CN110056309B - 定轴旋转容积式动力工具 - Google Patents

Abstract

本发明为定轴旋转容积式动力工具，包括外筒、内转子、外转子、止动环、止动环套、孔用卡簧、TC轴承外套、上TC轴承内套、下TC轴承内套、偏心轴承内套、偏心轴承外套组成；外筒上端接钻柱；内转子通过螺旋齿内啮合安装在外转子内并与外转子形成至少一个的共轭封闭腔，内转子的连续转动能导致共轭密封腔连续延轴向下移以保证工作介质(钻井液)循序向下推进；内转子上下两端设有偏心轴承，偏心轴承由偏心轴承内套和偏心轴承外套组成，偏心轴承偏心距等于内转子与外转子的中心距；外转子上部和下部均设有TC轴承；本发明可用作井下动力工具，装设在偏心轴承中的内转子在液压的作用下做定轴转动为井下工具组合提供旋转动力，消除了离心力带来的负面影响。

Description

定轴旋转容积式动力工具

技术领域

本发明涉及一种石油天然气行业钻井工程技术领域，特别是一种井下动力工具。

背景技术

目前国内外应用于油气井井下动力钻具主要有：螺杆钻具、涡轮钻具、电动钻具等。各类钻具在国内外的研究以及应用情况均有所不同，此外各类钻具所具有的优势和短板也不尽相同，如螺杆钻具工作扭矩与压降和结构有关而与转速无关，但有横向振动；涡轮钻具虽具有高速大扭矩的软特性，且无横向振动等优点，但输出转速过高、整机尺寸过长等缺点；电动钻具的输出转速较高，多级减速器结构复杂，可靠性差，井下电动机的绝缘和密封性能要求高。为了解决以上问题，特此提出定轴旋转容积式动力工具，保留上述大部分有点的同时以解决上述技术的缺陷。

发明内容

本发明提供定轴旋转容积式动力工具，以解决现有技术中的井下动力工具所存在横向震动的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了定轴旋转容积式动力工具，包括外筒、外转子、内转子、止动环、止动环套、孔用卡簧、TC轴承外套、上TC轴承内套、下TC轴承内套、偏心轴承内套、偏心轴承外套组成；外筒上端接钻柱；内转子通过螺旋齿内啮合安装在外转子内并与外转子形成至少一个的共轭封闭腔来容纳工作介质(钻井液)，内转子的连续转动能导致共轭密封腔连续延轴向下移以保证工作介质(钻井液)循序向下推进；内转子上下两端设有偏心轴承，偏心轴承由偏心轴承内套和偏心轴承外套组成，偏心轴承偏心距等于内转子与外转子的中心距；外转子上部和下部分别设有上TC轴承和下TC轴承。

进一步，所述外筒上部和下部均设置有锥形内螺纹，所述外筒上部和下部的内腔均设有卡簧槽，上部卡簧槽下方有止动环槽，下部卡簧槽上方有止动环槽，在止动环槽和卡簧槽之间设置有与止动环一侧的小凸台相配的凹槽，防止偏心轴承外套转动。

进一步，所述内转子上部和下部均设有中心孔，所述内转子上部和下部在中心孔处均设有至少一个通流孔；所述内转子中间为螺杆结构；所述内转子上端设有内六角结构；所述内转子下端设有螺纹，螺纹上部设有锥形面。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：所述内转子中心孔与通流孔可实现对钻井液的导流，螺纹上部锥形面可以保证与下端连接件的同轴度，所述内转子上端的内六角结构便于扳手将内转子旋入外转子内部。

进一步，所述外转子为轴套型结构，所述外转子上端内部设有定位台阶和内螺纹，下端外部设有定位台阶和外螺纹；所述外转子内部通过注胶工艺成型有与内转子相配合的螺杆曲面结构。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：外转子可以在狭窄的径向空间内实现上下端的轴向定位和装配TC轴承，从而保证外转子的定轴转动；外转子与内转子做齿轮内啮合的定轴转动。

进一步，所述偏心轴承外套一端烧结有硬质合金环，另一端设有两个等宽凹槽；所述偏心轴承外套中部设有与外径偏心的通孔，其通孔内烧结有硬质合金套；所述偏心轴承外套烧结有硬质合金环的一端设有台阶；所述偏心轴承外套设有若干通流孔；所述偏心轴承内套为轴套型结构，其外部烧结有硬质合金套；所述偏心轴承内套和偏心轴承外套组成为偏心轴承，偏心轴承的偏心距等于内转子与外转子的中心距。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：偏心轴承外套一端烧结的硬质合金环与上TC轴承内套上端部所烧结的硬质合金环相配合起到了对外转子转动过程中轴向力的承受；偏心轴承外套另一端两个对称等宽凹槽在止动环的作用下可以限制偏心轴承外套的转动；偏心轴承内套与偏心轴承外套所烧结的硬质合金套可以在恶劣的井下环境起到轴承的作用。

进一步，所述上TC轴承内套为轴套型结构，其上部烧结有硬质合金套，中间外部设有定位台阶，下端设有外螺纹；所述上TC轴承内套上端烧结有硬质合金环；上TC轴承内套下端与外转子上端通过螺纹连接，上TC轴承内套上部与TC轴承外套相配合形成上TC轴承。

进一步，所述下TC轴承内套为轴套型结构，其下部烧结有硬质合金套，下端内部设有螺纹；所述上TC轴承内套下端烧结有硬质合金环；下TC轴承内套与外转子下端通过螺纹连接，下TC轴承内套下部与TC轴承外套相配合形成下TC轴承。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：上TC轴承内套与TC轴承外套配合形成耐磨的上TC轴承；下TC轴承内套与TC轴承外套配合形成耐磨的下TC轴承，有效保证了外转子的定轴转动。

本发明的有益效果是：

本发明可直接用在钻具组合，外筒上下端连接在井下钻具组合中；与外壳轴线偏心的内转子和与外筒轴线同心的外转子在钻井液压力的作用下分别做定轴转动，内转子通过内转子下端螺纹将动力传递给下端；所述定轴旋转容积式动力工具的转速只与排量和结构有关，与其工况(钻压、扭矩等)无关；工作扭矩与压降和结构有关而与转速无关；其克服了涡轮钻具转速高、扭矩小的缺点，有着低转速、大扭矩特性，特别适合于钻井作业，尤其所述定轴旋转容积式动力工具定轴转动消除了常规螺杆马达带来的横向振动，减少了因为转子横向振动带来的负面影响，增加了橡胶的寿命，提高钻井作业效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

附图1为本发明定轴旋转容积式动力工具的剖面结构图。

附图2为附图1中A-A方向的剖面图。

附图3为附图1中B-B方向的剖面图。

附图4为本发明中偏心轴承的剖面结构图。

附图5为本发明中偏心轴承的结构示意图。

附图6为本发明中上TC轴承的剖面结构图。

附图7为本发明中下TC轴承的剖面结构图。

附图8为本发明中止动环与止动环套结构示意图。

附图9为本发明设置在轴向冲击器的实施方式结构图。

附图10为本发明设置在井下动力钻具的实施方式结构图。

图中：1－外筒、2－外转子、3－内转子、4－止动环、5－止动环套、6－孔用卡簧、7－TC轴承外套、8－上TC轴承内套、9－下TC轴承内套、10－偏心轴承内套、11－偏心轴承外套、01－定轴旋转容积式动力工具、02－冲击总成、03－联轴器总成、04－传动轴总成、05－钻头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1～10，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

如附图1所示，本发明提供定轴旋转容积式动力工具，包括外筒1、内转子3、外转子2、止动环4、止动环套5、孔用卡簧6、TC轴承外套7、上TC轴承内套8、下TC轴承内套9、偏心轴承内套10、偏心轴承外套11组成；所述外筒1上端接钻柱；如附图2、3所示，所述内转子3通过螺旋齿内啮合安装在外转子2内并与外转子2形成至少有一个的共轭封闭腔，内转子3上下两端设有偏心轴承；所述偏心轴承内套10和偏心轴承外套11组成为偏心轴承，偏心轴承的偏心距等于内转子3与外转子2的中心距；所述外转子2上部和下部分别设有上TC轴承和下TC轴承；所述止动环4成对使用置于偏心轴承外侧，止动环套5卡住止动环4，卡簧安装在卡簧槽限制止动环套5移动；这样，通过内转子3上端内六角结构将内转子3拧入外转子2内，从而内转子3和外转子2重合部分的截面曲线为一对共轭曲线，满足了齿轮传动的要求，也满足了容积式马达的密封要求，内转子3和外转子2形成内啮合齿轮组，当钻井液进入工具时，内转子3在两端偏心轴承的限制下做定轴转动并传递动力给下端，同时外转子2在上TC轴承和下TC轴承的限制下做定轴转动；如附图1、8所示，偏心轴承安装在内转子3上下两端，止动环4置于偏心轴承外侧，止动环套5卡住止动环4，孔用卡簧6安装在卡簧槽限制止动环套5移动；这样，本定轴容积式动力冲击工具可以直接安装在常规钻具组合中。

如附图4、5所示，所述偏心轴承由偏心轴承外套11和偏心轴承内套10组成，所述偏心轴承外套11一端烧结有硬质合金环，另一端设有两个等宽凹槽；所述偏心轴承外套11中部设有与外径偏心的通孔，通孔内烧结有硬质合金套；所述偏心轴承外套11烧结有硬质合金环的一端设有台阶；所述偏心轴承外套11设有若干通流孔；所述偏心轴承内套10为轴套型结构，其外部烧结有硬质合金套。这样，偏心轴承外套11一端烧结的硬质合金环与上TC轴承内套8上端部所烧结的硬质合金环相配合起到了对外转子2转动过程中轴向力的承受；偏心轴承外套11另一端两个等宽凹槽可以限制偏心轴承外套11的转动，偏心轴承外套11设置的通流孔可以导流钻井液，偏心轴承内套10与偏心轴承外套11所烧结的硬质合金套可以在恶劣的井下环境起到轴承的作用。

如附图6、7所示，所述上TC轴承内套8为轴套型结构，上部烧结有硬质合金套，中间外部设有定位台阶，下端设有外螺纹；所述上TC轴承内套8上端烧结有硬质合金环，上TC轴承内套8上部与TC轴承外套7相配合形成上TC轴承。所述下TC轴承内套9为轴套型结构，下部烧结有硬质合金套，下端内部设有螺纹；所述上TC轴承内套8下端烧结有硬质合金环，下TC轴承内套9下部与TC轴承外套7相配合形成下TC轴承。这样，上TC轴承和下TC轴承共同作用使外转子2做定轴转动并限制其轴向移动；上TC轴承内套8与TC轴承外套7之间存在的微小间隙可以流过钻井液对上TC轴承进行冷却，同时上述流经上TC轴承内套8与TC轴承外套7之间的钻井液也流经外转子2与外筒1之间的间隙对外转子2进行冷却。

本发明作为井下轴向冲击器中动力的实施方式结构图参见附图9，冲击总成02通过螺纹连接在定轴旋转容积式动力工具01中外壳的下端，在钻井作业时，内转子带动冲击总成02中动盘的定轴转动，动盘与静盘之间钻井液通流面积发生变化从而产生水击现象，进一步产生轴向冲击，提高钻头破岩效率和降低钻柱粘滑振动。

本发明作为井下动力钻具中动力的实施方式结构图参见附图10，联轴器总成03装设在定轴旋转容积式动力工具01中内转子3下端，进一步依次安装传动轴总成04与钻头05；在钻井过程中，定轴旋转容积式动力工具为钻头破碎岩石提供动力，具备了常规螺杆马达低转速、大扭矩特性的同时避免了常规螺杆马达工作时径向振动带来的负面影响。

本发明定轴旋转容积式动力工具还可作为设置在其他的井下工具上起到井下动力马达的效果。

本发明中为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、左、右、上、下、中等的位置关系是依据说明书附图1的布图方式来确定的，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (5)

1.定轴旋转容积式动力工具(01)，包括外筒(1)、内转子(3)、外转子(2)、止动环(4)、止动环套(5)、孔用卡簧(6)、TC轴承外套(7)、上TC轴承内套(8)、下TC轴承内套(9)、偏心轴承内套(10)、偏心轴承外套(11)组成；所述外筒(1)上端接钻柱；所述内转子(3)通过螺旋齿内啮合安装在外转子(2)内并与外转子(2)形成至少有一个的共轭封闭腔，内转子(3)上下两端设有偏心轴承；所述偏心轴承内套(10)和偏心轴承外套(11)组成为偏心轴承，偏心轴承的偏心距等于内转子(3)与外转子(2)的中心距；所述外转子(2)上部和下部分别设有上TC轴承和下TC轴承；所述止动环(4)成对使用置于偏心轴承外侧，止动环套(5)卡住止动环(4)，孔用卡簧(6)安装在卡簧槽限制止动环套(5)移动。

2.根据权利要求1所述定轴旋转容积式动力工具，其特征在于，所述外转子(2)为轴套型结构，所述外转子(2)上端内部设有定位台阶和内螺纹；所述外转子(2)下端外部设有定位台阶和外螺纹；所述外转子(2)内部通过注胶工艺成型有与内转子(3)相配合的螺杆曲面结构。

3.根据权利要求1所述定轴旋转容积式动力工具，其特征在于，所述偏心轴承外套(11)一端烧结有硬质合金环，另一端设有两个等宽凹槽；所述偏心轴承外套(11)中部设有与外径偏心的通孔，通孔内烧结有硬质合金套；所述偏心轴承外套(11)烧结有硬质合金环的一端设有台阶；所述偏心轴承外套(11)设有若干通流孔；所述偏心轴承内套(10)为轴套型结构，其外部烧结有硬质合金套。

4.根据权利要求1所述定轴旋转容积式动力工具，其特征在于，所述上TC轴承内套(8)为轴套型结构，其上部烧结有硬质合金套，中间外部设有定位台阶，下端设有外螺纹；所述上TC轴承内套(8)上端烧结有硬质合金环。

5.根据权利要求1所述定轴旋转容积式动力工具，其特征在于，所述下TC轴承内套(9)为轴套型结构，下部烧结有硬质合金套，下端内部设有螺纹；所述上TC轴承内套(8)下端烧结有硬质合金环。

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