CN102209832B - 用于泥浆马达的锁紧离合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锁紧离合器，所述锁紧离合器选择性地将来自井下工具的定子的扭矩传递给井下工具的转子，所述锁紧离合器包括设置在转子上的至少一个锁定爪，其中至少一个锁定爪包括负载路径、至少一个枢转轴线和质心，其中至少一个锁定爪通过偏压机构被偏压到接合位置，其中至少一个锁定爪在位于接合位置时沿着负载路径将来自定子的力传递给转子，并且其中当转子超过脱离速度旋转时，离心力将至少一个锁定爪推动到脱离位置。

Description

用于泥浆马达的锁紧离合器

背景技术

通常执行地下钻井操作以定位(勘探)或回收(开采)地下烃沉积物。这些操作中的大部分包括用于驱动被称为钻柱的多个相互连接的钻杆的基于海上或陆地的钻机。钻机地面处的大型马达将扭矩和旋转施加到钻柱，并且钻柱部件的重量提供向下的轴向力。在钻柱的远端处安装本领域的技术人员所公知的钻井设备集合作为底部钻具组合(“BHA”)。典型地，BHA可以包括钻头、钻铤、扶正器、扩眼器、泥浆马达、旋转导向仪、随钻测量传感器以及在地下钻井中有用的任何其它装置。

当大多数钻井操作沿垂直方向开始时，井眼没有始终沿着所述井眼的整个深度保持该垂直轨迹。通常，由于钻柱具有沿着最小阻力的路径的自然趋势，因此地下地层中的变化可能导致井眼偏离垂直方向。例如，如果遇到软的容易钻孔的地层凹穴，则BHA和连接的钻柱可能会偏转，并且与相对较硬的地层相比更容易前进到该较软的地层中。虽然钻柱和BHA部件在较短的长度处相对不易弯曲，但是钻柱和BHA部件在较长的长度上变得略微易弯曲。当井眼轨迹偏差典型地表现为每钻一百英尺角度的角度改变量(即，“造斜”)时，肉眼难以觉察到井斜。然而，超过几千英尺的距离上的井斜可能是显著的。

此外，应该理解的是许多井眼轨迹如今理想的是包括规划的井斜。例如，在生产层包括水平岩层的地层中，水平地钻出穿过该岩层的单个偏斜孔与几个垂直孔相比可以提供更有效的生产量。此外，在一些情况下，优选的是钻出单个垂直主井，并且具有从所述垂直主井分支出来的几个水平井以充分地到达和开发地层的所有烃沉积物。因此，相当多的时间和资源已经致力于开发和优化定向钻井能力。

典型的定向钻井方案包括BHA中的各种机构和设备以选择性地使钻柱从其初始轨迹转向。一种这样的方案包括使用将弯外壳装置与底部钻具组合结合的泥浆马达。在标准的旋转钻井实施中，钻柱从所述地面旋转以将扭矩施加到钻头以下。另一方面，使用连接到底部钻具组合的泥浆马达可以从所述泥浆马达将扭矩施加到钻头，从而消除对使钻柱从所述地面旋转的需求。虽然存在许多种泥浆马达时，但是大多数可以被分成涡轮泥浆马达(即，涡轮钻具)或容积式泥浆马达。不用考虑设计细节，大多数泥浆马达都通过将高压钻井泥浆流转换成机械能来工作。

油田应用中使用的钻井泥浆典型地通过钻柱的孔被以高压抽吸到井底的钻头。一旦到达钻头处，钻井泥浆就会通过多个喷嘴传送到井眼，其中钻井泥浆流冷却、润滑和清洁钻屑从而远离钻头的切削面。一旦钻井泥浆被排出，则允许钻井泥浆通过井眼(即，地层或套管柱的内径)与钻柱的外轮廓之间形成的环状空间返回到地面。承载有钻屑的钻井泥浆返回到地面。

当使用泥浆马达时，不需要使钻柱旋转以使钻头相对于井眼旋转。相反，当钻头穿过地层时，允许位于泥浆马达上方的钻柱“滑动”到井眼中。如上所述，弯外壳可以和泥浆马达一起使用以定向地钻井眼。弯外壳除了其中包含低角度弯曲部之外可以类似于BHA的通常部分。此外，弯外壳可以为连接到泥浆马达上方的单独部件(即，弯接头)，或者本身可以为马达壳体的一部分。

通过BHA中的各种测量和遥测装置，地面上的钻井操作者能够确定弯外壳中的弯头被定向到哪个方向。钻井操作者接着可以旋转钻柱，直到所述弯头沿着期望的井斜的方向且钻柱旋转停止为止。钻井操作者然后启动泥浆马达，并且仅通过使用泥浆马达驱动钻头使得钻柱在没有旋转的情况下前进(即，滑动)到BHA后面的井眼中来钻偏斜井眼。

当换向完成且再次需要“直”轨迹时，钻井操作者连续地旋转整个钻柱以消除弯外壳对钻柱轨迹的定向影响。当再次需要改变轨迹时，钻柱的旋转停止，BHA再次被定向到所需方向上，并且泥浆马达沿该轨迹钻近，同时钻柱的其余部分滑动到井眼中。

当钻柱的旋转停止且BHA的向前前进通过泥浆马达而继续时，通过泥浆马达和弯外壳进行定向钻井出现一个缺陷。在这些时段期间，钻柱在对井眼进行钻进时进一步地滑动到井眼中，并且不会享有能够旋转以防止钻柱卡在地层中的益处。具体地，这种操作可能带来增加使钻柱将卡在井眼中的风险，并且将需要昂贵的打捞操作以取出钻柱和BHA。

近年来，在致力于与没有旋转的钻井有关的问题中，已经开发出旋转导向系统(“RSS”)。在旋转导向系统中，BHA轨迹偏转，同时钻柱继续旋转。因而，旋转导向系统大致分为两个类型，推进钻头系统和面向钻头系统。在推进钻头RSS中，一组可膨胀止推力块从BHA侧向地延伸以将钻柱推动和偏压到预定轨迹中。

一种这样的系统的实例记载在美国专利第5,168,941号中。为了在钻柱旋转的同时进行该操作，可膨胀推进器从公知的钻井钻具组合的对地静止部分延伸。对地静止部件不会相对于地层旋转，而钻柱的其余部分旋转。当对地静止部分保持沿着基本上一致的方向时，地面上的操作者可以通过可膨胀推进器相对于对地静止部分的位置将BHA的其余部分引导到预定轨迹中。

相比之下，面向钻头RSS包括在组件内的铰接定向单元，以使BHA的其余部分“面向”预定轨迹中。这种系统的实例记载在美国专利号6,092,610和5,875,859中。如同推进钻头RSS一样，面向钻头系统的定向单元位于对地静止钻铤上或者具有机械或电子的对地静止基准面，使得钻井操作者知道BHA轨迹将沿着哪个方向。代替一组侧向延伸的推进器，面向钻头RSS典型地包括液压或机械致动器，以将铰接定向单元引导到预定轨迹中。

同样地，泥浆马达可以和RSS定向钻井系统一起使用。具体地，在特定的情况下，当RSS和钻头由泥浆马达驱动时，钻头可以钻得较快，从而使得旋转速度与仅仅由钻柱提供的旋转速度相比更大。在这种布置中，钻柱可以以相对低的速度旋转以防止钻柱卡在井眼中，同时定位在RSS组件上方的泥浆马达输出轴(即，转子)以较高的速度驱动钻头。

同样地，容积式泥浆马达(“PDM”)在钻头处利用莫依诺原理将高压钻井液的能量转换成机械能，该容积式泥浆马达的一个早期的实例在美国专利第4,187,918号中给出。PDM典型地使用连接到钻柱的末端的螺旋形定子，并且具有接合在所述定子中并通过主动轴连接到BHA的其余部分的相应的偏心螺旋形转子。同样地，流动通过钻柱的孔的受压钻井液接合定子和转子，因此在转子上产生合扭矩，所述合扭矩接着被传送到钻头下面。历史上容积式泥浆马达已经表现出具有低速度但具有至钻头的高扭矩输出的特征。同样地，PDM的特征通常最适合于和牙轮钻头以及聚晶金刚石复合片(PDC)钻头一起使用。此外，由于PDM的转子的偏心运动，公知的是PDM产生大的横向振动，这可能会损坏其它钻柱部件。

相比之下，涡轮泥浆马达使用用于向钻头提供旋转力的一个或多个涡轮动力部分。每一个动力部分由非移动式定子叶片以及包括机械地连接到转子轴的转动叶片的转子组件构成。优选地，动力部分设计成使得定子台(stator stage)的叶片将钻井泥浆流引导到相应的转子叶片中以提供旋转。可以为单个工件或者可以包括两个或更多个诸如挠性轴和输出轴的联动轴的转子轴最终连接到钻头并驱动钻头。因此，流入转子叶片的高速钻井泥浆引起转子和钻头相对于定子外壳旋转。历史上，涡轮泥浆马达已经表现为具有高速但具有至钻头的低扭矩输出的特征。此外，由于高速以及没有设计任何在偏心路径中移动的转子部件，因此涡轮泥浆马达的输出典型地更平稳且认为适于金刚石切削刀钻头。通常，发动机组件的“定子”部分为发动机主体的连接到钻柱和BHA的其余部分并以与所述其余部分相同的速度旋转的一部分。

然而，由于涡轮泥浆马达的特征为低扭矩输出，因此连接到所述涡轮泥浆马达的钻头在遇到特定的地层时更容易变得被卡住。这出现在使钻头旋转所需的扭矩变得大于马达叶片能够产生的扭矩。由于钻头在“旋转”钻井(即，仅利用钻柱的旋转来驱动钻头的钻井)期间被卡住，因此通常是通过整个钻柱在地面上施加大的扭矩以释放钻头。然而，在使用井下马达的BHA中，转子与定子之间的旋转可以防止扭矩从钻柱传送到钻头。因此，仅有可以传送到卡住的钻头以释放钻头的扭矩为泥浆马达能够产生的扭矩。由于涡轮泥浆马达产生相对低的扭矩，因此涡轮泥浆马达不能移去卡住的钻头。

已经尝试建立在钻头变得被卡住的情况下用于将马达或涡轮壳体锁定到转子轴的装置，包括美国专利2,167,019、4,232,751、4,253,532、4,276,944、4,299,296和4,632,193。这些装置通常需要从地面插入，例如拉动钻柱或推在钻柱上或者控制流体流量，以接合离合器装置。

其它参考文献公开了“单向离合器”装置，所述单向离合器具有用于在主体旋转且钻头停转时自动将转子锁定到定子的装置，并且允许转子在钻头的速度大于定子速度时自由旋转。然而，这些装置不能防止锁定装置在正常操作期间(即，当钻头没有被卡住且轴以与马达主体相比较快的速度旋转时)摩擦配合的转子或定子。因此，除非所述锁定装置处于密封环境并从而能够防止所述锁定装置被钻井泥浆磨蚀，否则锁定装置可能会快速磨损并失去其功能。然而，在涡轮和一些高速泥浆马达的相对高的速度下，密封是非常不可靠的，因此大多数井下涡轮机和泥浆马达以非密封的泥浆润滑的轴承组件构造而成。

仍然需要用于防止钻头变得被卡住且用于释放卡住的钻头的泥浆马达和方法。理想的是能够将来自钻柱的扭矩施加到泥浆马达的定子并接着将该扭矩从马达的定子施加到转子，而不需要操纵钻柱或流量。此外，有利的是提供一种装置，所述装置在钻头被卡住且定子自由旋转时用于使马达定子接合到马达转子，而在转子以大于定子的转速的特定转速旋转时使所述装置脱离。

发明内容

一个方面，本发明涉及一种锁紧离合器，所述锁紧离合器选择性地将来自井下工具的定子的扭矩传递给井下工具的转子。锁紧离合器包括设置在转子上的至少一个锁定爪，其中至少一个锁定爪包括负载路径、枢转轴线和质心。此外，至少一个锁定爪通过偏压机构被偏压到接合位置，并且至少一个锁定爪在位于接合位置时沿着负载路径将来自定子的力传递给转子。此外，当转子超过脱离速度旋转时，离心力将至少一个锁定爪推动到脱离位置。

另一方面，本发明涉及一种选择性地将来自井下钻井马达的定子的扭矩传递给井下钻井马达的转子的方法。所述方法包括以下步骤：将离合器定位在定子与转子之间，其中离合器包括至少一个锁定爪，所述至少一个锁定爪可绕着枢转轴线在接合位置与脱离位置之间旋转；和当转子的速度超过脱离速度时，通过离心力使至少一个锁定爪从接合位置旋转到脱离位置。此外，所述方法包括以下步骤：当转子的速度下降到低于脱离速度时，使至少一个锁定爪从脱离位置旋转到接合位置；和当至少一个锁定爪位于接合位置时，通过至少一个锁定爪的负载路径将来自井下钻井马达的定子的扭矩传递给井下钻井马达的转子。

附图说明

本发明的其它方面和优点将从以下说明和所附权利要求清楚呈现。

图1A-1C显示根据在此公开的实施例的井下工具；

图2A和图2B显示根据在此公开的实施例的锁紧离合器；

图2C显示根据在此公开的实施例的图2A和图2B的锁紧离合器的爪；

图3是根据在此公开的实施例的位于接合位置的锁紧离合器的横截面图；

图4是根据在此公开的实施例的位于脱离位置的锁紧离合器的横截面图；

图5是根据在此公开的实施例的锁紧离合器的立体图；和

图6A和图6B显示根据在此公开的实施例的图5的锁紧离合器的爪。

具体实施方式

在一个方面中，在此公开的实施例涉及旋转式井下工具。更具体地，在此公开的实施例涉及用于驱动钻头的井下马达组件。更具体地，在此公开的实施例涉及用于选择性地接合井下工具的转子与定子以驱动钻头的锁紧离合器。

初始参照图1A-C，显示了根据本发明的一个实施例的井下涡轮式泥浆马达轴承5。具体地，如图1A所示，井下马达轴承组件5由涡轮钻具驱动；然而，本领域的技术人员将会理解根据本发明的实施例的锁定机构也可以连接到容积式井下马达或电动机，所述马达的壳体(即，定子)典型地具有相同的特征，即所述壳体与转子旋转分离。图1A为涡轮轴承组件的代表图，所述涡轮轴承组件具有连接到涡轮动力部分的上部连接件15和可连接到钻头(未示出)的下部连接件16。壳体2可以包含涡轮机5的几个操作部件(例如，轴颈轴承、止推轴承等)，本领域的技术人员在不需要进一步公开的情况下将能够设计所述部件。优选地，上部连接件15相对于壳体2旋转地固定，而下连接件16相对于转子1可旋转地固定(图1B和图1C中可看出)。

涡轮式井下马达5通过经由钻柱将钻井液抽吸到环状空间10中进行操作。钻井液流被引导通过多个涡轮叶片(在上部连接件15的上方位于涡轮动力部分中，未示出)，以便在转子1上提供旋转力。在钻井液被涡轮叶片使用之后，钻井液通过第二环状空间11并继续通过下部连接件16排出涡轮式井下马达5。本领域的技术人员将能够设计用于提供旋转力的适当的马达部分。为了选择性地将来自壳体2的扭矩传送到转子1，在此公开的实施例使用锁定机构以选择性地在壳体2与转子1之间提供旋转连接。在一个或多个实施例中，锁定机构可以为锁紧离合器，所述锁紧离合器可以被称为单向离合器。

如上所述，当井下马达在钻井期间停止时，或者当钻头变得被卡住时，可能需要从壳体2传递扭矩到转子1。图1C显示根据在此公开的实施例的锁定机构的详细视图。在该实施例中，锁定机构被设置在转子1的下端处(图1A中显示出涡轮式井下马达5上的位置)。将锁定机构定位在转子1的下端上的一个优点在于转子1在其下端处可以最坚固。图1B中显示了转子1的上端的相对尺寸。

在一些实施例中，转子1的下端与上端相比能够经受三倍到四倍的扭矩量。将锁定机构设置在下端处还能够防止大量扭矩通过转子1的其它较弱部分被传递。然而，本领域的技术人员将会理解，锁定机构在不背离在此公开的实施例的保护范围的情况下也可以设置在井下马达的其它位置(包括上端)。

参照图1C，显示了可以根据本发明的一个实施例使用的锁紧离合器20。锁紧离合器20被设计成根据转子1与壳体2之间的相对旋转接合。当井下马达在钻井期间正确地操作时，转子1将以与壳体2相比较高的速度(例如，1000转/分钟)转动，其中所述壳体可以以基本上恒定的低速(例如，40转/分钟)转动。如果钻头旋转变得受到限制，转子1缓慢转动或停止转动，但是以钻柱速度被驱动的壳体将继续使转子转动。

为了防止钻头和马达停止，锁紧离合器20可以被构造成在转子1的旋转速度不再超过壳体的旋转速度时(即，当壳体2与转子1之间的相对旋转为零时)，使壳体(即，定子)2与转子1接合并将扭矩从壳体2施加到转子1。当出现该情况时，锁紧离合器将使旋转壳体与转子机械接合或连接，并且这时使钻头旋转并使钻头被从卡住状态释放出来。接合之后，如果钻头被释放且转子1的旋转由于受到涡轮叶片的驱动而重新开始，则锁紧离合器20将首先使转子2与壳体1机械地脱离，然后使转子2与壳体1离心脱离，并因此允许马达继续正常操作。由于一旦转子1超过钻柱和壳体的速度，锁紧离合器20就能够自己松脱和脱离，因此不需要起出钻柱以修理或重置马达组件。

此外，由于离合器在转子的速度超过壳体的速度的任何时刻都将相对于壳体松脱，因此在相对低的转子速度下，离合器接合装置将擦过壳体，从而由于钻井泥浆的磨蚀性质而造成显著的磨损。为了防止过度磨损，离合器被设计成一旦达到给定的旋转速度阈值就保持持续脱离。下面将更详细的说明锁紧离合器20。

参照图2A和图2B(其中图2B是图2A的分解图)，显示根据本发明的实施例的锁紧离合器200。锁紧离合器200被构造成使旋转式井下工具201的转子202与定子204(例如，图1的壳体2)选择性地接合。本领域的技术人员将会理解井下工具201可以为本领域所公知的任何旋转工具，包括但不限于电动机、涡轮式泥浆马达(即，涡轮钻具)或容积式泥浆马达。在显示的实施例中，锁紧离合器200包括安装在转子202上的托架组件206。当托架组件206显示为由可以接合在转子206上的单个圆柱形件形成时，应该理解的是所述托架组件在可选实施方式中可以由绕转子206连接的多个元件形成。此外，一个或多个键207可以插入托架组件206与转子202之间，以将托架组件206旋转地锁定在转子202上的适当位置。可选地，可以根本不需要单独的托架组件，而是转子包含保持锁定爪208所必需的所有结构。

此外，托架组件206包括绕着托架组件206沿圆周方向设置的一个或多个锁定爪208。同样地，爪208优选地被构造成接合转子202的外周边中形成的多个凹部210。爪208可以通过本领域所公知的任何方法连接到托架组件206，使得每一个爪208都可以绕着枢转轴线212旋转。例如，圆柱形侧销216可以插入及锁定在托架组件206中形成的相应开口220中。偏压构件214可以设置在每一个爪208的侧销216与托架组件206之间，从而向内朝向凹部210将爪208偏压到“接合”位置，使得爪208与转子202中形成的相应凹部210接合。此外，如图所示，托架端板234接合在爪托架206和爪208的后面以将爪208锁定到爪托架组件206中。同样地，托架端板234包括相应的开口220以容纳爪208的圆柱形侧销216。另外，止动销224在托架端板234与爪托架206之间延伸，以防止爪208绕着枢转轴线212旋转得太远。

在可选的实施例中，圆柱形侧销216可以不插入开口220中。相反地，爪208插入托架组件206中，使得圆柱形侧销216紧邻托架组件206的内表面设置。如图5所示，在该实施例中，爪208包括至少一个设置在爪208的至少一侧的延伸部209。延伸部209被构造成与托架组件206的内径上形成的相应的下部凹陷211接合。因此，在该实施例中，爪208可以绕着至少两个枢转轴线(图6B中的A和B)在托架组件206内移动，下面将更详细地说明。延伸部209与相应的下部凹陷211的接合限制爪208在托架组件206内的旋转，从而可防止爪208旋转。

在一个实施例中，偏压构件214可以为例如环绕侧销216设置的扭转弹簧。在一个可选的实施例中，托架端板234中的切口222可以形成为引导钻井液(即，钻井泥浆)流横越爪208，使得所述流体流帮助朝向接合位置向内偏压爪208。同样，爪208的后侧可以被构造成使横过所述后侧的钻井泥浆的纵向流转向以产生径向力。

在一个实施例中，偏压构件214可以被选择为使得锁定爪208被偏压构件214提供的预定扭矩朝向接合位置偏压。当转子202以相对低的速度旋转时，偏压构件214的弹力将锁定爪208的前端232推动到转子202上的相应凹部210中，并且将后端240推动成交替地与壳体204上的锁定凹口242和与壳体内径218接触。当爪208的后端240旋转经过锁定凹口242时，锁定凹口242用作用于将爪208从锁定凹口242中机械地驱动出来的凸轮面。然后，爪208在低速度下仅用作传统的棘轮机构，其中爪208在接合位置与脱离位置之间交替变化。每一个爪208都具有通常以M表示的质心。如图所示，质心M相对于枢转轴线212偏移距离D。转子202的旋转产生离心力，所述离心力作用在质心M上。由于质心M偏离枢转轴线212(图2B)或枢转轴线(图6B)，因此所述离心力将导致扭矩被施加到锁定爪208，所述扭矩沿着与偏压构件214施加的扭矩方向相反的方向。因此，当转子202的旋转速度增加时，每一个爪208上作用在质心M上的离心力增加，并且产生的扭矩相应地增加。当由作用在每一个爪208上的离心力产生的扭矩克服了偏压构件214的弹力产生的扭矩时，爪208不再被推动成与锁定凹口242和壳体内径218接触，从而与机械的松脱作用相比通过离心作用保持锁紧离合器200脱离。所述离心力可以由以下公式限定：

F_离心力＝M·r·ω²    (1)

其中M为爪的质量，r为从爪的质心到涡轮轴的中心的距离，ω为涡轮轴的旋转速度。止动销224可防止爪208离心旋转得太远而与凹部210脱离。由离心力产生的扭矩可以由以下公式限定：

T_离心力＝F_离心力·D    (2)

参照图3和图4，显示了分别位于接合位置和脱离位置的锁紧离合器200的横截面图(从底部观察)。在钻井操作期间，定子204由于钻柱旋转驱动而如箭头S所示旋转，并且转子202如箭头R所示旋转。如图所示，旋转R和旋转S沿着相同的方向。在正常状态下，旋转S与旋转R相比在角速度上显著地较低。典型地，在钻井期间，转子202在非常高的速度(例如，400-2000RPM)下以较低扭矩旋转，而定子204和相应的壳体230以钻柱的其余部分的较低速度(例如，大约10-100RPM)和较高扭矩旋转。

如以上参照图2A-2C所述，设置在锁定爪208上的偏压构件214朝向定子204中形成的相应凹部242中的接合位置偏压锁定爪208。当转子202的旋转速度在方向R上增加时，绕着锁定爪208的枢转轴线212作用在质心M上的离心力根据上面显示的公式1增加。一旦转子202的速度达到脱离速度，作用在锁定爪208的质心M上的离心力大于朝向接合位置推动锁定爪208的偏压构件214的弹力。锁定爪208以大于并包括脱离速度的速度绕着枢转轴线212向外旋转，并且后边缘240从壳体内径218升离。

参照图5、图6A和图6B中显示的实施例，设置在锁定爪208上的偏压构件214朝向定子204中形成的相应凹部242中的接合位置偏压锁定爪208(图3)。当转子202的旋转速度在方向R上增加时，作用在质心M上的离心力根据上面显示的公式1增加。然而，在该实施例中，爪208绕着各个枢转轴线枢转。因此，枢转轴线在此可以被称为动态枢转轴线。参照图6B，显示根据在此公开的实施例的爪208的侧视图。爪208以低速度绕着枢转轴线A旋转。在该实施例中，枢转轴线A与爪208的前边缘232与转子202之间的接触线相对应。

一旦转子202的速度达到脱离速度，作用在锁定爪208的质心M上的离心力就会超过偏压构件214的弹力。锁定爪208径向向外移动，直到延伸部209接触托架组件206中的下部凹陷211为止。一旦延伸部209接触下部凹陷211，爪208就会绕着如枢转轴线B所表示的接触线在延伸部209与下部凹陷211之间旋转。因此，锁定爪208以大于并包括脱离速度的速度绕着枢转轴线B向外旋转，并且后边缘240从壳体内径218升离。因此，在该实施例中，爪208的枢转轴线可以移动或改变，从而允许爪208在托架组件206内更多地运动，并且防止接合负载传送到托架组件206。此外，本领域的技术人员将认识到具有1个、2个或更多个枢转轴线，爪208根据爪208、托架组件206和延伸部209的几何结构绕着所述枢转轴线移动。

应该注意的是脱离速度包括定子204和转子202一起的旋转。由于定子204在方向S上旋转，而转子202在方向R上旋转，并且转子202由定子204驱动，因此总旋转速度(即，R+S)将影响作用在爪的质心M上的离心力。转子速度R相对于定子的速度应该被限定为转子速度。因此，如果钻柱以100RPM旋转且锁紧离合器200的脱离速度为400RPM，则锁紧离合器在转子速度R在零与300RPM之间时将机械地松脱，而在转子速度R超过300RPM时将保持脱离。同样地，本领域的技术人员将会理解偏压构件214可以被选择为使得锁定爪208在转子202的特定的脱离速度下保持脱离。例如，在一个实施例中，锁定爪208在大约300到400RPM的总转子速度下可以保持与相应的凹部210脱离。此外，本领域的技术人员也将会认识到锁定爪208的几何结构和材料特性(例如，密度)可以改变以获得特定的脱离速度。具体地，质心M相对于枢转轴线212的大小和位置可以改变以获得特定的脱离速度。假设特定的尺寸限制，有利的是可以由诸如碳化钨的高密度材料制造锁定爪208以增加所述锁定爪的质量。

参照图3和图4，将说明锁紧离合器200的接合。在钻头(未示出)在旋转速度下变得被卡住或减速的情况下，锁紧离合器200使定子204与转子202接合并将扭矩从定子204传递到转子202，以便以下述方式驱动钻头通过地层。当转子202的速度减慢时，作用在锁定爪208上的离心力减小。当转子202的总旋转速度减慢到小于脱离速度时，由离心力产生的扭矩小于来自偏压构件214的扭矩，并且锁定爪208由于偏压构件214的弹力绕着所述锁定爪各自的枢转轴线(图2B中的212或图6B中的A、B)旋转，从而将锁定爪208的后端240推动到与定子204的内径218以及锁定凹口242接触。

当转子202继续减慢并且锁定爪208的前边缘232移动到相应的凹部210中时，锁定爪208的后端240径向向外延伸到与定子204的内径218以及锁定凹口242接触。一旦延伸，只要转子202的旋转速度R超过定子204的旋转速度S，锁定爪208的后端240将通过形成在定子的内径204上的多个锁定凹口242“松脱”。只要总转子速度低于脱离速度，锁定爪208在转子速度R(如先前相对于定子速度S所限定)为零时将接合。如此限定的转子速度R为零的状态被称为“接合速度”。

锁定凹口242优选地被构造成使得当爪208的后端240旋转得比定子204快时，爪208的后端240不会干扰转子202的旋转。然而，当转子202减慢到接合速度时，锁定爪208由于定子204的锁定凹口242接合锁定爪208的后端240而接合相应的凹部210。一旦接合，旋转力(即，扭矩)就会沿着延伸通过爪208的负载路径250被从定子204传递到转子202。优选地，爪208被设计成使得负载路径250基本上平直地延伸通过锁定爪208而没有弯曲或剪切负载。因此，定子204提供足够的扭矩以驱动转子202，并因此驱动钻头(未示出)钻穿地层。一旦难处理的地层被钻进(或钻压降低)，驱动钻头的马达再次能够自由加速，因此一旦转子速度R超过定子速度S就使锁紧离合器200机械地脱离并自动地进入松脱模式。

有利地，根据本发明的实施例的钻井有助于防止钻头在和井下马达一起使用时变得被卡住。此外，如果钻头变得被卡住，则本发明的实施例可以用于释放钻头。典型地，当使用井下马达钻井时，钻柱以低速度旋转，而使钻头转动的井下马达的轴以较高的速度旋转。在正常状态下，根据本发明的实施例的锁定机构将保持脱离。然而，在井下马达停止或减速到低于确定的速度的情况下，锁定机构可以接合，使得缓慢旋转的钻柱可以将扭矩施加到停止的钻头。例如，如果钻柱通过地面旋转工具以100RPM旋转且同时井下马达以200RPM旋转，则根据在此公开的实施例的锁紧离合器在井下马达减速到等于100RPM的旋转速度时将接合。由此，来自地面旋转工具的扭矩将被传递到轴，以相对于地层保持钻头旋转。一旦钻头穿透难以处理的地层，井下马达可以接着重新获得并返回到较高的旋转速度，从而将使锁紧离合器自动地脱离，所述锁紧离合器初始通过机械松脱而脱离，然后通过离心力完全保持脱离。

虽然已经关于有限的实施例说明本发明，但是得益于本发明的本领域的技术人员将会认识到在不背离本发明的保护范围的情况下可以获得其它实施例。因此，本发明的保护范围应该仅由随附的权利要求所限定。

Claims (21)

1.一种锁紧离合器，所述锁紧离合器选择性地将来自井下工具的定子的扭矩传递给所述井下工具的转子，所述离合器包括：

至少一个锁定爪，所述至少一个锁定爪径向地设置在所述转子和所述定子之间，并且配置为接合形成在转子的外周边中的至少一个凹部，其中所述至少一个锁定爪包括负载路径、至少一个枢转轴线和质心，所述至少一个枢转轴线设置在转子的外周边中的至少一个凹部的径向外部；和

偏压机构，所述偏压机构配置为将所述至少一个锁定爪偏压到接合位置；

其中所述至少一个锁定爪在位于所述接合位置时沿着所述负载路径将来自所述定子的力传递给所述转子；以及

其中当所述转子超过脱离速度旋转时，离心力将所述至少一个锁定爪围绕所述至少一个枢转轴线推动到脱离位置。

2.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述至少一个锁定爪被构造成：当所述转子的总旋转速度不大于所述定子的旋转速度且小于所述脱离速度时所述至少一个锁定爪位于所述接合位置。

3.根据权利要求2所述的锁紧离合器，其中，所述至少一个锁定爪被构造成：当所述转子的总旋转速度大于所述定子的旋转速度且小于所述脱离速度时，所述至少一个锁定爪松脱。

4.根据权利要求2所述的锁紧离合器，其中，所述接合速度与所述脱离速度相同。

5.根据权利要求2所述的锁紧离合器，其中，所述接合速度低于所述脱离速度。

6.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述偏压机构包括扭转弹簧。

7.根据权利要求6所述的锁紧离合器，其中，所述扭转弹簧的尺寸形成为在所述转子低于接合速度旋转时使所述至少一个锁定爪移动到所述接合位置。

8.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述偏压机构包括跨过所述至少一个锁定爪的流体流。

9.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述井下工具为容积式泥浆马达。

10.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述井下工具为涡轮式泥浆马达。

11.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述井下工具为电动机。

12.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述定子旋转地固定到钻柱。

13.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述转子包括多个相应的凹部，所述凹部被构造成在所述至少一个锁定爪位于所述接合位置时容纳所述至少一个锁定爪。

14.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述定子的内径包括被构造成容纳所述至少一个锁定爪的后端的多个锁定凹口。

15.根据权利要求14所述的锁紧离合器，其中，所述至少一个锁定爪的所述后端被构造成在所述转子以大于所述定子的速度但小于所述脱离速度的速度旋转时跨过所述锁定凹口松脱。

16.根据权利要求14所述的锁紧离合器，其中，所述至少一个锁定爪的所述后端被构造成在所述转子以小于或等于所述定子的旋转速度的速度旋转时接合所述锁定凹口中的一个。

17.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述至少一个锁定爪包括具有大于钢的密度的材料。

18.根据权利要求1所述的锁紧离合器，其中，所述锁定爪包括动态枢转轴线。

19.根据权利要求18所述的锁紧离合器，其中，所述动态枢转轴线根据所述转子的旋转速度的变化从第一轴线位置转变到第二轴线位置。

20.一种选择性地将来自井下钻井马达的定子的扭矩传递给所述井下钻井马达的转子的方法，所述方法包括以下步骤：

将离合器定位在所述定子与所述转子之间，其中所述离合器包括能够绕着设置在转子的径向外部的枢转轴线在接合位置与脱离位置之间旋转的至少一个锁定爪；

当转子的速度低于脱离速度时，通过离心力围绕第一枢转轴线朝向脱离位置旋转所述至少一个锁定爪；

当所述转子的速度超过脱离速度时，通过离心力使所述至少一个锁定爪围绕第二枢转轴线从所述接合位置旋转到所述脱离位置；

当所述转子的速度下降到所述脱离速度以下时，使所述至少一个锁定爪从所述脱离位置旋转到所述接合位置；和

当所述至少一个锁定爪位于所述接合位置时，通过所述至少一个锁定爪的负载路径将来自所述井下钻井马达的定子的扭矩传递给所述转子。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，偏压构件将所述至少一个锁定爪推动到所述接合位置。

Images