CN110593752B - 基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具 - Google Patents

基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多级双柱塞‑偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，包括同轴设置的配流轴、外管和多级偏心齿轮驱动机构，配流轴通过多级偏心齿轮驱动机构悬挂支撑在外管内。本发明提供了一种钻井液水力驱动的新型旋转柱塞式动力钻具，柱塞结构加工精度高、成本低，柱塞式动密封效果好；通过带有偏心结构的行星齿轮系传递扭矩，提高了动力钻具的工作效率。多级双柱塞‑偏心齿轮机构驱动的动力钻具采用全金属结构，可耐高温环境；柱塞结构简单、密封效果好，钻具曲面加工难度小；有效缓解了金属密封效果差的问题；同时，采用模块化结构，可以安装多级柱塞结构进行接力式驱动，采用双柱塞结构保证内部力的平衡稳定且能够增大钻具扭矩。

Description

基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具
技术领域
本发明涉及一种动力钻具，尤其涉及一种高温钻井液驱动的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具。
背景技术
地球深部钻探、高温地热、超深井等高温深层钻井领域采用井底动力钻具驱动钻进与取心是必然选择。井底动力钻具主要有螺杆钻具和涡轮钻具两种基本类型。全金属的涡轮钻具具有耐高温、耐腐蚀等优点，是当前唯一能在超过250℃高温高压环境下钻进的动力钻具，但涡轮钻具转速高、扭矩低。螺杆钻具作为一种容积式动力钻具具有较好的机械输出特性，但其橡胶定子超过180℃高温螺杆马达将快速失效，无法适应井底高温工况下的长时间钻进作业。金属螺杆采用全金属结构的定子，定子的曲面结构加工难度大，易磨损，成本高。这些动力钻具在耐温性、加工特性、输出特性等方面存在的缺陷，严重影响了动力钻具的机械效率和使用寿命。
发明内容
针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种适用高温环境，加工简单、密封效果好且能够增大转矩扭矩的全金属井下动力钻具。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，包括同轴设置的配流轴、外管和多级偏心齿轮驱动机构，配流轴通过多级偏心齿轮驱动机构悬挂支撑在外管内；
偏心齿轮驱动机构包括同轴设置的行星齿轮系和对称设置于行星齿轮系两个侧面的柱塞驱动结构；行星齿轮系的行星架上设置有四个行星轮，行星齿轮系的齿圈与外管过盈配合；柱塞驱动结构包括安装块，安装块中心开通孔，所述通孔内径与行星齿轮系的太阳轮的内径相同；沿安装块的径向开有四个柱塞通道，四个柱塞通道成环形均布；在每个柱塞通道内填设与通孔滑动配合的柱塞；柱塞的壁上均一体成型有导向柱，导向柱的轴向与配流轴轴向相同，通孔对应导向柱的位置开设有导向槽；朝向行星齿轮系一侧的导向槽为通槽，导向柱穿出通槽与行星齿轮系上的行星轮一一对应偏心连接；
配流轴一端开口一端封闭，内腔为配流通道；多级偏心齿轮驱动机构间隔设置在配流轴上，太阳轮与配流轴通过键连接；配流轴上沿周向均匀开设四列进水口和四列出水槽，进水口与配流通道连通，各列进水口和出水槽之间相互间隔设置，相邻一列的进水口和出水槽之间的角度差为45°；相邻两级之间的偏心齿轮驱动机构之间的角度差为45°，当其中一级偏心齿轮驱动机构的柱塞通道与配流轴上的进水口正对导通时，与其相邻的偏心齿轮驱动机构的柱塞通道与出水槽正对导通。
优选地，所述进水口为腰型孔或椭圆形孔，所述柱塞通道的开口为圆孔，所述腰型孔或椭圆形孔的投影内切于圆孔。
优选地，所述进水口为圆孔，所述柱塞通道的开口为腰型孔或椭圆形孔，所述腰型孔或椭圆形孔的投影内切于圆孔。
优选地，所述外管对应配流轴开口的一端连接有接头，另一端连接有挡圈；还包括主轴，所述主轴***到挡圈内与配流轴封闭的一端连接，主轴通过轴承支撑于挡圈内。
优选地，所述出水槽与主轴通道连通。
优选地，所述挡圈另一端设置有端面密封件。
优选地，所述配流轴与主轴连接的一端向外延伸形成正多边形插头，主轴通道朝向配流轴的一端开设有对应的正多边形插孔。
优选地，所述出水槽延伸至正多边形插头的侧壁并在正多边形插头和正多边形插孔的配合面处形成过水间隙。
优选地，在两级偏心齿轮驱动机构之间以及两级偏心机构相对远离的一侧均设置有支撑结构，支撑结构相对配流轴固定连接，相对外管转动配合。
优选地，两级偏心齿轮驱动机构的两侧均采用机械密封的方式密封配流轴和偏心齿轮驱动机构之间的环形间隙的开口。
与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：
参考柱塞式马达，柱塞式活动密封效果较好，柱塞结构加工容易；通过行星齿轮系传递扭矩，提高了钻具的工作效率。基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具既有效消除了钻具密封效果不好的问题，又可以安装多节柱塞结构进行接力式驱动，采用双柱塞结构保证内部力的平衡性稳定且能够增大钻具扭矩。
具体的：
1.采用多级偏心齿轮驱动机构旋转接力，通过配流轴连接多级偏心齿轮驱动机构，使相邻各级之间的柱塞差接45°，循环接力克服旋转失效点，同时柱塞运动密封效果好，对加工要求较低，提供较大的扭矩。
2.采用悬挂式中心配流轴进行配流，且柱塞通道的开口与进水口一个为椭圆形孔或腰型孔，另外一个为圆孔，增大了柱塞通道进口的流量，同时与进水口错开45°，在配流轴的轴面上沿轴向开椭圆形的出水槽，出水槽对应两级偏心齿轮驱动机构对应设置，远离主轴的出水槽朝向主轴的一端开口，另一端封闭；靠近主轴的出水槽两端均为开口，其特点是配流进水和出水在同一轴上，极其简化了配流结构，优化了配流形式。
附图说明
图1为本实施例中动力钻具的剖面结构示意图；
图2为本实施例中配流轴的结构示意图；
图3为本实施例中偏心齿轮驱动机构的结构示意图；
图4为本实施例中柱塞与行星轮偏心连接关系示意图；
图5为本实施例中展示配流轴封闭一端的结构示意图；
图6为图1中A处虚线框内结构放大图；
图7为本实施例中动力钻具不包含外管和挡圈的结构示意图。
图中，1、外管；2、主轴；3、挡圈；4、接头；5、柱塞；6、柱塞通道；7、进水口；8、配流轴；9、支撑结构；10、行星轮；11、齿圈；12、端盖；13、出水槽；14、安装块；15、导向柱；16、过水间隙；17、太阳轮。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1和图7所示，一种基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，包括同轴设置的配流轴8、外管1和多级偏心齿轮驱动机构，配流轴8通过多级偏心齿轮驱动机构悬挂支撑在外管1内；
如图3和图4所示，偏心齿轮驱动机构包括同轴设置的行星齿轮系和对称设置于行星齿轮系两个侧面的柱塞驱动结构；行星齿轮系的行星架上设置有四个行星轮10，行星齿轮系的齿圈11与外管1过盈配合；柱塞驱动结构包括安装块14，安装块14中心开通孔，通孔内径与行星齿轮系的太阳轮17的内径相同；沿安装块14的径向开有四个柱塞通道6，四个柱塞通道6成环形均布；在每个柱塞通道6内填设与通孔滑动配合的柱塞5；柱塞5的壁上均一体成型有导向柱15，导向柱15的轴向与配流轴8轴向相同，通孔对应导向柱15的位置开设有导向槽；朝向行星齿轮系一侧的导向槽为通槽，导向柱15穿出通槽与行星齿轮系上的行星轮10一一对应偏心连接；具体的，通槽两侧边与导向柱15存在间隙保证行星轮10在转动过程中不会与柱塞5的直线冲程产生干涉。柱塞5做直线运动的同时会被行星轮10带动以自身轴心为旋转轴进行小幅度转动。
如图2所示，配流轴8一端开口一端封闭，内腔为配流通道；多级偏心齿轮驱动机构间隔设置在配流轴8上，太阳轮17与配流轴8通过键连接；配流轴8上沿周向均匀开设四列进水口7和四列出水槽13，进水口7与配流通道连通，各列进水口7和出水槽13之间相互间隔设置，相邻一列的进水口7和出水槽13之间的角度差为45°；相邻两级之间的偏心齿轮驱动机构之间的角度差为45°，当其中一级偏心齿轮驱动机构的柱塞通道6与配流轴8上的进水口7正对导通时，与其相邻的偏心齿轮驱动机构的柱塞通道6与出水槽13正对导通。
进水口7为腰型孔或椭圆形孔，柱塞通道6的开口为圆孔，腰型孔或椭圆形孔的投影内切于圆孔。反之，进水口7可以为圆孔，柱塞通道6的开口为腰型孔或椭圆形孔，腰型孔或椭圆形孔的投影内切于圆孔。此配合结构的特征在于增大柱塞通道6的进水流量。
外管1对应配流轴8开口的一端连接有接头4，另一端连接有挡圈3；还包括主轴2，主轴2***到挡圈3内与配流轴8封闭的一端连接，主轴2通过轴承支撑于挡圈3内。挡圈3另一端设置有端面密封件。
如图5和图6所示，出水槽13与主轴2通道连通。配流轴8与主轴2连接的一端向外延伸形成正多边形插头，主轴2通道朝向配流轴8的一端开设有对应的正多边形插孔，出水槽13延伸至正多边形插头的侧壁并在正多边形插头和正多边形插孔的配合面处形成过水间隙16。
在两级偏心齿轮驱动机构之间以及两级偏心机构相对远离的一侧均设置有支撑结构9，支撑结构9相对配流轴8固定连接，相对外管1转动配合。两级偏心齿轮驱动机构的两侧均采用机械密封的方式密封配流轴8和偏心齿轮驱动机构之间的环形间隙的开口。
本全金属动力钻具的配流过程：
高压水通过配流轴8的配流通道进入，经第一级偏心齿轮驱动机构的进水口7进入柱塞通道6内推动柱塞5工作，柱塞5推动行星轮10旋转，同时行星轮10绕中心太阳轮17顺时针旋转，带动柱塞驱动结构旋转，进而带动配流轴8及与其连接的主轴2旋转；此时，第一级偏心齿轮驱动机构柱塞通道6的开口旋转一定角度由进水口7经过进水口7和出水槽13之间的盲柱面最终转动至出水槽13(齿圈11、太阳轮17和行星轮10的齿数比为1:2:4，同时由于其角度设置关系，当柱塞5运动至最大行程时，行星轮10转动半圈，同时带动太阳轮17转动八分之一圈，而配流轴8上的各列出水槽13和进水口7恰好将配流轴8八等分)，同时第二级偏心齿轮驱动机构柱塞通道6由出水槽13经过出水槽13和进水口7之间的盲柱面最终转动至与其对应的进水口7，连通高压水，推动柱塞通道6内的柱塞5工作，具体行程与第一级偏心齿轮驱动机构的行程相同。同时在第二级偏心齿轮驱动机构带动第一级偏心齿轮驱动机构的柱塞5做回程运动，当经过与第一级偏心齿轮驱动机构对应的出水槽13位置时排出柱塞通道6内的水，为下次循环行程做准备，至此完成一个旋转循环，如此往复实现类似于柱塞马达的工作过程，保证其密封效果的同时增大了钻具的扭矩。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，包括同轴设置的配流轴(8)、外管(1)和多级偏心齿轮驱动机构，配流轴(8)通过多级偏心齿轮驱动机构悬挂支撑在外管(1)内；
偏心齿轮驱动机构包括同轴设置的行星齿轮系和对称设置于行星齿轮系两个侧面的柱塞驱动结构；行星齿轮系的行星架上设置有两对对称分布的行星轮(10)，行星齿轮系的齿圈(11)与外管(1)过盈配合；柱塞驱动结构包括安装块(14)，安装块(14)中心开通孔，所述通孔内径与行星齿轮系的太阳轮(17)的内径相同；沿安装块(14)的径向开有四个柱塞通道(6)，四个柱塞通道(6)成环形均布；在每个柱塞通道(6)内填设与通孔滑动配合的柱塞(5)；柱塞(5)的壁上均一体成型有导向柱(15)，导向柱(15)的轴向与配流轴(8)轴向相同，通孔对应导向柱(15)的位置开设有导向槽；朝向行星齿轮系一侧的导向槽为通槽，导向柱(15)穿出通槽与行星齿轮系上的行星轮(10)一一对应偏心连接；
配流轴(8)一端开口一端封闭，内腔为配流通道；多级偏心齿轮驱动机构间隔设置在配流轴(8)上，太阳轮(17)与配流轴(8)通过键连接；配流轴(8)上沿周向均匀开设四列进水口(7)和四列出水槽(13)，进水口(7)与配流通道连通，各列进水口(7)和出水槽(13)之间相互间隔设置，相邻一列的进水口(7)和出水槽(13)之间的角度差为45°；相邻两级之间的偏心齿轮驱动机构之间的角度差为45°，当其中一级偏心齿轮驱动机构的柱塞通道(6)与配流轴(8)上的进水口(7)正对导通时，与其相邻的偏心齿轮驱动机构的柱塞通道(6)与出水槽(13)正对导通。
2.根据权利要求1所述的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，所述进水口(7)为腰型孔或椭圆形孔，所述柱塞通道(6)的开口为圆孔，所述腰型孔或椭圆形孔的投影内切于圆孔。
3.根据权利要求1所述的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，所述进水口(7)为圆孔，所述柱塞通道(6)的开口为腰型孔或椭圆形孔，所述腰型孔或椭圆形孔的投影内切于圆孔。
4.根据权利要求2或3所述的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，所述外管(1)对应配流轴(8)开口的一端连接有接头(4)，另一端连接有挡圈(3)；还包括主轴(2)，所述主轴(2)***到挡圈(3)内与配流轴(8)封闭的一端连接，主轴(2)通过轴承支撑于挡圈(3)内。
5.根据权利要求4所述的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，所述出水槽(13)与主轴(2)通道连通。
6.根据权利要求4所述的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，所述挡圈(3)另一端设置有端面密封件。
7.根据权利要求5所述的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，所述配流轴(8)与主轴(2)连接的一端向外延伸形成正多边形插头，主轴(2)通道朝向配流轴(8)的一端开设有对应的正多边形插孔。
8.根据权利要求7所述的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，所述出水槽(13)延伸至正多边形插头的侧壁并在正多边形插头和正多边形插孔的配合面处形成过水间隙(16)。
9.根据权利要求1所述的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，在两级偏心齿轮驱动机构之间以及两级偏心机构相对远离的一侧均设置有支撑结构(9)，支撑结构(9)相对配流轴(8)固定连接，相对外管(1)转动配合。
10.根据权利要求9所述的基于多级双柱塞-偏心齿轮机构的全金属井下动力钻具，其特征在于，两级偏心齿轮驱动机构的两侧均采用机械密封的方式密封配流轴(8)和偏心齿轮驱动机构之间的环形间隙的开口。
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