一種滑塊式井下動力鑽具的製作方法
2023-12-11 22:17:22 4
本實用新型涉及資源礦產鑽井裝備技術領域，具體涉及一種滑塊式井下動力阻鑽具，適用於小、中、大口徑的動力鑽具系列。
背景技術：
隨著我國淺層礦藏和常規油氣資源越來越少，品位越來越低，深部礦藏和常規、非常規油氣資源的地質勘探與開發成為國家可持續發展必不可少的途徑之一。我國深層礦產資源和頁巖油、頁巖氣、煤層氣和天然氣水合物等非常規油氣資源儲量豐富，高效、快速勘探和開發地下深部資源對於提升我國綜合國力具有重大的推動作用和實際意義。實踐表明，井下動力鑽具可以使鑽頭取得較高的機械鑽速並可大幅度降低鑽探成本。因此，開展新型高效節能井下近鑽頭動力鑽具系統的研究變得十分迫切。
目前，國內外開發和利用的液力式井下動力鑽具主要有兩種，一是葉片式渦輪鑽具，二是容積式螺杆鑽具。其中渦輪鑽具整體上呈積木式的結構，一般直徑較大，同時因為轉速太高，會安裝有專用的減速器等功能節，使鑽具結構複雜化。其工作特性是：扭矩與轉速成反比，其輸出的功率存在最大值，為渦輪鑽具的理想工作負載點。具有軟的機械特性，過載能力差，隨著鑽壓增大導致切削阻力增大時會引起鑽速下降，易造成制動。壓降不因載荷的變化而變化，功率和扭矩受直徑的影響甚大；螺杆鑽具整體呈一體式結構，馬達的定子材料是丁晴橡膠，易在工作時失效，影響鑽具的使用壽命。其工作特性是：具有相對於渦輪鑽具硬的機械特性，過載能力較強。但功率和轉速的輸出受鑽具直徑影響較大，且扭矩越大轉速越低，當超過工作壓差時，泵壓突然上升，鑽具會發生急劇制動。
技術實現要素：
本實用新型旨在針對上述技術所存在的不足，提出新的設計工作機理——閉式流體傳壓機理，研製新型的井下動力鑽具，開發適用於小、中、大口徑的動力鑽具系列，滿足各類鑽進的需要。
本實用新型包括動力短節，動力短節包括上端蓋、密封圈、上滾動軸承、上殼體、尼龍盤、下殼體、花鍵、過渡軸、下端蓋、下滾動軸承、格萊圈、下短節、下中軸、傳動軸軸套、軸承組、TC套、上隔板、下靜套、下傳動軸殼體、第一銷釘、第二銷釘、第三銷釘、第四銷釘、第五銷釘、第一配流軸、第二配流軸、第三配流軸、第一定子殼體、第二定子殼體、第三定子殼體、第一滑塊、第二滑塊、第三滑塊、第一調整墊、第二調整墊、第三調整墊、第四調整墊、第五調整墊、第六調整墊、第七調整墊、第八調整墊、第一配流盤、第二配流盤、第三配流盤、第一過渡節、第二過渡節、第三過渡節、第一軸套、第二軸套、第三軸套；
上端蓋通過第一銷釘固定在上殼體上，第一配流軸通過上滾動軸承與上殼體連接，密封圈設置在上端蓋與上滾動軸承之間；第一定子殼體通過臺階定位在第一配流軸上，第一滑塊安裝在第一定子殼體中，第一配流盤通過第二銷釘固定在第一定子殼體下端，第一定子殼體與第一配流盤之間設有第一調整墊，第一過渡節通過第一軸套連接在第一配流軸末端，第一過渡節上端固定第二調整墊，下端固定第三調整墊；第一配流軸依次連接的第一定子殼體、第一配流盤、第一過渡節組成一級動力機構通過鍵與上殼體連接；第一配流軸一端、第二配流軸兩端、第三配流軸一端均加工有連接鍵槽和連接鍵，
第一配流盤通過連接鍵槽和連接鍵與第二配流軸插接；第二定子殼體通過臺階定位在第二配流軸上，第二滑塊安裝在第二定子殼體中，第二配流盤通過第三銷釘固定在第二定子殼體下端，第二定子殼體與第二配流盤之間設有第四調整墊，第二過渡節通過第二軸套連接在第二配流軸末端，第二過渡節上端固定第五調整墊，第二過渡節下端固定第六調整墊；第二配流軸依次連接的第二定子殼體、第二配流盤、第二過渡節組成二級動力機構通過鍵與上殼體連接；第二配流軸通過連接鍵槽和連接鍵與第三配流軸插接，第三定子殼體通過臺階定位在第三配流軸上，第三滑塊安裝在第三定子殼體中，第三配流盤通過第四銷釘固定在第三定子殼體下端，第三定子殼體與第三配流盤之間設有第七調整墊，第三過渡節通過第三軸套連接在第三配流軸末端，第三過渡節上端固定第八調整墊；第三配流軸依次連接的第三定子殼體、第三配流盤、第三過渡節組成二級動力機構通過鍵與上殼體連接；第三配流軸通過螺紋與花鍵連接，尼龍盤固定在第三配流軸與花鍵之間；花鍵通過鍵定位在過渡軸內部，過渡軸通過下滾動軸承與下殼體連接，下端蓋通過臺階定位在下滾動軸承上端；下殼體末端設有格萊圈與過渡軸下端連接，過渡軸的壁上均布有若干孔提供井下流體通道；上殼體與下殼體通過螺紋連接。
所述的第一定子殼體、第二定子殼體和第三定子殼體均加工有若干定位鍵、定位卡槽、配流口及配流環槽、流體高壓入口。第一定子殼體、第二定子殼體和第三定子殼體均通過定位鍵與鑽具上殼體連接，滑塊通過定位卡槽定位，配流口及配流環槽在軸向上層配流，並與配流軸形成高壓配流體系。
第一滑塊、第二滑塊、第三滑塊均包括定位卡塊、傳扭卡塊和復位彈簧。定位卡塊與復位彈簧組裝使滑塊定位在定子殼體的定位卡槽中，傳扭卡塊與復位彈簧組裝限位在配流軸的傳扭卡槽中。
所述的第一配流軸、第二配流軸、第三配流軸均加工有若干傳扭卡槽、連接鍵和連接鍵槽，軸上還加工有三層高壓配流口進行軸配流。
第一定子殼體、第二定子殼體和第三定子殼體、第一滑塊、第二滑塊、第三滑塊、第一配流軸、第二配流軸、第三配流軸組成動力馬達，兩滑塊之間形成的空間為高壓腔，滑塊與定子殼體之間的扇形空間為低壓腔。
第一配流盤、第二配流盤、第三配流盤表面均布有若干低壓流體排口為低壓腔體提供流體排出通道。
下短節、下中軸、傳動軸軸套、軸承組、TC套、上隔板、下靜套、下傳動軸殼體組成下傳動軸總成，下短節上端與過渡軸螺紋連接，下端與下中軸螺紋連接，傳動軸軸套通過臺階定位在下短節下端與下中軸螺紋連接處，傳動軸軸套下端安裝有軸承組，下中軸通過軸承組與下傳動軸殼體連接，下傳動軸殼體與下殼體螺紋連接；TC套通過臺階定位在下中軸下端，下靜套通過臺階定位在下傳動軸殼體末端，上隔板通過臺階定位在TC套和下靜套之間。
本實用新型的有益效果如下：
1、本實用新型的動力機構為積木式結構，結構要簡單，易於拆卸維修，降低了鑽具損壞的可能性，提高了鑽具本身的使用壽命，同時能夠根據具體的工況條件對鑽具結構做出相應地調整。
2、本實用新型採用閉式流體傳壓機理，鑽具可實現扭矩與工作壓力成正比，轉速與輸入流量成正比，產生大扭矩，高轉速，扭矩與轉速的輸出互不幹擾的效果。並且動力鑽具的過載能力強，機械性好，能量的轉換率高。
附圖說明
圖1為本實用新型的結構示意圖。
圖2為本實用新型動力馬達的結構示意圖。
圖3為本實用新型動力馬達的半剖圖。
圖4為本實用新型配流軸的結構示意圖。
具體實施方式
請參閱圖1至圖4所示，本實用新型包括動力短節，動力短節包括上端蓋1、密封圈2、上滾動軸承4、上殼體13、尼龍盤14、下殼體15、花鍵16、過渡軸17、下端蓋18、下滾動軸承19、格萊圈20、下短節21、下中軸22、傳動軸軸套23、軸承組24、TC套25、上隔板26、下靜套27、下傳動軸殼體28、第一銷釘31、第二銷釘32、第三銷釘33、第四銷釘34、第五銷釘35、第一配流軸51、第二配流軸52、第三配流軸53、第一定子殼體61、第二定子殼體62、第三定子殼體63、第一滑塊71、第二滑塊72、第三滑塊73、第一調整墊81、第二調整墊82、第三調整墊83、第四調整墊84、第五調整墊85、第六調整墊86、第七調整墊87、第八調整墊88、第一配流盤91、第二配流盤92、第三配流盤93、第一過渡節101、第二過渡節102、第三過渡節103、第一軸套111、第二軸套112、第三軸套113；
上端蓋1通過第一銷釘31固定在上殼體13上，第一配流軸51通過上滾動軸承4與上殼體13連接，密封圈2設置在上端蓋1與上滾動軸承4之間；第一定子殼體61通過臺階定位在第一配流軸51上，第一滑塊71安裝在第一定子殼體61中，第一配流盤91通過第二銷釘32固定在第一定子殼體61下端，第一定子殼體61與第一配流盤91之間設有第一調整墊81，第一過渡節101通過第一軸套111連接在第一配流軸51末端，第一過渡節101上端固定第二調整墊82，下端固定第三調整墊83；第一配流軸51依次連接的第一定子殼體61、第一配流盤91、第一過渡節101組成一級動力機構通過鍵與上殼體13連接；第一配流軸51一端、第二配流軸52兩端、第三配流軸53一端均加工有連接鍵槽和連接鍵，
第一配流盤91通過連接鍵槽和連接鍵與第二配流軸52插接；第二定子殼體62通過臺階定位在第二配流軸52上，第二滑塊72安裝在第二定子殼體62中，第二配流盤92通過第三銷釘33固定在第二定子殼體62下端，第二定子殼體62與第二配流盤92之間設有第四調整墊84，第二過渡節102通過第二軸套112連接在第二配流軸52末端，第二過渡節102上端固定第五調整墊85，第二過渡節102下端固定第六調整墊86；第二配流軸52依次連接的第二定子殼體62、第二配流盤92、第二過渡節102組成二級動力機構通過鍵與上殼體13連接；第二配流軸52通過連接鍵槽和連接鍵與第三配流軸53插接，第三定子殼體63通過臺階定位在第三配流軸53上，第三滑塊73安裝在第三定子殼體63中，第三配流盤93通過第四銷釘34固定在第三定子殼體63下端，第三定子殼體63與第三配流盤93之間設有第七調整墊87，第三過渡節103通過第三軸套113連接在第三配流軸53末端，第三過渡節103上端固定第八調整墊88；第三配流軸53依次連接的第三定子殼體63、第三配流盤93、第三過渡節103組成二級動力機構通過鍵與上殼體13連接；第三配流軸53通過螺紋與花鍵16連接，尼龍盤14固定在第三配流軸53與花鍵16之間；花鍵16通過鍵定位在過渡軸17內部，過渡軸17通過下滾動軸承19與下殼體15連接，下端蓋18通過臺階定位在下滾動軸承19上端；下殼體15末端設有格萊圈20與過渡軸17下端連接，過渡軸17的壁上均布有若干孔171提供井下流體通道；上殼體13與下殼15體通過螺紋連接。
所述的第一定子殼體61、第二定子殼體62和第三定子殼體63均加工有若干定位鍵601、定位卡槽602、配流口及配流環槽606、流體高壓入口607。第一定子殼體61、第二定子殼體62和第三定子殼體63均通過定位鍵601與鑽具上殼體13連接，滑塊通過定位卡槽602定位，配流口及配流環槽606在軸向上三層配流，並與配流軸形成高壓配流體系。
第一滑塊71、第二滑塊72、第三滑塊73均包括定位卡塊70、傳扭卡塊50和復位彈簧605。定位卡塊70與復位彈簧605組裝使滑塊定位在定子殼體的定位卡槽602中，傳扭卡塊50與復位彈簧605組裝限位在配流軸的傳扭卡槽501中。
所述的第一配流軸51、第二配流軸52、第三配流軸53均加工有若干傳扭卡槽501、連接鍵502和連接鍵槽503，軸上還加工有三層高壓配流口504進行軸配流。
第一定子殼體61、第二定子殼體62和第三定子殼體63、第一滑塊71、第二滑塊72、第三滑塊73、第一配流軸51、第二配流軸52、第三配流軸53組成動力馬達，兩滑塊之間形成的空間為高壓腔603，滑塊與定子殼體之間的扇形空間為低壓腔604。
第一配流盤91、第二配流盤92、第三配流盤93表面均布有若干低壓流體排口90為低壓腔體603提供流體排出通道。
下短節21、下中軸22、傳動軸軸套23、軸承組24、TC套25、上隔板26、下靜套27、下傳動軸殼體28組成下傳動軸總成，下短節21上端與過渡軸17螺紋連接，下端與下中軸22螺紋連接，傳動軸軸套23通過臺階定位在下短節21下端與下中軸22螺紋連接處，傳動軸軸套23下端安裝有軸承組24，下中軸22通過軸承組24與下傳動軸殼體28連接，下傳動軸殼體28與下殼體15螺紋連接；TC套25通過臺階定位在下中軸22下端，下靜套27通過臺階定位在下傳動軸殼體28末端，上隔板26通過臺階定位在TC套25和下靜套27之間。
本實用新型的工作過程：
圖2和圖3為滑塊式動力機構的初始狀態，第二滑塊721受高、低壓腔壓力差的作用逆時針轉動，同樣第二滑塊722受高、低壓腔壓力差的作用也逆時針轉動，此時第二滑塊721和第二滑塊722上的傳扭卡塊在復位彈簧的作用下，卡到中間軸的傳扭卡槽中，帶動中間軸同步轉動，將滑塊的轉速和扭矩通過配流軸傳遞給井下的碎巖工具，實現液力能向機械能的轉化。第二滑塊723和第二滑塊724分別受到來自於高壓腔的高壓作用而有成順時針轉動的趨勢，同時其上面的定位卡塊在復位彈簧的作用下卡在定子的卡槽中，阻止了滑塊向後倒退，使滑塊保持在靜止狀態。轉動60度後，此時第二滑塊721和第二滑塊723相接觸，第二滑塊722和第二滑塊724相接觸，原來的低壓腔體轉變為高壓腔體，高壓腔體轉變為低壓腔體，第二滑塊721和第二滑塊722受到高壓腔的高壓作用和卡塊的定位作用而保持靜止，而第二滑塊723和第二滑塊724開始受高、低壓腔體間的壓力差作用逆時針轉動，同時其上面的傳扭卡塊帶動配流軸一起運動，當第二滑塊723和第二滑塊724再次與第二滑塊721和第二滑塊722接觸的時候，便又會重複以上的運動方式。
本實用新型的配流方式為配流軸將高壓流體按照一定的運行規律通過配流孔、配流環槽、配流通道和高壓流體入口輸送到相應的高壓腔體中，形成完整的閉式配流環。其中配流軸其一端設計有三層高壓配流口，每層有兩個，並與定子殼體的配流孔和配流環槽相對應。最後流體從配流盤的低壓流體出口排出，其上均布有六個低壓流體的排出口，並與滑塊間形成的腔體相對應，且在滑塊轉動過程中，有兩個流體出口與低壓腔體相通，其餘的出口被滑塊蓋住。
本實用新型的過渡軸將動力機構與下端鑽具傳動軸相連，使動力機構輸出的扭矩和轉速傳遞到井下碎巖機構，過渡軸還為流體提供輸送通道，將動力鑽具排出的流體將輸送到井下鑽具中，其一端設置有花鍵槽用於連接末端的動力機構軸，另一端設置有螺紋，用於連接下方鑽具的傳動軸，其壁上還開有均布的四個孔，為動力鑽具排出流體輸送到井下的入口。