CN111411904B - 一种基于rfid的井下扭矩离合式钻井减阻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，包括无磁电器短接，在无磁电器短接下分为内外两层；外层自上而下包括液压接头、中间接头、液压缸体、离合腔，双接头；外部均为回转体结构，内部设有空腔；内层自上而下包括电机泵短接、电磁阀短接、活塞轴、外齿轮固定座、内齿轮和外齿轮、球座；内层的电机泵短接、电磁阀短接、活塞轴、外齿轮固定座、内齿轮和外齿轮均在其轴线上设有纵向的贯穿孔；内齿轮与外齿轮为可啮合结构，内齿轮上部连接在活塞轴下部，活塞轴上部设有空腔，空腔使活塞轴具备上下移动空间，带动内外齿轮啮合和脱离。本发明通过射频小球传递地面控制信号，实现内外齿轮离合。

Description

一种基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置

技术领域

本发明属于油气钻井用工具领域，具体涉及一种基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置，主要应用于石油天然气水平井和定向井水平井段钻井。

背景技术

目前在定向井、水平井钻井过程中常规方式依然是用螺杆钻具与LWD/MWD工具来实现井眼轨迹控制和定向作业，这种作业方式的优势是成本低廉、操作简单，问题是在水平段定向钻井过程中存在托压和工具面不稳定问题。旋转导向钻井系统相关技术和产品主要被国外公司如贝克休斯、哈里伯顿等垄断，因而其服务费用昂贵，除了海洋钻井以外，陆地使用的情况还是极少数。旋转导向钻井系统在国内还处于研发阶段，离市场化应用还有一段距离。

目前国内所公开的文献中，专利CN201510024479通过钻井液压力脉冲传递地面控制信号，与射频识别小球相比其电控系统复杂，可靠性稳定性都有待提高；离合系统由多组牙签式离合器串联而成，各离合器之间相互独立，由于外牙签体与下接头之间通过花键连接，活塞轴在加载移动过程中两端的离合器外牙签体与下接头之间由于受到的摩擦力不均匀容易出现偏磨或卡死现象，而整体齿轮副结构将多个齿轮副加工成一个整体结构，避免了这种偏磨和卡死情况，提高了离合系统的稳定性和可靠性。专利CN201610671373.0通过上提下放钻具和钻井液压力差实现离合功能，其结构简单，同样通过花键连接实现离合功能，但是在该工具上下两端钻柱都不旋转的情况下花键轴与花键筒的有效随机啮合无法保证。类似的CN201810549680.5也是通过钻井液压差推动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之间的啮合与分离来实现离合功能。同样存在内外啮合齿状结构在不旋转情况下的随机有效啮合问题。

发明内容

针对上述难题和现有技术的缺陷，本发明提供一种基于RFID射频识别扭矩离合式钻井减阻装置，通过射频小球传递地面控制信号，采用整体齿轮副结构克服了分离式牙嵌离合器容易出现偏磨的缺陷，解决定向井、水平井常规滑动钻井过程中钻柱水平段轴向摩阻大，出现托压，工具面稳定困难等问题，同时克服了机械式离合结构随机有效啮合无法保证的缺陷，提高了离合系统的可靠性和稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，包括无磁电器短接，在无磁电器短接下方分为内外两层结构；

外层自上而下包括液压接头、中间接头、液压缸体、离合腔，双接头；外部均为回转体结构，内部设有空腔，其中，双接头为空心筒体，其内部是沿着轴线方向设置的贯穿孔；

内层自上而下包括电机泵短接、电磁阀短接、活塞轴、外齿轮固定座、内齿轮和外齿轮、球座；内层的电机泵短接、电磁阀短接、活塞轴、外齿轮固定座、内齿轮和外齿轮均在其轴线上设有纵向的贯穿孔；

所述内齿轮与外齿轮为可啮合结构，内齿轮上部连接在活塞轴下部，活塞轴上部设有空腔，空腔使活塞轴具备上下移动空间，带动内外齿轮啮合和脱离。

进一步的，所述无磁电器短接外侧下部设有向内收缩的台阶，通过此台阶与液压接头顶部接触，台阶下方为外螺纹段，与设置于液压接头上部的内螺纹段连接；在无磁电器短接的螺纹段下方还设有向内收缩的台阶，并向下延伸，在电机泵短接的贯穿孔上部设有台阶，用于与无磁电器短接的螺纹段下方向内收缩的台阶配合抵紧；电机泵短接外壁下段设有向内收缩的台阶，此台阶与液压接头中部设置的台阶抵紧固定，在电机泵短接外壁的台阶上侧设有密封槽，密封槽内部安装有密封圈；液压接头外侧底部设有外螺纹，与中间接头顶部设置的内螺纹连接；电机泵短接的贯穿孔下部也设有台阶；所述电磁阀短接上部设有突出段，并与电机泵短接的贯穿孔下部的台阶相配合抵紧，在电磁阀短接外侧下部设有向内收缩的台阶，与中间接头内侧中部设置的台阶抵紧；中间接头底部外侧设有外螺纹，与液压缸体上部设置的内螺纹连接，且连接处设有密封圈；液压缸体内径分为上大下小的上部和下部，上部与电磁阀短接底部外径相同；电磁阀短接底部到液压缸体之间形成一段空腔体；

在电磁阀短接的贯穿孔底部设有扩孔段，扩孔段内径与活塞轴上段外径相同，活塞轴上段的长度也与扩孔段深度相同，活塞轴上端下部设有膨胀段，膨胀段安装在电磁阀短接底部到液压缸体之间的空腔体内，且膨胀段高度小于空腔体的长度，膨胀段下部为直径小于膨胀段的连接段，连接段内径与液压缸体下部的内径相同。

进一步的，活塞轴上段、膨胀段、连接段外壁均设有密封槽，并带有密封圈。

进一步的，在电机泵短接内设有油缸、电泵，电磁阀短接内置电磁阀和油路，油路连接到膨胀段与腔体上部，这段区域作为上腔体，这一段油路作为上腔油路，在活塞轴内设有下腔油路，连接到膨胀段与腔体下部，这段区域作为下腔体，下腔油路顶部与电磁阀出口段接触，且在下腔油路与电磁阀出口段接触的部分设有一段纵向的长槽。长槽确保活塞轴上下运动的时候都能让电磁阀出口段接触到长槽，确保对下腔体供油。当电磁阀打开，通过油路向腔体上部注入液压油时，活塞轴下行，当通过油路向腔体上部回抽液压油时，活塞轴上行。

进一步的，所述液压缸体外侧下方设有多个台阶，在台阶上从内层到外层通过圆柱销固定安装有U型半瓦、螺纹轴套，并通过离合腔顶部将螺纹轴套径向压紧；螺纹轴套顶部有一段延伸到最外侧，隔离开离合腔和液压缸体，在液压缸体和离合腔之间还设有止推轴承；

其中U型半瓦由硬质合金加工而成，通过圆柱销固定在液压缸体上，螺纹轴套被平分成两半，外表面加工有螺纹，螺纹轴套与离合腔之间通过螺纹连接再通过圆柱销固定。

进一步的，所述外齿轮和内齿轮均为间歇性分布直齿轮，即在一根齿轮轴上，设有多排齿，每一排齿之间的间距大于齿宽，内齿轮固定座通过销钉连接在离合腔内壁，并设置于内齿轮顶部；外齿轮底部依次设有内齿轮限位座、固定螺母、缓冲垫，在离合腔对应缓冲垫下方的位置设有向内延伸的凸环，缓冲垫与凸环抵紧固定；

所述的外齿轮与离合腔通过花键连接，内齿轮与活塞轴通过花键连接；

所述固定螺母与活塞轴用螺纹连接，固定螺母顶部与内齿轮限位座底部接触，并通过内齿轮限位座抵紧内齿轮。

进一步的，外齿轮和内齿轮的齿端都经过倒尖角加工。

进一步的，所述双接头的上下均设有外螺纹，双接头上方的外螺纹与离合腔下部内侧设置的内螺纹连接，且双接头顶部到离合腔的凸环之间安装有球座，所述球座包括底部固定环和锥形头，所述锥形头主体为直管，顶部为锥段，锥形头的外径与凸环内部的孔径相同，且锥形头的直管和锥段上都设有多个小孔；

底部固定环的顶部到凸环之间有一段空隙，作为回收腔。

进一步的，所述无磁电器短接外侧中部设有一段环形槽，环形槽作为电子仓，电子仓的外部设有盖板，确保电子仓与外部密封。无磁电器短接上的电子仓用于放置电路板、电池和感应线圈，感应线圈缠绕在无磁电器短接电子仓内壁。

进一步的，还包括射频小球，所述射频小球为球形的RFID无源电子标签，射频小球的直径小于贯穿孔、也小于锥形头顶部到凸环底部的最小距离、也小于回收腔的宽度，但大于锥形头上设置的小孔孔径。

本发明的有益之处在于：

1、本发明通过射频小球传递地面控制信号，采用整体齿轮副结构，让内齿轮和外齿轮通过上下运动，能够实现啮合和分离，克服了分离式牙嵌离合器容易出现偏磨的缺陷，同时克服了机械式离合结构随机有效啮合无法保证的缺陷，提高了离合系统的可靠性和稳定性。

2、通过对结构进行设计，让活塞轴通过井下部分直接实现液压控制，达到内齿轮和外齿轮的啮合和分离；

3、通过投带有RFID的射频小球的方式进行控制，避免了井下电缆或无线控制存在的弊端，且射频小球可回收。

附图说明

图1为一种基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置的结构上半部分示意图；

图2为一种基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置的结构下半部分示意图；

图3为一种基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置轴承系统示意图；

图4为一种基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置离合系统示意图；

图5为一种基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置活塞轴区域的示意图；

图6为一种基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置液压系统原理图；

图7为一种基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置射频识别与控制系统原理图。

附图标记说明：

1-无磁电器短接，2-电子仓，3-电机泵短接，4-液压接头，5-电磁阀短接，6-中间接头，7-密封圈，8-活塞轴，9-液压缸体，10-止推轴承，11-螺纹轴套，12-圆柱销，13-U型半瓦，14-外齿轮固定座，15-内齿轮，16-外齿轮，17-离合腔，18-回收腔，19-球座，20-双接头，21-缓冲垫，22-固定螺母，23-内齿轮限位座，24-内齿轮固定座；

301-油缸、302-电泵、

501-电磁阀、502-上腔油路、

801-下腔油路。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

如图1-4所示(为避免影响观察，图1-2将整个装置分为上下两部分展示)，一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，包括无磁电器短接1、电子仓2、电机泵短接3、液压接头4、电磁阀短接5、中间接头6、密封圈7、活塞轴8、液压缸体9、止推轴承10、螺纹轴套11、圆柱销12、U型半瓦13、外齿轮固定座14、内齿轮15、外齿轮16、离合腔17、回收腔18、球座19、双接头20、缓冲垫21、固定螺母22、内齿轮限位座23、内齿轮固定座24、射频小球(图中未示出)。

如图4所示，所述内齿轮15和外齿轮16啮合可以传递钻柱扭矩，外齿轮16固定内齿轮15随活塞轴8来回移动实现井下扭矩离合式钻井减阻装置离合功能。所述的内齿轮15和外齿轮16啮合可以传递钻柱扭矩，外齿轮16固定内齿轮15随活塞轴8来回移动实现井下扭矩离合式钻井减阻装置常规滑动钻井和复合导向钻井模式转换。

所述电机泵短接3、液压接头4、电磁阀短接5、中间接头6、密封圈7、活塞轴8、液压缸体9组成液压系统，活塞轴8与液压缸体9之间通过密封圈7实现密封，电机泵短接3内置电泵302，电磁阀短接5内置电磁阀501。

在电机泵短接3内设有油缸301、电泵302，电磁阀短接5内置电磁阀501和油路，油路连接到膨胀段与腔体上部，这段区域作为上腔体，这一段油路作为上腔油路502，在活塞轴8内设有下腔油路801，连接到膨胀段与腔体下部，这段区域作为下腔体，下腔油路801顶部与电磁阀501出口段接触，且下腔油路801顶部在于电磁阀3出口段接触的部分设有一段纵向的长槽。长槽确保活塞轴上下运动的时候都能让电磁阀3出口段接触到长槽，确保对下腔体供油。当电磁阀501打开，通过上腔油路502向腔体上部注入液压油时，活塞轴8下行，当通过下腔油路801向腔体上部回抽液压油时，活塞轴上行。

所述止推轴承10、螺纹轴套11、圆柱销12、U型半瓦13组成轴承系统，其中U型半瓦13由硬质合金加工而成，通过圆柱销12固定在液压缸体9上，螺纹轴套11被平分成两半，外表面加工有螺纹，螺纹轴套11与离合腔17之间通过螺纹连接再通过圆柱销12固定。

所述液压接头4上内嵌的电子仓2用于放置电路板、电池和感应线圈，无磁电器短接1与电机泵短接3连接处用密封圈7隔离钻井液，无磁电器短接1与液压接头4通过螺纹连接。所述的无磁电器短接上内嵌的电子仓用于放置电路板、电池和感应线圈，感应线圈缠绕在无磁电器短接电子仓内壁，无磁电器短接不会影响线圈产生的电磁场分布。

所述电机泵短接3与液压接头4一端通过台阶限位，一端与无磁电器短接1相连。

所述液压接头4与中间接头6通过螺纹连接，电磁阀短接5与电机泵短接3由台阶限位，用密封圈7隔离钻井液。

所述电磁阀短接5一端与中间接头6通过台阶限位，另一端在电机泵短接3和液压接头4作用下被固定。

所述活塞轴8一端被缓冲垫21限位，另一端被电磁阀短接5限位。

所述外齿轮16与离合腔17通过花键连接，内齿轮15与活塞轴8通过花键连接。

所述固定螺母22与活塞轴8用螺纹连接通内齿轮固定座23对内齿轮15起限位作用。

所述内齿轮固定座24与活塞轴8通过圆柱销12固定对内齿轮15起限位作，外齿轮固定座14与离合腔17通过圆柱销12固定对外齿轮16起限位作用。

所述球座19一端被离合腔17限位，另一端被双接头20限位，离合腔17与双接头20通过锥形螺纹连接。所述的射频小球随钻井液到达球座时，在球座上端的锥形挡板作用下进入回收腔，钻井液通过球座上的小孔可以顺利流出。

如图5和6所示，本发明的基于RFID的井下扭矩离合式钻井减阻装置液压系统原理是通过电子仓2内的电器元件操作，带动电泵302和电磁阀501运动，进而带动活塞轴8上下移动，并且让内齿轮15和外齿轮16啮合或分离；在离合系统啮合过程中，外齿轮16静止，内齿轮15在活塞轴8推动移动，由于啮合齿完全啮合行程很短，内齿轮15和外齿轮16上啮合齿都是均匀分布，齿端都经过倒尖角加工，即使是内齿轮在旋转状态下也能实现快速啮合。从而克服了机械式离合结构存在的缺陷。

本发明的具体工作步骤如下：

先让RFID无源射频小球通过RFID读写器写入操作指令，然后在井口投放射频射频小球，在钻井液的携带下，射频小球随钻井液到达井下电子仓2天线感应区时，射频小球携带的地面指令被有效读取，小球在钻井液作用下到达球座19，在球座锥形挡板作用下进入回收腔18，钻井液通过球座19上的小孔继续流动。同时井下控制器根据地面指令启动电泵302和电磁阀501驱动电路，电磁阀501向地面预定作用方向打开液压油路，驱动双作用油缸301移动，使活塞轴8向预定方向移动，推动离合系统内齿轮15移动实现与外轮16的啮合或者分离。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的改进。

Claims (10)

1.一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，包括无磁电器短接，其特征在于，在无磁电器短接下方分为内外两层结构；

外层自上而下包括液压接头、中间接头、液压缸体、离合腔，双接头；外部均为回转体结构，内部设有空腔，其中，双接头为空心筒体，其内部是沿着轴线方向设置的贯穿孔；

内层自上而下包括电机泵短接、电磁阀短接、活塞轴、外齿轮固定座、内齿轮和外齿轮、球座；内层的电机泵短接、电磁阀短接、活塞轴、外齿轮固定座、内齿轮和外齿轮均在其轴线上设有纵向的贯穿孔；

所述内齿轮与外齿轮为可啮合结构，内齿轮上部连接在活塞轴下部，活塞轴上部设有空腔，空腔使活塞轴具备上下移动空间，带动内外齿轮啮合和脱离。

2.根据权利要求1所述的一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，其特征在于，所述无磁电器短接外侧下部设有向内收缩的台阶，通过此台阶与液压接头顶部接触，台阶下方为外螺纹段，与设置于液压接头上部的内螺纹段连接；在无磁电器短接的螺纹段下方还设有向内收缩的台阶，并向下延伸，在电机泵短接的贯穿孔上部设有台阶，用于与无磁电器短接的螺纹段下方向内收缩的台阶配合抵紧；电机泵短接外壁下段设有向内收缩的台阶，此台阶与液压接头中部设置的台阶抵紧固定，在电机泵短接外壁的台阶上侧设有密封槽，密封槽内部安装有密封圈；液压接头外侧底部设有外螺纹，与中间接头顶部设置的内螺纹连接；电机泵短接的贯穿孔下部也设有台阶；所述电磁阀短接上部设有突出段，并与电机泵短接的贯穿孔下部的台阶相配合抵紧，在电磁阀短接外侧下部设有向内收缩的台阶，与中间接头内侧中部设置的台阶抵紧；中间接头底部外侧设有外螺纹，与液压缸体上部设置的内螺纹连接，且连接处设有密封圈；液压缸体内径分为上大下小的上部和下部，上部与电磁阀短接底部外径相同；电磁阀短接底部到液压缸体之间形成一段空腔体；

在电磁阀短接的贯穿孔底部设有扩孔段，扩孔段内径与活塞轴上段外径相同，活塞轴上段的长度也与扩孔段深度相同，活塞轴上端下部设有膨胀段，膨胀段安装在电磁阀短接底部到液压缸体之间的空腔体内，且膨胀段高度小于空腔体的长度，膨胀段下部为直径小于膨胀段的连接段，连接段内径与液压缸体下部的内径相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，其特征在于，活塞轴上段、膨胀段、连接段外壁均设有密封槽，并带有密封圈。

4.根据权利要求3所述的一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，其特征在于，在电机泵短接内设有油缸、电泵，电磁阀短接内置电磁阀和油路，油路连接到膨胀段与腔体上部，这段区域作为上腔体，这一段油路作为上腔油路，在活塞轴内设有下腔油路，连接到膨胀段与腔体下部，这段区域作为下腔体，下腔油路顶部与电磁阀出口段接触，且在下腔油路与电磁阀出口段接触的部分设有一段纵向的长槽。

5.根据权利要求4所述的一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，其特征在于，所述液压缸体外侧下方设有多个台阶，在台阶上从内层到外层通过圆柱销固定安装有U型半瓦、螺纹轴套，并通过离合腔顶部将螺纹轴套径向压紧；螺纹轴套顶部有一段延伸到最外侧，隔离开离合腔和液压缸体，在液压缸体和离合腔之间还设有止推轴承；

其中U型半瓦由硬质合金加工而成，通过圆柱销固定在液压缸体上，螺纹轴套被平分成两半，外表面加工有螺纹，螺纹轴套与离合腔之间通过螺纹连接再通过圆柱销固定。

6.根据权利要求5所述的一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，其特征在于，所述外齿轮和内齿轮均为间歇性分布直齿轮，即在一根齿轮轴上，设有多排齿，每一排齿之间的间距大于齿宽，内齿轮固定座通过销钉连接在离合腔内壁，并设置于内齿轮顶部；外齿轮底部依次设有内齿轮限位座、固定螺母、缓冲垫，在离合腔对应缓冲垫下方的位置设有向内延伸的凸环，缓冲垫与凸环抵紧固定；

所述的外齿轮与离合腔通过花键连接，内齿轮与活塞轴通过花键连接；

所述固定螺母与活塞轴用螺纹连接，固定螺母顶部与内齿轮限位座底部接触，并通过内齿轮限位座抵紧内齿轮。

7.根据权利要求6所述的一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，其特征在于，外齿轮和内齿轮的齿端都经过倒尖角加工。

8.根据权利要求7所述的一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，其特征在于，所述双接头的上下均设有外螺纹，双接头上方的外螺纹与离合腔下部内侧设置的内螺纹连接，且双接头顶部到离合腔的凸环之间安装有球座，所述球座包括底部固定环和锥形头，所述锥形头主体为直管，顶部为锥段，锥形头的外径与凸环内部的孔径相同，且锥形头的直管和锥段上都设有多个小孔；

底部固定环的顶部到凸环之间有一段空隙，作为回收腔。

9.根据权利要求8所述的一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，其特征在于，所述无磁电器短接外侧中部设有一段环形槽，环形槽作为电子仓，电子仓的外部设有盖板，确保电子仓与外部密封；无磁电器短接上的电子仓用于放置电路板、电池和感应线圈，感应线圈缠绕在无磁电器短接电子仓内壁。

10.根据权利要求9所述的一种基于RFID的扭矩离合式钻井减阻装置，其特征在于，还包括射频小球，所述射频小球为球形的RFID无源电子标签，射频小球的直径小于贯穿孔、也小于锥形头顶部到凸环底部的最小距离、也小于回收腔的宽度，但大于锥形头上设置的小孔孔径。

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