一种气体钻井的气液耦合驱动系统

摘要

本发明提供了一种气体钻井的气液耦合驱动系统。所述系统包括气液耦合冲压装置、液压油控制装置、液压马达机构和油箱总成，气液耦合冲压装置包括气动冲击器和往复泵，气动冲击器的活塞能与往复泵的泵活塞发生碰撞，以将机械能传递给泵活塞，往复泵能够将机械能转化为液压油的压力能；液压油控制装置包括配流单元、蓄能单元和调节单元；液压马达机构能够接收调节单元输送的液压油并将液压能转化为机械能；油箱总成能够回收从液压马达机构流出的液压油，并包括储油箱和增压器。本发明的气动冲击器与泵活塞相对独立运动，互不影响；液压油控制装置能够向液压马达机构输送稳定的动力来源，液压马达所需流体排量较小，可操作性强。

权利要求

1.一种气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，所述系统包括：气液耦合冲压装置、液压油控制装置、液压马达机构和油箱总成，其中，气液耦合冲压装置包括能够将气体的压力能转换为活塞的机械能的气动冲击器、以及沿同一轴线与气动冲击器固定连接的往复泵；其中，往复泵包括泵缸筒、泵活塞、泵缸座和回程弹性件；泵缸筒与气动冲击器的外缸筒固定连接；泵活塞设置在泵缸筒内，且泵活塞上端部与活塞下端部之间形成有供活塞与泵活塞碰撞以交换机械能的第一腔体，第一腔体能够与外界连通，以将推动冲击器活塞运动过后的气体排出冲压装置，泵活塞具有能够承受气动冲击器的活塞碰撞的上端部、与泵缸筒内壁形成密封的过渡部、以及插入泵缸座内部的下端部；泵缸座具有供泵活塞下端部插入的空腔、以及能够吸油和排油的吸排油通道；泵缸座设置在泵缸筒中，且泵缸座、泵活塞和泵缸筒内壁之间形成能够容纳液压油的第二腔体，第二腔体与吸排油通道连通；回程弹性件设置在第二腔体中，且回程弹性件的一端安装在泵活塞上，另一端安装在泵缸座上；气动冲击器的活塞能够沿轴线往复运动并能够与往复泵的泵活塞发生碰撞，以将机械能传递给泵活塞，所述往复泵能够将泵活塞的机械能转化为第二腔体内液压油的压力能；

液压油控制装置包括：配流单元、蓄能单元和调节单元，其中，配流单元包括都为单向阀的泵油阀和回油阀，泵油阀能够接收从吸排油通道中流出的液压油并将其输出，油箱总成回收的液压油经回油阀后能够输送至吸排油通道；蓄能单元能够对泵油阀输出的液压油进行存储，以使液压油的压力达到额定值；在液压油的压力达到额定值的情况下，调节单元能够接收液压油，并对接收的液压油进行压力调节和/或流量调节，然后将调节后的液压油输送给液压马达机构；

在调节单元调节后的液压油的作用下，液压马达机构能够驱动井下工具的工作；

油箱总成能够回收从液压马达机构流出的液压油，并包括储油箱和增压器；其中，储油箱能够储存回收的液压油，增压器能够对回收的液压油进行增压处理。

2.根据权利要求1所述的气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，所述泵活塞具有沿轴线设置的第一中心孔，所述泵缸座具有沿轴线设置的第二中心孔。

3.根据权利要求2所述的气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，所述冲压装置还包括注油管，所述注油管沿轴线穿过气动冲击器、第一中心孔和第二中心孔与所述油箱总成的储油箱相连。

4.根据权利要求1所述的气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，所述冲压装置还包括与吸排油通道固定连接的端直通接头，端直通接头通过高压管线与冲压装置下游的配流单元相连，通过泵油阀和回油阀通断状态的切换能够将第二腔体中的液压油排至蓄能单元或将油箱总成的液压油补充至第二腔体。

5.根据权利要求1所述的气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，所述泵油阀上设置有第一进油口和第一出油口，回油阀上设置有第二进油口和第二出油口；

所述配流单元还包括用于安装回油阀和泵油阀的配流阀座，配流阀座上设置有第一进油通道、第一出油通道、第二进油通道和第二出油通道，其中，第一进油通道能够与第一进油口相连通，第一出油通道能够与第一出油口相连通，第二进油通道能够与第二进液口相连通，第二出油通道能够与第二出油口相连通。

6.根据权利要求1所述的气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，所述调节单元包括压力控制阀和流量控制阀，其中，

压力控制阀包括压力控制阀阀芯和压力控制阀座块，压力控制阀阀芯设置在压力控制阀座块内，压力控制阀阀芯具有压力控制阀进油口和压力控制阀顺序口，压力控制阀进油口处于常闭状态并被配置为在受力达到所述额定值后开启，以接收蓄能单元排出的液压油。

7.根据权利要求1所述的气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，所述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、以及沿同一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中心轴线方向设置的第一中孔，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，所述键槽能够将内齿圈的旋转扭矩传递至钻井用钻头，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中心轴线方向设置的第二中孔；

所述马达上盖具有沿中心轴线方向设置的第三中孔，所述马达下盖具有沿中心轴线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以形成钻井介质流向井底的通道，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，所述任一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，所述任一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。

8.根据权利要求1所述的气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，所述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、以及沿同一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中心轴线方向设置的第一中通孔，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，所述键槽能够将内齿圈的旋转扭矩传递至钻井用钻头，所述齿槽与小齿轮啮合；

所述马达上盖具有沿中心轴线方向设置的第二中通孔，所述马达下盖具有沿中心轴线方向设置的第三中通孔，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，并使所述第一中通孔、第二中通孔、第三中通孔连通以形成钻井介质流向井底的通道，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。

9.根据权利要求1所述的气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，所述增压器包括第一接头、第一外管、第二接头和增压缸，第一、第二接头分别设置于第一外管的两端；增压缸设置于第一外管的内部，并包括第一法兰、增压缸筒、第二法兰以及设置在增压缸筒内的活塞、弹性组件和密封组件，其中，第一、第二法兰分别位于增压缸筒的两端并能够将增压缸筒固定在第一外管内，第二法兰还能够封堵其所位于的增压缸筒的一端，第二法兰上还设置有朝外的端直通接头，以使液压油进入或流出增压缸筒；活塞位于第二法兰和弹性组件之间，并能够在所述进入增压缸筒内的液压油或在弹性组件的作用下在增压缸筒内滑动，弹性组件在活塞的作用下能够呈压缩的状态，密封组件设置在活塞和增压缸筒内壁之间以实现密封。

10.根据权利要求9所述的气体钻井的气液耦合驱动系统，其特征在于，储油箱包括：第三接头、第二外管和第四接头和储油缸筒，其中，第三、第四接头分别设置于第二外管的两端，且第三接头与所述第二接头连接；储油缸设置于第二外管的内部，并包括第三法兰、储油缸筒和第四法兰，其中，第三、第四法兰分别位于储油缸筒的两端并能够将其固定在第二外管内，第三、第四法兰都能够封堵其所位于的储油缸筒的一端，第三法兰上设置有一个朝外的端直通接头，第三法兰上设置的端直通接头能够通过 管线与所述第二法兰上的端直通接头连接，第四法兰上也设置有一个朝外的端直通接头，第四法兰上设置的端直通接头能够作为从液压马达机构回收液压油的入口、以及向所述回油阀排出已回收液压油的出口。

说明书

一种气体钻井的气液耦合驱动系统

技术领域

[0001] 本发明涉及石油天然气气体钻井领域，特别地，涉及一种气体钻井的气液耦合驱动系统。

背景技术

[0002] 目前国内油气资源勘探难度越来越大，目标已转向低产、低压、低渗等难开采油气藏，其中包含大量水敏、盐敏、碱敏及碎屑岩地层，与钻井滤液作用后渗透率急剧降低，用常
规钻井方法很难实现储层保护或发现新气藏。国内外实践经验表明，利用气体钻井技术更
加有利于发现和保护油气层，而利用水平井可以增加单井控制面积，有效提高单井产量，延
长稳产时间，还可减少耕地征用和环境污染，具有显著的经济效益。水平井与气体钻井技术
的结合能最大限度地解放油气层，为发现和合理开发低压低渗油气藏开辟新径，然而两者
的结合还缺乏一种专门用于气体钻井的井下动力钻具。

[0003] 目前用于气体钻井的井下动力钻具有空气螺杆和自转式空气锤。空气螺杆由传统的泥浆螺杆钻具改进而来，螺杆钻具本身因钻井液不可压缩而具有硬的机械特性，正是因
为这个优点才使得它广泛应用于定向和水平钻井，但由于气体可压缩导致螺杆马达原本具
有的机械特性由“硬”变“软”了。尽管空气螺杆针对气体的可压缩性采取了一系列的结构优
化和改进，基本能用于泡沫、充气钻井，但当循环介质为干气体和雾化时存在输出扭矩、转
速受负载影响大、寿命短、马达易飞车等问题，可靠性严重缺乏。自转式空气锤采用旋转、冲
击方式破岩，气体不仅要产生冲击功还要驱动钎头旋转，需要非常高的压力才能实现有效
钻进，工作时受力状况恶劣，钻具整体寿命短，输出扭矩有限难以满足实用要求。由于缺乏
可靠的井下动力钻具，因此气体钻井目前只能依靠转盘或者顶驱的力量驱动钻柱旋转，带
动钻头破岩，无法滑动钻进控制轨迹。这种方式导致气体钻井只能用最原始的扶正器组合
钻直井段、稳斜段和水平段，轨迹控制滞后且效率低下，造斜段根本无法钻进。通常做法是
在直井段和稳斜段采用气体钻井提速、治漏，在造斜段则替浆转换为常规钻井，极大地限制
了气体钻井技术的发展和应用。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的不足，本发明的目的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气体钻井的气液耦合驱动系统，以弥补
由气体直接驱动执行机构做功不足的缺陷。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种气体钻井的气液耦合驱动系统。

[0006] 所述气体钻井的气液耦合驱动系统可包括：气液耦合冲压装置、液压油控制装置、液压马达机构和油箱总成，其中，气液耦合冲压装置包括能够将气体的压力能转换为活塞
的机械能的气动冲击器、以及沿同一轴线与气动冲击器固定连接的往复泵；其中，往复泵包
括泵缸筒、泵活塞、泵缸座和回程弹性件；泵缸筒与气动冲击器的外缸筒固定连接；泵活塞
设置在泵缸筒内，且泵活塞上端部与活塞下端部之间形成有供活塞与泵活塞碰撞以交换机
械能的第一腔体，第一腔体能够与外界连通，以将推动冲击器活塞运动过后的气体排出冲
压装置，泵活塞具有能够承受气动冲击器的活塞碰撞的上端部、与泵缸筒内壁形成密封的
过渡部、以及插入泵缸座内部的下端部；泵缸座具有供泵活塞下端部插入的空腔、以及能够
吸油和排油的吸排油通道；泵缸座设置在泵缸筒中，且泵缸座、泵活塞和泵缸筒内壁之间形
成能够容纳液压油的第二腔体，第二腔体与吸排油通道连通；回程弹性件设置在第二腔体
中，且回程弹性件的一端安装在泵活塞上，另一端安装在泵缸座上；气动冲击器的活塞能够
沿轴线往复运动并能够与往复泵的泵活塞发生碰撞，以将机械能传递给泵活塞，所述往复
泵能够将泵活塞的机械能转化为第二腔体内液压油的压力能；液压油控制装置包括：配流
单元、蓄能单元和调节单元，其中，配流单元包括都为单向阀的泵油阀和回油阀，泵油阀能
够接收从吸排油通道中流出的液压油并将其输出，油箱总成回收的液压油经回油阀后能够
输送至吸排油通道；蓄能单元能够对泵油阀输出的液压油进行存储，以使液压油的压力达
到额定值；在液压油的压力达到额定值的情况下，调节单元能够接收液压油，并对接收的液
压油进行压力调节和/或流量调节，然后将调节后的液压油输送给液压马达机构；在调节单
元调节后的液压油的作用下，液压马达机构能够驱动井下工具的工作；油箱总成能够回收
从液压马达机构流出的液压油，并包括储油箱和增压器；其中，储油箱能够储存回收的液压
油，增压器能够对回收的液压油进行增压处理。

[0007] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，泵活塞可具有沿轴线设置的第一中心孔，泵缸座可具有沿轴线设置的第二中心孔。进一步地，冲压装置还可包括注油管，注油管
沿轴线穿过气动冲击器、第一中心孔和第二中心孔与油箱总成的储油箱相连。

[0008] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，泵活塞具有第一排气孔，泵缸座具有第二排气孔，第一腔体能够通过第一排气孔、所述空腔和第二排气孔与外界连通。

[0009] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述冲压装置还可包括与吸排油通道固定连接的端直通接头，端直通接头通过高压管线与冲压装置下游的配流单元相连，通过泵
油阀和回油阀通断状态的切换能够将第二腔体中的液压油排至蓄能单元或将油箱总成的
液压油补充至第二腔体。

[0010] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述泵油阀上设置有第一进油口和第一出油口，回油阀上设置有第二进油口和第二出油口；配流单元还包括用于安装回油阀和泵
油阀的配流阀座，配流阀座上设置有第一进油通道、第一出油通道、第二进油通道和第二出
油通道，其中，第一进油通道能够与第一进油口相连通，第一出油通道能够与第一出油口相
连通，第二进油通道能够与第二进液口相连通，第二出油通道能够与第二出油口相连通。

[0011] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，调节单元可包括压力控制阀和流量控制阀，其中，压力控制阀包括压力控制阀阀芯和压力控制阀座块，压力控制阀阀芯设置在压力
控制阀座块内，压力控制阀阀芯具有压力控制阀进油口和压力控制阀顺序口，压力控制阀
进油口处于常闭状态并被配置为在受力达到所述额定值后开启，以接收蓄能单元排出的液
压油。

[0012] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述泵油阀上可设置有第一进油口和第一出油口，回油阀上设置有第二进油口和第二出油口；所述配流单元还可包括用于安装回
油阀和泵油阀的配流阀座，配流阀座上设置有第一进油通道、第一出油通道、第二进油通道
和第二出油通道，其中，第一进油通道能够与第一进油口相连通，第一出油通道能够与第一
出油口相连通，第二进油通道能够与第二进液口相连通，第二出油通道能够与第二出油口
相连通。

[0013] 在本发明的一个或多个示例性实施例中，第一进油口可包括至少一个第一子进油口，所述第一进油通道可包括至少一个第一子进油通道，第一子进油口和第一子进油通道
的数量相同并能够一一对应，呈对应关系的第一子进油口与第一子进油通道相连通；第一
出油口可包括至少一个第一子出油口，所述第一出油通道可包括至少一个第一子出油通
道，第一子出油口和第一子出油通道的数量相同并能够一一对应，呈对应关系的第一子出
油口与第一子出油通道相连通。

[0014] 在本发明的一个或多个示例性实施例中，第二进油口可包括至少一个第二子进油口，第二进油通道可包括至少一个第二子进油通道，第二子进油口和第二子进油通道的数
量相同并能够一一对应，呈对应关系的第二子进油口和第二子进油通道相连通；第二出油
口可包括至少一个第二子出油口，所述第二出油通道可包括至少一个第二子出油通道，第
二子出油口和第二子出油通道的数量相同并能够一一对应，呈对应关系的第二子出油口与
第二子出油通道相连通。

[0015] 在本发明的一个或多个示例性实施例中，流量控制阀可包括流量控制阀阀芯和流量控制阀座块，其中，流量控制阀阀芯设置在流量控制阀座块内，流量控制阀阀芯能够调节
流入液压油的流量，并具有流量控制阀进油口和流量控制阀出油口，其中，流量控制阀进油
口能够接收从压力控制阀顺序口排出的液压油，流量控制阀出油口能够排出调节流量后的
液压油。

[0016] 在本发明的一个或多个示例性实施例中，流量控制阀还可包括阀块压盖，压力控制阀座块、流量控制阀座块和阀块压盖同轴依次连接，其中，压力控制阀座块上还设置有与
压力控制阀进油口连接的压力控制阀进油通道，压力控制阀进油通道一端与压力控制阀进
油口连接，另一端能够接收蓄能器排出的液压油；压力控制阀座块上设置有与压力控制阀
顺序口连接的压力控制阀连接通道，流量控制阀座块上设置有与流量控制阀进油口连接的
流量控制阀连接通道，压力控制阀、流量控制阀连接通道相互连通；流量控制阀座块上设置
有与流量控制阀出油口连接的第一排油通道，阀块压盖上设置有通向外界的第二排油通
道，第一、第二排油通道相连通。

[0017] 在本发明的一个或多个示例性实施例中，压力控制阀进油口可包括至少一个子压力控制阀进油口，压力控制阀进油通道包括至少一个子压力控制阀进油通道，子压力控制
阀进油口与子压力控制阀进油通道一一对应。

[0018] 在本发明的一个或多个示例性实施例中，压力控制阀顺序口可包括至少一个子压力控制阀顺序口，流量控制阀进油口可包括至少一个子流量控制阀进油口，压力控制阀连
接通道可包括至少一个子压力控制阀连接通道，所述流量控制阀连接通道包括至少一个子
流量控制阀连接通道，子压力控制阀顺序口、子压力控制阀连接通道、子流量控制阀连接通
道与子流量控制阀进油口一一对应。

[0019] 在本发明的一个或多个示例性实施例中，流量控制阀出油口可包括至少一个子流量控制阀出油口，第一排油通道可包括至少一个子第一排油通道，所述第二排油通道可包
括至少一个子第二排油通道，子流量控制阀出油口、子第一排油通道与子第二排油通道一
一对应，子第二排油通道通向外界。

[0020] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述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、以及同轴设置的马达上盖、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轴的方向设置的第一中孔，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，所述键槽能够将内齿圈的旋转扭矩传递至钻井用钻头，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轴的方向设置的第二；所述马达上盖具有沿
所述轴的方向设置的第三中孔，所述马达下盖具有沿所述轴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以形成钻井介
质流向井底的通道，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。

[0021] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述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、以及同轴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
轴的方向设置的第一中通孔，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，所述键槽能够将内齿圈的旋
转扭矩传递至钻井用钻头，所述齿槽与小齿轮啮合；所述马达上盖具有沿所述轴的方向设
置的第二中通孔，所述马达下盖具有沿所述轴的方向设置的第三中通孔，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，并使所述第一中通孔、第二
中通孔、第三中通孔连通以形成钻井介质流向井底的通道，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。

[0022] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，增压器可包括第一接头、第一外管、第二接头和增压缸，第一、第二接头分别设置于第一外管的两端；增压缸设置于第一外管的内
部，并包括第一法兰、增压缸筒、第二法兰以及设置在增压缸筒内的活塞、弹性组件和密封
组件，其中，第一、第二法兰分别位于增压缸筒的两端并能够将增压缸筒固定在第一外管
内，第二法兰还能够封堵其所位于的增压缸筒的一端，第二法兰上还设置有朝外的端直通
接头，以使液压油进入或流出增压缸筒；活塞位于第二法兰和弹性组件之间，并能够在所述
进入增压缸筒内的液压油或在弹性组件的作用下在增压缸筒内滑动，弹性组件在活塞的作
用下能够呈压缩的状态，密封组件设置在活塞和增压缸筒内壁之间以实现密封。

[0023] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，储油箱可包括：第三接头、第二外管和第四接头和储油缸筒，其中，第三、第四接头分别设置于第二外管的两端，且第三接头与所述
第二接头连接；储油缸设置于第二外管的内部，并包括第三法兰、储油缸筒和第四法兰，其
中，第三、第四法兰分别位于储油缸筒的两端并能够将其固定在第二外管内，第三、第四法
兰都能够封堵其所位于的储油缸筒的一端，第三法兰上设置有一个朝外的端直通接头，该
接头能够通管线与所述第二法兰上的端直通接头连接，第四法兰上也设置有一个朝外的端
直通接头，该端直通接头能够作为从液压马达机构回收液压油的入口、以及向所述回油阀
排出已回收液压油的出口。

[0024] 根据本发明的一个或多个示例性实施例，，所述弹性组件可包括至少两个通过弹簧座相互连接的弹簧，所述至少两个弹簧沿增压缸筒筒体的轴向设置。

[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果可包括下内容中的至少一项：

[0026] (1)本发明的气动冲击机构活塞通过位置反馈自主配气回程，泵活塞在回程机构作用下回程，两者相对独立运动，互不影响。不管液压马达机构负载如何，只要有压缩气体
输入，气动冲击器活塞均可持续撞击往复泵活塞传递动量，克服了现有技术将气动活塞和
液压柱塞通过刚性连接导致联合动作协调性差、气动活塞回程受负载拖累的缺陷。

[0027] (2)现有技术缺乏蓄能装置，难以消除流量和压力脉动，实现系统保压稳压，无法为液压马达提供持续动力，输出扭矩和转速不能满足现场要求。本发明的压力控制阀使蓄
能器向液压马达机构供液的油路上存在恒定的载荷即压力控制阀开启压力。无论液压马达
机构是否作用有外部载荷，在蓄能器内部压力未达到时，往复泵将不断向蓄能器充液，直到
压力达到PS(即预定值)，压力控制阀开启，向液压马达机构输出压力油。如果外部载荷足够
大，蓄能器经短暂充液后即达到压力控制阀开启压力，系统则工作在外部载荷所决定的工
作压力下，该压力高于PS，压力控制阀始终处于全开状态，避免了过大的压力损失，液压马
达机构可获得持续的压力和流量供给，理想状况下液压马达机构可克服与蓄能器最大工作
压力相当的外部载荷做功，足以满足现场要求。

[0028] (3)本发明的液压马达机构所需流体排量较小，中空结构方便钻井流体流向井底，可操作性强，液压油是由独立供油系统提供，不影响正常钻井介质携岩。

[0029] (4)现有技术是由气体直接驱动执行机构做功，由于气体可压缩，属于弹性驱动，稳定性差，难以控制，无法用做井下动力钻具。本发明将压缩气体钻井能通过冲击增压方式
传递给液体，利用液体的不可压缩特性，变弹性为刚性，为气体钻井提供稳定的井下动力来
源。

附图说明

[0030] 通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

[0031] 图1示出了本发明一个示例性实施例中气体钻井的气液耦合驱动系统的一个结构示意图；

[0032] 图2示出了本发明一个示例性实施例中气液耦合冲压装置的一个结构示意图；

[0033] 图3示出了本发明一个示例性实施例中往复泵的一个结构示意图；

[0034] 图4示出了本发明一个示例性实施例中泵缸座的结构示意图；

[0035] 图5示出了图4中泵缸座的左、右视图和剖视图；

[0036] 图6示出了本发明另一个示例性实施例中液压油控制装置的一个结构示意图；

[0037] 图7示出了本发明另一个示例性实施例中配流单元的一个结构示意图；

[0038] 图8示出了本发明另一个示例性实施例中蓄能座的一个结构示意图；

[0039] 图9示出了本发明另一个示例性实施例中调节单元的一个示意图；

[0040] 图10示出了本发明另一个示例性实施例中调节单元的另一个示意图；

[0041] 图11示出了本发明再一个示例性实施例中液压马达机构的一个示意图；

[0042] 图12示出了本发明再一个示例性实施例中液压马达机构的剖面示意图；

[0043] 图13示出了本发明又一个示例性实施例中增压器的一个示意图；

[0044] 图14示出了本发明又一个示例性实施例中储油箱的一个示意图；

[0045] 主要附图标记说明：

[0046] 1100‑气动冲击器；1200‑往复泵，1210‑泵缸筒，1220‑泵活塞，1230‑泵缸座，1231‑第二中心孔，1232‑第二排气孔，1233‑吸排油通道，1240‑回程弹性件，1250‑注油管，1260‑
挡圈，1270‑导向环；2100‑配流单元，2110‑泵油阀，2111‑第一子进油口，2112‑第一子出油
口；2120‑回油阀，2121‑第二子进油口，2122‑第二子出油口；2130‑配流阀座，2131‑第一子
进油通道，2132‑第一子出油通道，2133‑第二子进油通道，2134‑第二子出油通道，2135‑封
堵；2200‑蓄能单元，2210‑蓄能器，2220‑蓄能器座，2221‑子蓄能器进油通道，2222‑蓄能器
连接通道，2223‑子第二回油通道；2300‑调节单元，2310‑压力控制阀阀芯，2311‑子压力控
制阀进油口、2312‑子压力控制阀顺序口，2313‑子压力控制阀排油口；2320‑压力控制阀座
块，2321‑子压力控制阀进油通道，2322‑子压力控制阀连接通道；2330‑流量控制阀阀芯，
2331‑子流量控制阀进油口，2332‑子流量控制阀出油口；2340‑流量控制阀座块，2341‑子流
量控制阀连接通道，2342‑子第一排油通道；2350‑阀块压盖，2351‑子第二排油通道；2361‑
内六角螺钉，2362‑内六角螺塞，2363‑密封垫，2364‑O型密封圈；2370‑子第一回油通道；
2380‑排气通道；3000‑液压马达机构；3001‑螺柱组件，3002‑上法兰，3003‑端直通接头，
3004‑马达上盖，3005‑内齿圈，3006‑中隔板，3007‑支承块，3008‑马达下盖，3009‑下心轴，
3010‑滑动轴承、3011小齿轮轴、3012‑小齿轮；4000‑油箱总成；4110‑第一接头；4120‑第一
外管；4130‑第二接头；4140‑增压缸，4141‑第一法兰，4142‑增压缸筒，4143‑第二法兰，
4144‑活塞，4145‑弹性组件，4146‑第三端直通接头，4147‑弹簧座，4148‑第一密封圈，4149‑
导向环；4150‑密封组件；4160‑第一导气腔；4210‑第三接头；4220‑第二外管；4230‑第四接
头；4240‑储油缸，4241第三法兰，4242‑储油缸筒，4243‑第四法兰，4244‑第四端直通接头，
4245‑第二密封圈；4250‑第二导气腔；A‑第一腔体，B‑第二腔体，C‑空腔。

具体实施方式

[0047] 在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的气体钻井的气液耦合驱动系统。

[0048] 图1示出了本发明一个示例性实施例中的气体钻井的气液耦合驱动系统的一个结构示意图。

[0049] 在本发明的一个示例性实施例中，所述气体钻井的气液耦合驱动系统能够向井下液压马达机构提供稳定的液压驱动力，该系统可包括气液耦合冲压装置、液压油控制装置、
液压马达机构和油箱总成。

[0050] 其中，气液耦合冲压装置可包括如图1所示的气动冲击器1100和往复泵1200。气动冲击器1100能够将气体的压力能转换为活塞的机械能，气动冲击器1100与往复泵1200可沿
同一轴线设置，并能够固定连接。气动冲击器1100的活塞能够沿轴线往复运动并能够与往
复泵1200的泵活塞发生碰撞，以将机械能传递给泵活塞，往复泵1200能够将泵活塞的机械
能转化为液压油的压力能，往复泵1200能够输出和吸收液压油。

[0051] 液压油控制装置可包括：泵油阀2110、回油阀2120、蓄能单元2200和调节单元2300。其中，泵油阀2110和回油阀2120可以为配流单元的主要组成部分。如图1所示，泵油阀
2110能够接收从往复泵1200流出的液压油并将其输出，蓄能单元2200能够对泵油阀2110输
出的液压油进行存储，以使液压油的压力达到额定值；在液压油的压力达到额定值的情况
下，调节单元2300能够接收连接管线中的液压油，并对接收的液压油进行压力调节和流量
调节，然后将调节后的液压油输送给液压马达机构3000；液压马达机构3000在稳定液压油
的作用下能够，能够向井下工具(例如钻具等)提供驱动力，即液压马达机构能将液压能转
化为机械能。

[0052] 油箱总成4000能够回收从液压马达机构流出的液压油，进一步地还可对其进行增加处理；油箱总成4000的液压油经回油阀2120后能够返回至往复泵1200。

[0053] 在本实施例中，图2示出了气液耦合冲压装置(可简称为冲压装置)的一个结构示意图。图3示出了往复泵的一个结构示意图。

[0054] 如图2所示，气动冲击器1100和往复泵1200同轴设置。其中，气动冲击器1100的活塞能在压缩气体的推动下沿冲压装置轴线往复运动(即沿图2的上下方向运动)，以将气体
的压力能转换为活塞的机械能。

[0055] 气动冲击器1100可包括上接头、调整垫、导流罩、半环套、弹簧座、内缸座、缓冲销、缓冲弹簧、内缸、芯管、中隔套、配气套和外缸套。来自上部钻柱的压缩气体从上接头进入，
经导流罩上的进气孔进入弹簧座和内缸座之间的空间中。随后，气体从内缸座的侧孔进入
内缸与外缸之间形成的环形空间中，再经过内缸上的周向孔、活塞表面的凹槽进入后气室
中推动活塞下行(即图2中从上到下方向)做功。当活塞下行至其大端上的内孔与芯管脱离
开后，后气室中的气体经活塞上的中心孔(与轴线重合设置)进入第一腔体中泄压并排出冲
压装置。活塞在惯性作用下继续下行与泵活塞1220高速碰撞完成动量交换。此时活塞下行
到其大端进入中隔套中，由于中隔套的内径大于活塞大端的内径，因此活塞大端与中隔套
之间形成气体通过的环空空间。气体经活塞表面的凹槽和该环形空间进入前气室，此时活
塞的小端已将配气套上的侧孔封闭。前气室内的高压气体推动活塞上行(即图2中从下到上
方向)做功，当活塞上行到其小端经过配气套上的侧孔时配气套上的侧孔打开，前气室中的
气体经配气套上侧孔进入第一腔体中泄压并排出冲压装置。气体不断进入气动冲击器1100
中，推动活塞沿轴线往复运动，每个周期活塞往复运动一次，与泵活塞1220发生碰撞一次。
然而，本发明不限于此，其它能够将空气钻井时上部钻柱的气体的压力能转换为活塞的机
械能，并通过该活塞碰撞本发明的往复泵的泵活塞1220的冲击机构也可以作为这里的气动
冲击器。换而言之，气动冲击器1100的活塞在上部钻柱中压缩气体的推动下沿冲压装置轴
线往复运动(即沿图2中上下方向运动)以将气体的压力能转换为活塞的机械能，气动冲击
器1100的活塞与往复泵1200的泵活塞1220碰撞将机械能传递给泵活塞1220，泵活塞1220向
往复泵第二腔体中液压油施加压力使其压力升高并产生瞬时流量排出至冲压装置的下游
机构。

[0056] 如图2所示，往复泵1200主要包括泵缸筒1210以及设置在泵缸筒1210内部的泵活塞1220、泵缸座1230和回程弹性件1240。其中，泵缸筒1210上端部与气动冲击器1100的外缸
筒的下端固定连接，例如，两者可螺纹连接，然而本发明不限于此，其它连接方式也可。泵活
塞1220与气动冲击器1100的活塞之间可构成第一腔体A，活塞与泵活塞1220在第一腔体A中
发生碰撞并交换机械能。泵缸座1230具有供泵活塞1220下端部插入并可形成密封的空腔C。
这里，第一腔体A可通过排气通道与外界连通，从而便于将推动气动冲击器1100活塞往复运
动过后的气体排出冲压装置，也就是说，便于在活塞运动过程中使第一腔体A内的气体排
出。例如，泵活塞1220可具第一排气孔，泵缸座1230可具有第二排气孔1232(图5示出)，第一
腔体A通过第一排气孔、空腔C的下部分(即泵活塞1220的下端面与泵缸座1230内壁之间的
空腔)和第二排气孔1232与外界连通。这里，排出冲压装置的气体中部分或全部为来自上部
钻柱中推动冲击器活塞运动过后压力降低的压缩气体。然而本发明不限于此，例如，也可以
在泵缸筒或外缸筒上开设排气孔将进入第一腔体中的气体排出冲压装置。

[0057] 在本实施例中，泵活塞1220具有能够承受气动冲击器1100的活塞碰撞的上端部、与泵缸筒1110内壁形成密封的过渡部、以及插入泵缸座1230内部的下端部。

[0058] 具体来讲，泵活塞1220可包括从上到下固定连接或一体化成型的第一圆柱段、第二圆柱段和第三圆柱段。其中，第一圆柱段和第三圆柱段的外径小于第二圆柱段的外径，第
二圆柱段的外径等于或略小于泵缸筒1210的内径。第一圆柱段上端面能够承受气动冲击器
1100的活塞的碰撞，第二圆柱段的径向圆周与泵缸筒1210的内壁之间形成密封，第三圆柱
段插入泵缸座1230的空腔中并形成密封。此外，在第二圆柱段的下端面上还设置有安装回
程弹性件1240的第一安装孔，所述第一安装孔沿第二圆柱段下端面圆周均匀分布。此外，泵
活塞1220与泵缸筒1110内壁之间、泵活塞1220下端部与泵缸座1230内壁之间还可设置有密
封件。

[0059] 在本实施例中，图4示出了泵缸座的一个示意图。图5示出了图4中泵缸座的左、右视图和剖视图，其中，(a)图示出了泵缸座的左视图，(b)图示出了泵缸座的右视图，(c)图示
出了泵缸座的M‑M向剖视图，(d)图示出了(a)图N‑N向剖视图。

[0060] 如图5中的(d)图所示，泵缸座1230可以为中空圆筒，泵缸座1230可具有供泵活塞1220下端部插入的空腔C、以及能够吸油和排油的吸排油通道1233。如图2所示，泵缸座1230
设置在泵缸筒1210中，泵缸座1230、泵活塞1220和泵缸筒1210内壁之间形成能够容纳液压
油的第二腔体B，第二腔体B可以与图5所示的吸排油通道1233连通。泵缸座1230可以为中空
圆筒，，吸排油通道1233可沿径向开设在泵缸座1230中，吸排油通道1233的一端与第二腔体
B连通，另一端与位于冲压装置下游的配流单元相连。这里，由于往复泵按单作用原理工作，
第二腔体具有公共的吸油和排油通道(即吸排油通道1233)，吸油和排油过程通过泵油阀和
回油阀的通断状态切换来实现。吸排油通道1233的数量可以为2～8个，数量不固定，可以根
据需要进行增减。多个吸排油通道1233可沿轴线对称设置在泵缸座1230中。此外，泵缸座
1230的上端面(即图4所示结构的左端)上还设置有安装回程弹性件1240的第二安装孔，第
二安装孔沿泵缸座1230上端面圆周均匀分布且与泵活塞1220第二圆柱段上的第一安装孔
一一对应。

[0061] 如图2和3所示，回程弹性件1240可设置在第二腔体B中，且一端安装在泵活塞1220上，另一端安装在泵缸座1230上。具体来讲，回程弹性件1240的一端插入第一安装孔中，另
一端插入第二安装孔中。这里，回程弹性件1240的两端可以与泵活塞1220和泵缸座1230固
定安装，也可以不固定安装。回程弹性件1240的数量可以为4～12个，例如8个，回程弹性件
1240可包括回程弹簧，安装8个回程弹簧可以使预压弹簧力推动泵活塞2回程至终点处时，
第二腔体B获得的吸油真空度不大于0.5bar，8个弹簧回程力总值大于500N。同时，考虑到载
荷分布的不均匀性及粘性、密封、运动副接触的摩擦阻力，泵活塞1220回程至终点时回程弹
性件1240的总预压力设计值应超过1000N为宜。然而，本发明不限于此，回程弹性件的数量
可以根据需要进行增减。

[0062] 在实施例中，泵活塞1220可具有沿轴线设置的第一中心孔，泵缸座1230可具有如图5所示的沿轴线设置的第二中心孔1231。气液耦合冲压装置1200还可包括注油管1250，注
油管1250可沿轴线穿过气动冲击器1100、第一中心孔、空腔C和第二中心孔1231与冲压装置
下游的油箱总成4000相连，向油箱总成4000供应液压油。这里，当与回油油箱相连的液压马
达出现泄漏时，推动液压马达做功后返回回油油箱中的液压油的量会减少，就需要通过注
油管1250向回油油箱中补充液压油。例如，注油管线8的另一端与位于气液耦合冲压装置上
游的油箱相连，将油箱中的液压油补充至油箱总成4000中。

[0063] 在本实施例中，如图2和图3所示，冲压装置还可包括挡圈1260，挡圈1260可设置在泵缸筒1210内壁上，以限制泵缸座1230在泵缸筒1210中向下运动的位置。

[0064] 冲压装置还可包括设置在泵活塞1220与泵缸筒1210内壁之间的导向环1270，导向环1270能够避免泵活塞1220与泵缸筒1210内壁的直接接触，以减小两者之间的摩擦，起到
保护泵活塞1220和泵缸筒1210，延长实用寿命的目的。导向环1270的材质可以为聚甲醛，然
而，本发明不限于此，其它具有相同功能的材料也可以。

[0065] 冲压装置还可包括与吸排油通道1233连接的端直通接头，端直通接头可通过高压管线与冲压装置下游的配流单元相连，通过配流单元通断状态的切换以将第二腔体中的液
压油排出进入蓄能单元或与回油油箱连通向第二腔体中补充液压油。

[0066] 本示例性实施例中，气液耦合冲压装置的工作过程可为：

[0067] 泵活塞受到气动冲击器的活塞的撞击(即气动冲击器冲程时)并向下移动时，泵活塞向下运动并压缩回程弹性件和第二腔体，第二腔体中的液压油受到挤压压力升高产生可
观的瞬时流量，所述压力升高的液压油通过吸排油通道经配流单元的泵油阀排出至蓄能单
元中。当气动冲击器的活塞回程后，泵活塞在回程弹性件的推力作用下向上移动进行补油，
第二腔体膨胀并产生吸力通过吸排油通道经配流单元的回油阀将油箱总成中的液压油吸
入进行补油。例如，往复泵泵活塞的最大行程可以为Sv＝22mm，往复泵活塞回程终了后，气
动冲击器M活塞每次运动至S＝168mm处与之碰撞，通过动量交换传递能量至往复泵泵缸(即
第二腔体)内液压油，产生压力和流量经泵油阀输出至蓄能单元。

[0068] 在本发明的另一个示例性实施例中，所述气体钻井的气液耦合驱动系统可包括气液耦合冲压装置、液压油控制装置、液压马达机构和油箱总成。气液耦合冲压装置实现了压
气能→机械能→液压能的转换，但由于冲击机构特有的脉动特性，所产生的液压能若直接
用于回转总成(液压马达机构)将导致马达转速和扭矩剧烈波动，必须采取措施对液压油的
压力和流量进行控制以获得相对平稳的输出特性。因此，本发明设置了液压油控制装置。

[0069] 其中，气液耦合冲压装置可以与上一个示例性实施例中的相同。

[0070] 液压油控制装置可以包括：蓄能单元，以及依次连接的配流单元、连接管线和调节单元。其中，配流单元可以包括都为单向阀的泵油阀(也可称为泵油阀芯)和回油阀(也可称
为回油阀芯)，泵油阀能够接收从往复泵中流出的液压油并将其输出，回油阀能够将回收的
液压油输送至往复泵。连接管线能够接收并流通由泵油阀输出的液压油；蓄能单元设置在
连接管线上，并在连接管线中油压低于额定值的情况下，对泵油阀输出的液压油进行存储；
在连接管线中油压不小于额定值的情况下，调节单元能够接收连接管线中的液压油，并对
接收的液压油进行压力调节和流量调节。如图6所示，配流单元2100、连接管线(图中未示
出)和调节单元2300可以自上而下同轴依次连接的，其中，连接管线上还可以设置有蓄能单
元2200。

[0071] 在本实施例中，配流单元2100可以包括配流阀外管、配流阀座、回油阀芯和泵油阀芯。其中，配流单元可以为圆柱体状的，配流阀座可以是设置在配流阀外管内，并且配流阀
座和配流阀外管同轴，回油阀芯和泵油阀芯都设置在配流阀座内，并且，回油阀芯、泵油阀
芯和配流阀座都可以是同轴。

[0072] 图7示出的是配流单元一个示意图(未示出配流阀外管)，其中，(a)图为配流单元泵油一侧的一个结构示意图，(b)图为配流单元回油一侧的一个结构示意图，(c)图为配流
单元的一个侧面剖视图。配流阀座可以是由一个圆柱体经过一系列工艺制造而来的，且如
图7中的(a)、(b)图所示，泵油阀芯2110和回油阀芯2120可以是分别位于配流阀座2130轴向
的两端。

[0073] 在本实施例中，如图7中的(a)图所示，泵油阀芯2110设置在配流阀座2130内部，并且两者同轴。泵油阀芯2110可以包括有至少一个第一子进油口2111和至少一个第一子出油
口2112。配流阀座2130上可以开设有至少一个第一子进油通道2131和至少一个第一子出油
通道2132。第一子进油通道2131和第一子进油口2111的数量相同并能够一一对应，第一子
进油通道2131一端能够通入液压油，另一端与对应的第一子进油口2111相互连通。第一子
出油通道2132和第一子出油口2112的数量相同并能够一一对应，第一子出油通道2132一端
能够排出泵油阀芯2110内的液压油，另一端与对应的第一子出油口2112相互连通。

[0074] 在本实施例中，如图7中的(b)图所示，回油阀芯2120设置在配流阀座2130内部，并且，两者同轴，回油阀芯2120可以包括至少一个第二子进油口2121和至少一个第二子出油
口2122。配流阀座2130上可以开设有至少一个第二子进油通道2133和至少一个第二子出油
通道2134。第二子进油通道2133和第二子进油口2121的数量相同并能够一一对应，第二子
进油通道2133一端能够通入液压油，另一端与对应的第二子进油口2121相互连通。第二子
出油口2122和第二子出油通道2134的数量相同并能够一一对应，第二子出油通道2134一端
能够排出回油阀芯2120内的液压油，另一端与对应的第二子出油口2122相互连通。

[0075] 在本实施例中，第一子进油通道2131、第一子出油通道2132、第二子进油通道2133和第二子出油通道2134都还可具有位于配流阀座2130侧壁上的一个开口，但是，该开口只
是为了方便加工内部通道而开设的，因此，该开口用封堵2135(图7中的(a)、(b)和(c)图所
示)封住。

[0076] 另外，第一子进油通道2131通入液压油的一端、第一子出油通道2132排出液压油的一端、第二子进油通道2133通入液压油的一端和第二子出油通道2134排出液压油的一端
都可以位于配流阀块2130一端的端面上。

[0077] 进一步地，第一子进油口2111、第一子出油口2112、第二子进油口2121、第二子出油口2122的个数都可以为2～8个，例如：3、4、5个等，并且，各类子进油口或子出油口以是均
匀的分布在泵油阀芯2110的外壁上。

[0078] 同样，各类子进油通道和各类子出油通道的个数可以为2～8个，例如：3、4、5个等，并且，类子进油通道和各类子出油通道都可以是围绕着配流阀座2130的轴线均匀分布的。

[0079] 在本实施例中，第一子进油通道数量可以与吸排油通道的数量相同并一一对应，每个吸排油通道流程的液压油都能够进入对应的第一子进油通道。第二子出油通道数量可
以与吸排油通道的数量相同并一一对应，每个第二子出油通道流出的液压油能够流入对应
的吸排油通道中。

[0080] 在本实施例中，泵油阀进油的一端还可以通过管线连接有补油管路，可通过外部油箱或注油管向泵油阀输入一路补油管路，然后通过所述至少一个第一子进油通道流入，
从所述至少一个第一子出油通道流出，然后通过管线连接到所述至少一个第二子进油通道
的一端，再从第二子出油通道流出，补油管路中所用到的第一子进油通道、第一子出油通
道、第二子进油通道与第二子出油通道一一对应，且不占用与蓄能单元连接的通道。

[0081] 在本实施例中，蓄能单元可以设置在连接管线上，并可包括多个蓄能器。如图6所示，蓄能单元2200可以包括蓄能器外管(图中未示出)、2个蓄能器2210和蓄能器座2220。其
中，蓄能单元可以为圆柱体状的。当蓄能器的个数超过2个时，蓄能器之间可以是并联连接
的。蓄能器外管可以是由多节外管螺纹连接而构成的。蓄能器上还可设置有外缸筒，蓄能器
壳体和外缸套之间可设计有环形排气通道，气流通过能起到很好的冷却作用。

[0082] 在本实施例中，图8示出了蓄能器座的一个示意图，其中(a)图为轴向剖面示意图，(b)图为侧面剖视图。

[0083] 如图8中的(a)和(b)图所示，蓄能器座可以是由类圆柱体的多节组成，蓄能器座设置有至少一个子蓄能器进油通道2221、蓄能器连接通道2222和至少一个子第二回油通道
2223。

[0084] 蓄能器连接通道2222的两端可分别连接一个蓄能器。子蓄能器进油通道2221一端(例如图8中(a)图的左端)可以与所述至少一个第一子出油通道2132的出油一端连接，可以
是通过胶管连接，从而通入泵油阀泵出的液压油，另一端(例如图8中(a)图的右端)用于排
出液压油，该端可通过胶管与后续的调节单元连接。子蓄能器进油通道2221与第一子出油
通道2132数量可以相同，并一一对应(例如每一个子蓄能器进油通道2221都必须连接于一
个第一子出油通道2132)，例如2、3、4个，并且，如图8中(b)图所示，子蓄能器进油通道2221
可以围绕着蓄能器座的轴线均匀分布。同时，子蓄能器进油通道2221还都可以与蓄能器连
接通道2222连通，从而能够将泵油阀泵处的液压油泵入到蓄能器中。其实，每一个子蓄能器
进油通道2221还具有位于蓄能器座侧壁上的一个开口，但是该开口只是为了方便加工内部
通道而开设的，因此该开口亦可以用封堵封住。

[0085] 子第二回油通道2223和第二子进油通道的数量可以相同，并一一对应，该通道可以用于回油，例如油箱总成中回收的液压油可以通过该通过流至回油阀，该通道的一端(例
如图8中(a)图的右端)能够通入液压油，另一端(例如图8中的左端)与对应的第二进油通道
的进油一端相互连通，(例如每一个子第二回油通道2223都必须连接于一个第二子进油通
道)，可以是通过胶管进行连接的。第二回油通道2223的个数可以为2、3、4、8个等。

[0086] 如图8中(b)图所示，子蓄能器进油通道2221、子第二回油通道2223可以是围绕着蓄能器座的轴线均匀分布的。

[0087] 另外，当蓄能器的个数为1个时，蓄能器所连接的蓄能器座本需要与另一个蓄能器连接的蓄能器连接通道的一端封堵。

[0088] 在本实施例中，图9示出了本发明的调节单元的一个示意图。

[0089] 如图9所示，调节单元可以包括调节阀外管(图中未示出)、压力控制阀和流量控制阀，其中，调节单元可以为圆柱体状的，压力控制阀和流量控制阀都可以设置在调节阀外管
内部。压力控制阀可以包括压力控制阀阀芯2310和压力控制阀座块2320，压力控制阀阀芯
2310可以安装在压力控制阀座块2320内，且同轴设置。压力控制阀阀芯2310可以包括至少
一个子压力控制阀进油口2311、至少一个子压力控制阀顺序口2312和至少一个子压力控制
阀排油口2313，进一步地，子压力控制阀进油口2311、子压力控制阀顺序口2312与子压力控
制阀排油口2313的个数都可以为2～8个，例如，都可以为3、4、5个，并且都可以是均匀的分
布在压力控制阀阀芯2310的外壁上的，例如3个呈120°均匀分布。

[0090] 在本实施例中，子压力控制阀进油口处于常闭状态，并且可以在受外力达道开启阈值后开启，从而可以通入外部造成压力的液压油，压力控制阀可以通过调节压力控制阀
的开启压力，从而调节压力控制阀的控制外部液压的能力。压力控制阀可以为顺序阀。

[0091] 具体地，如图9所示，流量控制阀可以包括流量控制阀阀芯2330、流量控制阀座块2340和阀块压盖2350，流量控制阀阀芯2330可以安装在流量控制阀座块2340内，且同轴设
置，阀块压盖2350和压力控制阀座块2320分别设置在流量控制阀的轴向两端，并且同轴设
置。流量控制阀阀芯2330可以设置有至少一个子流量控制阀进油口2331和至少一个子流量
控制阀出油口2332，进一步地，子流量控制阀进油口2331与子流量控制阀出油口2332的个
数都可以为2～8个，例如，都可以为3、4、5个，并且都可以是均匀的分布在流量控制阀阀芯
2330的外壁上的，例如3个呈120°均匀分布。

[0092] 在本实施例中，流量控制阀阀芯能够调节流入液压油的流量，流量控制阀进油口能够接收从压力控制阀顺序口流出的液压油，流量控制阀出油口能够排出调节流量后的液
压油。流量控制阀可以为调速阀。

[0093] 在本实施例中，压力控制阀座块、流量控制阀座块和阀块压盖可以依次通过内六角螺钉2361进行连接。

[0094] 在本实施例中，图10中的(a)图示出了调节单元的另一个示意图，(b)图示出了(a)图中D‑D截面的一个剖视图。

[0095] 如图10中的(a)图所示，压力控制阀座块2320上还可以设置有至少一个子压力控制阀进油通道2321。子压力控制阀进油通道2321与子蓄能器进油通道的数量相同并且一一
对应，子压力控制阀进油通道2321的进油一端能够与对应子蓄能器进油通道的出油一端通
过胶管连接，从而能够通入蓄能器内的液压油。子压力控制阀进油通道2321的进油一端可
以位于压力控制阀座块2320背离流量控制阀座块2340的一端的端面上，并具有与外界连接
的开口，并且，子压力控制阀进油通道2321的另一端可以与子压力控制阀进油口2311连接
并一一对应。每一个子压力控制阀进油通道2321还具有位于压力控制阀座块2320侧壁上的
一个开口，但是该开口只是为了方便加工内部通道而开设的，因此该开口亦可以用封堵
2135封住。进一步地，子压力控制阀进油通道2321在压力控制阀座块2320上可以在周向上
均匀分布，例如3个呈120°均匀分布。另外，即使子压力控制阀进油通道不从压力控制阀座
块2320背离流量控制阀座块2340的一端的端面开设而出也是可以的，能够通入外界的液压
油即可。

[0096] 如图10中的(a)图所示，压力控制阀座块2320上还可以设置有至少一个子压力控制阀连接通道2322，流量控制阀座块2340上还可以设置有至少一个子流量控制阀连接通道
2341，子压力控制阀连接通道2322与子压力控制阀顺序口2311的数量相同并一一对应，子
压力控制阀连接通道2322与子流量控制阀连接通道2341的数量相同并一一对应，每个子压
力控制阀连接通道2322的一端能够与对应的子压力控制阀顺序口2311连接，另一端与对应
的子流量控制阀连接通道2341连接。子流量控制阀连接通道2341同时还与子流量控制阀进
油口2331的数量相同并一一对应，子压力控制阀顺序口2312和对应的子流量控制阀进油口
2331能够相连通。其实，子压力控制阀连接通道2322还具有一个位于压力控制阀座块2320
侧壁上的一个开口，但是该开口只是为了方便加工内部通道而开设的，因此该开口亦可以
用封堵2135封住，子流量控制阀连接通道2341也可以具有一个位于流量控制阀座块2340侧
壁上的一个开口，但是该开口只是为了方便加工内部通道而开设的，因此该开口亦可以用
封堵2135封住。进一步地，子压力控制阀连接通道2322和子流量控制阀连接通道2341的个
数都可以为2～8个，例如，都可以为3、4、5个等，并且都可以是围绕着调节单元轴线均匀分
布的，例如3个呈120°均匀分布。

[0097] 如图10中的(a)图所示，流量控制阀座块2340上还可以设置有至少一个子第一排油通道2342，阀块压盖2350上还可以设置有至少一个子第二排油通道2351。

[0098] 子第一排油通道2342、子流量控制阀出油口2332、子第二排油通道2351三者的数量相同，并且两两之间能够一一对应，例如都可为2～8个，例如，3、4个等。子第一排油通道
2342的一端可以与对应的子流量控制阀出油口2332连接，另一端与对应的子第二排油通道
2351连接，以形成从流量控制阀到外界的排油通道。子第二排油通道2351不与子第一排油
通道2342连接的一端可以位于阀块压盖2350背离流量控制阀座块2340一端的端面上，并且
具有开口用于排出液压油。子第一排油通道2342与子第二排油通道2351都可以是围绕着调
节单元轴线均匀分布的，例如3个呈120°均匀分布。另外，即使子第二排油通道2351不从阀
块压盖2350背离流量控制阀座块2340的一端的端面开设而出也是可以的，能够将液压油排
出外界即可。

[0099] 另外，即使不存在第二排油通道也是可以的，只要第一排油通道一端与流量控制阀排油口连通，另一端将液压油排出外界即可。

[0100] 由于在阀芯运动的过程中，液压油会不可避免的进入阀内部，压力高了会影响阀的开启，调节单元上还可以开设有至少一个子第一回油通道2370，子回油通道与至少一个
子压力控制阀排油口2313一一对应并且相互连通，从而能够将阀内的油排出去。如图10所
示，子第一回油通道2370可以通向压力控制阀座块2320背离流量控制阀座块2340一端的端
面上，并具有出口，也可以通向阀块压盖2350背离流量控制阀座块2340一端的端面上，并具
有出口。进一步地，子第一回油通道2370的个数可以为2～8个，例如3、4、5个等，并且，子第
一回油通道2370可以是围绕着调节单元轴线均匀分布的，例如3个呈120°均匀分布。子第一
回油通道2370位于靠近流量控制阀一侧的开口(如图10中(a)图所示的左端)可以通入液压
油，位于靠近压力控制阀一侧的开口可以与子第二回油通道连接且一一对应，可以是通过
胶管连接。其实，每一个子第一回油通道也都可以具有位于压力控制阀座块侧壁上的一个
开口，但是该开口只是为了方便加工内部通道而开设的，因此该开口亦可以用封堵2135封
住。

[0101] 在本实施例中，如图9所示，每一个设置了内六角螺钉2361的位置都需要开一个内置内六角螺钉的安装孔，内六角螺钉2361朝向安装孔开口的一侧都依次设置有内六角螺塞
2362和密封垫2363；如图9所示，由于压力控制阀阀芯2310安装在压力控制阀座块2320内，
所以压力控制阀阀芯2310背离流量控制阀的一端，也分别设置有内六角螺塞和密封垫。

[0102] 具体地，连接管线可以包括配流单元、蓄能单元与调节单元三者之间连接的所有液压油管路管线。

[0103] 在本实施例中，如图10中的(b)图所示，调节单元的外壁上还可以设置有至少一个排气通道2380，排气通道2380可以为沿着调节单元外壁长度方向延伸的条状槽，进一步地，
可以为4～8个，例如6个。同时，排气通道2380可以靠近阀块压盖的一端都能够与阀块压盖
和流量控制阀之间的孔隙连通。并且，排气通道2380在调节单元的外壁上可以是沿周向均
匀分布。阀块压盖与流量控制阀之间设置孔隙的目的：流量控制阀下端可以与马达相连，马
达中心设置排气通道，且流量控制阀输出液压油通过液压管线与马达连接。为了不让气体
冲刷液压管线及马达上端不承受气压，阀块压盖之前的排气通道必须从阀块压盖内经排气
中心管排将气体导入马达中心排气通道。

[0104] 在本实施例中，如图9所示，阀块压盖2350上还可以设置有至少一个O型密封圈2364，进一步地，可以为2～5个，且多个O型密封圈相互平行设置，例如3个，设置密封圈的目
的：密封阀块压盖之前排气通道的气体，防止气体进入流量控制阀与马达之间。

[0105] 本发明的液压油控制装置中的液压油路线可以包括两条，第一条为：第一子进油通道→泵油阀芯→第一子出油通道→蓄能器进油通道(蓄能器蓄能)→子压力控制阀进油
通道→压力控制阀芯→子压力控制阀连接通道→子流量控制阀连接通道→流量控制阀芯
→子第一排油通道→子第二排油通道→再后面就可以通向液压马达机构的高压一端。

[0106] 第二条为：液压马达机构的低压一端(还有一部分油可来自于压力控制阀)或者邮箱总成→子第一回油通道→子第二回油通道→第二子进油通道→回油阀芯→第二子出油
通道。

[0107] 进一步地，液压油路线中的各个通道的数量可以相同并能够两两之间能够相互对应，例如子第一回油通道与子第二回油通道数量相同并一一对应，子第二回油通与第二子
进油通道数量相同并一一对应等。

[0108] 在本发明的再一个示例性实施例中，所述气体钻井的气液耦合驱动系统可包括：气液耦合冲压装置、液压油控制装置、液压马达机构和油箱总成。

[0109] 其中，气液耦合冲压装置可以与第一个示例性实施例中的气液耦合冲压装置相同，和/或，液压油控制装置可以与第二个示例性实施例中的液压油控制装置相同。

[0110] 液压马达机构(也可称为液压马达)可包括齿轮式液压马达机构，进一步地，可以为井下钻具用内啮合齿轮式液压马达机构，其可具有多种结构。

[0111] 第一种结构为：

[0112] 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、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)。

[0113] 其中，齿轮组件可包括支承块、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，键槽能够将内齿圈的旋转扭矩传递至钻井用
钻头，从而通过小齿轮的转动带动钻头钻动。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。

[0114] 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)流向井底的通道。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
与位于井下钻具的上游的传动轴连接和/或与位于井下钻具的下游的下心轴连接。

[0115] 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。

[0116] 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。即，进液通路可以通过管路与调节单元的流量控制阀出油口连接，出
液通路可以通过管线与油箱总成的储油箱连接。

[0117] 进一步地，内啮合齿轮式液压马达机构还可在上述结构基础上，进一步包括沿所述中心轴线套装在马达上盖、齿轮组件和马达下盖之外的马达缸套，并且马达缸套通过连
接键与齿轮组件的内齿圈的键槽连接。通过设置马达套缸有利于更加方便和稳定地将内齿
圈的旋转扭矩传递至钻井用钻头。

[0118] 第二种结构可以为：

[0119] 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)。

[0120] 其中，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。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。

[0121] 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。

[0122] 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。

[0123] 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。

[0124] 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。

[0125] 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、第三中孔和第七
通孔依次连通以形成供钻井介质(例如，钻井液、空气、氮气等)流向井底的通道。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
组件还可进一步与位于井下钻具的上游的传动轴连接和/或与位于井下钻具的下游的下心
轴连接。

[0126] 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。

[0127] 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。

[0128] 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
将第一内齿圈、第二内齿圈、第三内齿圈的旋转扭矩传递至钻井用钻头，从而通过第一、二、
三小齿轮的转动带动钻头钻动。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。

[0129] 进一步地，内啮合齿轮式液压马达机构还可在包括沿所述中心轴线套装在马达上盖、各个齿轮组件、各个中隔板和马达下盖之外的马达缸套，并且马达缸套通过连接键与齿
轮组件的内齿圈的键槽连接。通过设置马达套缸有利于更加方便和稳定地将各个齿轮组件
中的各个内齿圈的旋转扭矩传递至钻井用钻头。

[0130] 下面结合图11～12来详细描述本发明的井下钻具用内啮合齿轮式液压马达机构的结构。图11示出了液压马达机构的示意图，其中，(a)图为一个结构示意图，(b)图为(a)图
的左视图，(c)图为(a)图的右视图。图12示出了图11各个剖面的示意图，其中，(a)、(b)、(c)
图分别示出了图11中(a)图的A‑A剖面、B‑B剖面、C‑C剖面的剖视图，(d)图分别示出了图12
中(b)图的D‑D剖面的剖视图。

[0131] 如图11～12所示，井下钻具用内啮合齿轮式液压马达机构可包含拉杆螺柱组件3001、端直通接头3003、马达上盖3004、内齿圈3005、中隔板3006、支承块3007、马达下盖
3008、滑动轴承3010、小齿轮轴3011、以及小齿轮3012。上法兰3002可用于将本示例性实施
例的液压马达机构与井下钻具上游的结构连接。下心轴3009可用于将本示例性实施例形成
的钻井介质通道向钻头延伸和逼近。

[0132] 井下钻具用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3012，一组小齿轮轴3011，一个支承块3007，一个内齿
圈3005。每组齿轮马达之间用中隔板3006隔开。马达两端用马达上盖3004和马达下盖3008
封住，并用一组拉杆螺柱组件3001将所有零部件拉紧并牢牢固定在一起。

[0133] 马达上盖3004上，除了穿有将上法兰3002、中隔板3006、支承块3007、下心轴3009拉紧并固定在一起的拉杆螺柱组件3001之外，还有供液压油进出的端直通接头3003。端直
通接头3003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3003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3003，其中，一个进油，另一个回油。

[0134] 小齿轮3012和内齿圈3005相互啮合。在内齿圈3005上，各开有一组矩形槽，用来安放内齿圈平键并通过内齿圈平键传递内啮合齿轮马达产生的旋转扭矩。当液压油驱动小齿
轮3012旋转时，与其啮合的内齿圈3005便会转动。内齿圈产生的旋转扭矩可通过其它配合
管件传递到钻井用的钻头上去。

[0135] 滑动轴承3010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12中的(d)图所示，各个小齿轮轴3011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。

[0136] 钻井时，钻井介质(例如，空气、氮气等气体或钻井液)可通过上法兰3002、马达上盖3004、中隔板3006、支承块3007、马达下盖3008、下心轴3009组成的中空孔道流向井底。而
驱动小齿轮3012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3003泵入内齿圈3005、中隔板3006、支承块3007、小齿轮3012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3012进行旋转，通过齿轮传
动，各组小齿轮3012能够带动相应的内齿圈3005旋转。通过在内齿圈3005上的平键槽内安
放的内齿圈平键实现键传动，从而带动井下钻头转动，实现井下自旋转破岩。

[0137] 本发明的井下钻具用内啮合齿轮式液压马达机构可以为集成在井下工具内部的内置式齿轮马达，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。

[0138] 另外，为获得足够的排量，本发明的井下钻具用内啮合齿轮式液压马达机构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11中(a)图中的B‑B剖面方向平行的面)上的油路通断关系
为并联。

[0139] 上法兰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。本发明的井下钻具用内啮合
齿轮式液压马达机构仅承受扭矩载荷。

[0140] 本发明的井下钻具用内啮合齿轮式液压马达机构的马达上盖、马达下盖、支承块及中隔板可与上法兰、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，本发明的井下钻具用内啮合
齿轮式液压马达机构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，从而带动外部管体旋转，进而驱动钻头回
转并克服负载。

[0141] 本发明的液压马达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。

[0142] 在本发明的又一个示例性实施例中，在上述三个示例性实施例中任意一个的基础之上，气体钻井气液耦合驱动系统的油箱总成可包括：储油箱和增压器。

[0143] 如图13所示，所述增压器可以包括增压缸4140以及轴向依次连接的第一接头4110、第一外管4120和第二接头4130。

[0144] 增压缸4140可以包括活塞4144、弹性组件4145以及依次连接的第一法兰4141、增压缸筒4142和第二法兰4143。

[0145] 其中，第一法兰4141、第二法兰4143能够将增压缸筒4142固定在第一外管4120内，第二法兰4143还能够封堵其所位于的增压缸筒4142的一端，第二法兰4143上还设置有朝向
第二接头4130的第三端直通接头4146，以使液压油进入或流出增压缸筒4142。

[0146] 活塞4144和弹性组件4145可以设置在增压缸筒4142内，活塞4144可以位于第二法兰4143和弹性组件4145之间，并能够在进入增压缸筒4142的液压油或在弹性组件4145的作
用下在增压缸筒4142内滑动。活塞和增压缸筒与内壁之间还可设置有密封组件4150，以实
现密封，所述密封组件4150可以包括斯特封和活塞密封圈，另外，密封组件也可以设置在活
塞4144的外壁上或增压缸筒4142的内壁上，只要实现活塞4144两端密闭不连通即可。

[0147] 在本实施例中，第一接头4110与第一外管4120可以通过螺纹连接，如图13所示，在第一接头4110与第一外管4120连接处，第一接头4110可以设置有外螺纹、第一外管4120可
以设置有相应的内螺纹。第二接头4130与第一外管4120可以通过螺纹连接，如图13所示，在
第二接头4130与第一外管4120连接处，第二接头4130可以设置有外螺纹、第一外管4120可
以设置有内螺纹。第一接头4110背离第一外管4120的一端可以设置有内螺纹，但在本实施
例中，所示第一接头4110采用堵头将其封堵，第二接头4130背离第一外管4120的一端可以
设置有外螺纹，以与其他装置进行连接。

[0148] 在本实施例中，如图13所示，第一法兰4141、第二法兰4143与增压缸筒4142连接，第一法兰4141、第二法兰4143与增压缸筒4142连接的一端的径向尺寸都能够与增压缸筒的
内部径向尺寸相适配并位于增压缸筒4142的内部，并且，通过在法兰上可套设至少一个O型
密封圈进行密封，例如，图13中所示第一法兰4141、第二法兰4143与增压缸筒4142之间都是
通过套设两个第一密封圈4148进行密封，第一密封圈4148可以为O型密封圈。

[0149] 并且，第一法兰4141和第二法兰4143还具有径向尺寸能够与第一外管4120的内部径向尺寸相适配的部分，并且该部分都能够抵靠在第一外管4120的内壁上，同时由于位于
第一外管4120内部的第一接头4110和第二接头4130的部分能够分别抵靠在第一法兰4141
背离增压缸筒4142的一端、第二法兰4143背离增压缸筒4142的一端，从而实现了第一法兰
4141以及第二法兰4143对增压缸筒4142的固定。

[0150] 在本实施例中，所述弹性组件4145可以包括至少两个通过弹簧座4147相互连接的弹簧，所述至少两个弹簧沿着增压缸筒4142筒体的轴向方向设置，例如：如图13所示，所述
弹簧的个数可以为三个，所述三个弹簧通过两个弹簧座4147轴向设置在增压缸筒4142内，
弹簧未压缩时，一端可以与第一法兰连接、另一端可以与活塞4144连接。

[0151] 在本实施例中，如图13所示，第一外管4120和增压缸筒4142都可以为中空的圆柱状，且第一外管4120的径向尺寸大于增压缸筒4142的径向尺寸，因此，第一外管4120和增压
缸筒4142之间可以形成第一导气腔4160。第一法兰4141、第二法兰4143的外侧都可以具有
导气孔，以使第一接头4110、第一导气腔4160和第二接头4130内的空间相互连通，由于第一
法兰4141具有能够连接第一接头内的空间与增压缸筒4142内设置有弹性组件4145一侧空
间的开口，从而使得增压缸筒4142内位于弹性组件段、第一接头、第一导气腔和第二接头内
的空间相互连通。

[0152] 在本实施例中，所述活塞4144与所述增压缸筒4142之间还设置有导向环4149。导向环4149能够防止活塞4144在运动的过程中与增压缸筒4142内壁发生直接接触和摩擦，起
到保护活塞和增压缸筒筒体不被损坏的作用。所述导向环的材质可以为聚甲醛，但发明的
导向环的材料不仅限于此。

[0153] 第一接头4110、第一外管4120、第二接头4130和增压缸4140可以同轴设置。

[0154] 在本实施例中，所述储油箱可以包括储油缸4240以及依次连接的第三接头4210、第二外管4220和第四接头4230，第三接头4210可以与第二接头4130连接。

[0155] 所述储油缸4240可以位于第二外管4220的内部，并可以包括依次连接的第三法兰4241、储油缸筒4242和第四法兰4243。其中，第三法兰4241、第四法兰4243能够将储油缸筒
4242固定在第二外管4220内，第三、第四法兰都能够封堵其所位于的储油缸筒4242的一端，
第三法兰4241上可以设置有一个朝外的第四端直通接头4244，该接头能够通过胶管(图13、
图14都未示出)可以与第二法兰4143上的第三端直通接头4146连接，第四法兰4243上也可
以设置有一个朝向第四接头4230的第四端直通接头4244。

[0156] 在本实施例中，第三接头4210与第二外管4220可以通过螺纹连接，第四接头4230与第二外管4220也可以通过螺纹连接。

[0157] 在本实施例中，如图14所示，第三法兰4241、第四法兰4243与储油缸筒4242连接，第三法兰4241、第四法兰4243与储油缸筒4242连接的一端的径向尺寸都能够与储油缸筒的
内部径向尺寸相适配并位于储油缸筒4242的内部，并且，通过在法兰上套设至少一个O型密
封圈进行密封，例如，图14中所示第三法兰4241、第四法兰4243与增压缸筒242之间都是通
过套设两个第二密封圈4245进行密封，第二密封圈4245可以为O型密封圈。

[0158] 并且，第三法兰4241和第四法兰4243还具有径向尺寸能够与第二外管4220的内部径向尺寸相适配的部分，并且该部分都能够抵靠在第二外管4220的内壁上，同时由于位于
第二外管4220内部的第三接头4210和第四接头4230的部分能够分别抵靠在第三法兰4241
背离储油缸筒4242的一端、第四法兰4243背离储油缸筒4242的一端，从而实现了第三法兰
4241以及第四法兰4243对储油缸筒4242的固定，进而也是对储油缸的固定。

[0159] 在本实施例中，如图14所示，第二外管4220和储油缸筒4242都可以为中空的圆柱状，且第二外管4220的径向尺寸大于储油缸筒4242的径向尺寸，因为，第二外管4220和储油
缸筒4242之间可以形成第二导气腔4250。所述第三法兰242、第四法兰4243的外侧都可以具
有导气孔，以使第三接头4210、第二导气腔4250和第二接头4130内的空间相互连通。

[0160] 在本实施例中，第三接头4210、第二外管4220、第四接头4230和储油缸4240可以同轴设置。

[0161] 本发明的油箱总成的工作过程可以为：来自油箱外的液压油(例如液压马达机构或注油管)从第四接头4230处的第四端直通接头4244通入后到达储油缸4240，进入储油缸
4240内的液压油可以从位于第三接头4210处的第四端直通接头4244流出，经过胶管到达位
于第二接头4130处的第三端直通接头4146，然后流入14增压缸内，推动活塞4144挤压弹性
组件4145，从而使得油箱总成内的液压油保持一定的压力值，进而能够避免油箱总成被吸
油时出现负压，进油的过程中，增压缸4140内位于弹性组件4145侧的空间内的气体，可以通
过第一法兰4141上的开孔流出，然后进入第一导气腔4160，进而也可以经过第二接头4130
和第三接头4210内的空间，再进入第二导气腔4250；当有外部装置从储油缸4240内吸油时，
弹性组件4145通过弹簧压缩的反作用力作用于活塞4144。

[0162] 综上所述，本发明的气体钻井的气液耦合驱动系统的优点可包括以下内容中的至少一项：

[0163] (1)本发明的气动冲击机构活塞能够通过位置反馈自主配气回程，泵活塞在回程弹性件作用下回程，两者相对独立运动，互不影响。

[0164] (2)不管液压马达机构负载如何，只要有压缩气体输入，气动冲击器活塞均可持续撞击往复泵活塞传递动量，克服了现有的将气动活塞和液压柱塞通过刚性连接导致联合动
作协调性差、气动活塞回程受负载拖累的缺陷。

[0165] (3)本发明将压缩气体通过冲击增压方式传递给液压油，利用液体的不可压缩特性，变弹性为刚性，为气体钻井提供稳定的井下动力来源。

[0166] (4)由于压力控制阀的外部载荷达到开启压力才会开启，因此能够实现液压油工作系统的预加载，当外部载荷非常大时，压力控制阀始终处于全开状态，也能够避免过大的
压力损失，经过压力控制阀和流量控制阀也能够持续输出稳定的压力和流量供给。

[0167] (5)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；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，而本发明的液压马达在同等扭矩和转数要求下，所需流体排量较小；本发明的液压马达
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；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。

[0168] (6)增压器中的弹性组件压缩使得油箱总成内的液压油的压力保持一定值，在井下工作过程中，当作业工具从油箱总成中吸油过程中，由于油箱总成提供的液压油具有一
定的压力值，能够避免油箱总成负压的情况出现。

[0169] 尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各
种修改和改变。