CN113090683B - 一种机械式油气钻具离合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械式油气钻具离合器，其包括上钻杆接头、弹簧a、键筒、弹簧b、中帽、外帽、内帽、密封圈a、油液密封环、密封圈b、弹簧c、密封圈c、弹簧垫块、限位套、下钻杆接头组成。通过建立液压腔油液、弹簧c、内帽、中帽、弹簧b、键筒、弹簧a、上钻杆接头之间相互力平衡关系，使键筒上部外花键与上钻杆接头内花键配合，保证上钻杆接头与下钻杆接头同步运动；改变键筒位置，建立外帽、中帽、弹簧b、键筒、弹簧a、上钻杆接头之间的力平衡关系，使键筒上部外花键与上钻杆接头内花键脱离配合，实现上钻杆接头与下钻杆接头运动分离。本发明结构可靠，可通过钻井液压力大小反复控制离合器上部钻杆与下部钻杆之间的相对运动。

Description

一种机械式油气钻具离合器

技术领域

本发明涉及一种用于油气钻井领域中的机械式油气钻具离合器。

背景技术

目前油气钻井逐渐面向超深井发展，非常规井身结构增多，钻杆在油气井中并不竖直，通常呈小幅不规则弯曲下行状态，并且钻杆在井中保持旋转，其使得钻具在超深井中受较大的屈曲应力，钻具发生弯扭变形，造成卡钻、破坏井壁等现象发生。如果在屈曲状态下整体停钻，又不利于钻柱的提起。为保护井下钻杆设备，国内目前对于钻柱受力情况有过大量研究，但是对于在超深井如何利用机械设备保护钻杆、降低屈曲应力、方便钻柱提起、防止卡钻等方面并没有过多研究，更没有相关保护设备。

发明内容

本发明的目的在于：设计一种机械式油气钻具离合器，将其连接在上部钻杆与下部钻杆之间，当钻杆整体屈曲应力较大时，切断钻具离合器上部钻杆与下部钻杆之间力的传递，保证钻具离合器上部钻杆保持原运动状态转动，钻具离合器下部不受扭矩停转，方便钻柱提起并减少屈曲应力；当屈曲应力较小时，又可保证上下钻杆同步运动，完成钻进。该装置可增加钻井作业的稳定性与安全性，降低超深井中钻柱的屈曲应力，保护钻具，减少卡钻情况发生。

本发明的技术方案是：机械式油气钻具离合器，由上钻杆接头、弹簧a、键筒、弹簧b、中帽、外帽、内帽、密封圈a、油液密封环、密封圈b、弹簧c、密封圈c、弹簧垫块、限位套、下钻杆接头组成，其特征是：下钻杆接头上台阶轴与上钻杆接头上部内孔配合，下钻杆接头上台阶面顶住上钻杆接头的内孔台阶面，上钻杆接头与下钻杆接头之间安装有三个密封圈b，下钻杆接头的上台阶轴外部凸块条嵌入键筒上部内孔凹槽滑道内，键筒上部三组外花键分别与上钻杆接头三组内花键啮合，上钻杆接头与外帽之间通过螺纹连接，弹簧a安装在上钻杆接头的下部内孔台阶面与键筒的上部台阶面之间，键筒下部台阶面与中帽上端面之间安装弹簧b，中帽上部内孔与键筒下部阶梯轴配合，中帽内孔上端面顶住键筒下端面，使弹簧a和弹簧b产生力的作用，中帽外圆柱面凸块条嵌入外帽内孔凹槽滑道内，内帽下部台阶面与弹簧垫块之间安装弹簧c，下钻杆接头的中轴分别插入键筒、中帽、内帽、限位套的内孔中，并顶住限位套以支撑弹簧垫块，内帽上端面三角形齿与中帽凸块条下部三角形齿啮合，顶住中帽的同时使弹簧c产生力的作用，油液密封环受液压力作用被压在外帽台阶面上并与内帽外圆柱面产生配合，上钻杆接头与键筒之间安装有一个密封圈c，内帽与下钻杆接头之间安装有六个密封圈b，油液密封环与内帽之间安装有两个密封圈a，内帽与外帽之间安装有一个密封圈c，弹簧垫块与外帽之间安装有两个密封圈c，内帽上端面沿圆周均匀布置有三角形齿，上台阶轴外圆表面沿圆周均匀布置有凸块，中帽外圆柱面沿圆周均匀布置有凸块条，凸条块下端为三角齿形并与内帽上端面三角齿相啮合，外帽内孔上沿圆周均匀布置有尖端为三角形齿的凸块条，每两凸块条之间形成一条凹槽滑道，凹槽滑道宽度、中帽凸块条宽度、内帽外圆表面凸块三者宽度相等，中帽的凸块条与内帽的外圆表面凸块嵌入该凹槽滑道中，中帽外圆柱面凸块条外径大于内帽上部柱面外径与外帽内凸块条的内径，小于外帽内凸块条形成的凹槽内径。

上述方案中的机械式油气钻具离合器，其特征是：在内帽、外帽、油液密封环之间形成一液压腔，通过下钻杆接头与内帽之间设有的沿圆周方向均布的四个液孔，改变液压腔中钻井液压力大小，弹簧c带动内帽做轴向运动以平衡钻井液压力，实现通过控制钻井液压力大小控制内帽相对位置的功能。

上述方案中的机械式油气钻具离合器，其特征是：键筒上部阶梯轴外圆面上沿轴向均匀分布有三组外花键，每组花键沿圆周方向均布四个键齿，上钻杆接头内孔沿轴向均匀分布三组内花键，内花键与外花键相互配合，且每两组内花键之间的轴向距离大于每组外花键的键长，下钻杆接头上阶梯轴面沿圆周均匀分布有四个凸块条，其分别嵌入键筒的四条凹槽滑道内，引导键筒做轴向运动。

上述方案中的机械式油气钻具离合器，其特征是：当需要上钻杆接头与下钻杆接头同步运动时，液压腔油液、弹簧c、内帽、中帽、弹簧b、键筒、弹簧a、上钻杆接头之间相互建立力平衡关系，以此固定键筒相对位置，保证键筒上部外花键与上钻杆接头内孔内花键准确配合，完成力从上钻杆接头到键筒再到下钻杆接头之间的传递。当需要断开上钻杆接头与下钻杆接头之间的力传递关系时，降低液压腔中油压，使内帽推动中帽运动，让中帽外圆面凸条块的下端三角齿与外帽内孔凸块条尖端三角齿啮合，通过外帽、中帽、弹簧b、键筒、弹簧a、上钻杆接头之间建立力平衡关系，使键筒上部外花键与上钻杆接头内花键完全脱离配合，阻断上钻杆接头与键筒之间的力传递，实现上钻杆接头与下钻杆接头运动分离的目的。

上述方案中的机械式油气钻具离合器，其特征是：弹簧a、弹簧b、弹簧c均采用碟形弹簧，弹簧c刚度最大，弹簧a刚度次之，弹簧b刚度最小。

上述方案中的机械式油气钻具离合器，其特征是：通过改变液压腔中油液的压力，可反复使键筒上部外花键与上钻杆接头内孔内花键改变配合关系，达到自由控制上钻杆接头与下钻杆接头同步转动或互不影响的目的。

附图说明

图1是本发明机械式油气钻具离合器的结构示意图。

图2是图1(A—A)剖视图。

图3是图1(B—B)剖视图。

图4是本发明图1中键筒的零件图。

图5是本发明图1中上钻杆接头的零件图。

图6是本发明图1中内帽上端面三角形齿与中帽凸块条下端三角形齿啮合的局部示意图。

图7是本发明图1中帽凸块条下端三角形齿与外帽内孔凸块尖端三角齿啮合的局部示意图。

图8是本发明图1中内帽的零件图。

图9是本发明图1中外帽的零件图。

图中：1.上钻杆接头，2.弹簧a，3.键筒，4.弹簧b，5.中帽，6.外帽，7.内帽，8.密封圈a，9.油液密封环，10.密封圈b，11.弹簧c，12.密封圈c，13.弹簧垫块，14.限位套，15.下钻杆接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明:

根据附图所示，机械式油气钻具离合器，由上钻杆接头1、弹簧a2、键筒3、弹簧b4、中帽5、外帽6、内帽7、密封圈a8、油液密封环9、密封圈b10、弹簧c11、密封圈c12、弹簧垫块13、限位套14、下钻杆接头15组成，其特征是：下钻杆接头15上台阶轴与上钻杆接头1上部内孔配合，下钻杆接头15上台阶面顶住上钻杆接头1的内孔台阶面，上钻杆接头1与下钻杆接头15之间安装有三个密封圈b10，下钻杆接头1的上台阶轴外部凸块条嵌入键筒3上部内孔凹槽滑道内，键筒3上部三组外花键分别与上钻杆接头三组内花键啮合，上钻杆接头1与外帽6之间通过螺纹连接，弹簧a2安装在上钻杆接头1的下部内孔台阶面与键筒3的上部台阶面之间，键筒3下部台阶面与中帽5上端面之间安装弹簧b4，中帽5上部内孔与键筒3下部阶梯轴配合，中帽5内孔上端面顶住键筒3下端面，使弹簧a2和弹簧b4产生力的作用，中帽5外圆柱面凸块条嵌入外帽6内孔凹槽滑道内，内帽7下部台阶面与弹簧垫块14之间安装弹簧c11，下钻杆接头15的中轴分别插入键筒3、中帽5、内帽7、限位套14的内孔中，并顶住限位套14以支撑弹簧垫块13，内帽7上端面三角形齿与中帽5凸块条下部三角形齿啮合，顶住中帽5的同时使弹簧c11产生力的作用，油液密封环9受液压力作用被压在外帽6台阶面上并与内帽7外圆柱面产生配合，上钻杆接头1与键筒3之间安装有一个密封圈c12，内帽7与下钻杆接头15之间安装有六个密封圈b10，油液密封环9与内帽7之间安装有两个密封圈a8，内帽5与外帽6之间安装有一个密封圈c12，弹簧垫块13与外帽6之间安装有两个密封圈c12，内帽7上端面沿圆周均匀布置有三角形齿，上台阶轴外圆表面沿圆周均匀布置有凸块，中帽5外圆柱面沿圆周均匀布置有凸块条，凸块条下端为三角齿形并与内帽7上端面三角齿相啮合，外帽6内孔上沿圆周均匀布置有尖端为三角形齿的凸块条，每两凸块条之间形成一条凹槽滑道，凹槽滑道宽度、中帽5凸块条宽度、内帽7外圆表面凸块三者宽度相等，中帽5的凸块条与内帽7的外圆表面凸块嵌入该凹槽滑道中，中帽5外圆柱面凸块条外径大于内帽7上部轴面外径与外帽6内凸块条的内径，小于外帽6内凸块条形成的凹槽内径。

当钻杆屈曲应力较大时，钻具离合器上部钻杆接头1需要相对下部钻杆接头15单独运动，钻具离合器的工作过程：人工降低下钻杆接头15中心孔中钻井液压强的大小，由于液压腔中液孔的存在，压强差致使液压腔油液外流，原本受力压缩的弹簧c12伸长，推动内帽7沿外帽6内孔凹槽滑道向上运动。与内帽7上端面三角形齿啮合的中帽5凸块条下端三角形齿因此受力，致使中帽5沿外帽6内孔滑道向上运动，向上运动的中帽5推动键筒3沿下钻杆接头15的凸块条滑道向上，弹簧a2受力压缩，键筒3上部外花键脱离与上钻杆接头1内孔内花键的啮合，此时中帽5外圆凸条块整体滑出外帽6内孔凹槽滑道，中帽5外圆凸条下三角齿的齿顶恰好来到外帽6内孔凸条尖端三角齿的齿顶上方。至此，调整下钻杆接头15中心孔中钻井液压强回到初始大小，致使液压腔中压强增大，内帽7压缩弹簧c11快速向下，内帽7上端面三角形齿脱离与中帽5凸块条下端三角形齿的啮合关系。此时，中帽5上端面受弹簧b4弹力，中帽5外圆凸条块下三角齿受外帽6内孔凸条尖端三角齿之间斜楔力，两力共同作用，让中帽5下降的同时沿圆周方向旋转一个齿的角度，最终完成中帽5外圆凸条块下三角齿与外帽6内孔凸条尖端三角齿的啮合。此时外帽6、中帽5、弹簧b4、键筒3、弹簧a2、上钻杆接头1之间了成功建立力平衡关系，保证键筒3位置固定，内帽7因液压腔中增大的压强，压缩弹簧c11回到初始位置。由于上钻杆接头1内孔每两组内花键之间的轴向距离大于键筒3上部每组外花键的键长，此时内花键与外花键仍处于非啮合状态，完成上钻杆接头1与下钻杆接头15的运动分离。

当屈曲应力减小，需要上钻杆接头1与下钻杆接头15同步运动时，钻具离合器的工作过程：人工降低下钻杆接头15中心孔中钻井液压强的大小，由于液压腔中进出液孔的存在，压强差致使液压腔油液外流，原本受力压缩的弹簧c11伸长，推动内帽7沿外帽6内孔凹槽滑道向上运动。一定时间后，中帽5凸块条下端三角形齿与内帽7上端面三角形齿啮合并受力，此时继续降低钻井液压强，让内帽7推动中帽5沿轴向方向向上。当中帽5外圆凸条下三角齿的齿顶恰好来到外帽6内孔凸条尖端三角齿的齿顶上方时，调整下钻杆接头15中心孔中钻井液压强回到初始位置，致使液压腔中压强增大，内帽7压缩弹簧c11快速向下，内帽7上端面三角形齿脱离与中帽5凸块条下端三角形齿的啮合关系。此时，中帽5上端面受弹簧b4弹力，中帽5外圆凸条块下三角齿受外帽6内孔凸条尖端三角齿之间斜楔力，两力共同作用，恰好将中帽5沿外帽6内孔凸块条尖端三角齿面切线方向送入外帽6内孔的凹槽滑道之中并继续下滑，直到中帽5外圆凸条块下三角齿与外帽6内孔凸条尖端三角齿的啮合为止。中帽5的下滑引起弹簧a2的泄力，为此键筒3受弹簧a2向下的不平衡力沿下钻杆接头15的凸块条滑道向下滑动，直到液压腔油液、弹簧c11、内帽7、中帽5、弹簧b4、键筒3、弹簧a2、上钻杆接头1之间相互建立新的力平衡关系，键筒3位置固定。此时键筒3上圆柱面三组外键槽与上钻杆接头1内孔三组内键槽重新啮合，完成力矩从上钻杆接头1至下钻杆接头15之间的传递，保证上钻杆接头1与下钻杆接头15同步转动。

Claims (6)

1.一种机械式油气钻具离合器，由上钻杆接头(1)、弹簧a(2)、键筒(3)、弹簧b(4)、中帽(5)、外帽(6)、内帽(7)、密封圈a(8)、油液密封环(9)、密封圈b(10)、弹簧c(11)、密封圈c(12)、弹簧垫块(13)、限位套(14)、下钻杆接头(15)组成，其特征是：下钻杆接头(15)上台阶轴与上钻杆接头(1)上部内孔配合，下钻杆接头(15)上台阶面顶住上钻杆接头(1)的内孔台阶面，上钻杆接头(1)与下钻杆接头(15)之间安装有三个密封圈b(10)，下钻杆接头(15)的上台阶轴外部凸块条嵌入键筒(3)上部内孔凹槽滑道内，键筒(3)上部三组外花键分别与上钻杆接头(1)三组内花键啮合，上钻杆接头(1)与外帽(6)之间通过螺纹连接，弹簧a(2)安装在上钻杆接头(1)的下部内孔台阶面与键筒(3)的上台阶面之间，键筒(3)下部台阶面与中帽(5)上端面之间安装弹簧b(4)，中帽(5)上部内孔与键筒(3)下部阶梯轴配合，中帽(5)内孔上端面顶住键筒(3)下端面，使弹簧a(2)和弹簧b(4)产生力的作用，中帽(5)外圆柱面凸块条嵌入外帽(6)内孔凹槽滑道内，内帽(7)下部台阶面与弹簧垫块(13)之间安装弹簧c(11)，下钻杆接头(15)的中轴分别插入键筒(3)、中帽(5)、内帽(7)、限位套(14)的内孔中，并顶住限位套(14)以支撑弹簧垫块(13)，内帽(7)上端面三角形齿与中帽(5)凸块条下部三角形齿啮合，顶住中帽(5)的同时使弹簧c(11)产生力的作用，油液密封环(9)受液压力作用被压在外帽(6)台阶面上并与内帽(7)外圆柱面产生配合，上钻杆接头(1)与键筒(3)之间安装有一个密封圈c(12)，内帽(7)与下钻杆接头之间安装有六个密封圈b(10)，油液密封环(9)与内帽(7)之间安装有两个密封圈a(8)，内帽(7)与外帽(6)之间安装有一个密封圈c(12)，弹簧垫块(13)与外帽(6)之间安装有两个密封圈c(12)，内帽(7)上端面沿圆周均匀布置有三角形齿，上台阶轴外圆表面沿圆周均匀布置有凸块，中帽(5)外圆柱面沿圆周均匀布置有凸块条，凸块条下端为三角齿形并与内帽(7)上端面三角齿相啮合，外帽(6)内孔上沿圆周均匀布置有尖端为三角形齿的凸块条，每两凸块条之间形成一条凹槽滑道，凹槽滑道宽度、中帽(5)凸块条宽度、内帽(7)外圆表面凸块三者宽度相等，中帽(5)的凸块条与内帽(7)的外圆表面凸块嵌入该凹槽滑道中，中帽(5)外圆柱面凸块条外径大于内帽(7)上部轴面外径与外帽(6)内凸块条的内径，小于外帽(6)内凸块条形成的凹槽内径。

2.根据权利要求1所述的一种机械式油气钻具离合器，其特征是：在内帽(7)、外帽(6)、油液密封环(9)之间形成一液压腔，通过下钻杆接头(15)与内帽(7)之间设有的沿圆周方向均布的四个液孔，改变液压腔中钻井液压力大小，弹簧c(11)带动内帽(7)做轴向运动以平衡钻井液压力，实现通过控制钻井液压力大小控制内帽(7)相对位置的功能。

3.根据权利要求1所述的一种机械式油气钻具离合器，其特征是：键筒(3)上部阶梯轴外圆面上沿轴向均匀分布有三组外花键，每组花键沿圆周方向均布四个键齿，上钻杆接头(1)内孔沿轴向均匀分布三组内花键，内花键与外花键相互配合，且每两组内花键之间的轴向距离大于每组外花键的键长，下钻杆接头(15)上阶梯轴面沿圆周均匀分布有四个凸块条，分别嵌入键筒(3)的四条凹槽滑道内，引导键筒(3)做轴向运动。

4.根据权利要求1所述的一种机械式油气钻具离合器，其特征是：当需要上钻杆接头(1)与下钻杆接头(15)同步运动时，液压腔油液、弹簧c(11)、内帽(7)、中帽(5)、弹簧b(4)、键筒(3)、弹簧a(2)、上钻杆接头(1)之间相互建立力平衡关系，以此固定键筒(3)相对位置，保证键筒(3)上部外花键与上钻杆接头(1)内孔内花键准确配合，完成力从上钻杆接头(1)到键筒(3)再到下钻杆接头(15)之间的传递，当需要断开上钻杆接头(1)与下钻杆接头(15)之间的力传递关系时，降低液压腔中油压，使内帽(7)推动中帽(5)运动，让中帽(5)外圆面凸条块的下端三角齿与外帽(6)内孔凸块条尖端三角齿啮合，通过外帽(6)、中帽(5)、弹簧b(4)、键筒(3)、弹簧a(2)、上钻杆接头(1)之间建立力平衡关系，使键筒(3)上部外花键与上钻杆接头(1)内孔内花键完全脱离配合，阻断上钻杆接头(1)与键筒(3)之间的力传递，实现上钻杆接头(1)与下钻杆接头(15)运动分离的目的。

5.根据权利要求1所述的一种机械式油气钻具离合器，其特征是：弹簧a(2)、弹簧b(4)、弹簧c(11)均采用碟形弹簧，弹簧c(11)刚度最大，弹簧a(2)刚度次之，弹簧b(4)刚度最小。

6.根据权利要求1所述的一种机械式油气钻具离合器，其特征是：通过改变液压腔中油液的压力，可反复使键筒(3)上部外花键与上钻杆接头(1)内孔内花键改变配合关系，达到自由控制上钻杆接头(1)与下钻杆接头(15)同步转动或互不影响的目的。

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