CN113389490B - 一种钻具防卡钻保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻具防卡钻保护装置，属井下工具技术领域。防掉中心杆一端装有上接头，另一端装有下接头，上连接筒的一侧的防掉中心杆上装有上筒体和内花键筒，下接头一侧的防掉中心杆上装有下连接筒和下筒体。该保护装置在钻具卡住时，通过防掉中心杆的反扭矩作用，使下部钻柱回缩，由此防止钻具被破坏，延长了钻具的使用寿命；解决了现有通过冲击器以防卡钻的方式致使钻具使用寿命降低的问题，特别适用于在地质较硬的地层钻井使用。

Description

一种钻具防卡钻保护装置

技术领域

本发明涉及一种钻具防卡钻保护装置，属井下工具技术领域。

背景技术

近年来随着浅层油气资源消耗的加剧，石油开采向更深地层开发，由于钻井过程中，在地质较硬的地层钻具动力不足，容易出现卡钻现象，卡钻后上部钻柱持续给钻具施加压力，会造成钻头的切削齿被破坏，导致钻具的使用寿命降低。

目前，在实际的生产过程中，常用于防卡钻的方法是在钻具上安装冲击器，冲击器产生轴向振动和周向振动，破碎卡钻的岩层，但这种防卡钻的方法中，冲击器对钻头也会产生较大的振动冲击，使钻具的使用寿命降低，因此，有必要对其进行改进。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单，钻具发生卡钻现象时，能将钻具自动回缩，并辅助破碎卡钻岩层，延长钻具的使用寿命的钻具防卡钻保护装置。

本发明的技术方案是：

一种钻具防卡钻保护装置，它由上接头、下接头、防掉中心杆和活塞缸构成，其特征在于：防掉中心杆一端通过上连接筒安装有上接头，防掉中心杆另一端通过活塞缸安装有下接头，上连接筒的一侧的防掉中心杆上装有上筒体和内花键筒，下接头一侧的防掉中心杆上装有下连接筒和下筒体，所述的防掉中心杆分别与上连接筒、内花键筒、下连接筒和活塞缸活动连接。

所述的上连接筒与上接头螺纹连接，上筒体与上连接筒和内花键筒分别螺纹连接。

所述的下连接筒分别与下筒体和下接头螺纹连接。

所述的防掉中心杆为轴向设置有中心孔的空心体，防掉中心杆的一端端头螺纹安装有导向块，防掉中心杆通过导向块与上连接筒滑动连接；防掉中心杆的另一端端头装有单向阀A；单向阀A一侧的防掉中心杆上均布有旁通孔，旁通孔与中心孔连通，旁通孔一侧的防掉中心杆上活动安装有键齿轮，键齿轮与防掉中心杆之间通过键连接，键齿轮的圆周上均布有健齿，对应键齿的下连接筒内壁上对应设置有键槽，键齿轮与下连接筒之间通过键齿与键槽的配合滑动连接。

内花键筒对应的防掉中心杆上设置有外凸缘，外凸缘的圆周上均布有螺旋齿，与螺旋齿对应的内花键筒内壁上设置有螺旋槽，内花键筒通过螺旋槽和螺旋齿的配合与防掉中心杆活动连接，外凸缘一端的防掉中心杆上装固装有限位块，限位块与上连接筒之间的防掉中心杆上装有碟簧组。

所述的键齿轮一侧的防掉中心杆上设置有锁紧螺母，锁紧螺母与键齿轮抵触连接。

所述的下筒体内设置有阶梯孔，键齿轮与下筒体之间的防掉中心杆上装有复位弹簧。

所述的下接头内设置有阶梯孔，阶梯孔外围的下接头内均布有液流孔，下接头小径端的阶梯孔内装有单向阀B，下接头大径端的阶梯孔内固装有活塞缸，活塞缸上对应液流孔设置有通孔，通孔一端与液流孔连通，通孔另一端与旁通孔连通。

本发明的有益效果在于：

该钻具防卡钻保护装置在钻具卡住时，通过内花键筒内壁上的螺旋槽与防掉中心杆外凸缘上的螺旋齿滑动配合，使防掉中心杆沿着螺旋槽上行回缩，同时带动下接头同步发生上行回缩，防止钻具因卡钻被破坏；通过防掉中心杆的一端端头连接有单向阀，在钻具卡住时，防掉中心杆回缩使单向阀之间的活塞缸内形成一个腔室，钻井液在压力的作用下通过单向阀进入腔室，待防掉中心杆继续钻进时，腔室中的钻井液受到挤压从钻具中高速射出，辅助破碎卡钻岩层，延长了钻具的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明卡钻回缩后的结构示意图；

图3为本发明中防掉中心杆的结构示意图；

图4为本发明中内花键筒的结构示意图；

图5为本发明中防掉中心杆螺旋齿处的结构示意图；

图6为本发明中单向阀的结构示意图；

图7为本发明中下连接筒键槽的结构示意图；

图8为本发明中防掉中心杆键齿的结构示意图。

图中：1、上接头；2、防掉中心杆；3、碟簧组；4、上筒体；5、限位块；6、内花键筒；7、下筒体；8、复位弹簧；9、液流孔；10、活塞缸；11、单向阀A；12、下接头；13、中心孔；14、导向块；15、旁通孔；16、外凸缘；17、上连接筒；18、下连接筒；19、单向阀B；20、通孔；21、螺旋槽；22、螺旋齿；23、键槽；24、键齿, 25、锁紧螺母，26、键齿轮。

具体实施方式

该钻具防卡钻保护装置由上接头1、下接头12、防掉中心杆2和活塞缸10构成，防掉中心杆2一端通过上连接筒17螺纹安装有上接头1，防掉中心杆2另一端通过活塞缸10安装有下接头12；上连接筒17一侧的防掉中心杆2上装有上筒体4和内花键筒6，上筒体4分别与上连接筒17和内花键筒6螺纹连接；下接头12一侧的防掉中心杆2上装有下连接筒18和下筒体7，下连接筒18分别与下筒体7和下接头12螺纹连接。

防掉中心杆2为轴向设置有中心孔13的空心体，防掉中心杆2的一端端头螺纹安装有导向块14，防掉中心杆2通过导向块14与上连接筒17滑动连接，防掉中心杆2的另一端端头装有单向阀A11，单向阀A11一侧的防掉中心杆2上均布有旁通孔15，旁通孔15与中心孔13连通，旁通孔15一侧的防掉中心杆2上活动安装有键齿轮26，键齿轮24与防掉中心杆2之间通过键连接，以使键齿轮26与防掉中心杆2同步发生周向旋转；键齿轮26的圆周上均布有键齿24；对应键齿24的下连接筒18内壁上对应设置有键槽23，键齿轮26与下连接筒18之间通过键齿24与键槽23的配合滑动连接，键齿轮26一侧的防掉中心杆2上设置有锁紧螺母25，锁紧螺母25与键齿轮26抵触连接，通过锁紧螺母25对键齿轮26形成轴向限位。

内花键筒6对应的防掉中心杆2上设置有外凸缘16，外凸缘16的圆周上均布有螺旋齿22，与螺旋齿22对应的内花键筒6内壁上设置有螺旋槽21，内花键筒6通过螺旋槽21和螺旋齿22的配合与防掉中心杆2螺旋连接，外凸缘16一端的防掉中心杆2上安装有限位块5，限位块5与上连接筒17之间的防掉中心杆2上装有多个碟簧构成的碟簧组3。

下筒体7内设置有阶梯孔，防掉中心杆2的键齿24与下筒体7之间的防掉中心杆2上装有复位弹簧8。

下接头12内设置有阶梯孔，阶梯孔外围的下接头12内均布有液流孔9，下接头12小径端的阶梯孔内装有单向阀B19，下接头12大径端的阶梯孔内固装有活塞缸10，活塞缸10通过下连接筒18的内凸台与下接头12大径端的阶梯孔轴向固定，活塞缸10上对应液流孔9设置有通孔20，通孔20一端与液流孔9连通，通孔20另一端与旁通孔15连通。

该保护装置由下筒体7、下连接筒18、活塞缸10和下接头12组成下部钻柱，由上接头1、上连接筒17、上筒体5和内花键筒6构成上部钻柱，装配时，通过上接头1连接钻柱，通过下接头12安装钻具。

在正常钻井工作过程中，钻柱带动该保护装置整体转动，其中，防掉中心杆2与上部钻柱之间通过螺旋槽21和螺旋齿22的配合实现扭矩传递，防掉中心杆2与下部钻柱之间通过防掉中心杆2与键齿轮26键连接，键齿轮26通过键齿24与键槽23的配合实现扭矩传递，钻井液经上接头1进入防掉中心杆2的中心孔13，由旁通孔15、通孔20和液流孔9进入钻具（正常工作中，由于单向阀A11与单向阀B19紧密接触，单向阀无法开启，钻井液不能由中心孔13进入钻具），然后由钻具的水眼高速喷出，由此辅助钻具在转动的过程中实现破岩钻进的目的。

当钻具出现卡钻现象时，下部钻柱的转速突然降低，同时，上接头1处的转速不变，导致下部钻柱的扭矩突然增大，由于键齿24与下部钻柱中下连接筒18内壁的键槽23滑动连接，防掉中心杆2与键齿轮26键连接，使防掉中心杆2与上接头1产生转速差，防掉中心杆2对上接头1形成周向的反扭矩，在周向的反扭矩作用下，防掉中心杆2外凸缘16上的螺旋齿22沿内花键筒6内壁上的螺旋槽21发生相对移动（内花键筒6与防掉中心杆2之间相对收缩），从而将下部钻柱的反扭矩转换成防掉中心杆2的螺旋上行力，其中，防掉中心杆2螺旋上升的过程中首先通过锁紧螺母带动键齿轮26上行，键齿轮26和限位块5压缩复位弹簧8和碟簧组3，并使其蓄能，当复位弹簧8被压缩至极限位置时，防掉中心杆2的上行力通过键齿24和复位弹簧8传递至下筒体7上，由此带动下部钻柱整体上行回缩，进而使钻具脱离卡钻岩层。

在防掉中心杆2上行的初始阶段，防掉中心杆2与活塞缸10之间产生相对滑动，这一过程中，通过防掉中心杆2的上行力和钻井液的压力配合冲开单向阀A11，使钻井液进入单向阀A11与单向阀B19之间因防掉中心杆2上行回缩形成的腔室内并汇集。

当上行的下筒体7端面与内花键筒6端面接触后，内花键筒6对下筒体7形成轴向限位，下部钻柱不再上行回缩，由于下部钻柱的上行回缩，钻头脱离卡钻岩层，下部钻柱的反扭矩力（阻力）全部消失；此时，碟簧组3和复位弹簧8不再受到压缩，碟簧组3在弹力的作用下，通过限位块5推动防掉中心杆2，同时复位弹簧8在弹力的作用下，键齿轮26通过锁紧螺母推动防掉中心杆2，由此使防掉中心杆2反向螺旋下行；随着防掉中心杆2的下行，下筒体7端面与内花键筒6端面脱离接触状态，下部钻柱恢复至初始工作状态继续钻进。

防掉中心杆2沿螺旋槽21下行过程中，单向阀A11与单向阀B19之间腔室内的钻井液受到单向阀A11的挤压，钻井液冲开单向阀B19形成射流，然后由下接头12的中心孔、钻具的水眼喷出对卡钻的岩层造成冲击破坏，以辅助钻具再次进入岩层便于继续钻进，由此一个卡钻循环保护完成。

该保护装置在钻具发生卡钻现象时，通过内花键筒6的螺旋槽21与防掉中心杆2的外凸缘16上的螺旋齿22滑动配合，能使钻具自动上行回缩，通过活塞缸10与防掉中心杆2的配合，使钻井液冲开单向阀B19形成射流，然后由下接头12的中心孔、钻具的水眼喷出对卡钻的岩层造成冲击破坏，以辅助破碎卡钻岩层，从而延长了钻具的使用寿命，解决了现有通过冲击器以防卡钻的方式致使钻具使用寿命降低的问题，特别适用于在地质较硬的地层钻井使用。

Claims (7)

1.一种钻具防卡钻保护装置，它由上接头（1）、下接头（12）、防掉中心杆（2）和活塞缸（10）构成，防掉中心杆（2）一端通过上连接筒（17）安装有上接头（1），防掉中心杆（2）另一端通过活塞缸（10）安装有下接头（12），上连接筒（17）的一侧的防掉中心杆（2）上装有上筒体（4）和内花键筒（6），下接头（12）一侧的防掉中心杆（2）上装有下连接筒（18）和下筒体（7），其特征在于：所述的防掉中心杆（2）分别与上连接筒（17）、内花键筒（6）、下连接筒（18）和活塞缸（10）活动连接；所述的防掉中心杆（2）为轴向设置有中心孔（13）的空心体，防掉中心杆（2）的一端端头螺纹安装有导向块（14），防掉中心杆（2）通过导向块（14）与上连接筒（17）滑动连接；防掉中心杆（2）的另一端端头装有单向阀A（11）；单向阀A（11）一侧的防掉中心杆（2）上均布有旁通孔（15），旁通孔（15）与中心孔（13）连通，旁通孔（15）一侧的防掉中心杆（2）上均布有键齿轮（26），键齿轮（26）的圆周上均布有键齿（24）；对应键齿（24）的下连接筒（18）内壁上对应设置有键槽（23），键齿轮（26）通过键齿（24）与键槽（23）的配合与下连接筒（18）滑动连接；

所述的键齿轮（26）一侧的防掉中心杆（2）上设置有锁紧螺母（25），锁紧螺母与键齿轮（26）抵触连接。

2.根据权利要求1所述的一种钻具防卡钻保护装置，其特征在于：所述的上连接筒（17）与上接头（1）螺纹连接，上筒体（4）与上连接筒（17）和内花键筒（6）分别螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种钻具防卡钻保护装置，其特征在于：所述的下连接筒（18）分别与下筒体（7）和下接头（12）螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种钻具防卡钻保护装置，其特征在于：内花键筒（6）对应的防掉中心杆（2）上设置有外凸缘（16），外凸缘（16）的圆周上均布有螺旋齿（22），与螺旋齿（22）对应的内花键筒（6）内壁上设置有螺旋槽（21），内花键筒（6）通过螺旋槽（21）和螺旋齿（22）的配合与防掉中心杆（2）活动连接。

5.根据权利要求4所述的一种钻具防卡钻保护装置，其特征在于：内花键筒（6）对应的防掉中心杆（2）上设置有外凸缘（16），外凸缘（16）一端的防掉中心杆（2）上装固装有限位块（5），限位块（5）与上连接筒（17）之间的防掉中心杆（2）上装有碟簧组（3）。

6.根据权利要求1所述的一种钻具防卡钻保护装置，其特征在于：所述的下筒体（7）内设置有阶梯孔，键齿轮（26）与下筒体（7）之间的防掉中心杆（2）上装有复位弹簧（8）。

7.根据权利要求1所述的一种钻具防卡钻保护装置，其特征在于：所述的下接头（12）内设置有阶梯孔，阶梯孔外围的下接头（12）内均布有液流孔（9），下接头（12）小径端的阶梯孔内装有单向阀B（19），下接头（12）大径端的阶梯孔内固装有活塞缸（10），活塞缸（10）上对应液流孔（9）设置有通孔（20），通孔（20）一端与液流孔（9）连通，通孔另一端与旁通孔（15）连通。

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