[發明專利]一種正反螺桿串聯驅動的扭矩平衡動力鉆具

在審

• 申請號: 202211118044.5
• 申請日: 2022-09-15
• 公開（公告）號: CN115419367A
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 何虹鋼;陳怡圯
• 申請（專利權）人: 宜賓學院
• 主分類號: E21B3/025
• 分類號: E21B3/025;E21B10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種正反螺桿串聯驅動的扭矩平衡動力鉆具，屬于鉆井工程技術領域。其技術方案：采用正反螺桿串聯，上螺桿總成下端連接下螺桿總成，下螺桿總成下端連接鉆頭總成；上螺桿總成的螺桿旋向與下螺桿總成的螺桿旋向相反，分別驅動內鉆頭和外鉆頭進行相反方向旋轉。本發明所述鉆具從源頭上大幅度降低鉆柱扭矩，有效避免扭矩過大帶來的各類鉆井問題；鉆具采用正反螺桿串聯，結構簡單可靠。

技術領域

本發明涉及屬于鉆井工程技術領域，特別涉及一種適用于地質鉆探、水文水井鉆井、油氣鉆井、科學鉆探和地下建筑救援鉆孔等技術領域的正反螺桿串聯驅動的扭矩平衡動力鉆具。

背景技術

在油氣田鉆井開發過程中，需要鉆頭的旋轉運動來破壞地層，以形成地面到目標儲層的通道。鉆頭的旋轉運動通常通過鉆桿進行傳輸，隨著鉆井深度的增加，其整個鉆柱的剛度降低，鉆柱受到扭矩和鉆壓的作用時容易產生屈曲和失穩，特別是在定向井、水平井的鉆進中，鉆桿和井壁相接觸，從而增加鉆柱與井壁之間的摩擦力，需要更大的鉆壓，來克服二者之間的摩擦力，使得鉆柱更容易產生失穩，造成鉆井效率低，井眼軌跡差的現象，因此迫切需要一種井下工具來減少鉆柱所受的扭矩。

另一方面，隨著井深的增加，鉆頭在鉆進時容易出現粘滑振動。粘滑振動以鉆頭的粘滯與滑脫交替出現為特征：在粘滯階段，鉆頭停止轉動而鉆柱在轉盤的驅動下繼續扭轉，當鉆柱扭轉所積蓄的能量足以破碎巖層時，粘滯的鉆頭便滑脫；在滑脫階段，鉆柱積蓄的能量瞬間釋放，鉆頭在正反方向突然加速或減速，鉆頭角速度數倍于地表轉盤轉速。粘滑振動引起鉆頭和鉆具的頻繁憋跳和扭振，導致鉆頭崩齒、損壞及井下鉆具組合的損壞，使鉆頭機械鉆速和破巖效率降低；粘滑振動嚴重時會引起井下工具倒扣，造成鉆具脫落等鉆井事故。

通過改變鉆井工具結構原理，消除或降低鉆柱扭矩，是解決粘滑振動、提高鉆井速度的有效方法。

專利CN106869806A、CN110219587A、CN206448779U公布了一種扭矩自平衡嵌套式雙鉆頭，通過井下雙電機驅動由內鉆頭和外鉆頭逆向旋轉，從而實現內外鉆頭的扭矩平衡。該方案需要電纜下入井底，設備工藝復雜；另一方，電機難以適應深井、超深井高溫環境，限制了其應用范圍。

專利CN112065268B公布了一種扭矩平衡井下動力鉆具，采用雙螺桿鉆井組合使用，并通過齒輪系統實現內外鉆頭的轉向調整。該方案中傳動結構復雜，并且傳動齒輪尺寸十分有限，其強度和穩定性難以達到應用要求。

因此，提出一種全新、簡潔、螺桿驅動的扭矩平衡動力鉆具具有現實意義。

發明內容

本發明的目的：發明涉及一種全新的井下動力鉆具，通過雙螺桿串聯，實現內外鉆頭的相反方向旋轉，從扭矩產生源頭上大幅度降低鉆柱的扭矩。

為達到上述目的，本發明采取的技術方案是如下。

一種正反螺桿串聯驅動的扭矩平衡動力鉆具，包括上螺桿總成、下螺桿總成和鉆頭總成，其特征在于：

上螺桿總成下端連接下螺桿總成，下螺桿總成下端連接鉆頭總成；上螺桿總成的螺桿旋向與下螺桿總成的螺桿旋向相反；上螺桿總成的轉子相對于上螺桿總成定子的轉速，小于下螺桿總成的螺桿相對于下螺桿總成定子轉速；

上螺桿總成的傳動軸，連接下螺桿總成的殼體，并帶動下螺桿總成旋轉；

鉆頭總成包括外鉆頭和內鉆頭，外鉆頭整體為圓筒形，外鉆頭與下螺桿總成的殼體連接，內鉆頭與下螺桿總成的傳動軸連接。

為防止鉆柱和井下工具倒扣，通過內鉆頭和外鉆頭形狀和尺寸設計，控制破巖對外鉆頭產生的反扭矩與內鉆頭的反扭矩不相等，保持外鉆頭的反扭矩與內鉆頭的反扭矩抵消后的殘余扭矩方向為鉆柱緊扣旋轉方向。