CN103883264B - 陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节 - Google Patents
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Abstract
一种油田钻井领域使用的钻具，特别是一种陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节，包括双公主轴和双母固定接头，还包括减摩衬套、橡胶轴套；减摩衬套主要由减摩挡圈和减摩嵌套组成，减摩嵌套的表面喷涂有低阻耐磨陶瓷材料，减摩衬套与橡胶轴套形成滑动摩擦副；橡胶轴套由骨架和橡胶体组成，表面设有水力流道槽。双公主轴分前接头和尾接头，前接头的后圆柱段依次套有减摩挡圈和减摩嵌套，其中前接头和减摩挡圈分别设有凸起的矩形槽，减磨嵌套的一端设有与矩形槽配合的矩形键，装配时，将减磨嵌套的矩形键嵌入到前接头和减摩挡圈的矩形槽中，尾接头与双母固定接头通过螺纹连接。整体结构基于滚动摩擦，避免了钻柱旋转磨损套管；同时大幅度地降低了钻井摩阻扭矩。
Description
技术领域
本发明涉及油田钻井领域使用的钻具，特别是涉及一种安装在井下钻柱之间，降低钻杆与套管摩擦阻力和磨损的陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节。
背景技术
目前，大位移井和深井钻井时，钻杆柱与套管摩擦而产生的摩阻扭矩，这是制约钻井延伸长度和安全的关键问题之一。高摩阻、大扭矩使钻井设备选型受限，成本大幅度增加；钻杆接头与套管长时间的摩擦会磨穿套管，安全风险较大，甚至会导致全井报废。目前降低摩阻扭矩和套管磨损的最直接和最常用的手段是钻杆柱接头附近或接头之间安装降摩减扭工具，将钻杆接头与套管间的摩擦转换为钻杆与降摩减扭工具或其内部的摩擦，来减小摩擦阻力和套管磨损。应用最多，效果较好是进口工具，价格昂贵。主要有两种：一种是分体式聚酯或橡胶护套，效果较好，但是强度较低，不能满足高负荷井的钻井要求；另一种是短节结构，也具有较好的效果，但与国产钻杆配套使用范围受限。国产工具应用也较多，但只能较低扭矩，不能降低摩阻，效果有限，尤其在深井和复杂轨迹井中效果较差，有时甚至起反作用。
发明内容
本发明的发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种有效降低、钻柱起下钻阻力和转动的扭矩，大幅度降低套管磨损，具备低摩阻系数、减震防偏磨、耐磨性强、强度高、安全可靠、使用寿命
长能够大幅度降低钻柱的摩阻与扭矩的陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节。
实现上述目的采用以下技术方案：
一种陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节，该降摩减扭短节安装在井下钻柱之间，包括双公主轴和双母固定接头，该短节还包括减摩衬套、橡胶轴套；
a.减摩衬套主要由减摩挡圈和减摩嵌套组成，减摩嵌套的表面喷涂有厚度为0.05-1.5mm的低阻耐磨陶瓷材料，减摩衬套与橡胶轴套形成滑动摩擦副；
b.橡胶轴套由骨架和橡胶体组成，起加强作用的骨架被硫化在橡胶体内，橡胶轴套表面设有防偏磨的螺旋水力流道槽；
c.双公主轴分前接头和尾接头，前接头的后圆柱段依次套有减摩挡圈和减摩嵌套，其中前接头和减摩挡圈分别设有凸起的矩形槽，减磨嵌套的一端设有与矩形槽配合的矩形键，装配时，将减磨嵌套的矩形键嵌入到前接头和减摩挡圈的矩形槽中，尾接头与双母固定接头通过螺纹连接。
进一步，所述的陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节总长937mm，最大外径209mm，等效外径199mm。
进一步，双公主轴的前接头和双母双母固定接头与钻柱通过标准的51/2〞FH钻杆接头螺纹连接。
进一步，减摩嵌套为空心圆柱体，总长280mm，内径为146.7mm，外径156.7mm，断面最大外径185mm。
进一步，橡胶轴套与减摩衬套形成分体式的滑动摩擦副。
进一步，橡胶轴套总长240mm，内径为160mm。
进一步，橡胶轴套表面设有八个螺旋水力流道槽，水力流道槽与轴线夹角为7°-25°。
采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的主体降摩减扭部件为橡胶轴套和减摩衬套，传递动力和连接部件是双公主轴和双母固定短节。整体结构基于滑动摩擦，在减摩衬套与橡胶轴套形成滑动摩擦副。开式润滑方式从整体结构上起到了降摩减扭的作用。钻井过程中，根据井下工况选择合适的数量和安放位置连接在钻杆之间，减摩衬套与外径较大橡胶轴套相对转动、避免了钻杆接头与套管之间的摩擦；另外由于滑动摩擦副的摩擦系数非常低，且橡胶轴套与套管间摩擦系数也有所降低，大幅度降低钻井负荷。钻柱和外部不旋转防磨套之间相互转动，外部不旋转防磨套和套管之间没有高速的相对转动，从而避免了钻柱旋转磨损套管；另外，由于滑动摩擦副的摩擦系数非常低，同时大幅度地降低了钻井扭矩。
本发明总长937mm，模拟井下高负荷工况下的摩擦系数在0.05～0.3之间，降幅30%以上。抗扭强度不低于50KN.m，最大拉力不低于350t。在扣型为51/2"FH抗拉强度测试，内径78mm最大拉力不低于399t，以保证了连接处的强度，密封效果好。
其显著的效果还在于：（1）橡胶轴套整体加工，大幅度增加强度；（2）橡胶轴套、斜流道设计，减小起下钻阻力，防止偏磨；（3）减摩衬套喷涂低阻耐磨陶瓷，大幅度降低摩擦系数，增加寿命；（4）主轴材料为42CrMo，提高工具的抗拉抗扭强度；（5）钻杆接头不再与套管接触，而是转换为减摩衬套与橡胶轴套滑动、橡胶轴套与套管的滑动摩擦，摩擦系数降低30%以上；（6）主要受磨损的橡胶轴套和减摩衬套为可拆卸、可更换部件，成本较低。结构合理，可靠性高，有效降低了摩阻扭矩，易于制造、安装简便。
附图说明
图1是本发明降摩减扭低阻器整体效果图。
图2是图1A-A向的剖视结构示意图。
图3是本发明减摩挡圈结构示意图。
图4是图3的1A-A向的剖视结构示意图。
图5是本发明减磨嵌套结构示意图。
图6是图5的俯视图。
图7是本发明橡胶轴套结构示意图。
图8是图7A-A向示意图。
图中，双公主轴1，橡胶轴套2，双母固定接头3，减摩衬套4，水力流通道5，矩形槽6，尾接头7，减摩嵌套8，减摩挡圈9，前接头10，矩形键11，橡胶体12，骨架13。
具体实施方式
本发明公开了一种安装在井下钻柱之间、在钻进过程中，降低轴向滑动摩擦引起的摩阻、减少轴向转动摩擦引起的扭矩的陶瓷涂
层防偏磨钻柱降摩减扭短节。
具体结构见图1-7，该陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节由双公主轴1、橡胶轴套2、减摩衬套4和双母固定接头3等组成，总长937mm，最大外径209mm，等效外径199mm。
减摩衬套4由减摩挡圈9和减摩嵌套8组成，为了降低表面摩擦，减摩衬套4与橡胶轴套2形成滑动摩擦副；在减摩嵌套8和减摩挡圈9的表面分别喷涂有厚度为0.05-1.5mm的低阻耐磨陶瓷材料，构成保护层，表面粗糙度达到Ra0.8及以上，以此来减小表面的摩擦系数，保护套管和钻杆接头，降低套管磨损，降低了表面摩擦系数。
参见图1，图2，双公主轴1分前接头10和尾接头7，前接头10的后圆柱段依次套有减摩挡圈9和减摩嵌套8，减摩嵌套8为空心圆柱体，总长280mm，内径为146.7mm，外径156.7mm，断面最大外径185mm，其一端设有六个凸台矩形键11，该矩形键11宽4mm，高30mm。前接头10和减摩挡圈9分别开有便于与矩形键11配合的六个矩形（圆弧）槽11。前接头10和减摩挡圈9设置的凸起的矩形槽6是对称分布的，其作用在于：固定减摩衬套与双公主轴，仅允许橡胶轴套与减摩衬套滑动摩擦。
本实施例的减摩挡圈9外圆周直径182mm。装配时，将减磨嵌套8的矩形键6嵌入到前接头10和减摩挡圈9的矩形槽11中，尾接头7与双母固定短节3通过螺纹连接。保证减磨嵌套8与前接头10之间不会出现相对转动。
参见图6，图7，橡胶轴套2总长240mm，内径为156.7mm，橡胶轴套2套在双公主轴1上，与减摩衬套4形成滑动摩擦副，滑动摩擦副为分体式结构。橡胶轴套2由骨架13和橡胶体12组成，骨架13采用金属材料制作，诸如钢、铁等金属材料。骨架13通过硫化工艺被硫化在橡胶体12内，骨架13起加强作用。橡胶轴套12总长240mm，内径为160mm，橡胶轴套表面设有八个螺旋水力流道槽5，水力流道槽5与轴线夹角为7°-25°，最佳夹角为15°。这种开放式结构设计，使钻井液可以进入到橡胶轴套和主轴之间，起到一定的润滑作用，同样可以有效的控制钻柱传递的扭矩损失。
橡胶轴套2采用：150℃撕裂强度不低于160KN/mm，热空气老化（150℃，72h）拉伸强度不低于29.4MPa，扯撕伸长率不低于128%，邵尔A硬度不低于94度；常温条件下拉伸强度不低于39MPa，扯撕伸长率不低于327.5%，邵尔A硬度不低于90度，压缩变形不低于76%，撕裂强度不低于129KN/mm，磨耗0.003cm2/1.61km的优质的橡胶材料制作，性能都远远高出普通橡胶质材。
装配操作时，首先固定前接头10，然后将减摩挡圈9和减摩嵌套8依次套入到前接头10的后圆柱段，减摩挡圈9和减摩嵌套8与前接头10均采用大间隙配合，以同时保证减摩挡圈9和减摩嵌套8与前接头10之间不会大幅晃动，又可以在需要时自由拆卸。
本发明的工作过程：
在钻井过程中，降摩减扭工具沿井眼方向随钻下行，当钻柱在转盘的带动下转动时，其中降摩减扭工具上减摩嵌套8与钻杆同时转动，橡胶轴套2的外径比钻杆接头外径大，外圈橡胶轴套2则靠在井壁或套管壁上，在摩擦力的作用下保持相对静止或处于随动状态。由于其外圈橡胶轴套2与减摩衬套形成滑动摩擦副；从而大大降低了钻杆转动时的摩擦阻力矩，同时也避免或大大减小了钻杆柱与井壁或套管壁间的摩擦磨损。试验结果表明：安装本发明，井深3000~4000m的井一般需要放置大约30~50个减摩装置。若不安装本发明，则意味着整个钻杆柱将近有90~150个部位与套管内壁发生碰撞性摩擦。从钻柱减扭来看，不安装，钻柱与套管之间的摩擦系数大约为0.2~0.4；装上本发明后，起作用相当于一副滑动轴承，钻柱不再与套管内壁摩擦，而是减摩装置的内、外圈发生摩擦。安装本发明后，摩擦力矩能够降低30%以上。
上述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节，该降摩减扭短节安装在井下钻柱之间，包括双公主轴和双母固定接头，其特征在于：该短节还包括减摩衬套、橡胶轴套；
a.减摩衬套主要由减摩挡圈和减摩嵌套组成，减摩嵌套的表面喷涂有厚度为0.05-1.5mm的低阻耐磨陶瓷材料，减摩衬套与橡胶轴套形成滑动摩擦副；
b.橡胶轴套由钢骨架和橡胶体组成，起加强作用的钢骨架被硫化在橡胶体内，橡胶轴套表面设有防偏磨的螺旋水力流道槽；
c.双公主轴分前接头和尾接头，前接头的后圆柱段依次套有减摩挡圈和减摩嵌套，其中前接头和减摩挡圈分别设有凸起的矩形槽，减摩嵌套的一端设有与矩形槽配合的矩形键，装配时，将减摩嵌套的矩形键嵌入到前接头和减摩挡圈的矩形槽中，尾接头与双母固定接头通过螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节，其特征在于：总长937mm，最大外径209mm，等效外径199mm。
3.根据权利要求1所述的陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节，其特征在于，双公主轴的前接头和双母固定接头与钻柱通过标准的51/2〞FH钻杆接头螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节，其特征在于，减摩嵌套为空心圆柱体，总长280mm，内径为146.7mm，外径156.7mm，断面最大外径185mm。
5.根据权利要求1所述的陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节，其特征在于，橡胶轴套与减摩衬套形成分体式的滑动摩擦副。
6.根据权利要求1所述的陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节，其特征在于，橡胶轴套总长240mm，内径为160mm。
7.根据权利要求1所述的陶瓷涂层防偏磨钻柱降摩减扭短节，其特征在于，橡胶轴套表面设有八个螺旋水力流道槽，水力流道槽与轴线夹角为7°-25°。
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