本發(fā)明涉及一種非常規(guī)致密巖層鉆井作業(yè)用的大扭矩自平衡低速渦輪鉆具。

背景技術(shù)：

隨著不斷增長的世界能源需求和現(xiàn)有傳統(tǒng)資源消減之間的矛盾日益加劇，全國對非常規(guī)油氣資源的需求也日益迫切。相較于傳統(tǒng)油氣資源，非常規(guī)油氣資源的類型和賦存形式更為多樣，分布更為廣泛，潛在資源量遠(yuǎn)大于常規(guī)油氣資源。非常規(guī)油氣儲層物性差，孔隙度、滲透度低，尤其非常規(guī)致密巖層硬度高、強(qiáng)度大，可鉆性差。目前國內(nèi)外使用的主流井下動力鉆具主要螺桿鉆具，渦輪鉆具和電動井下鉆具。電工井下鉆具由于高溫高壓的井下惡劣工況和電鉆桿技術(shù)的不成熟，導(dǎo)目前應(yīng)用受限。螺桿鉆具應(yīng)用廣泛，但由于橡膠定子在高溫環(huán)境下性質(zhì)極不穩(wěn)定，故對于超深井螺桿鉆具應(yīng)用嚴(yán)重受限，并且螺桿鉆具的輸出鉆速較低，對于質(zhì)地堅(jiān)硬的非常規(guī)致密巖層應(yīng)用并不理想。而渦輪鉆具拜托了橡膠材料的限制，在超深井高溫環(huán)境下得到了極好的應(yīng)用，并且擁有極高的輸出鉆速和極低的振動性，非常適合質(zhì)地堅(jiān)硬的非常規(guī)致密巖層鉆井使用。

然而目前常規(guī)的渦輪鉆具也具有其自身局限性，渦輪鉆具輸出鉆速過高，而輸出扭矩非常小，導(dǎo)致了其鉆進(jìn)效率低，因此匹配渦輪鉆具的鉆速和扭矩非常重要。同時目前的井下動力鉆具都存在一個共同的缺陷，就是其輸出鉆井扭矩的同時，鉆具外殼也會承受相應(yīng)的反扭矩，該反扭矩通過鉆具外殼直接作用于上部鉆柱，直接導(dǎo)致鉆柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，尤其在造斜過程中該反扭矩常常使鉆井工具面發(fā)生一定角度的偏移，使得鉆井工具面找正非常困難，極大地增加了造斜難度，延長了鉆井作業(yè)的時間，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。

基于上述技術(shù)背景，本發(fā)明特提供一種大扭矩自平衡低速渦輪鉆具，保證渦輪鉆具輸出合理鉆速和扭矩的同時，克服傳統(tǒng)渦輪鉆具外殼承受反扭矩作用的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：為了滿足非常規(guī)致密巖層鉆井作業(yè)的工藝需求，特提供一種大扭矩自平衡低速渦輪鉆具。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種大扭矩自平衡低速渦輪鉆具，是由外殼體、調(diào)心軸承a、螺帽、上軸承座、外渦輪葉片組合、內(nèi)筒體、內(nèi)渦輪葉片組合、芯軸、下軸承座、調(diào)心軸承b、傳動筒、調(diào)速齒輪、齒輪軸、調(diào)心軸承c、推力軸承a、防掉端蓋、推力軸承b、傳動軸、防磨套、內(nèi)鉆頭和外鉆頭構(gòu)成；其結(jié)構(gòu)特征是：外殼體上端和上部鉆柱絲扣連接；芯軸外圓上部設(shè)置為臺階軸，芯軸下部設(shè)置周向均勻設(shè)置三個通孔連通芯軸內(nèi)外腔空間；內(nèi)渦輪葉片組合套在芯軸外圓上部臺階軸上，螺帽和芯軸上端絲扣連接，螺帽壓緊內(nèi)渦輪葉片組合；外渦輪葉片組合置入內(nèi)筒體內(nèi)腔，內(nèi)筒體上端和上軸承座下端絲扣連接，內(nèi)筒體下端和下軸承座上端絲扣連接，上軸承座和下軸承座壓緊外渦輪葉片組合；調(diào)心軸承a安裝在上軸承座外圓臺階面上，調(diào)心軸承b安裝在下軸承座內(nèi)孔臺階面上；傳動軸上端和芯軸下端絲扣連接，傳動軸下端和內(nèi)鉆頭上端絲扣連接；傳動軸外圓中部設(shè)置為齒輪；傳動筒上端和下軸承座下端絲扣連接，傳動筒下端和外鉆頭上端絲扣連接；傳動筒內(nèi)腔中部設(shè)置一圈環(huán)形凹槽，傳動筒內(nèi)腔上部設(shè)置一圈臺階面，傳動筒外圓下部設(shè)置一圈臺階面，傳動筒中部周向均勻設(shè)置三個通孔連通內(nèi)腔上部臺階面和外圓下部臺階面；三個齒輪軸分別安裝在傳動筒中部三個通孔內(nèi)，三個調(diào)速齒輪分別安裝在三個齒輪軸上，三個調(diào)速齒輪均在傳動筒內(nèi)腔中部的環(huán)形凹槽內(nèi)；調(diào)心軸承c安裝在傳動筒外圓下部臺階面上；防掉端蓋內(nèi)腔上端設(shè)置一圈凸起臺階，防掉端蓋和外殼體下端絲扣連接；外鉆頭內(nèi)腔中部設(shè)置一圈臺階面，外鉆頭外圓上部設(shè)置一圈臺階面，外鉆頭外圓下部和下端面鑲嵌有切削齒；推力軸承a安裝在外鉆頭外圓上部臺階面上，推力軸承b安裝在外鉆頭內(nèi)腔中部臺階面上；內(nèi)鉆頭下部設(shè)置有射流孔連通內(nèi)孔和下端面，內(nèi)鉆頭下端面鑲嵌有切削齒，內(nèi)鉆頭外圓設(shè)置為臺階軸；防磨套安裝在內(nèi)鉆頭外圓臺階軸上，防磨套由耐磨材料制成。

安裝完成手，傳動軸外圓中部的齒輪和分別和三個調(diào)速齒輪相互嚙合。

本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明的內(nèi)鉆頭和外鉆頭相對反向切削巖層，自動平衡雙方的破巖扭矩，避免了傳統(tǒng)井下動力鉆具反扭矩作用的危害；(2)本發(fā)明利用齒輪傳動的原理，將傳統(tǒng)渦輪鉆具轉(zhuǎn)子輸出的高鉆速分解為內(nèi)鉆頭和外鉆頭的兩個相對反向鉆速，使內(nèi)鉆頭和外鉆頭的絕對鉆速降低，輸出扭矩增大，適用于非常規(guī)致密巖高速鉆進(jìn)；(3)本發(fā)明避免了橡膠結(jié)構(gòu)件的使用，適用于深井高溫高壓環(huán)境；(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)井下環(huán)境。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種大扭矩自平衡低速渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1a-a截面剖視圖；

圖中：1.外殼體、2.調(diào)心軸承a、3.螺帽、4.上軸承座、5.外渦輪葉片組合、6.內(nèi)筒體、7.內(nèi)渦輪葉片組合、8.芯軸、9.下軸承座、10.調(diào)心軸承b、11.傳動筒、12.調(diào)速齒輪、13.齒輪軸、14.調(diào)心軸承c、15.推力軸承a、16.防掉端蓋、17.推力軸承b、18.傳動軸、19.防磨套、20.內(nèi)鉆頭、21.外鉆頭。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明一種大扭矩自平衡低速渦輪鉆具，是由外殼體1、調(diào)心軸承a2、螺帽3、上軸承座4、外渦輪葉片組合5、內(nèi)筒體6、內(nèi)渦輪葉片組合7、芯軸8、下軸承座9、調(diào)心軸承b10、傳動筒11、調(diào)速齒輪12、齒輪軸13、調(diào)心軸承c14、推力軸承a15、防掉端蓋16、推力軸承b17、傳動軸18、防磨套19、內(nèi)鉆頭20和外鉆頭21構(gòu)成；其結(jié)構(gòu)特征是：外殼體1上端和上部鉆柱絲扣連接；芯軸8外圓上部設(shè)置為臺階軸，芯軸8下部設(shè)置周向均勻設(shè)置三個通孔連通芯軸8內(nèi)外腔空間；內(nèi)渦輪葉片組合7套在芯軸8外圓上部臺階軸上，螺帽3和芯軸8上端絲扣連接，螺帽3壓緊內(nèi)渦輪葉片組合7；外渦輪葉片組合5置入內(nèi)筒體6內(nèi)腔，內(nèi)筒體6上端和上軸承座4下端絲扣連接，內(nèi)筒體6下端和下軸承座9上端絲扣連接，上軸承座4和下軸承座9壓緊外渦輪葉片組合5；調(diào)心軸承a2安裝在上軸承座4外圓臺階面上，調(diào)心軸承b10安裝在下軸承座9內(nèi)孔臺階面上；傳動軸18上端和芯軸8下端絲扣連接，傳動軸18下端和內(nèi)鉆頭20上端絲扣連接；傳動軸18外圓中部設(shè)置為齒輪；傳動筒11上端和下軸承座9下端絲扣連接，傳動筒11下端和外鉆頭21上端絲扣連接；傳動筒11內(nèi)腔中部設(shè)置一圈環(huán)形凹槽，傳動筒11內(nèi)腔上部設(shè)置一圈臺階面，傳動筒11外圓下部設(shè)置一圈臺階面，傳動筒11中部周向均勻設(shè)置三個通孔連通內(nèi)腔上部臺階面和外圓下部臺階面；三個齒輪軸13分別安裝在傳動筒11中部三個通孔內(nèi)，三個調(diào)速齒輪12分別安裝在三個齒輪軸13上，三個調(diào)速齒輪12均在傳動筒11內(nèi)腔中部的環(huán)形凹槽內(nèi)；調(diào)心軸承c14安裝在傳動筒11外圓下部臺階面上；防掉端蓋16內(nèi)腔上端設(shè)置一圈凸起臺階，防掉端蓋16和外殼體1下端絲扣連接；外鉆頭21內(nèi)腔中部設(shè)置一圈臺階面，外鉆頭21外圓上部設(shè)置一圈臺階面，外鉆頭21外圓下部和下端面鑲嵌有切削齒；推力軸承a15安裝在外鉆頭21外圓上部臺階面上，推力軸承b17安裝在外鉆頭21內(nèi)腔中部臺階面上；內(nèi)鉆頭20下部設(shè)置有射流孔連通內(nèi)孔和下端面，內(nèi)鉆頭20下端面鑲嵌有切削齒，內(nèi)鉆頭20外圓設(shè)置為臺階軸；防磨套19安裝在內(nèi)鉆頭20外圓臺階軸上，防磨套19由耐磨材料制成。

如圖2所示，傳動軸18外圓中部的齒輪和分別和三個調(diào)速齒輪12相互嚙合。

本發(fā)明一種大扭矩自平衡低速渦輪鉆具的工作原理是：下入本發(fā)明至井底，開泵循環(huán)鉆井液，外渦輪葉片組合5和內(nèi)渦輪葉片組合7受到相反的扭矩作用，外渦輪葉片組合5驅(qū)動內(nèi)筒體6、下軸承座9、傳動筒11、外鉆頭21旋轉(zhuǎn)，內(nèi)渦輪葉片組合7驅(qū)動芯軸8、傳動軸18、內(nèi)鉆頭20旋轉(zhuǎn)；在調(diào)速齒輪12的作用下，內(nèi)鉆頭20和外鉆頭21按照固定的傳動比反向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)鉆頭20和外鉆頭21分別反向切削井眼中心和外圍的巖石，且切削扭矩自動平衡。