一种双钻头井底扭矩自平衡重建机构

摘要

本发明公开了一种双钻头井底扭矩自平衡重建机构，属于钻井工程井下工具技术领域，包括内钻头组件、动力传输组件和夹持固定组件；利用普通扭矩电机工作时内外转子存在相互逆向回转的特性，通过动力传输组件中的微电机提供动力经过一系列传动部件，使伸出舌向外伸出内钻头组件的取心筒与孔壁固定。当伸出舌与孔壁之间的扭矩大于外钻头与孔壁之间的扭矩时，外钻头解卡开始旋转钻进，提高钻进效率，减少施工周期。

说明书

技术领域

本发明涉及钻井工程井下工具技术领域，特别是涉及一种双钻头井底扭矩自平衡重建机构。

背景技术

在钻井和钻探过程中，钻柱受到的回转扭矩很大，主要来自于钻头回转碎岩、井壁或孔壁摩擦、井内泥浆阻力等，在巨大的反扭力作用下钻柱变形严重，成螺旋状，且井越深变形越大。同时，在回转中钻柱与井壁碰撞摩擦，磨损和交变载荷作用极易使钻杆柱提前损坏，导致断钻具等井内事故的发生，给整个工程带来巨大损失。很明显，钻具在井内回转和碎岩产生的反扭矩危害到整个钻柱和地面设备，也导致了成井质量差、钻井周期长、钻井成本高等一系列不良后果。为此，国内外本领域专家想方设法降低钻柱对井壁的扰动，其中一些研究人员对扭矩平衡钻具系统进行了相关的研究，但由于使用扭矩电机驱动钻具时无法调节钻压，无法实现钻进过程扭矩的自平衡，故相继失败了。而现有技术中提出了“一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统”，详见专利公告号CN106761480B，从根本上解决了前人研究中所遇到的这个瓶颈。

然而，目前“一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统”也有不足的地方，当这套钻具系统在起钻后更换新钻头后，由于新外钻头在公差范围内，其外径较更换的旧外钻头外径大，可能会导致钻具系统无法顺畅下入到井底而与井壁产生较大的侧面回转摩擦阻力，与此同时，内钻头还不能达到井底而无法产生负载，故而内、外钻头失去了扭矩平衡的条件。因此，设计一种双钻头井底扭矩自平衡重建机构，对于“一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统”的完善起到十分重要的作用。

发明内容

本发明的目的是提供了一种双钻头井底扭矩自平衡重建机构，其适配于背景技术中所述的井下扭矩自平衡有缆钻具系统，主要用于解决外钻头与孔壁间摩擦扭矩过大，外钻头无法回转，导致内钻头扭矩无法被抵消，系统失去扭矩平衡的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种双钻头井底扭矩自平衡重建机构，其特征在于，包括：内钻头组件、动力传输组件和夹持固定组件；

所述内钻头组件包括内钻头、取心筒、岩心防磨环、岩心防磨轴承内限位环、岩心防磨轴承外限位环、传动轴接头和岩心防磨轴承，且内钻头的中心轴线、取心筒的中心轴线、岩心防磨环的中心轴线、岩心防磨轴承内限位环的中心轴线、岩心防磨轴承外限位环的中心轴线、传动轴接头的中心轴线和岩心防磨轴承的中心轴线位于同一直线上；内钻头位于取心筒的下方，钻头与取心筒通过第一固定螺母紧固连接；取心筒为凸字形且内部中空，取心筒的侧壁上沿周向均匀开设有形状与伸出舌形状匹配的通孔，用于供伸出舌伸出或缩回取心筒内部，取心筒的侧壁内自最顶端到所述通孔开有两道沿取心筒轴向设置的圆形通孔，分别为取心筒第一圆形通孔、取心筒第二圆形通孔；所述岩心防磨环、岩心防磨轴承外限位环、岩心防磨轴承、岩心防磨轴承内限位环以及传动轴接头按照从外向内的顺序安装于取心筒的内部，且岩心防磨环的顶部与取心筒的内顶壁接触，岩心防磨轴承内限位环、岩心防磨轴承以及岩心防磨轴承外限位环按照从下到上的顺序安装在岩心防磨环内部；传动轴接头为中空结构，传动轴接头的上部延伸出取心筒，传动轴接头通过第二固定螺母与取心筒固定连接，同时传动轴接头的下端通过径向安装的内限位环固定螺母与岩心防磨轴承内限位环固定连接；

所述动力传输组件整体位于取心筒上方，动力传输组件包括换向导杆支撑架、旋转驱动块、驱动块轴承、传动内齿圈、微电机、传动小齿轮、电机架和微电机轴承，其中换向导杆支撑架布置在动力传输组件的径向最外侧且下方固定在取心筒上表面的凹槽中，换向导杆支撑架的外壁上沿圆周方向开有至少三个用于配合固定传动筋的弧形凹槽，弧形凹槽与取心筒侧壁内的圆形通孔同轴心且直径相同，换向导杆支撑架的内壁上开有定位盲槽，定位盲槽用于安装筋卡和筋接手组成的构件，定位盲槽和弧形凹槽位于同一截面上；在换向导杆支撑架上位于定位盲槽的上方开有矩形口，矩形口两端开有圆形盲孔，用于安放换向导杆；旋转驱动块设置在换向导杆支撑架的内部，旋转驱动块为中空圆柱状，且旋转驱动块内壁具有从上向下缩径形成的台阶，旋转驱动块的外壁上开有斜向布置的矩形槽，且矩形槽的两端为半圆形，矩形槽与筋接手滑动配合连接；驱动块轴承位于旋转驱动块的正下方并固定在取心筒上表面的凹槽内；传动内齿圈固定在旋转驱动块内壁的台阶上，传动内齿圈与传动小齿轮内啮合；传动小齿轮固定在微电机的输出轴上，微电机轴承通过开设在取心筒上的第一圆柱槽安装在取心筒，微电机的输出轴通过开设在取心筒上的第二圆柱槽放置在取心筒上；第二圆柱槽的直径小于第一圆柱槽的直径，第二圆柱槽的直径、微电机的输出轴直径和微电机轴承内径相同；微电机的定子部分固定在环形的电机架上表面，电机架的内环面与取心筒固定；

所述夹持固定组件包括伸出舌、筋接手、传动筋、筋卡、筋卡固定环、换向导杆和传动筋接头，筋接手的底部为圆柱体，中间部分为矩形体，矩形体上方两端设置有两个空心圆柱体，且两个空心圆柱体的侧壁上均设有沿轴向贯通的开口，两个空心圆柱体的内壁上均设置有用于固定筋卡的台阶；筋卡的数量为两个，两个筋卡均为中空圆柱状，两个筋卡分别通过两个空心圆柱体内壁上的台阶固定在筋接手上；筋卡固定环为中空圆柱形，筋卡固定环的外侧壁开设有轴向贯通的截面为三角形的豁口，筋卡固定环安装在两个筋卡中间；筋卡套设在传动筋外部并与传动筋固定；筋接手的圆柱体部分滑动设置在旋转驱动块外壁上呈倾斜布置的矩形槽内；换向导杆中间为圆轮状，圆轮状的外圆周设置有用于对传动筋限位的限位槽，圆轮状的两侧各连接有一根圆柱体，换向导杆置于换向导杆支撑架上方矩形口内，并通过位于圆轮状两侧的圆柱体固定在矩形口两端的圆形盲孔中；伸出舌包括伸出舌根和伸出舌尖，伸出舌根与取心筒之间的固定方式和伸出舌根与伸出舌尖之间的固定方式均与换向导杆和换向导杆支撑架二者之间的固定方式相同；在伸出舌根和伸出舌尖的内外壁上均设置有供传动筋穿过的孔道；传动筋为绳索，传动筋的一端依次经伸出舌尖内壁上的孔道、伸出舌根内壁上的孔道、取心筒第一圆形通孔、换向导杆支撑架上的定位盲槽、换向导杆上的限位槽、换向导杆支撑架上的弧形槽、取心筒第二圆形通孔及伸出舌根外壁上的道孔最后到达伸出舌尖外壁上的道孔；传动筋接头为一端敞口、另一端封闭的中空圆柱形结构，传动筋接头的数量为两个，两个传动筋接头分别安装在传动筋的两端，并与传动筋固定，同时一个传动筋接头卡在位于伸出舌尖的内壁上的孔道内，与伸出舌尖固定在一起，另一个传动筋接头卡在位于伸出舌尖的外壁上的孔道内，与伸出舌尖固定在一起。

进一步，所述岩心防磨环内壁具有从上到下缩径形成的两个台阶座，位于上方的台阶座为第一台阶座，位于下方的台阶座为第二台阶座，岩心防磨轴承外限位环置于第一台阶座上，岩心防磨轴承外限位环与岩心防磨环通过径向安装的外限位环固定螺母固定；传动轴接头的外壁从下至上扩径形成有一个台阶座，岩心防磨轴承的底部抵靠在第二台阶座的台阶面上，岩心防磨轴承的顶部抵靠在传动轴接头的台阶座的台阶面上。

进一步，所述三角形豁口的两侧边之间的夹角为30度。

进一步，所述筋卡的高度小于筋接手的两个空心圆柱体之间的距离的一半，筋卡固定环的高度等于两个筋卡之间的距离。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出的一种双钻头井底扭矩自平衡重建机构，利用普通扭矩电机工作时内外转子存在相互逆向回转的特性，通过微电机提供动力经过一系列传动部件，使伸出舌向外伸出与孔壁固定。当伸出舌与孔壁之间的扭矩大于外钻头与孔壁之间的扭矩时，外钻头解卡开始旋转钻进。提高钻进效率，减少施工周期。

附图说明

此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明提出的双钻头井底扭矩自平衡重建机构的剖面示意图；

图2是本发明提出的双钻头井底扭矩自平衡重建机构中换向导杆支撑架的内部示意图；

图3是本发明提出的双钻头井底扭矩自平衡重建机构中换向导杆支撑架的正视图；

图4是图3的A-A向剖面图；

图5是本发明提出的双钻头井底扭矩自平衡重建机构中换向导杆支撑架的俯视图；

图6是本发明提出的双钻头井底扭矩自平衡重建机构中的筋接手、筋卡及筋卡固定环组装图；

图7是本发明提出的双钻头井底扭矩自平衡重建机构中旋转驱动块的结构示意图；

图8是本发明提出的双钻头井底扭矩自平衡重建机构中的夹持固定组件与旋转驱动块组装示意图；

图9是本发明提出的双钻头井底扭矩自平衡重建机构中的取心筒的剖面图；

图10是本发明中伸出舌根的剖面示意图。

图中各标记如下：1-内钻头、2-取心筒、3-岩心防磨环、4-岩心防磨轴承内限位环、5-岩心防磨轴承外限位环、6-传动轴接头、7-岩心防磨轴承、8-内限位环固定螺母、9-第二固定螺母、10-外限位环固定螺母、11-伸出舌根、12-伸出舌尖、13-换向导杆支撑架、14-旋转驱动块、15-驱动块轴承、16-筋接手、17-传动内齿圈、18-微电机、19-传动小齿轮、20-电机架、21-传动筋、22-筋卡、23-筋卡固定环、24-微电机轴承、25-第一固定螺母、26-换向导杆、27-传动筋接头、201-取心筒第一圆形通孔、202-取心筒第二圆形通孔、1401-矩形槽。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有进行详尽的说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9及图10所示，一种双钻头井底扭矩自平衡重建机构包括内钻头组件、动力传输组件以及夹持固定组件。

所述内钻头组件包括内钻头1、取心筒2、岩心防磨环3、岩心防磨轴承内限位环4、岩心防磨轴承外限位环5、传动轴接头6和岩心防磨轴承7，且内钻头1的中心轴线、取心筒2的中心轴线、岩心防磨环3的中心轴线、岩心防磨轴承内限位环4的中心轴线、岩心防磨轴承外限位环5的中心轴线、传动轴接头6的中心轴线和岩心防磨轴承7的中心轴线位于同一直线上；

所述内钻头1位于取心筒2的下方，内钻头1与取心筒2通过第一固定螺母25紧固连接形成双钻头井底扭矩自平衡重建机构的外侧主体部分；取心筒2为凸字形且内部中空，取心筒2的侧壁上沿周向均匀开设有形状与伸出舌形状匹配的通孔，用于供伸出舌伸出或缩回取心筒2内部，取心筒2的侧壁内自最顶端到所述通孔开有两道沿取心筒2轴向设置的圆形通孔，分别为取心筒第一圆形通孔201、取心筒第二圆形通孔202，用于配合安装传动筋21；所述岩心防磨环3、岩心防磨轴承外限位环5、岩心防磨轴承7、岩心防磨轴承内限位环4以及传动轴接头6按照从外向内的顺序安装于取心筒2的内部，且岩心防磨环3的顶部与取心筒2的内顶壁接触，岩心防磨轴承内限位环4、岩心防磨轴承7以及岩心防磨轴承外限位环5按照从下到上的顺序安装在岩心防磨环3内部，岩心防磨环3内壁具有从上到下缩径形成的两个台阶座，位于上方的台阶座为第一台阶座，位于下方的台阶座为第二台阶座，岩心防磨轴承外限位环5置于第一台阶座上，岩心防磨轴承外限位环5与岩心防磨环3通过径向安装的外限位环固定螺母10固定；岩心防磨轴承7置于第二台阶座上；所述传动轴接头6为中空结构，传动轴接头6的上部延伸出取心筒2，传动轴接头6通过第二固定螺母9与取心筒2固定连接，同时传动轴接头6的下端通过径向安装的内限位环固定螺母8与岩心防磨轴承内限位环4固定连接，传动轴接头6的外壁从下至上扩径形成有一个台阶座，用于固定岩心防磨轴承7，由此岩心防磨轴承7的上下均被固定。

所述动力传输组件整体位于取心筒2上方，动力传输组件包括换向导杆支撑架13、旋转驱动块14、驱动块轴承15、传动内齿圈17、微电机18、传动小齿轮19、电机架20和微电机轴承24，其中换向导杆支撑架13布置在动力传输组件的径向最外侧且下方固定在取心筒2上表面的凹槽中，换向导杆支撑架13的外壁上沿圆周方向开有至少三个用于固定传动筋21的弧形凹槽，弧形凹槽与取心筒2侧壁内的圆形通孔同轴心且直径相同，换向导杆支撑架13的内壁上开有定位盲槽，定位盲槽用于安装筋卡22和筋接手16组成的构件，定位盲槽和弧形凹槽位于同一截面上；在换向导杆支撑架13上位于定位盲槽的上方开有矩形口，矩形口两端开有圆形盲孔，用于安放换向导杆26；旋转驱动块14设置在换向导杆支撑架13的内部，旋转驱动块14为中空圆柱状，且旋转驱动块14内壁具有从上向下缩径形成的台阶，旋转驱动块14的外壁上开有斜向布置的矩形槽1401，且矩形槽1401的两端为半圆形，使筋接手16可以在矩形槽内滑动；驱动块轴承15位于旋转驱动块14的正下方并固定在取心筒2上表面的凹槽内，驱动块轴承15与旋转驱动块14接触起到减小摩擦的作用；传动内齿圈17固定在旋转驱动块14的内壁台阶上，传动内齿圈17与传动小齿轮19内啮合；传动小齿轮19固定在微电机18的输出轴上，传动小齿轮19由微电机18提供运转动力，传动小齿轮19正下方的取心筒2上开有两个直径不等的圆柱槽，较大直径的圆柱槽用于安装微电机轴承24，较小直径的圆柱槽的直径与微电机18输出轴直径和微电机轴承24的内径相同，用于放置微电机18输出轴，由此能更好的抵消传动小齿轮19转动时传递给微电机18输出轴的反力，同时减小微电机18的输出轴和取心筒2之间的摩擦；微电机18的定子部分固定在环形的电机架20上表面，电机架20的内环面与取心筒2固定；

所述夹持固定组件包括伸出舌、筋接手16、传动筋21、筋卡22、筋卡固定环23、换向导杆26和传动筋接头27，筋接手16的底部为圆柱体，中间部分为矩形体，矩形体上方两端设置有两个空心圆柱体，且两个空心圆柱体的侧壁上均设有沿轴向贯通的开口，其目的让传动筋21从两个贯通开口进入空心圆柱体当中，两个空心圆柱体的内壁上均设置有用于固定筋卡22的台阶；筋卡22的数量为两个，两个筋卡22均为中空圆柱状，两个筋卡22分别通过两个空心圆柱体内壁上的台阶固定在筋接手16上；筋卡固定环23为中空圆柱形，筋卡固定环23的外侧壁开设有沿轴向贯通的截面为三角形的豁口，三角形豁口的两侧边之间的夹角为30度，筋卡固定环23安装在两个筋卡22中间，通过筋卡固定环23上的豁口将传动筋21纳入中空；筋卡固定环23的高度等于两个筋卡22之间的距离，以保证力的连续传递，筋卡22套设在传动筋21外部并与传动筋21固定，使传动筋21能随着筋卡22的运动而运动，筋接手16的圆柱体部分滑动安装在旋转驱动块14外壁上呈倾斜布置的矩形槽1401内，初始位置为矩形槽1401的中央，随着传动内齿圈17带动旋转驱动块14旋转，筋接手16就会在矩形槽上滑动，但由于筋接手16的另一部分安装在换向导杆支撑架13内壁的定位盲槽上，所以左右位移被限制，只能进行上下位移。又由于筋接手16与筋卡22固定，筋卡22与传动筋21固定，进而带动传动筋21上下移动换向导杆26中间为圆轮状，圆轮状的外圆周设置有用于对传动筋21限位的限位槽，圆轮状的两侧各连接有一根圆柱体，换向导杆26置于换向导杆支撑架13上方矩形口内，并通过位于圆轮状两侧的圆柱体固定在矩形口两端的圆形盲孔中；伸出舌包括伸出舌根11和伸出舌尖12；伸出舌根11与取心筒2之间的固定方式和伸出舌根11与伸出舌尖12之间的固定方式均与换向导杆26和换向导杆支撑架13二者之间的固定方式相同；在伸出舌根11和伸出舌尖12的内外壁上均设置有供传动筋21穿过的孔道，孔道的直径略大于传动筋21的直径，可供传动筋21通过。传动筋21为绳索，传动筋21的一端依次经伸出舌尖12内壁上的孔道、伸出舌根11内壁上的孔道、取心筒第一圆形通孔201、换向导杆支撑架13上的定位盲槽、换向导杆26上的限位槽、换向导杆支撑架13上的弧形槽、取心筒第二圆形通孔202及伸出舌根11外壁上的道孔最后到达伸出舌尖12外壁上的道孔；传动筋接头27为一端敞口、另一端封闭的中空圆柱形结构，传动筋接头27的数量为两个，两个传动筋接头27分别安装在传动筋21的两端，并与传动筋21固定，同时一个传动筋接头27卡在位于伸出舌尖12的内壁上的孔道内从而固定在伸出舌尖12上，另一个传动筋接头27卡在位于伸出舌尖12的外壁上的孔道内从而固定在伸出舌尖12上。

本发明中的伸出舌既可以向外伸出，与孔壁固定提供反扭矩。还可以向内伸以夹取岩心，筋卡22的高度小于筋接手16的两个空心圆柱体之间的距离的一半，筋接手16两端圆柱体之间的距离的一半，筋卡固定环23的高度等于筋卡22之间的距离。

筋卡22、筋接手16及筋卡固定环22的安装顺序为：先将两个筋卡22串在传动筋21上，然后安装筋接手16，最后安装筋卡固定环22。

本发明的工作原理和过程：本发明利用普通扭矩电机工作时内外转子存在相互逆向回转的特性，内外钻头分别与定子、转子固定。当外钻头被卡住停止转动时，内外扭矩无法抵消，此时通过伸出舌伸出与孔壁接触固定，使内钻头1停止回转，当内钻头1与孔壁之间的扭矩大于外钻头与孔壁之间的扭矩时，外钻头解卡开始旋转钻进，此时收回伸出舌，系统正常钻进。

当外钻头下钻时碰到缩径而被卡住停止转动时，通过地面端控制给传动轴接头6加压使取心筒2和内钻头1伸出一定距离后，微电机18开始工作，微电机18的输出轴带动传动小齿轮19转动，传动小齿轮19通过内啮合带动传动内齿圈17转动，由于传动内齿圈17与旋转驱动块14固定，所以旋转驱动块14也会发生旋转，此时初始位置在旋转驱动块14外壁上的矩形槽1401中间位置的筋接手16会在槽的约束下向斜下方移动，筋接手16内的筋卡22一面与筋接手16内的台阶座接触，另一面与筋卡固定环23接触，因此筋卡22及筋卡固定环23随筋接手16一同移动，并带动传动筋21产生轴向位移进而拉动伸出舌向外伸出与孔壁接触并固定。

当要取得的岩心较为松散破碎时，可以通过微电机18反转，向内伸出伸出舌，来夹取岩心。