CN104704187A - 用于向下钻进的钻探工具的扭矩传递机构 - Google Patents

Abstract

一种钻探地下井的井工具可包括扭矩转递机构，其具有内部心轴、外部外壳以及至少一个棘爪，棘爪可径向地位移，由此有选择地允许和阻止内部心轴和外部外壳之间的相对转动。一种钻柱可包括：钻头、钻探马达，以及扭矩转递机构，其允许钻头相对于钻探马达仅沿一个方向转动，所述扭矩转递机构包括至少一个棘爪，棘爪线性地位移，由此阻止钻头相对于钻探马达沿相反方向转动。

Description

用于向下钻进的钻探工具的扭矩传递机构

技术领域

本发明总的涉及结合地下井使用的设备和执行的操作，且在以下描述的一个实例中，具体地说，本发明提供一种用于向下钻进的钻探工具的扭矩传递机构。

背景技术

当在旋转模式中钻探时，由于钻柱的旋转是用来转动钻头，而钻柱内的钻探马达是容积式的，所以钻头的旋转速度通常将大于钻柱的转速。这是因为钻探马达转动钻头，而钻探马达上方的钻柱转动该钻探马达。

遗憾的是，随着钻头上重量增加，和/或扭矩增大(例如，由于遇到较硬的地下地层等)，钻头的转速可下降到这样的程度，即，钻探马达上方的钻柱以大于钻头的转速旋转。该种情形可造成钻探马达和/或钻柱内其它钻探设备的损坏。

因此，人们将会认识到，在构造和操作向下钻进钻探工具的行业内，不断地需要有各种改进。如此的改进可用于以上讨论的情形中或其它钻探情形中。

附图说明

图1是可实施本发明原理的井钻探系统及其相关方法的代表性局部剖视图。

图2是可实施本发明原理的可用于图1的系统和方法中的一部分钻柱的代表性局部剖视图。

图3是可实施本发明原理的可用于钻柱中的扭矩传递机构的代表性剖视图。

图4是一部分扭矩传递机构的代表性剖视图。

图5和6是扭矩传递机构的外部外壳的代表性端视和剖视图。

图7和8是扭矩传递机构的内部心轴的代表性端视和剖视图。

图9是扭矩传递机构的棘爪的代表性立体图。

图10和11是扭矩传递机构的线性轴承的代表性端视和正视图。

图12是扭矩传递机构的偏置装置的代表性立体图。

具体实施方式

代表性地显示在图1中的是用于钻探井的系统10及其方法，该系统和方法可实施本发明的原理。然而，应该清楚地理解到，该系统10和方法仅是在实践中本发明原理的应用的一个实例，各种其它的实例都是可能的。因此，本发明的范围绝不局限于这里所描述的和/或附图中所示的系统10和方法的细节。

在图1的实例中，钻柱12用来钻探地层16中的井筒14。井筒14可沿任何方向延伸，钻柱12可以是任何类型的钻柱(例如，钻管、盘管、由复合材料制成，丝材或“智能”导管等)。本发明范围不局限于任何特殊类型的钻探操作或钻柱。

钻探马达18互连在钻柱12内。在该实例中，钻探马达18可以是容积式马达，其对井钻探操作提供要求的转速和扭矩。本技术领域内技术人员熟知类型的Moineau型渐进内腔“泥浆”泵可用于钻探马达。

轴承组件20将马达18的转动输出传递到钻头26上，该钻头26连接在钻柱12的远端处。在该实例中，轴承组件可转动地支承钻探马达18的输出轴34(图1中未可见，参见图2)。在其它的实例中，轴承组件20可与钻探马达18形成一体，或轴承组件可以其它方式定位。

边测量边钻进(MWD)和/或边记录边钻进(LWD)系统22可用来测量某些向下钻进参数，用于与远处(诸如陆地或基于水上的钻探台架、海底设施等)通讯。如此的通讯可以采用任何方法，例如，有线或无线遥测、光纤、声脉冲、压力脉冲、电磁波等。

尽管钻柱12在这里被描述为包括某些部件，但应该清楚地理解到，本发明范围不局限于部件的任何特殊的组合或布置，适合于特殊的情形可使用或多或少的部件。钻柱12只是可从这里描述的原理中获益的钻柱的一个实例而已。

在钻探操作过程中，钻探流体循环通过钻柱12。该流体流动执行若干个功能，诸如冷却和润滑钻头26、悬置切割、井压力控制等。

在图1的实例中，流体流动还造成钻探马达18来转动钻头26。如果马达18上方的钻柱12也转动(例如，借助于旋转台、顶部驱动器、其它钻探马达等)，则结果是，钻头26以比马达上方的钻柱大的转速转动。这通常是理想的情形。

然而，如果施加到钻头26上的重量增加，则由于随施加重量的增加要继续转动所需的扭矩增大，所以，钻头转速会降低。同样地，如果遇到较硬的地层，则通过钻头26施加到钻探马达18上的反扭矩将会增大，由此降低钻头的转速。

最后，钻头26的转速会减小到这样的程度，即它不再比钻探马达18上方的钻柱12转动得更快。此时，钻探马达18被称作“失速”，因为它不再产生钻头26的转动。

如果钻头26继续减速，则可出现这样的情形：钻头26实际上转动得比钻探马达18上方的钻柱12慢。如果钻探马达18是容积式马达，则这可导致马达变得像泵，其力图通过钻柱12向上泵送钻探流体。

这可损坏钻探马达18和其它钻探设备，这是要避免的。如果如此马达的失速和潜在的损坏可以避免，则这将允许更长久地继续钻探，减少钻柱12进出井筒14的次数。

钻柱12从本发明原理中获益之处在于，它包括带有扭矩转递机构30的井工具24，该扭矩转递机构30阻止钻头26相对于钻探马达18如此的反向转动。井工具24和扭矩转递机构30在图1中显示为连接在轴承组件20和钻头26之间，但在其它的实例中，这些部件可以另外方式定位或布置，可纳入其它的部件，各种部件可以彼此集成在一起等。

现另外地参照图2，钻探马达18、轴承组件20和井工具24代表性地示出，钻柱12的其余部分未予显示。在该实例中，钻探马达18包括动力部分28，该动力部分28具有装在定子内的转子，由此，通过动力部分的流体流动致使转子相对于定子转动。

转子连接到输出轴34，在该实例中，输出轴34包括柔性轴和恒速(VC)接头，用来通过轴承组件20将转子的转动传递到钻头连接器32。在该实例中，井工具24连接在轴承组件20和钻头连接器32之间，让轴34通过井工具24从动力部分28延伸到钻头连接器。

在该实例中，钻探马达18在大部分方面类似于SPERRYDRILL(TM)容积式钻探马达，该容积式钻探马达由美国得克萨斯州休斯敦市的哈里伯顿能源服务公司(Halliburton Energy Services,Inc.)出品。然而，在其它的实例中，也可采用其它类型的钻探马达(例如，其它的容积式马达、涡轮马达等)。

现另外地参照图3，轴承组件20和井工具24的实例以放大的比例显示在剖视图中。在该视图中，可以看到，轴34可转动地被轴承组件20支承，让轴通过轴承组件和井工具24延伸到钻头连接器32。

工具24理想地允许轴34沿一个方向转动，但阻止轴沿相反方向转动。这样，扭矩可通过轴34从钻探马达18传递到钻头26，但沿相反方向的反扭矩不能通过轴传递通过工具24，反扭矩会造成钻头相对于钻探马达的反向转动。

一部分工具24的另一放大比例的剖视图代表性地显示在图4中。在该视图中，可以看到，扭矩转递机构30包括外部外壳36、内部心轴38以及多个棘爪40，它们可啮合形成在外部外壳内的相应的纵向延伸的啮合外形42。

在该实例中，当内部心轴相对于外部外壳36逆时针转动(或外部外壳相对于内部心轴顺时针转动)时，棘爪40从内部心轴38向外延伸到与外形42相啮合。在其它的实例中，棘爪40可被承载在外部外壳36内，以与形成在内部心轴38上的外形42相啮合。因此，应该理解到，本发明范围绝不局限于这里所描述的和/或附图中所示的扭矩转递机构30的任何特殊的细节。

相应的偏置装置44使棘爪40径向向外地被偏置(例如，沿着从内部心轴38的中心纵向轴线线性向外的方向R)。当内部心轴38相对于外部外壳36沿顺时针方向转动时，弧形表面40a、42a彼此啮合，而该啮合对抗偏置装置44作用的偏置力，将棘爪40进一步推入纵向地形成在内部心轴38上的凹陷46内。这允许内部心轴38相对于外部外壳36沿顺时针方向转动。

然而，如果内部心轴38相对于外部外壳36开始沿逆时针方向转动，则棘爪40将通过偏置装置44被偏置到与外形42相啮合。棘爪40上的弧形表面40a、b将啮合外形42上的弧形表面42a、b，由此，阻止如此的逆时针转动。

线性轴承48设置在凹陷46内，使得棘爪40的线性位移相对地无摩擦。线性轴承48啮合棘爪40的相对平行侧边50，以确保棘爪的位移是线性的，棘爪相对于内部心轴38没有转动。

现另外参照图6-12，扭矩转递机构30的各种部件代表性地显示在较详细的视图中。然而，应该清楚地理解到，本发明的范围不局限于扭矩转递机构30部件任何特殊细节，或局限于任何特殊布置的使用或部件的组合。

在图5和6中，可以看到，外部外壳36包括带有外部螺纹的上部连接器52，用来将扭矩转递机构30连接到轴承组件20。在其它的实例中，可采用其它类型的连接器，外部外壳36可以是轴承组件20的部分，或是钻柱12的另一部件等。

在图7和8中，可以看到，内部心轴38包括花键54，用来啮合轴34上互补形状的花键，使得内部心轴随轴转动。设置密封槽56，用来固定住密封件(未示出)，以防止流体、碎片等通过轴34和内部心轴38之间。

在图9中，图中示出棘爪40之一的放大比例的立体图。在该视图中，可更加清楚地看清平行的相对侧50和弧形表面40a、b之间的关系。

在图10和11中，代表性地示出了线性轴承48。在该实例中，线性轴承48包括球50，用于减小与棘爪40的平行侧边50的摩擦啮合，但如果需要的话，则可使用其它类型的轴承(例如，滚柱轴承、普通轴承等)。

在图12中，代表性地示出了偏置装置44的立体图。在该实例中，偏置装置44包括波形弹簧，当其安装在扭矩转递机构30内时，波形弹簧纵向地延伸在棘爪40下面的凹陷46内。然而，如果需要的话，则可使用其它类型的偏置装置(例如，片簧、盘簧等)。

现可完全地认识到，以上披露的发明对构造和操作向下钻进的钻探工具行业提供力很大的进步。这些进步可允许更长久的继续钻探，减少钻柱12进出井筒14的次数。

在以上描述的实例中，扭矩转递机构30防止钻头26相对于钻探马达18反向转动。扭矩转递机构30的棘爪40可相当无摩擦地径向位移到与外形42啮合或退出啮合。

以上披露的发明向行业提供了用于钻探地下井的井工具24。在一个实例中，井工具24可包括扭矩转递机构30，扭矩转递机构30包括内部心轴38、外部外壳36以及至少一个棘爪40，该棘爪径向地位移，由此有选择地允许和防止内部心轴38个外部外壳36之间的相对转动。

棘爪40径向位移到与外部外壳36和内部心轴38中的至少一个啮合，这可允许沿一个方向的外部外壳36和内部心轴38之间的相对转动，但防止沿相反方向的外部外壳36和内部心轴38之间的相对转动。

棘爪40的径向位移相对于外部外壳36和内部心轴38中的至少一个可以是线性的。

棘爪40可径向地位移，相对于外部外壳36和内部心轴38中的至少一个不转动。

棘爪40可具有相对的基本平行的侧边50。扭矩转递机构30可包括与棘爪侧边50啮合的线性轴承48。

棘爪40和线性轴承48可被接纳在形成在内部心轴38上的纵向延伸的凹陷46内。

棘爪40可包括一个或多个弧形表面40a、b，它们啮合形成在外部外壳36和内部心轴38中的至少一个内的啮合外形42的一个或多个弧形表面42a、b。

井工具24还可包括沿径向方向偏置棘爪40的偏置装置44。偏置装置44可包括波形弹簧，波形弹簧纵向地延伸在内部心轴38上形成的凹陷46内。

以上还描述了用于钻探地下地层井的钻柱12。在一个实例中，钻柱12可包括钻头26、钻探马达18，以及扭矩转递机构30，该扭矩转递机构30允许钻头26相对于钻探马达18只沿一个方向转动。扭矩转递机构30包括至少一个可线性位移的棘爪40，由此，防止钻头26相对于钻探马达18沿相反方向转动。

以上还描述了在井钻探操作中传递钻探马达18和钻头26之间扭矩的方法。在一个实例中，该方法可包括提供扭矩转递机构30和扭矩转递机构30的棘爪40，扭矩转递机构30沿一个方向将扭矩从钻探马达18传递到钻头26，但其阻止沿相反方向将扭矩从钻头26传递到钻探马达18；扭矩转递机构30的棘爪40径向地位移，由此有选择地阻止和允许扭矩转递机构30的内部心轴38和外部外壳36之间的相对转动。

尽管以上描述了各种实例，各个实例具有某些特征，但应该理解到，一个实例的特殊的特征不一定专有地用于该实例中。相反，以上描述的和/或附图中所示的任何特征，可与任何实例组合，添加到这些实例的任何其它特征中，或替代这些实例的任何其它特征。一个实例的特征对于另一实例的特征互相不是排外的。相反，本发明的范围包括任何特征的任何组合。

尽管上述的每个实例包括特征的某些组合，但应该理解到，不必要使用到实例的所有特征。相反，可使用上述的任何特征，也可不使用任何其它特殊的特征。

应该理解到，这里描述的各种实施例可使用在各种定向上，诸如是倾斜的、倒置的、水平的、垂直的等，并可使用在各种构造中，这不脱离本发明的原理。上述实施例的描述仅是作为本发明原理的有用应用的实例，它不局限于这些实施例的任何具体的细节。

在以上代表性实例的描述中，方向性术语(诸如“上”、“下”、“上部”、“下部”等)仅是方便于参照附图而使用的。然而，应该清楚地理解到，本发明的范围不局限于文中描述的任何特殊的方向。

术语“包括着”、“包括”、“包含着”、“包含”以及类似的术语，在本说明书中没有限制含义地采用。例如，如果系统、方法、装置、器件等被描述为“包括着”某个特征或元件，则该系统、方法、装置、器件等可包括该特征或元件，并还可包括其它的特征或元件。同样地，术语“包含”被考虑为意指“包含，但不限于”。

当然，本技术领域内技术人员在仔细考虑以上对本发明代表性实施例的描述之后，将会容易地认识到，对于特殊的实施例可作出许多修改、添加、替代、删除以及其它的改变，如此的改变都是本发明原理所预期的。例如，在其它的实例中，披露为分开形成的结构可以一体形成，以及反之亦然。因此，要清楚地理解到，给出以上的详细描述仅是为了说明和举例而已，本发明的精神和范围仅由附后的权利要求书及其等价物来限定。

Claims (31)

1.一种用于钻探地下井的井工具，所述井工具包括：

扭矩转递机构，其包括内部心轴、外部外壳以及至少一个棘爪，所述棘爪径向地位移，由此有选择地允许和阻止内部心轴和外部外壳之间的相对转动。

2.如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述棘爪径向位移到与外部外壳和内部心轴中的至少一个啮合，允许沿一个方向的外部外壳和内部心轴之间的相对转动，但阻止沿相反方向的外部外壳和内部心轴之间的相对转动。

3.如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述棘爪的径向位移相对于外部外壳和内部心轴中的至少一个是线性的。

4.如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述棘爪径向地位移，而相对于外部外壳和内部心轴中的至少一个没有转动。

5.如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述棘爪具有相对的基本上平行的侧边，并还包括啮合棘爪侧边的线性轴承。

6.如权利要求5所述的井工具，其特征在于，所述棘爪和所述线性轴承被接纳在形成在内部心轴上的纵向延伸的凹陷内。

7.如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述棘爪包括至少一个弧形表面，其啮合形成在外部外壳和内部心轴中的至少一个内的啮合外形的至少一个弧形表面。

8.如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述棘爪包括多个弧形表面，它们啮合形成在外部外壳和内部心轴中的至少一个内的啮合外形的多个弧形表面。

9.如权利要求1所述的井工具，其特征在于，还包括偏置装置，其沿径向方向偏置所述棘爪。

10.如权利要求9所述的井工具，其特征在于，所述偏置装置包括波形弹簧，所述波形弹簧纵向地延伸在内部心轴上形成的凹陷内。

11.一种用于钻探地下井的钻柱，所述钻柱包括：

钻头；

钻探马达；以及

扭矩转递机构，其允许钻头相对于钻探马达仅沿一个方向转动，所述扭矩转递机构包括至少一个棘爪，所述棘爪线性地位移，由此阻止钻头相对于钻探马达沿相反方向转动。

12.如权利要求11所述的钻柱，其特征在于，所述棘爪具有相对的基本上平行的侧边，并还包括啮合棘爪侧边的线性轴承。

13.如权利要求12所述的钻柱，其特征在于，所述棘爪和所述线性轴承被接纳在形成在扭矩转递机构的内部心轴上的纵向延伸的凹陷内。

14.如权利要求11所述的钻柱，其特征在于，所述棘爪包括至少一个弧形表面，其啮合一啮合外形的至少一个弧形表面。

15.如权利要求11所述的钻柱，其特征在于，所述棘爪包括多个弧形表面，它们啮合形成在扭矩转递机构的外部外壳和内部心轴中的至少一个内的啮合外形的多个弧形表面。

16.如权利要求11所述的钻柱，其特征在于，所述扭矩转递机构包括内部心轴和外部外壳，其中，所述棘爪径向地位移，由此有选择地允许和阻止内部心轴和外部外壳之间的相对转动。

17.如权利要求16所述的钻柱，其特征在于，所述棘爪径向位移到与外部外壳和内部心轴中的至少一个啮合，允许沿一个方向的外部外壳和内部心轴之间的相对转动，但防止沿相反方向的外部外壳和内部心轴之间的相对转动。

18.如权利要求16所述的钻柱，其特征在于，所述棘爪的径向位移相对于外部外壳和内部心轴中的至少一个是线性的。

19.如权利要求16所述的钻柱，其特征在于，所述棘爪径向地位移，相对于外部外壳和内部心轴中的至少一个不转动。

20.如权利要求11所述的钻柱，其特征在于，还包括偏置装置，其沿径向方向偏置所述棘爪。

21.如权利要求20所述的钻柱，其特征在于，所述偏置装置包括波形弹簧，所述波形弹簧纵向地延伸在扭矩转递机构的内部心轴上所形成的凹陷内。

22.一种在井钻探操作中传递钻探马达和钻头之间扭矩的方法，所述方法包括：

提供扭矩转递机构，该扭矩转递机构沿一个方向将扭矩从钻探马达传递到钻头，但其阻止沿相反方向将扭矩从钻头传递到钻探马达；以及

扭矩转递机构的棘爪径向地位移，由此有选择地阻止和允许扭矩转递机构的内部心轴和外部外壳之间的相对转动。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述径向位移还包括允许沿一个方向的外部外壳和内部心轴之间的相对转动，但阻止沿相反方向的外部外壳和内部心轴之间的相对转动。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述径向位移还包括使所述棘爪相对于外部外壳和内部心轴中的至少一个作线性位移。

25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，执行所述径向位移，而所述棘爪相对于外部外壳和内部心轴中的至少一个不转动。

26.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述棘爪具有相对的基本平行的侧边，且其中，所述提供还包括使线性轴承啮合棘爪侧边。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述提供还包括将棘爪和线性轴承接纳在形成在内部心轴上的纵向延伸的凹陷内。

28.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述棘爪包括至少一个弧形表面，且其中，所述径向位移还包括：使所述棘爪的弧形表面啮合形成在外部外壳和内部心轴中的至少一个内的啮合外形的至少一个弧形侧边。

29.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述棘爪包括多个弧形表面，且其中，所述径向位移还包括：使所述棘爪的多个弧形表面啮合形成在外部外壳和内部心轴中的至少一个内的啮合外形的多个弧形表面。

30.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述径向位移还包括偏置装置沿径向方向偏置所述棘爪。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述偏置装置包括波形弹簧，所述波形弹簧纵向地延伸在内部心轴上形成的凹陷内。