一种大扭矩自平衡低速涡轮钻具的制作方法

本发明涉及一种非常规致密岩层钻井作业用的大扭矩自平衡低速涡轮钻具。

背景技术：

随着不断增长的世界能源需求和现有传统资源消减之间的矛盾日益加剧，全国对非常规油气资源的需求也日益迫切。相较于传统油气资源，非常规油气资源的类型和赋存形式更为多样，分布更为广泛，潜在资源量远大于常规油气资源。非常规油气储层物性差，孔隙度、渗透度低，尤其非常规致密岩层硬度高、强度大，可钻性差。目前国内外使用的主流井下动力钻具主要螺杆钻具，涡轮钻具和电动井下钻具。电工井下钻具由于高温高压的井下恶劣工况和电钻杆技术的不成熟，导目前应用受限。螺杆钻具应用广泛，但由于橡胶定子在高温环境下性质极不稳定，故对于超深井螺杆钻具应用严重受限，并且螺杆钻具的输出钻速较低，对于质地坚硬的非常规致密岩层应用并不理想。而涡轮钻具拜托了橡胶材料的限制，在超深井高温环境下得到了极好的应用，并且拥有极高的输出钻速和极低的振动性，非常适合质地坚硬的非常规致密岩层钻井使用。

然而目前常规的涡轮钻具也具有其自身局限性，涡轮钻具输出钻速过高，而输出扭矩非常小，导致了其钻进效率低，因此匹配涡轮钻具的钻速和扭矩非常重要。同时目前的井下动力钻具都存在一个共同的缺陷，就是其输出钻井扭矩的同时，钻具外壳也会承受相应的反扭矩，该反扭矩通过钻具外壳直接作用于上部钻柱，直接导致钻柱发生扭转变形，尤其在造斜过程中该反扭矩常常使钻井工具面发生一定角度的偏移，使得钻井工具面找正非常困难，极大地增加了造斜难度，延长了钻井作业的时间，造成一定程度的经济损失。

基于上述技术背景，本发明特提供一种大扭矩自平衡低速涡轮钻具，保证涡轮钻具输出合理钻速和扭矩的同时，克服传统涡轮钻具外壳承受反扭矩作用的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是：为了满足非常规致密岩层钻井作业的工艺需求，特提供一种大扭矩自平衡低速涡轮钻具。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种大扭矩自平衡低速涡轮钻具，是由外壳体、调心轴承a、螺帽、上轴承座、外涡轮叶片组合、内筒体、内涡轮叶片组合、芯轴、下轴承座、调心轴承b、传动筒、调速齿轮、齿轮轴、调心轴承c、推力轴承a、防掉端盖、推力轴承b、传动轴、防磨套、内钻头和外钻头构成；其结构特征是：外壳体上端和上部钻柱丝扣连接；芯轴外圆上部设置为台阶轴，芯轴下部设置周向均匀设置三个通孔连通芯轴内外腔空间；内涡轮叶片组合套在芯轴外圆上部台阶轴上，螺帽和芯轴上端丝扣连接，螺帽压紧内涡轮叶片组合；外涡轮叶片组合置入内筒体内腔，内筒体上端和上轴承座下端丝扣连接，内筒体下端和下轴承座上端丝扣连接，上轴承座和下轴承座压紧外涡轮叶片组合；调心轴承a安装在上轴承座外圆台阶面上，调心轴承b安装在下轴承座内孔台阶面上；传动轴上端和芯轴下端丝扣连接，传动轴下端和内钻头上端丝扣连接；传动轴外圆中部设置为齿轮；传动筒上端和下轴承座下端丝扣连接，传动筒下端和外钻头上端丝扣连接；传动筒内腔中部设置一圈环形凹槽，传动筒内腔上部设置一圈台阶面，传动筒外圆下部设置一圈台阶面，传动筒中部周向均匀设置三个通孔连通内腔上部台阶面和外圆下部台阶面；三个齿轮轴分别安装在传动筒中部三个通孔内，三个调速齿轮分别安装在三个齿轮轴上，三个调速齿轮均在传动筒内腔中部的环形凹槽内；调心轴承c安装在传动筒外圆下部台阶面上；防掉端盖内腔上端设置一圈凸起台阶，防掉端盖和外壳体下端丝扣连接；外钻头内腔中部设置一圈台阶面，外钻头外圆上部设置一圈台阶面，外钻头外圆下部和下端面镶嵌有切削齿；推力轴承a安装在外钻头外圆上部台阶面上，推力轴承b安装在外钻头内腔中部台阶面上；内钻头下部设置有射流孔连通内孔和下端面，内钻头下端面镶嵌有切削齿，内钻头外圆设置为台阶轴；防磨套安装在内钻头外圆台阶轴上，防磨套由耐磨材料制成。

安装完成手，传动轴外圆中部的齿轮和分别和三个调速齿轮相互啮合。

本发明的有益效果是：(1)本发明的内钻头和外钻头相对反向切削岩层，自动平衡双方的破岩扭矩，避免了传统井下动力钻具反扭矩作用的危害；(2)本发明利用齿轮传动的原理，将传统涡轮钻具转子输出的高钻速分解为内钻头和外钻头的两个相对反向钻速，使内钻头和外钻头的绝对钻速降低，输出扭矩增大，适用于非常规致密岩高速钻进；(3)本发明避免了橡胶结构件的使用，适用于深井高温高压环境；(4)本发明结构紧凑，适应井下环境。

附图说明

图1是本发明一种大扭矩自平衡低速涡轮钻具的结构示意图；

图2是图1a-a截面剖视图；

图中：1.外壳体、2.调心轴承a、3.螺帽、4.上轴承座、5.外涡轮叶片组合、6.内筒体、7.内涡轮叶片组合、8.芯轴、9.下轴承座、10.调心轴承b、11.传动筒、12.调速齿轮、13.齿轮轴、14.调心轴承c、15.推力轴承a、16.防掉端盖、17.推力轴承b、18.传动轴、19.防磨套、20.内钻头、21.外钻头。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种大扭矩自平衡低速涡轮钻具，是由外壳体1、调心轴承a2、螺帽3、上轴承座4、外涡轮叶片组合5、内筒体6、内涡轮叶片组合7、芯轴8、下轴承座9、调心轴承b10、传动筒11、调速齿轮12、齿轮轴13、调心轴承c14、推力轴承a15、防掉端盖16、推力轴承b17、传动轴18、防磨套19、内钻头20和外钻头21构成；其结构特征是：外壳体1上端和上部钻柱丝扣连接；芯轴8外圆上部设置为台阶轴，芯轴8下部设置周向均匀设置三个通孔连通芯轴8内外腔空间；内涡轮叶片组合7套在芯轴8外圆上部台阶轴上，螺帽3和芯轴8上端丝扣连接，螺帽3压紧内涡轮叶片组合7；外涡轮叶片组合5置入内筒体6内腔，内筒体6上端和上轴承座4下端丝扣连接，内筒体6下端和下轴承座9上端丝扣连接，上轴承座4和下轴承座9压紧外涡轮叶片组合5；调心轴承a2安装在上轴承座4外圆台阶面上，调心轴承b10安装在下轴承座9内孔台阶面上；传动轴18上端和芯轴8下端丝扣连接，传动轴18下端和内钻头20上端丝扣连接；传动轴18外圆中部设置为齿轮；传动筒11上端和下轴承座9下端丝扣连接，传动筒11下端和外钻头21上端丝扣连接；传动筒11内腔中部设置一圈环形凹槽，传动筒11内腔上部设置一圈台阶面，传动筒11外圆下部设置一圈台阶面，传动筒11中部周向均匀设置三个通孔连通内腔上部台阶面和外圆下部台阶面；三个齿轮轴13分别安装在传动筒11中部三个通孔内，三个调速齿轮12分别安装在三个齿轮轴13上，三个调速齿轮12均在传动筒11内腔中部的环形凹槽内；调心轴承c14安装在传动筒11外圆下部台阶面上；防掉端盖16内腔上端设置一圈凸起台阶，防掉端盖16和外壳体1下端丝扣连接；外钻头21内腔中部设置一圈台阶面，外钻头21外圆上部设置一圈台阶面，外钻头21外圆下部和下端面镶嵌有切削齿；推力轴承a15安装在外钻头21外圆上部台阶面上，推力轴承b17安装在外钻头21内腔中部台阶面上；内钻头20下部设置有射流孔连通内孔和下端面，内钻头20下端面镶嵌有切削齿，内钻头20外圆设置为台阶轴；防磨套19安装在内钻头20外圆台阶轴上，防磨套19由耐磨材料制成。

如图2所示，传动轴18外圆中部的齿轮和分别和三个调速齿轮12相互啮合。

本发明一种大扭矩自平衡低速涡轮钻具的工作原理是：下入本发明至井底，开泵循环钻井液，外涡轮叶片组合5和内涡轮叶片组合7受到相反的扭矩作用，外涡轮叶片组合5驱动内筒体6、下轴承座9、传动筒11、外钻头21旋转，内涡轮叶片组合7驱动芯轴8、传动轴18、内钻头20旋转；在调速齿轮12的作用下，内钻头20和外钻头21按照固定的传动比反向旋转，内钻头20和外钻头21分别反向切削井眼中心和外围的岩石，且切削扭矩自动平衡。