[发明专利]螺杆钻具变容积螺杆-衬套副

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油钻探装置，特别涉及一种适宜于干燥寒冷、低渗透率， 硬质胶结长页岩井段；水敏性低压地层；硬石灰岩；硬石膏层；易漏失层；严重 缺水等地区钻探的一种空气螺杆钻具的动力部分-螺杆-衬套副。

背景技术

目前，欠平衡钻井是石油钻井技术中很重要的一种钻井新技术，欠平衡钻井 能够增加含油储层的产值，产油量至少比普通过平衡钻井增加3倍。空气钻井是 欠平衡钻井的一个重要分支，由于空气钻井技术的诸多优点，国内外针对空气钻 井研究开发了用压缩空气作为动力源和工作介质的新型螺杆钻具，即空气螺杆钻 具。

目前，国内外现有的空气螺杆钻具的螺杆-衬套副仍然采用液动螺杆钻具的 等导程、等横截面结构。由于空气的压缩性，每通过一个导程压强变小，采取等 导程、等横截面的螺杆-衬套副将会导致以下问题：(1)对气体做功使气体温度 增高，加速衬套橡胶老化，使螺杆钻具寿命下降；(2)对气体做无用功，使螺 杆钻具能量转化效率下降；(3)压缩气体使螺杆钻具容积损失加大，影响螺杆 钻具的效率。虽然变导程空气螺杆钻具可以解决上述问题，但变导程结构的螺杆 -衬套副装配时易存在干涉问题。变容积螺杆钻具则可解决此问题。

发明内容

本发明提供的是一种空气螺杆钻具的变容积螺杆-衬套副，由螺杆和衬套组 成，螺杆(转子)的外表面为外螺旋面，沿轴向呈阶梯型；衬套(定子)内表面 为内螺旋面，沿轴向也呈阶梯型。

由于本发明的螺杆-衬套副采用阶梯型结构，入口端过流面积和螺杆的横截 面面积比出口端小，而空气螺杆钻具入口端压强又比出口端压强大，则上下压力 有一定的平衡。故螺杆轴向力在一定程度上要比常规空气螺杆钻具小，有利于保 护空气螺杆钻具的轴承节。当空气经过一个阶梯后压强变小体积变大，因此下一 个阶梯螺杆-衬套副的过流面积应当变大，从而使空气螺杆钻具在此导程中，在 不损失效率的情况下为螺杆钻具做功，从而提高空气螺杆钻具的效率并延长其使 用寿命，并且在装配时不存在干涉的问题。

附图说明

图1是变容积螺杆-衬套副结构图。

图2是变容积螺杆-衬套副的螺杆结构图。

图3是变容积螺杆-衬套副的衬套结构图。

具体实施方式

本发明的变容积螺杆-衬套副根据气体的气态方程采用阶梯型结构，由螺杆1 和衬套2构成，在衬套2的外面是金属钻具外壳3，如图1所示。在图2和3中， 螺杆横截面面积和衬套的过流面积按照从入口端(左端)到出口端(右端)是逐 个阶梯增大的，同一阶梯上的螺杆和衬套旋向必须相同且对应的螺距相等，螺杆 与衬套线数之比为(N≥1，N为线数)，每一阶梯可以由一个导程或多个 导程组成。螺杆-衬套副的各阶梯段之间可设过渡区。本发明可采用等壁厚橡胶 定子与金属转子的形式；也可采用非等壁厚橡胶定子与金属转子的形式。

本发明与现有技术相比较具有如下优点：

1、阶梯型结构的变容积螺杆-衬套副中形成的密封腔是逐个阶梯增大的，空 气在从一个阶梯的密封腔推移到下一个阶梯密封腔中时，压强减小空气体积变大 相应的密封腔的体积也变大了，故空气在螺杆衬套副中可平稳地推动螺杆做行星 运动，当空气从最末级阶梯流出时的气压不会比流道中的气压大许多，则发生的 振动副度也不会太大；同时空气因压强减小而变大的那部分体积并没有完全被压 缩，则空气螺杆衬套副的转换功率也会提升，同时减少了空气受压缩而产生的热 量。

2、阶梯型结构的变容积螺杆-衬套副，入口端过流面积和螺杆的横截面面积 比出口端要大，而空气螺杆钻具入口端压强又比出口压强大，则上下压力有一定 的平衡，故螺杆轴向力在一定程度上要比常规空气螺杆钻具小。

3、阶梯型结构的变容积螺杆-衬套副可采用等壁厚橡胶定子与金属转子的形 式；也可采用非等壁厚橡胶定子与金属转子的形式，而且装配时不存在干涉的问 题。