一种过线马达钻具的制作方法

本发明涉及一种钻具，属于石油勘探技术领域，具体是涉及一种过线马达钻具。

背景技术：

在石油勘探领域进行地质导向作业时，安装有过线马达的井下钻具组合从下至上依次是钻头、测量短节、过线马达、传输短节这几个主要部分，过线马达的接入，使得用于测量井下工程和地质参数的测量短节被移至过线马达下端与钻头相接，这样安装可以尽早测量钻头处的轨迹和地质参数，利于提高储层钻遇率。

过线马达是在传统马达基础上改造而来，特点是在传统马达的内部布置有线缆，该线缆可用于供电和传输数据信号，实现为测量短节供电并将测量的数据上传的双向并行传输。

过线马达一般由传动轴总成、万向轴总成、定转子动力节总成、转换抵消总成这4个部分构成，在这4个总成内部分别布置线缆，实现分段布线，整机组装的目的。根据过线马达的结构特点，在传动轴总成、万向轴总成、定转子动力节总成内部设计线缆路径技术成熟，难点在于转换抵消总成内部线缆路径的设计，因为与转换抵消总成连接的定转子动力节总成内部马达转子在定子内部做行星运动并伴随轴向移位，从中引出的线缆会跟随马达转子运动，而过线马达钻具的上端是与传输短节对接的固定电信号输出端，这需要在转换抵消总成内部设计运动抵消机构，该结构可以承受定转子动力节总成中转子行星运动及轴向移位，并将从中引出的电信号传输至马达上端固定的输出端，利用固定的信号对接头与传输短节对接。

现有技术中的转换抵消总成内部传输电信号的方法没有考虑转换抵消总成工作时内外压差过大以及采用静密封方式去解决过线轴轴向移位这两种情况下的密封可靠性，势必影响过线马达的使用寿命。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种过线马达钻具。该钻具采用柔性金属管的挠性弯曲变形抵消马达转子的行星运动，采用弹簧片的变形实现移位支撑轴在限位保护套内相对运动而不分离，实现抵消马达转子的轴向移位。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种过线马达钻具，包括与定转子动力节总成相连的转换抵消总成；其中，所述转换抵消总成包括：

抵消轴和径向移位装置，位于所述转换抵消总成的轴线上，其一端与定转子动力节总成的马达转子连接，另一端连接旋转变静态输出装置；

所述抵消轴和径向移位装置包括：

限位保护套，与所述马达转子连接，其内设置可自由伸缩的弹性密封线缆；

移位支承轴，其两端分别连接柔性金属管和弹性密封线缆；

所述限位保护套和所述移位支承轴之间通过弹簧片连接。

优选的，上述的一种过线马达钻具，

所述移位支承轴和所述限位保护套之间通过导向键和键槽相互配合并能在转换抵消总成的轴线上相对移动进而使所述弹簧片产生形变。

优选的，上述的一种过线马达钻具，所述弹性密封线缆为可自由伸缩的螺旋结构；

优选的，上述的一种过线马达钻具，所述弹性密封线缆通过导通密封针分别与马达转子和移位支承轴密封电连接。

优选的，上述的一种过线马达钻具，所述移位支承轴的一端设置有凹槽，所述柔性金属管从该凹槽穿过所述移位支承轴后与弹性密封线缆电连接。

优选的，上述的一种过线马达钻具，所述柔性金属管内设置导电针，所述导电针与所述柔性金属管设置有橡胶绝缘护套。

因此，本发明具备以下优点：采用柔性金属管的挠性弯曲变形抵消马达转子的行星运动，柔性金属管一端跟随马达转子做行星运动，另外一端被限定为与旋转变静态输出装置同轴的旋转运动；采用弹簧片的变形实现移位支撑轴在限位保护套内相对运动而不分离，实现抵消马达转子的轴向移位。其中，抵消轴、径向移位装置，移位支撑轴在限位保护套内相对运动时电信号的导通通过弹性密封线缆实现，弹性密封线缆可轴向伸缩，且两端集成密封针，密封针保证限位保护套内的高压钻井液无法侵入马达以及柔性金属管内部。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1是本发明所属过线马达钻具组合示意图；

图2是本发明转换抵消总成原理示意图；

图3是本发明转换抵消总成外型结构示意图；

图4是本发明抵消马达转子轴和径向移位结构示意图；

图5是本发明弹簧片变形对比示意图；

图6是本发明一种将电信号由旋转输出转为静态输出结构示意图；

图7是本发明v型结构橡胶件剖视图；

图8是本发明另一种将电信号由旋转输出转为静态输出结构示意图。

图1中，1-转换抵消总成，2-定转子动力节总成，3-万向轴总成，4-传动轴总成，5-测量短节，6-钻头，7-传输短节；

图3中，11-旋转变静态输出装置，12-抵消轴和径向移位装置，13-定转子动力节壳体，14马达定子，15-马达转子，16-转换抵消总成壳体；

图4中，101-限位保护套，102-弹性密封线缆，103-弹簧片，104-移位支撑轴，105-柔性金属管，106-橡胶绝缘护套，107-导电针；

图6中，201-定位心轴，202-滑动轴承，203-密封座，204-动密封组件，205-滚动轴承，206-密封销钉，207-滑环帽，208-滑环座，209-支撑托盘，210-密封护套，211-压力平衡活塞，212-导通护筒，213-密封针，214-限位托盘，215-信号对接头；

图8中，201-定位心轴，202-滑动轴承，203-密封座，204-动密封组件，205-滚动轴承，209-支撑托盘，210-密封护套，213-密封针，214-限位托盘，215-信号对接头，216-绝缘连接套，217-传输心轴，218-定位轴承，219-导通壳体，220-绝缘壳体，221-密封活塞。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1

如图1-5所示，为本实施例的一种过线马达钻具。包括与定转子动力节总成2相连的转换抵消总成1；

其中，所述转换抵消总成1包括：抵消轴和径向移位装置12，位于所述转换抵消总成1的轴线上，其一端与定转子动力节总成2的马达转子15连接，另一端连接旋转变静态输出装置11；

所述抵消轴和径向移位装置12包括：

限位保护套101，与所述马达转子15连接，其内设置可自由伸缩的弹性密封线缆102；

移位支承轴104，其两端分别电连接连接柔性金属管105内的导体和弹性密封线缆102；

所述限位保护套101和所述移位支承轴104之间通过弹簧片103连接。

作为本实施例的一种实现方式，所述移位支承轴104和所述限位保护套101之间通过导向键和键槽相互配合并能在转换抵消总成1的轴线上相对移动进而使所述弹簧片103产生形变。

作为本实施例的一种实现方式，所述弹性密封线缆102为可自由伸缩的螺旋结构；

作为本实施例的一种实现方式，所述弹性密封线缆102通过导通密封针分别与马达转子15和移位支承轴104密封电连接。

作为本实施例的一种实现方式，所述移位支承轴104的一端设置有凹槽，所述柔性金属管105从该凹槽穿过所述移位支承轴104后与弹性密封线缆102电连接。

作为本实施例的一种实现方式，所述柔性金属管105内设置导电针107，所述导电针107与所述柔性金属管105设置有橡胶绝缘护套106。

下面结合附图对本实施例的结构进行说细陈述。

如图1所示，为本实施例所属过线马达钻具组合示意图；从下至上依次为钻头6、测量短节5、过线马达、传输短节7。其中，过线马达包括：传动轴总成4、万向轴总成3、定转子动力节总成2、转换抵消总成1。过线马达内部的线缆可实现将测量短节5所测得的信号传输至传输短节7，并且为测量短节5供电，本发明主要解决过线马达的转换抵消总成1内部的电信号的传输方法，该方法可实现将马达转子端引出的复合运动电信号过渡至固定端输出。

如图2所示，为本实施例的将马达转子端引出的复合运动电信号过渡至固定端输出的原理示意图。马达转子端输出的电信号此时随马达转子做行星加轴向运动的复合运动，经抵消轴和径向移位后变为旋转运动，再经旋转变静态后转换为静态输出。

如图3所示，为本实施例转换抵消总成外型结构示意图。转换抵消总成1与定转子动力节总成2对接，在定转子动力节总成2中，马达定子14粘接在定转子动力节壳体13内壁，马达转子15在钻井液的驱动下在马达定子内部做行星运动，并在轴向有少量移位，传输电信号的线缆被固封在马达转子中，转换抵消总成内部设计有补偿组件，包括：抵消轴和径向移位装置12、旋转变静态输出装置11。抵消轴和径向移位装置12的一端与过线马达转子15固连，随马达转子做行星运动，另外一端被旋转变静态输出装置11限制在转换抵消总成的中心线上，抵消轴和径向移位装置12即可轴向伸缩又能挠性弯曲，以抵消马达的转子轴和径向移位；旋转变静态输出装置11内部设计有传输转换机构，该机构使抵消轴和径向移位装置12所引入的跟随马达转子旋转的电输出转化为静态输出，实现与过线马达上端传输短节的电信号互传。

如图4所示，为本实施例的抵消马达转子轴和径向移位装置示意图；

限位保护套101与马达转子密封连接，保护套内部安装有一条两端均有导通密封针的弹性密封线缆102，弹性密封线缆102内部密封有电信号导通线，线缆整体采用螺旋结构设计，可自由伸缩，导通密封针分别与马达转子和移位支承轴104密封连接，在移位支承轴104与限位保护套101配合面一侧，移位支承轴104外表面安装导向键，在限位保护套101内部有相应键槽，使得移位支承轴104可在限位保护套101内相对轴向平移，弹簧片103两端分别与限位保护套101和移位支承轴104固定，当二者之间产生轴向移位时，弹簧片变形(如图5所示)，弹性密封线缆也做相应伸缩。

在移位支承轴104的另一侧，移位支承轴与柔性金属管105密封连接，柔性金属管105采用塑性好的薄壁金属管，可承受周期性挠度变形，在柔性金属管内部安装有用于导通电信号的导电针107，在导电针107与柔性金属管105之间的环形空间内固封橡胶绝缘护套106，确保二者绝缘。

抵消轴和径向移位装置12在随钻时跟随马达转子运转，钻井液会充满限位保护套101，弹性密封线缆102浸于钻井液中，线缆两端的密封插针确保对接端的结构不会灌浆，并实现了电信号的导通，此时限位保护套101和移位支承轴104的相对平移抵消了马达转子的轴向移位；柔性金属105一端随马达转子做行星运动，另一端被限定于转换抵消总成的中心轴线上，在此端，马达转子15的行星运动被抵消为固定轴旋转运动，电信号也被传输至此。

采用上述结构后，本实施例采用柔性金属管的挠性弯曲变形抵消马达转子的行星运动，柔性金属管一端跟随马达转子做行星运动，另外一端被限定为与旋转变静态输出装置同轴的旋转运动；采用弹簧片的变形实现移位支撑轴在限位保护套内相对运动而不分离，实现抵消马达转子的轴向移位。其中，抵消轴、径向移位装置，移位支撑轴在限位保护套内相对运动时电信号的导通通过弹性密封线缆实现，弹性密封线缆可轴向伸缩，且两端集成密封针，密封针保证限位保护套内的高压钻井液无法侵入马达以及柔性金属管内部。

实施例2

参见图6-7，本实施例提供了一种接触式过线马达转换抵消总成及电信号传输方法。其利用相互接触实现电信号导通将沿固定轴旋转的电信号过渡至固定输出端。

针对以上问题，本实施例所提供的接触式过线马达转换抵消总成，包括：

定位心轴201，通过一滑动轴承202沿转换抵消总成1的轴心设置，其一端设置第一接触式导电结构，该第一接触式导电结构电连接穿过马达转子15的导体；

密封护套210，其内设置与所述第一接触式导电结构电接触的第二接触式导电结构，所述第二接触式导电结构一端电连接至信号对接头215。

作为本实施例的一种实现方式，所述第一接触式导电结构和所述第二接触式导电结构分别是相互配合的滑环帽207和滑环座208。

作为本实施例的一种实现方式，一抵消轴和径向移位装置12的导电针107从所述定位心轴201的轴心上穿过后电连接所述滑环帽207；

作为本实施例的一种实现方式，所述滑动轴承202设置于一密封座203的内壁上，所述密封座203固定于密封护套210上，所述定位心轴201的部分侧壁与所述滑动轴承202耦合，其一端穿过所述密封座203后通过滚动轴承205与所述密封护套210耦合。

作为本实施例的一种实现方式，所述定位心轴201通过滑动轴承202套于密封座203内；所述密封座203与所述定位心轴201之间设置有动密封组件204，所述密封护套210上设置有动密封腔体，所述密封腔体内充有绝缘液压油。

作为本实施例的一种实现方式，所述动密封腔体与一个导通护筒的内腔体相通，该导通护筒的内腔体中设置有压力平衡活塞211。

作为本实施例的一种实现方式，所述动密封腔体与导通护筒的内腔体位于所述密封护套210的两侧。

作为本实施例的一种实现方式，所述滑环座208背对所述滑环帽207的一侧设置有一能够产生轴向预紧力的弹簧。

本实施例还提供了一种接触式过线马达转换抵消方法，包括：

将穿过马达转子15的导体穿过一个定位心轴201后与第一接触式导电结构电连接；其中，所述定位心轴201通过一滑动轴承202沿转换抵消总成1的轴心设置；

将一设置于密封护套210内的第二接触式导电结构电接触于所述第一接触式导电结构后电连接至信号对接头215。

作为本实施例的一种实现方式，实现上述方法的结构可采用图6-7所示的结构。

下面结合附图进一步描述本实施例的接触式过线马达转换抵消总成及方法。

如图6所示，为本实施例提供的利用相互接触实现电信号导通的旋转变静态输出装置。

定位心轴201与柔性金属管105密封固连并跟随做旋转运动，支撑托盘209与转换抵消总成壳体内壁相配合，将此旋转运动限定在与转换抵消总成中心轴一致，定位心轴201两端分别安装一组滑动轴承202和一组滚动轴承205、中间安装一组动密封组件204，动密封组件204外侧是高压钻井液，为了确保定位心轴旋转时密封可靠，需要在动密封组件204两侧做压力平衡处理，在一侧密封护套210中形成一个密封腔体，从注油孔为腔体灌充绝缘液压油，并用密封销钉206锁紧，轴承选择时考虑到钻井液中含砂，采用硬质合金涂层的滑动轴承，绝缘液压油中采用滚动轴承。

密封腔体内外压力平衡的设计是在与密封护套连接的导通护筒中安装压力平衡活塞211，压力平衡活塞211中执行密封的橡胶件设计为v型结构并开口朝向左端钻井液一侧(v型结构橡胶件见图7)，该密封结构在密封护套灌封绝缘液压油时可保证常压条件下的密封性，当工作时，v型结构开口朝向高压端，压力越高，v口张开越大，密封效果越好，外高压推动压力平衡活塞使密封腔体内外压力平衡，确保动密封能够可靠工作。

采用上述结构后，利用压力平衡活塞211中执行密封的v型橡胶件设计结构，确保密封腔体内外的压力平衡，使得动密封组件204的动摩擦副与静摩擦副在端面贴合运转时，密封腔内的绝缘液压油不会泄漏，相比传统的静密封结构因运动部件造成密封接触面的摩擦发热带来橡胶磨损密封不可靠问题，此处采用的动密封结构，动、静摩擦副在弹簧力作用下确保二者端面的紧密贴合运转，摩擦副所使用的陶瓷材料耐磨性好，可有效提高过线马达的使用寿命。

在密封护套内部包含一套金属接触滑环，主要由端面相互接触的滑环帽207和滑环座208构成，该滑环是实现电信号旋转变静态输出的执行单元，滑环帽207与定位心轴201中的导电针相通，为保证电信号能与滑环帽207导通但与定位心轴201绝缘，在滑环帽207与定位心轴201之间布置绝缘衬垫；滑环座208集成一根导电针，导电针一直延伸至信号对接头，滑环座208和导电针均做绝缘设计：在滑环座208外安装绝缘护套、在导电针外固封橡胶绝缘护套，以实现电信号从滑环座到信号对接头的传输与外部装置绝缘。为使滑环帽207和滑环座208之间电信号的持续传输，二者要保持良好接触，选择在滑环座208的背侧安装一根能够产生轴向预紧力的弹簧，在弹簧的推力作用下，滑环座始终保持与滑环帽的紧密接触，使从定位心轴端引入的电信号能够顺利传输至信号对接头处。

采用上述结构后，本实施例将金属接触滑环的滑环帽旋转，滑环座固定，二者端面接触导通，为保证导通可靠，轴向上对滑环座施加弹性力，从而采用一套金属接触滑环将柔性金属管的旋转输出转换为固定输出。本实施例采用动密封组件实现旋转运动的密封，利用压力平衡活塞达到内外压力一致，确保动密封组件的密封可靠性。

实施例3

如图8所示，本实施例提供了一种分离式过线马达转换抵消总成及电信号传输方法。

本实施例的一种分离式过线马达转换抵消总成包括：

定位心轴201，通过一滑动轴承202沿转换抵消总成1的轴心设置，其一端通过一绝缘套216连接可导电的传输心轴217，其内设置有导体以电连接所述传输心轴217和穿过马达转子15的导体；

导通壳体219，电连接至信号对接头215并且与所述传输心轴217构成一导电腔，所述导电腔内填充有导电液。

作为本实施例的一种实现方式，所述导通壳体219内部设置有定位轴承218，所述传输心轴217的一端在该定位轴承218内转动。

作为本实施例的一种实现方式，所述滑动轴承202设置于一密封座203的内壁上，所述密封座203固定于密封护套210上，所述定位心轴201的部分侧壁与所述滑动轴承202耦合，其一端穿过所述密封座203后通过滚动轴承205与所述密封护套210耦合。

作为本实施例的一种实现方式，所述定位心轴201通过滑动轴承202套于密封座203内；所述密封座203与所述定位心轴201之间设置有第一动密封组件，所述密封护套210上设置有动密封腔体，所述密封腔体内充有绝缘液压油并通过密封活塞221密封。

作为本实施例的一种实现方式，所述传输心轴217进入所述导通壳体219的一侧与所述导通壳体219设置有第二动密封组件，所述导通壳体219上设置有密封活塞结构。

本实施例还提供了一种分离式过线马达转换抵消方法，包括：

将一定位心轴201通过一滑动轴承202沿转换抵消总成1的轴心设置并将其一端通过一绝缘套216连接至可导电的传输心轴217，在所述定位心轴201内设置导体以电连接所述传输心轴217和穿过马达转子15的导体；

将一导通壳体219电连接至信号对接头215并且与将其套于所述传输心轴217外以构成一导电腔，在所述导电腔内填流导电液以电连接所述导通壳体219和传输心轴217。

本实施例实现上述分离式过线马达转换抵消方法的结构可以采用图8所示的结构。

下面结合附图进一步对本实施例进行说明。

如图8所示，为本实施例提供的利用导电液体实现电信号导通的旋转变静态输出装置示意图。定位心轴201与柔性金属管105密封固连并跟随做旋转运动，支撑托盘209与转换抵消总成壳体内壁相配合，将此旋转运动限定于与转换抵消总成中心轴一致，定位心轴201两端分别安装一组滑动轴承202和一组滚动轴承205，中间安装一组动密封组件204，动密封组件204外侧是高压钻井液，为了确保定位心轴201旋转时密封可靠性，需要在动密封组件204内外做压力平衡处理，因此在内侧的密封护套中设计密封腔体，并在腔体中灌充绝缘液压油，轴承选择考虑到钻井液中含砂，选择硬质合金涂层的滑动轴承，绝缘液压油中选择滚动轴承。

动密封组件204两端压力平衡的设计是通过密封活塞在活塞孔中位置变化来实现，密封活塞在外高压的作用下向内挤压，促使内部绝缘液压油压力增高，直至压力平衡。从定位心轴201引出的导电针插至传输心轴217的针套中，使电信号传输至传输心轴217，在定位心轴201和传输心轴217之间设计有一硬质绝缘连接套216可将定位心轴的旋转运动传递至传输心轴217。

在充满绝缘液压油的密封腔体中设计一独立的绝缘腔，组成绝缘密封腔的绝缘壳体220整体用硬质绝缘材料加工而成，在绝缘腔中内衬金属材质导通壳体219，旋转的传输心轴217延伸至导通壳体中219，同样利用一组动密封组件，让导通壳体内部与充有绝缘液压油的密封腔体阻隔，使导通壳体形成另一独立密封腔体。在定位心轴上布置有一对滚动轴承205，轴承支撑于导通壳体内壁，使传输心轴在导通壳体中与之同轴旋转。

在导通壳体219中动密封组件两端压力平衡同样通过密封活塞在活塞孔中位置变化来实现，外部是与钻井液压力相当的高压绝缘液压油，内部灌充有导电液体，绝缘液压油挤压密封活塞运动，直至两端压力平衡。电信号的传输是利用了导电液的电导通传输特性，在导通壳体219内形成一个导电整体，将跟随传输心轴旋转的电信号传导至导电壳体219，再通过密封针传输至信号对接头处。

采用上述结构后，本实施例在在分离式过线马达转换抵消总成内部，通过密封活塞在活塞孔中位置变化实现密封腔体内外的压力平衡，使得动密封组件204的动摩擦副与静摩擦副在端面贴合运转时，密封腔内的绝缘液压油不会泄漏，相比传统的静密封结构因运动部件造成密封接触面的摩擦发热带来橡胶磨损密封不可靠问题，此处采用的动密封结构，动、静摩擦副在弹簧力作用下确保二者端面的紧密贴合运转，摩擦副所使用的陶瓷材料耐磨性好，可有效提高过线马达的使用寿命。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。