一种扭矩平衡井下动力钻具
技术领域
本发明涉及一种用于油、气藏开发钻井过程中使用的扭矩平衡井下动力钻具。
背景技术
在油气田钻井开发过程中，需要钻头的旋转运动来破坏地层，以形成地面到目标储层的通道。钻头的旋转运动通常通过钻杆进行传输，随着钻井深度的增加，其整个钻柱的刚度将降低，增加了钻杆在该过程中，受到扭矩和钻压的作用时容易产生屈曲和失稳，特别是在定向井、水平井的钻进中，钻杆和井壁相接触，从而增加钻柱与井壁之间的摩擦力，需要更大的钻压，来克服二者之间的摩擦力，使得钻柱更容易产生失稳，造成钻井效率低，井眼轨迹差的现象，因此迫切需要一种井下工具来减少钻柱所受的扭矩。
发明内容
本发明的目的：发明涉及一种用于油、气藏开发钻井过程中使用的扭矩平衡井下动力钻具，能够平衡钻井过程钻柱所承受的扭矩。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是如下：
一种扭矩平衡井下动力钻具，包括马达头、上螺杆马达总成、下螺杆马达总成、扭矩平衡总成和钻头总成，所述马达头的左端与钻柱连接，马达头的右端与上螺杆马达总成连接，下螺杆马达总成的左端与上螺杆马达总成连接，右端与扭矩平衡总成连接，钻头总成与扭矩平衡总成连接。
所述马达头由上接头和旁通阀组成；所述上螺杆马达总成由上螺杆马达、上万向轴、外齿传动轴、外齿传动轴轴承Ⅰ、外齿传动轴轴承Ⅱ、传动轴填料Ⅰ、上环形堵丝Ⅰ、传动轴填料Ⅱ、上环形堵丝Ⅱ、上壳体Ⅰ、上壳体Ⅱ、双齿轮传动轴、上壳体Ⅲ组成。
所述下螺杆马达总成由下螺杆马达、下万向轴、下传动轴、下传动轴轴承Ⅰ、下环形堵丝Ⅰ、下传动轴填料Ⅰ、轴承座、轴承、下壳体Ⅰ、下壳体Ⅱ、套筒组成。
所述扭矩平衡总成由内齿传动轴、内齿传动轴轴承Ⅰ、下传动轴轴承Ⅱ、内齿传动轴轴承Ⅱ、内齿传动轴轴承Ⅲ、内齿传动轴填料Ⅰ、内齿传动轴填料Ⅱ、下传动轴填料Ⅱ、下环形堵丝Ⅰ、下环形堵丝Ⅱ、下环形堵丝Ⅲ、下壳体组成。
所述钻头总成由扩眼钻头和领眼钻头组成。
所述上螺杆马达、所述上万向轴和所述外齿传动轴依次连接；所述外齿传动轴为中空的阶梯轴，其左端有通液孔，中部有外啮合齿；所述双齿轮传动轴的两端具有齿轮；所述上壳体Ⅰ为筒体，其中部有矩形通孔；所述外齿传动轴安置于所述上壳体Ⅰ的内部，且所述外齿传动轴的外啮合齿通过所述上壳体Ⅰ的矩形通孔与所述双齿轮传动轴上左端的齿轮相啮合。所述外齿传动轴轴承Ⅰ安置于所述外齿传动轴的左端外侧，并在所述外齿传动轴和上壳体Ⅰ之间；所述外齿传动轴轴承Ⅱ安置于所述外齿传动轴的右端外侧，并在所述外齿传动轴和上壳体Ⅰ之间；所述上壳体Ⅰ的左端部内侧还有内螺纹，所述上环形堵丝Ⅰ与所述上壳体Ⅰ的左端部内侧的螺纹处相连接，所述传动轴填料Ⅰ安置于所述上环形堵丝Ⅰ的右侧，并在所述上壳体Ⅰ、所述上环形堵丝Ⅰ和所述外齿传动轴三者形成的空间内；所述上壳体Ⅱ为空心圆柱体，其左端与上壳体Ⅰ的右端相连接，所述上壳体Ⅱ为空心圆柱体，其右端部内侧还有内螺纹，所述上环形堵丝Ⅱ与所述上壳体Ⅱ右端部内侧的螺纹相连接，所述传动轴填料Ⅱ安置于所述上环形堵丝Ⅱ的左侧，并在所述上壳体Ⅱ、所述上环形堵丝Ⅱ和所述外齿传动轴形成的空间内。
所述下螺杆马达、所述下万向轴和所述下传动轴依次连接；所述下传动轴为中空的阶梯轴，其左端部开有通液孔；所属下壳体Ⅱ为空心的圆柱体，所述下传动轴安置于所述下壳体Ⅱ的内部；所述下传动轴轴承Ⅰ安置于所述下传动轴左段部，并在所述下传动轴和下壳体Ⅱ之间；所述下壳体Ⅱ的左端部还有内螺纹，所述下环形堵丝Ⅰ与所述下壳体Ⅱ的左端螺纹处相连接，所述下传动轴填料Ⅰ安置于下环形堵丝Ⅰ的右侧，并在所述下壳体Ⅱ、所述下环形堵丝Ⅰ和所述下传动轴形成的空间内；所述轴承安置于所述所述轴承座内，并与所述双齿传动轴相配合；所述下壳体Ⅰ左端与下螺杆马达连接，右端与所述下壳体Ⅱ连接。
所述内齿传动轴的左端有内齿轮，该内齿与所述双齿传动轴右端的外齿轮相啮合；所述套筒整体为圆空心圆柱体，其两端内侧有内螺纹，其左端与所述上壳体Ⅲ相连接；所述下壳体整体为空心圆柱体，其左端内侧有内螺纹，右端的外侧有外螺纹，右端的内侧有内螺纹；所述内齿传动轴轴承Ⅰ安置于所述内齿传动轴的左端部的内侧，并在所述内齿传动轴和所述下壳体之间；所述下传动轴轴承Ⅱ安置于所述下传动轴的右端部，并在所述下传动轴和所述下壳体之间；所述内齿传动轴轴承Ⅱ安置于所述内齿传动轴右端的外侧，并在所述内齿传动轴和所述套筒之间；所述内齿传动轴轴承Ⅲ安置于所述内齿传动轴右端的内侧，并在所述内齿传动轴和所述下壳体之间；所述下环形堵丝Ⅰ安置于所述下壳体的右端位置，并与所述下壳体右端的内螺纹相连接；所述下环形堵丝Ⅱ安置于所述下壳体的右端位置，并与所述下壳体右端的外螺纹相连接；所述下环形堵丝Ⅲ安置于所述套筒的右端部，并与所述套筒右端部的内螺纹相连接；所述内齿传动轴填料Ⅰ安置于所述下环形堵丝Ⅲ的左侧，并在所述下环形堵丝Ⅲ、所述内齿传动轴轴承Ⅱ、所述内齿传动轴和所述套筒形成的空间内；所述内齿传动轴填料Ⅱ安置于所述下环形堵丝Ⅱ的左侧、并在所述下环形堵丝Ⅱ、所述下壳体、所述内齿传动轴轴承Ⅲ和所述内齿传动轴形成的空间内；所述下传动轴填料安置于所述下环形堵丝Ⅰ的左侧，并在所述下环形堵丝Ⅰ、所述下壳体和所述下传动轴所形成的空间内；所述扩眼钻头与所述内齿传动轴的右端相连接，所述领眼钻头与所述下传动轴的右端相连接。
本发明具有的有益效果是：（1）上、下螺杆马达提供钻头破岩所需要的扭矩（2）利用齿轮机构的实现上、下螺杆扭矩的正、反向输出，通过扩眼钻头和领眼钻头的反转破岩实现钻柱扭矩的平衡。
附图说明
图1为本发明一种九局平衡井下动力钻具的剖面结构图。
图2为图1中马达头的剖面示意图。
图3为图1中上螺杆马达总成的剖面示意图。
图4为图1中下螺杆马达总成的剖面示意图。
图5为图1中扭矩平衡总成和钻头总成的剖面示意图。
图6为图1中向视图A-A。
图7为图1中向视图B-B。
附图中，各标号代表的部件列表如下：
01.马达头，011.上接头，02.上螺杆马达总成，012.旁通阀，021.上螺杆马达，022.上万向轴，023.外齿传动轴，024.外齿传动轴轴承Ⅰ，025.外齿传动轴轴承Ⅱ，026.传动轴填料Ⅰ，027.上环形堵丝Ⅰ，028.传动轴填料Ⅱ，029.上环形堵丝Ⅱ，0210.上壳体Ⅰ，0211.上壳体Ⅱ，0212.双齿轮传动轴，0213.上壳体Ⅲ；
03.下螺杆马达总成，031.下螺杆马达，032.下万向轴，033.下传动轴，034.下传动轴轴承Ⅰ，035.下环形堵丝Ⅰ，036.下传动轴填料Ⅰ，037.轴承座，038.轴承，039.下壳体Ⅰ，0310.下壳体Ⅱ，0311.套筒；
04.扭矩平衡总成，041.内齿传动轴，042.内齿传动轴轴承Ⅰ，043.下传动轴轴承Ⅱ，044.内齿传动轴轴承Ⅱ，045.内齿传动轴轴承Ⅲ，046.内齿传动轴填料Ⅰ，047.内齿传动轴填料Ⅱ，048.下传动轴填料Ⅱ，049.下环形堵丝Ⅰ，0410.下环形堵丝Ⅱ，0411 下环形堵丝Ⅲ，0412 下壳体；
05.钻头总成，051.扩眼钻头，052.领眼钻头。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1~7及实施例，对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体事例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明装置中包括马达头01、上螺杆马达总成02、下螺杆马达总成03、扭矩平衡总成04和钻头总成05组成，马达头01的左端与钻柱连接，马达头01的右端与上螺杆马达总成02连接，下螺杆马达总成03的左端与上螺杆马达总成02连接，右端与扭矩平衡总成04连接，钻头总成05与扭矩平衡总成04连接。
如图2所示，马达头01由上接头011和旁通阀012组成，旁通阀012保证在小流量及起管柱的过程中，形成管柱内部和环空之间的通道。
如图3所示，上螺杆马达总成02由上螺杆马达021、上万向轴022、外齿传动轴023、外齿传动轴轴承Ⅰ024、外齿传动轴轴承Ⅱ025、传动轴填料Ⅰ026、上环形堵丝Ⅰ027、传动轴填料Ⅱ028、上环形堵丝Ⅱ029、上壳体Ⅰ0210、上壳体Ⅱ0211、双齿轮传动轴0212、上壳体Ⅲ0213组成。
如图4所示，下螺杆马达总成03由下螺杆马达031、下万向轴032、下传动轴033、下传动轴轴承Ⅰ034、下环形堵丝Ⅰ035、下传动轴填料Ⅰ036、轴承座037、轴承038、下壳体Ⅰ039、下壳体Ⅱ0310、套筒0311组成。
如图5所示，扭矩平衡总成04由内齿传动轴041、内齿传动轴轴承Ⅰ042、下传动轴轴承Ⅱ043、内齿传动轴轴承Ⅱ044、内齿传动轴轴承Ⅲ045、内齿传动轴填料Ⅰ046、内齿传动轴填料Ⅱ047、下传动轴填料Ⅱ048、下环形堵丝Ⅰ049、下环形堵丝Ⅱ0410、下环形堵丝Ⅲ0411、下壳体0412组成；钻头总成05由扩眼钻头051和领眼钻头052组成。
当管柱内流量达到工作要求时，旁通阀012关闭，管柱内流体通过旁通阀012流入上螺杆马达021，驱动上螺杆马达021做旋转运动，上万向轴022连接与上螺杆马达021和外齿传动轴023之间，并将上螺杆马达021的非定心转动转变为定心转动。外齿传动轴023为中空的阶梯轴，其左端有通液孔，作为优选方案，本发明中通液孔的数量为4个。
双齿轮传动轴0212的两端具有齿轮，上壳体Ⅰ0210为筒体，其中部有矩形通孔；外齿传动轴023安置于上壳体Ⅰ0210的内部，外齿传动轴023中部有外啮合齿，外齿传动轴023的外啮合齿通过上壳体Ⅰ0210的矩形通孔与双齿轮传动轴0212上左端的齿轮相啮合，用以传递上螺杆马达021的扭矩。
为保证外齿传动轴023在上壳体0210内的旋转稳定性，外齿传动轴轴承Ⅰ024安置于外齿传动轴023的左端外侧，并在外齿传动轴023和上壳体Ⅰ0210之间，外齿传动轴轴承Ⅱ025安置于外齿传动轴023的右端外侧，并在外齿传动轴023和上壳体Ⅰ0210之间。
为保证外齿传动轴023和上壳体0210之间的密封性，将外齿传动轴023和上壳体0210之间使用填料密封，并使用环形堵丝对填料进行压紧。上环形堵丝Ⅰ027与上壳体Ⅰ0210的左端部内侧的螺纹处相连接，传动轴填料Ⅰ026安置于上环形堵丝Ⅰ027的右侧，并在上壳体Ⅰ0210、上环形堵丝Ⅰ027和外齿传动轴023三者形成的空间内；上壳体Ⅱ0211为空心圆柱体，其左端与上壳体Ⅰ0210的右端相连接，上壳体Ⅱ0211为空心圆柱体，其右端部内侧还有内螺纹，上环形堵丝Ⅱ029与上壳体Ⅱ0211右端部内侧的螺纹相连接，传动轴填料Ⅱ028安置于上环形堵丝Ⅱ029的左侧，并在上壳体Ⅱ0211、上环形堵丝Ⅱ029和外齿传动轴023形成的空间内。
管柱流体从外齿传动轴023流入下螺杆马达031、驱动下螺杆马达031做旋转运动，下万向轴032左端连接下螺杆马达031，右端连接下传动轴033，将下螺杆马达031的非定心转动转变为定心转动。下传动轴033为中空的阶梯轴，其左端部开有通液孔，作为优选方案，通液孔取四个；下壳体Ⅱ0310为空心的圆柱体，下传动轴033安置于下壳体Ⅱ0310的内部。
为保证下传动轴033在下壳体Ⅱ0310内稳定运转，在二者之间安装轴承，将下传动轴轴承Ⅰ034安置于下传动轴033左端部，并在下传动轴033和下壳体Ⅱ0310之间。
为保证下传动轴033和下壳体Ⅱ0310之间的密封性，在二者之间采用填料密封，并使用环形堵丝压紧。即下环形堵丝Ⅰ035与下壳体Ⅱ0310的左端螺纹处相连接，下传动轴填料Ⅰ036安置于下环形堵丝Ⅰ035的右侧，并在下壳体Ⅱ0310、下环形堵丝Ⅰ035和下传动轴033形成的空间内。
如图6所示，轴承038安置于轴承座037内，并与双齿传动轴0212相配合，作为优选方案，本次设计中双齿传动轴0212、轴承038和轴承座0337均取5个；下壳体Ⅰ039左端与下螺杆马达031连接，右端与下壳体Ⅱ0310连接。
如图7所示，内齿传动轴041的左端有内齿轮，该内齿与双齿传动轴0212右端的外齿轮相啮合，通过外齿传动轴023、双齿传动轴0212和内齿传动轴041三者之间的配合，将上螺杆马达021的扭矩传输到扩眼钻头051并改变上螺杆马达021的转向。
套筒0311整体为圆空心圆柱体，其两端内侧有内螺纹，其左端与上壳体Ⅲ0213相连接；下壳体0412整体为空心圆柱体，其左端内侧有内螺纹，右端的外侧有外螺纹，右端的内侧有内螺纹；内齿传动轴轴承Ⅰ042安置于内齿传动轴041的左端部的内侧，并在内齿传动轴041和下壳体0412 之间；下传动轴轴承Ⅱ043安置于下传动轴033的右端部，并在下传动轴033和下壳体0412之间；内齿传动轴轴承Ⅱ044安置于内齿传动轴041右端的外侧，并在内齿传动轴041和套筒0311之间；内齿传动轴轴承Ⅲ045安置于内齿传动轴041右端的内侧，并在内齿传动轴041和下壳体0412之间；下环形堵丝Ⅰ049安置于下壳体0412的右端位置，并与下壳体0412右端的内螺纹相连接；下环形堵丝Ⅱ0410安置于下壳体(0412)的右端位置，并与下壳体0412右端的外螺纹相连接；下环形堵丝Ⅲ0411安置于套筒0311的右端部，并与套筒0311右端部的内螺纹相连接；内齿传动轴填料Ⅰ046安置于下环形堵丝Ⅲ0411的左侧，并在下环形堵丝Ⅲ0411、内齿传动轴轴承Ⅱ044、内齿传动轴041和套筒0311形成的空间内；内齿传动轴填料Ⅱ047安置于、下环形堵丝Ⅱ0410的左侧、并在下环形堵丝Ⅱ0410、下壳体0412、内齿传动轴轴承Ⅲ045和内齿传动轴041形成的空间内；下传动轴填料048安置于下环形堵丝Ⅰ049的左侧，并在下环形堵丝Ⅰ049、下壳体0412和下传动轴033所形成的空间内；扩眼钻头051与内齿传动轴041的右端相连接，领眼钻头052与下传动轴033的右端相连接。通过扩眼钻头051和内齿传动轴041的反向转动，使之产生的扭矩相互平衡从而减少钻柱上所承受的扭矩。
