[发明专利]基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置

说明书

本发明提供了一种基于内啮合齿轮式马达机构的井下自旋转破岩装置。所述自旋转破岩装置包括以同一中心轴线设置的内啮合齿轮式液压马达机构、马达缸套、传动轴、第一连接轴承、下心轴、第二连接轴承和下缸套，传动轴上端与上部钻柱直接或间接相连，传动轴、液压马达机构和下心轴通过紧固件连接在一起，马达缸套套装在液压马达机构之外，并与液压马达连接，回转上缸套装在传动轴之外，并通过第一连接轴承与传动轴连接，下缸套套装在下心轴之外，并通过第二连接轴承与下心轴连接，下缸套直接或间接与下部钻头相连并传递旋转扭矩。本发明克服了气体螺杆因气体润滑性差和可压缩性造成的螺杆转速波动大、可靠性差、寿命短问题，具有较好的经济效益。

技术领域

本发明属于油气钻井或钻探工程用井下动力装备技术领域，具体来讲，涉及一种基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置。

背景技术

目前，低产、低压、低渗油气藏勘探比重逐年扩大，大斜度井、水平井成为勘探开发的主流。由于气体钻井技术具有较高机械钻速，能有效治理井漏、保护油气储层，同时能够大幅度提高单井产量等优点。因此，将气体钻井技术应用到低产、低压、低渗等非常规油气资源勘探开发中具有重大意义和广阔的市场前景。实践表明，气体钻定向井、水平井，可大幅提高机械钻速，有效发现和保护油气层，提高单井产量，减少耕地征用和环境污染，具有显著的经济效益。该技术实现了大塔场构造效益开发，完成40口氮气钻大斜度井，平均单井获气3.25×10⁴m³/d，是常规钻井产量6倍以上。然而，由于缺乏可靠、有效的气体钻井井下动力工具，目前气体钻井技术仅限用于钻大斜度井段，还不能用于水平井段，定向井段造斜须由泥浆钻井技术完成，极大程度地限制了该气体钻井技术的推广应用。而开发气相条件下井下动力工具将为气体钻定向井、水平井提供重要的技术支撑。

目前，国内外主要有以下几种气体钻井技术井下动力工具：

(1)空气螺杆

国内外用于气体钻井的井下动力工具主要是气体驱动的螺杆，这些空气螺杆都是近30年来在泥浆螺杆的基础上发展而来，没有革命性变化。国内拥有空气螺杆的有北京石油机械厂和天津立林等，基本上都用于泡沫钻井，在干气体条件下的应用尚不成熟。由于气体本身的润滑性能差和气体可压缩性这一缺陷，导致气动螺杆寿命短(一般在30～50小时以内，常规泥浆螺杆超过120小时)，转速波动较大，造成钻头刃齿非正常磨损、钻柱扭矩异常变化、注气压力骤然升高等问题；同时容易飞车，造成定子橡胶过早失效，甚至抽筒，导致空气螺杆可靠性差。

(2)自转式空气锤

国内，川庆钻探、中石化西南局、西南石油大学等单位均进行过自转式空气锤研制。其中，《一种自转式空气锤》(授权号CN201598972U)，描述的是一种用气体驱动空气锤活塞往复运动，并通过一种机械螺旋式离合机构将活塞的直线运动转化为钻头旋转运动的气体钻井井下动力工具。该工具是直接利用气体的压缩能进行驱动。由于气体是一种高压缩比的可压缩流体，因此用气体直接驱动活塞冲击并将冲击转换为旋转这一过程具有明显的“软”特性。

(3)气液联合驱动井下动力工具

《气体钻井井下动力工具》(授权号CN104213829B)、《一种气驱液自循环的气体钻井螺杆工具》(授权号CN105484665B)，二者均描述了一种利用气体驱动液压活塞往复运动，从而推动高压液体进入密闭的螺杆机构，通过液体的密闭循环而使螺杆旋转的气体钻井井下动力工具。但由于气体的可压缩性，使整套机构的工作特性仍存在明显的“软”特性，且响应速度也很慢。

综上所述，目前国内外的空气螺杆在干气条件下的应用尚不成熟，所存在的问题主要包括：

(1)寿命短，一般在30～50小时以内，而常规螺杆的寿命超过120小时。

(2)易飞车，造成马达摩擦副温度剧烈升高和定子橡胶过早失效，甚至倒扣、抽筒，极易引发井下事故。