陳鵬等

摘 要：井下電動(dòng)鉆具以其獨(dú)特的井口-井底能源信息傳輸功能，實(shí)現(xiàn)了鉆井自動(dòng)控制，然而現(xiàn)有的井下電動(dòng)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(dòng)鉆具，該電動(dòng)鉆具采用對稱安裝的兩個(gè)井下電機(jī)提供破巖動(dòng)力，利用雙主動(dòng)輪圓錐齒輪組合作為動(dòng)力傳輸介質(zhì)，破巖過程中，兩個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)各自所聯(lián)接的圓錐齒輪沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中兩個(gè)電機(jī)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(guān)鍵詞：鉆柱；受扭變形；井下電動(dòng)鉆具

1 背景

圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的變形標(biāo)志是兩個(gè)橫截面間繞軸的相對轉(zhuǎn)角，這也就是扭轉(zhuǎn)角。計(jì)算公式如下：

2 電動(dòng)鉆具改進(jìn)思路

綜合現(xiàn)有鉆具的現(xiàn)狀，電動(dòng)鉆具對井下信息化的實(shí)現(xiàn)這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)無疑是未來鉆井技術(shù)應(yīng)保留并加以完善的重點(diǎn)，顯鉆電動(dòng)鉆具存在的缺點(diǎn)是必需要解決的問鍵問題。本設(shè)計(jì)采用井下電機(jī)提供破巖動(dòng)力，保留了傳統(tǒng)電動(dòng)鉆具中自動(dòng)化和遙控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，并利用雙主動(dòng)輪圓錐齒輪組合作為動(dòng)力傳輸介質(zhì)，在鉆頭處把原本豎方向上的扭矩分解為兩個(gè)水平方向上大小相等、方向相反的扭矩，兩個(gè)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(dòng)，改善了井下電機(jī)的工況。

3 雙主動(dòng)輪圓錐齒輪組合

圖1是本設(shè)計(jì)的主要原理圖，如圖1所示，在雙主動(dòng)輪圓錐齒輪組合結(jié)構(gòu)中，1和3都為主動(dòng)輪，2為從動(dòng)輪，兩個(gè)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的軸線方向在水平方向上且兩者的旋轉(zhuǎn)方向相反，從動(dòng)輪的軸線方向在豎直方向上。例如：從右往左看主動(dòng)輪3是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從右往左看主動(dòng)輪1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則從上往下看從動(dòng)輪是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由此，兩個(gè)主動(dòng)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(shè)計(jì)方案

將雙主動(dòng)輪圓錐齒輪組合的動(dòng)轉(zhuǎn)原理應(yīng)用到井下電動(dòng)鉆具的設(shè)計(jì)中可實(shí)現(xiàn)對鉆頭所受反扭矩的抵消。本設(shè)計(jì)由固定動(dòng)力短接和旋轉(zhuǎn)破巖短接兩個(gè)部件構(gòu)成。圖2是本設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖2，整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力傳輸原理就如同圖1所示的雙主動(dòng)輪圓錐齒輪組合結(jié)構(gòu)，圓錐齒輪4就相當(dāng)于圖1結(jié)構(gòu)中的圓錐齒輪1，圓錐齒輪5就相當(dāng)于圖1結(jié)構(gòu)中的圓錐齒輪3，旋轉(zhuǎn)破巖短接18就相當(dāng)于圖1結(jié)構(gòu)中的圓錐齒輪2，齒輪4和齒輪5同時(shí)和旋轉(zhuǎn)破巖短接上端的輪齒6嚙合，固定動(dòng)力短接和旋轉(zhuǎn)破巖短接之間通過軸承聯(lián)接，其中：軸承11、12、13、14、15都是深溝球軸承，這五個(gè)軸承的作用是保證固定動(dòng)力短接和旋轉(zhuǎn)破巖短接能夠在豎直方向上同軸相對轉(zhuǎn)動(dòng)。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(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)通過母螺紋8與鉆鋌聯(lián)接，通過母螺紋10與鉆頭聯(lián)接。鉆進(jìn)時(shí)，M1和M2中通入同向電流，同時(shí)分別驅(qū)動(dòng)齒輪4和齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，則在水平方向上，齒輪4和齒輪5的旋轉(zhuǎn)方向是相反的。例如：從右往左看，若齒輪5是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則齒輪4必定是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的最終效果是：從上往下看，旋轉(zhuǎn)破巖短接18是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。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(gè)扭矩即在固定動(dòng)力短接的金屬筒壁上相互抵消。月牙形結(jié)構(gòu)9用于遮擋軸承16，防止鉆井液對其造成的損害，同時(shí)可以使鉆井液從固定動(dòng)力短接的中空順利過渡流入旋轉(zhuǎn)破巖短接中。

5 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能保證在鉆井過程中，鉆頭的旋轉(zhuǎn)不依賴于鉆柱的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(qiáng)度的要求。此外，由于鉆柱不旋轉(zhuǎn)，鉆桿外壁不再與井壁產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)摩擦，且鉆柱的振動(dòng)小，改善了井下電機(jī)的工況，避免了傳統(tǒng)鉆具組合中由此給鉆桿帶來的損壞，以上兩點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)減少了制作鉆桿所需材料上的成本。

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