一种正反螺杆串联驱动的扭矩平衡动力钻具

1.本发明涉及属于钻井工程技术领域，特别涉及一种适用于地质钻探、水文水井钻井、油气钻井、科学钻探和地下建筑救援钻孔等技术领域的正反螺杆串联驱动的扭矩平衡动力钻具。


背景技术：

2.在油气田钻井开发过程中，需要钻头的旋转运动来破坏地层，以形成地面到目标储层的通道。钻头的旋转运动通常通过钻杆进行传输，随着钻井深度的增加，其整个钻柱的刚度降低，钻柱受到扭矩和钻压的作用时容易产生屈曲和失稳，特别是在定向井、水平井的钻进中，钻杆和井壁相接触，从而增加钻柱与井壁之间的摩擦力，需要更大的钻压，来克服二者之间的摩擦力，使得钻柱更容易产生失稳，造成钻井效率低，井眼轨迹差的现象，因此迫切需要一种井下工具来减少钻柱所受的扭矩。
3.另一方面，随着井深的增加，钻头在钻进时容易出现粘滑振动。粘滑振动以钻头的粘滞与滑脱交替出现为特征：在粘滞阶段，钻头停止转动而钻柱在转盘的驱动下继续扭转，当钻柱扭转所积蓄的能量足以破碎岩层时，粘滞的钻头便滑脱；在滑脱阶段，钻柱积蓄的能量瞬间释放，钻头在正反方向突然加速或减速，钻头角速度数倍于地表转盘转速。粘滑振动引起钻头和钻具的频繁憋跳和扭振，导致钻头崩齿、损坏及井下钻具组合的损坏，使钻头机械钻速和破岩效率降低；粘滑振动严重时会引起井下工具倒扣，造成钻具脱落等钻井事故。
4.通过改变钻井工具结构原理，消除或降低钻柱扭矩，是解决粘滑振动、提高钻井速度的有效方法。
5.专利cn106869806a、cn110219587a、cn206448779u公布了一种扭矩自平衡嵌套式双钻头，通过井下双电机驱动由内钻头和外钻头逆向旋转，从而实现内外钻头的扭矩平衡。该方案需要电缆下入井底，设备工艺复杂；另一方，电机难以适应深井、超深井高温环境，限制了其应用范围。
6.专利cn112065268b公布了一种扭矩平衡井下动力钻具，采用双螺杆钻井组合使用，并通过齿轮系统实现内外钻头的转向调整。该方案中传动结构复杂，并且传动齿轮尺寸十分有限，其强度和稳定性难以达到应用要求。
7.因此，提出一种全新、简洁、螺杆驱动的扭矩平衡动力钻具具有现实意义。


技术实现要素：

8.本发明的目的：发明涉及一种全新的井下动力钻具，通过双螺杆串联，实现内外钻头的相反方向旋转，从扭矩产生源头上大幅度降低钻柱的扭矩。
9.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是如下。
10.一种正反螺杆串联驱动的扭矩平衡动力钻具，包括上螺杆总成、下螺杆总成和钻头总成，其特征在于：上螺杆总成下端连接下螺杆总成，下螺杆总成下端连接钻头总成；上螺杆总成的
螺杆旋向与下螺杆总成的螺杆旋向相反；上螺杆总成的转子相对于上螺杆总成定子的转速，小于下螺杆总成的螺杆相对于下螺杆总成定子转速；上螺杆总成的传动轴，连接下螺杆总成的壳体，并带动下螺杆总成旋转；钻头总成包括外钻头和内钻头，外钻头整体为圆筒形，外钻头与下螺杆总成的壳体连接，内钻头与下螺杆总成的传动轴连接。
11.为防止钻柱和井下工具倒扣，通过内钻头和外钻头形状和尺寸设计，控制破岩对外钻头产生的反扭矩与内钻头的反扭矩不相等，保持外钻头的反扭矩与内钻头的反扭矩抵消后的残余扭矩方向为钻柱紧扣旋转方向。
12.上螺杆总成与下螺杆总成之间设置转接总成，转接总成包括转接套和转接头；转接套整体为圆筒形，转接套上端与上螺杆总成下端的壳体连接；转接头整体为圆筒形，转接头上端插入转接套内并与上螺杆总成的传动轴连接，转接头下端与下螺杆总成上端的壳体连接；转接头与转接套之间周向活动连接并设置密封。
13.外钻头整体为圆筒形，外钻头安装到下螺杆总成的壳体下端位置。
14.还包括旁通总成，旁通总成包括阀体、阀芯、弹簧、阀套；阀体上端连接上端管柱，阀体下端连接上螺杆总成壳体；阀套整体为圆筒形，阀套设置在阀体内；阀芯整体为圆筒形，阀芯设置于阀体内并置于阀套上方位置；阀芯和阀套之间设置弹簧；阀芯中间位置设置径向通孔，阀体在阀芯对应位置设置径向通孔；阀体的径向通孔设置筛板、挡板并用卡簧固定。
15.上螺杆总成从上到下依次包括上防掉总成、上马达总成、上万向轴总成、上传动轴总成；上防掉总成包括上防掉接头、上防掉锁母、上防掉连杆；上防掉接头下端连接上马达总成；上防掉接头内设置上防掉锁母，上防掉锁母直径大于上防掉接头下端通孔直径；上防掉连杆的上端连接上防掉锁母，上防掉连杆的下端连接上马达总成的转子；上马达总成包括上转子、上衬套、上定子壳体；上定子壳体上端连接上防掉接头，下端连接上连接轴壳体；上定子壳体内设置上衬套，上衬套内安装上转子；上万向轴总成包括上连接轴、上连接轴壳体、上水冒；上连接轴壳体上端连接上定子壳体，上连接轴壳体下端连接上传动轴壳体；上连接轴是万向轴结构或者为挠性轴，上连接轴上端连接上转子，上连接轴下端连接上水冒；上水冒整体为圆筒形，并设置侧面流道，所述侧面流道将钻井液导入到上传动轴内腔；上传动轴总成包括tc轴承a、串轴承a、上传动轴壳体、tc轴承b、上传动轴；上传动轴壳体上端连接上连接轴壳体；上传动轴上端连接上水冒；上传动轴与上传动轴壳体之间设置串轴承a，串轴承a上端设置tc轴承a，串轴承a下端设置tc轴承b。
16.下螺杆总成从上到下依次包括下防掉总成、下马达总成、下万向轴总成、下传动轴总成；下防掉总成包括下防掉接头、下防掉锁母、下防掉连杆；下防掉接头下端连接下马达总成；下防掉接头内设置下防掉锁母，下防掉锁母直径大于下防掉接头下端通孔直径；下防掉连杆的上端连接下防掉锁母，下防掉连杆的下端连接下马达总成的转子；下马达总成包括下转子、下衬套、下定子壳体；下定子壳体上端连接下防掉接头，下端连接下连接轴壳体；下定子壳体内设置下衬套，下衬套内安装下转子；
下万向轴总成包括下连接轴、下连接轴壳体、下水冒；下连接轴壳体上端连接下定子壳体，下连接轴壳体下端连接下传动轴壳体；下连接轴是万向轴结构或者为挠性轴，下连接轴上端连接下转子，下连接轴下端连接下水冒；下水冒整体为圆筒形，并设置侧面流道，所述侧面流道将钻井液导入到下传动轴内腔；下传动轴总成包括tc轴承c、串轴承b、下传动轴壳体、tc轴承d、下传动轴；下传动轴壳体上端连接下连接轴壳体，下传动轴壳体下端连接外钻头；下传动轴为中空管状结构，下传动轴上端连接下水冒；下传动轴与下传动轴壳体之间设置串轴承b，串轴承b上端设置tc轴承c，串轴承b下端设置tc轴承d；下传动轴下端连接内钻头。
17.本发明具有的有益效果是：（1）本发明所述钻具从源头上大幅度降低钻柱扭矩，有效避免扭矩过大带来的各类钻井问题；（2）钻具采用正反螺杆串联，结构简单可靠；（3）上下螺杆串联，泥浆流量相等，通过螺杆尺寸型号配合，保持下部螺杆转速大于为上部螺杆转速，即可实现内外钻头的反向旋转；（4）内钻头和外钻头轴向距离近，面对的岩层属性相同，因此可以方便地通过内钻头和外钻头形状和尺寸控制，设计外钻头的破岩扭矩与内钻头的破岩扭矩存在差值，有效避免内外钻头旋向不同造成的倒扣问题。
附图说明
18.图1为本发明结构简图，图中标号表示如下。
19.1.旁通总成；2.上螺杆总成；3.转接总成；4.下螺杆总成；5.钻头总成。
20.11.阀体；12.阀芯；13.弹簧；14阀套。
21.21.上防掉接头；22.上防掉锁母；23.上防掉连杆；24.上转子；25.上衬套；26.上定子壳体；27.上连接轴；28.上连接轴壳体；29.上水冒；210. tc轴承a；211.串轴承a；212.上传动轴壳体；213. tc轴承b；214.上止推环；215.上传动轴。
22.31.转接套；32.转接头。
23.41.下防掉接头；42.下防掉锁母；43.下防掉连杆；44.下转子；45.下衬套；46. 下定子壳体；47. 下连接轴；48. 下连接轴壳体；49. 下水冒；410. tc轴承c；411.串轴承b；412. 下传动轴壳体；413. tc轴承d；414. 下止推环；415. 下传动轴。
24.51.外钻头；52.牙齿；53.内钻头。
具体实施方式
25.本发明不受下述实施实例的限制，可以根据本发明的技术方案和实际情况来确定具体的实施方式。上、下、左、右、前、后、内、外等位置关系是依据说明书附图1的布局方向来确定的。
26.一种正反螺杆串联驱动的扭矩平衡动力钻具，包括上螺杆总成2、下螺杆总成4和钻头总成5。
27.上螺杆总成2下端连接下螺杆总成4，下螺杆总成4下端连接钻头总成5。上螺杆总成2的螺杆旋向与下螺杆总成4的螺杆旋向相反。动力液流量相同情况下，上螺杆总成2的转子相对于上螺杆总成2定子的转速，小于下螺杆总成4的转子相对于下螺杆总成4定子的转速。
28.上螺杆总成2下端动力输出的传动轴，直接或间接方式连接下螺杆总成4的壳体；
上螺杆总成2下端动力输出的传动轴，带动下螺杆总成4旋转。
29.钻头总成5包括外钻头51和内钻头53，外钻头51整体为圆筒形，外钻头51与下螺杆总成4的壳体连接，内钻头53上部插入外钻头51内并与下螺杆总成4的传动轴连接。
30.为防止钻柱和井下工具倒扣，通过内钻头53和外钻头51形状和尺寸设计，控制破岩对外钻头51产生的反扭矩与内钻头53的反扭矩不相等，保持破岩对外钻头51产生的反扭矩与内钻头53的反扭矩抵消后的残余扭矩方向为钻柱紧扣旋转方向。
31.上螺杆总成2与下螺杆总成4之间设置转接总成3；转接总成3包括转接套31和转接头32。转接套31整体为圆筒形，转接套31上端与上螺杆总成2下端的壳体连接。转接头32整体为圆筒形，转接头32上端插入转接套31内并与上螺杆总成的传动轴连接，转接头32下端与下螺杆总成4上端的壳体连接。转接头32与转接套31之间周向活动连接并设置密封，转接头32可以在转接套31内转动。
32.本实施例中，旁通总成1属于现有技术，其实施方式表述如下。
33.旁通总成1包括阀体11、阀芯12、弹簧13、阀套14；阀体11上端连接上端管柱，阀体11下端连接下部钻具，本实施例中阀体11下端连接上螺杆总成2的上端壳体；阀套14整体为圆筒形，阀套14设置在阀体11内；阀芯12整体为圆筒形，阀芯12设置于阀体11内并置于阀套14上方位置；阀芯12和阀套14之间设置弹簧13；阀芯12中间位置设置径向通孔，阀体11在阀芯12对应位置设置径向通孔；阀体11的径向通孔设置筛板、挡板并用卡簧固定，防止杂质进入到阀芯12。旁通总成1下部的工具串正常工作时，阀芯12节流效应建立压差，驱动阀芯12向下运动并关闭阀芯12的径向通孔。起钻时候，弹簧13推力打开阀芯12，钻柱内的流体通过阀芯12的径向通孔、阀体11的径向通孔流入到井筒内。
34.本实施实例中，螺杆总成属于现有技术，其实施方式在本实施例表述如下。
35.上螺杆总成2从上到下依次包括上防掉总成、上马达总成、上万向轴总成、上传动轴总成。
36.上防掉总成包括上防掉接头21、上防掉锁母22、上防掉连杆23；上防掉接头21上端连接管柱或者旁通总成1，上防掉接头21下端连接上马达总成的壳体；上防掉接头21内设置上防掉锁母22，上防掉锁母22直径大于上防掉接头21下端通孔直径；上防掉连杆23的上端连接上防掉锁母22，上防掉连杆23的下端连接上马达总成的转子。上螺杆总成2失效时，上防掉锁母22封堵上防掉接头21的通孔，泵压迅速升高，以便地面及时发现事故。
37.上马达总成包括上转子24、上衬套25、上定子壳体26；上定子壳体26上端连接上防掉接头21，下端连接上连接轴壳体28。上定子壳体26内设置上衬套25，上衬套25内安装上转子24。动力液通过上转子24和上衬套25之间的可变容积，驱动上转子24旋转；从而带动下部工具串转动。
38.上万向轴总成包括上连接轴27、上连接轴壳体28、上水冒29；上连接轴壳体28上端连接上定子壳体26，上连接轴壳体28下端连接上传动轴壳体212；上连接轴27是万向轴结构或者为挠性轴，上连接轴27上端连接上转子24，上连接轴27下端连接上水冒29。上水冒29整体为圆筒形，并设置侧面流道，所述侧面流道将上连接轴壳体28内的钻井液导入到上传动轴215内腔。
39.上传动轴总成包括tc轴承a 210、串轴承a 211、上传动轴壳体212、tc轴承b 213、上止推环214、上传动轴215。上传动轴壳体212上端连接上连接轴壳体28，上传动轴壳体212
下端连接转接套31；上传动轴215为中空管状结构，上传动轴215置于上传动轴壳体212中间位置，上传动轴215上端连接上水冒29；上传动轴215与上传动轴壳体212之间设置串轴承a 211，串轴承a 211上端设置tc轴承a 210，串轴承a 211下端设置tc轴承b 213，tc轴承b 213下端设置上止推环214；上止推环214整体为圆环形，上止推环214上端顶在tc轴承b 213的外圈上，上止推环214下端顶在转接套31上端。
40.下螺杆总成4从上到下依次包括下防掉总成、下马达总成、下万向轴总成、下传动轴总成。
41.下防掉总成包括下防掉接头41、下防掉锁母42、下防掉连杆43；下防掉接头41上端连接转接头32，下防掉接头41下端连接下马达总成；下防掉接头41内设置下防掉锁母42，下防掉锁母42直径大于下防掉接头41下端通孔直径；下防掉连杆43的上端连接下防掉锁母42，下防掉连杆43的下端连接下马达总成的转子。下螺杆总成4失效时，下防掉锁母42封堵下防掉接头41的通孔，泵压迅速升高，以便地面及时发现事故。
42.下马达总成包括下转子44、下衬套45、下定子壳体46；下定子壳体46上端连接下防掉接头41，下端连接下连接轴壳体48。下定子壳体46内设置下衬套45，下衬套45内安装下转子44。动力液通过下转子44、下衬套45之间的可变容积，驱动下转子44旋转；从而带动下部工具串转动，最终驱动内钻头53旋转。
43.下万向轴总成包括下连接轴47、下连接轴壳体48、下水冒49；下连接轴壳体48上端连接下定子壳体46，下连接轴壳体48下端连接下传动轴壳体412；下连接轴47是万向轴结构或者为挠性轴，下连接轴47上端连接下转子44，下连接轴47下端连接下水冒49。下水冒49整体为圆筒形，并设置侧面流道，所述侧面流道将下连接轴壳体48内的钻井液导入到下传动轴415内腔。
44.下传动轴总成包括tc轴承c 410、串轴承b 411、下传动轴壳体412、tc轴承d 413、下止推环414、下传动轴415。下传动轴壳体412上端连接下连接轴壳体48，下传动轴壳体412下端连接外钻头51；下传动轴415为中空管状结构，下传动轴415置于下传动轴壳体412中间位置，下传动轴415上端连接下水冒49；下传动轴415与下传动轴壳体412之间设置串轴承b 411，串轴承b 411上端设置tc轴承c 410，串轴承b 411下端设置tc轴承d 413，tc轴承d 413下端设置下止推环414；下止推环414整体为圆环形，下止推环414上端顶在tc轴承d 413的外圈上，下止推环414下端顶在外钻头51上端。下传动轴415下端连接内钻头53，内钻头53和外钻头51破岩面设置牙齿52。
45.本发明的原理为：上螺杆总成2下端的传动轴作为动力输出，上传动轴215下端通过转接总成3连接下螺杆总成4，下螺杆总成4下端壳体连接外钻头51；上传动轴215驱动下螺杆总成4整体旋转，并带动外钻头51旋转破岩；下螺杆总成4的螺杆旋向与上螺杆总成2的螺杆旋向相反，动力液流量相同情况下，上螺杆总成2的螺杆转速小于下螺杆总成4的螺杆转速，因此下螺杆总成4的传动轴具有与上螺杆相反的转动；这样，下螺杆总成4驱动的内钻头53旋转方向与外钻头51旋转方向相反。
46.由于上螺杆总成2的螺杆旋向和下螺杆总成4螺杆旋转方向相反，下螺杆总成4整体由上螺杆总成2驱动旋转；下传动轴415的绝对转速大小，等于下转子44相对于下衬套45的转速减去上传动轴215转速大小。比如，下螺杆总成4的螺杆转速是上螺杆总成2的螺杆转速的2倍，内钻头53和外钻头51旋向相反且转速相等。内钻头53和外钻头51破岩产生的反扭
矩方向相反，彼此相互抵消，抵消剩余的扭矩传递到钻柱；这样能大幅度降低钻柱的扭矩，从而从源头上解决了钻柱扭矩过大带来的各类问题。
47.为防止钻柱和井下工具串倒扣，通过内钻头53和外钻头51形状和尺寸控制，设计外钻头51的破岩扭矩与内钻头53的破岩扭矩存在差值，两者抵消后的残余扭矩方向为钻柱紧扣旋转方向。内钻头53和外钻头51轴向距离小，两者面对的岩层属性相近；因此可以方便地通过内钻头53和外钻头51形状和尺寸控制，设计外钻头51的破岩扭矩与内钻头53的破岩扭矩存在特定方向的差值。
48.本发明采用正反螺杆串联，加上多种特殊的结构，通过特殊的连接组合方式；实现了钻头破岩扭矩的大幅度降低，解决钻柱扭矩过大带来的各类问题。另外，本发明明确了本方案设计中的两大关键问题：1、正反螺杆残余反扭矩可能引起钻柱和和井下工具串倒扣，通过钻头形状和尺寸控制，保持残余扭矩方向为钻柱紧扣旋转方向；2、正反螺杆串联组合中，内外钻头转速由螺杆转速决定，通过设置下部螺杆转速大于上部螺杆转速，实现内外钻头的绝对转速方向相反。