本實用新型屬于石油天然氣鉆井、煤層氣鉆井、地質(zhì)勘探、礦山鉆探等行業(yè)井下作業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)。

背景技術(shù)：

隨著淺部油氣藏的開發(fā)殆盡，深井、超深井的數(shù)量逐年增加，但隨著井深的增加，巖層更加堅硬難以破碎，嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速的提高，鉆速的降低已經(jīng)成為制約我國深層油氣藏高效開發(fā)的技術(shù)瓶頸，而現(xiàn)有常規(guī)破巖鉆井技術(shù)不能滿足提速提效的工藝要求，國外對于先進(jìn)提速技術(shù)保密壟斷，限制了國內(nèi)技術(shù)的發(fā)展?！癙DC+馬達(dá)”復(fù)合鉆井工藝技術(shù)既能發(fā)揮PDC鉆頭高效切削的優(yōu)勢，又能進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，防斜打直效果較好，還能降低地面機(jī)泵的能耗，因此在深井、超深井的鉆探過程中得到了廣泛應(yīng)用，但為了防止井斜只能采用小鉆壓的鉆井方式，而鉆壓是影響鉆速的關(guān)鍵因素，對于常規(guī)“PDC+馬達(dá)”工藝，鉆壓較小雖然有利于確保井身質(zhì)量，有利于防斜打直，但在一定程度上是以犧牲鉆速為代價的，現(xiàn)場實踐證明，適當(dāng)增大鉆壓能夠大幅提高鉆井速度，但容易造成井斜角過大，影響井身質(zhì)量，并且導(dǎo)致井底鉆頭發(fā)生軸向振動，使得施加在鉆頭上的鉆壓不穩(wěn)定，損壞鉆頭切削齒，減小鉆頭使用壽命，降低機(jī)械鉆速，國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果表明，軸向減振工具越靠近鉆頭，減振效果越好，而現(xiàn)有螺桿馬達(dá)不具備減振功能，如果將現(xiàn)有常規(guī)減振工具安裝在螺桿馬達(dá)的上部，就延長了減振工具到鉆頭的距離，從而降低了減振效果，并且目前未見到減振工具安裝在馬達(dá)與鉆頭之間的應(yīng)用實例；現(xiàn)場實踐證明，旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)能夠有效提高PDC鉆頭的切削能量，防止粘滑振動的影響，保護(hù)鉆頭，對于提高鉆速具有積極作用，國內(nèi)外也提出了相關(guān)扭力沖擊工具的專利（CN201520767504.6、CN201410514618.X、CN201310726252.8、CN201410306930.X、CN201310586179.9、CN201010511421.2、CN200910058083.9、CN201310698227.3、CN201420040141.1），但是現(xiàn)有扭力沖擊工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件較多，體積較大，且扭力沖擊工具需要在較大鉆壓條件下才能發(fā)揮功效，而鉆壓大時，不僅會造成井眼發(fā)生偏斜，影響井身質(zhì)量，還會產(chǎn)生軸向振動，如果減小鉆壓，確保了井身質(zhì)量，但又不能發(fā)揮扭力沖擊工具的功效，目前國內(nèi)外也未見到扭力沖擊工具與馬達(dá)配合使用的應(yīng)用實例，由此可見，如果將常規(guī)扭力沖擊工具與馬達(dá)簡單的連接起來，不僅影響“PDC+馬達(dá)”工藝的提速效果，還可能引起馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞；并且國內(nèi)外現(xiàn)有馬達(dá)只具有利用鉆井液能量驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)的簡單功能，不同時具備軸向減振或旋轉(zhuǎn)振擊的功能，因此急需設(shè)計研發(fā)一種既具有減振功能，且減振器盡可能靠近鉆頭，還能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)，在發(fā)揮PDC鉆頭技術(shù)優(yōu)勢的同時還能保護(hù)鉆頭，還要結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，維護(hù)操作方便的恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊螺桿馬達(dá)，這對于發(fā)揮“PDC+馬達(dá)”鉆井工藝技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)一步提高鉆井破巖的效率，提升我國深層油氣藏高效開發(fā)的鉆井工藝技術(shù)水平，增強(qiáng)國際競爭力具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了進(jìn)一步提高深井、超深井的鉆井速度，在現(xiàn)有技術(shù)裝備的基礎(chǔ)上，既要充分發(fā)揮“PDC+馬達(dá)”復(fù)合鉆井工藝的提速優(yōu)勢，又要兼顧防斜打直效果，提高井眼質(zhì)量的控制能力，還要降低鉆井綜合成本，縮短施工作業(yè)周期，滿足深層油氣藏高效開發(fā)鉆井的工藝要求，打破國外在深井、超深井提高鉆速方面的技術(shù)壟斷。本實用新型的目的就是為石油天然氣鉆井、煤層氣鉆井、地質(zhì)勘探、礦山鉆探等的現(xiàn)場提供一種具有減振或旋轉(zhuǎn)振擊功能的恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊螺桿馬達(dá)，包括外殼體以及其內(nèi)安裝的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中：

所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括自上而下依次連接的容積式動力總成、傳動軸以及定閥； 所述傳動軸為中空管狀且其與外殼體之間形成環(huán)空A，所述定閥上端與傳動軸下端傳動連接，且定閥外壁上下兩端與外殼體之間形成密封配合，所述傳動軸壁上設(shè)有將環(huán)空A與其內(nèi)腔連通的旁通孔；

所述定閥外壁中部與外殼體之間形成環(huán)空B，且該環(huán)空B內(nèi)安裝有能夠繞定閥相對旋轉(zhuǎn)的動閥；所述定閥外壁中部對稱設(shè)有兩條軸向的導(dǎo)向塊且將環(huán)空B間隔為對稱布置的兩個半腔，所述導(dǎo)向塊與外殼體之間形成密封配合；所述動閥包括分別位于所述兩半腔中的滑塊，每個滑塊分別將對應(yīng)的半腔分為腔室A和腔室C且每個滑塊的中央開槽并與外殼體、定閥包圍構(gòu)成腔室B；所述定閥的內(nèi)腔中央通過安全閥分割為上下兩腔，且上腔側(cè)壁設(shè)有多個高壓孔、下腔側(cè)壁設(shè)有多個低壓孔，所述高壓孔與腔室B對應(yīng)連通，所述低壓孔與腔室A和腔室C對應(yīng)連通；

所述定閥外壁上開設(shè)有兩條槽型通道，用于分別連通腔室A與腔室B、腔室B與腔室C；當(dāng)所述動閥繞定閥轉(zhuǎn)動時，所述滑塊上部能夠交替打開槽型通道而將腔室A與腔室B、腔室B與腔室C分別連通，同時所述滑塊下部能夠?qū)⑶皇褹與腔室C交替連通低壓孔。

進(jìn)一步的，所述容積式動力總成與傳動軸之間安裝聯(lián)軸器。

進(jìn)一步的，所述傳動軸與定閥之間安裝彈簧，傳動軸與定閥構(gòu)成花鍵配合。

進(jìn)一步的，所述傳動軸下部設(shè)有花鍵，傳動軸通過花鍵與定閥內(nèi)壁構(gòu)成花鍵配合。

進(jìn)一步的，所述定閥外壁與外殼體內(nèi)壁之間安裝有第一密封裝置、第二密封裝置。

進(jìn)一步的，所述傳動軸和外殼體上部之間安裝上扶正軸承；所述定閥下部與外殼體下部之間安裝下扶正軸承。

進(jìn)一步的，恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)還包括推力軸承，所述推力軸承安裝在傳動軸與彈簧之間，并且安裝在上扶正軸承下部。

本實用新型的原理是：定閥、動閥、外殼體內(nèi)壁之間分別形成腔室A、腔室B、腔室C、腔室D、腔室E、腔室F（腔室A、腔室B、腔室C位于一個半腔，腔室D、腔室E、腔室F元位于另一個半腔，結(jié)構(gòu)以及作用原理相同），在鉆井液作用下，容積式動力總成產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩，通過聯(lián)軸器傳遞至傳動軸，由于傳動軸與定閥之間是花鍵配合方式，因此定閥也隨之轉(zhuǎn)動，由于鉆頭直接與定閥下端相連，進(jìn)而驅(qū)動鉆頭轉(zhuǎn)動破巖；鉆井液經(jīng)過容積式動力總成后，經(jīng)旁通孔進(jìn)入傳動軸，然后到達(dá)定閥內(nèi)部，初始狀態(tài)時，腔室A與腔室B連通，腔室D與腔室E連通，腔室C與腔室F經(jīng)過低壓孔與鉆頭連通，此時鉆井液經(jīng)過高壓孔先進(jìn)入腔室B與腔室D，然后進(jìn)入腔室A與腔室E，此時腔室A與腔室E是高壓腔，而腔室C與腔室F是低壓腔，在高壓鉆井液的作用下，動閥開始順時針快速轉(zhuǎn)動，在這個過程中，腔室A與腔室E空間逐漸增大，腔室C與腔室F空間逐漸減小，且腔室內(nèi)的鉆井液通過低壓孔流到鉆頭，當(dāng)動閥與定閥撞擊時就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振擊力，并由定閥傳遞至鉆頭，與此同時，腔室A與腔室B間的流道關(guān)閉，腔室D與腔室E間的流道關(guān)閉，高壓鉆井液無法再次進(jìn)入，并且腔室A與腔室E經(jīng)過低壓孔與鉆頭連通，腔室A與腔室E轉(zhuǎn)化為低壓腔，而腔室B與腔室C連通，腔室D與腔室F連通，腔室C與腔室F轉(zhuǎn)化為高壓腔，隨著鉆井液的進(jìn)入，動閥就會逆時針轉(zhuǎn)動，隨著動閥的轉(zhuǎn)動，腔室A與腔室E空間逐漸減小，腔室內(nèi)的鉆井液經(jīng)低壓孔流到鉆頭，直至與定閥撞擊，動閥逆時針撞擊定閥時，腔室A與腔室B再次連通，腔室D與腔室E再次連通，腔室C與腔室F經(jīng)過低壓孔與鉆頭連通，高壓鉆井液即可驅(qū)動動閥順時針撞擊定閥，從而完成一次旋轉(zhuǎn)振擊的過程，連接腔室C與腔室F的低壓孔的設(shè)計位置根據(jù)計算進(jìn)行了專門優(yōu)化設(shè)計，確保動閥逆時針回轉(zhuǎn)撞擊定閥產(chǎn)生的振擊力較小，因為井底鉆頭是順時針旋轉(zhuǎn)切削巖石，因此逆時針方向的振擊力對于提高鉆頭切削能量作用不大，而只需要順時針方向的振擊力。上述過程往復(fù)循環(huán)，就對鉆頭形成了旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)，進(jìn)而提高了鉆頭切削巖石的能量。當(dāng)井底鉆頭發(fā)生軸向振動時，由于鉆頭與定閥連接，因此鉆頭處的軸向振動經(jīng)定閥傳遞至彈簧，彈簧壓縮變形就能吸收鉆頭的軸向振動沖擊力，當(dāng)軸向振動減弱時，彈簧恢復(fù)伸長，由于彈簧緩沖了鉆頭處的軸向沖擊力，因此確保了鉆頭與地層的平穩(wěn)接觸，保持了鉆頭上鉆壓的穩(wěn)定，避免了沖擊力對鉆頭切削齒的損壞，達(dá)到了保護(hù)鉆頭延長使用壽命的目的；由于動閥安裝在定閥外部，定閥在軸向振動作用下發(fā)生軸向位移時，動閥也會隨著一起移動，在軸向移動過程中，動閥與定閥仍然會在鉆井液的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)，即恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)在減振保持鉆頭鉆壓穩(wěn)定的同時又能增加鉆頭破巖能量，這是常規(guī)技術(shù)難以實現(xiàn)的。若動閥或定閥失效不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)，則鉆井液無法經(jīng)過動閥和定閥達(dá)到井底鉆頭，隨著鉆井液壓力的不斷升高，當(dāng)壓力超過安全閥的設(shè)定值時，安全閥就會打開，使鉆井液直接流到鉆頭，而不影響鉆井液的循環(huán)。恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)既能將液動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)，提高鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖的切削力，又能吸收緩沖鉆頭的軸向振動，防止軸向沖擊力對鉆頭的損壞，并保持鉆頭破巖鉆壓的平穩(wěn)，這對于國內(nèi)現(xiàn)有技 術(shù)裝備條件下進(jìn)一步提高深井、超深井的鉆井效率具有重要意義。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，利用恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)能夠平均提高鉆井效率38.2%-67.9%，節(jié)省鉆井周期8-15天，且鉆井質(zhì)量符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了低能耗、高效率的鉆井目的。

同時，恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)還具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、性能可靠、操作方便等特點。

附圖說明

圖1是依據(jù)本實用新型所提出的恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是依據(jù)本實用新型所提出的恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)A-A截面示意圖。

圖3是依據(jù)本實用新型所提出的恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)B-B截面示意圖。

附圖標(biāo)記：1-外殼體，2-容積式動力總成，3-聯(lián)軸器，4-旁通孔，5-上扶正軸承，6-傳動軸，7-推力軸承，8-彈簧，9-花鍵，10-第一密封裝置，11-定閥，12-安全閥，13-動閥，14-第二密封裝置，15-下扶正軸承，16-高壓孔，17-低壓孔，18-腔體A，19-腔體B，20-腔體C，21-腔體D，22-腔體E，23-腔體F。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖來詳細(xì)描述本實用新型。

如圖1，恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)主要外殼體1、容積式動力總成2、聯(lián)軸器3、旁通孔4、上扶正軸承5、傳動軸6、推力軸承7、彈簧8、花鍵9、第一密封裝置10、定閥11、安全閥12、動閥13、第二密封裝置14、下扶正軸承15、高壓孔16、低壓孔17組成。容積式動力總成2與傳動軸6之間安裝聯(lián)軸器3，傳動軸6上部加工旁通孔4，傳動軸6與外殼體1內(nèi)壁之間安裝上扶正軸承5，推力軸承7安裝在上扶正軸承5下部，推力軸承7與定閥11之間安裝彈簧8，傳動軸6下部花鍵9，并與定閥11內(nèi)壁花鍵槽構(gòu)成花鍵配合。定閥11外壁與外殼體1內(nèi)壁之間安裝第一密封裝置10、第二密封裝置14，動閥13安裝在定閥11外部，定閥11內(nèi)部安裝安全閥12，定閥11下部與外殼體1下部之間安裝下扶正軸承15，定閥11上部加工高壓孔16，下部加工低壓孔17。

參照附圖2和圖3，定閥11、動閥13、外殼體1內(nèi)壁之間分別形成腔室A18、腔室B19、腔室C20、腔室D21、腔室E22、腔室F23。定閥11外壁上開設(shè)有多條槽型通道，用于間歇性連通腔室A18與腔室B19、腔室B19與腔室C20，即腔室A18與腔室B19連通時，腔室B19與腔室C20不連通，但此時腔室C20通過低壓孔17與鉆頭水眼連通。同理，腔室D21、腔室E22、腔室F23也同樣通過槽型通道交替連通。

在鉆井液作用下，容積式動力總成產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩，通過聯(lián)軸器3傳遞至傳動軸6，由于傳動軸6與定閥11之間是花鍵配合方式，因此定閥11也隨之轉(zhuǎn)動，由于鉆頭直接與定閥11下端相連，進(jìn)而驅(qū)動鉆頭轉(zhuǎn)動破巖。鉆井液經(jīng)過容積式動力總成后，經(jīng)旁通孔4進(jìn)入傳動軸6，然后到達(dá)定閥11內(nèi)部。初始狀態(tài)時，定閥11外壁上的槽型通道使得腔室A18與腔室B19連通，腔室D21與腔室E22連通，而且腔室C20與腔室F23經(jīng)過低壓孔17與鉆頭連通。此時鉆井液經(jīng)過高壓孔16先進(jìn)入腔室B19與腔室D21，然后進(jìn)入腔室A18與腔室E22，此時腔室A18與腔室E22是高壓腔，而腔室C20與腔室F23是低壓腔。在高壓鉆井液的作用下，動閥13開始順時針快速轉(zhuǎn)動，在這個過程中，腔室A18與腔室E22空間逐漸增大，腔室C20與腔室F23空間逐漸減小，且腔室內(nèi)的鉆井液通過低壓孔17流到鉆頭。當(dāng)動閥13與定閥11撞擊時就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振擊力，并由定閥11傳遞至鉆頭，與此同時，腔室A18與腔室B19間的流道關(guān)閉，腔室D21與腔室E22間的流道關(guān)閉，高壓鉆井液無法再次進(jìn)入，并且腔室A18與腔室E22經(jīng)過低壓孔17與鉆頭連通，腔室A18與腔室E22轉(zhuǎn)化為低壓腔，而定閥11外壁上的槽型通道使得腔室B19與腔室C20連通，腔室D21與腔室F23連通，腔室C20與腔室F23轉(zhuǎn)化為高壓腔。隨著鉆井液的進(jìn)入，動閥13就會逆時針轉(zhuǎn)動，隨著動閥13的轉(zhuǎn)動，腔室A18與腔室E22空間逐漸減小，腔室內(nèi)的鉆井液經(jīng)低壓孔17流到鉆頭，直至動閥13與定閥11撞擊，動閥13逆時針撞擊定閥11時，腔室A18與腔室B19再次連通，腔室D21與腔室E22再次連通，腔室C20與腔室F23經(jīng)過低壓孔與鉆頭連通，高壓鉆井液即可驅(qū)動動閥順時針撞擊定閥，從而完成一次旋轉(zhuǎn)振擊的過程。連接腔室C20與腔室F23的低壓孔的設(shè)計位置根據(jù)計算進(jìn)行了專門優(yōu)化設(shè)計，確保動閥13逆時針回轉(zhuǎn)撞擊定閥11產(chǎn)生的振擊力較小，因為井底鉆頭是順時針旋轉(zhuǎn)切削巖石，因此逆時針方向的振擊力對于提高鉆頭切削能量作用不大，而只需要順時針方向的振擊力。上述過程往復(fù)循環(huán)，就對鉆頭形成了旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)，進(jìn)而提高了鉆頭切削巖石的能量。

當(dāng)井底鉆頭發(fā)生軸向振動時，由于鉆頭與定閥11連接，因此鉆頭處的軸向振動經(jīng)定閥傳遞至彈簧8，彈簧8壓縮變形就能吸收鉆頭的軸向振動沖擊力，當(dāng)軸向振動減弱時，彈簧8恢復(fù)伸長，由于彈簧8緩沖了鉆頭處的軸向沖擊力，因此確保了鉆頭與地層的平穩(wěn)接觸，保持了鉆頭上鉆壓的穩(wěn)定，避免了沖擊力對鉆頭切削齒的損壞，達(dá)到了保護(hù)鉆頭延長使用壽命的目的；由于動閥13安裝在定閥11外部，定閥11在軸向振動作用下發(fā)生軸向位移時，動閥13也會隨著一起移動，在軸向移動過程中，動閥13與定閥11仍然會在鉆井液的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)，即恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)在減振保持鉆頭鉆壓穩(wěn)定的同時又能增加鉆頭破巖能量，這是常規(guī)技術(shù)難以實現(xiàn)的。

若動閥13或定閥11失效不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)，則鉆井液無法經(jīng)過動閥13和定閥11達(dá)到井底鉆頭，隨著鉆井液壓力的不斷升高，當(dāng)壓力超過安全閥12的設(shè)定值時，安全閥12就會打開，使鉆井液直接流到鉆頭，而不影響鉆井液的循環(huán)。恒壓式旋轉(zhuǎn)振擊馬達(dá)既能將液動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振擊效應(yīng)，提高鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖的切削力，又能吸收緩沖鉆頭的軸向振動，防止軸向沖擊力對鉆頭的損壞，并保持鉆頭破巖鉆壓的平穩(wěn)，這有利于在現(xiàn)有地面機(jī)泵條件下進(jìn)一步提高深井、超深井的鉆井效率。