新型無扭矩井下電動鉆具設計

陳鵬等

摘 要：井下電動鉆具以其獨特的井口-井底能源信息傳輸功能，實現了鉆井自動控制，然而現有的井下電動鉆具仍不能完全克服鉆柱受扭變形這一缺陷。文章介紹了一種可抵消鉆柱所受扭矩的井下電動鉆具，該電動鉆具采用對稱安裝的兩個井下電機提供破巖動力，利用雙主動輪圓錐齒輪組合作為動力傳輸介質，破巖過程中，兩個電機同時驅動各自所聯接的圓錐齒輪沿相反方向轉動，轉動過程中兩個電機所承受的扭矩在水平方向上大小相等、方向相反，兩者在井下相互抵消，減小鉆桿所受扭矩。

關鍵詞：鉆柱；受扭變形；井下電動鉆具

1 背景

圓軸扭轉時的變形標志是兩個橫截面間繞軸的相對轉角，這也就是扭轉角。計算公式如下：

2 電動鉆具改進思路

綜合現有鉆具的現狀，電動鉆具對井下信息化的實現這一獨特的優點無疑是未來鉆井技術應保留并加以完善的重點，顯鉆電動鉆具存在的缺點是必需要解決的問鍵問題。本設計采用井下電機提供破巖動力，保留了傳統電動鉆具中自動化和遙控技術的實現等優點，并利用雙主動輪圓錐齒輪組合作為動力傳輸介質，在鉆頭處把原本豎方向上的扭矩分解為兩個水平方向上大小相等、方向相反的扭矩，兩個扭矩在井下相互抵消，使鉆桿不承受扭矩，并減小了鉆柱的振動，改善了井下電機的工況。

3 雙主動輪圓錐齒輪組合

圖1是本設計的主要原理圖，如圖1所示，在雙主動輪圓錐齒輪組合結構中，1和3都為主動輪，2為從動輪，兩個主動輪旋轉的軸線方向在水平方向上且兩者的旋轉方向相反，從動輪的軸線方向在豎直方向上。例如：從右往左看主動輪3是順時針旋轉，從右往左看主動輪1逆時針旋轉，則從上往下看從動輪是順時針旋轉。由此，兩個主動輪所承受的扭矩在水平方向上大小相等，方向相反，可以相互抵消。

4 設計方案

將雙主動輪圓錐齒輪組合的動轉原理應用到井下電動鉆具的設計中可實現對鉆頭所受反扭矩的抵消。本設計由固定動力短接和旋轉破巖短接兩個部件構成。圖2是本設計的整體結構示意圖。

如圖2，整個結構的動力傳輸原理就如同圖1所示的雙主動輪圓錐齒輪組合結構，圓錐齒輪4就相當于圖1結構中的圓錐齒輪1，圓錐齒輪5就相當于圖1結構中的圓錐齒輪3，旋轉破巖短接18就相當于圖1結構中的圓錐齒輪2，齒輪4和齒輪5同時和旋轉破巖短接上端的輪齒6嚙合，固定動力短接和旋轉破巖短接之間通過軸承聯接，其中：軸承11、12、13、14、15都是深溝球軸承，這五個軸承的作用是保證固定動力短接和旋轉破巖短接能夠在豎直方向上同軸相對轉動。軸承16是推力球軸承，其作用是用于承受豎直方向上的鉆壓，防止鉆壓對上面五個深溝球軸承的損壞以及防止鉆壓對齒輪4、齒輪5與輪齒6嚙合處造成的損壞。整個結構通過母螺紋8與鉆鋌聯接，通過母螺紋10與鉆頭聯接。鉆進時，M1和M2中通入同向電流，同時分別驅動齒輪4和齒輪5轉動，則在水平方向上，齒輪4和齒輪5的旋轉方向是相反的。例如：從右往左看，若齒輪5是順時針旋轉，則齒輪4必定是逆時針旋轉，由此產生的最終效果是：從上往下看，旋轉破巖短接18是順時針旋轉。由于在此過程中M1和M2各自所承受的扭矩在水平方向上大小相等、方向相反，兩個扭矩即在固定動力短接的金屬筒壁上相互抵消。月牙形結構9用于遮擋軸承16，防止鉆井液對其造成的損害，同時可以使鉆井液從固定動力短接的中空順利過渡流入旋轉破巖短接中。

5 設計優點及應用

本設計的結構能保證在鉆井過程中，鉆頭的旋轉不依賴于鉆柱的轉動，消除了鉆井過程中鉆柱所承受的軸向扭矩，降低了對鉆桿抗扭強度的要求。此外，由于鉆柱不旋轉，鉆桿外壁不再與井壁產生旋轉摩擦，且鉆柱的振動小，改善了井下電機的工況，避免了傳統鉆具組合中由此給鉆桿帶來的損壞，以上兩點的實現減少了制作鉆桿所需材料上的成本。

參考文獻

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