[发明专利]一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，属于石油、地质等钻探领域。

背景技术

随着资源勘探开发及地球科学研究的需要，深孔及超深孔钻探工作量日益增加，传统的地面设备带动钻杆回转的驱动方式由于受到钻杆强度限制，破岩效率低下，容易发生孔内事故，难以满足深孔钻探要求。孔底动力钻具采用钻井液等钻井介质作为动力，在孔底直接驱动钻具工作，不依靠钻杆传递动力，钻进效率高、孔内事故少，在深孔及超深孔钻探中得到了广泛的应用。

孔底动力钻具由将其他能量转化为机械能的孔底动力马达和传递转速及扭矩的传动装置组成。常用的孔底动力钻具可分为螺杆钻具和涡轮钻具，螺杆钻具主要由螺杆马达节、万向节、支承节等组成，涡轮钻具主要由涡轮节及支承节等组成。目前为了降低孔底动力钻具特别是涡轮钻具的转速并提高工作扭矩，已经发展到附加减速装置的孔底动力钻具阶段，并取得了良好的效果。但在应用过程中研究人员发现现存的孔底动力钻具的传动技术还存在一些不足之处。

首先，孔底动力钻具的支承节通常采用接触式的多联推力球轴承、PDC轴承作为推力轴承，采用硬质合金轴承作为扶正轴承，钻井液作为润滑和冷却介质。多联推力球轴承、PDC轴承、硬质合金扶正轴承长期在含有固相磨粒的钻井液中工作，工作情况恶劣，工作寿命短。与其它接触式轴承一样，多联推力球轴承、PDC轴承、硬质合金扶正轴承的主要失效形式是由粘着磨损后引起的磨损、破碎以及冲击产生的撕裂，PDC轴承也会因井底温度高以及摩擦发生过热磨损。此外，采用接触式轴承的孔底动力钻具普遍存在启动扭矩大、传动功率低等问题。现有的孔底动力钻具接触式轴承的不足和缺陷制约了孔底动力钻具的发展和应用。

公知的涡轮钻具由于橡胶元件少，耐温能力强、成孔质量好，受到了广大钻探工作者的重视。目前，为提高孔底动力钻具的适应性，特别是提高涡轮钻具的适应性，针对特定地层，在钻具结构上采用了附加减速装置的设计，其减速装置采用行星齿轮减速结构，用于降低涡轮钻具的工作转速，提高涡轮钻具的输出扭矩。但是，现在采用的行星齿轮减速装置存在诸多不足：首先，行星齿轮减速装置由于齿轮接触传动过程中发生冲击、振动情况，同时受到岩屑等物质的冲蚀，齿轮将发生点蚀、磨损等现象，随着工作时间的推移必然发生疲劳破坏；其次，行星齿轮减速装置的内部普遍采用油润滑结构，润滑介质通常采用润滑油，并且需要采用必要的储油密封系统，该储油密封系统一般存在橡胶密封元件，在高温环境下密封元件和润滑介质容易发生失效，随着润滑介质的减少或失效，将进一步加速齿轮减速装置的失效；第三，为避免润滑介质泄漏，还需要设计压力补偿装置，此种装置通常存在延迟，因此难以避免润滑介质泄漏或者钻井液侵入；第四，由于受钻孔直径限制，行星齿轮减速装置的空间尺寸有限，因此难以通过提高结构尺寸来提高行星齿轮强度和寿命，扭矩过高也会造成齿轮破坏；第五，为了提高传动比，需要采用多级行星齿轮传动方式，减速装置的长度增加，结构愈加复杂，对润滑介质、结构强度的要求也大幅提高。

磁力传动技术是以现代磁学的基本理论，应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用，来实现力或转矩(功率)非接触传递的一种新技术。随着新型永磁材料的应用以及结构设计与工艺等方面的改进，大幅拓展了磁力传动技术的应用领域，反应搅拌釜、真空设备、高速机床、阀门传动机构等设备和装置，已经广泛地采用了磁力传动技术，但这项技术目前在孔底动力钻具领域还缺乏成功的应用。

因此，研究一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，解决孔底动力钻具现存问题，是钻探行业迫切需要开展的工作之一。

发明内容

为了解决现有孔底动力钻具多联推力球轴承、PDC轴承、硬质合金扶正轴承等接触式轴承磨损严重、寿命短、启动扭矩高、能量损耗大等问题，克服现有孔底动力钻具行星齿轮减速装置结构复杂、易损坏、寿命短等不足，本发明提供一种采用磁力传动技术的孔底动力钻具，利用永磁材料或电磁铁产生的磁力作用，发挥磁力传动无接触、无磨损的工作特性，使用非接触磁力轴承代替接触式的多联推力球轴承、PDC轴承、硬质合金扶正轴承，使用非接触式磁力减速装置代替孔底动力钻具的行星齿轮减速装置，特别是涡轮钻具行星齿轮减速装置，提高轴承和减速装置等传动机构的工作寿命和性能，以提高孔底动力钻具的整体寿命及应用效果。