[发明专利]一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以双主动轮圆锥齿轮组合结构为动力传输介质的井下电动钻具，可明显减小石油、天然气钻井过程中钻柱所受扭矩，为石油钻井提供了一种新装置和方法。

背景技术

圆轴扭转时的变形标志是两个横截面间绕轴的相对转角，这也就是扭转角。计算公式如下：    

                                                               

其中：—圆轴两个横截面间绕成的相对转角；

          —两个截面之间的扭矩；

             —两个截面之间的距离；

         —截面极惯性矩，且对于圆轴有：，为圆轴直径。

由公式（1）可以看出，当一定时，圆轴两个横截面间绕成的相对转角与圆轴的长度成正比。

由公式（1）可看出，传统的转盘钻井过程中，由于钻柱的长度很长，井口和井底产生的扭矩给钻柱造成很大的扭转变形，且钻杆和井壁间产生旋转摩擦，这对钻杆的损害非常大，制作钻杆的成本也非常高。

井下动力钻具能减小钻井过程中钻柱的扭转变形，且现有的井下动力钻具中，电动转具比起涡轮钻具和螺杆钻具更具有的独特优势是：

1、能量从地面至钻头的传递不依赖于钻井液的流动；

2、可以使用不同钻井液介质；

3、电能可以方便、高效地转化为其它形式的能源；

4、通过升高电压，可以减少传输过程中的能量损失，因此可以维持恒定的高功率；

5、使用电动钻具，井下岩石性能的有关资料可以由钻头的运转特性来解释，在钻井过程中钻头阻力矩的改变可以直接反应到电动转具发动机的电流和功率上，据此可以在地面控制钻井过程，允许使用自动化技术和遥控技术，实现了钻井过程中的信息管理职能。

现有的电动钻具仍然具有诸多不足，如可靠性较差，电枢绕组失效后，修复困难，特别是三牙轮钻头的纵向振动厉害，电动钻具的工况恶劣。

由于现有的电动钻具在破岩过程中，钻头与岩石接触处所受的阻力矩是在竖直方向上，则仍然会在一部份钻柱上产生反扭矩，因此仍有部份钻柱会承受一定的扭矩，产生扭转变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种减小钻井过程中钻柱所受扭矩的方法及装置，该方法和装置利用双主动轮圆锥齿轮组合作为动力传输介质，可以在井下钻头处抵消大部份扭矩。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：在钻铤与钻头之间安装本发明装置，本发明装置由固定动力短接和旋转破岩短接两部份构成。固定动力短接上端通过母螺纹与钻铤联接，在固定动力短接的金属筒壁上对称装有两个电机，两个电机的底部端盖相对，转子同轴并且转轴在水平方向上，两个电机各自与一个圆锥齿轮联接，在动力输入过程中，两个电机同时驱动各自所联接的圆锥齿轮转动，并且两个圆锥齿轮的旋转方向相反，由此两个电机所受的扭矩在水平方向上大小相等，方向相反，两个扭矩相互抵消。旋转破岩短接下端通过母螺纹与钻头联接，旋转破岩短接的上端具有轮齿，并且该轮齿是在圆锥面上设计加工的，类似圆锥齿轮的轮齿，该轮齿用于与固定动力短接上的两个圆锥齿轮啮合。固定动力短接下端与旋转破岩短接上端通过轴承联接，联接后，固定动力短接和旋转破岩短接同轴，并且固定动力短接上的两个圆锥齿轮同时和旋转破岩短接上端的轮齿啮合，固定动力短接和旋转破岩短接可延轴线方向上相对转动。

固定动力短接输入动力和抵消扭矩的具体方法是：破岩动力由两个电机提供，两个电机由地面电源通过固定在钻杆上的导线输送电流。两个电机对称安装在固定动力短接的金属筒壁上，两个电机的底部端盖相对，转子同轴并且转轴在水平方向上。两个电机这样的安装方式保证了两个电机通入同向电流转动时，由于两个电机的底部端盖相对，则两个电机的转子在水平方向上的转动方向是相反的，例如：从右往左看去，若一个电机的转子是往顺时针方向旋转，则另一个电机的转子必定是往逆时针方向旋转。如此一来，两个电机各自承受的扭矩都在一条水平直线上，并且大小相等，方向相反，可以相互抵消。两个电机各自与一个圆锥齿轮联接，在动力输入过程中，两个电机同时驱动各自所联接的圆锥齿轮转动，并且两个圆锥齿轮的旋转方向相反，由此两个电机所承受的扭矩在水平方向上大小相等，方向相反，两个扭矩相互抵消。