专利名称：一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种以双主动轮圆锥齿轮组合结构为动力传输介质的井下电动钻具， 可明显减小石油、天然气钻井过程中钻柱所受扭矩，为石油钻井提供了一种新装置和方法。
背景技术：
圆轴扭转时的变形标志是两个横截面间绕轴的相对转角，这也就是扭转角。计算公式如下P其中铲’一圆轴两个横截面间绕成的相对转角 Γ一两个截面之间的扭矩； / 一两个截面之间的距离；T 一截面极惯性矩，且对于圆轴有=-——，为圆轴直径。
权利要求
1.一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法，其特征在于在钻铤下端安装固定动力短接(17)，在钻头上端安装旋转破岩短接(18)，固定动力短接(17)和旋转破岩短接(18)通过深沟球轴承(11 )、深沟球轴承(12)、深沟球轴承(13)、深沟球轴承(14)、深沟球轴承(15)和推力球轴承(16)联接；在固定动力短接(17)的金属筒壁上对称装有两个电机Ml和M2，电机Ml和电机M2的底部端盖相对，转子同轴并且转轴在水平方向上，电机Ml 和圆锥齿轮(4)联接，圆锥齿轮(4)用于和旋转破岩短接(18)上端的轮齿(6)啮合，电机 M2和圆锥齿轮(5)联接，圆锥齿轮(5)也用于和旋转破岩短接(18)上端的轮齿(6)啮合， 在动力输入过程中，电机Ml和电机M2同时驱动各自所联接的圆锥齿轮转动；在固定动力短接(17)上部有一伞形保护结构(7)，用于防止破岩时产生的较大钻屑对圆锥齿轮(4)和圆锥齿轮(5)造成阻卡或其它破坏；在固定动力短接(17)下部有一个月牙形结构(9)，用于使钻井液顺利地从固定动力短接(17)中过渡流入到旋转破岩短接(18)中，可防止钻井液流入固定动力短接(17)和旋转破岩短接(18)的联接缝隙中；固定动力短接(17)上端通过母螺纹(8 )与钻铤联接，破岩时，固定动力短接(17 )通过电机Ml和电机M2带动圆锥齿轮(4 ) 和圆锥齿轮(5)为旋转破岩短接(18)提供动力；旋转破岩短接(18)的上端具有轮齿(6)， 并且轮齿(6)是在圆锥面上设计加工的，类似圆锥齿轮的轮齿，轮齿(6)用于与固定动力短接(17)上的圆锥齿轮(4)和圆锥齿轮(5)啮合；旋转破岩短接(18)下端通过母螺纹(10) 与钻头联接，将固定动力短接(17)提供的动力传递给钻头；固定动力短接(17)和旋转破岩短接(18)通过深沟球轴承(11)、深沟球轴承(12)、深沟球轴承(13)、深沟球轴承(14)、深沟球轴承(15 )和推力球轴承(16 )联接，其中，深沟球轴承(11)、深沟球轴承(12)、深沟球轴承 (13)、深沟球轴承(14)、深沟球轴承(15)用于保证固定动力短接(17)和旋转破岩短接(18) 能够在竖直方向上同轴相对转动；推力球轴承(16)用于承受竖直方向上的轴向载荷；联接后，固定动力短接(17)和旋转破岩短接(18)在竖直方向上同轴，并且圆锥齿轮(4)和圆锥齿轮(5)同时和旋转破岩短接(18)上端的轮齿(6)啮合，固定动力短接(17)和旋转破岩短接(18)可延轴线方向上相对转动。
2.根据权利要求1所述的一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法，其特征在于所述的固定动力短接(17)输入动力和抵消扭矩的具体方法是破岩动力由电机Ml 和电机M2提供，电机Ml和电机M2由地面电源通过固定在钻杆上的导线输送电流；电机Ml 和电机M2对称安装在固定动力短接(17)的金属筒壁上，电机Ml和电机M2的底部端盖相对，转子同轴并且转轴在水平方向上；这样的安装方式保证了电机Ml和电机M2通入同向电流转动时，由于电机Ml和电机M2的底部端盖相对，则电机Ml和电机M2的转子在水平方向上的转动方向是相反的，例如如果从右往左看去，若电机M2的转子是往顺时针方向旋转，则电机Ml的转子必定是往逆时针方向旋转；如此一来，电机Ml和电机M2各自承受的扭矩都在一条水平直线上，并且大小相等，方向相反，可以相互抵消；在动力输入过程中，电机Ml和电机M2同时驱动圆锥齿轮(4 )和圆锥齿轮(5 )转动，并且圆锥齿轮(4 )和圆锥齿轮 (5)的旋转方向相反，由此电机Ml和电机M2所承受的扭矩在水平方向上大小相等，方向相反，两个扭矩相互抵消。
3.根据权利要求1所述的一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法，其特征在于所述的旋转破岩短接(18)带动钻头旋转破岩的具体方法是旋转破岩短接(18)上端具有轮齿(6)，并且轮齿(6)是在圆锥面上设计加工的，类似圆锥齿轮的轮齿，轮齿(6)用于同时与固定动力短接(17)上的圆锥齿轮(4)和圆锥齿轮(5)啮合；旋转破岩短接(18)上端通过深沟球轴承(11 )、深沟球轴承(12)、深沟球轴承(13)、深沟球轴承(14)、深沟球轴承 (15)和推力球轴承(16)与固定动力短接(17)联接，联接后，固定动力短接(17)和旋转破岩短接(18)同轴，并且旋转破岩短接(18)上端的轮齿(6)同时与固定动力短接(17)上的圆锥齿轮(4)和圆锥齿轮(5)啮合，固定动力短接(17)和旋转破岩短接(18)可延轴线方向上相对转动；当圆锥齿轮(4)和圆锥齿轮(5)同时转动时，圆锥齿轮(4)和圆锥齿轮(5)是主动轮，旋转破岩短接(18)是从动轮，圆锥齿轮(4)和圆锥齿轮(5)共同作用的最终效果是带动旋转破岩短接(18)往一个方向旋转，圆锥齿轮(4)和圆锥齿轮(5)的旋转轴线方向在水平方向上，旋转破岩短接(18)的旋转方向在竖直方向上；旋转破岩短接(18)下端通过母螺纹(10)与钻头联接，即可以带动钻头旋转破岩。
4.根据权利要求1所述的一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法，其特征在于所述的电机Ml和电机M2的安装方式为电机Ml和电机M2的底部端盖相对，转子同轴并且转轴在水平方向上。
5.根据权利要求1所述的一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法，其特征在于旋转破岩短接(18)的上端具有轮齿(6)，并且轮齿(6)是在圆锥面上设计加工的， 类似圆锥齿轮的轮齿。
6.根据权利要求1所述的一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法，其特征在于所述的圆锥齿轮(4)、圆锥齿轮(5)和轮齿(6)啮合后，三者共同组成一个双主动轮圆锥齿轮组合结构。
7.根据权利要求1所述的一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法，其特征在于所述的轴承(16)为推力球轴承，可用于承受竖直方向上的轴向载荷。
全文摘要
本发明提供一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法。该装置安装在钻铤与钻头之间，由固定动力短接和旋转破岩短接两部份构成。固定动力短接上端与钻铤联接，其金属筒壁上对称安装两个电机，两个电机各自与一个圆锥齿轮联接。旋转破岩短接下端与钻头联接，其上端具有轮齿。固定动力短接下端与旋转破岩短接上端通过轴承联接，联接后，固定动力短接上的两个圆锥齿轮同时和旋转破岩短接上端的轮齿啮合，固定动力短接和旋转破岩短接可延轴线方向上相对转动。该装置和方法可大幅度减小钻井过程中钻柱所承受的扭矩，提高钻井作业的安全性，增大钻柱的使用寿命，减少油气田开采费用，可适用于石油、天然气深井、超深井钻井。
文档编号E21B4/04GK102536113SQ20121005271
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者吕栋梁, 孔祥伟, 彭刚, 杨娟, 王其军, 白翔, 钟烨, 陈乔, 陈鹏 申请人:西南石油大学