恆壓式旋轉振擊螺杆馬達的製作方法
2023-12-09 18:12:12
本實用新型屬於石油天然氣鑽井、煤層氣鑽井、地質勘探、礦山鑽探等行業井下作業設備領域，具體涉及一種恆壓式旋轉振擊馬達。
背景技術：
隨著淺部油氣藏的開發殆盡，深井、超深井的數量逐年增加，但隨著井深的增加，巖層更加堅硬難以破碎，嚴重影響了機械鑽速的提高，鑽速的降低已經成為制約我國深層油氣藏高效開發的技術瓶頸，而現有常規破巖鑽井技術不能滿足提速提效的工藝要求，國外對於先進提速技術保密壟斷，限制了國內技術的發展。「PDC+馬達」複合鑽井工藝技術既能發揮PDC鑽頭高效切削的優勢，又能進行複合鑽進，防斜打直效果較好，還能降低地面機泵的能耗，因此在深井、超深井的鑽探過程中得到了廣泛應用，但為了防止井斜只能採用小鑽壓的鑽井方式，而鑽壓是影響鑽速的關鍵因素，對於常規「PDC+馬達」工藝，鑽壓較小雖然有利於確保井身質量，有利於防斜打直，但在一定程度上是以犧牲鑽速為代價的，現場實踐證明，適當增大鑽壓能夠大幅提高鑽井速度，但容易造成井斜角過大，影響井身質量，並且導致井底鑽頭發生軸向振動，使得施加在鑽頭上的鑽壓不穩定，損壞鑽頭切削齒，減小鑽頭使用壽命，降低機械鑽速，國內外相關研究結果表明，軸向減振工具越靠近鑽頭，減振效果越好，而現有螺杆馬達不具備減振功能，如果將現有常規減振工具安裝在螺杆馬達的上部，就延長了減振工具到鑽頭的距離，從而降低了減振效果，並且目前未見到減振工具安裝在馬達與鑽頭之間的應用實例；現場實踐證明，旋轉振擊效應能夠有效提高PDC鑽頭的切削能量，防止粘滑振動的影響，保護鑽頭，對於提高鑽速具有積極作用，國內外也提出了相關扭力衝擊工具的專利（CN201520767504.6、CN201410514618.X、CN201310726252.8、CN201410306930.X、CN201310586179.9、CN201010511421.2、CN200910058083.9、CN201310698227.3、CN201420040141.1），但是現有扭力衝擊工具結構複雜，零部件較多，體積較大，且扭力衝擊工具需要在較大鑽壓條件下才能發揮功效，而鑽壓大時，不僅會造成井眼發生偏斜，影響井身質量，還會產生軸向振動，如果減小鑽壓，確保了井身質量，但又不能發揮扭力衝擊工具的功效，目前國內外也未見到扭力衝擊工具與馬達配合使用的應用實例，由此可見，如果將常規扭力衝擊工具與馬達簡單的連接起來，不僅影響「PDC+馬達」工藝的提速效果，還可能引起馬達內部結構的損壞；並且國內外現有馬達只具有利用鑽井液能量驅動鑽頭旋轉的簡單功能，不同時具備軸向減振或旋轉振擊的功能，因此急需設計研發一種既具有減振功能，且減振器儘可能靠近鑽頭，還能夠產生旋轉振擊效應，在發揮PDC鑽頭技術優勢的同時還能保護鑽頭，還要結構簡單，性能可靠，維護操作方便的恆壓式旋轉振擊螺杆馬達，這對於發揮「PDC+馬達」鑽井工藝技術優勢，進一步提高鑽井破巖的效率，提升我國深層油氣藏高效開發的鑽井工藝技術水平，增強國際競爭力具有重要的經濟價值和社會價值。
技術實現要素：
為了進一步提高深井、超深井的鑽井速度，在現有技術裝備的基礎上，既要充分發揮「PDC+馬達」複合鑽井工藝的提速優勢，又要兼顧防斜打直效果，提高井眼質量的控制能力，還要降低鑽井綜合成本，縮短施工作業周期，滿足深層油氣藏高效開發鑽井的工藝要求，打破國外在深井、超深井提高鑽速方面的技術壟斷。本實用新型的目的就是為石油天然氣鑽井、煤層氣鑽井、地質勘探、礦山鑽探等的現場提供一種具有減振或旋轉振擊功能的恆壓式旋轉振擊馬達。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：
一種恆壓式旋轉振擊螺杆馬達，包括外殼體以及其內安裝的旋轉機構，其中：
所述旋轉機構包括自上而下依次連接的容積式動力總成、傳動軸以及定閥； 所述傳動軸為中空管狀且其與外殼體之間形成環空A，所述定閥上端與傳動軸下端傳動連接，且定閥外壁上下兩端與外殼體之間形成密封配合，所述傳動軸壁上設有將環空A與其內腔連通的旁通孔；
所述定閥外壁中部與外殼體之間形成環空B，且該環空B內安裝有能夠繞定閥相對旋轉的動閥；所述定閥外壁中部對稱設有兩條軸向的導向塊且將環空B間隔為對稱布置的兩個半腔，所述導向塊與外殼體之間形成密封配合；所述動閥包括分別位於所述兩半腔中的滑塊，每個滑塊分別將對應的半腔分為腔室A和腔室C且每個滑塊的中央開槽並與外殼體、定閥包圍構成腔室B；所述定閥的內腔中央通過安全閥分割為上下兩腔，且上腔側壁設有多個高壓孔、下腔側壁設有多個低壓孔，所述高壓孔與腔室B對應連通，所述低壓孔與腔室A和腔室C對應連通；
所述定閥外壁上開設有兩條槽型通道，用於分別連通腔室A與腔室B、腔室B與腔室C；當所述動閥繞定閥轉動時，所述滑塊上部能夠交替打開槽型通道而將腔室A與腔室B、腔室B與腔室C分別連通，同時所述滑塊下部能夠將腔室A與腔室C交替連通低壓孔。
進一步的，所述容積式動力總成與傳動軸之間安裝聯軸器。
進一步的，所述傳動軸與定閥之間安裝彈簧，傳動軸與定閥構成花鍵配合。
進一步的，所述傳動軸下部設有花鍵，傳動軸通過花鍵與定閥內壁構成花鍵配合。
進一步的，所述定閥外壁與外殼體內壁之間安裝有第一密封裝置、第二密封裝置。
進一步的，所述傳動軸和外殼體上部之間安裝上扶正軸承；所述定閥下部與外殼體下部之間安裝下扶正軸承。
進一步的，恆壓式旋轉振擊馬達還包括推力軸承，所述推力軸承安裝在傳動軸與彈簧之間，並且安裝在上扶正軸承下部。
本實用新型的原理是：定閥、動閥、外殼體內壁之間分別形成腔室A、腔室B、腔室C、腔室D、腔室E、腔室F（腔室A、腔室B、腔室C位於一個半腔，腔室D、腔室E、腔室F元位於另一個半腔，結構以及作用原理相同），在鑽井液作用下，容積式動力總成產生旋轉扭矩，通過聯軸器傳遞至傳動軸，由於傳動軸與定閥之間是花鍵配合方式，因此定閥也隨之轉動，由於鑽頭直接與定閥下端相連，進而驅動鑽頭轉動破巖；鑽井液經過容積式動力總成後，經旁通孔進入傳動軸，然後到達定閥內部，初始狀態時，腔室A與腔室B連通，腔室D與腔室E連通，腔室C與腔室F經過低壓孔與鑽頭連通，此時鑽井液經過高壓孔先進入腔室B與腔室D，然後進入腔室A與腔室E，此時腔室A與腔室E是高壓腔，而腔室C與腔室F是低壓腔，在高壓鑽井液的作用下，動閥開始順時針快速轉動，在這個過程中，腔室A與腔室E空間逐漸增大，腔室C與腔室F空間逐漸減小，且腔室內的鑽井液通過低壓孔流到鑽頭，當動閥與定閥撞擊時就會產生旋轉振擊力，並由定閥傳遞至鑽頭，與此同時，腔室A與腔室B間的流道關閉，腔室D與腔室E間的流道關閉，高壓鑽井液無法再次進入，並且腔室A與腔室E經過低壓孔與鑽頭連通，腔室A與腔室E轉化為低壓腔，而腔室B與腔室C連通，腔室D與腔室F連通，腔室C與腔室F轉化為高壓腔，隨著鑽井液的進入，動閥就會逆時針轉動，隨著動閥的轉動，腔室A與腔室E空間逐漸減小，腔室內的鑽井液經低壓孔流到鑽頭，直至與定閥撞擊，動閥逆時針撞擊定閥時，腔室A與腔室B再次連通，腔室D與腔室E再次連通，腔室C與腔室F經過低壓孔與鑽頭連通，高壓鑽井液即可驅動動閥順時針撞擊定閥，從而完成一次旋轉振擊的過程，連接腔室C與腔室F的低壓孔的設計位置根據計算進行了專門優化設計，確保動閥逆時針迴轉撞擊定閥產生的振擊力較小，因為井底鑽頭是順時針旋轉切削巖石，因此逆時針方向的振擊力對於提高鑽頭切削能量作用不大，而只需要順時針方向的振擊力。上述過程往復循環，就對鑽頭形成了旋轉振擊效應，進而提高了鑽頭切削巖石的能量。當井底鑽頭發生軸向振動時，由於鑽頭與定閥連接，因此鑽頭處的軸向振動經定閥傳遞至彈簧，彈簧壓縮變形就能吸收鑽頭的軸向振動衝擊力，當軸向振動減弱時，彈簧恢復伸長，由於彈簧緩衝了鑽頭處的軸向衝擊力，因此確保了鑽頭與地層的平穩接觸，保持了鑽頭上鑽壓的穩定，避免了衝擊力對鑽頭切削齒的損壞，達到了保護鑽頭延長使用壽命的目的；由於動閥安裝在定閥外部，定閥在軸向振動作用下發生軸向位移時，動閥也會隨著一起移動，在軸向移動過程中，動閥與定閥仍然會在鑽井液的作用下產生旋轉振擊效應，即恆壓式旋轉振擊馬達在減振保持鑽頭鑽壓穩定的同時又能增加鑽頭破巖能量，這是常規技術難以實現的。若動閥或定閥失效不能產生旋轉振擊效應，則鑽井液無法經過動閥和定閥達到井底鑽頭，隨著鑽井液壓力的不斷升高，當壓力超過安全閥的設定值時，安全閥就會打開，使鑽井液直接流到鑽頭，而不影響鑽井液的循環。恆壓式旋轉振擊馬達既能將液動能轉化為機械能，產生旋轉振擊效應，提高鑽頭旋轉破巖的切削力，又能吸收緩衝鑽頭的軸向振動，防止軸向衝擊力對鑽頭的損壞，並保持鑽頭破巖鑽壓的平穩，這對於國內現有技 術裝備條件下進一步提高深井、超深井的鑽井效率具有重要意義。現場試驗結果表明，利用恆壓式旋轉振擊馬達能夠平均提高鑽井效率38.2%-67.9%，節省鑽井周期8-15天，且鑽井質量符合設計標準，實現了低能耗、高效率的鑽井目的。
同時，恆壓式旋轉振擊馬達還具有結構設計簡單、性能可靠、操作方便等特點。
附圖說明
圖1是依據本實用新型所提出的恆壓式旋轉振擊馬達結構示意圖。
圖2是依據本實用新型所提出的恆壓式旋轉振擊馬達A-A截面示意圖。
圖3是依據本實用新型所提出的恆壓式旋轉振擊馬達B-B截面示意圖。
附圖標記：1-外殼體，2-容積式動力總成，3-聯軸器，4-旁通孔，5-上扶正軸承，6-傳動軸，7-推力軸承，8-彈簧，9-花鍵，10-第一密封裝置，11-定閥，12-安全閥，13-動閥，14-第二密封裝置，15-下扶正軸承，16-高壓孔，17-低壓孔，18-腔體A，19-腔體B，20-腔體C，21-腔體D，22-腔體E，23-腔體F。
具體實施方式
下面結合附圖來詳細描述本實用新型。
如圖1，恆壓式旋轉振擊馬達主要外殼體1、容積式動力總成2、聯軸器3、旁通孔4、上扶正軸承5、傳動軸6、推力軸承7、彈簧8、花鍵9、第一密封裝置10、定閥11、安全閥12、動閥13、第二密封裝置14、下扶正軸承15、高壓孔16、低壓孔17組成。容積式動力總成2與傳動軸6之間安裝聯軸器3，傳動軸6上部加工旁通孔4，傳動軸6與外殼體1內壁之間安裝上扶正軸承5，推力軸承7安裝在上扶正軸承5下部，推力軸承7與定閥11之間安裝彈簧8，傳動軸6下部花鍵9，並與定閥11內壁花鍵槽構成花鍵配合。定閥11外壁與外殼體1內壁之間安裝第一密封裝置10、第二密封裝置14，動閥13安裝在定閥11外部，定閥11內部安裝安全閥12，定閥11下部與外殼體1下部之間安裝下扶正軸承15，定閥11上部加工高壓孔16，下部加工低壓孔17。
參照附圖2和圖3，定閥11、動閥13、外殼體1內壁之間分別形成腔室A18、腔室B19、腔室C20、腔室D21、腔室E22、腔室F23。定閥11外壁上開設有多條槽型通道，用於間歇性連通腔室A18與腔室B19、腔室B19與腔室C20，即腔室A18與腔室B19連通時，腔室B19與腔室C20不連通，但此時腔室C20通過低壓孔17與鑽頭水眼連通。同理，腔室D21、腔室E22、腔室F23也同樣通過槽型通道交替連通。
在鑽井液作用下，容積式動力總成產生旋轉扭矩，通過聯軸器3傳遞至傳動軸6，由於傳動軸6與定閥11之間是花鍵配合方式，因此定閥11也隨之轉動，由於鑽頭直接與定閥11下端相連，進而驅動鑽頭轉動破巖。鑽井液經過容積式動力總成後，經旁通孔4進入傳動軸6，然後到達定閥11內部。初始狀態時，定閥11外壁上的槽型通道使得腔室A18與腔室B19連通，腔室D21與腔室E22連通，而且腔室C20與腔室F23經過低壓孔17與鑽頭連通。此時鑽井液經過高壓孔16先進入腔室B19與腔室D21，然後進入腔室A18與腔室E22，此時腔室A18與腔室E22是高壓腔，而腔室C20與腔室F23是低壓腔。在高壓鑽井液的作用下，動閥13開始順時針快速轉動，在這個過程中，腔室A18與腔室E22空間逐漸增大，腔室C20與腔室F23空間逐漸減小，且腔室內的鑽井液通過低壓孔17流到鑽頭。當動閥13與定閥11撞擊時就會產生旋轉振擊力，並由定閥11傳遞至鑽頭，與此同時，腔室A18與腔室B19間的流道關閉，腔室D21與腔室E22間的流道關閉，高壓鑽井液無法再次進入，並且腔室A18與腔室E22經過低壓孔17與鑽頭連通，腔室A18與腔室E22轉化為低壓腔，而定閥11外壁上的槽型通道使得腔室B19與腔室C20連通，腔室D21與腔室F23連通，腔室C20與腔室F23轉化為高壓腔。隨著鑽井液的進入，動閥13就會逆時針轉動，隨著動閥13的轉動，腔室A18與腔室E22空間逐漸減小，腔室內的鑽井液經低壓孔17流到鑽頭，直至動閥13與定閥11撞擊，動閥13逆時針撞擊定閥11時，腔室A18與腔室B19再次連通，腔室D21與腔室E22再次連通，腔室C20與腔室F23經過低壓孔與鑽頭連通，高壓鑽井液即可驅動動閥順時針撞擊定閥，從而完成一次旋轉振擊的過程。連接腔室C20與腔室F23的低壓孔的設計位置根據計算進行了專門優化設計，確保動閥13逆時針迴轉撞擊定閥11產生的振擊力較小，因為井底鑽頭是順時針旋轉切削巖石，因此逆時針方向的振擊力對於提高鑽頭切削能量作用不大，而只需要順時針方向的振擊力。上述過程往復循環，就對鑽頭形成了旋轉振擊效應，進而提高了鑽頭切削巖石的能量。
當井底鑽頭發生軸向振動時，由於鑽頭與定閥11連接，因此鑽頭處的軸向振動經定閥傳遞至彈簧8，彈簧8壓縮變形就能吸收鑽頭的軸向振動衝擊力，當軸向振動減弱時，彈簧8恢復伸長，由於彈簧8緩衝了鑽頭處的軸向衝擊力，因此確保了鑽頭與地層的平穩接觸，保持了鑽頭上鑽壓的穩定，避免了衝擊力對鑽頭切削齒的損壞，達到了保護鑽頭延長使用壽命的目的；由於動閥13安裝在定閥11外部，定閥11在軸向振動作用下發生軸向位移時，動閥13也會隨著一起移動，在軸向移動過程中，動閥13與定閥11仍然會在鑽井液的作用下產生旋轉振擊效應，即恆壓式旋轉振擊馬達在減振保持鑽頭鑽壓穩定的同時又能增加鑽頭破巖能量，這是常規技術難以實現的。
若動閥13或定閥11失效不能產生旋轉振擊效應，則鑽井液無法經過動閥13和定閥11達到井底鑽頭，隨著鑽井液壓力的不斷升高，當壓力超過安全閥12的設定值時，安全閥12就會打開，使鑽井液直接流到鑽頭，而不影響鑽井液的循環。恆壓式旋轉振擊馬達既能將液動能轉化為機械能，產生旋轉振擊效應，提高鑽頭旋轉破巖的切削力，又能吸收緩衝鑽頭的軸向振動，防止軸向衝擊力對鑽頭的損壞，並保持鑽頭破巖鑽壓的平穩，這有利於在現有地面機泵條件下進一步提高深井、超深井的鑽井效率。