再次连通，腔室C与腔室F经过低压孔与钻头连通，高压钻井液即可驱动动阀顺时针撞击定阀，从而完成一次旋转振击的过程，连接腔室C与腔室F的低压孔的设计位置根据计算进行了专门优化设计，确保动阀逆时针回转撞击定阀产生的振击力较小，因为井底钻头是顺时针旋转切削岩石，因此逆时针方向的振击力对于提高钻头切削能量作用不大，而只需要顺时针方向的振击力。上述过程往复循环，就对钻头形成了旋转振击效应，进而提高了钻头切削岩石的能量。当井底钻头发生轴向振动时，由于钻头与定阀连接，因此钻头处的轴向振动经定阀传递至弹簧，弹簧压缩变形就能吸收钻头的轴向振动冲击力，当轴向振动减弱时，弹簧恢复伸长，由于弹簧缓冲了钻头处的轴向冲击力，因此确保了钻头与地层的平稳接触，保持了钻头上钻压的稳定，避免了冲击力对钻头切削齿的损坏，达到了保护钻头延长使用寿命的目的；由于动阀安装在定阀外部，定阀在轴向振动作用下发生轴向位移时，动阀也会随着一起移动，在轴向移动过程中，动阀与定阀仍然会在钻井液的作用下产生旋转振击效应，即恒压式旋转振击马达在减振保持钻头钻压稳定的同时又能增加钻头破岩能量，这是常规技术难以实现的。若动阀或定阀失效不能产生旋转振击效应，则钻井液无法经过动阀和定阀达到井底钻头，随着钻井液压力的不断升高，当压力超过安全阀的设定值时，安全阀就会打开，使钻井液直接流到钻头，而不影响钻井液的循环。恒压式旋转振击马达既能将液动能转化为机械能，产生旋转振击效应，提高钻头旋转破岩的切削力，又能吸收缓冲钻头的轴向振动，防止轴向冲击力对钻头的损坏，并保持钻头破岩钻压的平稳，这对于国内现有技 术装备条件下进一步提高深井、超深井的钻井效率具有重要意义。现场试验结果表明，利用恒压式旋转振击马达能够平均提高钻井效率38.2%-67.9%，节省钻井周期8-15天，且钻井质量符合设计标准，实现了低能耗、高效率的钻井目的。

同时，恒压式旋转振击马达还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便等特点。

附图说明

图1是依据本发明所提出的恒压式旋转振击马达结构示意图。

图2是依据本发明所提出的恒压式旋转振击马达A-A截面示意图。

图3是依据本发明所提出的恒压式旋转振击马达B-B截面示意图。

附图标记：1-外壳体，2-容积式动力总成，3-联轴器，4-旁通孔，5-上扶正轴承，6-传动轴，7-推力轴承，8-弹簧，9-花键，10-密封装置，11-定阀，12-安全阀，13-动阀，14-密封装置，15-下扶正轴承，16-高压孔，17-低压孔，18-腔体A，19-腔体B，20-腔体C，21-腔体D，22-腔体E，23-腔体F。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明。

如图1，恒压式旋转振击马达主要外壳体1、容积式动力总成2、联轴器3、旁通孔4、上扶正轴承5、传动轴6、推力轴承7、弹簧8、花键9、密封装置10、定阀11、安全阀12、动阀13、密封装置14、下扶正轴承15、高压孔16、低压孔17组成。容积式动力总成2与传动轴6之间安装联轴器3，传动轴6上部加工旁通孔4，传动轴6与外壳体1内壁之间安装上扶正轴承5，推力轴承7安装在上扶正轴承5下部，推力轴承7与定阀11之间安装弹簧8，传动轴6下部花键9，并与定阀11内壁花键槽构成花键配合。定阀11外壁与外壳体1内壁之间安装密封装置10、密封装置14，动阀13安装在定阀11外部，定阀11内部安装安全阀12，定阀11下部与外壳体1下部之间安装下扶正轴承15，定阀11上部加工高压孔16，下部加工低压孔17。

参照附图2和图3，定阀11、动阀13、外壳体1内壁之间分别形成腔室A18、腔室B19、腔室C20、腔室D21、腔室E22、腔室F23。定阀11外壁上开设有多条槽型通道，用于间歇性连通腔室A18与腔室B19、腔室B19与腔室C20，即腔室A18与腔室B19连通时，腔室B19与腔室C20不连通，但此时腔室C20通过低压孔17与钻头水眼连通。同理，腔室D21、腔室E22、腔室F23也同样通过槽型通道交替连通。

在钻井液作用下，容积式动力总成产生旋转扭矩，通过联轴器3传递至传动轴6，由于传动轴6与定阀11之间是花键配合方式，因此定阀11也随之转动，由于钻头直接与定阀11下端相连，进而驱动钻头转动破岩。钻井液经过容积式动力总成后，经旁通孔4进入传动轴6，然后到达定阀11内部。初始状态时，定阀11外壁上的槽型通道使得腔室A18与腔室B19连通，腔室D21与腔室E22连通，而且腔室C20与腔室F23经过低压孔17与钻头连通。此时钻井液经过高压孔16先进入腔室B19与腔室D21，然后进入腔室A18与腔室E22，此时腔室A18与腔室E22是高压腔，而腔室C20与腔室F23是低压腔。在高压钻井液的作用下，动阀13开始顺时针快速转动，在这个过程中，腔室A18与腔室E22空间逐渐增大，腔室C20与腔室F23空间逐渐减小，且腔室内的钻井液通过低压孔17流到钻头。当动阀13与定阀11撞击时就会产生旋转振击力，并由定阀11传递至钻头，与此同时，腔室A18与腔室B19间的流道关闭，腔室D21与腔室E22间的流道关闭，高压钻井液无法再次进入，并且腔室A18与腔室E22经过低压孔17与钻头连通，腔室A18与腔室E22转化为低压腔，而定阀11外壁上的槽型通道使得腔室B19与腔室C20连通，腔室D21与腔室F23连通，腔室C20与腔室F23转化为高压腔。随着钻井液的进入，动阀13就会逆时针转动，随着动阀13的转动，腔室A18与腔室E22空间逐渐减小，腔室内的钻井液经低压孔17流到钻头，直至动阀13与定阀11撞击，动阀13逆时针撞击定阀11时，腔室A18与腔室B19再次连通，腔室D21与腔室E22再次连通，腔室C20与腔室F23经过低压孔与钻头连通，高压钻井液即可驱动动阀顺时针撞击定阀，从而完成一次旋转振击的过程。连接腔室C20与腔室F23的低压孔的设计位置根据计算进行了专门优化设计，确保动阀13逆时针回转撞击定阀11产生的振击力较小，因为井底钻头是顺时针旋转切削岩石，因此逆时针方向的振击力对于提高钻头切削能量作用不大，而只需要顺时针方向的振击力。上述过程往复循环，就对钻头形成了旋转振击效应，进而提高了钻头切削岩石的能量。

当井底钻头发生轴向振动时，由于钻头与定阀11连接，因此钻头处的轴向振动经定阀传递至弹簧8，弹簧8压缩变形就能吸收钻头的轴向振动冲击力，当轴向振动减弱时，弹簧8恢复伸长，由于弹簧8缓冲了钻头处的轴向冲击力，因此确保了钻头与地层的平稳接触，保持了钻头上钻压的稳定，避免了冲击力对钻头切削齿的损坏，达到了保护钻头延长使用寿命的目的；由于动阀13安装在定阀11外部，定阀11在轴向振动作用下发生轴向位移时，动阀13也会随着一起移动，在轴向移动过程中，动阀13与定阀11仍然会在钻井液的作用下产生旋转振击效应，即恒压式旋转振击马达在减振保持钻头钻压稳定的同时又能增加钻头破岩能量，这是常规技术难以实现的。

若动阀13或定阀11失效不能产生旋转振击效应，则钻井液无法经过动阀13和定阀11达到井底钻头，随着钻井液压力的不断升高，当压力超过安全阀12的设定值时，安全阀12就会打开，使钻井液直接流到钻头，而不影响钻井液的循环。恒压式旋转振击马达既能将液动能转化为机械能，产生旋转振击效应，提高钻头旋转破岩的切削力，又能吸收缓冲钻头的轴向振动，防止轴向冲击力对钻头的损坏，并保持钻头破岩钻压的平稳，这有利于在现有地面机泵条件下进一步提高深井、超深井的钻井效率。

Claims (4)

1.一种恒压式旋转振击螺杆马达，其特征在于：包括外壳体（1）以及其内安装的旋转机构，其中：所述旋转机构包括自上而下依次连接的容积式动力总成（2）、传动轴（6）以及定阀（11）；所述传动轴（6）为中空管状且其与外壳体（1）之间形成环空A，所述定阀（11）上端与传动轴（6）下端传动连接，且定阀（11）外壁上下两端与外壳体（1）之间形成密封配合，所述传动轴（6）壁上设有将环空A与其内腔连通的旁通孔（4）；所述定阀（11）外壁中部与外壳体（1）之间形成环空B且该环空内安装有能够绕定阀（11）相对旋转的动阀（13）；所述定阀（11）外壁中部对称设有两条轴向的导向块且将环空B间隔为对称布置的两个半腔，所述导向块与外壳体（1）之间形成密封配合；所述动阀（13）包括分别位于所述两个半腔中的滑块，每个滑块分别将对应的半腔分为腔室A（18）和腔室C（20）且每个滑块的中央开槽并与外壳体（1）、定阀（11）包围构成腔室B（19）；所述定阀（11）的内腔中央通过安全阀（12）分割为上下两腔，且上腔侧壁设有多个高压孔（16）、下腔侧壁设有多个低压孔（17），所述高压孔（16）与腔室B（19）对应连通，所述低压孔（17）与腔室A（18）和腔室C（20）对应连通；所述定阀（11）外壁上开设有两条槽型通道，用于分别连通腔室A（18）与腔室B（19）、腔室B（19）与腔室C（20）；当所述动阀（13）绕定阀（11）转动时，所述滑块上部能够交替打开槽型通道而将腔室A（18）与腔室B（19）、腔室B（19）与腔室C（20）分别连通，同时所述滑块下部能够将腔室A（18）与腔室C（20）交替连通低压孔（17）；所述容积式动力总成（2）与传动轴（6）之间安装联轴器（3）；所述传动轴（6）与定阀（11）之间安装弹簧（8），传动轴（6）与定阀（11）构成花键配合；所述传动轴（6）下部设有花键（9），传动轴（6）通过花键（9）与定阀（11）内壁构成花键配合。

2.根据权利要求1所述的恒压式旋转振击螺杆马达，其特征是：所述定阀（11）外壁与外壳体（1）内壁之间安装有密封装置（10）、密封装置（14）构成密封配合。

3.根据权利要求1或2所述的恒压式旋转振击螺杆马达，其特征是：所述传动轴（6）和外壳体（1）上部之间安装上扶正轴承（5）；所述定阀（11）下部与外壳体（1）下部之间安装下扶正轴承（15）。

4.根据权利要求3所述的恒压式旋转振击马达，其特征是：还包括推力轴承（7），所述推力轴承（7）安装传动轴（6）与弹簧（8）之间，并且安装在上扶正轴承（5）下部。