CN102947533B - 用于井下旋转转向钻井工具的高负载万向接头 - Google Patents

Abstract

一种技术通过提供万向接头帮助井下钻井应用。万向接头具有在紧凑的和简单的配置中呈现的高承载能力。高承载能力通过采用独特的负载传递机构的技术实现。例如，可通过负载共享原理提供更高的承载能力，其中通过万向接头销和万向接头四通的侧面共同地传递扭矩负载。也可通过具有集成销和开口轭/连接叉组合的整体式四通传递负载而实现更高的承载能力。在另一个实施方案中，通过采用从万向接头的内部插入并向外转动直至实现与接头轭的充分啮合的万向接头销而产生更高的承载能力。每个万向接头实施方案也可被设计为通过接头实现钻井泥浆的压力密封的流动。

Description

用于井下旋转转向钻井工具的高负载万向接头

相关申请的交叉引用

本申请文件基于并要求于2010年6月18日提交的美国临时专利申请No.61/356,469的权益，其通过引用并入本文。

背景

基于“指向钻头式”原理的旋转转向钻井系统要求转向单元中的挠性接头以动态地连接钻头轴的下部(钻头轴端)与主工具管柱。钻头轴的轴线相对于主工具轴线倾斜固定的或可变的角度，从而“指向”期望的转向方向中的钻头。挠性接头允许通过接头的中心抽出钻井液。在工具外径和井孔的直径之间保持足够大的径向间隙以允许钻井液和钻屑流回表面。挠性接头将钻探负载(扭矩和轴向负载)从主工具管柱传递到钻头。

例如，在一些旋转转向钻井系统中，万向接头采用围绕钻头轴的周围的大量陶瓷球来将钻井扭矩传递至以相应的圆柱形通道为特征的扭矩环。在扭矩环中通过陶瓷球和通道之间的点/线接触传递负载。通过远离万向接头的中心的单独的一组球形推力轴承来传递轴向负载。需要两对推力轴承以允许要传递的压缩和拉伸轴向负载。现有的设计复杂且负载能力有限，尤其是对于较小的钻孔尺寸。

发明概述

一般地，本发明提供一种可用于井下旋转转向钻井应用的万向接头系统。该万向接头具有在紧凑的和简单的配置中呈现的高承载能力。高承载能力通过采用独特的荷载传递机构的技术实现。例如，可通过负载共享原理提供更高的承载能力，其中通过万向接头销和万向接头四通的侧面共同地传递扭矩负载。也可通过具有集成销和开口轭/连接叉组合的整体式四通来传递负载而实现更高的承载能力。在另一个实施方案中，通过采用从万向接头的内部插入并向外转动直至实现与接头轭的充分啮合的万向接头销获得更高的承载能力。每个万向接头的实施方案也可被设计为通过接头实现钻井泥浆的压力密封的流动。

附图简述

下面将结合附图描述本发明的特定实施方案，其中类似的参考数字表示类似的元件，其中：

图1示出根据本发明实施方案的万向接头的负载共享实施方案；

图2示出根据本发明实施方案的替换万向接头的整体式四通的实施方案；

图3示出根据本发明实施方案的替换万向接头的内部销的实施方案；

图4是根据本发明实施方案的万向接头组合件的剖视图；

图5是根据本发明实施方案的在图4中示出的万向接头组合件的主轴部分的剖视图；

图6是根据本发明实施方案的在图4中示出的万向接头组合件的主轴部分的端视图；

图7是根据本发明实施方案的在图4中示出的万向接头组合件的主轴部分的侧视图；

图8是根据本发明实施方案的在图4中示出的万向接头组合件的主轴部分的正交视图；

图9是根据本发明实施方案的在图4中示出的万向接头组合件的钻头轴部分的剖视图；

图10是根据本发明实施方案的在图4中示出的万向接头组合件的钻头轴部分的端视图；

图11是根据本发明实施方案的在图4中示出的万向接头组合件的钻头轴部分的侧视图；

图12是根据本发明实施方案的在图4中示出的万向接头组合件的钻头轴部分的正交视图；

图13示出根据本发明的替代实施方案的万向接头的其他示例；以及

图14示出根据本发明实施方案的在安装在用于钻井孔的钻柱中的旋转转向系统中采用的万向接头的实施方案。

发明详述

在下面的描述中阐明大量的细节以提供本发明的理解。但是，本发明的普通技术人员应理解，本发明可不通过这些细节实现并且可对下面描述的实施方案做出大量变化或修改。

一般地，本发明涉及一种具有在紧凑的和简单的配置中的高承载能力的万向接头系统。万向接头系统适于与井孔钻井系统相协作。例如，万向接头系统可用于与井下指向钻头式旋转转向钻井系统相协作以促进定向钻井。

万向接头的一种实施方案包括胡克接头(Hooke′sJoint)式系统并被构造成负载共享配置，其中通过万向接头销和方形形状的中心部件(四通)的侧面共同地传递扭矩负载。负载共享允许大大超过传统万向接头的扭矩极限的扭矩值的传递。

在另一种配置中，万向接头中心部件或四通为具有集成销的整体式球形组件。万向接头轭的特征为可分离的构件/连接叉部分以帮助万向接头的组装。通过两个成角度的面定位和调整主体上的连接叉部分来实现高强度和负载传递能力。使用大量长的、高强度螺栓来牢固地连接万向接头的主体和连接叉部分。使用低摩擦的定位楔来消除主体和连接叉之间的任何间隙。可通过成角度的接触面和组装楔实现组装的再现性。轭的剖面被塑造为最大化扭矩和轴向负载传递。

在第三种配置中，从四通或中心部件的内部插入万向接头销。销的特征为允许它们向外转动直至啮合在万向接头的轭中的相应孔的螺纹部分。在它们的端部位置中，它们相对于四通的锥形面定位以允许高预载的应用。与本文描述的其他实施方案类似，这种类型的万向接头也具有通过接头允许内部的液体流动的能力。通过压力密封的挠性管连接上和下万向接头部分。与现有的在钻井工具中采用的万向接头相比，本文描述的实施方案将扭矩负载能力和轴向负载传递合并到以万向接头的中心点为中心的单一组件中。不需要额外的推力轴承。

一般地，参考图1，以负载共享配置示出万向接头系统20的实施方案，其中通过万向接头销和方形形状的中心部件(四通)的侧面共同地传递扭矩负载。负载共享允许大大地超过传统万向接头的扭矩极限的扭矩值的传递。万向接头系统20被示为连接在钻柱22中。如图所示，万向接头系统20包括以分解形式示出的具有上或主轴本体部分26和下或钻头轴部分28的万向接头24。主轴本体部分26和钻头轴部分28可由高强度材料如高强度不锈钢形成。另外，主体部分26和钻头轴部分28分别包括轭30和32，轭30和32被设计作为与四通或中心部件34如所示出的方形形状的四通或中心部件的连接。

轭30和轭32两者的特征均为矩形的、如方形形状的内部中间区域35以滑动地容纳中心部件34。可通过适当的紧固件如小定位销将薄耐磨护板36贴附在轭的内部表面。薄耐磨护板36可由高强度材料如高强度铜基轴承合金形成。在一种实施方案中，耐磨护板36的特征为内部表面上的网格图案的小润滑沟道37。交叉图案的内部表面37形成四通34的矩形中心部分38的平坦外表面的支承面。四通34也由高强度材料如高强度不锈钢材料制成。应注意的是，在很多实施方案中，例如，那些万向接头24被充满油或其他适当的液体以帮助从万向接头中排除钻井液和井底岩屑的实施方案，四通34也可由高强度合金钢形成。矩形中心部分38的侧面也可覆盖有耐磨防护材料，如基于碳化钨的涂层。

在示出的实施方案中，四通34具有四个保留孔40，相应的万向接头销42通过每个轭30、32中的开口44插入保留孔40中。根据整个万向接头系统20的具体设计，万向接头销42可形成为紧固件如螺栓46、套管48、隔圈50和/或垫圈52的各种组合。销42有效地以挠曲的方式连接主轴本体部分26和钻头轴部分28。根据一种实施方案，万向接头销42包括由高强度强度材料如高强度不锈钢材料制成的、覆盖有耐磨防护涂层如碳化钨涂层的组件。涂层保护销42并在销42在轭30、32的相应开口44内部旋转时帮助万向接头的挠曲。在一些设计中，轭30、32的开口44被压配有由适当的材料如铜基合金制成的可替换的轴承衬套。

也可设置挠性管54以贯穿万向接头24并可通过适当的o形环使挠性管54相对于主轴26和钻头轴28密封。挠性管54允许钻井液在相对于工具的外部的差分压力下从主体26流到钻头轴28。在外部，如下面关于替代实施方案的更多细节中所描述的，可通过挠性橡胶套或金属波纹管包围万向接头24。可将万向接头24真空地充满润滑油以最小化操作磨损。另外，可将高强度材料如高强度不锈钢的外部稳定器套筒刚性地连接至钻头轴28以覆盖万向接头/四通34和部分的主轴本体部分26。可在主体部分26的外部上安装液压驱动器，液压驱动器在万向接头/四通34的上面，但是部分被外部套筒(参见下面描述的稳定器套筒84)覆盖。在这种类型的实施方案中，选择性地驱动液压驱动器以在外部套筒的内部上施加压力，从而相对于主体轴偏移钻头轴的轴线，由此指向钻头轴。

在图2和3中，示出采用整体式四通配置(图2)或内部销配置(图3)的万向接头系统20的替代实施方案。在下面阐明的描述中提供用于每个实施方案的组件、结构和组合件的示例。

一般地，参考图4-12，万向接头系统20的实施方案被示为与具有集成销和开口轭/连接叉组合件的整体式四通相协作。图4提供整个万向接头24的剖视图，其中主轴或本体部分26通过具有集成销58(即，形成为整体式四通构件56的不可分离的延伸的销)的整体式四通构件56与钻头轴28可转动地连接。集成销58通过衬套60可旋转地容纳在每个轭/连接叉30和32的开口44中。整体式四通构件56具有用于借此容纳挠性管64的内部开口62。挠性管64弯曲以实现主轴本体部分26相对于钻头轴28的旋转运动，同时保持万向接头24的密封完整性以使液体能沿着密封的流动通道66在万向接头中流动。

可通过挠性管载体68将挠性管固定在万向接头24中，挠性管载体68通过适当的紧固机构如螺纹区域70固定在钻头轴28的内部中。挠性管载体68通过适当的密封件72如O形环密封件与挠性管64和钻头轴28的内部密封。类似地，挠性管64通过适当的密封件74如O形环密封件与主轴本体部分26的内部密封。密封件72和74防止沿着流动通道66在万向接头24中流动的液体的泄漏，并且，例如，通过万向接头24实现钻井泥浆的压力密封的流动。

在示出的实施方案中，万向接头24还包括围绕整体式四通构件56的波纹管组合件76。波纹管组合件76可包括通过适当的紧固件80如示出的销固定到主轴本体部分26和/或钻头轴28的波纹管78。另外，波纹管78可通过适当的密封件82如O形环密封件相对于主轴本体部分26和钻头轴28密封。

万向接头24还可包括套筒84，如在整体式四通构件56上延伸的稳定器套筒。在示出的实施方案中，稳定器套筒84径向地设置在波纹管78的外部并通过紧固件86如稳定器锁紧螺母固定到钻头轴28。作为示例，紧固件86可通过螺纹啮合区域88与钻头轴28的外部表面耦合。当紧固件86沿着螺纹啮合区域88装入时，稳定器套筒84的扩头90固定在形成在钻头轴28上的肩部92和紧固件86之间。

再参考图5-8，示出主轴本体部分26的实施方案。在这个示例中，轭30包括可调节的部分/连接叉94，可调节的部分/连接叉94提供开口轭并实现可调节的部分/连接叉94和整体式四通构件56之间的空隙的消除。在一些实施方案中，可在可调节的连接叉94和主轴本体部分26的其余部分之间设置可选择的键96。采用楔构件98来消除空隙(参见图5)。作为示例，楔构件98可包括固定在可调节的连接叉94和主体部分26的肩部100之间的低摩擦楔。可采用适当的紧固件102如螺钉和垫圈来驱动楔98和调节连接叉94。

可调节的部分/连接叉94被可拆除地附加，并帮助万向接头24的组装，同时也提供高强度和高负载传递能力。作为示例，可通过两个成适当角度的面95将可调节的部分/连接叉94定位在主体26的其余部分上。如图7的优选示例，可通过适当的紧固件104如多个长的高强度螺栓将可调节的部分94固定到主体部分26的其余部分。

根据环境和万向接头24采用的组件的设计，主轴本体部分26可包括多种其他特征。例如，如图6和图8的优选示例，部分26可包括用于耦合万向接头24与邻近的钻柱组件的机构106。在典型的井下应用中，机构106可包括标准的油田管道连接器。但是，在其他实施方案中，机构106可包括用于借此接收螺栓或其他紧固件的法兰或其他具有多个开口108的附属构件。

再参考图9-12，示出钻头轴28的实施方案。在这个示例中，轭32是开口轭并包括可调节的部分/连接叉94，可调节的部分/连接叉94类似地实现可调节的部分/连接叉94和整体式四通构件56之间的空隙的消除。在一些实施方案中，可在可调节的部分94和钻头轴28的其余部分之间设置其他可选择的键96。采用其他的楔构件98消除空隙(参见图9)。作为示例，楔构件98可包括固定在可调节的连接叉94和钻头轴28的肩部110之间的低摩擦楔。此外，可采用紧固件102如螺钉和垫圈来驱动楔98和调整连接叉94。

主体部分26和钻头轴28的可调节部分/连接叉94相互协作以帮助万向接头24的组装同时增加高强度和负载传递能力。作为示例，可通过两个成适当角度的面95将钻头轴28的可调节部分/连接叉94安装在钻头轴28的其余部分上。如图10-12的优选示例，可通过紧固件104如多个长的高强度螺栓将可调节部分94固定到钻头轴28的其余部分。

当然，根据给定应用的细节可调节组件的数量、类型、尺寸和排列。而且，可组装不同的组件以及根据多种组装程序形成多种配置的万向接头(如图4中的剖面所示)。但是，下面讨论组装程序的一个示例以帮助这种类型的万向接头的理解。但是，组装程序不应被理解成限制性，可采用其他程序和组件。

首先，将密封件82设置在主轴本体部分26和钻头轴28上。然后，将密封件72和74设置在挠性管64和挠性管载体68上。将衬套60压入主体部分26和钻头轴28的开口44中。然后，将键96压入主体部分26和钻头轴28上的位置中。接着，可在轴/本体部分26上滑动波纹管组合件76，将整体式四通构件56插入主体部分26中的相应衬套60中。然后，将主体部分26的可调节部分94组装到整体式四通构件56上并通过紧固件104如螺钉和垫圈进行固定。然后，将楔部分98放置到位置中并通过紧固件102如螺钉和垫圈进行固定以消除任何不被期望的空隙。然后可拧紧紧固件104以最大化扭矩。

然后可通过将适当的集成销58插入到钻头轴28的相应衬套60中以将钻头轴28组装到整体式四通构件56。然后通过紧固件104将可调节部分/连接叉94固定到钻头轴28，并通过紧固件102将楔部分98放置到位置中以消除任何不被期望的空隙。然后相对于钻头轴28拧紧紧固件104以最大化扭矩。然后波纹管78在万向接头的整体式四通构件区域上滑落并通过固定销80固定波纹管78。

另外，可通过例如螺纹啮合将挠性管64固定到挠性管载体68。挠性管64和挠性管载体68插入到万向接头24中，并通过例如螺纹啮合将挠性管载体68固定到钻头轴28。然后可通过一个或多个适当的装料口将万向接头24真空地充满油。一旦完成，可塞住一个或多个装料口。然后在钻头轴28上滑动稳定器套筒84，并通过紧固件86如稳定器锁紧螺母在相对于整体式四通构件56的径向外部位置固定稳定器套筒84。

一般地，参考图13，示出包含内部销组合件的万向接头系统20的另一种实施方案。图13提供这种实施方案的整体万向接头24的剖视图。应注意的是，与上面描述的其他实施方案的组件相同的组件标记有相同的参考数字。

在这个实施方案中，万向接头24绕锥形锁叉形组合件110弯曲，锥形锁叉形组合件110具有锥形锁叉形构件112和多个可调节销114。当主轴本体部分26相对于钻头轴28旋转时，可调节销114从锥形锁叉形构件112向外延伸并进入连接叉开口44以在衬套60中旋转运动。在这个示例中，可调节销114包括螺纹部分116，螺纹部分116允许向外调节如向外转动销114直至它们与轭30、32的相应孔44啮合。可以调节可调节销114以使其相对于锥形锁叉形构件112中的锥形面115定位，其中锥形锁叉形构件112实现预负载的应用。

与上述实施方案一样，可根据给定应用的细节调节组件的数量、类型、尺寸和排列。而且，可组装不同的组件以及根据多种组装程序形成多种配置的万向接头(如图13中的剖面所示)。但是，下面讨论组装程序的一个示例以帮助对这种类型的万向接头的理解。但是，组装程序不应理解成限制性，可采用其他程序和组件。

首先，将密封件82设置在主轴本体部分26和钻头轴28上。然后，将密封件72和74设置在挠性管64和挠性管载体68上，并将衬套60压入主体部分26和钻头轴28的开口44中。接着，可在轴本体部分26上滑动波纹管组合件76。在布置波纹管组合件76之后，将可调节销114如锥形销插入锥形锁叉形构件112中，并通过在衬套60中拉动可调节销114以及将它们推入锥形锁叉形构件112中来将组合件耦合到主体部分26。

然后，可将两个其他可调节的销114插入锥形锁叉形构件112中。通过在钻头轴开口44中的相应衬套60中拉动销114并将它们推入锥形锁叉形构件112中可将组合件耦合到钻头轴28。然后在万向接头24的锥形锁叉形组合区域上滑落波纹管78并通过固定销80固定波纹管78。

另外，可通过例如螺纹啮合将挠性管64固定到挠性管载体68。然后将挠性管64和挠性管载体68插入到万向接头24中，并通过例如螺纹啮合将挠性管载体68固定到钻头轴28。然后可通过一个或多个适当的装料口将万向接头24真空地充满油。一旦完成，可塞住一个或多个装料口。然后在钻头轴28上滑动稳定器套筒84并通过紧固件86如稳定器锁紧螺母将稳定器套筒84固定在相对于锥形锁叉形组合件56的径向外部位置处。

万向接头24可用于各种环境和应用。例如，可在高负载应用如钻井孔钻井应用中采用万向接头24的各种实施方案。本文描述的万向接头实施方案的独特设计将高扭矩负载能力和高轴向负载传递合并成单一的万向接头组件。尽管万向接头24可用于各种应用，但是图14示出钻井应用。

一般地，参考图14，钻井系统118被示为包括部署在钻井孔122中的钻柱120。在侧向钻井孔或多边钻井孔钻井应用中采用钻井系统118。在这个示例中，钻柱包括具有旋转转向系统126的井底钻具组合124，旋转转向系统126被设计为指导钻头128，由此帮助一个或多个侧向钻井孔130的钻进。作为示例，旋转转向系统126为指向钻头式旋转转向系统。旋转转向系统126包括万向接头24，万向接头24为整个钻井系统提供高扭矩负载能力和高轴负载传递能力。在一些应用中，可采用驱动器132如液压驱动器来控制钻头轴28相对于轴部分26的旋转运动的量。万向接头24的一些实施方案在主轴本体部分26和外部稳定器套筒84之间设置驱动器132以通过套筒84相对于部分26的运动引起万向接头的旋转运动。通过适当的控制系统134，例如所示出的设置在表面位置的控制系统，控制驱动器132。

在一些实施方案中，控制系统134也可用作评估来自安装在万向接头24的传感器的反馈的反馈系统。参考图13和图14，可在挠性管64上或万向接头24的其他适当位置处安装一个或多个传感器136，例如，应变仪。类似地，可在万向接头24上安装一个或多个传感器138如位置传感器以检测万向接头的角度/方位。传感器136、138可与控制系统134协作使用以生成井下反馈回路。可通过控制系统134处理关于万向接头24的角度/方位的数据以及关于负载的数据。基于这个处理，可发送适当的控制信号至旋转转向系统126和驱动器132。传感器136、138可用于本文描述的任何实施方案。

上面描述的万向接头系统实施方案20提供实现高承载能力的相对简单的结构。根据环境、接头配置和钻井应用可替换上面描述的组件的具体的连接器、密封件、销、形状和材料。另外，可删除、增加或替换组件；并且可调整组件的配置和排列以适应特定应用。

尽管上面仅详细描述本发明的一些实施方案，但是本领域的普通技术人员应理解，可以在本质上不脱离本发明的教导的范围内进行很多修改。因此，这些修改应包含在如权利要求中所定义的本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种用于钻井孔的系统，其包括：

耦合在钻柱中的万向接头，所述万向接头包括：

主体部分，其具有带有内表面的主体轭；

钻头轴部分，其具有带有内表面的钻头轴轭；

中心部件，其连接所述主体部分和所述钻头轴部分，所述中心部件具有与所述主体部分和所述钻头轴部分的内表面相应的侧面，所述侧面被塑造成共同地在多个端面上传递扭矩负载；以及

多个可调节的万向接头销，其与所述中心部件、主体轭和钻头轴轭协作，所述多个可调节的万向接头销从所述万向接头的内部插入并且与所述主体轭和钻头轴轭螺纹啮合。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述侧面包括四个基本平坦的侧面。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述万向接头包括用于传导流动的钻井泥浆的内部通道。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述万向接头销包括四个硬化销。

5.根据权利要求1所述的系统，其中沿着每个轭的内表面设置耐磨护板。

6.根据权利要求5所述的系统，其中每个耐磨护板包括表面上的油道，所述油道被导向成与所述中心部件的相应侧面啮合。

7.根据权利要求4所述的系统，其中所述四个硬化销覆盖有耐磨防护涂层。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述耐磨防护涂层包括碳化钨。

9.根据权利要求1所述的系统，其还包括围绕所述中心部件的波纹管。

10.根据权利要求9所述的系统，其还包括围绕所述波纹管设置的稳定器套筒。

11.一种用于钻井孔的系统，其包括：

耦合在钻柱中的万向接头，所述万向接头包括：

主体部分，其具有带有内表面的主体轭；

钻头轴部分，其具有带有内表面的钻头轴轭；

中心部件，其连接所述主体部分和所述钻头轴部分，所述中心部件包括具有集成销的整体式四通构件以实现所述钻头轴部分相对于所述主体部分的旋转运动；以及

挠性管，其延伸通过所述中心部件和万向接头，以便将流动的钻井泥浆传导通过所述中心部件的整体式四通构件，其中所述主体轭和所述钻头轴轭各自被形成为具有可调节的轭构件的开口轭。

12.根据权利要求11所述的系统，其还包括围绕所述中心部件的波纹管。

13.根据权利要求12所述的系统，其还包括围绕所述波纹管设置的稳定器。

14.一种用于钻井孔的系统，其包括：

耦合在钻柱中的万向接头，所述万向接头包括：

主体部分，其具有带有内表面的主体轭；

钻头轴部分，其具有带有内表面的钻头轴轭；以及

中心部件，其连接所述主体部分和所述钻头轴部分，所述中心部件与可调节的万向接头销协作，所述万向接头销从所述万向接头的内部插入并向外推入以与所述主体轭和所述钻头轴轭完全啮合。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述万向接头包括用于传导流动的钻井泥浆的内部通道。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述主体轭和所述钻头轴轭各自被形成为具有可调节的轭构件的开口轭。

17.根据权利要求14所述的系统，其还包括围绕所述中心部件的波纹管。

18.根据权利要求17所述的系统，其还包括设置在所述波纹管周围的稳定器。