一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术具有平稳输出扭矩、延长钻具使用寿命的效能。

【技术实现步骤摘要】
一种气驱液自循环的气体钻井螺杆钻具
本专利技术涉及钻井设备
，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。
技术介绍
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。因此设计专利技术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。本专利技术立足于材料力学、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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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。本专利技术的有益技术效果是：与现有技术相比，本专利技术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。本专利技术为气体钻定向井、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专利技术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专利技术的一些实施例，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是本专利技术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，为本专利技术的剖面结构视图；图3是N-N剖面视图，为本专利技术的剖面结构视图；图4是本专利技术的M-M剖面马达总成示意图；图5是本专利技术的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，为本专利技术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，为本专利技术的气缸进气流道孔和排气流道孔示意图；图8是本专利技术的凸轮机构三维示意图；图9是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：林铁军，张强，练章华，陈勇，张颖，李皋，何勇，于浩，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51