专利名称：一种滚珠填充螺杆钻具定子及加工工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石油、天然气钻井领域中钻井用的螺杆钻具马达定子，特别是一种滚珠填充螺杆钻具定子及加工工艺。
背景技术：
螺杆钻具是石油、天然气钻井工程中常用的井下动力钻具，它包括旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，其中马达总成是为螺杆钻具提供动力的核心部件，由转子和定子两个基本部分组成。常规马达定子由定子壳体和橡胶衬套构成，定子壳体内腔为光滑圆柱面，橡胶通过硫化工艺粘结在定子壳体内壁，橡胶衬套的内孔为连续螺旋曲面。工作过程中，在转子周期性的挤压和定转子密封腔压差作用下，由于橡胶衬套壁厚不等，橡胶衬套将发生不均勻变形，从而导致橡胶衬套机械密封性能减弱，影响马达工作效率，同时由于橡胶衬套的散热不均，热滞后现象严重，使橡胶极易老化和撕裂，降低其使用寿命。近年来，国内外提出了等壁厚螺杆钻具马达定子，由于定子橡胶衬套的壁厚基本相同，受力后变形均勻，抵抗变形能力强，且散热性能和密封性能得到改善，提高了马达的工作效率和使用寿命，但等壁厚定子壳体内表面为连续螺旋曲面，加工难度大且成本较高。因此，研究加工工艺简单且成本较低的等壁厚螺杆钻具马达定子及其加工工艺具有重要的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决常规螺杆钻具定子工作效率低、使用寿命短，以及等壁厚螺杆钻具定子加工难度大且成本高的难题，特别提供一种滚珠填充螺杆钻具定子及加工工艺。为达到上述目的，本发明解决此技术问题所采用的技术方案是一种滚珠填充螺杆钻具定子，是由定子壳体、刚性结构和等壁厚橡胶衬套组成，其结构特征是定子壳体内壁为光滑圆柱面；由大量滚珠粘结在一起构成的刚性结构粘结在定子壳体内壁上，滚珠的材质为钢，可以有不同的形状、大小，但要有较好的流动性，其当量直径为0. 5 5mm，可以根据要求的间隙值，来选择滚珠；刚性结构的内壁为连续螺旋曲面；通过硫化工艺将一层等壁厚橡胶衬套粘结在刚性结构内壁上，注胶时刚性结构的缝隙中被填充满与等壁厚橡胶衬套相同的橡胶材料。一种滚珠填充螺杆钻具定子的加工工艺，其技术特征是将滚珠填充定子模芯放入定子壳体中心，二者之间形成了螺旋槽，向其中填满可自由移动的滚珠，将这些滚珠压紧并粘结在一起，形成刚性结构；粘结滚珠的工艺方法有两种一是滚珠放入螺旋槽前先镀上一层熔点低于滚珠和定子壳体的金属，如锌、锡等，放入螺旋槽后对整个定子壳体进行加热，使镀在滚珠表面的额金属熔化，然后再冷却，将所有滚珠粘结在一起，形成刚性结构；另一种是采用镀金属设备向刚性结构中注入熔点低于滚珠和定子壳体的液态金属，液态金属从定子壳体顶部向下注入，镀在滚珠的表面，多余的金属液排入储存装置中，再将其输送到定子壳体顶部，继续循环，直至所有滚珠都被镀上金属层，然后冷却凝固，形成刚性结构；粘结过程在真空或惰性气体的环境中进行，以防止液态金属和滚珠的氧化，再注入一些液态胶合剂，以增强滚珠之间的粘结强度；冷却后取出滚珠填充定子模芯，放入一个直径稍小的注胶定子模芯，与刚性结构的内表面形成等壁厚螺旋槽，向等壁厚螺旋槽中注入弹性橡胶材料，形成等壁厚橡胶衬套，橡胶材料同时会渗入刚性结构的缝隙并将缝隙填满，等壁厚橡胶衬套与刚性结构缝隙中的橡胶材料形成了一个整体，有效地防止了橡胶衬套的起层脱落。本发明具有的有益效果是(1)该马达定子的橡胶衬套为等壁厚结构，改善了橡胶衬套的散热性能，减缓了橡胶热滞后，提高了马达的使用寿命；(2)该等壁厚橡胶衬套与定子壳体之间有刚性结构，使橡胶衬套抵抗变形的能力增强，且变形均勻；(3)橡胶衬套的材料与与刚性结构缝隙中填充的橡胶材料相同，二者融为一体，可防止橡胶衬套的起层脱落；(4)该马达定子具有普通等壁厚螺杆钻具定子的优点，同时它降低了等壁厚定子壳体内螺旋曲面的加工难度，大大简化了制造工艺，减少了生产成本。
图1是本发明滚珠填充螺杆钻具定子横截面示意图。图2是常规螺杆钻具马达定子横截面示意图。图3是定子壳体和滚珠填充定子模芯的横截面示意图。图4是填充滚珠后的定子横截面示意图。图5是向刚性结构中注入液态金属的工艺示意图。图6是放入注胶定子模芯时的横截面示意图。图中1.定子壳体，2.刚性结构，3.橡胶材料，4.等壁厚橡胶衬套，5.滚珠填充定子模芯，6螺旋槽，7.注胶定子模芯，8等壁厚螺旋槽，9.储存装置，10.镀金属设备。
具体实施例方式如图1所示，本发明是一种滚珠填充螺杆钻具定子，是由定子壳体1、刚性结构2和等壁厚橡胶衬套4组成，其结构特征是定子壳体1内壁为光滑圆柱面；由大量滚珠粘结在一起构成的刚性结构2粘结在定子壳体1内壁上，滚珠的材质为钢，可以有不同的形状、大小，但要有较好的流动性，其当量直径为0. 5 5mm，可以根据要求的间隙值，来选择滚珠；刚性结构2的内壁为连续螺旋曲面；通过硫化工艺将一层等壁厚橡胶衬套4粘结在刚性结构内壁上，注胶时刚性结构的缝隙中被填充满与等壁厚橡胶衬套4相同的橡胶材料3。如图3、图4、图5、图6所示，一种滚珠填充螺杆钻具定子的加工工艺，其技术特征是将滚珠填充定子模芯5放入定子壳体中心，二者之间形成了螺旋槽6，向其中填满可自由移动的滚珠，将这些滚珠压紧并粘结在一起，形成刚性结构2 ；粘结滚珠的工艺方法有两种一是滚珠放入螺旋槽6前先镀上一层熔点低于滚珠和定子壳体1的金属，如锌、锡等，放入螺旋槽6后对整个定子壳体1进行加热，使镀在滚珠表面的额金属熔化，然后再冷却，将所有滚珠粘结在一起，形成刚性结构2 ；另一种是采用镀金属设备10向刚性结构中注入熔点低于滚珠和定子壳体1的液态金属，液态金属从定子壳体1顶部向下注入，镀在滚珠的表面，多余的金属液排入储存装置9中，再将其输送到定子壳体1顶部，继续循环，直至所有滚珠都被镀上金属层，然后冷却凝固，形成刚性结构2 ；粘结过程在真空或惰性气体的环境中进行，以防止液态金属和滚珠的氧化，再注入一些液态胶合剂，以增强滚珠之间的粘结强度；冷却后取出滚珠填充定子模芯5，放入一个直径稍小的注胶定子模芯7，与刚性结构2的内表面形成等壁厚螺旋槽8，向等壁厚螺旋槽8中注入弹性橡胶材料，形成等壁厚橡胶衬套4，橡胶材料同时会渗入刚性结构2的缝隙并将缝隙填满，等壁厚橡胶衬套4与刚性结构2缝隙中的橡胶材料3形成了一个整体，有效地防止了等壁厚橡胶衬套4的起层脱落。
在工作过程中，马达定子的刚性结构2以及橡胶衬套4的等壁厚结构，增强了其抵抗变形的能力，改善了散热性能，从而大大提高了马达的使用寿命和工作效率；刚性结构2缝隙中填充的橡胶材料3与等壁厚橡胶衬套4的材质相同，这样可使二者融为一体，有效防止等壁厚橡胶衬套4的起层脱落。
权利要求
1.一种滚珠填充螺杆钻具定子，是由定子壳体(1)、刚性结构(2)和等壁厚橡胶衬套(4)等组成，其特征是定子壳体(1)内表面粘结一种刚性结构(2)，刚性结构(2)由大量的滚珠粘结在一起构成；在刚性结构(2)的缝隙中填充有橡胶材料(3)，其内壁上粘结有一层等壁厚橡胶衬套(4)，等壁厚橡胶衬套(4)内孔为连续螺旋曲面。
2.根据权利要求1所述的一种滚珠填充螺杆钻具定子，其特征是刚性结构(2)的内孔为连续螺旋曲面，构成刚性结构(2)的滚珠材质为钢，可以有不同的形状、大小，但要有较好的流动性，其当量直径为0. 5 5mm。
3.根据权利要求1所述的一种滚珠填充螺杆钻具定子，其特征是等壁厚橡胶衬套(4) 与橡胶材料(3)采用相同的材质。
4.根据权利要求1所述的一种滚珠填充螺杆钻具定子的加工工艺，其特征是将滚珠填充定子模芯(5)放入定子壳体(1)中心，定子模芯(5)的头数可根据需要确定，定子模芯(5)与定子壳体(1)之间形成了螺旋槽(6);往螺旋槽(6)中填满可移动的滚珠，再将滚珠粘结在一起形成多孔隙状的刚性结构(2);向所形成的刚性结构(2)的缝隙中渗入一些液态胶合剂，以增加滚珠之间的粘结强度；取出滚珠填充定子模芯(5)，放入直径稍小的注胶定子模芯(7)，它与刚性结构(2)的内表面之间形成了等壁厚螺旋槽(8)，向其中注入橡胶，形成等壁厚橡胶衬套(4)，同时橡胶渗入刚性结构(2)的缝隙中，并将缝隙填满；取出注胶定子模芯(7)。
5.根据权利要求4所述的一种滚珠填充螺杆钻具定子加工工艺，其特征是粘结滚珠的工艺方法有两种一是滚珠放入螺旋槽(6)前先镀上一层熔点低于滚珠和定子壳体(1) 的金属，如锌、锡等，放入螺旋槽(6)后对整个定子壳体(1)进行加热，使镀在滚珠表面的额金属熔化，然后再冷却，将所有滚珠粘结在一起，形成刚性结构(2)；另一种是采用镀金属设备(10)向刚性结构中注入熔点低于滚珠和定子壳体(1)的液态金属，液态金属从定子壳体 (1)顶部向下注入，镀在滚珠的表面，多余的金属液排入储存装置(9)中，再将其输送到定子壳体(1)顶部，继续循环，直至所有滚珠都被镀上金属层，然后冷却，形成刚性结构(2)。
全文摘要
本发明涉及一种石油、天然气钻井用的滚珠填充螺杆钻具定子及加工工艺。其技术方案是定子壳体内表面粘结一种刚性结构，刚性结构由大量滚珠粘结在一起构成的具有缝隙的骨架结构，其内孔为连续螺旋曲面；刚性结构的内表面粘结有一层等壁厚橡胶衬套，等壁厚橡胶衬套的内孔仍为连续螺旋曲面；刚性结构的缝隙中被填充满与橡胶衬套相同的橡胶材料；马达转子与等壁厚橡胶衬套啮合形成密封腔。本发明的刚性结构增强了现有螺杆钻具定子橡胶衬套易损部位的强度，加快了热量散发，而等壁厚橡胶衬套抵抗变形能力强，且变形均匀，密封性好；本发明可以提高马达使用寿命和工作效率，而且降低了等壁厚螺杆钻具定子加工难度和加工成本，具有广泛的应用价值。
文档编号E21B4/02GK102386692SQ20111025760
公开日2012年3月21日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者李佳南, 石昌帅, 祝效华 申请人:西南石油大学