一种滑块式井下动力钻具的制作方法

本发明涉及资源矿产钻井装备技术领域，具体涉及一种滑块式井下动力阻钻具，适用于小、中、大口径的动力钻具系列。

背景技术：

随着我国浅层矿藏和常规油气资源越来越少，品位越来越低，深部矿藏和常规、非常规油气资源的地质勘探与开发成为国家可持续发展必不可少的途径之一。我国深层矿产资源和页岩油、页岩气、煤层气和天然气水合物等非常规油气资源储量丰富，高效、快速勘探和开发地下深部资源对于提升我国综合国力具有重大的推动作用和实际意义。实践表明，井下动力钻具可以使钻头取得较高的机械钻速并可大幅度降低钻探成本。因此，开展新型高效节能井下近钻头动力钻具系统的研究变得十分迫切。

目前，国内外开发和利用的液力式井下动力钻具主要有两种，一是叶片式涡轮钻具，二是容积式螺杆钻具。其中涡轮钻具整体上呈积木式的结构，一般直径较大，同时因为转速太高，会安装有专用的减速器等功能节，使钻具结构复杂化。其工作特性是：扭矩与转速成反比，其输出的功率存在最大值，为涡轮钻具的理想工作负载点。具有软的机械特性，过载能力差，随着钻压增大导致切削阻力增大时会引起钻速下降，易造成制动。压降不因载荷的变化而变化，功率和扭矩受直径的影响甚大；螺杆钻具整体呈一体式结构，马达的定子材料是丁晴橡胶，易在工作时失效，影响钻具的使用寿命。其工作特性是：具有相对于涡轮钻具硬的机械特性，过载能力较强。但功率和转速的输出受钻具直径影响较大，且扭矩越大转速越低，当超过工作压差时，泵压突然上升，钻具会发生急剧制动。

技术实现要素：

本发明旨在针对上述技术所存在的不足，提出新的设计工作机理——闭式流体传压机理，研制新型的井下动力钻具，开发适用于小、中、大口径的动力钻具系列，满足各类钻进的需要。

本发明包括动力短节，动力短节包括上端盖、密封圈、上滚动轴承、上壳体、尼龙盘、下壳体、花键、过渡轴、下端盖、下滚动轴承、格莱圈、下短节、下中轴、传动轴轴套、轴承组、tc套、上隔板、下静套、下传动轴壳体、第一销钉、第二销钉、第三销钉、第四销钉、第五销钉、第一配流轴、第二配流轴、第三配流轴、第一定子壳体、第二定子壳体、第三定子壳体、第一滑块、第二滑块、第三滑块、第一调整垫、第二调整垫、第三调整垫、第四调整垫、第五调整垫、第六调整垫、第七调整垫、第八调整垫、第一配流盘、第二配流盘、第三配流盘、第一过渡节、第二过渡节、第三过渡节、第一轴套、第二轴套、第三轴套；

上端盖通过第一销钉固定在上壳体上，第一配流轴通过上滚动轴承与上壳体连接，密封圈设置在上端盖与上滚动轴承之间；第一定子壳体通过台阶定位在第一配流轴上，第一滑块安装在第一定子壳体中，第一配流盘通过第二销钉固定在第一定子壳体下端，第一定子壳体与第一配流盘之间设有第一调整垫，第一过渡节通过第一轴套连接在第一配流轴末端，第一过渡节上端固定第二调整垫，下端固定第三调整垫；第一配流轴依次连接的第一定子壳体、第一配流盘、第一过渡节组成一级动力机构通过键与上壳体连接；第一配流轴一端、第二配流轴两端、第三配流轴一端均加工有连接键槽和连接键，

第一配流盘通过连接键槽和连接键与第二配流轴插接；第二定子壳体通过台阶定位在第二配流轴上，第二滑块安装在第二定子壳体中，第二配流盘通过第三销钉固定在第二定子壳体下端，第二定子壳体与第二配流盘之间设有第四调整垫，第二过渡节通过第二轴套连接在第二配流轴末端，第二过渡节上端固定第五调整垫，第二过渡节下端固定第六调整垫；第二配流轴依次连接的第二定子壳体、第二配流盘、第二过渡节组成二级动力机构通过键与上壳体连接；第二配流轴通过连接键槽和连接键与第三配流轴插接，第三定子壳体通过台阶定位在第三配流轴上，第三滑块安装在第三定子壳体中，第三配流盘通过第四销钉固定在第三定子壳体下端，第三定子壳体与第三配流盘之间设有第七调整垫，第三过渡节通过第三轴套连接在第三配流轴末端，第三过渡节上端固定第八调整垫；第三配流轴依次连接的第三定子壳体、第三配流盘、第三过渡节组成二级动力机构通过键与上壳体连接；第三配流轴通过螺纹与花键连接，尼龙盘固定在第三配流轴与花键之间；花键通过键定位在过渡轴内部，过渡轴通过下滚动轴承与下壳体连接，下端盖通过台阶定位在下滚动轴承上端；下壳体末端设有格莱圈与过渡轴下端连接，过渡轴的壁上均布有若干孔提供井下流体通道；上壳体与下壳体通过螺纹连接。

所述的第一定子壳体、第二定子壳体和第三定子壳体均加工有若干定位键、定位卡槽、配流口及配流环槽、流体高压入口。第一定子壳体、第二定子壳体和第三定子壳体均通过定位键与钻具上壳体连接，滑块通过定位卡槽定位，配流口及配流环槽在轴向上层配流，并与配流轴形成高压配流体系。

第一滑块、第二滑块、第三滑块均包括定位卡块、传扭卡块和复位弹簧。定位卡块与复位弹簧组装使滑块定位在定子壳体的定位卡槽中，传扭卡块与复位弹簧组装限位在配流轴的传扭卡槽中。

所述的第一配流轴、第二配流轴、第三配流轴均加工有若干传扭卡槽、连接键和连接键槽，轴上还加工有三层高压配流口进行轴配流。

第一定子壳体、第二定子壳体和第三定子壳体、第一滑块、第二滑块、第三滑块、第一配流轴、第二配流轴、第三配流轴组成动力马达，两滑块之间形成的空间为高压腔，滑块与定子壳体之间的扇形空间为低压腔。

第一配流盘、第二配流盘、第三配流盘表面均布有若干低压流体排口为低压腔体提供流体排出通道。

下短节、下中轴、传动轴轴套、轴承组、tc套、上隔板、下静套、下传动轴壳体组成下传动轴总成，下短节上端与过渡轴螺纹连接，下端与下中轴螺纹连接，传动轴轴套通过台阶定位在下短节下端与下中轴螺纹连接处，传动轴轴套下端安装有轴承组，下中轴通过轴承组与下传动轴壳体连接，下传动轴壳体与下壳体螺纹连接；tc套通过台阶定位在下中轴下端，下静套通过台阶定位在下传动轴壳体末端，上隔板通过台阶定位在tc套和下静套之间。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的动力机构为积木式结构，结构要简单，易于拆卸维修，降低了钻具损坏的可能性，提高了钻具本身的使用寿命，同时能够根据具体的工况条件对钻具结构做出相应地调整。

2、本发明采用闭式流体传压机理，钻具可实现扭矩与工作压力成正比，转速与输入流量成正比，产生大扭矩，高转速，扭矩与转速的输出互不干扰的效果。并且动力钻具的过载能力强，机械性好，能量的转换率高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明动力马达的结构示意图。

图3为本发明动力马达的半剖图。

图4为本发明配流轴的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示，本发明包括动力短节，动力短节包括上端盖1、密封圈2、上滚动轴承4、上壳体13、尼龙盘14、下壳体15、花键16、过渡轴17、下端盖18、下滚动轴承19、格莱圈20、下短节21、下中轴22、传动轴轴套23、轴承组24、tc套25、上隔板26、下静套27、下传动轴壳体28、第一销钉31、第二销钉32、第三销钉33、第四销钉34、第五销钉35、第一配流轴51、第二配流轴52、第三配流轴53、第一定子壳体61、第二定子壳体62、第三定子壳体63、第一滑块71、第二滑块72、第三滑块73、第一调整垫81、第二调整垫82、第三调整垫83、第四调整垫84、第五调整垫85、第六调整垫86、第七调整垫87、第八调整垫88、第一配流盘91、第二配流盘92、第三配流盘93、第一过渡节101、第二过渡节102、第三过渡节103、第一轴套111、第二轴套112、第三轴套113；

上端盖1通过第一销钉31固定在上壳体13上，第一配流轴51通过上滚动轴承4与上壳体13连接，密封圈2设置在上端盖1与上滚动轴承4之间；第一定子壳体61通过台阶定位在第一配流轴51上，第一滑块71安装在第一定子壳体61中，第一配流盘91通过第二销钉32固定在第一定子壳体61下端，第一定子壳体61与第一配流盘91之间设有第一调整垫81，第一过渡节101通过第一轴套111连接在第一配流轴51末端，第一过渡节101上端固定第二调整垫82，下端固定第三调整垫83；第一配流轴51依次连接的第一定子壳体61、第一配流盘91、第一过渡节101组成一级动力机构通过键与上壳体13连接；第一配流轴51一端、第二配流轴52两端、第三配流轴53一端均加工有连接键槽和连接键，

第一配流盘91通过连接键槽和连接键与第二配流轴52插接；第二定子壳体62通过台阶定位在第二配流轴52上，第二滑块72安装在第二定子壳体62中，第二配流盘92通过第三销钉33固定在第二定子壳体62下端，第二定子壳体62与第二配流盘92之间设有第四调整垫84，第二过渡节102通过第二轴套112连接在第二配流轴52末端，第二过渡节102上端固定第五调整垫85，第二过渡节102下端固定第六调整垫86；第二配流轴52依次连接的第二定子壳体62、第二配流盘92、第二过渡节102组成二级动力机构通过键与上壳体13连接；第二配流轴52通过连接键槽和连接键与第三配流轴53插接，第三定子壳体63通过台阶定位在第三配流轴53上，第三滑块73安装在第三定子壳体63中，第三配流盘93通过第四销钉34固定在第三定子壳体63下端，第三定子壳体63与第三配流盘93之间设有第七调整垫87，第三过渡节103通过第三轴套113连接在第三配流轴53末端，第三过渡节103上端固定第八调整垫88；第三配流轴53依次连接的第三定子壳体63、第三配流盘93、第三过渡节103组成二级动力机构通过键与上壳体13连接；第三配流轴53通过螺纹与花键16连接，尼龙盘14固定在第三配流轴53与花键16之间；花键16通过键定位在过渡轴17内部，过渡轴17通过下滚动轴承19与下壳体15连接，下端盖18通过台阶定位在下滚动轴承19上端；下壳体15末端设有格莱圈20与过渡轴17下端连接，过渡轴17的壁上均布有若干孔171提供井下流体通道；上壳体13与下壳15体通过螺纹连接。

所述的第一定子壳体61、第二定子壳体62和第三定子壳体63均加工有若干定位键601、定位卡槽602、配流口及配流环槽606、流体高压入口607。第一定子壳体61、第二定子壳体62和第三定子壳体63均通过定位键601与钻具上壳体13连接，滑块通过定位卡槽602定位，配流口及配流环槽606在轴向上三层配流，并与配流轴形成高压配流体系。

第一滑块71、第二滑块72、第三滑块73均包括定位卡块70、传扭卡块50和复位弹簧605。定位卡块70与复位弹簧605组装使滑块定位在定子壳体的定位卡槽602中，传扭卡块50与复位弹簧605组装限位在配流轴的传扭卡槽501中。

所述的第一配流轴51、第二配流轴52、第三配流轴53均加工有若干传扭卡槽501、连接键502和连接键槽503，轴上还加工有三层高压配流口504进行轴配流。

第一定子壳体61、第二定子壳体62和第三定子壳体63、第一滑块71、第二滑块72、第三滑块73、第一配流轴51、第二配流轴52、第三配流轴53组成动力马达，两滑块之间形成的空间为高压腔603，滑块与定子壳体之间的扇形空间为低压腔604。

第一配流盘91、第二配流盘92、第三配流盘93表面均布有若干低压流体排口90为低压腔体603提供流体排出通道。

下短节21、下中轴22、传动轴轴套23、轴承组24、tc套25、上隔板26、下静套27、下传动轴壳体28组成下传动轴总成，下短节21上端与过渡轴17螺纹连接，下端与下中轴22螺纹连接，传动轴轴套23通过台阶定位在下短节21下端与下中轴22螺纹连接处，传动轴轴套23下端安装有轴承组24，下中轴22通过轴承组24与下传动轴壳体28连接，下传动轴壳体28与下壳体15螺纹连接；tc套25通过台阶定位在下中轴22下端，下静套27通过台阶定位在下传动轴壳体28末端，上隔板26通过台阶定位在tc套25和下静套27之间。

本发明的工作过程：

图2和图3为滑块式动力机构的初始状态，第二滑块721受高、低压腔压力差的作用逆时针转动，同样第二滑块722受高、低压腔压力差的作用也逆时针转动，此时第二滑块721和第二滑块722上的传扭卡块在复位弹簧的作用下，卡到中间轴的传扭卡槽中，带动中间轴同步转动，将滑块的转速和扭矩通过配流轴传递给井下的碎岩工具，实现液力能向机械能的转化。第二滑块723和第二滑块724分别受到来自于高压腔的高压作用而有成顺时针转动的趋势，同时其上面的定位卡块在复位弹簧的作用下卡在定子的卡槽中，阻止了滑块向后倒退，使滑块保持在静止状态。转动60度后，此时第二滑块721和第二滑块723相接触，第二滑块722和第二滑块724相接触，原来的低压腔体转变为高压腔体，高压腔体转变为低压腔体，第二滑块721和第二滑块722受到高压腔的高压作用和卡块的定位作用而保持静止，而第二滑块723和第二滑块724开始受高、低压腔体间的压力差作用逆时针转动，同时其上面的传扭卡块带动配流轴一起运动，当第二滑块723和第二滑块724再次与第二滑块721和第二滑块722接触的时候，便又会重复以上的运动方式。

本发明的配流方式为配流轴将高压流体按照一定的运行规律通过配流孔、配流环槽、配流通道和高压流体入口输送到相应的高压腔体中，形成完整的闭式配流环。其中配流轴其一端设计有三层高压配流口，每层有两个，并与定子壳体的配流孔和配流环槽相对应。最后流体从配流盘的低压流体出口排出，其上均布有六个低压流体的排出口，并与滑块间形成的腔体相对应，且在滑块转动过程中，有两个流体出口与低压腔体相通，其余的出口被滑块盖住。

本发明的过渡轴将动力机构与下端钻具传动轴相连，使动力机构输出的扭矩和转速传递到井下碎岩机构，过渡轴还为流体提供输送通道，将动力钻具排出的流体将输送到井下钻具中，其一端设置有花键槽用于连接末端的动力机构轴，另一端设置有螺纹，用于连接下方钻具的传动轴，其壁上还开有均布的四个孔，为动力钻具排出流体输送到井下的入口。