基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置

摘要

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。

说明书

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3.25×10

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。

(3)不稳定，转速随载荷波动大，导致钻头易磨损。

(4)刚性差，载荷增大容易导致蹩转，克服载荷瞬间转速陡升。

(5)少润滑，啮合传动的运动副无法获得良好的润滑和散热效果，严重影响其使用寿命。

(6)泄漏大，由于介质粘度低、空气螺杆密封性差，压缩空气泄漏损失大。

(7)导热差，压缩和膨胀过程中都有较大热损耗，螺杆马达局部工作环境温度很高，导致非金属零件易老化和金属零部件易腐蚀。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够用于钻水平井或定向井(尤其是气体钻井钻水平井或定向井)的井下动力工具。

为了实现上述目的，本发明提供了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，所述井下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、回转上缸、下心轴、第二连接轴承和下缸套，其中，所述内啮合齿轮式液压马达机构包括第一端直通接头、第二端直通接头、紧固件、以及沿所述中心轴线设置的马达上盖、两个以上的齿轮组件、一个以上的中隔板和马达下盖，其中，所述两个以上的齿轮组件中的任一齿轮组件均包括支承块、小齿轮、小齿轮轴和内齿圈，其中，支承块具有凹入部和沿所述中心轴线设置的第一中孔，小齿轮固定设置在小齿轮轴上并设置在支承块的所述凹入部内，内齿圈具有设置有齿槽的内圆周壁和设置有键槽的外壁，所述齿槽与小齿轮啮合；所述一个以上的中隔板的数量比所述两个以上的齿轮组件的数量少一个，且所述一个以上的中隔板中的任一中隔板均设置在所述两个以上的齿轮组件中相邻的两个齿轮组件之间，任一中隔板均具有沿所述中心轴线设置的第二中孔；所述马达上盖具有沿所述中心轴线设置的第三中孔，所述马达下盖具有沿所述中心轴线的方向设置的第四中孔，所述马达上盖和马达下盖通过与所述紧固件连接以将所述两个以上的齿轮组件、所述一个以上的中隔板紧密组装，并使所述第一中孔、第二中孔、第三中孔和第四中孔连通，所述任一齿轮组件中与马达上盖靠近的齿轮组件的小齿轮轴的两端分别通过轴承固定在马达上盖和中隔板上，并通过马达上盖、内齿圈、支承块、小齿轮和中隔板形成上液压腔，所述任意齿轮组件中与马达下盖靠近的齿轮组件的小齿轮轴的两端分别通过轴承固定在马达下盖和中隔板上，并通过马达下盖、内齿圈、支承块、小齿轮和中隔板形成下液压腔，所述任意齿轮组件中位于两个相邻的中隔板之间的齿轮组件的小齿轮轴的两端分别通过轴承固定在所述两个相邻的中隔板上，并通过所述两个相邻的中隔板、内齿圈、支承块和小齿轮形成中液压腔；所述第一端直通接头设置在马达上盖上，并通过分别贯穿设置在马达上盖、所述任一中隔板上的第一贯穿孔将所述上液压腔、中液压腔和下液压腔连通，以形成进液通路；所述第二端直通接头设置在马达上盖上，并通过分别贯穿设置在马达上盖、所述任一中隔板上的第二贯穿孔将所述上液压腔、中液压腔和下液压腔连通，以形成出液通路；所述马达缸套套装在所述内啮合齿轮式液压马达机构之外，并通过连接键与所述两个以上的齿轮组件的内齿圈的键槽连接；所述传动轴具有沿所述中心轴线设置的第五中孔、与所述内啮合齿轮式液压马达机构的马达上盖和/或紧固件固定连接的下端、以及能够与上部钻柱固定连接的上端；所述回转上缸套装在所述传动轴之外，并通过第一连接轴承与所述传动轴连接，所述回转上缸的下端与马达缸套的上端固定连接；所述下心轴具有沿所述中心轴线设置的第六中孔、与所述内啮合齿轮式液压马达机构的马达下盖和/或紧固件固定连接的上端，第六中孔能够与第五中孔、第一中孔、第二中孔、第三中孔、第四中孔连通以形成供钻井介质流向井底的通道；所述下缸套套装在所述下心轴之外，并通过第二连接轴承与所述下心轴连接，所述下缸套具有与马达缸套的下端固定连接的上端以及能够与钻头连接的下端，以将马达缸套的旋转扭矩传递至钻头。

在本发明的一个示例性实施例中，所述任一齿轮组件中的小齿轮、小齿轮轴和支承块的所述凹入部的数量均为两个或者均为三个以上，所述第一端直通接头的数量相应为两个或相应为三个以上，并且所述第二端直通接头的数量相应为两个或相应为三个以上。

在本发明的一个示例性实施例中，所述紧固件为拉杆螺柱组件，所述拉杆螺柱组件通过贯穿马达上盖、所述两个以上的齿轮组件、所述一个以上的中隔板和马达下盖以实现所述紧密组装。例如，所述拉杆螺柱组件还可与传动轴和/或下心轴连接。

本发明的另一方面提供了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，所述井下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、回转上缸、下心轴、第二连接轴承和下缸套，其中，所述内啮合齿轮式液压马达机构包括第一端直通接头、第二端直通接头、紧固件、以及沿所述中心轴线依次设置的马达上盖、齿轮组件和马达下盖，其中，所述齿轮组件包括支承块、小齿轮、小齿轮轴和内齿圈，其中，支承块具有凹入部和沿所述中心轴线设置的第一中通孔，小齿轮固定设置在小齿轮轴上并设置在支承块的所述凹入部内，内齿圈具有设置有齿槽的内圆周壁和设置有键槽的外壁，所述齿槽与小齿轮啮合；所述马达上盖具有沿所述中心轴线设置的第二中通孔，所述马达下盖具有沿所述中心轴线设置的第三中通孔，所述马达上盖和马达下盖通过与所述紧固件连接以将所述齿轮组件紧密组装，所述小齿轮轴的两端分别通过轴承固定在马达上盖和马达下盖上，并通过马达上盖、内齿圈、支承块的所述凹入部、小齿轮和马达下盖形成液压腔；所述第一端直通接头设置在马达上盖上，并通过贯穿设置在马达上盖上的第一通孔与液压腔连通，以形成进液通路；所述第二端直通接头设置在马达上盖上，并通过贯穿设置在马达上盖上的第二通孔与液压腔连通，以形成出液通路；所述马达缸套套装在所述内啮合齿轮式液压马达机构之外，并通过连接键与齿轮组件的内齿圈的键槽连接；所述传动轴具有沿所述中心轴线设置的第四中通孔、与所述内啮合齿轮式液压马达机构的马达上盖和/或紧固件固定连接的下端、以及能够与上部钻柱固定连接的上端；所述回转上缸套装在所述传动轴之外，并通过第一连接轴承与所述传动轴连接，所述回转上缸的下端与马达缸套的上端固定连接；所述下心轴具有沿所述中心轴线设置的第五中通孔、与所述内啮合齿轮式液压马达机构的马达下盖和/或紧固件固定连接的上端，第五中通孔能够与第四中通孔、第一中通孔、第二中通孔、第三中通孔连通以形成供钻井介质流向井底的通道；所述下缸套套装在所述下心轴之外，并通过第二连接轴承与所述下心轴连接，所述下缸套具有与马达缸套的下端固定连接的上端以及能够与钻头连接的下端，以将马达缸套的旋转扭矩传递至钻头。

在本发明的一个示例性实施例中，所述井下自旋转破岩装置还可包括连接缸套，所述连接缸套将传动轴的所述上端与上部钻柱固定连接。

在本发明的一个示例性实施例中，所述井下自旋转破岩装置还可包括输出端套，所述输出端套将下缸套的所述下端与钻头连接。

在本发明的一个示例性实施例中，所述小齿轮、小齿轮轴和支承块的所述凹入部的数量均为两个或者均为三个以上，所述第一端直通接头的数量相应为两个或相应为三个以上，并且所述第二端直通接头的数量相应为两个或相应为三个以上。

在本发明的一个示例性实施例中，所述液压马达机构还包括将第一和第二端直通接头分别与液压动力源连接的高压胶管。

在本发明的一个示例性实施例中，所述紧固件为拉杆螺柱组件，所述拉杆螺柱组件通过贯穿马达上盖、齿轮组件和马达下盖以实现所述紧密组装。例如，所述拉杆螺柱组件还可与传动轴和/或下心轴连接。

在本发明的一个示例性实施例中，所述井下自旋转破岩装置还包括下心轴端盖，所述井下自旋转破岩装置还包括下心轴端盖，所述下心轴端盖固定连接在下心轴的下端并将下心轴的所述第六中孔或第五中通孔的封堵，以使所述钻井介质通过下心轴下端的侧壁的开孔流向井底的通道。

在本发明的一个示例性实施例中，所述井下自旋转破岩装置还包括挡圈和推力轴瓦，所述挡圈设置在上部钻具和传动轴之间，所述推力轴瓦设置在回转上缸和传动轴之间，挡圈和推力轴瓦共同稳定传动轴。

在本发明的一个示例性实施例中，所述井下自旋转破岩装置还包括推力滚子轴承和推力挡环，所述推力滚子轴承和推力挡环设置在回转上缸内壁上以对第一连接轴承进行密封和限位。

在本发明的一个示例性实施例中，所述井下自旋转破岩装置还包括密封套和下隔套，所述密封套和下隔套设置在下套缸内壁上以对第二连接轴承进行密封和限位。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的及特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置外观示意图；

图2示出了图1隐藏回转上缸的示意图；

图3示出了图1沿A-A剖面的剖视图；

图4示出了图3中液压马达机构的结构示意图；

图5示出了图4沿H-H剖面的剖视图；

图6示出了图4沿F-F剖面的剖视图；

图7示出了图5沿J-J剖面的剖视图；

图8示出了图4沿G-G剖面的剖视图；

图9示出了图1沿B-B剖面的剖视图；

图10示出了图3沿C-C剖面的剖视图；

图11示出了图3沿D-D剖面的剖视图；

图12示出了图3沿E-E剖面的剖视图。

附图标记说明如下：

1-连接缸套、2-螺栓组件、3-挡圈、4-第一连接轴承、5-传动轴、6-端直通接头、7-马达下盖、8-下轴端盖、9-定位螺栓、10-输出端套、11-下缸套、12-下隔套、13-密封套、14-第二连接轴承、15-下心轴、16-支承块、17-内齿圈、18-中隔板、19-马达缸套、20-马达上盖、21-推力轴瓦、22-回转上缸、23-推力挡环、24-推力滚子轴承、25-提升平键、26-拉杆螺柱组件、27-齿圈平键、28-小齿轮、29-小齿轮轴、30-滑动轴承。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置。需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”、“第九”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“内”、“外”仅仅为为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。

在本发明的一个示例性实施例中，基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置可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、回转上缸、下心轴、第二连接轴承和下缸套。

在本示例性实施例中，内啮合齿轮式液压马达机构可包括第一端直通接头、第二端直通接头、紧固件、以及沿所述中心轴线依次设置的马达上盖、齿轮组件和马达下盖。这里，马达上盖相对而言更靠近上部钻柱(或称井下钻具的上游)，而马达下盖相对而言更靠近钻头和钻进工作面(或称井下钻具的下游)。

其中，齿轮组件可包括支承块、小齿轮、小齿轮轴和内齿圈。支承块具有凹入部和沿中心轴线方向设置的第一中通孔，且凹入部和第一中通孔不连通。例如，支承块可以为具有预定厚度的类饼状结构，并且沿饼的外沿向中心轴线方向形成可容纳小齿轮的凹陷。当然，凹入部不能将小齿轮的全部容纳在内，而应留出可与内齿圈配合的齿。小齿轮固定设置在小齿轮轴上，以使二者不可相互转动。内齿圈具有设置有齿槽的内圆周壁和设置有键槽的外壁。齿槽与小齿轮形成啮合配合。这里，小齿轮、小齿轮轴和支承块的所述凹入部的数量相同，例如，可以均为两个或者均为三个以上。第一端直通接头与第二端直通接头的数量相同，并且等于小齿轮的数量，例如，可以相应为两个或相应为三个以上。

马达上盖具有沿中心轴线方向设置的第二中通孔。马达下盖具有沿中心轴线方向设置的第三中通孔。马达上盖和马达下盖通过与紧固件连接，以将齿轮组件紧密组装，以达到能够承受旋转扭矩的效果；并能够使第一中通孔、第二中通孔、第三中通孔连通，以形成供钻井介质(例如，钻井液、空气、氮气等)流过的通道。例如，紧固件可以为拉杆螺柱组件，其数量可以为两组或三组以上。拉杆螺柱组件可依次通过穿过马达上盖、齿轮组件和马达下盖以实现将齿轮组件紧密组装在马达上盖和马达下盖之间。拉杆螺柱组件还可进一步与传动轴连接和/或与下心轴连接。

齿轮组件的小齿轮轴的两端可分别通过两个轴承(例如，滑动轴承或滑套)固定在马达上盖和马达下盖上，并通过马达上盖、内齿圈、支承块的所述凹入部、小齿轮和马达下盖形成液压腔。通过轴承将小齿轮轴固定在马达上盖和马达下盖之间，也能够使小齿轮在液压腔内的转动更加稳定。

第一端直通接头设置在马达上盖上，并通过贯穿设置在马达上盖上的第一通孔与液压腔连通，以形成进液通路。第二端直通接头设置在马达上盖上，并通过贯穿设置在马达上盖上的第二通孔与液压腔连通，以形成出液通路。进液通路和出液通路与液压腔构成液压回路，并可通过管路(例如，高压胶管)与井下的液压动力源连接，从而为齿轮组件中的小齿轮提供液压驱动力。

马达缸套套装在内啮合齿轮式液压马达机构之外，马达缸套内部设置有键槽，通过连接键作用于马达缸套的键槽与液压马达机构内齿圈上的键槽，马达缸套和液压马达机构的内齿圈实现固定连接，将内齿圈的旋转扭矩传递给马达缸套。马达缸套上端与回转上缸下端固定连接，马达缸套下端与下缸套固定连接，即马达缸套、回转上缸、下缸套能在内齿圈的带动下一同转动。

传动轴具有沿中心轴线设置的第四中通孔。传动轴下端可以与内啮合齿轮式液压马达机构的马达上盖连接，也可以直接与紧固件连接，也可以同时和马达上盖以及紧固件连接。紧固件可以为拉杆螺柱组件，拉杆螺柱组件上可以设置垫肩，垫肩结构可以方便传动轴与内啮合齿轮式液压马达机构连接。传动轴上端能够直接或间接与上部钻柱固定连接，这样通过传动轴能将内啮合齿轮式液压马达机构和上部钻柱刚性连接起来，从而便于实现复合驱动钻进施工。例如，可通过连接缸套将传动轴的所述上端与上部钻柱固定连接。在复合驱动钻进情况下，传动轴和内啮合齿轮式液压马达机构皆可随上部钻柱转动，且与上部钻柱间无相对运动。当上部钻柱不转动的情况下，本发明的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置可自行向钻头提供动力。此外，还可在上部钻具和传动轴之间设置挡圈并在回转上缸和传动轴之间设置推力轴瓦，从而在挡圈和推力轴瓦共同作用下进一步稳定传动轴。

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相连。第一连接轴承的作用是使传动轴可以保持不动而回转上缸绕传动轴旋转，第一连接轴承可以为滚动轴承，然而本发明不限于此，只要能将传动轴和回转上缸连接并实现上述功能即可。此外，还可进一步在回转上缸内壁上设置推力滚子轴承和推力挡环，以对第一连接轴承进行进一步密封并使第一连接轴承的位置更加稳定。回转上缸的下端与马达缸套的上端固定连接(例如，螺纹连接)，使得回转上缸可用在马达缸套带动下通过第一连接轴承围绕传动轴旋转。

下心轴具有沿中心轴线设置的第五中通孔。下心轴可以与内啮合齿轮式液压马达机构的马达下盖相连，也可以直接与紧固件相连，也可以同时与内啮合齿轮式液压马达的马达下盖及紧固件相连。第五中通孔能够与第四中通孔、第一中通孔、第二中通孔、第三中通孔顺序连通形成孔道，钻井介质(例如，钻井液、空气、氮气等)通过该顺序连通的孔道流向井底。

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。通过设置第二连接轴承，下缸套能够围绕下心轴旋转。第二连接轴承可以为滚动轴承，然而本发明不限于此，只要能将下缸套和下心轴连接并实现下缸套能够围绕下心轴旋转即可。此外，还可进一步在下套缸内壁上设置密封套和下隔套，以对第二连接轴承进行进一步的密封并使第二连接轴承的位置更加稳定。

下缸套上端与马达缸套的下端固定连接(例如，螺纹连接)，下缸套的下端可直接或间接与钻头连接，以将马达套缸的旋转扭矩传递至钻头。例如，下缸套的下端与输出端套的上端固定连接(例如，螺纹连接)，而输出端套的下端与钻头连接，使得输出端套和下缸套可以在马达缸套带动下通过第二连接轴承围绕下心轴旋转，并将旋转扭矩传递至钻头。

对于本示例性实施例及其中的内啮合齿轮式液压马达机构而言，液压油驱动小齿轮旋转，小齿轮带动与其啮合的内齿圈旋转，内齿圈带动通过键槽与其连接的马达缸套旋转，马达缸套带动与其固定连接的回转上缸和下缸套旋转，下缸套带动与其直接或间接连接的钻头旋转以克服负载，实现钻进。同时，钻井介质(例如，钻井液、空气、氮气等)顺序通过第四中通孔、第一中通孔、第二中通孔、第三中通孔和第五中通孔形成的孔道流向井底，辅助钻头的钻进。

在本发明的又一示例性实施例中，基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置可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、回转上缸、下心轴、第二连接轴承和下缸套。

内啮合齿轮式液压马达机构可包括第一端直通接头、第二端直通接头、紧固件，以及沿同一中心轴线依次设置的马达上盖、第一齿轮组件、第一中隔板、第二齿轮组件、第二中隔板、第三齿轮组件和马达下盖。这里，马达上盖相对而言更靠近上部钻柱(或称井下钻具的上游)，而马达下盖相对而言更靠近钻头和钻进工作面(或称井下钻具的下游)。

第一齿轮组件可包括第一支承块、第一小齿轮、第一小齿轮轴和第一内齿圈。其中，第一支承块具有第一凹入部和沿所述中心轴线方向设置的第一通孔，且第一凹入部和第一通孔不连通。例如，第一支承块可以为具有预定厚度的类饼状结构，并且沿饼的外沿向所述中心轴线方向形成可容纳第一小齿轮的凹陷。当然，第一凹入部不能将第一小齿轮的全部容纳在内，而应留出可与第一内齿圈配合的齿。第一小齿轮固定设置在第一小齿轮轴上，以使二者不可相互转动。第一内齿圈具有设置有第一齿槽的内圆周壁和设置有第一键槽的外壁。

第二齿轮组件可包括第二支承块、第二小齿轮、第二小齿轮轴和第二内齿圈。其中，第二支承块具有第二凹入部和沿所述中心轴线方向设置的第二通孔，且第二凹入部和第二通孔不连通。例如，第二支承块可以为具有预定厚度的类饼状结构，并且沿饼的外沿向所述中心轴线方向形成可容纳第二小齿轮的凹陷。当然，第二凹入部不能将第二小齿轮的全部容纳在内，而应留出可与第二内齿圈配合的齿。第二小齿轮固定设置在第二小齿轮轴上，以使二者不可相互转动。第二内齿圈具有设置有第二齿槽的内圆周壁和设置有第二键槽的外壁。

第一中隔板设置第一齿轮组件和第二齿轮组件之间，且具有沿所述中心轴线的方向设置的第四通孔。

第三齿轮组件可包括第三支承块、第三小齿轮、第三小齿轮轴和第三内齿圈。其中，第三支承块具有第三凹入部和沿所述中心轴线方向设置的第三通孔，且第三凹入部和第三通孔不连通。例如，第三支承块可以为具有预定厚度的类饼状结构，并且沿饼的外沿向所述中心轴线方向形成可容纳第三小齿轮的凹陷。当然，第三凹入部不能将第三小齿轮的全部容纳在内，而应留出可与第三内齿圈配合的齿。第三小齿轮固定设置在第三小齿轮轴上，以使二者不可相互转动。第三内齿圈具有设置有第三齿槽的内圆周壁和设置有第三键槽的外壁。

第二中隔板设置第二齿轮组件和第三齿轮组件之间，且具有沿所述中心轴线的方向设置的第五通孔。

马达上盖具有沿所述中心轴线的方向设置的第六通孔；马达下盖具有沿所述中心轴线的方向设置的第七通孔。马达上盖和马达下盖通过与紧固件连接以将第一齿轮组件、第一中隔板、第二齿轮组件、第二中隔板、第三齿轮组件紧密组装，以达到能够承受旋转扭矩的效果；并使所述第六通孔、第一通孔、第四通孔、第二通孔、第五通孔、第三通孔和第七通孔依次连通以形成供钻井介质(例如，钻井液、空气、氮气等)流过的通道。例如，紧固件可以为拉杆螺柱组件，其数量可以为两组或三组以上。拉杆螺柱组件可依次通过穿过马达上盖、第一齿轮组件、第一中隔板、第二齿轮组件、第二中隔板、第三齿轮组件和马达下盖，以实现将各组齿轮组件和各个中隔板紧密组装在马达上盖和马达下盖之间。拉杆螺柱组件还可进一步与传动轴连接和/或与下心轴连接。

第一齿轮组件的第一小齿轮轴的两端分别通过两个轴承(例如，滑动轴承或滑套)固定在马达上盖和第一中隔板上，并通过马达上盖、第一内齿圈、第一支承块的第一凹入部、第一小齿轮和第一中隔板形成第一液压腔。通过轴承将第一小齿轮轴固定在马达上盖和第一中隔板之间，也能够使第一小齿轮在第一液压腔内的转动更加稳定。第二齿轮组件的第二小齿轮轴的两端分别通过两个轴承(例如，滑动轴承或滑套)固定在第一中隔板和第二中隔板上，并通过第一中隔板、第二内齿圈、第二支承块的第二凹入部、第二小齿轮和第二中隔板形成第二液压腔。通过轴承将第二小齿轮轴固定在第一中隔板和第二中隔板之间，也能够使第二小齿轮在第二液压腔内的转动更加稳定。第三齿轮组件的第三小齿轮轴的两端分别通过两个轴承(例如，滑动轴承或滑套)固定在第二中隔板和马达下盖上，并通过第二中隔板、第三内齿圈、第三支承块的第三凹入部、第三小齿轮和马达下盖形成第三液压腔。通过轴承将第三小齿轮轴固定在马达下盖和第二中隔板之间，也能够使第三小齿轮在第三液压腔内的转动更加稳定。

第一端直通接头设置在马达上盖上，并通过分别与设置在马达上盖上的贯穿孔、设置第一中隔板上的贯穿孔、以及设置第二中隔板上的贯穿孔连通，以实现将第一液压腔、第二液压腔和第三液压腔与第一端直通接头连通，从而形成进液通路。第二端直通接头设置在马达上盖上，并通过分别与设置在马达上盖上的另一贯穿孔、设置第一中隔板上的另一贯穿孔、以及设置第二中隔板上的另一贯穿孔连通，以实现将第一液压腔、第二液压腔和第三液压腔与第二端直通接头连通，从而形成出液通路。进液通路和出液通路与第一、二、三液压腔构成液压回路，并可通过管路(例如，高压胶管)与井下的液压动力源连接，从而为各组齿轮组件中的各个小齿轮提供液压驱动力。

具体来讲，第一齿槽与第一小齿轮形成啮合配合，第二齿槽与第二小齿轮形成啮合配合，第三齿槽与第三小齿轮形成啮合配合，第一键槽、第二键槽、第三键槽能够相应地对第一内齿圈、第二内齿圈、第三内齿圈的旋转扭矩进行传递。这里，第一小齿轮、第一小齿轮轴和第一支承块的第一凹入部的数量相同，例如，可以均为两个或者均为三个以上。第二小齿轮、第二小齿轮轴和第二支承块的第二凹入部的数量相同，例如，可以均为两个或者均为三个以上。第三小齿轮、第三小齿轮轴和第三支承块的第三凹入部的数量相同，例如，可以均为两个或者均为三个以上。第一端直通接头与第二端直通接头的数量相同，并且等于第一、第二、第三小齿轮的数量，例如，可以相应为两个或相应为三个以上。

马达缸套套装在内啮合齿轮式液压马达机构之外，马达缸套内部设置有键槽，通过连接键作用于马达缸套的键槽与液压马达机构内齿圈上的键槽，马达缸套和液压马达机构的内齿圈实现固定连接，将内齿圈的旋转扭矩传递给马达缸套。马达缸套上端与回转上缸下端固定连接，马达缸套下端与下缸套固定连接，即马达缸套、回转上缸、下缸套能在内齿圈的带动下一同转动。

传动轴具有沿中心轴线设置的第八通孔。传动轴下端可以与内啮合齿轮式液压马达机构的马达上盖连接，也可以直接与紧固件连接，也可以同时和马达上盖以及紧固件连接。紧固件可以为拉杆螺柱组件，拉杆螺柱组件上可以设置垫肩，垫肩结构可以方便传动轴与内啮合齿轮式液压马达机构连接。传动轴上端能够直接或间接与上部钻柱固定连接，这样通过传动轴能将内啮合齿轮式液压马达机构和上部钻柱刚性连接起来，从而便于实现复合驱动钻进施工。例如，可通过连接缸套将传动轴的所述上端与上部钻柱固定连接。在复合驱动钻进情况下，传动轴和内啮合齿轮式液压马达机构皆可随上部钻柱转动，且与上部钻柱间无相对运动。当上部钻柱不转动的情况下，本发明的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置可自行向钻头提供动力。此外，还可在上部钻具和传动轴之间设置挡圈并在回转上缸和传动轴之间设置推力轴瓦，从而在挡圈和推力轴瓦共同作用下进一步稳定传动轴。

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相连。第一连接轴承的作用是使传动轴可以保持不动而回转上缸绕传动轴旋转，第一连接轴承可以为滚动轴承，然而本发明不限于此，只要能将传动轴和回转上缸连接并实现上述功能即可。此外，还可进一步在回转上缸内壁上设置推力滚子轴承和推力挡环，以对第一连接轴承进行进一步密封并使第一连接轴承的位置更加稳定。回转上缸的下端与马达缸套的上端固定连接(例如，螺纹连接)，使得回转上缸可用在马达缸套带动下通过第一连接轴承围绕传动轴旋转。

下心轴具有沿所述中心轴线设置的第九通孔。下心轴可以与内啮合齿轮式液压马达机构的马达下盖相连，也可以直接与紧固件相连，也可以同时与内啮合齿轮式液压马达的马达下盖及紧固件相连。第八通孔、第六通孔、第一通孔、第四通孔、第二通孔、第五通孔、第三通孔、第七通孔和第九通孔顺序连接形成通道，钻井介质(例如，钻井液、空气、氮气等)可以通过该通道流向井底。

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。通过设置第二连接轴承，下缸套能够围绕下心轴旋转。第二连接轴承可以为滚动轴承，然而本发明不限于此，只要能将下缸套和下心轴连接并实现下缸套能够围绕下心轴即可。此外，还可进一步在下套缸内壁上设置密封套和下隔套，以对第二连接轴承进行进一步的密封并使第二连接轴承的位置更加稳定。

下缸套上端与马达缸套的下端固定连接(例如，螺纹连接)，下缸套的下端可直接或间接与钻头连接，以将马达套缸的旋转扭矩传递至钻头。例如，下缸套的下端与输出端套的上端固定连接(例如，螺纹连接)，而输出端套的下端与钻头连接，使得输出端套和下缸套可以在马达缸套带动下通过第二连接轴承围绕下心轴旋转，并将旋转扭矩传递至钻头。

对于本示例性实施例及其中的内啮合齿轮式液压马达机构而言，液压油驱动小齿轮旋转，小齿轮带动与其啮合的内齿圈旋转，内齿圈带动通过键槽与其连接的马达缸套旋转，马达缸套带动与其固定连接的回转上缸和下缸套旋转，下缸套带动与其直接或间接连接的钻头旋转以克服负载，实现钻进。同时，钻井介质(例如，钻井液、空气、氮气等)顺序通过第八通孔、第六通孔、第一通孔、第四通孔、第二通孔、第五通孔、第三通孔、第七通孔和第九通孔顺序连接形成通道流向井底，辅助钻头的钻进。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置外观示意图；图2示出了图1隐藏回转上缸的示意图；图3示出了图1沿A-A剖面的剖视图；图4示出了图3中液压马达机构的结构示意图；图5示出了图4沿H-H剖面的剖视图；图6示出了图4沿F-F剖面的剖视图；图7示出了图5沿J-J剖面的剖视图；图8示出了图4沿G-G剖面的剖视图；图9示出了图1沿B-B剖面的剖视图；图10示出了图3沿C-C剖面的剖视图；图11示出了图3沿D-D剖面的剖视图；图12示出了图3沿E-E剖面的剖视图。

如图1～12所示，在一个示例性实施例中，基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置可包含螺栓组件2、挡圈3、第一连接轴承4、传动轴5、端直通接头6、马达下盖7、下轴端盖8、定位螺栓9、下缸套11、下隔套12、密封套13、第二连接轴承14、下心轴15、支承块16、内齿圈17、中隔板18、马达缸套19、马达上盖20、推力轴瓦21、回转上缸22、推力挡环23、推力滚子轴承24、提升平键25、拉杆螺柱组件26、齿圈平键27、小齿轮28、小齿轮轴29、以及滑动轴承30。此外，连接缸套1上端可用于将本示例性实施例的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置与井下钻具上游的结构相连。输出端套10可用于将本示例性实施例的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置与下部钻头相连以传递旋转扭矩给钻头。

在本示例性实施例中，基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置可包括同轴设置的内啮合齿轮式液压马达机构、马达缸套19、传动轴5、第一连接轴承4、回转上缸22、下心轴15、第二连接轴承14和下缸套11。

内啮合齿轮式液压马达机构可沿轴向主要包含三组内啮合齿轮马达。每组齿轮马达都可包含：一组小齿轮28，一组小齿轮轴29，一个支承块16，一个内齿圈17。每组齿轮马达之间用中隔板18隔开。马达两端用马达上盖20和马达下盖7封住，并用一组拉杆螺柱组件26将内啮合齿轮式液压马达机构的零部件拉紧并牢牢固定在一起。

马达上盖20上，除了穿有将传动轴5、中隔板18、支承块16、下心轴15拉紧并固定在一起的拉杆螺柱组件26之外，还有供液压油进出的端直通接头6。端直通接头6可以是标准液压接头，用来连接液压软管。根据每组齿轮马达的小齿轮数量来设定端直通接头6的数量。例如，就单组齿轮马达而言，其单个小齿轮需要配2个端直通接头6，其中，一个进油，另一个回油。

小齿轮28和内齿圈17相互啮合。在内齿圈17上，各开有一组矩形槽，用来安放内齿圈平键27并通过内齿圈平键27传递内啮合齿轮液压马达产生的旋转扭矩。当液压油驱动小齿轮28旋转时，与其啮合的内齿圈17便会转动。

滑动轴承30可以为光洁度高、摩擦系数低的轴套，例如，铜套，以便于小齿轮轴与铜套发生相对转动。此外，如图7所示，各个小齿轮轴29可以设置为中空结构，以便于形成泄压通道，从而可使缝隙中漏的油通过该泄压通道回流，以便构成更加稳固和持久的密封。

连接缸套1上端可用于与井下钻具上游的结构相连，连接缸套1下端用于与回转上缸22上端连接。连接缸套1与回转上缸22可形成插接关系，连接缸套1下端插入回转上缸22上端内部，从而使连接缸套1与回转上缸22相互之间可以沿轴线旋转。例如，连接缸套1与回转上缸22之间也可以设置滚动轴承来使两者之间更好的旋转。

传动轴5上端插入连接缸套1下端与连接缸套1固定连接。传动轴5上端设有平键槽，通过提升平键25作用于平键槽使传动轴5与连接缸套1实现固定连接。拉杆螺栓组件26依次穿过传动轴5下端(例如，端面法兰)、内啮合齿轮式液压马达机构、下心轴15上端(例如，平面法兰结构)将传动轴5、内啮合齿轮式液压马达和下心轴15固定连接，以通过连接缸套1将上部钻具与内啮合齿轮式液压马达机构和下心轴15固定连接。

马达缸套19套装在内啮合齿轮式液压马达机构之外，马达缸套19内部设有键槽，齿圈平键27作用于内啮合齿轮式液压马达的内齿圈17和马达缸套19的键槽中，以将内啮合齿轮式液压马达产生的旋转扭矩传递给马达缸套19。

回转上缸22套装在传动轴5之外，并通过第一连接轴承4与传动轴5连接，回转上缸22的下端与马达缸套19的上端固定连接，回转上缸22和传动轴5的间隙内设置有推力轴瓦21，传动轴5上设有挡圈3和螺栓组件2，螺栓组件2将挡圈3固定在传动轴5上端，推力轴瓦21和挡圈3共同作用在传动轴5上对传动轴5的位置进行固定。第一连接轴承4靠近连接缸套1的一端还设置有推力挡环23和推力滚子轴承24，第一连接轴承4、推力挡环23和推力滚子轴承24相互之间为面接触，回转上缸22可以不受传动轴5、连接缸套1等部件的干扰而独立旋转，连接缸套1的下端面作用于推力挡环23和推力滚子轴承24对第一连接轴承4的位置进行限定。

下缸套11套装在下心轴15之外，并通过第二连接轴承14与下心轴15连接，下缸套11上端与马达缸套19的下端固定连接。下缸套11上端与内啮合齿轮式液压马达机构的马达下盖7形成面接触对液压马达在马达缸套19内部的位置进行限定，下缸套11下端与输出端套10上端相连。在第二连接轴承14靠近输出端套一端设置有密封套13和下隔套12，输出端套10上端除用于与下缸套11下端连接以外，还通过挤压密封套13和下隔套12来对第二连接轴承14进行密封和限位，输出端套10下端用于与下部钻头连接，以将旋转扭矩传递至钻井用钻头。

回转上缸22下端与马达缸套19上端、马达缸套19下端与下缸套11上端、下缸套11下端与输出端套10上端之间均固定连接，连接方式可以为螺纹连接，然而本发明不限于此，只要能实现固定连接即可。定位螺栓9将下轴端盖8固定在下心轴15上，以将下心轴15下端的孔封堵住。同时，下心轴15的下端的侧壁开设供钻井液流出的孔洞。例如，下端轴盖和下心轴也可通过螺纹等方式连接。

钻井时，钻井介质(例如，空气、氮气等气体或钻井液)可通过传动轴5、马达上盖20、中隔板18、支承块16、马达下盖7、下心轴15组成的中空孔道进入输出端套10内，在通过与输出端套10连接的钻头喷嘴喷射到井底。而驱动小齿轮28旋转的液压油则可由独立的井下供油管线进行供油。

钻井时，高压油可通过端直通接头6泵入内齿圈17、中隔板18、支承块16、小齿轮28构成的液压腔中，该液压腔的进油口为高压，回油口为低压，从而驱动小齿轮28进行旋转，通过齿轮传动，各组小齿轮28能够带动相应的内齿圈17旋转。通过在内齿圈17上的平键槽内安放的齿圈平键27带动马达缸套19旋转，马达缸套19带动与之相连的回转上缸22和下缸套11旋转，下缸套11带动与其相连的输出端套10旋转，输出端套10带动与其相连的钻头旋转，从而实现井下自旋转破岩。

本发明的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置中，内啮合齿轮式液压马达机构可以为集成的内置式齿轮马达，其内齿圈与外部旋转缸体采用平键或花键联接传递扭矩，内齿圈与N(例如，N＝3，4，5，6，8，9)处沿圆周均布的小行星齿轮(小齿轮)啮合，在两侧板(马达上盖与中隔板，或两个中隔板，或中隔板与马达下盖)与支承块之间构成封闭容积，可在油液压力作用下产生驱动力矩，其转速高低由供油流量大小决定。

另外，为获得足够的排量，本发明的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置可沿钻具回转轴线布置M(M＝2，3，4，5，6…)组齿轮组件，各组间采用双面敷铜合金的侧板(马达上盖、中隔板、马达下盖)隔开，侧板(马达上盖、中隔板、马达下盖)上开有配流窗口，配流窗口的位于同一径向面(例如，与图4中的H-H剖面方向平行的面)上的油路通断关系为并联。

传动轴可采用端面法兰与内啮合齿轮式液压马达相联接，并可采用拉杆螺柱组件紧固。拉杆螺柱组件可具有定位台肩，以用作销轴，传递扭矩。本发明的基于内啮合齿轮式液压马达的井下自旋转破岩装置中的内啮合齿轮式液压马达仅承受扭矩载荷。

本发明的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置的传动轴、马达上盖、马达下盖、支承块及中隔板可与连接缸套、下心轴刚性联接，并且在复合驱动钻进情况下，皆可随上部钻柱转动，且与上部钻柱间无相对运动。当上部钻柱不转动的情况下，本发明的基于内啮合齿轮式液压马达机构的井下自旋转破岩装置可自行向钻头提供动力，此时，各个小齿轮的回转轴线处于相对静止状态。液压油驱动小齿轮自转，引起内齿圈转动，从而带动马达缸套、回转上缸、下缸套和输出端套转动，进而驱动钻头回转并克服负载。

综上所述，本发明通过采用基于内啮合齿轮式液压马达的井下自旋转破岩装置作为井下钻具动力工具，克服了现有空气螺杆因气体润滑性差和可压缩性导致的转速随载荷波动大、易憋转、导热差、螺杆寿命短等问题，具有较好的应用价值和较大的经济效益。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下方面中的一项或多项：

①本发明采用并联式齿轮液压马达作为核心旋转部件，能够实现将液压技术应用到井下工具的设计中；

②与气体螺杆不同，气体螺杆需要通过较大的排量来提高转数和扭矩，而本发明中的液压马达在同等扭矩和转数要求下，所需流体排量较小；

③本发明中的液压马达机构可与上游气动冲击器配合使用；

④本发明中的液压马达为中空结构，方便钻井流体流向井底，结构更合理，设计也更巧妙，可操作性更强；

⑤本发明的驱动液压马达齿轮旋转的液压油是由独立供油系统提供，与钻井用流体介质(钻井液)无关，不影响正常钻井介质携岩。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。