CN108868604B - 一种机械式井下扭矩分离与传递工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械式井下扭矩分离与传递工具，它包括有外壳体、上分度爪筒、伸缩转筒、分度配合爪筒、下分度爪筒、旋转离合接头。上分度爪筒和下分度爪筒均与外壳体固定连接，伸缩转筒套接在上分度爪筒与下分度爪筒内部，伸缩转筒末端通过弹性机构与外壳体或上分度爪筒连接。分度配合爪筒设在伸缩转筒外壁中部。旋转离合接头通过反向弧面阶梯轴和滚珠配合的方式与外壳体连接。本发明的有益效果是，通过该工具对扭矩的分离实现钻柱旋转定向钻进，可替代旋转导向钻井系统，但其成本更低、可靠性更高，形成一种低成本的高效钻井新技术，从而解决钻柱摩阻高、托压严重、机械钻速低、极限延伸能力困难等复杂结构井钻井技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及油气资源钻井工具技术领域，尤其是涉及一种机械式井下扭矩分离与传递工具。
背景技术
随着常规石油与天然气资源的枯竭，致密油气、页岩油气、煤层气、海洋油气等非常规油气资源逐渐受到重视。为了经济高效开采这类非常规石油与天然气资源，定向井、水平井、大位移井等复杂结构井数量越来越多，这类复杂结构井可以有效增大与油气藏的接触面积、增大油气藏泄流面积、提高油气采收率，其还可以有效节约地面井场占地面积或节约钻井平台，综合开发成本降低而效益得到大幅提升。
但是，这类复杂结构井钻井时通常面临着许多问题，如钻柱摩阻高、托压严重、机械钻速低、极限延伸能力有限等一系列挑战，国内外普遍采用旋转导向钻井技术克服这些问题，旋转导向钻井技术通过旋转钻柱改变钻柱上摩擦力的方向来实现降低钻柱摩擦阻力的目的。旋转导向钻井技术原理大致为：根据库伦摩擦定律，摩擦力与运动方向相反，将摩擦力分解为轴向和周向两个部分，旋转情况下钻进时，周向运动速度远远高于轴向速度，则摩擦力的方向改变为沿周向方向，这样便释放了轴向施加的钻压，解决了钻柱摩阻高、托压严重、机械钻速低、极限延伸困难等问题。
目前，国外已经成功开发出了系列化的商用旋转导向钻井系统，如静态偏置推靠式、动态偏置推靠式、静态偏置指向式和动态偏置指向式等4大类型，最具代表性的旋转导向钻井系统包括斯伦贝谢公司的Power Drive系统、贝克休斯公司的AutoTrak系统和哈里伯顿公司的Geo Pilot系统。国内也在积极开展旋转导向钻井系统的开发，自2002年中海油开始进行旋转导向钻井系统研发以来，已经开展了超过15年的研发，但由于旋转导向钻井系统是一种尖端的自动化测量与控制的闭环系统，由于井下钻铤内空间狭小，对机电一体化、自动控制和系统可靠性要求极高，其成本极高、研发难度极大，国内至今仍然没有成熟的旋转导向钻井系统。
在此情况下，有必要设计一种成本更低、可靠性更高的纯机械式工具，以替代旋转导向钻井系统实现旋转钻柱定向钻进，形成一种低成本的高效钻井新技术，解决钻柱摩阻高、托压严重、机械钻速低、极限延伸能力困难等复杂结构井钻井技术难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种机械式井下扭矩分离与传递工具，是以常规弯螺杆下部钻具组合为基础，在钻柱上安装该工具，通过工具对扭矩的分离实现钻柱旋转定向钻进。该工具可以替代旋转导向钻井系统实现旋转钻柱定向钻进，用于定向井、水平井、大位移井等复杂结构井的定向钻井。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种机械式井下扭矩分离与传递工具，它包括有外壳体、上分度爪筒、伸缩转筒、分度配合爪筒、下分度爪筒、旋转离合接头；所述外壳体末端与钻杆固定连接。
所述上分度爪筒和下分度爪筒均与外壳体固定连接，伸缩转筒套接在上分度爪筒与下分度爪筒内部，伸缩转筒末端通过弹性机构与外壳体或上分度爪筒连接并能够进行一定的轴向滑动与旋转运动；所述分度配合爪筒固定设置在伸缩转筒外壁中部。
所述旋转离合接头通过反向弧面阶梯轴和滚珠配合的方式与外壳体连接，这种连接方式使得旋转离合接头在特定的工作条件下相对外壳体自由旋转而不产生轴向运动。
优选地，所述上分度爪筒、下分度爪筒均通过销钉固定的方式与外壳体连接。
优选地，所述弹性机构为弹簧组件。
进一步地，所述分度配合爪筒的末端沿周向均匀分布有分度爪，分度配合爪筒前端沿周向均匀间次分布有长分度爪和短分度爪。
进一步地，所述上分度爪筒的前端沿周向均匀分布有等深分度槽，该等深分度槽与分度配合爪筒末端的分度爪相适配。
进一步地，所述下分度爪筒的末端沿周向均匀间次分布有深分度槽和浅分度槽，该深分度槽和浅分度槽与分度配合爪筒前端的长分度爪和短分度爪相适配；当下分度爪筒与分度配合爪筒接触时产生深分度槽和长分度爪配合与浅分度槽和长分度爪配合两种配合方式，从而控制伸缩转筒的轴向位置。
进一步地，所述伸缩转筒的前端设置有多级齿状离合结构。所述旋转离合接头的末端设置有内啮合齿状离合结构，旋转离合接头的中部设置有多对反向弧面阶梯，弧面阶梯通过滚珠与外壳体相应的弧面阶梯配合在一起，使得旋转离合接头可以进行旋转运动而不能进行轴向滑动；所述旋转离合接头前端与钻头连接，且旋转离合接头内部为中空结构以作为泥浆通道。所述伸缩转筒前端的多级齿状离合结构与旋转离合接头末端的内啮合齿状离合结构尺寸相适配。
需要说明的是，所述伸缩转筒可以在泥浆的作用下进行轴向运动，通过在地面上反复的开关泥浆泵，再结合分度配合爪筒与上分度爪筒、下分度爪的共同作用，可以控制在钻进过程中伸缩转筒的轴向相对位置从而控制伸缩转筒前端的齿状离合结构与旋转离合接头末端的内啮合齿状离合结构的结合与分开，使得旋转离合接头可以与外壳体同步旋转或者旋转离合接头不传递扭矩。
具体而言，在钻井过程中，地面泥浆泵打开一次，在运动的泥浆的作用下带动下，伸缩转筒沿轴向向前运动使得分度配合爪筒前端的长分度爪嵌入下分度爪筒的浅分渡槽（或者深分度槽）内，伸缩转筒前端的齿状离合结构与旋转离合接头末端的内啮合齿状离合结构分开（或者结合在一起），则旋转离合接头不传递扭矩（或者传递扭矩使得旋转离合接头与外壳体同步运动）；此时关闭泥浆泵，伸缩转筒在弹簧的作用下沿轴向向后运动，使得分度配合爪筒的末端分度爪与上分度爪筒前端的分度槽配合。同时，在两个配合的斜面的作用下进行一定角度的转动，再次打开泥浆泵，进入下一个工作阶段，伸缩转筒在运动泥浆的作用下沿轴向向前运动，使得分度配合爪筒的长分度爪嵌入下分度爪筒的深分渡槽（或者浅分度槽）内，伸缩转筒前端的齿状离合结构与旋转离合接头末端的内啮合齿状离合结构结合在一起（或者分开），此时旋转离合接头传递扭矩使得旋转离合接头与外壳体同步运动（或者旋转离合接头不传递扭矩）。如此反复的操控泥浆泵的开闭实现控制钻井过程中钻头端附近的扭矩（即旋转工作形式）的有无，实现在钻井过程中对部分钻杆的扭矩有无进行机械式控制。
进一步而言，即当本发明所述工具分离扭矩时，可使其上部的钻柱旋转，下部的钻柱滑动钻进实现定向钻进；而当该工具传递扭矩时，可实现常规的滑动钻进或复合钻进。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：针对定向井、水平井、大位移井等复杂结构井定向钻井，提供一种机械式井下扭矩分离与传递工具，通过该工具对扭矩的分离实现钻柱旋转定向钻进，可替代旋转导向钻井系统，但其成本更低、可靠性更高，形成一种低成本的高效钻井新技术，从而解决钻柱摩阻高、托压严重、机械钻速低、极限延伸能力困难等复杂结构井钻井技术难题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
附图标记说明：1-外壳体；2-上分度爪筒；3-分度配合爪筒；4-伸缩转筒；5-下分度爪筒；6-旋转离合接头；7-弹性机构。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种机械式井下扭矩分离与传递工具，所述机械式井下扭矩分离与传递工具包括有外壳体1、上分度爪筒2、伸缩转筒4、分度配合爪筒3、下分度爪筒5、旋转离合接头6；所述外壳体1末端与钻杆固定连接。
所述上分度爪筒2和下分度爪筒5均通过销钉固定的方式与外壳体1连接，伸缩转筒4套接在上分度爪筒2与下分度爪筒5内部，伸缩转筒4末端通过弹簧组件7与外壳体1或上分度爪筒2连接并能够进行一定的轴向滑动与旋转运动；所述分度配合爪筒3固定设置在伸缩转筒4外壁中部。
如图1所示，所述旋转离合接头6通过反向弧面阶梯轴和滚珠配合的方式与外壳体1连接，这种连接方式使得旋转离合接头6在特定的工作条件下相对外壳体1自由旋转而不产生轴向运动。
如图1所示，所述分度配合爪筒3的末端沿周向均匀分布有分度爪，分度配合爪筒3前端沿周向均匀间次分布有长分度爪和短分度爪。
所述上分度爪筒2的前端沿周向均匀分布有等深分度槽，该等深分度槽与分度配合爪筒3末端的分度爪相适配。
所述下分度爪筒5的末端沿周向均匀间次分布有深分度槽和浅分度槽，该深分度槽和浅分度槽与分度配合爪筒3前端的长分度爪和短分度爪相适配；当下分度爪筒5与分度配合爪筒3接触时产生深分度槽和长分度爪配合与浅分度槽和长分度爪配合两种配合方式，从而控制伸缩转筒4的轴向位置。
如图1所示，所述伸缩转筒4的前端设置有多级齿状离合结构。
所述旋转离合接头6的末端设置有内啮合齿状离合结构，旋转离合接头6的中部设置有多对反向弧面阶梯，弧面阶梯通过滚珠与外壳体1相应的弧面阶梯配合在一起，使得旋转离合接头6可以进行旋转运动而不能进行轴向滑动；所述旋转离合接头6前端与钻头连接，且旋转离合接头6内部为中空结构以作为泥浆通道。
所述伸缩转筒4前端的多级齿状离合结构与旋转离合接头6末端的内啮合齿状离合结构尺寸相适配。
本发明的工作原理具体如下：在钻井过程中，地面泥浆泵打开一次，在运动的泥浆的作用下带动下，伸缩转筒4沿轴向向前运动使得分度配合爪筒3前端的长分度爪嵌入下分度爪筒的浅分渡槽（或者深分度槽）内，伸缩转筒4前端的齿状离合结构与旋转离合接头6末端的内啮合齿状离合结构分开（或者结合在一起），则旋转离合接头6不传递扭矩（或者传递扭矩使得旋转离合接头6与外壳体1同步运动）；此时关闭泥浆泵，伸缩转筒4在弹簧的作用下沿轴向向后运动，使得分度配合爪筒3的末端分度爪与上分度爪筒2前端的分度槽配合。
同时，在两个配合的斜面的作用下进行一定角度的转动，再次打开泥浆泵，进入下一个工作阶段，伸缩转筒4在运动泥浆的作用下沿轴向向前运动，使得分度配合爪筒3的长分度爪嵌入下分度爪筒5的深分渡槽（或者浅分度槽）内，伸缩转筒4前端的齿状离合结构与旋转离合接头6末端的内啮合齿状离合结构结合在一起（或者分开），此时旋转离合接头6传递扭矩使得旋转离合接头6与外壳体1同步运动（或者旋转离合接头6不传递扭矩）。
如此反复的操控泥浆泵的开闭实现控制钻井过程中钻头端附近的扭矩（即旋转工作形式）的有无，实现在钻井过程中对部分钻杆的扭矩有无进行机械式控制。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种机械式井下扭矩分离与传递工具，其特征在于：
所述机械式井下扭矩分离与传递工具包括有外壳体（1）、上分度爪筒（2）、伸缩转筒（4）、分度配合爪筒（3）、下分度爪筒（5）、旋转离合接头（6）；所述外壳体（1）末端与钻杆固定连接；
所述上分度爪筒（2）和下分度爪筒（5）均与外壳体（1）固定连接，伸缩转筒（4）套接在上分度爪筒（2）与下分度爪筒（5）内部，伸缩转筒（4）末端通过弹性机构（7）与外壳体（1）或上分度爪筒（2）连接并能够进行一定的轴向滑动与旋转运动；所述分度配合爪筒（3）固定设置在伸缩转筒（4）外壁中部；
所述旋转离合接头（6）通过反向弧面阶梯轴和滚珠配合的方式与外壳体（1）连接，这种连接方式使得旋转离合接头（6）在特定的工作条件下相对外壳体（1）自由旋转而不产生轴向运动。
2.如权利要求1所述的一种机械式井下扭矩分离与传递工具，其特征在于：所述上分度爪筒（2）、下分度爪筒（5）均通过销钉固定的方式与外壳体（1）连接。
3.如权利要求1所述的一种机械式井下扭矩分离与传递工具，其特征在于：所述分度配合爪筒（3）的末端沿周向均匀分布有分度爪，分度配合爪筒（3）前端沿周向均匀间次分布有长分度爪和短分度爪。
4.如权利要求1或3所述的一种机械式井下扭矩分离与传递工具，其特征在于：所述上分度爪筒（2）的前端沿周向均匀分布有等深分度槽，该等深分度槽与分度配合爪筒（3）末端的分度爪相适配。
5.如权利要求1或3所述的一种机械式井下扭矩分离与传递工具，其特征在于：所述下分度爪筒（5）的末端沿周向均匀间次分布有深分度槽和浅分度槽，该深分度槽和浅分度槽与分度配合爪筒（3）前端的长分度爪和短分度爪相适配；当下分度爪筒（5）与分度配合爪筒（3）接触时产生深分度槽和长分度爪配合与浅分度槽和长分度爪配合两种配合方式，从而控制伸缩转筒（4）的轴向位置。
6.如权利要求1所述的一种机械式井下扭矩分离与传递工具，其特征在于：所述伸缩转筒（4）的前端设置有多级齿状离合结构。
7.如权利要求6所述的一种机械式井下扭矩分离与传递工具，其特征在于：所述旋转离合接头（6）的末端设置有内啮合齿状离合结构，旋转离合接头（6）的中部设置有多对反向弧面阶梯，弧面阶梯通过滚珠与外壳体（1）相应的弧面阶梯配合在一起，使得旋转离合接头（6）可以进行旋转运动而不能进行轴向滑动；所述旋转离合接头（6）前端与钻头连接，且旋转离合接头（6）内部为中空结构以作为泥浆通道。
8.如权利要求7所述的一种机械式井下扭矩分离与传递工具，其特征在于：所述伸缩转筒（4）前端的多级齿状离合结构与旋转离合接头（6）末端的内啮合齿状离合结构尺寸相适配。
9.如权利要求1所述的一种机械式井下扭矩分离与传递工具，其特征在于：所述弹性机构（7）为弹簧组件。
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