本发明提供一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法。该装置安装在钻铤与钻头之间，由固定动力短接和旋转破岩短接两部份构成。固定动力短接上端与钻铤联接，其金属筒壁上对称安装两个电机，两个电机各自与一个圆锥齿轮联接。旋转破岩短接下端与钻头联接，其上端具有轮齿。固定动力短接下端与旋转破岩短接上端通过轴承联接，联接后，固定动力短接上的两个圆锥齿轮同时和旋转破岩短接上端的轮齿啮合，固定动力短接和旋转破岩短接可延轴线方向上相对转动。该装置和方法可大幅度减小钻井过程中钻柱所承受的扭矩，提高钻井作业的安全性，增大钻柱的使用寿命，减少油气田开采费用，可适用于石油、天然气深井、超深井钻井。
1.一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置，其特征在于：在钻铤下端安装固定动力短接（17），在钻头上端安装旋转破岩短接（18），固定动力短接（17）和旋转破岩短接（18）通过深沟球轴承一（11）、深沟球轴承二（12）、深沟球轴承三（13）、深沟球轴承四（14）、深沟球轴承五（15）和轴承（16）联接；在固定动力短接（17）的金属筒壁上对称装有两个电机M1和M2，电机M1和电机M2的底部端盖相对，转子同轴并且转轴在水平方向上，电机M1和圆锥齿轮一（4）联接，圆锥齿轮一（4）用于和旋转破岩短接（18）上端的轮齿（6）啮合，电机M2和圆锥齿轮二（5）联接，圆锥齿轮二（5）也用于和旋转破岩短接（18）上端的轮齿（6）啮合，在动力输入过程中，电机M1和电机M2同时驱动各自所联接的圆锥齿轮转动；在固定动力短接（17）上部有一伞形保护结构（7），用于防止破岩时产生的较大钻屑对圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）造成阻卡或其它破坏；在固定动力短接（17）下部有一个月牙形结构（9），用于使钻井液顺利地从固定动力短接（17）中过渡流入到旋转破岩短接（18）中，可防止钻井液流入固定动力短接（17）和旋转破岩短接（18）的联接缝隙中；固定动力短接（17）上端通过母螺纹（8）与钻铤联接，破岩时，固定动力短接（17）通过电机M1和电机M2带动圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）为旋转破岩短接（18）提供动力；旋转破岩短接（18）的上端具有轮齿（6），并且轮齿（6）是在圆锥面上设计加工的，类似圆锥齿轮的轮齿，轮齿（6）用于与固定动力短接（17）上的圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）啮合；旋转破岩短接（18）下端通过母螺纹（10）与钻头联接，将固定动力短接（17）提供的动力传递给钻头；固定动力短接（17）和旋转破岩短接（18）通过深沟球轴承一（11）、深沟球轴承二（12）、深沟球轴承三（13）、深沟球轴承四（14）、深沟球轴承五（15）和轴承（16）联接，其中，深沟球轴承一（11）、深沟球轴承二（12）、深沟球轴承三（13）、深沟球轴承四（14）、深沟球轴承五（15）用于保证固定动力短接（17）和旋转破岩短接（18）能够在竖直方向上同轴相对转动；轴承（16）用于承受竖直方向上的轴向载荷；联接后，固定动力短接（17）和旋转破岩短接（18）在竖直方向上同轴，并且圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）同时和旋转破岩短接（18）上端的轮齿（6）啮合，固定动力短接（17）和旋转破岩短接（18）可延轴线方向上相对转动。
2.根据权利要求1所述的一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置，其特征在于：旋转破岩短接（18）上端具有轮齿（6），并且轮齿（6）是在圆锥面上设计加工的，类似圆锥齿轮的轮齿，轮齿（6）用于同时与固定动力短接（17）上的圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）啮合；旋转破岩短接（18）上端通过深沟球轴承一（11）、深沟球轴承二（12）、深沟球轴承三（13）、深沟球轴承四（14）、深沟球轴承五（15）和轴承（16）与固定动力短接（17）联接，联接后，固定动力短接（17）和旋转破岩短接（18）同轴，并且旋转破岩短接（18）上端的轮齿（6）同时与固定动力短接（17）上的圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）啮合，固定动力短接（17）和旋转破岩短接（18）可延轴线方向上相对转动；当圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）同时转动时，圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）是主动轮，旋转破岩短接（18）是从动轮，圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）共同作用的最终效果是带动旋转破岩短接（18）往一个方向旋转，圆锥齿轮一（4）和圆锥齿轮二（5）的旋转轴线方向在水平方向上，旋转破岩短接（18）的旋转方向在竖直方向上；旋转破岩短接（18）下端通过母螺纹（10）与钻头联接，即可以带动钻头旋转破岩。
3.根据权利要求1所述的一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置，其特征在于：所述的圆锥齿轮一（4）、圆锥齿轮二（5）和轮齿（6）啮合后，三者共同组成一个双主动轮圆锥齿轮组合结构。
4.根据权利要求1所述的一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置，其特征在于：轴承（16）为推力球轴承。
5.利用如权利要求1所述的装置实现的一种减小钻柱所受扭矩的方法，其特征在于：
破岩动力由电机M1和电机M2提供，电机M1和电机M2对称安装在固定动力短接（17）的金属筒壁上，电机M1和电机M2的底部端盖相对，转子同轴并且转轴在水平方向上；这样的安装方式保证了电机M1和电机M2通入同向电流转动时，由于电机M1和电机M2的底部端盖相对，则电机M1和电机M2的转子在水平方向上的转动方向是相反的，如此一来，电机M1和电机M2各自承受的扭矩都在一条水平直线上，并且大小相等，方向相反，可以相互抵消。
一种可减小钻柱所受扭矩的井下电动钻具装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及石油、天然气钻井过程中以双主动轮圆锥齿轮组合为动力传输介质来减小钻柱所受扭矩的一种井下电动钻具的设计方法及装置。
背景技术
[0002] 圆轴扭转时的变形标志是两个横截面间绕轴的相对转角，这也就是扭转角。计算公式如下：
[0003]
[0004] 其中： —圆轴两个横截面间绕成的相对转角；
[0005] T—两截面之间的扭矩；
[0006] l—两个截面之间的距离；
[0007] Ip—截面极惯性矩，且对于圆轴有： D为圆轴直径。
[0008] 由公式（1）可以看出，当T、G、Ip一定时，圆轴两个横截面间绕成的相对转角 与圆轴的长度l成正比。
[0009] 由公式（1）可看出，传统的转盘钻井过程中，由于钻柱的长度很长，井口和井底产生的扭矩给钻柱造成很大的扭转变形，且钻杆和井壁间产生旋转摩擦，这对钻杆的损害非常大，制作钻杆的成本也非常高。
[0010] 井下动力钻具能减小钻井过程中钻柱的扭转变形，且现有的井下动力钻具中，电动转具比起涡轮钻具和螺杆钻具更具有的独特优势是：
[0011] 1、能量从地面至钻头的传递不依赖于钻井液的流动；
[0012] 2、可以使用不同钻井液介质；
[0013] 3、电能可以方便、高效地转化为其它型式的能源；
[0014] 4、通过升高电压，可以减少传输过程中的能量损失，因此可以维持恒定的高功率；
[0015] 5、使用电动钻具，井下岩石性能的有关资料可以由钻头的运转特性来解释，在钻井过程中钻头阻力矩的改变可以直接反应到电动转具发动机的电流和功率上，据此可以在地面控制钻井过程，允许使用自动化技术和遥控技术，实现了钻井过程中的信息管理职能。
[0016] 现有的电动钻具仍然具有诸多不足，如可靠性较差，电枢绕组失效后，修复困难。特别是三牙轮钻头的纵向振动厉害，电动钻具的工况恶劣。
[0017] 由于现有的电动钻具在破岩过程中，钻头与岩石接触处所受的阻力矩是在竖直方向上，则仍然会在一部份钻柱上产生反扭矩，因此仍有部份钻柱会承受一定的扭矩，产生扭转变形。
发明内容
[0018] 本发明的目的是提供一种减小钻井过程中钻柱所受扭矩的方法及装置，该方法和装置利用双主动轮圆锥齿轮组合作为动力传输介质，可以在井下钻头处抵消大部份扭矩。
[0019] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：在钻铤与钻头之间安装本发明装置，本发明装置由固定动力短接和旋转破岩短接两部份构成。固定动力短接上端通过母螺纹与钻铤联接，在固定动力短接的金属筒壁上对称装有两个电机，两个电机的底部端盖相对，转子同轴并且转轴在水平方向上，两个电机各自与一个圆锥齿轮联接，在动力输入过程中，两个电机同时驱动各自所联接的圆锥齿轮转动，并且两个圆锥齿轮的旋转方向相反，由此两个电机所受的扭矩在水平方向上大小相等，方向相反，两个扭矩相互抵消。旋转破岩短接下端通过母螺纹与钻头联接，旋转破岩短接的上端具有轮齿，并且该轮齿是在圆锥面上设计加工的，类似圆锥齿轮的轮齿，该轮齿用于与固定动力短接上的两个圆锥齿轮啮合。固定动力短接下端与旋转破岩短接上端通过轴承联接，联接后，固定动力短接和旋转破岩短接同轴，并且固定动力短接上的两个圆锥齿轮同时和旋转破岩短接上端的轮齿啮合，固定动力短接和旋转破岩短接可延轴线方向上相对转动。
[0020] 固定动力短接输入动力和抵消扭矩的具体方法是：破岩动力由两个电机提供，两个电机由地面电源通过固定在钻杆上的导线输送电流。两个电机对称安装在固定动力短接的金属筒壁上，两个电机的底部端盖相对，转子同轴并且转轴在水平方向上。两个电机这样的安装方式保证了两个电机通入同向电流转动时，由于两个电机的底部端盖相对，则两个电机的转子在水平方向上的转动方向是相反的，例如：从右往左看去，若一个电机的转子是往顺时针方向旋转，则另一个电机的转子必定是往逆时针方向旋转。如此一来，两个电机各自承受的扭矩都在一条水平直线上，并且大小相等，方向相反，可以相互抵消。两个电机各自与一个圆锥齿轮联接，在动力输入过程中，两个电机同时驱动各自所联接的圆锥齿轮转动，并且两个圆锥齿轮的旋转方向相反，由此两个电机所承受的扭矩在水平方向上大小相等，方向相反，两个扭矩相互抵消。
[0021] 旋转破岩短接带动钻头旋转破岩的具体方法是：旋转破岩短接的上端具有轮齿，并且该轮齿是在圆锥面上设计加工的，类似圆锥齿轮的轮齿，该轮齿用于与固定动力短接上的两个圆锥齿轮啮合。旋转破岩短接上端通过轴承与固定动力短接联接，联接后，固定动力短接和旋转破岩短接同轴，并且旋转破岩短接上端的轮齿与固定动力短接上的两个圆锥齿轮啮合，固定动力短接和旋转破岩短接可延轴线方向上相对转动。当固定动力短接的两个圆锥齿轮转动时，两个圆锥齿轮是主动轮，旋转破岩短接是从动轮，两个圆锥齿轮共同作用的最终效果是带动旋转破岩短接往一个方向旋转，两个圆锥齿轮的旋转轴线方向在水平方向上，旋转破岩短接的旋转方向在竖直方向上。旋转破岩短接下端通过母螺纹与钻头联接，即可以带动钻头旋转破岩。
[0022] 两个电机为大功率、高扭矩交流电机，保证破岩所需动力。
[0023] 固定动力短接和旋转破岩短接以及两个圆锥齿轮的制作材料均为高强度金属材料，保证两个电机在固定动力短接的金属筒壁上抵消扭矩过程中，固定动力短接金属筒壁的各方面强度都能满足要求，以及圆锥齿轮向旋转破岩短接传动动力的过程中，各个轮齿啮合处的强度能满足要求。
[0024] 在固定动力短接上部有一伞形保护结构，用于防止破岩时产生的较大钻屑对圆锥齿轮造成阻卡或其它破坏。
[0025] 本发明装置各部份的具体尺寸及参数应根据拟钻井眼大小，钻遇岩性，电机功率，电机最大扭矩等参数来设计。
[0026] 本发明的优点是：大幅度减小钻井过程中钻柱所承受的扭矩，降低了对钻杆抗扭强度的要求，减少了制作钻杆所需材料上成本！
附图说明
[0027] 图1是现在被广泛运用的圆锥齿轮啮合图的主视图（剖视）。
[0028] 图2是图1的右视图。
[0029] 图3是一种双主动轮圆锥齿轮组合结构的啮合图，是本发明的主要原理图。
[0030] 图4是固定动力短接的结构示意图的主视图（剖视）。
[0031] 图5是图4的右视图。
[0032] 图6是旋转破岩短接的结构示意图的主视图（剖视）。
[0033] 图7是图6的右视图。
[0034] 图8是单个圆锥齿轮与旋转破岩短接的啮合图的主视图（剖视）。
[0035] 图9是图8的右视图。
[0036] 图10是本发明的装配结构示意图的主视图（剖视）。
[0037] 图11是图10的右视图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图，对本发明进行详细描述。
[0039] 如图1、图2所示，圆锥齿轮组合主要用于两相交轴之间的传动，左圆锥齿轮1为主动轮，下圆锥齿轮2为从动轮。如果在图1结构的右边再安装一个右圆锥齿轮3作为主动轮，则形成如图3所示的双主动轮圆锥齿轮组合结构。
[0040] 如图3所示，在双主动轮圆锥齿轮组合结构中，左圆锥齿轮1和右圆锥齿轮3都为主动轮，下圆锥齿轮2为从动轮，左圆锥齿轮1和右圆锥齿轮3旋转的轴线方向在水平方向上，且左圆锥齿轮1和右圆锥齿轮3的旋转方向相反。下圆锥齿轮2旋转的轴线方向在竖直方向上。例如：从右往左看右圆锥齿轮3是顺时针旋转，从右往左看左圆锥齿轮1逆时针旋转，则从上往下看下圆锥齿轮2是顺时针旋转。由此，左圆锥齿轮1和右圆锥齿轮3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。
[0041] 如图4、图5所示的固定动力短接17的结构示意图，在固定动力短接17的金属筒壁上安装有电机M1和电机M2，电机M1联接圆锥齿轮一4，电机M2联接圆锥齿轮二5。在此结构中，圆锥齿轮一4相当于图3结构中的左圆锥齿轮1，圆锥齿轮二5相当于图3结构中的右圆锥齿轮3。固定动力短接17上端通过母螺纹8与钻铤联接。伞形结构7对圆锥齿轮一4和圆锥齿轮二5起保护作用，防止钻井破岩时产生的较大钻屑对圆锥齿轮造成的阻卡或其它损害。月牙形结构9用于使钻井液顺利地从固定动力短接17中过渡流入到旋转破岩短接18中，可防止钻井液流入固定动力短接17和旋转破岩短接18的联接缝隙中。
[0042] 如图6、图7所示的旋转破岩短接18的结构示意图，旋转破岩短接18的上端具有轮齿6，并且轮齿6是在圆锥面上设计加工的，轮齿6类似于图1中下圆锥齿轮2的轮齿。轮齿6用于与固定动力短接17上的圆锥齿轮一4和圆锥齿轮二5同时啮合。旋转破岩短接18下端通过母螺纹10与钻头联接。
[0043] 如图8、图9所示，用圆锥齿轮一4和旋转破岩短接18上端的轮齿6啮合，则此结构就类似图1所示的结构，圆锥齿轮一4就相当于图1结构中的左圆锥齿轮1，旋转破岩短接18就相当于图1结构中的下圆锥齿轮2。
[0044] 如图10、图11所示，将固定动力短接17和旋转破岩短接18装配，整个结构的动力传动原理就如同图3所示的双主动轮圆锥齿轮组合结构，圆锥齿轮一4就相当于图3结构中的左圆锥齿轮1，圆锥齿轮二5就相当于图3结构中的右圆锥齿轮3，旋转破岩短接18就相当于图3中的下圆锥齿轮2，圆锥齿轮一4和圆锥齿轮二5同时和旋转破岩短接18上端的轮齿6啮合，固定动力短接17和旋转破岩短接18之间通过轴承联接，其中：轴承一11、轴承二12、轴承三13、轴承四14和轴承五15都是深沟球轴承，这五个轴承的作用是保证固定动力短接17和旋转破岩短接18能够在竖直方向上同轴相对转动。轴承16是推力球轴承，其作用是用于承受竖直方向上的钻压，防止钻压对上面五个深沟球轴承的损坏以及防止钻压对圆锥齿轮一4、圆锥齿轮二5与轮齿6啮合处造成的损坏。整个结构通过母螺纹8与钻铤联接，通过母螺纹10与钻头联接。钻进时，电机M1和电机M2中通入同向电流，同时分别驱动圆锥齿轮一4和圆锥齿轮二5转动，则在水平方向上，圆锥齿轮一4和圆锥齿轮二5的旋转方向是相反的。例如：从右往左看，若圆锥齿轮二5是顺时针旋转，则圆锥齿轮一4必定是逆时针旋转，由此产生的最终效果是：从上往下看，旋转破岩短接18是顺时针旋转。由于在此过程中电机M1和电机M2各自所承受的扭矩在水平方向上大小相等、方向相反，两者即在固定动力短接17的金属筒壁上相互抵消。月牙形结构9用于遮挡推力球轴承16，防止钻井液对其造成的损害，同时月牙形结构9可以使钻井液从固定动力短接17中顺利过渡流入旋转破岩短接18中。
[0045] 本发明中主要设计了双主动轮圆锥齿轮组合结构，此结构中的两个主动轮所承受的扭矩是大小相等、方向相反的，所以可以相互抵消。将双主动轮圆锥齿轮组合结构的原理运用到此电动钻具中，实现了大幅度减小钻井过程中钻柱所承受的扭矩。
