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1、10申请公布号CN103806832A43申请公布日20140521CN103806832A21申请号201210445170122申请日20121108E21B4/0220060171申请人中国石油天然气集团公司地址100007北京市东城区东直门北大街9号申请人中国石油集团钻井工程技术研究院北京石油机械厂72发明人段马利于兴胜黄衍福刘凤李萌王瑞霄李晓芳罗西超王宇鹏李如学岳联张立刚张国田杨玉敏宋健聂洁静陈睿74专利代理机构北京三高永信知识产权代理有限责任公司11138代理人关文魁54发明名称井下动力金属马达总成57摘要本发明公开了一种井下动力金属马达总成，属于石油及天然气钻井井下螺杆钻具领域。。
2、所述马达总成至少由两级或两级以上马达组成，所述一级马达与二级马达通过转子连接套和连接定位接头联接在一起；所述一级马达的一级定子壳体的空腔内自上而下顺次设置有一级上轴承座、一级上过渡连接环、一级上填料盒、一级定子配流壳体、一级下填料盒、一级下过渡连接环、一级下轴承座、一级密封端盖，以上零件均为空腔结构，包容着一级转子；所述一级定子壳体、一级定子配流壳体、一级转子材质为金属材料。与传统螺杆马达的不同之处在于转子工作时，转子相对于定子是作同心旋转，没有偏心运动，使井眼更加规则，能提高钻井效率。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页。
3、说明书5页附图2页10申请公布号CN103806832ACN103806832A1/2页21一种井下动力金属马达总成，其特征在于，所述马达总成至少由两级或两级以上马达组成，所述一级马达1与二级马达2通过转子连接套3和连接定位接头4联接在一起；所述一级马达1至少包括一级定子壳体11、一级定子配流壳体12、一级转子13、一级定子密封条14、一级转子密封条15、一级轴承16、一级上轴承座17、一级上过渡连接环18、一级上填料盒19、一级下填料盒110、一级下过渡连接环111、一级下轴承座112、一级密封端盖113、一级填料盒内套及密封件114；所述一级定子壳体11的空腔内自上而下顺次设置有一级上轴承。
4、座17、一级上过渡连接环18、一级上填料盒19、一级定子配流壳体12、一级下填料盒110、一级下过渡连接环111、一级下轴承座112、一级密封端盖113，以上零件均为空腔结构，包容着一级转子13；所述一级定子壳体11、一级定子配流壳体12、一级转子13材质为金属材料。2根据权利要求1所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级上轴承座17和一级下轴承座112内设置有一级轴承16；所述一级转子13的上端位于顶部封闭的一级上轴承座17内的一级轴承16内，一级转子13的下端设置在转子连接套3内，转子连接套3设置在连接定位接头4内，所述连接定位接头4为一空心圆柱体，其上端与一级定子壳体11联接，下。
5、端与二级马达2的二级定子壳体21联接；所述转子连接套3为一带内孔的圆柱体，其内孔上部与一级转子13下部形状相吻合，内孔下部与二级转子23上部形状相吻合；所述转子连接套3与连接定位接头4之间的通道为驱动流体通道5。3根据权利要求1所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级定子壳体11与一级定子配流壳体12之间的通道为驱动流体通道5；所述一级上填料盒19和一级下填料盒110内壁与一级转子13外壁之间设置有一级填料盒内套及密封件114。4根据权利要求1所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述二级马达2至少包括二级定子壳体21、二级定子配流壳体22、二级转子23、二级转子密封条24、二级上密。
6、封端盖25、二级上轴承座26、二级上过渡连接环27、二级上填料盒28、二级下填料盒29、二级下过渡连接环210、二级下轴承座211、二级轴承212、二级下密封端盖213、二级填料盒内套及密封件214、二级定子密封条215；所述二级定子壳体21的空腔内自上而下顺次设置有二级上密封端盖25、二级上轴承座26、二级上过渡连接环27、二级上填料盒28、二级定子配流壳体22、二级下填料盒29、二级下过渡连接环210、二级下轴承座211、二级下密封端盖213，以上零件均为空腔结构，包容着二级转子23；所述二级定子壳体21、二级定子配流壳体22、二级转子23材质为金属材料。5根据权利要求1或4所述的井下动力。
7、金属马达总成，其特征在于，所述二级上轴承座26和二级下轴承座211内设置有二级轴承212，所述二级转子23上端设置在转子连接套3内，下端伸出二级定子壳体21，与螺杆钻具中的传动轴总成联接；所述二级上填料盒28和二级下填料盒29内壁与二级转子23外壁之间设置有二级填料盒内套及密封件214。6根据权利要求1或4所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级马达1权利要求书CN103806832A2/2页3的一级转子13与二级马达2的二级转子23存在相位差；所述一级转子13与一级定子配流壳体12为间隙配合，所述二级转子23与二级定子配流壳体22为间隙配合。7根据权利要求1或4所述的井下动力金属马达。
8、总成，其特征在于，所述一级定子配流壳体12、二级定子配流壳体22的横截面内腔均为圆形，外壁为圆弧相接形成橄榄形状，沿径向对称分布的两个橄榄头部与一级定子壳体11、二级定子壳体21联接，且两个橄榄头部分别设置有沿径向对称分布的一级定子凹槽12A、二级定子凹槽22A和一级定子配流孔12B、二级定子配流孔22B，所述一级定子凹槽12A、二级定子凹槽22A内设置有一级定子密封条14、二级定子密封条215。8根据权利要求1或4所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级转子13、二级转子23的横截面外壁均由圆弧相接构成，且沿径向对称突出两个瓣，在突出的瓣上设置有沿径向对称分布的一级转子凹槽13A、二。
9、级转子凹槽23A,在凹槽内分别设置有一级转子密封条15、二级转子密封条24；所述一级转子13、二级转子23的中心分别设置有一级转子通道13B、二级转子通道23B和与之相通的一级转子径向通孔13C、二级转子径向通孔23C；所述一级转子通道13B与沿径向对称分布的一级转子高压腔体13D和一级转子低压腔体13E相通，所述二级转子通道23B与沿径向对称分布的二级转子高压腔体23D和二级转子低压腔体23E相通。9根据权利要求1或4所述的井下动力金属马达总成，其特征在于，所述一级定子配流壳体12和二级定子配流壳体22的横截面内腔为圆形，外壁的横截面为多边形或圆弧相接形成橄榄形状。权利要求书CN103806。
10、832A1/5页4井下动力金属马达总成技术领域0001本发明涉及石油及天然气钻井井下螺杆钻具领域，特别涉及一种井下动力金属马达总成。背景技术0002井下螺杆钻具由四大部分组成，从上至下依次是旁通阀，马达总成，万向轴和传动轴总成；其中，所述旁通阀安装在螺杆钻具的最上端；所述马达总成包括转子和定子两部分，转子是一根加工成螺旋形的钢轴，其上端是自由端，下端与万向轴相连，定子内是一个模压成型的橡胶套筒，它的内部是螺旋通道，包容着转子，橡胶套筒固定在马达的钢制本体上一起成为定子；所述万向轴一般由两个万向接头组成一个万向轴；所述传动轴总成是将马达转子的能量传给钻头，通过外壳与定子相连控制钻头的钻进方向。当。
11、钻井液在泵的驱动下通过马达时，它流经转子与定子间的空腔，推动转子旋转。0003在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题钻井马达作为石油钻井工程中应用最为广泛的一种井下动力钻具，在钻井工程中起着非常重要的作用。现有技术的马达总成，其定子内是一个模压成型的橡胶套筒，橡胶套筒与马达的钢制本体固联在上一起成为定子，但橡胶套筒非全金属定子承压能力低，不能适应井况的最高温度，而且不耐腐蚀，因而，采用橡胶套筒结构的定子在高温井、腐蚀井、高压井中存在的井下事故隐患较多。0004现有技术的马达总成，其转子工作时是作偏心旋转运动，而传动轴总成工作时是作同心运动，要把这两个部件的运动联合起来，就需要。
12、万向轴接头，这种不同心运动使钻头发生振颤，造成井下工具磨损；由于两个万向接头组成一个万向轴势必造成马达总成的长度较长，因而不适于在大斜度井，多分枝井中应用。发明内容0005为了解决现有技术采用万向轴将转子与传动轴总成不同心运动联合起来，非全金属马达总成耐高温耐腐蚀性差，适应范围受限的问题，本发明实施例提供了一种井下动力金属马达总成，可降低由于转子与传动轴总成不同心运动造成的钻头振颤，减少井下工具的磨损，提高耐磨性能和耐腐蚀性能，适应性强。所述技术方案如下0006一种井下动力金属马达总成，所述马达总成至少由两级或两级以上马达组成，所述一级马达与二级马达通过转子连接套和连接定位接头联接在一起；所述。
13、一级马达至少包括一级定子壳体、一级定子配流壳体、一级转子、一级定子密封条、一级转子密封条、一级轴承、一级上轴承座、一级上过渡连接环、一级上填料盒、一级下填料盒、一级下过渡连接环、一级下轴承座、一级密封端盖、一级填料盒内套及密封件；所述一级定子壳体的空腔内自上而下顺次设置有一级上轴承座、一级上过渡连接环、一级上填料盒、一级定子配流壳体、一级下填料盒、一级下过渡连接环、一级下轴承座、一级密封端盖，以上零件均为空腔结构，包容着一级转子；所述一级定子壳体、一级定子配流壳体、一级转子材质为金属材料。说明书CN103806832A2/5页50007具体地，所述一级上轴承座和一级下轴承座内设置有一级轴承；所。
14、述一级转子的上端位于顶部封闭的一级上轴承座内的一级轴承内，一级转子的下端设置在转子连接套内，转子连接套设置在连接定位接头内,所述连接定位接头为一空心圆柱体，其上端与一级定子壳体联接，下端与二级马达的二级定子壳体联接；所述转子连接套为一带内孔的圆柱体，其内孔上部与一级转子下部形状相吻合，内孔下部与二级转子上部形状相吻合；所述转子连接套与连接定位接头之间的通道为驱动流体通道。0008具体地，所述一级定子壳体与一级定子配流壳体之间的通道为驱动流体通道；所述一级上填料盒和一级下填料盒内壁与一级转子外壁之间设置有一级填料盒内套及密封件。0009具体地，所述二级马达至少包括二级定子壳体、二级定子配流壳体、。
15、二级转子、二级转子密封条、二级上密封端盖、二级上轴承座、二级上过渡连接环、二级上填料盒、二级下填料盒、二级下过渡连接环、二级下轴承座、二级轴承、二级下密封端盖、二级填料盒内套及密封件、二级定子密封条；所述二级定子壳体的空腔内自上而下顺次设置有二级上密封端盖、二级上轴承座、二级上过渡连接环、二级上填料盒、二级定子配流壳体、二级下填料盒、二级下过渡连接环、二级下轴承座、二级下密封端盖，以上零件均为空腔结构，包容着二级转子；所述二级定子壳体、二级定子配流壳体、二级转子材质为金属材料。0010具体地，所述二级上轴承座和二级下轴承座内设置有二级轴承，所述二级转子上端设置在转子连接套内，下端伸出二级定子壳。
16、体，与螺杆钻具中的传动轴总成联接；所述二级上填料盒和二级下填料盒内壁与二级转子外壁之间设置有二级填料盒内套及密封件。0011具体地，所述一级马达的一级转子与二级马达的二级转子存在相位差；所述一级转子与一级定子配流壳体为间隙配合，所述二级转子与二级定子配流壳体为间隙配合。0012具体地，所述一级定子配流壳体、二级定子配流壳体的横截面内腔均为圆形，外壁为圆弧相接形成橄榄形状，沿径向对称分布的两个橄榄头部与一级定子壳体、二级定子壳体联接，且两个橄榄头部分别设置有沿径向对称分布的一级定子凹槽、二级定子凹槽和一级定子配流孔、二级定子配流孔，所述一级定子凹槽、二级定子凹槽内设置有一级定子密封条、二级定子密。
17、封条。0013具体地，所述一级转子、二级转子的横截面外壁均由圆弧相接构成，且沿径向对称突出两个瓣，在突出的瓣上设置有沿径向对称分布的一级转子凹槽、二级转子凹槽,在凹槽内分别设置有一级转子密封条、二级转子密封条；所述一级转子、二级转子的中心分别设置有一级转子通道、二级转子通道和与之相通的一级转子径向通孔、二级转子径向通孔；所述一级转子通道与沿径向对称分布的一级转子高压腔体和一级转子低压腔体相通，所述二级转子通道与沿径向对称分布的二级转子高压腔体和二级转子低压腔体相通。0014进一步地，所述一级定子配流壳体和二级定子配流壳体的横截面内腔为圆形，外壁的横截面为多边形或圆弧相接形成橄榄形状。0015相。
18、比现有技术，本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是0016本发明实施例通过两级或两级以上马达组成，将一级马达与二级马达通过转子连接套和连接定位接头联接在一起，与传统螺杆马达的不同之处在于转子工作时，转子相对于定子是作同心旋转，没有偏心运动，因此不需要设置万向轴，而且转子的同心旋转降低了钻头的振颤，使井眼更加规则，能提高钻井效率，减少井下工具的磨损。说明书CN103806832A3/5页6附图说明0017为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳。
19、动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。0018图1是本发明实施例一提供的井下动力金属马达总成结构示意图；0019图2是本发明实施例一提供的图1中AA剖视图；0020图3是本发明实施例一提供的图1中BB剖视图；0021图4是本发明实施例提供的井下动力金属马达总成工作原理示意；0022图5是本发明实施例二提供的井下动力金属马达总成的定子配流壳体横截面剖视图。0023图1中各符号表示含义如下00241一级马达，11一级定子壳体，12一级定子配流壳体，13一级转子，14一级定子密封条，15一级转子密封条，16一级轴承，17一级上轴承座，18一级上过渡连接环，19一级上填料盒，110一级下填料盒。
20、，111一级下过渡连接环，112一级下轴承座，113一级密封端盖，114一级填料盒内套及密封件；00252二级马达，21二级定子壳体，22二级定子配流壳体，23二级转子，24二级转子密封条，25二级上密封端盖，26二级上轴承座，27二级上过渡连接环，28二级上填料盒，29二级下填料盒，210二级下过渡连接环，211二级下轴承座，212二级轴承，213二级下密封端盖，214二级填料盒内套及密封件，215二级定子密封条；00263转子连接套；00274连接定位接头；00285驱动流体通道。具体实施方式0029为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
21、。0030实施例一0031参见图1所示，本发明实施例提供了一种井下动力金属马达总成，为金属叶片容积式马达，马达总成作为井下螺杆钻具的一部分组成，设置在旁通阀与传动轴总成之间，本发明实施例在螺杆钻具中的布设是自上而下依次是旁通阀，马达总成，传动轴总成，取消了现有技术的万向轴。所述马达总成至少由两级一级马达1和二级马达2或两级以上马达组成，所述一级马达1与二级马达2通过转子连接套3和连接定位接头4联接在一起。0032具体地，所述一级马达1至少包括一级定子壳体11、一级定子配流壳体12、一级转子13、一级定子密封条14、一级转子密封条15、一级轴承16、一级上轴承座17、一级上过渡连接环18、一级上。
22、填料盒19、一级下填料盒110、一级下过渡连接环111、一级下轴承座112、一级密封端盖113、一级填料盒内套及密封件114等零部件；所述一级定子壳体11、一级定子配流壳体12、一级转子13由金属材料制成，可选用不锈钢材料制说明书CN103806832A4/5页7作；所述一级定子壳体11的空腔内自上而下顺次设置有一级上轴承座17、一级上过渡连接环18、一级上填料盒19、一级定子配流壳体12、一级下填料盒110、一级下过渡连接环111、一级下轴承座112、一级密封端盖113，以上零件均为空腔结构，包容着一级转子13，一级转子13穿过所述零件的空腔；所述一级定子壳体11与一级定子配流壳体12之间的。
23、通道为驱动流体通道5。0033所述一级上轴承座17和一级下轴承座112内设置有一级轴承16；所述一级转子13的上端位于顶部封闭的一级上轴承座17内的一级轴承16内，一级转子13的下端设置在转子连接套3内，转子连接套3设置在连接定位接头4内，所述连接定位接头4为一空心圆柱体，其上端外螺纹与一级定子壳体11内螺纹联接，下端外螺纹与二级马达2的二级定子壳体21内螺纹联接；所述转子连接套3为一带内孔的圆柱体，其内孔上部与一级转子13下部形状相吻合，内孔下部与二级马达2的二级转子23上部形状相吻合；所述转子连接套3与连接定位接头4之间的通道为驱动流体通道5。0034所述一级上填料盒19和一级下填料盒11。
24、0内壁与一级转子13外壁之间设置有一级填料盒内套及密封件114。0035具体地，所述二级马达2至少包括二级定子壳体21、二级定子配流壳体22、二级转子23、二级转子密封条24、二级上密封端盖25、二级上轴承座26、二级上过渡连接环27、二级上填料盒28、二级下填料盒29、二级下过渡连接环210、二级下轴承座211、二级轴承212、二级下密封端盖213、二级填料盒内套及密封件214、二级定子密封条215等零部件；所述二级定子壳体21、二级定子配流壳体22、二级转子23由金属材料制成，可选用不锈钢材料制作；所述二级定子壳体21的空腔内自上而下顺次设置有二级上密封端盖25、二级上轴承座26、二级上过。
25、渡连接环27、二级上填料盒28、二级定子配流壳体22、二级下填料盒29、二级下过渡连接环210、二级下轴承座211、二级下密封端盖213，以上零件均为空腔结构，包容着二级转子23，二级转子23穿过所述零件的空腔。0036所述二级上轴承座26和二级下轴承座211内设置有二级轴承212，所述二级转子23上端设置在转子连接套3内，下端伸出二级定子壳体21，与螺杆钻具中的传动轴总成联接；所述二级上填料盒28和二级下填料盒29内壁与二级转子23外壁之间设置有二级填料盒内套及密封件214。0037同时参见图2、图3、图4所示，具体地，所述一级马达1的一级转子13与二级马达2的二级转子23存在相位差；所述一。
26、级转子13与一级定子配流壳体12不能接触，为间隙配合，二级转子23与二级定子配流壳体22不能接触，为间隙配合，配合间隙必须能够满足转子高速旋转的要求。0038具体地，所述一级定子配流壳体12、二级定子配流壳体22均为空腔结构，其横截面内腔均为圆形，外壁为圆弧相接形成橄榄形状，沿径向对称分布的两个橄榄头部与一级定子壳体11、二级定子壳体21联接，且两个橄榄头部分别设置有沿径向对称分布的一级定子凹槽12A、二级定子凹槽22A和一级定子配流孔12B、二级定子配流孔22B，所述一级定子凹槽12A、二级定子凹槽22A内设置有一级定子密封条14、二级定子密封条215。0039具体地，所述一级转子13、二级。
27、转子23的横截面外壁均由圆弧相接构成，且沿说明书CN103806832A5/5页8径向对称突出两个瓣，在突出的瓣上设置有沿径向对称分布的一级转子凹槽13A、二级转子凹槽23A,在凹槽内分别设置有一级转子密封条15、二级转子密封条24，所述转子凹槽尺寸必须略大于转子密封条的尺寸；所述一级转子13、二级转子23的中心分别设置有一级转子通道13B、二级转子通道23B和与之相通的一级转子径向通孔13C、二级转子径向通孔23C；所述一级转子通道13B与沿径向对称分布的一级转子高压腔体13D和一级转子低压腔体13E相通，所述二级转子通道23B与沿径向对称分布的二级转子高压腔体23D和二级转子低压腔体23E。
28、相通，这样才能产生最大的力偶驱动转子。0040实施例二0041参见图5所示，所述一级定子配流壳体12和二级定子配流壳体22的横截面内腔为圆形，外壁的横截面为多边形，可以是六边形、八边形。0042以上本发明实施例主要描述金属马达总成的两级马达结构，两级以上的马达以此类推。0043参见图1、图2、图3、图4所示，本发明实施例的工作原理驱动流体可以是液体或溶剂或气体。驱动流体从一级定子壳体11与一级定子配流壳体12之间的通道5进入，通过一级定子配流壳体12的配流孔12B进入一级定子配流壳体12与一级转子13之间的腔室，由于一级定子密封条14、一级转子密封条15的密封作用，腔室形成一级转子高压腔体13。
29、D和一级转子低压腔体13E，由于驱动流体的流动以及在一级转子高压腔体13D与一级转子低压腔体13E的压力差的作用下，一级转子13随之转动，流体通过一级转子13的一级转子径向通孔13C进入一级转子中心通道13B流出。在一级转子13旋转的过程中，一级转子高压腔体13D和一级转子低压腔体13E大小会发生变化，压力差相应也会出现波动，因此对于单个的定转子而言，旋转动力是不稳定的，为了保持动力的恒定，金属马达系统必须至少由两级定转子组成，而且不同级的转子存在一定的相位差，即，当动力流体进入一级马达1时，一部分流体通过一级定子配流壳体12的配流孔12B进入一级马达1，另一部分沿着一级转子13与一级定子配流。
30、壳体12的间隙流入二级马达2，进入二级定子配流孔22B，从而驱动二级转子23转动，最终所有流体通过所述一级转子中心通道13B、二级转子中心通道23B全部流出。0044在马达的运行过程中，驱动流体作用在转子上产生一个动力偶形成扭矩从而驱动转子旋转，单个马达产生的扭矩与定子配流壳体内腔半径R2、转子圆弧半径R1、驱动腔室的轴向长度L以及高压腔与低压腔室的压差P有关。0045本发明实施例还具有的优点马达总成采用全金属材料制成，定子的耐磨性能大大提高，可以在较高温度环境下工作；可以采用有机溶剂、酸、油基钻井液或气体来提供动力；金属马达承压能力高，因而长度较短，更适合大斜度井，多分枝井，短半径和严重狗腿的定向井中应用；可广泛适用于高温井、腐蚀井、高压井等井况钻井作业、小井眼微井眼钻井作业、连续管钻井作业、欠平衡钻井作业等，为钻井作业提供安全可靠的钻井动力。0046以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。说明书CN103806832A1/2页9图1说明书附图CN103806832A2/2页10图2图3图4图5说明书附图CN103806832A10。