CN106089118A - 一种防止钻柱出现扭转共振的方法及柔性扭矩减震器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防止钻柱出现扭转共振的方法及柔性扭矩减震器，该柔性扭矩减震器是在筒体内的上驱动接头和下驱动轴之间设置有两个以上的柔性扭矩传递短节，在每个柔性扭矩传递短节的两端面上设置有正弦波形啮合齿，相邻的柔性扭矩传递短节通过正弦波形啮合齿互相咬合在一起传递扭矩，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件。本发明通过多个柔性扭矩传递短节逐级缓冲钻柱上产生的扭矩冲击载荷，同时通过柔性扭矩传递短节之间的弹性元件分散削减扭矩峰值，使得剧烈的扭矩冲击载荷被削减直至消失，从而避免钻柱出现扭转共振现象，提高钻柱的工作稳定性，进而提高钻井速度和井身质量，降低钻井成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种防止钻柱出现扭转共振的方法及柔性扭矩减震器，属于钻井工具技术领域。
背景技术
石油、天然气及地质勘探钻井过程中，为了达到预定的钻井深度，需要钻头做旋转切削运动，而由于钻头结构、地层、钻压等因素的变化，井底的反扭矩也将随之变化，当转速达到某一临界时，钻柱可能出现扭转共振现象，在旋转钻井过程中，钻柱下部同时承受着轴向压力和扭矩，钻压超过临界值时将产生纵向弯曲，即丧失稳定性，扭矩也能使钻具丧失扭曲稳定性，过大的扭矩作用，钻柱将产生另一种破坏形式-扭曲失稳破坏。这种扭矩的剧烈变化造成的危害主要有以下几个方面：
1、降低钻杆的使用寿命，严重的会造成钻杆扭断，发生井下事故。
2、破坏钻头的最佳工作环境，造成钻头齿部脱落或折断，降低钻头使用寿命。
3、对连接螺纹造成冲击，导致螺纹松扣或扭矩过大无法拆卸。
现有的钻井工具扭矩传递机构主要采用花键、六方、以及传动销三种结构，虽然扭矩传递机构多种多样，但无一列外，均为刚性传递，无法在传递扭矩的同时，达到减弱或消除扭矩震动的作用。
发明内容
为了解决现有钻柱在传递扭矩的同时无法减弱或消除扭矩震动的缺陷，本发明提供了一种防止钻柱出现扭转共振的方法及柔性扭矩减震器，从而消减或消除在钻井过程中钻柱上剧烈的扭矩冲击载荷，避免钻柱出现扭转共振现象，提高钻柱的工作稳定性，进而提高钻井速度和井身质量，降低钻井成本。
本发明的技术方案：一种防止钻柱出现扭转共振的方法，该方法是在钻柱上设置两个以上的柔性扭矩传递短节，在每个柔性扭矩传递短节的两个侧面上设置有正弦波形啮合齿，相邻的柔性扭矩传递短节通过正弦波形啮合齿互相咬合在一起传递扭矩，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件，在钻柱通过柔性扭矩传递短节传递扭矩的过程中，正弦波形啮合齿上的受力点会根据传递扭矩的大小移动，消除部分扭矩峰值，其余扭矩变化量转化为轴向力并施加在柔性扭矩传递短节上，再由相邻柔性扭矩传递短节之间的弹性元件消除，从而使得钻柱上剧烈的扭矩冲击载荷被削减直至消失，防止钻柱出现扭转共振现象。
同时，本发明还提供一种用于实现上述方法的柔性扭矩减震器，包括筒体以及固定连接在筒体两端的上驱动接头和密封外筒，在密封外筒内设置有可以上下滑动的下驱动轴，下驱动轴的下端固定连接有下接头，在筒体内的上驱动接头和下驱动轴之间设置有两个以上的柔性扭矩传递短节，在每个柔性扭矩传递短节的两端面上设置有正弦波形啮合齿，相邻的柔性扭矩传递短节通过正弦波形啮合齿互相咬合在一起，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件。
所述上驱动接头或下驱动轴与柔性扭矩传递短节的接触端面上设置有正弦波形啮合齿，上驱动接头或下驱动轴通过正弦波形啮合齿与柔性扭矩传递短节咬合，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件。
所述上驱动接头为中空接头，其下端内孔中设置有中心管，并在中心管的外壁上套有密封圈。
所述下驱动轴为中空轴，其外壁与密封外筒的内壁之间套有密封圈。
由于采用上述技术方案，本发明的优点在于：本发明通过钻柱上的多个柔性扭矩传递短节来传递扭矩，在传递扭矩的过程中通过多个柔性扭矩传递短节逐级缓冲钻柱上产生的扭矩冲击载荷，同时通过柔性扭矩传递短节之间的弹性元件分散削减扭矩峰值，在多级柔性扭矩传递短节和多个弹性元件的共同作用下，使得剧烈的扭矩冲击载荷被削减直至消失，从而避免钻柱出现扭转共振现象，提高钻柱的工作稳定性，进而提高钻井速度和井身质量，降低钻井成本。
附图说明
图1为本发明中柔性扭矩减震器的结构示意图；
图2为本发明中柔性扭矩传递短节的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4为本发明中弹性元件的结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6为本发明中柔性扭矩传递短节之间的扭矩矢量图。
附图标记说明：1-上驱动接头，2-柔性扭矩传递短节，3-弹性元件，4-下驱动轴，5-下接头，6-筒体，7-密封外筒，8-中心管，9-密封圈。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的实施例：柔性扭矩减震器的结构示意图如图1所示，包括筒体6以及固定连接在筒体6两端的上驱动接头1和密封外筒7，在密封外筒7内设置有可以上下滑动的下驱动轴4，下驱动轴4的下端固定连接有下接头5，在筒体6内的上驱动接头1和下驱动轴4之间设置有8个柔性扭矩传递短节2，参见图2～5，在每个柔性扭矩传递短节2的两端面上设置有正弦波形啮合齿，相邻的柔性扭矩传递短节2通过正弦波形啮合齿互相咬合在一起，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件3。所述上驱动接头1或下驱动轴4与柔性扭矩传递短节2的接触端面上设置有正弦波形啮合齿，上驱动接头1或下驱动轴4通过正弦波形啮合齿与柔性扭矩传递短节2咬合，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件3。所述上驱动接头1为中空接头，其下端内孔中设置有中心管8，并在中心管8的外壁上套有密封圈9。所述下驱动轴4为中空轴，其外壁与密封外筒7的内壁之间套有密封圈9。
本发明的工作原理：参见图6，在钻井过程中，钻柱通过柔性扭矩减震器传递扭矩F2，在传递扭矩F2的过程中产生的扭矩冲击载荷F通过柔性扭矩减震器上的下驱动轴4作用在柔性扭矩传递短节2上，由于相邻的柔性扭矩传递短节2通过正弦波形啮合齿互相咬合在一起，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件3，因此，正弦波形啮合齿上的受力点0会根据传递扭矩的大小移动，消除部分扭矩峰值，其余扭矩变化量转化为轴向力F1并施加在柔性扭矩传递短节2上，再由相邻柔性扭矩传递短节2之间的弹性元件3消除，从而使得钻柱上剧烈的扭矩冲击载荷被削减直至消失，防止钻柱出现扭转共振现象。
Claims (5)
1.一种防止钻柱出现扭转共振的方法，其特征在于：在钻柱上设置两个以上的柔性扭矩传递短节，在每个柔性扭矩传递短节的两个侧面上设置有正弦波形啮合齿，相邻的柔性扭矩传递短节通过正弦波形啮合齿互相咬合在一起传递扭矩，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件，在钻柱通过柔性扭矩传递短节传递扭矩的过程中，正弦波形啮合齿上的受力点会根据传递扭矩的大小移动，消除部分扭矩峰值，其余扭矩变化量转化为轴向力并施加在柔性扭矩传递短节上，再由相邻柔性扭矩传递短节之间的弹性元件消除，从而使得钻柱上剧烈的扭矩冲击载荷被削减直至消失，防止钻柱出现扭转共振现象。
2.一种用于实现权利要求1所述方法的柔性扭矩减震器，包括筒体(6)以及固定连接在筒体(6)两端的上驱动接头(1)和密封外筒(7)，其特征在于：在密封外筒(7)内设置有可以上下滑动的下驱动轴(4)，下驱动轴(4)的下端固定连接有下接头(5)，在筒体(6)内的上驱动接头(1)和下驱动轴(4)之间设置有两个以上的柔性扭矩传递短节(2)，在每个柔性扭矩传递短节(2)的两端面上设置有正弦波形啮合齿，相邻的柔性扭矩传递短节(2)通过正弦波形啮合齿互相咬合在一起，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件(3)。
3.根据权利要求2所述的柔性扭矩减震器，其特征在于：所述上驱动接头(1)或下驱动轴(4)与柔性扭矩传递短节(2)的接触端面上设置有正弦波形啮合齿，上驱动接头(1)或下驱动轴(4)通过正弦波形啮合齿与柔性扭矩传递短节(2)咬合，并在正弦波形啮合齿的咬合面之间设置有与正弦波形啮合齿吻合的弹性元件(3)。
4.根据权利要求3所述的柔性扭矩减震器，其特征在于：所述上驱动接头(1)为中空接头，其下端内孔中设置有中心管(8)，并在中心管(8)的外壁上套有密封圈(9)。
5.根据权利要求3所述的柔性扭矩减震器，其特征在于：所述下驱动轴(4)为中空轴，其外壁与密封外筒(7)的内壁之间套有密封圈(9)。
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