低速大扭矩井下液压马达的制作方法

本实用新型涉及一种石油钻采井下工具，尤其是低速大扭矩井下液压马达。

背景技术：

现有技术的常规油管、连续油管修井作业(钻磨、打捞、清洗)在石油油气及页岩气开发中占有重要作用，并且由于油管及连续管作业的特殊性，使得在作业过程中出现复杂的概率较常规井作业明显偏多，并且一旦出现复杂情况，后续处理难度也随之大幅度增加，可选用的处理工具目前还极其有限。

油管及连续管打捞时，会遇到打捞工具引鱼或退鱼困难的情况，在打捞工具上部安装某种慢速大扭矩旋转井下工具可以有效应对上述困难。

目前，应用于油管及连续油管的旋转工具普遍采用的是螺杆马达或者涡轮马达，小直径螺杆马达如外径73mm，其转速一般在300rpm，最大扭矩500-800N.m。

若需要实现低速大扭矩，则必须增加齿轮减速机构，齿轮减速机构一般为行星减速机或者摆线减速机。小直径螺杆马达长度一般为3-4m，再增加减速机构，使得工具变得更长，内部结构更为复杂，一方面制造成本高，另一方面使用后的维护保养比较繁琐，需要专用车间和专用工具进行拆装保养，更普遍的做法是发回原厂进行保养，因此，保养费用较高、保养周期长，不适合低成本作业的需求。

另外，当作业流体为泡沫等多相流体时，采用螺杆马达时必须配套井下气体分离器，才能使马达发挥最大功效，因此，对作业流体的适应性有限制要求，极大的限制了工具在长水平段水平井及低压气藏的应用。

当井下温度较高或者含有对橡胶产生腐蚀性的化学物质时，经常会导致螺杆马达橡胶定子失效，造成井下复杂。

因此，有必要提供一种克服上述缺陷的低速大扭矩井下液压马达。

技术实现要素：

针对特殊高难度井的打捞修井作业难度大、工具费用高、维护保养成本高、工具稳定性差的特点，本实用新型提供的一种采用液动推复式运动机构实现活塞往复运动，并采用轴向旋转转换机构实现旋转驱动力的低速大扭矩井下液压马达。

本实用新型的技术方案如下：

一种低速大扭矩井下液压马达，包括分流总成、轴向往复驱动总成、轴向旋转转换总成及防反扭总成；所述轴向旋转转换总成包括具外直槽花键和外螺旋花键的驱动芯轴、具内螺旋花键槽和第三离合齿的动力套、具第四离合齿的旋转套、第一弹簧及分配阀；所述第三离合齿设于所述动力套的下端，所述第三离合齿与所述旋转套一端的所述第四离合齿接触，且所述第一弹簧提供预紧力；所述驱动芯轴上的所述外螺旋花键与所述动力套内的所述内螺旋花键槽啮合；所述驱动芯轴上的外直槽花键与所述分配阀内的直槽配合。

优选的，分流总成导流套、外筒、配流盘，所述导流套设于外筒内，所述所述配流盘控制节流压力。

优选的，所述轴向往复驱动总成包括上阀体、阀体、下阀体、冲击阀、换向阀，所述下阀体上设有进液孔，所述上阀体、阀体、冲击阀、换向阀、下阀体依次连接设于所述外筒内。

优选的，所述防反扭总包括上接头、锁套、固定套、第二弹簧、下接头；所述固定套一端设有花键，通过所述花键，所述固定套与所述下接头成扭矩锁定；所述锁套的一端面具第一离合齿，所述固定套的端面具第二离合齿，当所述下接头正向旋转时，所述锁套和所述固定套第一离合齿和第二离合齿的端面是斜面接触，所述锁套由所述第二弹簧提供预紧力。

优选的，所述上接头与所述外筒的一端成扭矩锁定。

优选的，所述低速大扭矩井下液压马达还包括锁母、堵头、应力环、连接接头、轴承及过流槽；所述导流套、锁母及堵头依次嵌套连接，且设于所述外筒内，所述过流槽设于所述导流套的一端；所述外筒外部设有花键槽，通过所述应力环，所述分配阀的一端与所述外筒的另一端采用螺纹固定连接；所述分配阀的另一端与所述连接接头的一端采用螺纹固定连接；所述锁套一端设计有花键，所述锁套与所述连接接头的另一端成扭矩锁定；所述轴承设于所述连接接头临近所述下接头的一端。

本实用新型的有益效果在于：

1、全金属结构，整机运动件为全金属结构，使用寿命长可达200-300小时；

2、结构简单、拆卸方便便于现场维护、更换配件和修复，只需要利用常规工具进行拆装和清洗，运动件为活塞式结构，装配工艺要求较低，一般工人简单培训即可；

3、全金属合金钢结构，无异形件，材料成本低加工难度小，整机成本低廉，仓储运输保护要求低；

4、输出扭矩和旋转速度，可以利用井口泵注设备较宽泛的排量范围进行调整，即，在井口可通过调节泵车排量来控制井下工具的旋转速度和输出扭矩；

5、工具长度较之短型螺杆马达明显缩短一倍以上，降低了井下出现卡钻的几率；

6、运动件采用封装结构，防止内部零件意外掉井的情况；

7、运动件可大排量过流，即，当旋转被卡时，可长时间带扭矩静止；

8、液动推复式运动机构，是一种压差容积式驱动，液动推复式运动机构对流体、气体及混相液体具有优异的兼容性，适合淡水基泥浆、海水基泥浆、油基泥浆、加重泥浆、漂白剂、化学溶剂、1％的酸、3％KCL、聚合物凝胶、除垢剂、空气、CO2、氮气或混合气体；

9、当工具内部运动机构发生意外卡阻，并不影响正常循环。

本实用新型所述工具主要与钻头、磨鞋、捞锚捞筒等修井打捞工具配套，为其提供低速大扭矩旋转，用于钻铣、倒扣、造扣、引鱼或退鱼，是一种多用途石油钻采井下工具。

【附图说明】

图1是本实用新型低速大扭矩井下液压马达的部分结构示意图；

图2是本实用新型低速大扭矩井下液压马达的另一部分结构示意图；

图3是导流套的结构示意图；

图4是上阀体的结构示意图；

图5是驱动芯轴的结构示意图；

图6是动力套的结构示意图；

图7是动力套与旋转套离合配合关系的结构示意图；

图8是锁套与固定套离合配合关系的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。

请结合参阅图1至图8，所述低速大扭矩井下液压马达100包括分流总成、轴向往复驱动总成、轴向旋转转换总成及防反扭总成。

所述分流总成包括导流套2、外筒11、配流盘9，所述配流盘9控制节流压力。

所述轴向往复驱动总包括上阀体4、阀体5、下阀体8、冲击阀6、换向阀7。

所述下阀体8上设有进液孔25，所述上阀体4、阀体5、冲击阀6、换向阀7、下阀体8依次连接设于所述外筒11内。

所述轴向旋转转换总成包括具外直槽花键26和外螺旋花键27的驱动芯轴12、具内螺旋花键槽28和第三离合齿29的动力套16、具第四离合齿30的旋转套18、第一弹簧13及分配阀15。

所述第三离合齿29设于所述动力套16的下端，所述第三离合齿29与所述旋转套18一端的所述第四离合齿30接触，且所述第一弹簧13提供预紧力。

所述驱动芯轴12上的所述外螺旋花键27与所述动力套16内的所述内螺旋花键槽28啮合。

所述驱动芯轴12上的外直槽花键26与所述分配阀15内的直槽配合。

所述防反扭总包括上接头1、锁套20、固定套22、第二弹簧21、下接头23。所述防反扭总成的功能则是确保在所述冲击阀6做上行程时，所述下接头23不发生反向旋转。

所述固定套22一端设有花键34，通过所述花键34，所述固定套22与所述下接头23成扭矩锁定。

所述锁套20的一端面具第一离合齿32，所述固定套22的端面具第二离合齿33，当所述下接头23正向旋转时，所述锁套20和所述固定套22第一离合齿32和第二离合齿33的端面是斜面接触，所述锁套20由所述第二弹簧21提供预紧力，在斜面上顶分力作用下，所述锁套20沿轴线向上移动，所述第一离合齿32和所述第二离合齿33发生分离。

所述上接头1与所述外筒11的一端成扭矩锁定。具体的，在地面将旋转可退式捞筒或捞锚与所述下接头23连接，所述上接头1连接油管或者连续油管。

所述低速大扭矩井下液压马达100还包括锁母3、堵头10、应力环14、连接接头17、轴承19及过流槽24。

所述导流套2、锁母3及堵头10依次嵌套连接，且设于所述外筒11内，所述过流槽24设于所述导流套2的一端。

所述外筒11外部设有花键槽，通过所述应力环14，所述分配阀15的一端与所述外筒11的另一端采用螺纹固定连接。

所述分配阀15的另一端与所述连接接头17的一端采用螺纹固定连接。

所述锁套20一端设计有花键31，所述锁套20与所述连接接头17的另一端成扭矩锁定。

所述轴承19设于所述连接接头17临近所述下接头23的一端。

当地面井口泵注的高压液体，通过所述分流总成分流后，为所述轴向往复驱动总成提供液压驱动马力，由所述换向阀7控制所述冲击阀6进行上行程和下行程动作，所述冲击阀6同时带动所述驱动芯轴12做往复运动，所述驱动芯轴12上的所述外螺旋花键27与所述动力套16内的所述内螺旋花键槽28配合，使得每次行程都会将所述驱动芯轴12的轴向运动转换为一定角度的旋转运动，所述动力套16通过所述内螺旋花键槽28将扭矩传递给所述旋转套18，并只提供单向扭矩。

所述驱动芯轴12与所述冲击阀6采用螺纹固定连接，所述驱动芯轴12带有所述外直槽花键26和所述外螺旋花键27，所述外螺旋花键27与所述动力套16内部的所述内螺旋花键槽28配合，当所述驱动芯轴12做轴向往复运动时，会带动所述动力套16发生一定角度的旋转，所述外螺旋花键27的螺旋偏角方向、螺旋偏角角度和螺线长度等参数，是控制轴向力转换为旋转扭矩、旋转角度、旋转速度的主要参数，因此可以根据不同的井下施工需要，设计改变相应的参数。

所述驱动芯轴12的下行程使得所述动力套16产生一定角度的正向旋转，所述驱动芯轴12的上行程旋转使得所述动力套16产生反向旋转。所述驱动芯轴12上的所述外直槽花键26与所述分配阀15内的直槽配合，所述分配阀15与所述外筒11采用螺纹固定连接，因此，所述驱动芯轴12与所述外筒11呈扭矩锁定，只能进行轴向往复位移，这一设计的益处在于为所述动力套16旋转提供相应的反应扭矩。

所述动力套16下端带有所述第三离合齿29，所述第三离合齿29与所述旋转套18一端的所述第四离合齿30配合，当正向旋转时，所述第三离合齿29和所述第四离合齿30之间是立面接触，所述动力套16可以将正向旋转扭矩传递给所述旋转套18，使得所述旋转套18相应的产生正向旋转。所述旋转套18与所述下接头23采用螺纹固定连接，因此，可以带动所述下接头23产生相应的正向旋转。

当所述动力套16反向旋转时，所述第三离合齿29和所述第四离合齿30之间是斜面接触，对所述动力套16产生上顶的分力，使得所述第三离合齿29和所述第四离合齿30发生分离，即，反向旋转时，所述动力套16只是反向空转一定的角度，无法给所述下接头23提供反向旋转扭矩。也就是说，所述冲击阀6只有下行程时，才会使所述下接头23产生正向旋转。而上行程时，所述下接头23处于静止并不发生反向旋转。

由于井深较深，因此随着扭矩的不断增加，井下油管或连续油管存在较大的弹扭性力，会迫使下接头产生反向旋转，因此，如果不对所述下接头23进行反向旋转控制，那么在管柱力学的作用下，所述下接头23在扭矩积累到一定程度后，会产生反向旋转扭矩释放。因此，所述下接头23外部设计有花键槽，所述固定套22一端设计有花键34，通过所述花键34，所述固定套22与所述下接头23成扭矩锁定。

所述锁套20和所述固定套22端面采用所述第一离合齿32和所述第二离合齿33方式配合，所述锁套20由所述第二弹簧21提供预紧力，当所述下接头23正向旋转时，所述锁套20和所述固定套22的所述第一离合齿32和所述第二离合齿33端面是斜面接触，在斜面上顶分力作用下，所述锁套20沿轴线向上移动，所述第一离合齿32和所述第二离合齿33发生分离。当所述下接头23积累了大量扭矩试图反向旋转时，所述锁套20和所述固定套22的所述第一离合齿32和所述第二离合齿33端面是立面接触，所述下接头23无法反向旋转，确保了所述下接头23上积累的扭矩不发生释放。

本实用新型的实施过程为，在地面将旋转可退式捞筒或捞锚与所述下接头23连接，所述上接头1连接油管或者连续油管，在井口想油管内进行泵注后，会使得本实用新型内部的往复运动机构产生轴向往复运动，往复运动经过转换变为持续的单向大扭矩旋转。

进一步的，所述下接头23连接旋转可退式捞筒、旋转可退式捞锚、钻头、磨鞋、旋转喷头、负压打捞工具等，并用油管或连续油管下入到井下落物的落鱼位置，或者是需要钻磨、冲砂清洗的位置，或者是需要液压倒扣的位置。此时，按照预定的排量，向井下泵注清水或者盐水、压裂液、泡沫、泥浆、氮气等流体，本实用新型在这些流体作用下，根据不同的流量，会在分流总成内的所述配流盘9上产生设定的节流压差，从而为轴向往复驱动总成提供了驱动所需的分流水马力。流体通过所述轴向往复驱动总成的所述上阀体4、阀体5、下阀体8上的所述进液孔25，进入所述冲击阀6、换向阀7等组成的活塞系统，产生设定的较大的活塞驱动力，迫使所述冲击阀6首先沿某一轴线方向运动到限位死点，此时，所述换向阀7继而也运动到相应的限位死点，当所述换向阀7运动到该死点时，使得所述冲击阀6的活塞系统的液压发生发生反向转换，驱动力迫使所述冲击阀6运动到反向死点，而所述冲击阀6此时的位置恰好导致所述换向阀7的活塞系统发生反向转换，导致所述换向阀7反向运动到相应的限位死点，由此完成一个往复运动周期，这个周期周而复始，使得所述冲击阀6按照一定的频率做往复运动，所述冲击阀6的推力力和频率与其运动行程、重量和所述配流盘9的节流压力成相关，因此，可以根据不同的需求设计不同频率和推力的往复运动机构。由于所述冲击阀6和所述换向阀7的运动是根据活塞内外压差的容积式驱动方式，因此，对于作业流体没有限制，可以是清水、盐水、泥浆、酸液、气体、泡沫等。

控制所述配流盘9的节流压力，或者控制井口排量，设计不同行程的所述冲击阀6和所述换向阀7，设计不同螺旋方向、螺旋角度、螺距的所述驱动芯轴12，可以设计出不同转速、不同扭矩、正向或者反向旋转的井下工具。

以打捞工具退鱼为例，所述下接头23连接旋转可退式捞筒，并用油管或连续油管下入到井下落物的落鱼位置，由于井下套管内情况极为复杂，经常会出现种种特殊原因，如套管变形、沉砂、井下落物、卡瓦卡阻等原因，当捞筒抓住落物的鱼顶，但是通过拉拔方式无法将落物起出时，需要旋转退出落鱼，但是由于井深结构复杂如大位移井或者长水平段水平井，或者由于作业管柱机械载荷等的限制，如连续油管无法旋转，或者井口旋转扭矩无法传递到旋转可退式捞筒上，此时，在井口可略微上提管柱，并接通泵车，按照预定的排量，向井下泵注清水或者盐水、压裂液、泡沫、泥浆、氮气等流体，本实用新型在这些流体作用下，根据不同的流量，会在分流总成内的配流盘9上产生设定的节流压差，从而为轴向往复驱动总成提供了驱动所需的分流水马力。流体通过轴向往复驱动总成的上阀体4、阀体5、下阀体8上的进液孔25，进入冲击阀6、换向阀7等组成的活塞系统，产生设定的较大的活塞驱动力，迫使冲击阀6首先沿某一轴线方向运动到限位死点，此时，换向阀7继而也运动到相应的限位死点，当换向阀7运动到该死点时，使得冲击阀活塞系统的液压发生发生反向转换，驱动力迫使冲击阀6运动到反向死点，而冲击阀6此时的位置恰好导致换向阀7的活塞系统发生反向转换，导致换向阀7反向运动到相应的限位死点，由此完成一个往复运动周期，这个周期周而复始，使得冲击阀6按照一定的频率做往复运动，冲击阀6的推力力和频率与其运动行程、重量和配流盘9的节流压力成相关，因此，可以根据不同的需求设计不同频率和推力的往复运动机构。由于冲击阀6和换向阀7的运动是根据活塞内外压差的容积式驱动方式，因此，对于作业流体没有限制，可以是清水、盐水、泥浆、酸液、气体、泡沫等。

本实用新型的设计的特别益处在于，所有的运动件均采用合金钢材料，不需要任何运动密封零件，各个零件均采用易于机械加工的简单几何结构。因此，本实用新型工具制造成本相比螺杆马达大幅度降低、寿命更长、流体适应性更优异、更易于现场维护保养。

以上所述的仅是本实用新型的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本实用新型的保护范围。