CN111734329B - 扭冲松扣器 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种扭冲松扣器。具体技术方案为：一种扭冲松扣器，扭冲松扣器两端分别与待松扣器件的待松扣的两部分连接；扭冲松扣器包括设置在内部的花键轴；花键轴中部的外表面上，沿轴向设置花键，花键轴外套设花键套；花键轴可在花键槽限定范围内绕中心轴自转；花键轴外固接花键轴的限位结构，花键位于两限位结构限定的运动轨道间，花键套内表面中部设置长度大于花键的扭矩释放槽，花键轴可在两个限位结构限定的运动轨道间进行直线往复运动。本发明为纯机械结构控制松扣，在井下复杂多变的环境中不易失效，操作简单，松扣可靠。

Description

扭冲松扣器

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种扭冲松扣器。

背景技术

在石油与天然气钻井过程中，由于地质构造的复杂性和不可预见性，钻井液可能与井内的情况不适配，从而导致孔内钻具被岩粉、岩屑沉淀或被流砂埋住，无法回转，也难以提升回收。像这类冲洗液不能流通的孔内埋钻事故，由于机械故障、钢丝绳断裂、孔壁坍塌等因素，造成钻头落入孔底的现象通常称“掉钻”。一旦发生“掉钻”事故，整套钻井设备都需要停工检修。解决“掉钻”事故所耗费的时间越长，其造成的能源损耗越大，所带来的经济损失也越大。如果迟迟无法顺利解决，甚至可能出现钻孔报废的情况，需要重新开设钻孔，其背后对应着大量能耗、物资(钻井液等)及人力资源的浪费，从而带来数百万甚至更高的损失。例如一篇2010年发表于《探矿工程(岩土钻掘工程)》上的名为《采用偏心割刀处理小口径钻孔掉钻事故实践》文献，即记载了一起使用割刀分离钻杆和钻头以处理“掉钻”事故的实践，避免了近百万损失。

因此，发生“掉钻”后，需要及时、快速采取恰当的方法将钻头与钻井器其余部分分离，随后再进行后续的更换钻头、打捞钻头等工作。钻头与其余部分分离速度越快，就越能降低能耗、节省成本。

现有技术中，一般使用电器结构控制实现解脱，或者使用割刀对待解脱部位进行切割以实现解脱。使用电器结构控制虽然可以较快实现解脱，但一方面，其启动和使用过程中产生的能耗较大；另一方面，电器结构在井下复杂多变环境中极易失效，从而可能出现既大量耗能又解脱失败的情况；同时，如果电器结构使用电池供能，在井下复杂的环境中一旦发生损坏，电池出现漏液等情况，也容易造成环境污染。而如果使用割刀进行切割解脱，操作不便，耗时非常长，钻井器停工时间长，且可能发生切割部位与需要解脱位置出现偏差等情况，从而带来更大的损失。

因此，如何快速、高效、节能、环保地实现钻井器与钻头的分离，是本领域渴望解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过机械结构控制的、可轻松快速、节能环保地实现松扣的扭冲松扣器。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种扭冲松扣器，所述扭冲松扣器两端分别与待松扣器件的待松扣的两部分可拆卸连接；所述扭冲松扣器包括设置在内部的花键轴，所述花键轴与扭冲松扣器中心轴同轴；

所述花键轴中部的外表面上，沿轴向设置数个凸起的花键，所述花键轴外表面、花键对应位置，套设花键套；所述花键与花键套内表面设置的花键槽配合，扭冲松扣器横截面上的花键槽面积大于花键面积；花键轴与花键套间隙配合，花键轴可在花键槽限定范围内绕中心轴自转；

所述花键轴外、花键轴两端面与花键套之间，分别固接花键轴的限位结构，花键位于两限位结构限定的运动轨道间，所述花键套内表面中部设置长度大于花键的扭矩释放槽，所述扭矩释放槽的深度大于运动轨道的其余部分深度，运动轨道其余部分的深度满足：花键可与花键槽槽面接触；花键轴可在两个限位结构限定的运动轨道间进行直线往复运动。

优选的，所述花键对称设置为两个；花键槽与花键对应、配套设置。

优选的，所述花键与扭冲松扣器中心轴同轴。

优选的，所述可拆卸连接为螺纹连接。

优选的，所述限位结构包括位于扭冲松扣器上部的扶正套，所述扶正套同时与花键轴和花键套接触；所述扶正套与花键轴的接触面平滑，且该接触面与扭冲松扣器中心轴平行，所述扶正套与花键轴间隙配合，所述扶正套对侧面与花键套固接。

优选的，所述限位结构包括位于扭冲松扣器下部的固定活塞，所述固定活塞套设在花键轴外部，与花键轴间隙配合。

优选的，所述待松扣器件为石油钻井器，所述待松扣的两部分分别为石油钻井器主体和钻头。

优选的，所述扭冲松扣器上下两端分别设置上接头和下接头，上接头与石油钻井器主体连接，下接头与钻头螺纹连接。

优选的，下接头与钻头的螺纹连接为锥螺纹连接，锥螺纹运动行程小于运动轨道。

优选的，所述下接头与花键套间通过短接头锥螺纹连接；锥螺纹运动形成大于运动轨道。

本发明具有以下有益效果：本发明为纯机械结构控制松扣，在井下复杂多变的环境中不易失效。在需要松扣时，只需对花键轴进行一定程度的轴向位移、扭动、再位移和释放即可，操作简单，无需对操作人员进行特殊培训，松扣可靠、节能环保。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A视图；

图3为花键与扭矩释放槽放大结构示意图。

具体实施方式

如图1所示的，一种扭冲松扣器。需要说明的是，所述扭冲松扣器可用于多种需要自动松扣的情况。本发明将其应用于石油钻井器中，并非限定其只能应用于此。下面以应用于石油钻井器为例。需要松扣的部分为：石油钻井器主体部分和钻头。所述扭冲松扣器两端分别连接石油钻井器主体和钻头。扭冲松扣器至少需要与钻头可拆卸连接，以实现扭冲松扣。优选的方案为：扭冲松扣器两端与石油钻井器主体和钻头分别可拆卸连接，以方便安装。

所述扭冲松扣器包括内部的花键轴20，所述花键轴20呈条状，与扭冲松扣器的中心轴同轴。所述扭冲松扣器上下两端分别设置可与石油钻井器主体部分连接的上接头10和可与钻头连接的下接头80。下接头80与钻头间通过锥螺纹连接。锥螺纹的长度小于花键轴20在扭冲松扣器内的运动轨道41长度。即：下接头80与钻头或其它待松扣部件间的连接，可在花键轴20运动、提供的冲击力下实现松扣。

所述花键轴20的两端分别插入上接头10与下接头80内部。所述花键轴20上端与上接头10固定连接，花键轴20运动时，与上接头10一并运动。花键轴20下端插入、套设在下接头80内部，与下接头80内表面间隙配合，可在下接头80内部进行直线往复运动。为了更好地限定花键轴20在扭冲松扣器轴向上的位置，保证花键轴20始终与石油钻井器、扭冲松扣器同轴，优选的方案为：所述花键轴20下端插入固定活塞70内部，而非直接插入下接头80内部。所述固定活塞70固定设置在下接头80与花键轴20之间。固定活塞70朝向花键轴20一侧形成容纳花键轴20的楔形空腔，花键轴20下端对应设置为与楔形空腔适配的大小和形状，便于进出楔形空腔。楔形空腔的长度大于花键轴20工作状态时在扭冲松扣器轴向上往复运动的长度，以保证花键轴20在整个工作状态下，下端始终位于固定活塞70内，从而实现轴向限位。

所述花键轴20中部的外表面上，沿轴向设置数个凸起的花键21。优选的，所述花键21与扭冲松扣器的中心轴同轴。所述花键轴20外表面、花键轴20中部、花键21对应位置，套设花键套40。所述花键套40两端分别与上、下接头10、80固定连接。为了便于加工和安装，优选为可拆卸连接，进一步优选为锥螺纹连接。设置为锥螺纹连接时，锥螺纹的长度大于花键轴20在轴向上运动的距离；尤其是与下接头80锥螺纹连接处，锥螺纹的长度需要大于花键轴20在轴向上运动的距离。即，锥螺纹的长度需要保证：无论花键轴20在轴向上如何运动、如何对锥螺纹提供冲击力，也不会导致该处的锥螺纹松扣。

为了节省材料，减小花键套40的长度，也可不将花键套40上端延伸至上接头10处与上接头10螺纹连接。优选的方案为：花键套40的长度刚好大于花键21的长度，花键套40上端与套设在花键轴20外部的扶正套30螺纹连接。即：扶正套30位于上接头10与花键套40上端之间，花键套40上端与扶正套30螺纹连接。扶正套30与花键轴20相接触、间隙配合。扶正套30与花键轴20接触的一面(即扶正套30的内表面)平滑，且该面与扭冲松扣器中心轴平行。从而花键轴20可以在扶正套30内部进行往复直线运动。扶正套30与固定活塞70一起，共同实现对花键轴20的轴向定位。扶正套30与固定活塞70之间形成运动轨道41，花键轴20的花键21位于运动轨道41内，从而可在运动轨道41内、沿扭冲松扣器中心轴方向进行直线往复运动。扶正套30与固定活塞70可共同避免花键轴20运动时偏离运动轨道41。

为进一步降低成本，更优选的方案为：所述花键套40下端不直接与下接头80连接，而是与设置在花键套40与下接头80之间的短接头60锥螺纹连接。应当理解的是，此处的锥螺纹连接时，锥螺纹的长度也应当满足：无论花键轴20在轴向上如何运动、如何对锥螺纹提供冲击力，也不会导致该处的锥螺纹松扣。

短接头60套设在花键轴20外表面，与花键轴20间隙配合。短接头呈不规则的倒T形。靠近花键轴20一侧平滑且与扭冲松扣器中心轴平行；远离花键轴20一侧分别向花键套40和下接头80方向延伸，并分别伸入花键套40内和下接头80内，锥螺纹连接。这种设置方式下，短接头60将花键套40与下接头80分离为两个相互独立的零部件，可分别进行制作、加工、安装，从而节省成本。在设置短接头60时，短接头60伸入花键套40内部，与花键轴20接触，从而代替固定活塞70、与扶正套30一起限定运动轨道41。

在上述设置方式下，花键轴20上端与上接头10固接，下端套设在固定活塞70内，花键21位于扶正套30和短接头60限定的运动轨道41内。花键轴20可在外力作用下，与上接头10一起在运动轨道41内做直线往复运动。所述花键套40内表面中部、运动轨道41对应位置，设置扭矩释放槽43。所述扭矩释放槽43的长度大于花键21的长度，可供花键21完全进入扭矩释放槽43内。即：花键21在运动轨道41的大部分区域，花键21旋转后，都刚好可以和花键套40的花键槽42的槽面接触，但在扭矩释放槽43内，花键21不会与花键槽42的槽面接触。因扭矩释放槽43的厚度很小，所以图1中未展示，在图3中展示。

进一步的，花键轴20外表面的花键21与花键套40内表面设置的花键槽42配合。花键21与花键槽42的配合方式如图2所示：图1的A-A视图中，花键轴20和花键套40横截面上，花键槽42的面积大于花键21面积。花键轴20与花键套40间隙配合，花键轴20可在花键槽42限定范围内绕中心轴自转。

在上述设置方式下，花键轴20可沿运动轨道41向上运动至花键21与扶正套30接触，或向下运动至花键21与短接头60接触。同时，花键轴20还可在花键槽42限定范围内进行自旋转。但这样设置时，花键轴20运动过程中，容易不断与扶正套30、短接头60发生碰撞，出现磨损，降低使用寿命。因此，更优选的方案为，花键21靠近扶正套30一侧设置一圈第一衬套51，靠近短接头60一侧设置一圈第二衬套52，所述第一、第二衬套51、52分别与扶正套30、短接头60固接。所述第一、第二衬套51、52的材质硬度小于花键轴20的硬度。例如，花键轴材料为42CrMo，则第一、第二衬套51、52的材料可选为SN2025。

下面以图1-3为例介绍所述扭冲松扣器的工作过程。图1为竖直放置的扭冲松扣器中，花键21已向上运动至与第一衬套51接触时的示意图；图3为水平放置的扭冲松扣器中，花键21处放大示意图，花键21在图3视图中已向左运动至与第一衬套51接触、并已旋转至与花键槽42接触；图3的箭头方向指花键21接下来的扭动方向。

当石油钻井器发生“掉钻”，或其它待松扣器件需要松扣时，对上接头10或花键轴20施加外力，使花键轴20向上运动，运动至花键21与第一衬套51接触(即图1或图3的状态)。需要说明的是，花键轴20向下运动也是可以的，实际工作中，根据花键轴20所处位置来定。此处只是以向上运动为例。随后对花键轴20施加反向扭矩力。以图2为例，反向扭矩力的含义为：将花键轴20旋转至花键21与花键槽42一侧面接触，保持接触状态，朝向图2箭头方向，即朝向与花键槽42接触面的方向，扭动花键轴20。因为花键轴20为刚性结构(例如不锈钢)，在反向扭矩力作用下，花键轴20的花键21与花键槽42相互挤压，花键轴20发生轻微变形。此时保持扭紧花键轴20的状态，再施加外力，使花键轴20向下运动，运动过程中，花键轴20与花键槽42持续相互挤压。当花键轴20运动至扭矩释放槽43时，花键轴20不再与花键槽42接触和相互挤压，花键轴20上的反向扭矩力瞬间释放。花键轴20的花键21将反向扭矩力传导给花键套40，花键套40再将反向扭矩力通过短接头60、下接头80传递到下接头80与钻头间的螺纹连接上，螺纹连接得以松开，从而起到反扭冲击松扣的作用。除下接头80与钻头间的螺纹连接长度小于花键轴20的轴向运动长度外，其余螺纹连接均大于该运动长度；因此，冲击过程中，只有下接头80与钻头间的螺纹连接会发生松扣，其余均不会发生松扣。如果单次冲击无法实现松扣，可再次提起花键轴20，重复上述操作，直至下接头80与钻头松扣为止。在此重复过程中，其余受到反向扭矩力冲击的螺纹连接会不断重复拧紧、轻微扭松、再拧紧的过程，但不会发生松扣。

Claims (8)

1.一种扭冲松扣器，其特征在于：所述扭冲松扣器两端分别与待松扣器件的待松扣的两部分可拆卸连接；所述扭冲松扣器包括设置在内部的花键轴（20），所述花键轴（20）与扭冲松扣器中心轴同轴；

所述花键轴（20）中部的外表面上，沿轴向设置数个凸起的花键（21），所述花键轴（20）外表面、花键（21）对应位置，套设花键套（40）；所述花键（21）与花键套（40）内表面设置的花键槽（42）配合，扭冲松扣器横截面上的花键槽（42）面积大于花键（21）面积；花键轴（20）与花键套（40）间隙配合，花键轴（20）可在花键槽（42）限定范围内绕中心轴自转；

所述花键轴（20）外、花键轴（20）两端面与花键套（40）之间，分别固接花键轴（20）的限位结构，花键（21）位于限位结构限定的运动轨道（41）间，所述花键套（40）内表面中部设置长度大于花键（21）的扭矩释放槽（43），所述扭矩释放槽（43）的深度大于运动轨道（41）中除花键（21）占据空间外的其余部分深度，运动轨道（41）深度满足：花键（21）可与花键槽（42）槽面接触；花键轴（20）可在限位结构限定的运动轨道（41）间进行直线往复运动；

所述限位结构包括位于扭冲松扣器上部的扶正套（30），所述扶正套（30）同时与花键轴（20）和花键套（40）接触；所述扶正套（30）与花键轴（20）的接触面平滑，且该接触面与扭冲松扣器中心轴平行，所述扶正套（30）与花键轴（20）间隙配合，花键套（40）上端与套设在花键轴（20）外部的扶正套（30）螺纹连接；所述限位结构还包括位于扭冲松扣器下部的固定活塞（70），所述固定活塞（70）套设在花键轴（20）外部，与花键轴（20）间隙配合。

2.根据权利要求1所述的扭冲松扣器，其特征在于：所述花键（21）对称设置为两个；花键槽（42）与花键（21）对应、配套设置。

3.根据权利要求1～2任意一项所述的扭冲松扣器，其特征在于：所述花键（21）与扭冲松扣器中心轴同轴。

4.根据权利要求1所述的扭冲松扣器，其特征在于：所述可拆卸连接为螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的扭冲松扣器，其特征在于：所述待松扣器件为石油钻井器，所述待松扣的两部分分别为石油钻井器主体和钻头。

6.根据权利要求5所述的扭冲松扣器，其特征在于：所述扭冲松扣器上下两端分别设置上接头（10）和下接头（80），上接头（10）与石油钻井器主体连接，下接头（80）与钻头螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的扭冲松扣器，其特征在于：下接头（80）与钻头的螺纹连接为锥螺纹连接，锥螺纹运动行程小于运动轨道（41）。

8.根据权利要求6所述的扭冲松扣器，其特征在于：所述下接头（80）与花键套（40）间通过短接头（60）锥螺纹连接；锥螺纹运动行程大于运动轨道（41）。

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