全金属智能控制动力钻具的制作方法

1.本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及全金属智能控制动力钻具。


背景技术：

2.目前，我国百分之七十三未探明的石油都储于深地层、超深地层中，中石油四千米以上的深井高达七百多口，六千米以上的深井高达一百五十多口。深井、超深井作业面临着许多问题，比如岩石属性变得更加复杂难钻，勘探开采难度加剧，机械钻速低、钻井周期长和钻井成本高，钻井环境更加艰巨，地面提供的动力达不到破岩需求。常规的井下动力钻具在深井与超深井的钻探中有诸多的限制与不便，适应性强，可靠性强，高效智能的井下动力钻具是进一步勘探所必需的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种适应性强，效率高的全金属智能控制动力钻具。
4.为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：所述全金属智能控制动力钻具由电控模块、动力模块、传动模块组成，分别为：上连接套、连杆阀盖、连杆阀、信号输出模块、下连接套、活塞、信号接受模块、上平面推力球轴承、右旋蜗杆、右旋传动轴、下平面推力球轴承、左旋蜗杆、上串轴承、外壳、端盖、上单向轴承、下单向轴承、连接轴、单向轴、弹簧、传动轴外壳、上tc轴承动圈、上动圈合金、上静圈合金、上tc轴承静圈、传动轴、下串轴承、承压套、半环、隔套、下tc轴承动圈、下动圈合金、下静圈合金、下tc轴承静圈；所述全金属智能控制动力钻具各部件同轴心；所述全金属智能控制动力钻具两端为可拆卸连接；所述上连接套为钻井液输入口，上连接套与下连接套、外壳、传动轴外壳依次通过锥螺纹相连；所述连杆阀盖与连杆阀之间设有信号输出模块，信号输出模块与信号接受模块利用无线通讯连接；所述活塞使用电磁铁夹钳将连杆阀固定与松开；所述活塞与右旋蜗杆之间安装有上平面推力球轴承，避免活塞旋转，右旋蜗杆与右旋传动轴用键结构连接；所述右旋蜗杆与左旋蜗杆之间安装有下平面推力球轴承，左旋蜗杆与右旋传动轴之间安装有上串轴承；所述左旋蜗杆、右旋传动轴与连接轴之间分别安装有上单向轴承与下单向轴承；所述连接轴与端盖通过螺钉连接，限制上单向轴承的轴向位置，连接轴内部有凸台，隔开上单向轴承与下单向轴承；所述连接轴与单向轴花键连接，连接轴与单向轴内腔安装有弹簧；所述传动轴与单向轴螺纹连接，传动轴下端与其他井下钻具连接；所述上tc轴承动圈、上动圈合金、上静圈合金、上tc轴承静圈组成上tc轴承；所述下tc轴承动圈、下动圈合金、下静圈合金、下tc轴承静圈组成下tc轴承；所述上tc轴承与下tc轴承中间安装有下串轴承、承压套、半环、隔套；所述承压套与半环可轴向限位与传递钻压。
5.优选的，所述连杆阀与连杆阀盖中安装有信号输出模块，信号输出模块包括控制板，霍尔传感器，电池与信号发射器；所述活塞内部安装有信号接受模块，信号接受模块包括控制板，信号接受器，电池与无刷电机、速度方向传感器。
6.优选的，所述活塞由活塞外圈与活塞内圈组成，活塞外圈为实心，活塞内圈为空
心，安装有信号接受模块；信号接受模块通过活塞内部通道传递电信号给电磁铁。
7.优选的，所述上连接套与下连接套内部有凸台，凸台内部设有环形磁铁；所述信号输出模块通过霍尔效应感应上连接套与下连接套的磁环的磁信号，并将位置信号无线传输给信号接受模块。
8.优选的，所述信号接受模块接受信号传输模块的无线通讯信号，根据连杆阀所处位置，控制内部电机并控制电磁铁的开关，从而控制电磁铁夹钳的夹紧与松开。
9.优选的，所述活塞与外壳之间使用密封圈密封，外壳内表面进行表面处理，外壳内表面设有右旋蜗形内齿与左旋蜗形内齿，右旋蜗形内齿与左旋蜗形内齿所对应外壳处设有注油孔。
10.优选的，在上述方案中连接轴与下端弹簧同轴心，弹簧具有一定的预紧力。
11.优选的，在上述方案中传动模块中的传动轴外壳与tc轴承对动力模块轴向限位，并且能承受上部钻井工具的压力；上下tc轴承对传动轴外壳轴向限位，并传递动力模块的压力与冲击。
12.本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：
13.1.本发明提供了一种全新的全金属智能控制动力钻具，适应性强，相比于现阶段主流的井下动力钻具，可靠性高，可产生冲击辅助破岩，配合双蜗杆可实现钻头的连续旋转。
14.2.本发明中各部分零件均可采用耐高温的金属，具有很高的耐用性和抗损耗性。可以承受较大的压力和重量，并且不容易因长时间使用而磨损或损坏；可钻深井，在井下复杂多变的环境中不易失效，操作简单，无需对操作人员进行特殊培训。
15.3.本发明设计巧妙，成本低，比其他类型的钻具更容易维护和保养。
附图说明
16.图1为本发明的结构示意图；
17.图2为连杆阀的结构示意图；
18.图3为活塞的结构示意图；
19.图4为信号输出模块电路原理图；
20.图5为信号接受模块电路原理图；
21.图6为单向轴结构示意图；
22.附图标记说明：1.上连接套；2.连杆阀阀盖；3.连杆阀，301.连杆阀阀门；4.信号输出模块；5.下连接套；6.活塞；7.信号接受模块；8.上平面推力球轴承；9.右旋蜗杆；10右旋传动轴；11.下平面推力球轴承；12.左旋蜗杆；13.上串轴承；14.外壳，1401.右旋蜗形内齿，1402.左旋蜗形内齿；15.端盖；16.上单向轴承；17.下单向轴承；18.连接轴；19.单向轴，1901螺纹孔，1902花键；20.弹簧；21.传动轴外壳；22.上tc轴承动圈；23.上动圈合金；24.上静圈合金；25.上tc轴承静圈；26.传动轴；27.下串轴承；28.承压套；29.半环；30.隔套；31.下tc轴承动圈；32.下动圈合金；33.下静圈合金；34.下tc轴承静圈。
具体实施方式
23.下面结合说明书附图对本发明进一步说明：
24.如图1所示的全金属智能控制动力钻具。需要说明的是：所述全金属智能控制动力钻具可用于多种需要钻进的情况；本发明将应用于石油钻井中，并非限定其只能应用于此。
25.全金属智能控制动力钻具，其特征在于：所述全金属智能控制动力钻具由电控模块、动力模块、传动模块组成，分别为：上连接套1、连杆阀盖2、连杆阀3、信号输出模块4、下连接套5、活塞6、信号接受模块7、上平面推力球轴承8、右旋蜗杆9、右旋传动轴10、下平面推力球轴承11、左旋蜗杆12、上串轴承13、外壳14、端盖15、上单向轴承16、下单向轴承17、连接轴18、单向轴19、弹簧20、传动轴外壳21、上tc轴承动圈22、上动圈合金23、上静圈合金24、上tc轴承静圈25、传动轴26、下串轴承27、承压套28、半环29、隔套30、下tc轴承动圈31、下动圈合金32、下静圈合金33、下tc轴承静圈34；所述全金属智能控制动力钻具各部件同轴心；所述全金属智能控制动力钻具两端为可拆卸连接；所述上连接套1为钻井液输入口，上连接套1与下连接套5、外壳14、传动轴外壳21依次通过锥螺纹相连，组成整个工具的定子部分；所述连杆阀盖2与连杆阀3之间设有信号输出模块4，信号输出模块4与信号接受模块7利用无线通讯连接；所述活塞6使用电磁铁夹钳将连杆阀3固定与松开；所述活塞6与右旋蜗杆9之间安装有上平面推力球轴承8，避免活塞6旋转，右旋蜗杆9与右旋传动轴10用键结构连接，同步旋转；所述右旋蜗杆9与左旋蜗杆12之间安装有下平面推力球轴承11，左旋蜗杆12与右旋传动轴10之间安装有上串轴承13；所述左旋蜗杆12、右旋传动轴10与连接轴18之间分别安装有上单向轴承16与下单向轴承17；所述连接轴18与端盖15通过螺钉连接，限制上单向轴承16的轴向位置，连接轴18内部有凸台，隔开上单向轴承16与下单向轴承17；所述连接轴18与单向轴19花键连接，连接轴18与单向轴19内腔安装有弹簧20；所述传动轴21与单向轴19螺纹连接，传动轴21下端与其他井下钻具连接；所述上tc轴承动圈22、上动圈合金23、上静圈合金24、上tc轴承静圈25组成上tc轴承；所述下tc轴承动圈31、下动圈合金32、下静圈合金33、下tc轴承静圈34组成下tc轴承；所述上tc轴承与下tc轴承中间安装有下串轴承27、承压套28、半环29、隔套30；所述承压套28与半环29可轴向限位与传递钻压。
26.如图1、图2、图4所示，在上述方案中所述连杆阀3与连杆阀盖2中安装有信号输出模块4，信号输出模块4包括控制板，霍尔传感器，电池与信号发射器；所述连杆阀阀门301与活塞6配合控制钻井液的压力。
27.如图1、图3、图5所示，在上述方案中所述活塞6分为活塞外圈601与活塞内圈602，活塞外圈601为实心，活塞内圈602为空心，安装有信号接受模块7；信号接受模块7包括控制板，信号接受器，电池与无刷电机、速度方向传感器；信号接受模块7通过活塞内部通道603传递电信号给电磁铁604，控制电磁铁604与永磁铁605吸附与排斥。
28.如图1所示，在上述方案中所述上连接套1与下连接套5内部有凸台，凸台内部设有环形磁铁；所述信号输出模块4通过霍尔效应感应上连接套1与下连接套5的磁环的磁信号，并将位置信号无线传输给信号接受模块7。
29.如图1所示，在上述方案中所述信号接受模块7接受信号传输模块4的无线通讯信号，根据连杆3阀所处位置，控制内部电机并控制电磁铁604的开关，从而控制电磁铁夹钳的夹紧与松开。
30.如图1所示，在上述方案中所述活塞6与外壳14之间使用密封圈密封，外壳6内表面进行表面处理，外壳6内表面设有右旋蜗形内齿1401与左旋蜗形内齿1402，右旋蜗形内齿1401与左旋蜗形内齿1402所对应外壳处设有注油孔；所述右旋蜗杆9沿着右旋蜗形内齿
1401旋转；所述左旋蜗杆12沿着左旋蜗形内齿1402旋转。
31.如图1、图6所示，在上述方案中所述连接轴18与下端弹簧20同轴心，弹簧20具有一定的预紧力；所述连接轴18的外径小于下端传动轴21的内径，连接轴18可在传动轴内部21轴向移动，互不干扰。
32.如图1所示，在上述方案中所述传动模块中的传动轴外壳21与tc轴承对动力模块轴向限位，并且能承受上部钻井工具的压力；上下tc轴承对传动轴外壳21轴向限位，并传递动力模块的压力与冲击。
33.下面通过附图介绍所述全金属智能控制动力钻具的工作过程。
34.以图1所示的状态为开始的状态，连杆阀盖2紧贴上连接套1凸台，活塞6中的电磁铁夹钳紧扣连杆阀3阀杆，当钻井液从上连接套1进入工具时，由于连杆阀阀门挡住了活塞6的阀门孔，钻井液憋压，推动连杆阀3与活塞6向下运动；活塞6推动右旋蜗杆9与左旋蜗杆12向下螺旋运动，右旋蜗杆9将顺时针旋转运动通过右旋传动轴10与下单向轴承17传递给连接轴18、单向轴19与传动轴26，左旋蜗杆12产生的逆时针旋转由于上单向轴承16不会传递给连接轴18，因此，传动轴26将顺时针旋转传递给下部钻具；与此同时，信号输出模块4中霍尔效应传感器感应上连接套1与下连接套5的磁场强度，将距离信号无线传输到信号接受模块7，弹簧20被压缩。
35.当连杆阀下端运动到接触下连接套5凸台时被迫停止，信号输出模块4传递无线信号给信号接受模块7，信号接受模块7控制电磁铁断电，电磁铁夹钳松开连杆阀3阀杆；钻井液通过活塞6的阀门孔泄压，此时连杆阀3无轴向位移，钻井液压力仍然大于弹簧20反作用力。
36.经过一段泄压时间后，连接轴18反向运动，推动右旋蜗杆9、左旋蜗杆12与活塞6向上螺旋运动；与此同时，信号接受模块7中速度传感器感应到速度变向，控制电磁铁通电，电磁铁夹钳夹紧连杆阀3阀杆；活塞6与连杆阀3同步向上运动，左旋蜗杆12将顺时针旋转运动通过上单向轴承16传递给连接轴18、单向轴19与传动轴26，右旋蜗杆9与右旋传动轴10产生的逆时针旋转由于下单向轴承17不会传递给连接轴18，因此传动轴26将顺时针旋转传递给下部钻具；与此同时，信号输出模块4中霍尔效应传感器感应上连接套1与下连接套5的磁场强度，将距离信号无线传输到信号接受模块7，弹簧20逐渐伸展。
37.当连杆阀阀盖2运动到接触上连接套1凸台时被迫停止，信号输出模块4传递无线信号给信号接受模块7，信号接受模块7控制电磁铁断电，电磁铁夹钳松开连杆阀3阀杆；活塞6的阀门孔处于打开状态，弹簧20反作用力大于钻井液压力，活塞6向上轴向运动，连杆阀3无轴向位移，直至连杆阀阀门301贴近活塞6,回到了如图1所示的状态，钻井液无法通过，再次憋压，以此循环。
38.以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.全金属智能控制动力钻具，其特征在于：所述全金属智能控制动力钻具由电控模块：上连接套(1)、连杆阀盖(2)、连杆阀(3)、信号输出模块(4)、下连接套(5)、活塞(6)、信号接受模块(7)；动力模块：上平面推力球轴承(8)、右旋蜗杆(9)、右旋传动轴(10)、下平面推力球轴承(11)、左旋蜗杆(12)、上串轴承(13)、外壳(14)、端盖(15)、上单向轴承(16)、下单向轴承(17)、连接轴(18)、单向轴(19)、弹簧(20)；传动模块：传动轴外壳(21)、上tc轴承动圈(22)、上动圈合金(23)、上静圈合金(24)、上tc轴承静圈(25)、传动轴(26)、下串轴承(27)、承压套(28)、半环(29)、隔套(30)、下tc轴承动圈(31)、下动圈合金(32)、下静圈合金(33)、下tc轴承静圈(34)组成；所述全金属智能控制动力钻具各部件同轴心；所述全金属智能控制动力钻具两端为可拆卸连接；所述上连接套(1)为钻井液输入口，上连接套(1)与下连接套(5)、外壳(14)、传动轴外壳(21)依次通过锥螺纹相连；所述连杆阀(3)与活塞(6)通过电磁铁夹钳轴向限位；所述活塞(6)与右旋蜗杆(9)之间安装有上平面推力球轴承(8)，右旋蜗杆(9)与右旋传动轴(10)用键结构连接；所述右旋蜗杆(9)与左旋蜗杆(12)之间安装有下平面推力球轴承(11)，左旋蜗杆(12)与右旋传动轴(10)之间安装有串轴承(13)；所述左旋蜗杆(12)、右旋传动轴(10)与连接轴(18)之间分别安装并焊接上单向轴承(16)与下单向轴承(17)；所述连接轴(18)内部有凸台，隔开上单向轴承(16)与下单向轴承(17)；所述连接轴(18)与单向轴(19)花键连接，连接轴(18)与单向轴(19)内腔安装有弹簧(20)；所述传动轴(21)与单向轴(19)螺纹连接；所述上tc轴承动圈(22)、上动圈合金(23)、上静圈合金(24)、上tc轴承静圈(25)组成上tc轴承；所述下tc轴承动圈(31)、下动圈合金(32)、下静圈合金(33)、下tc轴承静圈(34)组成下tc轴承；所述上tc轴承与下tc轴承中间安装有下串轴承(27)、承压套(28)、半环(29)、隔套(30)；所述承压套(28)与半环(29)可轴向限位与传递钻压。2.根据权利要求1所述的全金属智能控制动力钻具，其特征在于：连杆阀(3)与连杆阀盖(2)中安装有信号输出模块(4)，信号输出模块(4)包括控制板，霍尔传感器，电池与信号发射器；所述活塞(6)内部安装有信号接受模块(7)，信号接受模块(7)包括控制板，信号接受器，电池与无刷电机、速度方向传感器；所述连杆阀阀门(301)与活塞(6)配合控制钻井液的压力。3.根据权利要求1所述的全金属智能控制动力钻具，其特征在于：所述活塞(6)分为活塞外圈(601)与活塞内圈(602)，活塞外圈(601)为实心，活塞内圈(602)为空心，安装有信号接受模块(7)；信号接受模块(7)通过活塞内部通道(603)传递电信号给电磁铁(604)。4.根据权利要求1所述的全金属智能控制动力钻具，其特征在于：所述上连接套(1)与下连接套(5)内部有凸台，凸台内部设有环形磁铁；所述信号输出模块(4)感应磁环的磁信号并传输给信号接受模块(7)。5.根据权利要求1所述的全金属智能控制动力钻具，其特征在于：所述信号接受模块(7)接受信号传输模块(4)的无线通讯信号，根据连杆阀(3)所处位置，控制内部电机并控制电磁铁(604)的开关。6.根据权利要求1所述的全金属智能控制动力钻具，其特征在于：所述活塞(6)与外壳(14)之间使用密封圈密封，外壳(6)内表面进行表面处理，外壳(6)内表面设有右旋蜗形内齿(1401)与左旋蜗形内齿(1401)，所对应外壳处设有注油孔。7.根据权利要求1所述的全金属智能控制动力钻具，其特征在于：所述连接轴(18)与弹
簧(20)同轴心，且弹簧(20)具有一定的预紧力；所述连接轴(18)的外径小于下端传动轴(21)的内径。8.根据权利要求1所述的全金属智能控制动力钻具，其特征在于：所述传动模块中的传动轴外壳(21)与tc轴承对动力模块轴向限位；上下tc轴承对传动轴外壳(21)轴向限位。

技术总结
本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及全金属智能控制动力钻具。采用的技术方案为：所述全金属智能控制动力钻具包括电控模块、动力模块与传动模块；电控模块通过电磁铁确定连杆阀的轴向位置并通过电机控制连杆阀与活塞的连接；动力模块中钻井液液压与弹簧反作用力推动双蜗杆轴向运动，同时在外壳内表面的蜗形内齿作用下周向运动，单向轴承保证动力模块只传递单方向运动；传动模块通过TC轴承对动力模块轴向限位并传递周向运动、钻压与扭矩给下部钻具。本发明提供了一种全金属智能控制动力钻具，适用于各类深井勘探，钻力强劲，成本低，适用性强。用性强。用性强。


技术研发人员：田家林 宋俊阳 查磊 李恒 任堰牛 邢春雨 杨琳 冉龙
受保护的技术使用者：南通谐铭科技有限公司 四川谐铭科技有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/24