[发明专利]一种正反螺杆串联驱动的扭矩平衡动力钻具

说明书

本发明涉及一种正反螺杆串联驱动的扭矩平衡动力钻具，属于钻井工程技术领域。其技术方案：采用正反螺杆串联，上螺杆总成下端连接下螺杆总成，下螺杆总成下端连接钻头总成；上螺杆总成的螺杆旋向与下螺杆总成的螺杆旋向相反，分别驱动内钻头和外钻头进行相反方向旋转。本发明所述钻具从源头上大幅度降低钻柱扭矩，有效避免扭矩过大带来的各类钻井问题；钻具采用正反螺杆串联，结构简单可靠。

技术领域

本发明涉及属于钻井工程技术领域，特别涉及一种适用于地质钻探、水文水井钻井、油气钻井、科学钻探和地下建筑救援钻孔等技术领域的正反螺杆串联驱动的扭矩平衡动力钻具。

背景技术

在油气田钻井开发过程中，需要钻头的旋转运动来破坏地层，以形成地面到目标储层的通道。钻头的旋转运动通常通过钻杆进行传输，随着钻井深度的增加，其整个钻柱的刚度降低，钻柱受到扭矩和钻压的作用时容易产生屈曲和失稳，特别是在定向井、水平井的钻进中，钻杆和井壁相接触，从而增加钻柱与井壁之间的摩擦力，需要更大的钻压，来克服二者之间的摩擦力，使得钻柱更容易产生失稳，造成钻井效率低，井眼轨迹差的现象，因此迫切需要一种井下工具来减少钻柱所受的扭矩。

另一方面，随着井深的增加，钻头在钻进时容易出现粘滑振动。粘滑振动以钻头的粘滞与滑脱交替出现为特征：在粘滞阶段，钻头停止转动而钻柱在转盘的驱动下继续扭转，当钻柱扭转所积蓄的能量足以破碎岩层时，粘滞的钻头便滑脱；在滑脱阶段，钻柱积蓄的能量瞬间释放，钻头在正反方向突然加速或减速，钻头角速度数倍于地表转盘转速。粘滑振动引起钻头和钻具的频繁憋跳和扭振，导致钻头崩齿、损坏及井下钻具组合的损坏，使钻头机械钻速和破岩效率降低；粘滑振动严重时会引起井下工具倒扣，造成钻具脱落等钻井事故。

通过改变钻井工具结构原理，消除或降低钻柱扭矩，是解决粘滑振动、提高钻井速度的有效方法。

专利CN106869806A、CN110219587A、CN206448779U公布了一种扭矩自平衡嵌套式双钻头，通过井下双电机驱动由内钻头和外钻头逆向旋转，从而实现内外钻头的扭矩平衡。该方案需要电缆下入井底，设备工艺复杂；另一方，电机难以适应深井、超深井高温环境，限制了其应用范围。

专利CN112065268B公布了一种扭矩平衡井下动力钻具，采用双螺杆钻井组合使用，并通过齿轮系统实现内外钻头的转向调整。该方案中传动结构复杂，并且传动齿轮尺寸十分有限，其强度和稳定性难以达到应用要求。

因此，提出一种全新、简洁、螺杆驱动的扭矩平衡动力钻具具有现实意义。

发明内容

本发明的目的：发明涉及一种全新的井下动力钻具，通过双螺杆串联，实现内外钻头的相反方向旋转，从扭矩产生源头上大幅度降低钻柱的扭矩。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是如下。

一种正反螺杆串联驱动的扭矩平衡动力钻具，包括上螺杆总成、下螺杆总成和钻头总成，其特征在于：

上螺杆总成下端连接下螺杆总成，下螺杆总成下端连接钻头总成；上螺杆总成的螺杆旋向与下螺杆总成的螺杆旋向相反；上螺杆总成的转子相对于上螺杆总成定子的转速，小于下螺杆总成的螺杆相对于下螺杆总成定子转速；

上螺杆总成的传动轴，连接下螺杆总成的壳体，并带动下螺杆总成旋转；

钻头总成包括外钻头和内钻头，外钻头整体为圆筒形，外钻头与下螺杆总成的壳体连接，内钻头与下螺杆总成的传动轴连接。

为防止钻柱和井下工具倒扣，通过内钻头和外钻头形状和尺寸设计，控制破岩对外钻头产生的反扭矩与内钻头的反扭矩不相等，保持外钻头的反扭矩与内钻头的反扭矩抵消后的残余扭矩方向为钻柱紧扣旋转方向。