CN111852334B - 用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置、钻井管串和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于螺杆钻具的反扭转自动平衡、钻井管串和方法，装置包括上接头；芯筒，芯筒的内腔与处于下游的螺杆钻具连通，使得来自上接头的内腔的钻井液能通过芯筒的内腔流向螺杆钻具而使螺杆钻具进行钻进；固定设置在芯筒的下端的下接头；设置在芯筒的外壁和上接头的内壁之间的自动平衡组件，自动平衡组件由流经上接头的内腔中的钻井液的一部分产生的液压力驱动，其中，当钻井液排量等于第一预定值时，上接头与芯筒之间产生摩擦扭矩与螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩大小相等以进行定向钻进，当钻井液排量高于第一预定值时，上接头与芯筒之间产生摩擦扭矩大于螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩，使得芯筒带动螺杆钻具的外壳旋转以进行复合钻进。

Description

用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置、钻井管串和方法

技术领域

本发明涉及油气井施工技术领域，具体涉及一种用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置、包含其的钻井管串和利用该钻井管串进行钻井的方法。

背景技术

目前定向井、水平井主要利用螺杆钻具进行井眼轨迹控制。工作过程中，当滑动钻进时，钻柱不旋转以保证螺杆钻具工具面的稳定，但这将导致钻柱与井壁之产生很大轴向摩阻，尤其对于长水平段水平井和大位移井，巨大的轴向摩阻会导致钻压传递不顺利，机械钻速低。

为解决螺杆钻具滑动定向钻进时机械钻速低的缺点，国内外开发了各种技术，主要的思路是使钻柱旋转起来以降低摩阻提高机械钻速。现有技术中，可以使用先进的旋转导向工具，以有效控制井眼轨迹的同时旋转钻柱，克服了滑动导向技术的不足，钻压传递顺利，机械钻速高，井眼质量好。但是，由于旋转导向工具为机电液一体化设备，使用及维护成本昂贵，不利于钻井成本的降低。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置、包含其的钻井管串和利用该钻井管串进行钻井的方法。该反扭矩自动平衡装置以螺杆钻具为基础，在滑动钻进时可以旋转钻柱以顺利传递钻压，并能有效控制工具面的工具，解决了滑动钻进托压、机械钻速低等问题。并且，该结构简单，成本比较低。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置，包括：

筒状的上接头，

套设在上接头的内腔中的芯筒，芯筒的内腔与处于下游的螺杆钻具连通，使得来自上接头的内腔的钻井液能通过芯筒的内腔流向螺杆钻具而使螺杆钻具进行钻进，

固定设置在所述芯筒的下端的筒状的下接头，所述下接头的部分延伸出所述上接头的内腔以通过下部钻杆固定连接螺杆钻具的外壳，

设置在芯筒的外壁和上接头的内壁之间的自动平衡组件，自动平衡组件由流经上接头的内腔中的钻井液的一部分产生的液压力驱动，

其中，当钻井液排量等于第一预定值时，自动平衡组件使得上接头与芯筒之间产生摩擦扭矩与螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩大小相等以进行定向钻进，

当钻井液排量高于第一预定值时，自动平衡组件使得上接头与芯筒之间产生摩擦扭矩大于螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩，使得芯筒带动螺杆钻具的外壳旋转以进行复合钻进。

在一个实施例中，自动平衡组件包括：

套设在芯筒的外壁上的环状的定子，定子与上接头的内壁卡接，

匹配式设置在定子的下端的转子，转子呈筒状以套设在芯筒的外壁上并与芯筒的外壁齿接，

套设在芯筒的外壁上的环状的活塞，活塞位于定子的上端以接受钻井液的压力，并能传递推力以促动定子和转子在活塞和下接头之间轴向上彼此靠近，从而产生摩擦扭矩。

在一个实施例中，位于活塞上游的芯筒与上接头之间的环空形成能与上接头的内腔连通的液压通道，位于活塞下游的芯筒与上接头之间的环空形成能与外界连通的第二空间，活塞的径向内部和外部分别与芯筒和上接头活动密封式接触，以使得活塞能够接受液压通道的钻井液压力而在活塞的上下两端形成压力差。

在一个实施例中，在芯筒的外壁上设置第一凸环，在第一凸环与活塞之间设置第一弹性件，第一弹性件的一端与活塞的上端面固定，另一端与第一凸环的下端面固定，在活塞受压沿轴向向下移动时第一弹性件产生拉力以部分地抵消作用在活塞上的钻井液压力。

在一个实施例中，在活塞上设置能连通液压通道和第二空间的喷嘴。

在一个实施例中，在芯筒的上端外壁上套设与芯筒周向上锁定的锁定筒，锁定筒沿轴向向上延伸以与上接头的内壁形成卡接，锁定筒能构造为在钻井液排量大于第二预定值时轴向移动以脱开锁定筒与上接头的卡接。

在一个实施例中，在锁定筒的内腔中设置上端通流面积大于下端通流面积的节流孔，节流孔与芯筒的内腔连通，并在锁定筒的壁上设置用于连通锁定筒的内腔和液压通道的连通孔。

在一个实施例中，在芯筒的外壁上设置第二凸环，在第二凸环与锁定筒之间设置第二弹性件。

在一个实施例中，在芯筒的外壁上套设能位于芯筒与活塞之间的调节筒，调节筒与活塞活动密封式连接。

在一个实施例中，活塞的下端的外侧壁上具有豁口以使得活塞的上段的径向尺寸大于下段的径向尺寸。

在一个实施例中，定子和转子的轴向尺寸相同，并处于10到30mm的范围内。

在一个实施例中，转子与芯筒的外壁以渐开线方式形成齿接，并且齿接的齿的高度不大于3毫米。

在一个实施例中，在芯筒的外壁和上接头的内壁之间设置位于自动平衡组件的上端的轴承，

在上接头的内壁上设置凹槽用于限定轴承的外圈，

在芯筒的壁上设置第三凸环，第三凸环与位于第三凸环之上并套设在芯筒的外壁上的固定螺母一起限定轴承的内圈。

在一个实施例中，上接头为分体式结构并包括上接头主体和外筒，外筒的上端延伸到上接头主体的内腔中，并在外筒的上端面与上接头主体的台阶面之间形成凹槽。

在一个实施例中，在上接头的下端设置有防掉环，防掉环的上端插入到上接头的内腔中，以在防掉环的上端面处形成承托表面。

在一个实施例中，在防掉环的内侧壁上设置位于防掉环和下接头之间的耐磨层，并在耐磨层上设置沿轴向延伸的泄流槽。

根据本发明的第二方面，提供一种钻井管串，包括上述的反扭矩自动平衡装置和螺杆钻具，反扭矩自动平衡装置的底部距离螺杆钻具的顶部40-60米。

根据本发明的第三方面，提供一种利用上述钻井管串进行钻井的方法，包括：

在需要定向钻进时，向钻井管串内泵送排量等于第一预定值的钻井液，钻井液的一部分所产生的液压力作用在反扭矩自动平衡装置的活塞上，使得上接头与芯筒之间产生的摩擦扭矩与螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩大小相等，

在需要复合钻进时，向钻井管串内泵送排量高于第一预定值的钻井液，钻井液的一部分所产生的液压力作用在反扭矩自动平衡装置的活塞上，使得上接头与芯筒之间产生摩擦扭矩大于螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩。

与现有技术相比，本发明的优点在于，该反扭矩自动平衡装置以螺杆钻具为基础，设置在螺杆钻具之上一定距离，当需要螺杆钻具滑动定向钻进时，通过自动平衡组件使得摩擦扭矩自动平衡螺杆钻具的反扭矩，以使得螺杆钻具的工具面保持稳定，同时，反扭矩自动平衡装置以上的钻柱在转盘带动下处于旋转状态，轴向摩阻大大降低，机械钻速大幅度提高，因此在该反扭矩自动平衡装置保持螺杆钻具工具面稳定的同时，大幅度提高了机械钻速；而当井眼轨迹复合设计要求，进入复合钻进模式，通过调节自动平衡组件产生的摩擦扭矩使得上接头与芯筒和下接头一同旋转，进而带动螺杆钻具的外壳旋转，使得机械钻速提高。另外，该反扭矩自动平衡装置结构简单，钻进和维护成本都比较低。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置；

图2为来自图1的A-A剖；

图3为来自图1的B-B剖；

图4为来自图1的C-C剖；

图5为来自图1的D-D剖；

图6为来自图1的E-E剖；

图7显示了根据本发明的一个实施例的钻井管串。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于螺杆钻具305的反扭矩自动平衡装置303。如图1所示，反扭矩自动平衡装置303包括上接头1、下接头16、芯筒9以及自动平衡组件。其中，如图7所示，上接头1为筒状，用于与钻井管串的上部钻杆302连接。芯筒9自身也为筒状，用于设置在上接头1的内腔中，并且，芯筒9的内腔与上接头1的内腔连通。在工作过程中，芯筒9的内腔与处于下游的螺杆钻具305连通，以在上接头1的内腔泵送钻井液后，钻井液通过芯筒9的内腔流向螺杆钻具305而使得螺杆钻具305进行钻进。而下接头16也为筒状，并固定设置在芯筒9的下端。下接头16的下端伸出上接头1的内腔，用于通过下部钻杆304固定连接螺杆钻具305。自动平衡组件设置在芯筒9的外壁和上接头1的内壁之间。在钻井过程中，螺杆钻具305钻进过程中螺杆钻具305的外壳上产生的反扭矩，而该自动平衡组件能在上接头1相对于芯筒9转动时(也包括具有转动趋势时)产生摩擦扭矩，用于对抗该反扭矩。例如，如果井眼轨迹复合设计要求，芯筒9受到的摩擦扭矩高于受到的反扭矩，则芯筒9带动下接头16复合于上接头1一同转动，进而带动螺杆钻具305的外壳旋转，提高钻井管串的机械钻速。如果井眼轨迹与设计出现偏差，需要定向钻进时，自动平衡组件使得芯筒9受到的摩擦扭矩等于受到的反扭矩，以使上接头1相对于下接头16转动。此时，螺杆钻具305的工作面稳定，同时，反扭矩自动平衡装置303以上的钻柱在转盘带动下处于旋转状态，轴向摩阻大大降低，机械钻速大幅度提高。

在一个实施例中，自动平衡组件具有定子12、转子13和活塞21。其中，定子12套设在芯筒9的外壁上，并呈环状。同时，定子12与上接头1的内壁卡接，以使上接头1旋转过程中，能带动定子12一同旋转，如图5所示。例如，定子12与上接头1可以采用键槽配合的连接方式进行卡接。转子13套设在芯筒9的外壁上，并呈环状。同时，转子13与芯筒9的外壁齿接，以使得转子13能与芯筒9一同旋转，如图4所示。转子13与定子12匹配，并使得转子13位于相应的定子12的下端。活塞21套设在芯筒9的外壁上，并呈环状。同时，活塞21能接受上接头1与芯筒9中间的环空3内的压力，并将力传递到定子12和转子13以使得两者在活塞21和下接头16之间彼此靠近，从而在两者之间产生摩擦扭矩。

在本申请中，活塞21通过液压力驱动。具体地，在活塞21上游的芯筒9与上接头1之间的环空形成液压通道6，该液压通道6能与上接头1的内腔连通，用于接受来自上接头1的内腔的钻井液。活塞21下游的芯筒9与上接头1之间的环空形成第二空间22，该第二空间22能与外界连通。同时，活塞21的径向的内侧和外侧分别与芯筒9和上接头1活动密封式接触。当正常钻进时，螺杆钻具305及钻头会产生压耗，导致芯筒9与上接头1之间形成的液压通道6与第二空间22有压差。而活塞21的上端面与液压通道6的高压区接触，下端与第二空间22低压区接触。从而活塞21受到了液体压力的作用，以促动定子12和转子13轴向上彼此靠近并紧密贴合。

在工作过程中，芯筒9受到的摩擦扭矩为：

T_f＝(ΔPS-f)nμr (1)

式中，T_f为摩擦扭矩，ΔP为内外压差，并具体包括启动压耗ΔP₀和螺杆工作压耗ΔP_p，且启动压耗ΔP₀与钻井液排量相关，n为定子12和转子13的接触面数量，S为活塞21的上端面的环形面积，f为弹簧拉力，μ为定子12和转子13之间的摩擦系数，r为定子12和转子13的摩擦作用半径。

而芯筒9受到的反扭矩(也是螺杆钻具305的外壳所受到的反扭矩)为：

T_P＝△P_pk (2)

式中，T_p螺杆钻具305反扭矩，ΔP_p为就是螺杆的工作压耗，k为螺杆钻具305的特性参数。

根据以上公式，首先根据钻井液排量第一预定值计算确定启动压耗ΔP₀，设计弹簧规格，当活塞在钻井液压力作用下向下运动直至与最上端的定子接触时，弹簧的拉力为：

f＝△P₀S (3)

弹簧确定后，就确定了钻井液排量第一预定值。弹簧的拉力使得活塞21挤压定子12和转子13的力只与螺杆钻具305的工作压耗相关。

其次，在定子、转子尺寸及摩擦系数确定条件下，计算设计定子12和转子13的个数使摩擦扭矩T_f与螺杆反扭矩T_p在钻井液排量第一预定值相同。当钻压和地层出现变化时，螺杆钻具305的反扭矩就会出现变化，但同时螺杆工作压耗也出现变化，而产生的摩擦扭矩始终与螺杆钻具305的外壳所受的反扭矩相同，最终达到摩擦扭矩自动平衡螺杆钻具305的反扭矩的效果。也就是说，在反扭转自动平衡装置的结构确定的情况下，其在钻井过程中，当调节钻井排量至第一预定值时，自动平衡组件所产生的摩擦扭矩的大小始终与螺杆钻具305的外壳所受的反扭矩相同，其并不受地层或者钻进状态的影响。

通过上述原理，在钻井液排量等于第一预定值的时候，螺杆钻具305的工具面始终保持稳定，同时，螺杆钻具反扭矩自动平衡装置303以上的钻柱在转盘带动下处于旋转状态。当钻井液排量高于第一预定值的特定排量，此时活塞21受到较大的力，并将定子12和转子13压紧在一起。此时，芯筒9所受到的摩擦扭矩高于下接头16加载其上的反扭矩，上接头1带动定子12转动，由于定子12与转子13之间的轴向压力非常大，则转子13跟随定子12一起转动，以带动芯筒9转动，从而下接头16和螺杆钻具305的定子处于旋转状态。这种复合钻进模式下，机械钻速高，定子12和转子13没有相互转动，且螺杆钻具305没有井眼轨迹控制的能力。根据螺杆钻具305的工作特性，当螺杆钻具305输出扭矩增大时，螺杆钻具305产生的工作压耗就越大，两者呈正比关系，活塞21推动的力就越大。上接头1旋转，与芯筒9之间的摩擦扭矩也就越大，摩擦扭矩的方向为顺时针。只要摩擦扭矩的大小与反扭矩相同，那么螺杆钻具305的定子就处于力矩平衡状态，保持非旋转状态从而实现定向钻进。也就是，通过上述设置使得通过调节钻井液排量的方式调节钻井管串的运作过程，以更好的满足井眼轨迹设计需要。

例如，在芯筒9的外壁上设置多个定子12和与定子12匹配式设置的转子13。处于最下端的转子13可以与下接头16的上端面抵接。位于最上端的定子12的上端面与活塞21抵接。

优选地，转子13与芯筒9的外壁齿接的齿的高度不大于3毫米。也就是，转子13与芯筒9通过浅而密的渐开线齿相连接。这种设置方式既可以传递较大扭矩，又减少了对芯筒9强度的影响。

在活塞21的外壁与上接头1的内壁之间，以及活塞21的内壁与芯筒9的外壁之间均设置格莱密封圈11。这种设置能保证活塞21与上接头1和芯筒9之间的密封效果，防止上接头1与芯筒9之间的环空3内的液体泄漏到活塞21的下端。

优选地，定子12和转子13由硬质合金制成。这种设置可以提高定子12和转子13的耐磨性，从而提高反扭矩自动平衡装置303的使用寿命。进一步优选地，定子12和转子13的轴向尺寸相同，并处于10到30mm的范围内，例如，20mm，用于保证两者的强度。

在活塞21上设置喷嘴10，以连通液压通道6和第二空间22，如图3所示。通过喷嘴10能从液压通道6向第二空间22内流少量的钻井液，用于为自动平衡组件进行降温处理，从而延长自动平衡组件的使用寿命。

例如，活塞21的下端的外侧壁上具有豁口211，以使得活塞21的上段的径向尺寸大于下段的径向尺寸。这种设置使得活塞21与芯筒9的之间的临近面积要大于活塞21与上接头1的临近面积，以使得活塞21能更多的复合与芯筒9转动，则相对于复合上接头1转动的方式，相对转动量少，进而活塞21的磨损相对降低。另外这种设置方式还能保证容易进行加工，并便于安装喷嘴10等操作。

在芯筒9的外壁上设置第一凸环91。在第一凸环91与活塞21之间设置第一弹性件7。例如第一弹性件7为拉伸弹簧。第一弹性件7的一端与活塞21的上端面固定，另一端与第一凸环91的下端面固定。在工作过程中，活塞21还受到了启动压耗和螺杆钻具305的工作压耗的作用，第一弹性件产生拉力抵消了启动压耗作用在活塞21上产生的推力，因此第一弹性件7的拉力使得活塞21挤压定子12和转子13的力只与螺杆钻具305的工作压耗相关。

在芯筒9的上端外壁上套设与芯筒9周向上锁定的锁定筒2。例如，如图2所示，该锁定筒2与芯筒9采用键20的方式进行连接，实现锁定筒2能相对于芯筒9轴向移动而不能相对于其周向转动。锁定筒2沿轴向向上延伸以与上接头1的内壁形成卡接，例如周向上均布的四个凹凸配合式连接。在锁定筒2的内腔中设置上端通流面积大于下端通流面积的节流孔201。该节流孔201与芯筒9的内腔连通。并在锁定筒2的壁上设置用于连通锁定筒2的内腔和液压通道6的连通孔17。来自上接头1的钻井液，通过节流孔201向下游流动，一部分进入到芯筒9的内腔，另一部分通过通孔17进入到液压通道6中。另外，在芯筒9的外壁上设置第二凸环92，并在第二凸环92与锁定筒2之间设置第二弹性件3，例如为弹簧，用于推动锁定筒2并与上接头1形成卡接。通过设计弹簧参数，当钻井液排量大于第二预定值时，通过节流孔201产生的推力大于第二弹性件3的反弹力时，锁定筒2向下移动，与上接头1脱开，使得上接头1与芯轴9解锁，两者可相对自由旋转。锁定筒2的主要功能是当钻井液排量低于第二预定值时，上接头1与芯轴9周向上锁定，两者旋转状态是相同的，当钻井液排量高于第二预定值时，两者脱开。通过设置锁定筒2可以在井下出现复杂情况导致无法调节至正常排量，甚至无法开泵的情况下，上部钻柱可带动反扭矩自动平衡装置303以下的螺杆钻具305以及钻头旋转，有利于处理井下复杂事故。该第二预定值要远小于第一预定值，不同井眼钻进时的钻井液排量的第二预定值可以不同，例如，三个最常用井眼的数值为：311mm井眼对应的第二预定值为30L/s，215.9mm井眼对应的第二预定值为20L/s，152mm井眼对应的第二预定值为15L/s。

在芯筒9的外壁上套设能位于芯筒9与活塞21之间的调节筒8。当设置有调节筒8时，可以理解地，调节筒8与活塞21活动密封式连接。该调节筒8的在活塞21和芯筒9的尺寸确定的情况下，用于补偿两者之间的空隙。例如，调节筒8的上端通过焊点18固定设置在芯筒9上。

在一个实施例中，在上接头1的下端固定防掉环15。该防掉环15的上端插入到上接头1的内腔中，以在防掉环15的上端面处形成承托表面。在例如轴承破坏等意外发生的情况下，定子12和转子13会掉落并被防掉环15承接，以避免掉落井筒内。

如图6所示，在防掉环15的内侧壁上设置耐磨层23，并在下接头16的外壁上也设置防磨层14，用于增加两者之间的耐磨性，提高使用寿命。在耐磨层23上设置沿轴向延伸的泄流槽231。例如，在周向上，均布四个泄流槽231，以用于扩大第二空间22与外界连通的流体通道。

在一个实施例中，在芯筒9的外壁和上接头1的内壁之间设置位于自动平衡组件的上端的轴承5。轴承5的外圈由上接头1的内壁限定，而轴承5的内圈由芯筒9的外壁限定。例如，上接头1可以构造为分体式结构，也就是包括上接头本体101和外筒19。轴承5的外圈嵌入到上接头本体101的内壁的台阶面102与外筒19的上端面之间。而轴承5的内圈的下端面与设置在芯筒9的外壁上的第三凸环93抵接，而轴承5的内圈的上端面与套设在芯筒9的外壁上的固定螺母4抵接。通过设置轴承5使得外筒19与芯筒9之间可以相对自由转动，同时该轴承5为推力轴承以用于承受钻压等轴向力。例如，根据实际需要，可以设置多个轴承5。当钻井管串应用于硬地层需要较大的钻压时，轴承5的数量可以增加。需要说明的是，为了简化结构，例如第三凸环93与第一凸环91可以为同一凸环，而固定螺母4可以起到第二凸环92的作用。第三凸环93的长度可以为20毫米左右，用于保证足够的固定轴承5的强度。

上接头1上端设计为钻杆用母扣，另一端为公制扣以与外筒19螺纹连接。上接头1的外径根据井眼尺寸决定，比井眼尺寸小约40mm，以形成岩屑返排的流道。

下接头16的上部插入到上接头1的内腔中，并通过螺纹连接的方式与芯筒9连接。上接头16的上端面相对于芯筒9的外壁径向向外突出，以用于抵接和承接自动平衡组件的转子13。下接头16的内腔的下部的流通面积相对上部的流通面积增加，以保证强度条件下降低钻井液的流动摩阻。

本申请还包括钻井管串和方法。如图7所示，该钻井管串包括本申请的反扭矩自动平衡装置303和螺杆钻具305。在使用过程中，该反扭矩自动平衡装置303的上接头1通过上部钻杆302连接到井口转盘301和钻井泵，而下接头16通过下部钻杆304连接到螺杆钻具305的外壳。并且，在连接过程中，需要保证该反扭矩自动平衡装置303设置在距离螺杆钻具305为40-60米的地方，例如，反扭矩自动平衡装置303的底面距离螺杆钻具305的顶面50米。当需要螺杆钻具305滑动定向钻进时，开动钻井管串的井口转盘301，并将排量调节至特定的第一预定值，此时摩擦扭矩恰好平衡螺杆钻具305的反扭矩。不论地层、钻压等各种因素导致螺杆钻具305反扭矩出现变化时，本发明可产生相应的变化扭矩自动平衡反扭矩，因此螺杆钻具305的工具面始终保持稳定，螺杆钻具反扭矩自动平衡装置303以上的钻井管串在井口转盘301带动下处于旋转状态，轴向摩阻大大降低，机械钻速大幅度提高，因此在螺杆钻具反扭矩自动平衡装置303保持螺杆钻具305工具面稳定的同时，大幅度提高了机械钻速。在需要复合钻进时，向钻井管串内泵送排量高于第一预定值的钻井液，钻井液的一部分作用在反扭矩自动平衡装置303的活塞21上，使得上接头1与芯筒9之间产生摩擦扭矩大于螺杆钻具305的外壳上产生的反扭矩。此时，上接头1带动芯筒9一起旋转，进而带动螺杆钻具305的外壳一同旋转，进而提高了机械钻速。

以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，包括：

筒状的上接头，

套设在所述上接头的内腔中的芯筒，所述芯筒的内腔与处于下游的螺杆钻具连通，使得来自所述上接头的内腔的钻井液能通过所述芯筒的内腔流向所述螺杆钻具而使螺杆钻具进行钻进，

固定设置在所述芯筒的下端的筒状的下接头，所述下接头的部分延伸出所述上接头的内腔以通过下部钻杆固定连接螺杆钻具的外壳，

设置在所述芯筒的外壁和所述上接头的内壁之间的自动平衡组件，所述自动平衡组件由流经所述上接头的内腔中的钻井液的一部分产生的液压力驱动，

其中，当钻井液排量等于第一预定值时，所述自动平衡组件使得所述上接头与所述芯筒之间产生摩擦扭矩与所述螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩大小相等以进行定向钻进，

当钻井液排量高于第一预定值时，所述自动平衡组件使得所述上接头与所述芯筒之间产生摩擦扭矩大于所述螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩，使得所述芯筒带动所述螺杆钻具的外壳旋转以进行复合钻进。

2.根据权利要求1所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，所述自动平衡组件包括：

套设在所述芯筒的外壁上的环状的定子，所述定子与所述上接头的内壁卡接，

匹配式设置在所述定子的下端的转子，所述转子呈筒状以套设在所述芯筒的外壁上并与所述芯筒的外壁齿接，

套设在所述芯筒的外壁上的环状的活塞，所述活塞位于所述定子的上端以接受钻井液的压力，并能传递推力以促动所述定子和所述转子在所述活塞和所述下接头之间轴向上彼此靠近，从而产生摩擦扭矩。

3.根据权利要求2所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，位于所述活塞上游的所述芯筒与所述上接头之间的环空形成能与所述上接头的内腔连通的液压通道，位于所述活塞下游的所述芯筒与所述上接头之间的环空形成能与外界连通的第二空间，所述活塞的径向内部和外部分别与所述芯筒和所述上接头活动密封式接触，以使得所述活塞能够接受液压通道的钻井液压力而在所述活塞的上下两端形成压力差。

4.根据权利要求3所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，在所述芯筒的外壁上设置第一凸环，在所述第一凸环与所述活塞之间设置第一弹性件，所述第一弹性件的一端与所述活塞的上端面固定，另一端与所述第一凸环的下端面固定，在所述活塞受压沿轴向向下移动时所述第一弹性件产生拉力以部分地抵消钻井液压力作用在所述活塞上产生的推力。

5.根据权利要求3或4所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，在所述活塞上设置能连通所述液压通道和第二空间的喷嘴。

6.根据权利要求3到5中任一项所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，在所述芯筒的上端外壁上套设与所述芯筒周向上锁定的锁定筒，所述锁定筒沿轴向向上延伸以与所述上接头的内壁形成卡接，所述锁定筒能构造为在钻井液排量大于第二预定值时轴向移动以脱开所述锁定筒与所述上接头的卡接。

7.根据权利要求6所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，在所述锁定筒的内腔中设置上端通流面积大于下端通流面积的节流孔，所述节流孔与所述芯筒的内腔连通，并在所述锁定筒的壁上设置用于连通所述锁定筒的内腔和所述液压通道的连通孔。

8.根据权利要求6或7所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，在所述芯筒的外壁上设置第二凸环，在所述第二凸环与所述锁定筒之间设置第二弹性件。

9.根据权利要求2到8中任一项所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，在所述芯筒的外壁上套设能位于所述芯筒与所述活塞之间的调节筒，所述调节筒与所述活塞活动密封式连接。

10.根据权利要求2到9中任一项所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，所述活塞的下端的外侧壁上具有豁口以使得所述活塞的上段的径向尺寸大于下段的径向尺寸。

11.根据权利要求2到10中任一项所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，所述定子和所述转子的轴向尺寸相同，并处于10到30mm的范围内。

12.根据权利要求2到11中任一项所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，所述转子与所述芯筒的外壁以渐开线方式形成齿接，并且齿接的齿的高度不大于3毫米。

13.根据权利要求1到12中任一项所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，在所述芯筒的外壁和所述上接头的内壁之间设置位于所述自动平衡组件的上端的轴承，

在所述上接头的内壁上设置凹槽用于限定所述轴承的外圈，

在所述芯筒的壁上设置第三凸环，所述第三凸环与位于所述第三凸环之上并套设在所述芯筒的外壁上的固定螺母一起限定所述轴承的内圈。

14.根据权利要求13所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，所述上接头为分体式结构并包括上接头主体和外筒，所述外筒的上端延伸到所述上接头主体的内腔中，并在所述外筒的上端面与所述上接头主体的台阶面之间形成所述凹槽。

15.根据权利要求1到14中任一项所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，在所述上接头的下端设置有防掉环，所述防掉环的上端插入到所述上接头的内腔中，以在所述防掉环的上端面处形成承托表面。

16.根据权利要求15所述的反扭矩自动平衡装置，其特征在于，在所述防掉环的内侧壁上设置位于所述防掉环和所述下接头之间的耐磨层，并在所述耐磨层上设置沿轴向延伸的泄流槽。

17.一种钻井管串，其特征在于，包括根据权利要求1到16中任一项所述的反扭矩自动平衡装置和螺杆钻具，所述反扭矩自动平衡装置的底部距离所述螺杆钻具的顶部40-60米。

18.一种利用权利要求17所述的钻井管串进行钻井的方法，其特征在于，包括：

在需要定向钻进时，向所述钻井管串内泵送排量等于第一预定值的钻井液，钻井液的一部分所产生的液压力作用在所述反扭矩自动平衡装置的活塞上，使得所述上接头与所述芯筒之间产生的摩擦扭矩与螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩大小相等，

在需要复合钻进时，向所述钻井管串内泵送排量高于第一预定值的钻井液，钻井液的一部分所产生的液压力作用在反扭矩自动平衡装置的活塞上，使得上接头与所述芯筒之间产生摩擦扭矩大于螺杆钻具的外壳上产生的反扭矩。

Images