一种螺杆钻具马达及具有该马达的螺杆钻具

技术领域

本发明涉及一种钻具马达，尤其涉及一种用于石油、天然气等勘探开发的螺杆 钻具马达及具有该马达的螺杆钻具。

背景技术

在石油、天然气等勘探开发的钻进工程中所使用的螺杆钻具，其动力来源是一种 容积式马达，该马达包括定子和转子两个基本部分，并能够将高压钻井液的高压液能 转化为钻头旋转的机械能。常规螺杆钻具马达中定子部分包括定子金属壳体和橡胶衬 套，定子金属壳体内腔为光滑圆柱面；橡胶通过硫化工艺粘结在定子金属壳体的内壁 上形成橡胶衬套，橡胶衬套的内孔为连续螺旋曲面；转子部分安装在橡胶衬套的内孔 中，并与橡胶衬套相啮合形成密封腔。在马达的设计中，钻井液过流面积是与马达的 扭矩输出呈正相关的一个常量。目前，螺杆钻具中马达的定子金属壳体内腔大多采用 等内径设计，这使得马达的钻井液过流面积设计受到很大限制，由于钻井液过流面积 是与马达的扭矩输出呈正相关的一个常量，因而导致螺杆钻具中马达的输出扭矩和效 率不能得到有效提高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有高输出扭矩和效率的螺杆钻具马达 及具有该马达的螺杆钻具。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种螺杆钻具马达，包括定子金属 壳体、橡胶衬套和转子，其特征在于，所述定子金属壳体的内腔包括中间扩径部分和 位于所述中间扩径部分两端的螺纹连接部分，且所述螺纹连接部分的孔径小于所述中 间扩径部分的孔径；所述橡胶衬套设置于所述定子金属壳体的所述中间扩径部分内， 所述转子安装在所述橡胶衬套的内孔中，并与所述橡胶衬套相啮合形成密封腔。

所述橡胶衬套的内孔为连续摆线螺旋曲面，所述转子的外壁亦为连续摆线螺旋曲 面，所述橡胶衬套与所述转子形成一对共轭摆线啮合副。

所述转子与所述橡胶衬套的头数之比为N/(N+1)，N为大于0的自然数。

所述橡胶衬套为橡胶通过硫化工艺粘结在所述定子金属壳体的内壁上形成。

所述定子金属壳体的所述中间扩径部分为光滑圆柱面。

一种螺杆钻具，包括从上到下依次连接的旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和 传动轴总成，其特征在于，所述马达总成为上述的螺杆钻具马达。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明改变了现有螺杆钻 具马达中定子金属壳体的等内径设计，且通过扩大螺杆钻具马达定子金属壳体内腔中 间部分的孔径，大大增加了螺杆钻具马达的钻井液过流面积，使得螺杆钻具马达具有 输出扭矩高、扭矩输出稳定、转化效率高等特点，从而有效提高了石油、天然气勘探 开发的钻井过程中的钻井能力和效率。2、本发明将螺杆钻具马达的橡胶衬套的内孔设 计为连续摆线螺旋曲面，同时将转子的外壁亦设计为连续摆线螺旋曲面，以使橡胶衬 套与转子形成一对共轭摆线啮合副，此设计可以进一步提高螺杆钻具马达的钻井液过 流面积和动力转化及传输能力，从而进一步提高螺杆钻具马达稳定输出高扭矩的能力。

附图说明

图1是本发明螺杆钻具马达的剖视结构示意图；

图2是本发明螺杆钻具马达中定子金属壳体的剖视结构示意图；

图3是本发明螺杆钻具的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1、图2显示了根据本发明提供的螺杆钻具马达100，其包括定子金属壳体1、 橡胶衬套2和转子3，定子金属壳体1的内腔包括中间扩径部分11和位于中间扩径部 分11两端的螺纹连接部分12，且螺纹连接部分12的孔径小于中间扩径部分11的孔 径。橡胶衬套2设置于定子金属壳体1的中间扩径部分11内，转子3安装在橡胶衬套 2的内孔中，并与橡胶衬套2相啮合形成密封腔。本发明提供的螺杆钻具马达100由 于定子金属壳体1的中间扩径部分11的孔径扩大，因此给马达的钻井液过流面积综合 设计提供了更大的设计空间，使橡胶衬套2与转子3形成的马达副具有更大的钻井液 过流面积和更强的动力转化及传输能力，从而具有更高的输出扭矩和效率。

上述实施例中，如图1所示，橡胶衬套2的内孔为连续摆线螺旋曲面，同时转子 3的外壁亦为连续摆线螺旋曲面，以使橡胶衬套2与转子3形成一对共轭摆线啮合副， 此设计可以进一步提高螺杆钻具马达100的钻井液过流面积和动力转化及传输能力， 从而进一步提高螺杆钻具马达100稳定输出高扭矩的能力。

上述实施例中，如图1所示，转子3与橡胶衬套2的头数之比为N/(N+1)，N为 大于0的自然数。其中，螺杆钻具马达100的定子和转子3上螺旋线的条数被称为头 数，在本实施例中橡胶衬套2即为定子。

上述实施例中，橡胶衬套2为橡胶通过硫化工艺粘结在定子金属壳体1的内壁上 形成。

上述实施例中，定子金属壳体1的中间扩径部分11为光滑圆柱面。

图3显示了根据本发明提供的螺杆钻具200，其包括从上到下依次连接的旁通阀 总成10、马达总成20、万向轴总成30和传动轴总成40，其中，马达总成20为上述 任一实施例提供的螺杆钻具马达100。

本发明螺钻具马达依据的原理如下：

1、容积式机械工作过程中的能量守恒原理：

Mω＝ΔpQ   ①

其中，M为螺杆钻具马达输出的扭矩(单位：N·m)，ω为螺杆钻具马达转子的转速 (单位：rad/s),Δp为螺杆钻具马达出口和入口两端的压差(单位：MPa)，Q为流过 螺杆钻具马达的流量(单位：L/s)。

2、容积式机械的转速关系：

$n=\frac{60Q}{q}$   ②

其中，q为螺杆钻具马达转子的每转排量(单位：L)，n为螺杆钻具马达转子的转 速(单位：rad/min)。

3、由式①和式②以及可得：

$M=\frac{1}{2\pi }\mathrm{\Delta pq}$   ③

由式③可以看出，当螺杆钻具马达出口和入口两端的压差一定时，螺杆钻具马达 的输出扭矩与螺杆钻具马达转子的每转排量呈正比。

4、又根据螺杆钻具马达的结构，有：

q＝ANT   ④

其中：A为螺杆钻具马达的过流面积，N为螺杆钻具马达转子头数，T为螺杆钻具 马达转子螺距。

由上式可知，在其他条件不变的情况下，增加螺杆钻具马达过流面积能增大螺杆 钻具马达转子的每转排量，进而增大螺杆钻具马达的输出扭矩，且成正比关系。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发 明的保护范围之外。