CN104781498B - 用于钻柱的井下转矩限制组件 - Google Patents
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Abstract
除其他事项外，本说明书的主题可以在一种方法中实施，该方法包括一种旋转转矩限制组件，该旋转转矩限制组件包括具有内部空腔的旋转输入构件，该内部空腔具有楔块插孔。旋转输出构件设置在内部空腔之内，第二旋转构件具有径向突起和凹槽。径向棘轮构件径向地设置在输入构件与输出构件之间，每个棘轮构件具有径向内表面和包括至少一个径向突起楔块的径向向外表面。轴承沿径向设置在棘轮构件与输出构件之间。保持组件适于提供顺应力以维持棘轮构件、轴承和第二旋转构件之间的接触。每个轴承至少部分地保持在棘轮构件中的一个与第二旋转构件之间，且每个楔块部分地保持在相应的楔块插孔之内。
Description
技术领域
本公开涉及用于保护附接到设置在井眼中的“钻柱”的井下工具(称为工具管柱)的系统、组件和方法，在井眼中可能存在考验工作管柱在井眼中的旋转运动等恶劣的工作条件。
背景技术
在油气勘探中，保护钻柱和连接到钻柱的井下工具的结构完整性非常重要。参照图1，一般而言，位于地面12处或位于地面12之上的钻机10使设置在地面之下的井眼中的钻柱20旋转。该钻柱典型地包括钻杆22和钻环24，钻杆和钻环被旋转并沿钻孔向下对钻头50或附接到钻柱远端的其他井下设备(一般被称为“工具管柱”)40传递转矩。为了使钻头钻入地层的地壳而形成井眼60，钻机上的地面设备14旋转钻柱20和钻头50。然而，钻头通常在穿过各种地质构造时会遭遇差异，各种地质构造对钻头提供不同的阻力量。在很多情况下，这样的阻力可能是意料之外的并会导致从地面沿着钻柱传递过量的转矩，从而可能导致钻柱或连接到钻柱的工具管柱被损坏和/或破裂。这样的断裂导致除了产生停工期相关的成本外，还需要额外的工作和费用以恢复破裂的钻柱和工具管柱的节段以及修复损坏。
发明内容
总体而言，本公开描述了一种与井下钻井工具和/或井下完井工具结合使用的旋转转矩限制组件。该旋转转矩限制组件包括具有内部空腔的旋转输入构件，该内部空腔具有楔块插孔(sprag receptacles)。旋转输出构件设置在内部空腔之内，第二旋转构件具有径向突起和凹槽。径向棘轮构件沿径向设置在输入构件与输出构件之间，每个棘轮构件具有径向内表面和包括至少一个径向突起楔块的径向向外表面。轴承沿径向设置在棘轮构件与输出构件之间。保持组件适于提供顺应力以维持棘轮构件、轴承和第二旋转构件之间的接触。每个轴承至少部分地保持在棘轮构件中的一个与第二旋转构件之间，且每个楔块至少部分地保持在相应的楔块插孔之内。
一个或多个实施方案的细节将在附图和以下说明中阐述。
附图说明
图1是设置在井眼中的钻机和井下设备的示意图。
图2是包括井下转矩限制装置的示例的钻柱节段的下部的立体图。
图3是图2的井下转矩限制装置的示例的局部立体图。
图4是棘轮构件的示例的立体图。
图5是井下转矩限制装置的示例的剖视图。
图6是处于转矩限制模式中的井下转矩限制装置的示例的剖视图。
图7A-7C是井下转矩限制装置的示例的剖视图。
具体实施方案
参照图1，一般而言，位于地面12处或位于地面12之上的钻机10使设置在地面之下的井眼中的钻柱20旋转。该钻柱20典型地包括钻杆22和钻环24，钻杆和钻环被旋转并沿钻孔向下对钻头50或附接到钻柱20的远端的其他井下设备(一般被称为“工具管柱”)40传递转矩。为了使钻头钻入地层的地壳而形成井眼60，钻机上的地面设备14旋转钻柱20和钻头50。井眼60在套管34与钻孔之间的环形区域中被套管34和水泥环32加固。然而，钻头50通常在穿过各种地质构造25时会遭遇差异，各种地质构造对钻头提供不同的阻力量。在很多情况下，这样的阻力可能是意料之外的并会导致从地面12沿着钻柱20传递过量转矩。在其他情况下，在偏斜井眼中，钻柱20或工具管柱40可能被卡在井眼60中，而且导致在钻柱20或工具管柱中产生过量转矩。在其他情况下，钻孔壁可能使包裹钻头50、工具管柱40或钻柱20的成型材料脱落，并使得这些元件中的一个或多个被卡住且导致在钻柱20中产生过量转矩。
在一些实施例中，工具管柱40可以是钻井工具管柱、完井工具管柱或再入工具管柱。钻井工具管柱包括工具元件，例如旋转导向工具系统、泥浆马达、管下扩孔器和/或随钻测量(MWD)/FEWD装置。为了避免钻柱20和/或工具管柱40的元件过度扭转，转矩限制装置110可插置在钻柱20与工具管柱40之间。
当越过(横跨)转矩限制装置110的钻柱20与工具管柱40之间的扭转力超出预定量时，装置110将使两个节段旋转地脱离接合，直到作用力回到预定量以下。
图2是井下转矩限制装置110的立体图。参照图1和图2，在一些实施方案中，转矩限制装置110限制从连接到钻柱20(参见图1)并接收来自钻柱20的旋转转矩的旋转输入构件(例如，外部壳体114)传输到旋转输出构件(例如，驱动轴112)的转矩的量。在一些实施方案中，转矩限制装置能够用于限制当外部壳体114旋转以驱动直接地或间接地联接到驱动轴112的钻头50(参见图1)时、沿着工具管柱节段40(参见图1)发生的转矩的量。
转矩限制装置110包括：径向棘轮组件120；弹簧支撑组件122a，邻近径向棘轮组件120的上孔轴端设置；弹簧支撑组件122b，邻近径向棘轮组件120的下孔轴端设置。弹簧节段124a沿轴向提供弹簧支撑组件122a与径向棘轮组件之间的轴向压缩。弹簧节段124b沿轴向提供弹簧支撑组件122b与径向棘轮组件之间的轴向压缩。
轴承组件130被设置为限制驱动轴112的相对运动，以及使驱动轴112与转矩限制装置110的外壳体(图中未示出)旋转地脱离接合。密封壳体140被设置为阻止或至少最小化入侵的污物(例如，钻井碎屑、颗粒悬浮体、灰尘、泥浆、沙子)进入转矩限制装置110的内部部件。
图3是井下转矩限制装置110的示例的局部立体图。径向棘轮组件120包括一系列滚柱轴承202和一系列径向棘轮构件204。在图3的视图中，图2的径向棘轮组件120被示出为径向棘轮构件204中的一个被移除以提供滚柱轴承202的视图。
图4是径向棘轮构件204和滚柱轴承202的示例的立体图。如下面将进一步详述的，该系列滚柱轴承202至少部分地设置在形成于每个径向棘轮构件204的径向内表面304之内的一系列相应凹槽302内。
图5是井下转矩限制装置110的示例的剖视图。如图5所示，该系列径向棘轮构件204被弹簧支撑组件122a和122b径向地限制。该限制是顺应的，其中每个径向棘轮构件204的倾斜面(angular face，成角度面)210滑动接触弹簧支撑组件122a和122b的相应的倾斜面212。这些部件的其他细节将在对图7A到图7C的说明中进行讨论。
图6是处于转矩限制模式中的井下转矩限制装置110的示例的剖视图。在操作中，当井下转矩限制装置110两端发生的扭转力大体上为零时，径向棘轮构件204一般处于例如图5的示例所示出的压缩构造。在操作中，随着越过井下转矩限制装置110发生的转矩的量的增加，如图6的示例中所描绘，径向棘轮构件204被径向向外驱使。该径向向外扩展的过程将在图7A到图7C的说明中进一步讨论。
弹簧节段124a-124b朝向彼此轴向地压缩弹簧支撑构件122a-122b。该压缩顺应地驱使径向棘轮构件204径向向内。在使用中，沿着井下转矩限制装置110发生的扭转力用作驱使径向棘轮构件204径向向外。该向外扩展使得倾斜面210抵靠倾斜面212施加轴向力，从而驱使弹簧支撑构件122a-122b轴向地远离径向棘轮组件120，这进而压缩弹簧节段124a-124b。
在一些实施例中，弹簧节段124a-124b各自包括一系列一个或多个截头圆锥形弹簧(例如，锥形盘弹簧、锥形弹簧垫圈、盘形弹簧、杯状弹簧垫圈、碟形弹簧、碟形垫圈)。在一些实施方案中，弹簧可以是螺旋压缩弹簧，例如模具弹簧(die spring)。在一些实施方案中，多个弹簧可被堆叠以改变由弹簧节段124a-124b提供的弹簧常数。在一些实施方案中，多个弹簧可被堆叠以改变由弹簧节段124a-124b提供的挠曲量。例如，沿相同方向堆叠弹簧能并行地增加弹簧常数，从而形成具有大体相同挠曲的较刚性的接头。在另一示例中，沿交替的方向堆叠弹簧能执行与串联增加弹簧大体相同的功能，从而导致较低的弹簧常数和较大的挠曲。在一些实施方案中，混合和/或匹配弹簧方向能提供预定的弹簧常数和挠曲能力。在一些实施方案中，通过改变弹簧节段124a-124b的挠曲和/或弹簧常数，同样也可改变使井下转矩限制装置110进入转矩限制模式所需的转矩的量。
图7A到图7C是横过径向棘轮组件120的轴向中心点截取的、井下转矩限制装置110的示例的剖视图。参照图7A，井下转矩限制装置110包括外壳体602(相当于图2的壳体114)。外壳体602包括内部空腔604。内部空腔604包括内表面606，该内表面包括一系列插孔608。
径向棘轮构件204包括一个或多个突起(楔块)610，所述突起(楔块)从径向向外表面612沿径向向外延伸。在使用中，楔块610至少部分地保留在插孔608之内(下文称为“楔块插孔”)。应理解的是，楔块610被示出为三角形。然而，应理解的是，可使用其他几何形状的突起和相配的插孔，“楔块”和楔块形状不限于三角形。
如前所述，径向棘轮构件204还包括径向内表面614。径向内表面614包括至少一个半圆凹槽616。每个半圆凹槽616形成为部分地保持一系列滚柱轴承202中的相应的一个。该系列滚柱轴承202与驱动轴112大体上保持滚动接触。
驱动轴112包括一系列径向突起620和径向凹槽622。在由弹簧节段124a-124b提供的压缩下(例如，图3、图4、图5和图6)，径向棘轮构件204被径向向内驱使。这样，在井下转矩限制装置110经受大体上为零的转矩的条件下，滚柱轴承202将大体上被滚动到径向凹槽622的基座(例如，以允许弹簧节段124a-124b停留在相对低势能的点处)。
图7B示出在驱动轴112与外壳体602之间发生一些转矩(例如，转矩的量小于预定转矩临界值)的情况下、径向棘轮组件120的示例。在使用中，外壳体602(在图2中也被称为114)被旋转。该旋转力被传递到滚柱轴承202、径向棘轮构件204和驱动轴112。
随着外壳体602与驱动轴112之间的扭转力的增加，滚柱轴承202朝向邻近的径向突起620被部分地驱使而离开径向凹槽622。随着滚柱轴承202朝向径向突起620被驱使，径向棘轮构件204通过抵抗由弹簧节段124a-124b(图中未示出)提供的压缩力而顺应地径向向外延伸。随着径向棘轮构件204向外延伸，楔块610进一步深入到楔块插孔608，楔块610与楔块插孔608之间大体上维持接触。
在驱动轴112与外壳体602之间发生的转矩小于预定转矩临界值的实施方案中，旋转力能持续地从外壳体602施加到驱动轴112。在一些实施方案中，预定转矩临界值能通过选择的弹簧节段124a-124b的构造来设定。
图7C示出在驱动轴112与外壳体602之间发生过量转矩(例如，转矩的量大于预定转矩临界值)的情况下、径向棘轮组件120的示例。在使用中，外壳体602被旋转。当转矩等级超出预定转矩临界值时，径向棘轮组件120的操作使从外壳体602到驱动轴112的旋转能的传递大体上断开。
在操作中，过量转矩等级会使得滚柱轴承202朝向径向突起620进一步滚动。最后，如图7C所描绘，在本示例中，径向棘轮构件204充分地顺应以允许滚柱轴承202到达径向突起620的顶峰。在这样的构造中，外壳体602的施加到径向棘轮构件204的旋转力大体上不能作为转动能而传递到滚柱轴承202，这样，驱动轴112与外壳体602大体上旋转地脱离接合。
在图1到图7C的描述所讨论的示例中，径向棘轮组件120可双向地操作，例如，井下转矩限制装置110的转矩限制功能在顺时针转矩或逆时针转矩下能够大体上相同地操作。在一些实施方案中，径向棘轮组件120、外壳体602和/或驱动轴112可形成为提供单向的转矩限制装置。
在一些实施方案中，滚柱轴承202可被滑动轴承替代。例如，径向棘轮构件204可包括从棘轮构件204的径向内表面沿径向向内延伸的半圆突起。这些半圆突起可在低转矩条件期间停留在径向凹槽622之内，并随着转矩等级的增加而朝向径向突起620被可滑动地驱使。
在一些实施方案中，多组径向棘轮组件可一起使用。例如，转矩限制组件110可包括平行的两个或多个径向棘轮组件120，以增加钻机10与钻头50之间的可用转矩能力。
尽管上文详细描述了几个实施方案，但其它修改方案也是可能的。例如，图中示出的逻辑流程不需要所示的特定顺序、或先后顺序，即可获得满意结果。此外，可提供其它步骤，或可从所述流程中省略步骤；而且可增加其它部件到所述系统，或从所述系统移除其它部件。因此，其它实施方案落入随附的权利要求书的范围之内。
Claims (20)
1.一种旋转转矩限制组件，包括：
旋转输入构件，具有内部空腔，所述内部空腔具有包括多个楔块插孔的表面；
旋转输出构件，设置在所述旋转输入构件的内部空腔之内，所述旋转输出构件具有多个径向突起和径向凹槽；
多个径向棘轮构件，沿径向设置在所述旋转输入构件与所述旋转输出构件之间，每个径向棘轮构件均具有径向内表面，和包括至少一个径向突起楔块的径向外表面；
多个轴承，沿径向设置在所述多个径向棘轮构件与所述旋转输出构件之间；以及
保持组件，包括顺应构件，所述顺应构件具有足够的顺应力以维持所述多个棘轮构件中的至少一个、所述多个轴承中的至少一个和所述旋转输出构件之间的接触，所述顺应构件与每个径向棘轮构件的每个径向突起楔块沿纵向隔开，而且每个楔块至少部分地设置在相应的楔块插孔之内。
2.根据权利要求1所述的旋转转矩限制组件，其中，当越过所述旋转转矩限制组件发生的转矩的量等于或小于预定转矩临界值时，所述径向棘轮构件中的一个或多个传输从所述旋转输入构件向所述旋转输出构件沿第一旋转方向的旋转运动；而且
当越过所述旋转转矩限制组件发生的转矩的量大于预定转矩临界值时，所述径向棘轮构件中的一个或多个阻止从所述旋转输入构件向所述旋转输出构件沿第一旋转方向的旋转运动的传输。
3.根据权利要求2所述的旋转转矩限制组件，其中，当越过所述旋转转矩限制组件发生的转矩的量等于或小于预定转矩临界值时，所述径向棘轮构件中的一个或多个传输从所述旋转输入构件向所述旋转输出构件沿相反的第二旋转方向的旋转运动；而且
当越过所述旋转转矩限制组件发生的转矩的量大于预定转矩临界值时，所述径向棘轮构件中的一个或多个阻止从所述旋转输入构件向所述旋转输出构件沿第二旋转方向的旋转运动的传输。
4.根据权利要求1所述的旋转转矩限制组件，其中，所述多个棘轮构件中的每个均包括倾斜外表面，而且，所述保持组件包括：
支撑组件，具有第一面和第二面，所述第一面具有倾斜内表面，所述倾斜内表面大体上平行于所述倾斜外表面；以及
至少一个顺应构件，适于提供所述输入构件或所述输出构件中的一者与所述支撑组件的第二面之间的顺应力，其中所述顺应构件驱使所述倾斜内表面接触所述倾斜外表面。
5.根据权利要求4所述的旋转转矩限制组件，其中，所述顺应构件是弹簧。
6.根据权利要求1所述的旋转转矩限制组件，其中，所述轴承包括从所述径向棘轮构件的径向内表面沿径向向内延伸的径向突起。
7.根据权利要求1所述的旋转转矩限制组件，其中，所述轴承包括滚柱轴承，所述径向内表面包括至少一个半圆凹槽，而且，所述顺应力还维持所述多个棘轮构件、所述多个滚柱轴承和所述旋转输出构件之间的接触，其中每个滚柱轴承在所述径向棘轮构件中的一个与所述旋转输出构件之间被部分地保持在所述半圆凹槽中的相应一个之内，其中，每个楔块部分地保持在相应的楔块插孔之内。
8.根据权利要求2所述的旋转转矩限制组件，其中，所述多个棘轮构件中的每个均包括倾斜外表面，而且，所述保持组件包括：
支撑组件，具有第一面和第二面，所述第一面具有倾斜内表面，所述倾斜内表面大体上平行于所述倾斜外表面；以及
至少一个顺应构件，适于提供所述输入构件或所述输出构件中的一者与所述支撑组件的第二面之间的顺应力，其中，所述顺应构件驱使所述倾斜内表面接触所述倾斜外表面。
9.根据权利要求3所述的旋转转矩限制组件，其中，所述多个棘轮构件中的每个均包括倾斜外表面，而且，所述保持组件包括：
支撑组件，具有第一面和第二面，所述第一面具有倾斜内表面，所述倾斜内表面大体上平行于所述倾斜外表面；以及
至少一个顺应构件，适于提供所述输入构件或所述输出构件中的一者与所述支撑组件的第二面之间的顺应力，其中，所述顺应构件驱使所述倾斜内表面接触所述倾斜外表面。
10.根据权利要求4所述的旋转转矩限制组件，其中，所述轴承是滚柱轴承，所述径向内表面包括至少一个半圆凹槽，而且，所述顺应力还维持所述多个棘轮构件、所述多个滚柱轴承和所述旋转输出构件之间的接触，其中每个滚柱轴承在所述径向棘轮构件中的一个与所述旋转输出构件之间被部分地保持在所述半圆凹槽中的相应一个之内，其中，每个楔块部分地保持在相应的楔块插孔之内。
11.根据权利要求3所述的旋转转矩限制组件，其中，所述轴承包括滚柱轴承，所述径向内表面包括至少一个半圆凹槽，而且，所述顺应力还维持所述多个棘轮构件、所述多个滚柱轴承和所述旋转输出构件之间的接触，每个滚柱轴承在所述径向棘轮构件中的一个与所述旋转输出构件之间被部分地保持在所述半圆凹槽中的相应的一个之内，而且每个楔块被部分地保持在相应的楔块插孔之内。
12.一种限制旋转组件中的转矩的方法，包括：
提供旋转转矩限制组件，所述旋转转矩限制组件包括：
旋转输入构件，具有内部空腔，所述内部空腔具有包括多个楔块插孔的表面；
旋转输出构件，设置在所述旋转输入构件的内部空腔之内，所述旋转输出构件具有多个径向突起和径向凹槽；
多个径向棘轮构件，沿径向设置在所述旋转输入构件与所述旋转输出构件之间，每个径向棘轮构件具有径向内表面，和包括至少一个径向突起楔块的径向外表面；
多个轴承，沿径向设置在所述多个径向棘轮构件与所述旋转输出构件之间；以及
保持组件，包括顺应构件，所述顺应构件具有足够的顺应力以维持所述多个棘轮构件中的至少一个、所述多个轴承中的至少一个和所述旋转输出构件之间的接触，所述顺应构件与每个径向棘轮构件的每个径向突起楔块沿纵向隔开，而且每个楔块至少部分地设置在相应的楔块插孔之内；
以预定转矩临界值或低于预定转矩临界值的转矩等级旋转所述旋转输入构件，在预定转矩临界值或低于预定转矩临界值时，所述多个轴承被驱使与所述旋转输出构件一起转动，所述轴承的转动驱使所述多个棘轮构件与所述旋转输出构件一起转动，所述多个棘轮构件的转动驱使所述旋转输出构件与所述旋转输入构件一起转动；以及
以超过预定转矩临界值的转矩等级旋转所述旋转输入构件，在超过预定转矩临界值时，所述多个轴承被驱使离开多个凹槽并位于所述多个突起之上，从而使所述旋转输入构件的旋转脱离驱使所述多个轴承、所述多个棘轮构件和所述旋转输出构件的转动。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，当越过所述旋转转矩限制组件发生的转矩的量等于或小于预定转矩临界值时，所述径向棘轮构件中的一个或多个传输从所述旋转输入构件向所述旋转输出构件沿第一旋转方向的旋转运动；以及
当越过所述旋转转矩限制组件发生的转矩的量大于预定转矩临界值时，所述径向棘轮构件中的一个或多个阻止从所述旋转输入构件向所述旋转输出构件沿第一旋转方向的旋转运动的传输。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，当越过所述旋转转矩限制组件发生的转矩的量等于或小于预定转矩临界值时，所述径向棘轮构件中的一个或多个传输从所述旋转输入构件向所述旋转输出构件沿相反的第二旋转方向的旋转运动；以及
当越过所述旋转转矩限制组件发生的转矩的量大于预定转矩临界值时，所述径向棘轮构件中的一个或多个阻止从所述旋转输入构件向所述旋转输出构件沿第二旋转方向的旋转运动的传输。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个棘轮构件中的每一个均包括倾斜外表面，而且所述保持组件包括：
支撑组件，具有第一面和第二面，所述第一面具有倾斜内表面，所述倾斜内表面大体上平行于所述倾斜外表面；以及
至少一个顺应构件，适于提供所述输入构件或所述输出构件中的一者与所述支撑组件的第二面之间的顺应力，其中，所述顺应构件驱使所述倾斜内表面接触所述倾斜外表面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述顺应构件是弹簧。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述轴承包括从所述径向棘轮构件的径向内表面沿径向向内延伸的径向突起。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述轴承包括滚柱轴承，所述径向内表面包括至少一个半圆凹槽，而且，所述顺应力还维持所述多个棘轮构件、所述多个滚柱轴承和所述旋转输出构件之间的接触，每个滚柱轴承在所述径向棘轮构件中的一个与所述旋转输出构件之间被部分地保持在所述半圆凹槽中的相应的一个之内，而且每个楔块被部分地保持在相应的楔块插孔之内。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多个棘轮构件中的每个均包括倾斜外表面，而且，所述保持组件包括：
支撑组件，具有第一面和第二面，所述第一面具有倾斜内表面，所述倾斜内表面大体上平行于所述倾斜外表面；以及
至少一个顺应构件，适于提供所述输入构件或所述输出构件中的一者与所述支撑组件的第二面之间的顺应力，其中，所述顺应构件驱使所述倾斜内表面接触所述倾斜外表面。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个棘轮构件中的每个均包括倾斜外表面，而且，所述保持组件包括：
支撑组件，具有第一面和第二面，所述第一面具有倾斜内表面，所述倾斜内表面大体上平行于所述倾斜外表面；以及
至少一个顺应构件，适于提供所述输入构件或所述输出构件中的一者与所述支撑组件的第二面之间的顺应力，其中，所述顺应构件驱使所述倾斜内表面接触所述倾斜外表面。
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