一种叶片式井下动力钻具

1.本发明涉及钻井设备技术领域，尤其涉及一种叶片式井下动力钻具。


背景技术：

2.目前我国非常规油气资源的勘探逐年增加，且各类先进钻井工艺也取得了较大的发展。井下钻具是个钻进技术的核心工具，各国的实践表明，井下动力钻具可以使钻头取得较高的机械钻速而大幅度降低钻探成本。
3.井下动力钻具是一种能把钻井液的能量转化为钻井破岩动力的钻具，它具有能量利用率高、钻进成本低等优点。在西方发达国家，井下动力钻具已被确定为定向井、丛式井、大斜度井、液平井和抢险救援井的最佳钻井工具之一。目前，井下动力钻具主要朝着低速大扭矩的方向发展。
4.井下动力钻具主要分为电动钻具、螺杆钻具和涡轮钻具，电动钻具的输出转速过高,需要配合多级减速器,结构复杂可靠性差,并且井下电动机的绝缘和密封性能要求高,目前已逐渐被淘汰；螺杆钻具在性能上具有低速、大扭矩的特征在结构上,具有零件少、装配简单、维修工作量小的特点，但由于结构本身包含橡胶材料,寿命较低不适用于深井作业；涡轮钻具具有高速大扭矩的软特性,机械钻速高，全金属结构使其耐高温和高压，但是涡轮钻具本身较长，导向较差，安装调整复杂，而且不易实现低速大扭矩钻井。
5.因此为满足实际需求，急需一种能够适应复杂井下环境，提高钻井效率，降低钻井成本，减缓卡钻影响，并可以通过控制压降与流量来改变钻具的输出扭矩和转速的钻具。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明旨在提出一种叶片式井下动力钻具，能够解决上述现有技术中的技术问题。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
8.一种叶片式井下动力钻具，包括前缸体部和后缸体部、转子和叶片，所述前缸体部包括壳体和进液管，所述后缸体部包括定子和输出轴，所述进液管穿设在壳体一端，所述定子插设在壳体另一端，所述定子与壳体通过螺纹连接，所述定子内部转动连接有转子，所述转子上插设有叶片，所述叶片与转子滑动连接，所述转子内部沿轴线方向设置有通孔，所述转子的一端与进液管连通，所述转子的另一端与输出轴固定连接。
9.进一步的，所述转子为六面体，四个侧面为向内凹的曲面，所述转子各棱角上开设有叶片槽，所述叶片槽向转子的中心处延伸，所述叶片槽与叶片插接，所述叶片与叶片槽滑动连接。
10.进一步的，所述叶片槽包括相连通的伸缩滑槽和叶片安装槽，所述叶片包括固定连接的叶片部和滑动部，所述叶片部与叶片安装槽配合，所述滑动部与伸缩滑槽配合，所述转子内部的通孔在侧壁上沿径向开设有导流槽，所述导流槽与伸缩滑槽连通，所述转子的端部设置有轴套，所述轴套与进液管连通。
11.进一步的，所述叶片部远离滑动部的一端沿长边方向开设有密封杆槽，密封杆槽内滑动连接有密封杆，所述密封杆槽内开设有溢流孔，溢流孔贯穿叶片部和滑动部。
12.进一步的，所述前缸体部还包括第一密封件、第一端盖、第一轴承、第二密封件和第一挡圈，所述第一密封件外部与壳体的端部通过螺纹连接，所述第一密封件内部与进液管插接，所述轴套与定子之间安装有第二密封件、第一挡圈和第一轴承，所述轴套通过第一轴承与第一端盖的一端中部转动连接，第一端盖另一端中部与进液管通过螺纹连接，第一端盖的外侧与定子的端头插接。
13.进一步的，所述定子外侧设置有凸台，所述凸台与所述壳体远离进液管的一端通过螺纹连接，所述定子远离进液管的端面中部设置有连接头，所述输出轴穿过连接头与所述转子远离轴套的一端固定连接。
14.进一步的，所述定子外侧设置有进液孔，所述定子设置连接头的端面上设置有出液孔。
15.进一步的，所述定子内壁上对称设置有两个弧形槽，所述转子旋转时，所述叶片端部与定子内壁以及弧形槽内壁交替抵接。
16.进一步的，所述后缸体部还包括第二轴承、第二端盖和第二挡圈，所述输出轴与所述连接头之间安装有第二挡圈、第二轴承和第二端盖。
17.进一步的，所述进液管一端设置为端盖连接部，所述端盖连接部与第一端盖内侧通过螺纹连接，所述进液管外侧设置有卡台，所述卡台的端面与第一密封件的端面抵接，所述进液管外侧还开设有过液孔，所述过液孔与定子上的进液孔连通。
18.本发明所述的一种叶片式井下动力钻具，与现有技术相比具有以下优势：
19.(1)本发明具有低速大扭矩的性能，且扭矩和转速控制参数单一，其输出扭矩只与钻具的压降有关，而输出转速只与入口处的流量有关，从而可以通过控制压降与流量来改变钻具的输出扭矩和转速；
20.(2)本发明采用对称的设计理念，使转子受力平衡，使输出轴转动平稳，避免卡钻现象。
21.(3)本发明密封杆的设置不仅保证了叶片转动时与定子内壁之间的密封性能，同时能够减少叶片与定子内壁的磨损；
22.(4)本发明结构简单，安装调试简单，全部件均可采用金属结构，具有耐高温高压的优点，具有较高的使用寿命，能够提高钻井效率，降低钻井成本，更加适应深井作业的需要。
附图说明
23.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
24.图1为本发明实施例所述的叶片式井下动力钻具分解结构示意图；
25.图2为本发明实施例所述的叶片式井下动力钻具结构示意图；
26.图3为本发明实施例定子结构示意图；
27.图4为本发明实施例定子另一视角结构示意图；
28.图5为本发明实施例定子端面投影示意图；
29.图6为本发明实施例转子结构示意图；
30.图7为本发明实施例转子另一视角结构示意图；
31.图8为本发明实施例所述叶片式井下动力钻具剖视图；
32.图9为本发明实施例所述叶片结构示意图；
33.图10为本发明实施例所述进液管结构示意图；
34.图11为本发明实施例一对叶片端部转动到弧形槽内壁处、另一对叶片端部转动到定子内壁处的结构示意图；
35.图12为本发明实施例其中一个叶片端部转动到弧形槽内壁与定子内壁过渡处，另一个叶片端部转动到定子内壁与弧形槽内壁过渡处的结构示意图。
36.附图标记说明：
37.1、前缸体部；11、进液管；111、卡台；112、端盖连接部；113、过液孔；12、壳体；13、第一密封件；14、第一端盖；15、第一挡圈；16、第一轴承；17、第二密封件；2、后缸体部；21、第二轴承；22、第二端盖；23、输出轴；24、第二挡圈；25、定子；251、凸台；252、连接头；253、出液孔；254、进液孔；255、弧形槽；3、叶片；31、叶片部；32、滑动部；33、密封杆槽；34、溢流孔；35、密封杆；4、转子；41、叶片槽；411、叶片安装槽；412、伸缩滑槽；42、减重孔；43、轴套；44、安装孔；45、导流孔。
具体实施方式
38.在本发明中涉及“第一”、“第二”、“内”、“外”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征，“内”指靠近各部件中心的位置，“外”指远离各部件中心的位置。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当实施例之间的技术方案能够实现结合的，均在本发明要求的保护范围之内。
39.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
40.具体实施例如图1-图11所示，一种叶片式井下动力钻具，包括前缸体部1、后缸体部2、转子4和叶片3，所述前缸体部1包括壳体12和进液管11，所述后缸体部2包括定子25和输出轴23，所述进液管11穿设在壳体12一端，所述定子25插设在壳体12另一端，所述定子25与壳体12通过螺纹连接，所述定子25内部转动连接有转子4，所述转子4上插设有叶片3，所述叶片3与转子4滑动连接，所述转子4内部沿轴线方向设置有通孔，所述转子4的一端与进液管11连通，所述转子4的另一端与输出轴23固定连接。
41.进一步的，所述转子4为六面体，四个侧面为向内凹的曲面，该设置相比平面来说能够增加转子4的侧面与定子25内部的容腔空间，并且有利于液体冲击到侧面上，有利于转子4转动，所述转子4各棱角上开设有叶片槽41，所述叶片槽41向转子4的中心处延伸，所述叶片槽41与叶片3插接，所述叶片3与叶片槽41滑动连接，转子4为对称结构，四个叶片槽41对称设置，相应的叶片3也设置有四个。
42.进一步的，所述叶片槽41包括相连通的伸缩滑槽412和叶片安装槽411，所述叶片3包括固定连接的叶片部31和滑动部32，叶片部31呈板状，滑动部32外部表面为圆弧状，所述叶片部31与叶片安装槽411配合，所述滑动部32与伸缩滑槽412配合，滑动部32的形状能够
减少与伸缩滑槽412之间的摩擦力，所述转子4内部的通孔在侧壁上沿径向开设有导流孔45，所述导流孔45与伸缩滑槽412连通，导流孔45沿通孔的轴线方向均布设置，通孔朝向各伸缩滑槽412的方向均设置有导流孔45，所述转子4的端部设置有轴套43，所述轴套43与进液管11连通，转子4两端端面上均设置有安装孔44，转子4两端贯穿设置有减重孔42，有利于减轻转子4的重量，有利于转子4的转动。
43.进一步的，所述叶片部31远离滑动部32的一端沿长边方向开设有密封杆槽33，密封杆槽33内滑动连接有密封杆35，所述密封杆槽33内开设有溢流孔34，溢流孔34贯穿叶片部31和滑动部32。
44.进一步的，所述前缸体部1还包括第一密封件13、第一端盖14、第一轴承16、第二密封件17和第一挡圈15，所述第一密封件13外部与壳体12的端部通过螺纹连接，所述第一密封件13内部与进液管11插接，所述轴套43与定子25之间安装有第二密封件17、第一挡圈15和第一轴承16，所述轴套43通过第一轴承16与第一端盖14的一端中部转动连接，第一端盖14另一端中部与进液管11通过螺纹连接，第一端盖14的外侧与定子25的端头插接，第二密封件17套设在轴套43上，第二密封件17的端面与安装孔44通过螺钉连接，第一密封件13与壳体12的配合为过盈配合，第二密封件17与定子25的配合为过盈配合。
45.进一步的，所述进液管11一端设置为端盖连接部112，所述端盖连接部112与第一端盖14内侧通过螺纹连接，所述进液管11外侧设置有卡台111，卡台111为圆锥形台，所述卡台111的端面与第一密封件13的端面抵接，所述进液管11外侧还开设有过液孔113，过液孔113对称设置。
46.进一步的，所述定子25外侧设置有凸台251，所述凸台251与所述壳体12远离进液管11的一端通过螺纹连接，所述定子25远离进液管11的端面中部设置有连接头252，所述输出轴23穿过连接头252与所述转子4远离轴套43的一端固定连接，优选的，输出轴23端头插设在转子4的通孔端部，输出轴23端头固定设置有连接法兰，连接法兰与转子4上的安装孔44通过螺钉固定连接，输出轴23能够随转子4一同转动，输出轴23用于安装钻杆，将动力输出。
47.进一步的，所述定子25外侧设置有进液孔254，进液孔254沿平行于轴线的方向间隔设置，且对称设置有两排，所述定子25设置连接头252的端面上设置有出液孔253，出液孔253对称设置有两个，所述过液孔113与定子25上的进液孔254连通。
48.进一步的，所述定子25内壁上对称设置有两个弧形槽255，所述转子4旋转时，所述叶片3端部与定子25内壁以及弧形槽255内壁交替抵接。
49.进一步的，所述后缸体部2还包括第二轴承21、第二端盖22和第二挡圈24，所述输出轴23与所述连接头252之间安装有第二挡圈24、第二轴承21和第二端盖22，第二挡圈24与连接头252的配合为过盈配合。
50.优选的，前缸体部1内各连接件、后缸体部2内各连接件、转子4和叶片3均采用金属材料，能够承受高温高压，适用于深井钻探。
51.该叶片式井下动力钻具在工作时，高压液体从进液管11进入钻具内部，一部分通过进液管11内孔直接输入到转子4的通孔内，并通过各导流孔45进入各伸缩滑槽412作用于叶片3，将叶片3顶紧，使得叶片3端部与定子25的内壁或与弧形槽255内壁贴紧，少量高压液体进入溢流孔34作用于密封杆35，密封杆35起到密封作用；另一部分高压液体从过液孔113
进入壳体12与定子25之间的缝隙，并从定子25上的进液孔254进入定子25与转子4之间的容腔内；
52.由图11和图12所示，叶片3、转子4的曲面侧壁与定子25的内壁、弧形槽255内壁形成四个密闭的容腔，两个出液孔253分别设置在两个弧形槽255内壁以及定子25内壁的过渡处，由于出液孔253的设置，与出液孔253相对的容腔高压液体可以排出，导致转子4与定子25之间分隔成的四个容腔压力不同，与出液孔253相对的两个容腔为低压腔，另外两个相对的容腔为高压腔；
53.转子4带动四个叶片3转动时，例如沿顺时针转动，每个叶片3端部经过四个状态：叶片3端部转动到弧形槽255的内壁处、叶片3端部转动到弧形槽255内壁与定子25内壁的过渡处、叶片3端部转动到定子25的内壁处、叶片3端部转动到定子25内壁与弧形槽255的内壁过渡处；由于转子4上四个叶片3对称设置，两个弧形槽255的位置对称，因此四个叶片3在图11和图12中的位置能示意出每个叶片3经过的四个状态；
54.叶片3端部转动到弧形槽255的内壁处，叶片3两侧容腔内液体作用于叶片3顶端的力小于高压液体从导流孔45进入伸缩滑槽412内作用于叶片3以及密封杆35的合力，叶片3沿伸缩滑槽412伸出，密封杆35伸出密封杆槽33抵接在弧形槽255的内壁处；
55.叶片3端部转动到弧形槽255内壁与定子25内壁的过渡处时，由于瞬间叶片3将出液孔253遮蔽，叶片3两侧容腔内液体作用于叶片3顶端的力瞬间抵消，弧形槽255内壁与定子25内壁的过渡处的结构对密封杆35以及叶片3施加阻力，该阻力大于高压液体从导流孔45进入伸缩滑槽412内作用于叶片3以及密封杆35的合力，将叶片3挤压缩回伸缩滑槽412内，密封杆35缩进密封杆槽33内，叶片3在惯性作用下继续转动进入定子25的内壁处；
56.叶片3端部转动到定子25的内壁处时，在伸缩滑槽412侧壁与定子25的内壁共同作用下，叶片3保持缩回伸缩滑槽412内的状态，密封杆35保持缩进密封杆槽33内的状态；
57.叶片3端部转动到定子25内壁与弧形槽255的内壁过渡处时，由于瞬间叶片3将出液孔253遮蔽，叶片3两侧容腔内液体作用于叶片3顶端的力瞬间抵消，由于定子25内壁与弧形槽255的内壁过渡处结构对密封杆35以及叶片3施加阻力消失，在高压液体从导流孔45进入伸缩滑槽412内作用于叶片3以及密封杆35的合力作用下，叶片3沿伸缩滑槽412伸出，密封杆35伸出密封杆槽33，转子4继续转动，继续重复叶片3的四个状态。
58.由于出液孔253的存在使得容腔进出高压液体的压力不同，具有高压腔与低压腔的区别，高压腔与低压腔导致作用于叶片3两侧的压强不同，产生了压强差
△
p，可通过进出高压液体的压强测定，由于弧形槽255的存在，叶片3两侧高压腔与低压腔作用面积也不一样，存在
△
a，同一密封腔内两侧叶片的压力差
△
f＝
△
p*
△
a，
△
a＝b*l，b为定子25内壁到弧形槽255内壁的深度，l是定子的长度，在压力差
△
f的作用下转子4转动。
59.由于转子4的转动，高压腔和低压腔是不断变化的，不是固定的容腔，由出液孔253位置进行区分，相比于涡轮钻具,它无需复杂的减速机构，就可实现低转速大扭矩，全金属结构又使其克服了螺杆钻具不耐高温、高压的缺点。采用高压液体作用叶片3和密封杆35的结构提高了密封性，同时密封杆35减少了叶片3和定子25内壁的磨损，控制压降与流量就可控制钻具的输出扭矩和转速。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要
求保护的范围。