新型无扭矩井下电动钻具设计

陈鹏等

摘 要：井下电动钻具以其独特的井口-井底能源信息传输功能，实现了钻井自动控制，然而现有的井下电动钻具仍不能完全克服钻柱受扭变形这一缺陷。文章介绍了一种可抵消钻柱所受扭矩的井下电动钻具，该电动钻具采用对称安装的两个井下电机提供破岩动力，利用双主动轮圆锥齿轮组合作为动力传输介质，破岩过程中，两个电机同时驱动各自所联接的圆锥齿轮沿相反方向转动，转动过程中两个电机所承受的扭矩在水平方向上大小相等、方向相反，两者在井下相互抵消，减小钻杆所受扭矩。

关键词：钻柱；受扭变形；井下电动钻具

1 背景

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：

2 电动钻具改进思路

综合现有钻具的现状，电动钻具对井下信息化的实现这一独特的优点无疑是未来钻井技术应保留并加以完善的重点，显钻电动钻具存在的缺点是必需要解决的问键问题。本设计采用井下电机提供破岩动力，保留了传统电动钻具中自动化和遥控技术的实现等优点，并利用双主动轮圆锥齿轮组合作为动力传输介质，在钻头处把原本竖方向上的扭矩分解为两个水平方向上大小相等、方向相反的扭矩，两个扭矩在井下相互抵消，使钻杆不承受扭矩，并减小了钻柱的振动，改善了井下电机的工况。

3 双主动轮圆锥齿轮组合

图1是本设计的主要原理图，如图1所示，在双主动轮圆锥齿轮组合结构中，1和3都为主动轮，2为从动轮，两个主动轮旋转的轴线方向在水平方向上且两者的旋转方向相反，从动轮的轴线方向在竖直方向上。例如：从右往左看主动轮3是顺时针旋转，从右往左看主动轮1逆时针旋转，则从上往下看从动轮是顺时针旋转。由此，两个主动轮所承受的扭矩在水平方向上大小相等，方向相反，可以相互抵消。

4 设计方案

将双主动轮圆锥齿轮组合的动转原理应用到井下电动钻具的设计中可实现对钻头所受反扭矩的抵消。本设计由固定动力短接和旋转破岩短接两个部件构成。图2是本设计的整体结构示意图。

如图2，整个结构的动力传输原理就如同图1所示的双主动轮圆锥齿轮组合结构，圆锥齿轮4就相当于图1结构中的圆锥齿轮1，圆锥齿轮5就相当于图1结构中的圆锥齿轮3，旋转破岩短接18就相当于图1结构中的圆锥齿轮2，齿轮4和齿轮5同时和旋转破岩短接上端的轮齿6啮合，固定动力短接和旋转破岩短接之间通过轴承联接，其中：轴承11、12、13、14、15都是深沟球轴承，这五个轴承的作用是保证固定动力短接和旋转破岩短接能够在竖直方向上同轴相对转动。轴承16是推力球轴承，其作用是用于承受竖直方向上的钻压，防止钻压对上面五个深沟球轴承的损坏以及防止钻压对齿轮4、齿轮5与轮齿6啮合处造成的损坏。整个结构通过母螺纹8与钻铤联接，通过母螺纹10与钻头联接。钻进时，M1和M2中通入同向电流，同时分别驱动齿轮4和齿轮5转动，则在水平方向上，齿轮4和齿轮5的旋转方向是相反的。例如：从右往左看，若齿轮5是顺时针旋转，则齿轮4必定是逆时针旋转，由此产生的最终效果是：从上往下看，旋转破岩短接18是顺时针旋转。由于在此过程中M1和M2各自所承受的扭矩在水平方向上大小相等、方向相反，两个扭矩即在固定动力短接的金属筒壁上相互抵消。月牙形结构9用于遮挡轴承16，防止钻井液对其造成的损害，同时可以使钻井液从固定动力短接的中空顺利过渡流入旋转破岩短接中。

5 设计优点及应用

本设计的结构能保证在钻井过程中，钻头的旋转不依赖于钻柱的转动，消除了钻井过程中钻柱所承受的轴向扭矩，降低了对钻杆抗扭强度的要求。此外，由于钻柱不旋转，钻杆外壁不再与井壁产生旋转摩擦，且钻柱的振动小，改善了井下电机的工况，避免了传统钻具组合中由此给钻杆带来的损坏，以上两点的实现减少了制作钻杆所需材料上的成本。

参考文献

[1]易先忠，钟守炎，水运震，井下动力钻具的现状与发展[J].石油机械，1995.

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[3]刘春全，徐茂林，汤平汉，井下动力钻具的现状及发展[J].钻采工艺，2008.

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