一种基于双速变扭钻头的带钻柱的钻深井执行机构所属技术领域
本发明属于钻井技术领域，尤其涉及一种基于双速变扭钻头的带钻柱的钻深井执
行机构。
背景技术
目前钻井设备常采用井上动力输出，通过钻柱将动力传输到井下的钻头上。对于
要求所钻井的深度很深时，将需要超长距离的钻柱，往往通过多根钻柱拼接而成。当所钻深
井为定向钻井时，井身轴线将具有一个或多个拐点，很难保证钻柱工作在井身的中心线上，
这将会导致钻头钻井的偏离。使钻柱保持在井身的中心线上，或者仅仅保持与钻头连接附
近的钻柱在井身中心线上是非常有必要的。
对于钻头而言，目前钻井所用的钻头大多为整体铸造或者锻造，针对不同深度具
有不同硬度的岩石层的钻井，或者单一的使用较硬的钻头或者根据所钻的岩石层实时更换
钻头已达到钻井的目的。这两者均有一定的问题，对于前者在钻较软的岩石层时或多或少
对钻头产生了磨耗，这个过程中所耗费的成本比用相对软的钻头钻较软的岩石层所耗费的
成本要高，很不划算；对于后者，要经常更换钻头造成时间成本的提高。
对于推杆而言，目前推杆技术主要有两种，一种为液压驱动的液压杆，另一种为通
过电机驱动齿轮和螺杆实现。对于前者一方面需要电机驱动油泵产生具有压力的液压油，
正因为具有油压往往容易出现漏油现象，对油缸技术、密封技术要求较高，导致成本较高，
机构复杂；对于后者，使用电机驱动，结构较前者简单，但是因为使用了齿轮与螺杆的啮合
传动，当负载突变时，很容易对推杆形成致命的破坏，也就是使用范围较窄。
本发明设计一种基于双速变扭钻头的带钻柱的钻深井执行机构解决如上问题。
发明内容
为解决现有技术中的上述缺陷，本发明公开一种基于双速变扭钻头的带钻柱的钻
深井执行机构，它是采用以下技术方案来实现的。
一种基于双速变扭钻头的带钻柱的钻深井执行机构，其特征在于：它包括钻头钻
杆、施压支板、施压电磁伸缩杆、连接结构、钻头、定位支架、第二定位机构、第一定位机构、
钻柱，其中钻头安装在钻头钻杆上，钻头钻杆通过轴承安装在施压支板中心圆孔上；三个施
压电磁伸缩杆周向均匀安装在施压支板中心圆孔周边，第二定位机构安装在三个施压电磁
伸缩杆上，三个定位支架周向均匀安装在第二定位机构上侧，第一定位机构安装在三个定
位支架上；钻柱通过连接结构连接钻头钻杆；上述第一定位机构和第二定位机构具有相同
的结构，其安装方式和位置以定位支架的中心平面互相对称。
上述第一定位机构包括定位接触头、定位支板、定位电磁伸缩杆、伸缩杆外套、伸
缩杆外套顶板、加固环，其中加固环安装在定位支板上；三个伸缩杆外套均匀安装在定位支
板上，对于每一个伸缩杆外套，伸缩杆外套内部安装有定位电磁伸缩杆，定位电磁伸缩杆一
端安装有定位接触头，伸缩杆外套顶端安装有伸缩杆外套顶板；第二定位机构通过其定位
支板安装在施压电磁伸缩杆上，第一定位机构通过其定位支板安装在定位支架上；定位支
架安装在第二定位机构的定位支板上。
上述连接结构包括卡块、连接里杆导轨、连接里杆、连接套杆、连接套杆导轨槽、连
接套杆卡槽、卡块环、卡块环导轨槽，其中连接里杆安装在钻头钻杆一端，在连接里杆上对
称的安装有两条连接里杆导轨，两个卡块对称的安装在连接里杆顶端且两个卡块对称面与
两条连接里杆导轨对称面垂直；连接套杆安装在钻柱一端，连接套杆内部开有两条对称分
布的连接套杆导轨槽和两条对称分布的连接套杆卡槽，两条连接套杆导轨槽的对称面与两
条连接套杆卡槽的对称面垂直；连接里杆导轨与连接套杆导轨槽滑动配合，卡块与连接套
杆卡槽滑动配合，卡块环上对称开有两个卡块环导轨槽，卡块环安装在连接套杆端面且两
个卡块环导轨槽与两条连接里杆导轨滑动配合。
上述施压电磁伸缩杆和定位电磁伸缩杆结构完全相同，对于施压电磁伸缩杆，它
包括电磁内杆底板、电磁内杆、电磁外杆、电磁外杆顶板、u型滑块、电磁单元、单元导电片、
内杆导电片、内外杆导电片、外杆导电片、内杆弓型导轨、内杆弓型导轨中面、外杆弓型导
轨、外杆弓型导轨中面，其中电磁内杆底板安装在电磁内杆底端，电磁内杆上具有对称分布
的内杆弓型导轨；电磁外杆顶板安装在电磁外杆顶端，电磁外杆上具有对称分布的外杆弓
型导轨，电磁外杆通过外杆弓型导轨内面与内杆弓型导轨外面的配合安装在电磁内杆外
侧；电磁内杆上的内杆弓型导轨中面上安装有内杆导电片，电磁外杆上的外杆弓型导轨中
面上安装有外杆导电片，在内杆导电片和外杆导电片交接处的电磁内杆顶端端面上安装有
内外杆导电片；内外杆导电片一端固定连接内杆导电片，另一端与外杆导电片接触并对外
杆导电片施加一定压力；电磁单元两侧对称安装有两个u型滑块，两个u型滑块u型凹面内部
均安装有单元导电片，u型滑块与内杆弓型导轨、外杆弓型导轨滑动配合，单元导电片与内
杆导电片、外杆导电片滑动接触；多个电磁单元上下依次通过u型滑块安装在电磁内杆和电
磁外杆组成的空间内；上述电磁单元包括单元壳体、单元顶板、单元底板、线圈、导磁柱，其
中导磁柱一端安装有单元底板，另一端安装有单元顶板，导电线圈缠绕在导磁柱上，单元壳
体安装在单元底板上，导磁柱、线圈均位于单元壳体内；两个u型滑块对称安装在单元壳体
外侧，线圈两端分别与对称安装的两个单元导电片连接。
上述钻头包括固定杆套、第一行星支板、钻环支撑、钻环侧削头、钻削头、钻环、中
心钻盘、液力变矩器、钻头内杆、内齿环、行星齿轮、行星齿轮轴、第二行星支板、钻环支撑轴
承，其中液力变矩器输入端与钻头钻杆连接，液力变矩器输出端与钻头内杆连接，中心钻盘
上侧安装在钻头内杆一端，中心钻盘下侧安装有多个钻削头；固定杆套嵌套在钻头钻杆外
侧，第一行星支板安装在固定杆套下端，三个行星齿轮通过各自的行星齿轮轴周向均匀地
安装在第一行星支板下侧；第二行星支板安装在三个行星齿轮轴下侧，且与第一行星齿轮
支板沿行星齿轮中心面对称；液力变矩器的外壳体与第二行星支板下侧固定连接；内齿环
安装钻环支撑上端的内侧，三个行星齿轮与内齿环啮合，钻环支撑通过钻环支撑轴承安装
在液力变矩器的外壳上，钻环安装在钻环支撑下端，多个钻环侧削头周向均匀安装在钻环
外侧面，钻环下侧安装有多个钻削头；钻头钻杆上在三个行星齿轮安装位置处具有齿型，钻
头钻杆与三个行星齿轮均啮合；固定杆套安装在施压支板上。
作为本技术的进一步改进，上述第一行星支板下侧还安装有密封环。
作为本技术的进一步改进，上述行星齿轮数目可以为2、3、4、5个中的任意一个。
作为本技术的进一步改进，上述钻环下侧周向均匀开有多个钻环底槽且钻环底槽
安装位置位于钻环侧削头安装位置之间。
作为本技术的进一步改进，上述电磁外杆上还对称开有限位滑槽，并且在每个限
位滑槽上各安装有一个限位罩，电磁内杆顶端对称安装有两个限位块，两个限位块分别在
两个限位滑槽中滑动。
作为本技术的进一步改进，上述导磁柱、单元顶板和单元底板均为导磁材料。
作为本技术的进一步改进，上述电磁内杆和电磁外杆为非导磁材料。
相对于传统的钻井技术，本发明中钻头安装在钻头钻杆上，钻头钻杆通过轴承安
装在施压支板上，施压支板被施压电磁伸缩杆推动，施压电磁伸缩杆安装在定位机构上；定
位机构通过定位电磁伸缩杆调节定位机构上的定位接触头的径向距离，保证三个定位接触
头的径向距离一致，当三个定位接触头均与井身接触时，就保证了钻柱位于井身中心线上；
另外定位电磁伸缩头还保证接触头与井身产生一定的摩擦力，能够使定位机构相对于井身
固定，为钻头的固定部分提供了安装平台；工作中定位机构相对于井身固定，钻柱通过连接
结构带动钻头转动，施压电磁伸缩杆伸长，对施压支板施加一定的力，施压支板带动钻头向
前钻井。连接结构具有传动和长度可以伸缩的特性，当钻头在施压支板施压下，钻头与定位
机构之间的距离是变化，通过连接结构能够在长度变化过程中保证传动的顺利进行。本发
明在结构上和钻井的定位上具有较好的实用效果。
相对于传统的钻井钻头技术，本发明中钻头钻杆通过液力变矩器与中心钻盘连
接，中心钻盘的钻削头在与岩石碰撞过程中，液力变矩器能够调节钻盘的扭矩和转速，延长
了钻头的寿命和提高了钻井的效率；另外在中心钻盘外侧安装有钻环钻削头，钻环通过钻
环支撑上的内齿环、第一行星支板上的行星齿轮与钻头钻杆啮合，以相对于钻头钻杆较低
的相反的速度转动，这样的设计将钻环钻削头与中心钻盘钻削头内层外层结合起来，两者
之间相反的切向速度提高了岩石的破碎效率，具有较好的实用效果。
相对于传统的推杆技术，本发明中电磁单元由线圈缠绕导磁柱而成，当线圈通电
后，导磁柱两侧产生磁极；将多个电磁单元串联，当通电后，各个电磁单元产生磁极，当各个
电磁单元之间产生相同磁极时，电磁单元之间产生斥力，间距拉大；当各个电磁单元之间产
生互异磁极时，电磁单元之间相互吸引，间距缩短。设计中将多个电磁单元放入一个封闭的
空间长度可变的空间内，本发明通过非导磁材料的电磁内杆和电磁外杆之间使用弓型导轨
嵌套形成长度可调空间，并且通过电磁内杆上的限位块与电磁外杆上的限位槽的配合限定
内杆和外杆之间的伸缩量；电磁内杆和电磁外杆上的弓型导轨中面上均安装有导电片，并
且内杆导电片和外杆导电片之间通过内外杆导电片连接通电，外部电流连接电磁内杆上的
内杆导电片，在外杆滑动时，通过内外杆导电片将电流传导到外杆导电片上，内杆导电片和
外杆导电片通过与电磁单元的单元导电片接触将外部电流导入到电磁单元中，每个电磁单
元中的线圈与导电片、电源组成闭合回路。本发明通过电磁效应实现杆的伸缩，节能环保，
而且基本没有易损部件，具有较好的实用效果。
附图说明
图1是伸缩杆外部结构分布示意图。
图2是电磁单元外部结构示意图。
图3是电磁单元内部结构示意图。
图4是线圈缠绕示意图。
图5是电磁单元结构俯视图。
图6是伸缩杆整体结构俯视图。
图7是电磁内杆与电磁外杆接触结构示意图。
图8是内杆导电片和外杆导电片安装示意图。
图9是内外杆导电片安装示意图。
图10是限位块安装示意图。
图11是限位罩安装示意图。
图12是伸缩杆剖视图。
图13是钻头外部结构示意图。
图14是钻头底部结构示意图。
图15是中心钻盘及液力变矩器安装示意图。
图16是中心钻盘及其钻削头底部结构示意图。
图17是钻环结构及其安装示意图。
图18是钻环侧削头结构示意图。
图19是钻环支撑轴承安装示意图。
图20是行星齿轮安装示意图。
图21是行星支板安装示意图。
图22是钻头剖视图。
图23是钻井设备结构示意图。
图24是固定杆套安装示意图。
图25是钻井设备非运动结构示意图。
图26是定位机构结构示意图。
图27是连接里杆安装示意图。
图28是连接套杆安装示意图。
图29是连接里杆与连接套杆配合示意图。
图30是卡块环安装示意图。
图31是卡块环结构示意图。
图中标号名称：1、卡块，2、连接里杆导轨，3、连接里杆，5、钻柱，6、连接套杆，7、连
接套杆导轨槽，8、连接套杆卡槽，9、卡块环，10、卡块环导轨槽，11、钻头钻杆，12、固定杆套，
13、第一行星支板，14、钻环支撑，15、钻环侧削头，16、钻削头，17、钻环底槽，18、钻环，20、中
心钻盘，21、液力变矩器，22、钻头内杆，23、内齿环，25、行星齿轮，26、行星齿轮轴，27、第二
行星支板，28、钻环支撑轴承，29、密封环，33、施压支板，34、施压电磁伸缩杆，35、连接结构，
36、钻头，37、定位支架，39、第二定位机构，40、第一定位机构，41、加固环，42、定位接触头，
43、定位支板，45、定位电磁伸缩杆，47、伸缩杆外套，51、伸缩杆外套顶板，55、电磁内杆底
板，56、电磁内杆，57、限位罩，58、电磁外杆，59、电磁外杆顶板，60、单元壳体，61、单元顶板，
62、单元底板，63、u型滑块，64、单元导电片，65、线圈，66、导磁柱，67、电磁单元，68、限位块，
69、内杆导电片，70、内外杆导电片，71、外杆导电片，72、内杆弓型导轨，72-1、内杆弓型导轨
中面，73、限位滑槽，74、外杆弓型导轨，74-1、外杆弓型导轨中面。
具体实施方式
如图23、24所示，它包括钻头钻杆、施压支板、施压电磁伸缩杆、连接结构、钻头、定
位支架、第二定位机构、第一定位机构、钻柱，其中如图23所示，钻头安装在钻头钻杆上，钻
头钻杆通过轴承安装在施压支板中心圆孔上；三个施压电磁伸缩杆周向均匀安装在施压支
板中心圆孔周边，第二定位机构安装在三个施压电磁伸缩杆上，三个定位支架周向均匀安
装在第二定位机构上侧，第一定位机构安装在三个定位支架上；钻柱通过连接结构连接钻
头钻杆；上述第一定位机构和第二定位机构具有相同的结构，其安装方式和位置以定位支
架的中心平面互相对称。
如图26所示，上述第一定位机构包括定位接触头、定位支板、定位电磁伸缩杆、伸
缩杆外套、伸缩杆外套顶板、加固环，其中加固环安装在定位支板上；三个伸缩杆外套均匀
安装在定位支板上，对于每一个伸缩杆外套，伸缩杆外套内部安装有定位电磁伸缩杆，定位
电磁伸缩杆一端安装有定位接触头，伸缩杆外套顶端安装有伸缩杆外套顶板；第二定位机
构通过其定位支板安装在施压电磁伸缩杆上，第一定位机构通过其定位支板安装在定位支
架上；定位支架安装在第二定位机构的定位支板上。
本发明中钻头安装在钻头钻杆上，钻头钻杆通过轴承安装在施压支板上，施压支
板被施压电磁伸缩杆推动，施压电磁伸缩杆安装在定位机构上；定位机构通过定位电磁伸
缩杆调节定位机构上的定位接触头的径向距离，保证三个定位接触头的径向距离一致，当
三个定位接触头均与井身接触时，就保证了钻柱位于井身中心线上；另外定位电磁伸缩头
还保证接触头与井身产生一定的摩擦力，能够使定位机构相对于井身固定，为钻头的固定
部分提供了安装平台，如图25所示；工作中定位机构相对于井身固定，钻柱通过连接结构带
动钻头转动，施压电磁伸缩杆伸长，对施压支板施加一定的力，施压支板带动钻头向前钻
井。连接结构具有传动和长度可以伸缩的特性，当钻头在施压支板施压下，钻头与定位机构
之间的距离是变化，通过连接结构能够在长度变化过程中保证传动的顺利进行。
如图29所示，上述连接结构包括卡块、连接里杆导轨、连接里杆、连接套杆、连接套
杆导轨槽、连接套杆卡槽、卡块环、卡块环导轨槽，其中如图27所示，连接里杆安装在钻头钻
杆一端，在连接里杆上对称的安装有两条连接里杆导轨，两个卡块对称的安装在连接里杆
顶端且两个卡块对称面与两条连接里杆导轨对称面垂直；如图28所示，连接套杆安装在钻
柱一端，连接套杆内部开有两条对称分布的连接套杆导轨槽和两条对称分布的连接套杆卡
槽，两条连接套杆导轨槽的对称面与两条连接套杆卡槽的对称面垂直；如图28所示，连接里
杆导轨与连接套杆导轨槽滑动配合，卡块与连接套杆卡槽滑动配合，如图30、31所示，卡块
环上对称开有两个卡块环导轨槽，卡块环安装在连接套杆端面且两个卡块环导轨槽与两条
连接里杆导轨滑动配合。
本发明中，连接套杆导轨槽与连接里杆导轨配合使连接套杆带动连接里杆转动，
当施压支板与定位机构之间的距离发生变化时，里杆导轨在套杆导轨槽中滑动，从而伸长
了连接结构的长度。保证了钻头移动时传动的要求。
如图1、12所示，上述施压电磁伸缩杆和定位电磁伸缩杆结构完全相同，对于施压
电磁伸缩杆，它包括电磁内杆底板、电磁内杆、电磁外杆、电磁外杆顶板、u型滑块、电磁单
元、单元导电片、内杆导电片、内外杆导电片、外杆导电片、内杆弓型导轨、内杆弓型导轨中
面、外杆弓型导轨、外杆弓型导轨中面，其中如图1所示，电磁内杆底板安装在电磁内杆底
端，如图7所示，电磁内杆上具有对称分布的内杆弓型导轨；如图1所示，电磁外杆顶板安装
在电磁外杆顶端，如图7所示，电磁外杆上具有对称分布的外杆弓型导轨，电磁外杆通过外
杆弓型导轨内面与内杆弓型导轨外面的配合安装在电磁内杆外侧；如图6、8、9所示，电磁内
杆上的内杆弓型导轨中面上安装有内杆导电片，电磁外杆上的外杆弓型导轨中面上安装有
外杆导电片，在内杆导电片和外杆导电片交接处的电磁内杆顶端端面上安装有内外杆导电
片；内外杆导电片一端固定连接内杆导电片，另一端与外杆导电片接触并对外杆导电片施
加一定压力；如图2、5所示，电磁单元两侧对称安装有两个u型滑块，两个u型滑块u型凹面内
部均安装有单元导电片，u型滑块与内杆弓型导轨、外杆弓型导轨滑动配合，如图6、7所示，
单元导电片与内杆导电片、外杆导电片滑动接触；多个电磁单元上下依次通过u型滑块安装
在电磁内杆和电磁外杆组成的空间内。
如图2、3、4所示，上述电磁单元包括单元壳体、单元顶板、单元底板、线圈、导磁柱，
其中导磁柱一端安装有单元底板，另一端安装有单元顶板，导电线圈缠绕在导磁柱上，单元
壳体安装在单元底板上，导磁柱、线圈均位于单元壳体内；两个u型滑块对称安装在单元壳
体外侧，线圈两端分别与对称安装的两个单元导电片连接。
本发明中如图3、10所示，电磁单元由线圈缠绕导磁柱而成，当线圈通电后，导磁柱
两侧产生磁极；将多个电磁单元串联，当通电后，各个电磁单元产生磁极，当各个电磁单元
之间产生相同磁极时，电磁单元之间产生斥力，间距拉大；当各个电磁单元之间产生互异磁
极时，电磁单元之间相互吸引，间距缩短。设计中将多个电磁单元放入一个封闭的空间长度
可变的空间内，本发明如图7所示，通过非导磁材料的电磁内杆和电磁外杆之间使用弓型导
轨嵌套形成长度可调空间；电磁内杆和电磁外杆上的弓型导轨中面上均安装有导电片，并
且内杆导电片和外杆导电片之间通过内外杆导电片连接通电，外部电流连接电磁内杆上的
内杆导电片，在外杆滑动时，通过内外杆导电片将电流传导到外杆导电片上，内杆导电片和
外杆导电片通过与电磁单元的单元导电片接触将外部电流导入到电磁单元中，每个电磁单
元中的线圈与导电片、电源组成闭合回路。本发明通过电磁效应实现杆的伸缩，节能环保，
而且基本没有易损部件。
如图10、11所示，上述电磁外杆上还对称开有限位滑槽，并且在每个限位滑槽上各
安装有一个限位罩，电磁内杆顶端对称安装有两个限位块，两个限位块分别在两个限位滑
槽中滑动。通过电磁内杆上的限位块与电磁外杆上的限位槽的配合限定内杆和外杆之间的
伸缩量。
上述导磁柱、单元顶板和单元底板均为导磁材料。
上述电磁内杆和电磁外杆为非导磁材料。
如图13、22所示，上述钻头包括钻头钻杆、固定杆套、第一行星支板、钻环支撑、钻
环侧削头、钻削头、钻环、中心钻盘、液力变矩器、钻头内杆、内齿环、行星齿轮、行星齿轮轴、
第二行星支板、钻环支撑轴承，其中如图15所示，液力变矩器输入端与钻头钻杆连接，液力
变矩器输出端与钻头内杆连接，中心钻盘上侧安装在钻头内杆一端，如图15、16所示，中心
钻盘下侧安装有多个钻削头；如图19所示，固定杆套嵌套在钻头钻杆外侧，第一行星支板安
装在固定杆套下端，三个行星齿轮通过各自的行星齿轮轴周向均匀地安装在第一行星支板
下侧；如图20、21所示，第二行星支板安装在三个行星齿轮轴下侧，且与第一行星齿轮支板
沿行星齿轮中心面对称；如图22所示，液力变矩器的外壳体与第二行星支板下侧固定连接；
内齿环安装钻环支撑上端的内侧，三个行星齿轮与内齿环啮合，钻环支撑通过钻环支撑轴
承安装在液力变矩器的外壳上，如图17、18所示，钻环安装在钻环支撑下端，多个钻环侧削
头周向均匀安装在钻环外侧面，钻环下侧安装有多个钻削头；如图22所示，钻头钻杆上在三
个行星齿轮安装位置处具有齿型，钻头钻杆与三个行星齿轮均啮合。
如图14、22所示，本发明中钻头上破碎岩石的钻削头分为两个部分，中心部分为中
心钻盘，外侧部分为钻环；钻环通过行星齿轮直接与钻头钻杆啮合，钻环在内齿环的带动
下，转速与钻头钻杆转速相反，且转速低于钻头钻杆转速；中心钻盘通过液力变矩器与钻头
钻杆连接，在中心转盘与岩石发生碰撞过程中，液力变矩器能够根据岩石对中心钻盘的阻
力调节中心钻盘转速和扭矩，进而保护中心钻盘上的钻削头免于破坏，而且能够通过增加
扭矩来对较硬的岩石进行破碎，增加了钻头的使用范围。内外两层转速相反的钻削头的结
合还能够通过对岩石产生相反的剪切力，增加了对岩石的破坏能力；另外在钻环外侧安装
钻环侧削头，其能够防止井壁面对钻头侧壁的磨损。本发明的钻头需要结合岩石吸附设备
如冲水式吸泵来使用，目的是将破碎后的岩石从井下排出。本发明中固定杆套、第一行星支
板、行星齿轮轴、第二行星支板、液力变矩器外壳为固定件，不随钻头钻杆转动。当某钻井设
备安装本发明中的钻头时，除了提供钻柱驱动钻头钻杆外还需要提供固定端来安装固定杆
套。
如图13、22所示，上述第一行星支板下侧还安装有密封环。密封环的设计防止了碎
岩石进入行星齿轮中破坏齿轮啮合。
上述行星齿轮数目可以为2、3、4、5个中的任意一个。在空间允许的前提下，行星齿
轮的数目越多其钻环可承受的阻力越大。
如图14、18所示，上述钻环下侧周向均匀开有多个钻环底槽且钻环底槽安装位置
位于钻环侧削头安装位置之间。在钻环底部还安装有钻环底槽，其能够对钻头破碎后的岩
石起到导向排出的作用。
上述固定杆套固定在钻井设备上且不随钻头钻杆转动。