CN114158270B - 用于在井下组件中使用的防旋转联接 - Google Patents

用于在井下组件中使用的防旋转联接 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种包括彼此旋转地联接的管状件的井下组件。相邻管状件之间有接面，该接面构成旋转联接的至少一部分。当相邻管状件旋转地联接时，相邻管状件的某些表面彼此接触；并且这些表面被定义为接触表面。每个接触表面被特征设定有小面，这些小面与相邻管状件的对应接触表面上的小面互补。这些接触表面的特征设定使得当接触表面与对应接触表面结合在一起时；该接触表面上的小面沿着与该管状件的轴线倾斜或平行的平面邻接该对应接触表面上的小面。在相邻管状件之间传输的旋转扭矩中的至少一些跨这些邻接小面发生。

Description

用于在井下组件中使用的防旋转联接
背景技术
1.技术领域
本公开涉及一种井下组件的相邻构件的相对表面之间的防旋转联接。更具体地，本公开涉及一种相邻构件之间的接面，该接面由井下组件的这些构件的相对表面上的互补特征形成。
2.现有技术描述
用于在烃生产井中使用的多个装置采用利用螺纹连接联接在一起的管状构件。构成钻柱的管状构件通常是利用公母接头型连接连接在一起的管道的接头，这些接头通常包括与接头的相应螺纹部分的基部相邻的台肩。通常，在管道运动范围(travel)的相邻接头之间传输的大部分扭矩载荷跨螺纹连接传输，而较小部分跨公母接头台肩传输。一些管状构件具有其它类型的螺纹连接，这些螺纹连接跨接连构件的彼此接触的表面传输大部分载荷。邻接表面之间的摩擦力使相邻管状件保持旋转地接合。跨邻接表面传输扭矩载荷的一个缺点在于，有时扭矩载荷超过摩擦力，这使得相邻管状件之间发生相对旋转，从而致使表面彼此滑动接触。由于滑动接触，因此可以将过大的扭矩引入到连接中；或相反地，使连接松动。此外，接触表面的相应区域通常小于典型的螺纹连接的相应区域，从而使表面经历比施加在螺纹部分上的单位力大的单位力。金属疲劳和局部断裂是由于滑动接触而经历的损坏类型。当载荷是循环的或来自高频扭转振荡(“HFTO”)时，这些损坏类型可能尤其有问题。
发明内容
公开了一种井下组件的示例，该井下组件包括：钻头；管状构件；轴，该轴连接到该钻头并且被构造成在该管状构件内并相对于管状构件旋转以使钻头旋转，并且轴包括具有第一接合区域的第一轴构件和具有第二接合区域的第二轴构件，该第一接合区域和该第二接合区域通过螺纹连接彼此接合，其中第一接合区域和第二接合区域中的至少一者包括一个或多个扭转锁紧元件。该一个或多个扭转锁紧元件另选地包括位于第一接合区域和第二接合区域中的至少一者上的凸起构件。该螺纹连接任选地是利用压缩元件的连接。在一个实施方案中，轴和管状构件由位于轴和管状构件之间的一个或多个轴承联接。在一个示例中，第一接合区域和第二接合区域在接合时处于压缩作用下。一个或多个扭转锁紧元件任选地包括颗粒，这些颗粒位于第一接合区域和第二接合区域中的一者上并且在第一接合区域和第二接合区域接合时压入第一接合区域和第二接合区域中的另一者中。在一个实施方案中，螺纹连接具有外径，并且管状构件具有内径，并且螺纹连接的外径小于管状构件的内径。该组件的示例包括具有定子和转子的钻井马达，并且其中轴连接到该转子。第二轴构件任选地是环元件，该环元件还包括第三接合区域；并且轴包括具有第四接合区域的第三轴构件，该第三接合区域与该第四接合区域接合；并且一个或多个扭转锁紧元件由比第一轴构件、第二轴构件和第三轴构件中的至少一者硬的材料制成。第一接合区域和第二接合区域任选地位于与钻头相距小于5m的距离处。
还包括一种用于向地球的地层中钻井的方法的示例，该方法包括：将钻井组件输送到井眼中，该钻井组件具有管状构件和钻头，该钻头与该地层接触；利用连接到钻头的轴使与地层接触的钻头旋转，轴被构造成在管状构件内并相对于管状构件旋转，配备的轴由具有第一接合区域的第一轴构件和具有第二接合区域的第二轴构件构成，并且该第一接合区域和该第二接合区域中的至少一者具有一个或多个扭转锁紧元件。该示例性方法还包括：通过螺纹连接使第一接合区域和第二接合区域彼此接合。在一个另选方案中，一个或多个扭转锁紧元件具有位于第一接合区域和第二接合区域中的至少一者上的凸起构件，并且任选地螺纹连接是利用压缩元件的连接。在一个另选方案中，该方法包括：通过位于轴和管状构件之间的一个或多个轴承联接轴和管状构件。在一些情况下，第一接合区域和第二接合区域在接合时处于压缩作用下。一个或多个扭转锁紧元件任选地包括位于第一接合区域和第二接合区域中的一者上的颗粒，并且当第一接合区域和第二接合区域接合时，这些颗粒压入第一接合区域和第二接合区域中的另一者中。在一个实施方案中，螺纹连接具有外径，并且管状构件具有内径，并且螺纹连接的外径小于管状构件的内径。存在该组件包括具有定子和转子的钻井马达并且其中轴连接到该转子的示例。在一个示例中，第二轴构件是还包括第三接合区域的环元件，轴包括具有与第三接合区域接合的第四接合区域的第三轴构件，并且一个或多个扭转锁紧元件由比第一轴构件、第二轴构件和第三轴构件中的至少一者硬的材料制成。在一个示例中，第一接合区域和第二接合区域位于与钻头相距小于5m的距离处。
附图说明
已经陈述了本发明的一些特征和有益效果，当结合附图进行描述时，其他特征和有益效果将变得显而易见，附图中：
图1是挖掘井筒的示例的局部侧面正视剖视图。
图2A是旋转地联接在一起的管状件的端部部分的示例的侧视图。
图2B是图2A的管状件的接触表面的示例的透视图。
图2C是设置在壳体中的图2A的管状件的端部部分的示例的侧面剖视图。
图3A是旋转地联接在一起的管状件的端部部分的另选示例的侧视图。
图3B是图3A的管状件的接触表面的示例的透视图。
图3C是设置在壳体中的图3A的管状件的端部部分的示例的侧面剖视图。
图4A是图2A的并且彼此间隔开的管状件的端部部分的另选示例的侧面透视图。
图4B是图4A的管状件的端部部分的实施方案的一部分的侧面局部剖视图。
图5A和图5B是图2A的管状件的端部部分的另选示例的侧视图。
图6是图2C的井底组件的另选示例的侧面剖视图。
图7是图2C的井底组件的另选示例的侧面剖视图。
图8A和图8B是构件之间的力传递的示意图。
虽然将结合优选的实施方案描述本发明，但应当理解，其并非旨在将本发明限制于该实施方案。相反，本发明旨在涵盖所有可能包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
具体实施方式
现在在下文中参考示出了实施方案的附图来更全面地描述本公开的方法和系统。本公开的方法和系统可为许多不同形式，并且不应理解为限于本文列出的例示实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开将是周密且完整的，并且将向本领域的技术人员完全传达其范围。整个说明书中类似的数字表示类似的元件。在本说明书中使用的术语和类似参考(尤其是在以下权利要求的上下文中)“上方”、“上”、“高”、“上部”和“向上”应理解为意指沿着井底组件或钻杆位于参考位置和地球地表之间，并且术语和类似参考“下方”、“下”、“低”、“下部”和“向下”应理解为意指沿着井底组件或钻杆位于与参考位置和地球地表相反的一侧上。在一个实施方案中，术语“约”的使用包括所引用量值的+/-5％。在一个实施方案中，术语“基本上”包括所引用量值、比较或描述的+/-55％。在一个实施方案中，术语“大致”的使用包括所引用量值的+/-510％。
应进一步理解的是，本公开的范围不限于所示和所述的架构、操作、确切材料或实施方案的确切细节，因为修改形式和等同形式对于本领域技术人员而言将是显而易见的。在附图和说明书中，已经公开了例示性实施方案，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅以一般性和描述性意义，而不是以限制的目的进行使用。
如上所述，构成钻柱或钻井工具的部件之间的一些连接包括公母接头型连接，这些连接的另选方案具有与连接的相应螺纹部分的基部相邻的台肩并且被称为旋转台肩式螺纹连接(“RSTC”)。在一个实施方案中，RSTC的扭转载荷容量取决于台肩(例如，靠近公母接头的外径的外台肩)处和螺纹处的预载荷，以及台肩和螺纹的彼此接触的预载表面上的摩擦力。另一种类型的连接被称为双台肩式连接(“DSC”)，还具有增加预载表面的数量和总预载荷量的内台肩，这继而增加了摩擦扭矩容量。DSC的最终扭矩容量大约是台肩处和螺纹处的摩擦扭矩容量(各自通常处于相同数量级(例如，约45％))的总和。螺纹的螺距通常仅仅对扭矩容量贡献很小。
在高扭矩载荷下，在公母接头连接的外台肩之间可能发生旋转滑动。这些构件之间的相对移动有时在约0.01mm至0.1mm或更大的范围内。在连接组装和构成之后，操作扭矩的一部分通过母接头外台肩传输；并且该操作扭矩的一部分通常是作用在连接处的总扭矩的主要部分。这被认为是与公接头相比，母接头的扭转刚度更高的结果。因为外台肩的摩擦扭矩容量受限制，所以高于特定扭矩值时在外台肩处发生滑动。然而，引起滑动的该扭矩值仍低于连接的最终极限(即，根据扭矩的方向，低于屈服扭矩或低于折断扭矩)。
公母接头处的另外的内台肩(如在DSC的情况下)可增加最终扭矩容量。然而，在外台肩处引起滑动的扭矩载荷阈值对于不具有内台肩的连接是相同的。在此情景下，其它参数的值不变，诸如外台肩处的刚度、预载荷和摩擦系数。在钻井操作期间的这种滑动可能导致显著问题，诸如；台肩处的磨损、拉毛和加热、预载荷损失、泄漏、金属疲劳和断裂。这在循环扭矩载荷(诸如扭矩在扭转振荡(诸如高频扭转振荡(“HFTO”，即，具有高于大约10Hz诸如高于30Hz或50Hz的频率的扭转振荡)或粘滑现象)期间发生的最小值和最大值之间振荡，这可能致使大量此类滑动事件反复发生并且可能处于高频率)期间特别成问题。在高于滑动扭矩值的载荷下，可沿着螺纹和内台肩之间的接触表面滑动，这可引入过载、塑性变形、断裂或松动的另外的不期望效果。关于上述机制和挑战，例如，对于旋转导向系统(“RSS”)和钻井马达，存在特定情况。此类工具通常具有驱动轴的部件之间的连接，该驱动轴安装在壳体内并在壳体内旋转并且将钻井扭矩传输到钻头。井眼大小限制壳体直径，这继而限制此连接的可用直径；这继而减小可用横截面和半径，并限制连接设计的最大预载荷和摩擦扭矩容量，诸如RSTC和DSC的最大预载荷和摩擦扭矩容量。这种连接可能不像钻柱中的其它连接(未由壳体覆盖)一样强，因此可能特别容易出现上述故障并且不利地影响钻井操作的可靠性或性能。
图1中示出了钻井组件10的侧面局部剖视图，该钻井组件从地表14并且向下穿过地下地层16形成井筒12。钻井组件10包括细长钻柱18，该细长钻柱被示出为由在单独接头处连接的单独钻杆20构成。井底组件22(也称为井下组件)被描绘为安装在钻柱18的下端上并且在该井底组件的下端上配有钻头24。在一个示例中，流体被泵送或循环通过柱18的内孔25，该内孔延伸穿过钻杆20并穿过井底组件22的部件。流体流动通过钻头24以润滑和冷却钻头24，并移除可能由旋转钻头24在井筒12的底部处形成的岩屑；示例性流体包括井筒流体、钻井液、钻井泥浆和组合。在图1的示例中，井底组件22包括壳体26、马达28和连接组件30。马达28在壳体26内以虚线轮廓示意性地示出，并且连接组件30将钻头24与来自马达28的输出联接在一起。马达28的示例包括响应于井筒流体流动通过马达28而提供旋转力或扭矩的位移马达。在所示的示例中，马达28使连接组件30和所附接钻头24旋转。旋转扭矩通过连接组件30从马达28递送到钻头24，以用于形成井筒12。位于地表16上的是位于井筒12的开口之上的井架32，并且该井架为在井筒操作中使用的装置和设备提供支撑。另选地包括用于使钻柱20和钻头24旋转的地表装置(未示出)。在一个示例中，地表装置包括具有由原动机诸如电动马达旋转以使钻头24旋转的旋转台的顶部驱动器，并且与马达28一起使用或用于不包括马达28的井底组件22。另选地，钻头24由仅马达28旋转而不具有使钻头24旋转的地表装置，或者由仅地表装置使钻头24旋转而不具有马达28。井口组件34被示出为设定在井筒12的开口之上，并且该井口组件对井筒12提供压力控制。在一个示例中，井下组件22是旋转导向系统。
在一个另选方案中，井底组件22是模块化的，并且任选地包括多个子部件，诸如钻头(与钻头24相同或类似)、导向组件、马达(与马达28相同或类似)、弯曲马达、一个或多个测量工具、一个或多个稳定器、一个或多个扩孔工具、一个或多个驱动轴等。在一个实施方案中，测量工具测量地层的特性、井筒轨迹、钻井方向或钻井过程的操作参数(诸如随钻测井或随钻测量工具，也称为LWD或MWD工具)。一个或多个驱动轴将扭矩从一个子部件输送到另一子部件，并且可在子部件的部分以不同旋转速度旋转的情况下任选地利用。在一个非限制性示例中，导向组件包括驱动轴，该驱动轴在套筒内旋转，该套筒是静态的或以比驱动轴慢的旋转速度旋转。另选地，马达(诸如马达28)包括转子，该转子在定子内选择性地旋转，该定子是静态的或以比转子慢或基本上不同于转子的旋转速度旋转。在一个实施方案中，钻杆20或井底组件22的包括子部件的部分(诸如驱动轴的部分或构件)的子部件通过螺纹连接(例如通过相对于钻杆20或井底组件22的子部件的纵向轴线对称的螺纹连接)接连在一起。连接组件30的详细示例在图2A中以侧视图示出。如图所示，连接组件30包括具有被示出为沿着轴线AX延伸的内孔37的环形上部子部件36，以及也具有被示出为沿着轴线AX延伸的内孔39的环形下部子部件38。在一个另选方案中，孔37与孔25(图1)和孔39连通，并且流体(诸如井筒流体、钻井液和/或钻井泥浆)流动通过孔25、37、39到达钻头24。在所示的示例中，上部子部件36的下端沿着连结40的示例接合下部子部件38的上端。在一个实施方案中，连结40是连接41的旋转地联接子部件36、38的部分。如图所示，连结40由分别形成在上部子部件36和下部子部件38的相对表面上的一连串凸起构件42、44构成。在一个非限制性示例中，凸起构件42、44通过压花纹形成。构件42、44被策略性地特征设定并互补地成型，使得当上部子部件36和下部子部件38如图2A所描绘地接合时，构件42、44彼此互相啮合。扩张部分46形成在上部子部件36的接近连结40的区段上，并且该扩张部分具有大于所示的上部子部件36的剩余区段的外径。参考图2B，示出了上部子部件36和下部子部件38的透视图，并且该透视图示出了上部子部件36包括的沿着轴线AX经过连结40延伸到下部子部件38中的细长托管架48。图2B和图2C中的侧面剖视图示出的是，上部子部件36具有小于扩张部分46的内径的外径。台肩50限定在扩张部分46的径向表面上，该径向表面面向下部子部件38并构成连结40的一部分。对应台肩52被示出为位于下部子部件38的径向表面上，该径向表面面向上部子部件36。在所示的示例中，凸起构件42、44分别设置在台肩50、52上；并且从台肩50、52轴向地突出。如图2A和2C的示例所示，台肩50、52各自位于与轴线AX基本上垂直的平面中，并且凸起构件42、44限定朝向台肩50、52中的相对台肩并且在与轴线AX大致平行的方向上延伸的突出部。图2B的实施方案中所示的凸起构件42设置为彼此相邻并且基本上覆盖台肩50。在另选实施方案中，在相邻的凸起构件42之间设置有空间(未示出)，并且其中台肩50在这些空间中的一个或多个空间中的径向表面位于基本上垂直于轴线AX的平面中。
图2B中详细示出了一行凸起构件42的一部分的一个示例。如图所示，凸起构件42各自具有限定尖端53的在台肩50远侧的端部和位于这些凸起构件的侧面上的小面54、55，这些小面从台肩50轴向突出并会聚到尖端53。在所示的示例中，尖端53沿着从轴线AX径向延伸的线延伸。小面54在与轴线AX倾斜的平面中取向，而小面55位于与轴线AX大致平行的平面中；这与小面54结合类似于台肩50上的凸起构件42的锯齿形特征。凸起构件44的细节还描绘了具有从轴线AX径向延伸的尖端56、位于与轴线AX倾斜的平面中的小面57和位于与轴线AX大致平行的平面中的小面58的构件44。台肩50、52上的凸起构件42、44的特征设定的优点在于，在上部子部件36和下部子部件38之间传输的旋转扭矩t的至少一部分跨连结40并通过构件42、44的策略特征设定来传递。台肩50、52上的凸起构件42、44上的特征的另外的优点在于，相对小面55、58限定位于台肩50、52处的锁紧元件，例如刚性锁紧元件；在一个非限制性示例中，锁紧元件提供用于诸如在子部件36、38彼此旋转地接合时增大在台肩50、52之间传输的扭矩量的手段。在一个示例中，使相对小面55、58的侧表面接合跨台肩50、52传输扭矩载荷(这些扭矩载荷大于可用常规RSTC传输的扭矩载荷)，从而防止上部子部件36和下部子部件38之间的旋转滑动。在一个示例中，在台肩50、52之间未使用粘合剂(即，台肩50、52完全机械连接)，并且螺纹连接重复地打开和闭合，从而使连接41可移除。在一个示例中，螺纹连接被重复地机械打开和闭合，并且不破坏或去除粘合剂。在一个示例中，凸起构件42、44的侧面限定位于与轴线AX平行或倾斜的平面中的那些表面。
图2C中示出的是，托管架48接收在轴向延伸穿过下部子部件38的孔59内。孔59的在上部子部件36远侧的端部径向向外渐缩，并且配有螺纹60，以接收另一子部件的对应螺纹(未示出)，该另一子部件诸如图1中的钻头24，导向组件，马达(例如，马达28)，用于测量地层的特性、钻井轨迹、钻井方向、钻井过程的操作参数的工具，随钻测井工具，随钻测量工具，稳定器，扩孔工具，驱动轴或驱动轴构件等。在图2C的示例中，环形扭矩螺母62用于将上部子部件36和下部子部件38联接在一起。在一个示例中，扭矩螺母62作为压缩元件进行操作。扭矩螺母62设定在环形空间64内，该环形空间被示出为环绕孔59和托管架48的一部分。环形空间64位于下部子部件38的主体中，环形空间64的端部限定在孔59的直径突然增大以形成背对台肩50的凸缘65的位置处。此外，在此示例中，扭矩螺母62充当将上部子部件36和下部子部件38联接在一起的紧固件，并且包括位于该扭矩螺母的内径向表面上的螺纹66，这些螺纹接合沿着托管架48的外表面形成在该托管架的端部上的螺纹68。使对应组的螺纹66、68接合并使扭矩螺母62在指定的旋转方向上旋转使托管架48朝向螺纹60移动，这继而使上部子部件36的台肩50朝向下部子部件38的台肩52推动并推动成与之压缩接触；在此示例中，台肩50、52被接合而不会使台肩50、52中的任一者绕轴线AX旋转。台肩50、52之间的压缩接触产生被示出为沿着台肩50并抵靠台肩52径向施加的力F1。力F1的量值取决于在使螺纹66、68接合时扭矩螺母62的旋转和施加到该扭矩螺母的扭矩，并且随着扭矩螺母62在将张力施加到托管架48的方向上的进一步旋转而增大。凸缘65限制扭矩螺母62的轴向行进，并且向扭矩螺母62施加力，该力经由螺纹66、68传递以产生力F1。使螺纹66、68彼此接合形成螺纹连接69，该螺纹连接在一个示例中被包括为连接41的一部分。
仍然参考图2C，如图所示，托管架48的外径D48和螺纹66、68的外径小于上部子部件36的外径D36。使上部子部件36和下部子部件38旋转地附连的力F1的阈值在跨连结40传递扭矩时小于采用已知管状联接时；诸如标准公母接头连接。较低扭矩要求所提供的优点之一在于，扭矩螺母62的尺寸(诸如直径和长度)也降低，这导致重量和成本更少。凸起构件42、44利用上部子部件36和下部子部件38之间的现有接触表面来增大上部子部件36和下部子部件38之间的力传递接面的面积；并且还增大在子部件36、38之间传递的合力的量值。通过将力传递接面扩大为包括跨凸起构件42、44的力传递，继而增大了在上部子部件36和下部子部件38之间传递的旋转力和扭矩。添加对应的凸起构件42、44由此增大了力传递接面的大小和能力，并且由此提供了减少滑动的机会或量并避免了松动的连接的优点。图2C的示例中包括凹槽70，该凹槽被示出为沿着下部子部件38的内表面形成在与台肩52相邻的端部处，如图所示，凹槽70限制台肩50、52的接合区域并且减小连结40处和周围的最大应力水平。在具有减小台肩50、52的接合区域的凹槽70的实施方案中，施加到连结40的预压缩在接合区域处不超过应力极限。凹槽70的存在还增大了台肩50、52接合位置的平均直径，这继而增大了跨连结40在子部件36、38之间传输的扭矩的最大量值，并且台肩50、52之间不存在相对移动。凹槽70的大小必须通过小心平衡各种效果来限定，这些效果可通过优化算法计算，以确定用于特定应用的凹槽70的大小或大小范围，凹槽70的半径的示例性大小包括高达约3mm、高达约5mm和高达约7mm。
在图2C的示例中进一步描绘了环绕上部子部件36和下部子部件38的壳体26。如图所示，壳体26是大致环形构件，并且轴承71容纳在壳体26的内半径内，以促进上部子部件36和下部子部件38相对于壳体26的旋转，轴承71的示例性实施方案包括径向和轴向型轴承。在图2C的示例中，子部件36、38分别示出为驱动轴的上部部分和下部部分，该上部部分和该下部部分在一个示例内在壳体26内旋转并且传输扭矩以用于使钻头24(图1)旋转。在另选方案中，壳体26是旋转静态的，或者以比子部件36、38低的旋转速度旋转。此外，任选地示出了密封件72，这些密封件对井底组件22周围的流体诸如井筒内的钻井液或其它井筒流体提供压力阻隔。除了流体流动通过子部件36、38中的孔37、39之外或作为其另选方案，存在壳体26和子部件36、38之间不具有密封件以允许流体(例如，井筒流体或钻井液)围绕子部件36、38流动的实施方案。在另选实施方案(未示出)中，壳体26终止于下部子部件38上方；并且任选地，壳体26和下部子部件38的相应外径基本上相同。此另选实施方案实现扭矩螺母62的较大外径和/或作用在锁紧元件处(相应接合表面处)的增大的横截面和轴向载荷(如预载荷)。存在高轴向(预)载荷传递高扭矩或扭转载荷以及弯曲而不会滑动或失去接触的优点。任选地，在下部子部件38的下端处具有较大直径的情况下，较大强度的钻头连接或“钻头盒”实现另外的优点，并且另选地设置在螺纹60处以接收另一部件的对应螺纹(未示出)。
连接组件30A和井底组件22A的另选实施方案在图3A、图3B和图3C中示出。在图3A中以侧视图示出并且与图2A的实施方案类似，分别位于上部子部件36A和下部子部件38A上的凸起构件42A、44A彼此互相啮合以形成连结40A，跨该连结在上部子部件36A和下部子部件38A之间传递旋转扭矩。参考图3B，连接组件30A的透视图以透视图提供。凸起构件42A、44A的细节在图3B中示出，该图示出的是，构件42A上的平坦表面限定小面54A、55A，并且构件44A上的平坦表面限定小面57A、58A。在所示的示例中，小面54A、55A与轴线AX成角度地偏移并与之大致倾斜，并且轴线AX和小面54A之间的角偏移与轴线AX和小面55A之间的角偏移基本上相同。如图所示，轴线AX沿着连接组件30A纵向延伸，并且在操作示例中，连接组件30A围绕轴线AX旋转。此外，在此示例中，小面57A、58A也与轴线AX成角度地偏移并与之大致倾斜，并且其中角偏移基本上相同。尖端53A形成在小面54A、55A接连的位置，并且尖端56A形成在小面57A、58A接连的位置，尖端53A、56A被示出为从轴线AX大致径向延伸。在一个示例中，凸起构件42A、44A处于通常称为海斯(Hirth)齿的构型。以类似方式，上部子部件36A或下部子部件38A中的一者的旋转跨连结40A传输来自台肩50A上的小面54A、55A和台肩52A上的凸起构件56A的小面57A、58A的相互作用的旋转扭矩。
现在参考图3C，以侧面剖视图示出了井底组件22A的另选示例，其中上部子部件36A和下部子部件38A通过扭矩螺母62A接连在一起；并且位于子部件38A和壳体26A之间的是任选的轴承71A和密封件72A。在此实施方案中，扭矩螺母62A是环形细长构件，该环形细长构件具有形成在下部末端上并且限定在扭矩螺母62A的长度具有扩大外径的位置的基部74A。在一个另选方案中，扭矩螺母62A作为压缩元件进行操作。扭矩螺母62A的直径增大是突然的并且限定被示出为面向上部子部件36A并且位于与轴线AX基本上垂直的平面中的凸缘76A。凸缘76A被示出为与形成在环形空间64A的上端上的台肩或凸缘65A过盈接触。在图3C的示例中，螺纹66A位于扭矩螺母62A的在基部74A远侧的一部分的外表面上。螺纹66A被示出为与形成在沿着轴线AX延伸并穿过上部子部件36A的孔80A的内表面上的螺纹68A接合。在一个实施方案中，子部件36A、38A是驱动轴的通过连结40A和螺纹连接69A接合的上部部分和下部部分，连结40A和螺纹连接69A的组合限定连接41A。螺纹连接69A通过使螺纹66A、68A接合来形成，并且连结41A通过使凸起构件42A、44A互相啮合来形成。在一个非限制性操作示例中，驱动轴相对于壳体26A并在该壳体内以基本上高于壳体26A的旋转速度的旋转速度选择性地旋转。同样，在此示例中，孔80A的直径接近连结40A突然向外转变以限定环形空间82A，并且扭矩螺母62A的外径D62A小于上部子部件36A的外径D36A。当凸起构件42A、44A(图3A)互相啮合并完全接合以形成连结40A时，示出了位于子部件36A、38A之间的任选的间隙83a，并且该间隙在连结40A的相应台肩未完全接合的位置提供游隙，使得凸起构件42A、44A变得完全接合。如上所论述，通过所示的螺纹接合施加到上部子部件36A上的力FA的最大量值由直径D62A限制，该直径还限制了标准公母接头连接的扭矩传递能力。本公开所提供的优点在于，凸起构件42A和凸起构件44A之间的接合引入了在上部子部件36A和下部子部件38A之间传递扭矩或旋转力的另外的模式或路径；并且该接合大幅增大了在上部子部件36A和下部子部件38A之间传递的扭矩或旋转力的最大量，并且相反地降低了在经历预期载荷的操作期间上部子部件36A和下部子部件38A之间的旋转滑动的可能性。存在其中在相邻的构件42A和构件44A之间存在空间(未示出)的示例，在此另选方案中，台肩50A的位于这些空间中的一个或多个空间中的径向表面位于基本上垂直于轴线AX的平面中。在另一另选方案中，构件42A的部分与构件44A的相对部分脱离接触。
连接组件30B的一部分的另选示例在图4A中以透视图示出。在此示例中，连接组件30B被示出成与图2A至图2C的连接组件30基本上相同；并且该连接组件还包括形成在下部子部件38B的台肩52B的表面上以及粘附或以其它方式附接到该表面的颗粒84B，诸如刚性颗粒；或上部子部件36B的台肩50B；颗粒84B任选地嵌入到台肩50B的表面中。台肩50B、52B中的一者或两者上的颗粒84B增加了台肩50B、52B之间的旋转扭矩传递。在一个实施方案中，颗粒84B嵌入到台肩50B、52B中的一者或每一者中；另选地，颗粒84B通过施加轴向力(诸如在形成连接(例如，通过螺纹(例如，通过与图2C和图3C所示的那些扭矩螺母类似的扭矩螺母的螺纹)形成连接)期间形成的轴向力)来嵌入。颗粒84B的示例性材料包括金刚石、钨、碳化物以及硬度为至少约构成台肩50B、52B的材料的硬度的任何其它材料。颗粒84B的示例性大小包括高达约2mm、高达约1mm、高达约500μm、高达约200μm和高达约100μm。颗粒84B是从台肩50B、52B中的一者或两者轴向延伸出以与台肩50B、52B中的相对者接合的另一形式的突出部。突出部的其它示例包括但不限于键、齿、环、球、圆柱体或具有不规则表面的颗粒。在一个示例中，颗粒84B任选地包括在摩擦垫片内或附接到摩擦垫片。适于本文所公开的实施方案的摩擦垫片的示例可从3M Advanced Materials Division，3M CenterSt.Paul，MN 55144 USA获得，并且在以下网站中有所描述：http://multimedia.3m.com/ mws/media/1001697O/3m-modition-shims.pdf，该网站的全部内容以引用方式并入本文，并且用于所有目的。图4A的连接组件30B的一部分在图4B中以放大和局部剖视图示出。在图4B中，示例性颗粒84B1-5被示出为横跨台肩50B、52B的相对面之间。存在其中扭矩t通过或跨位于台肩50B、52B之间的颗粒84B1-5从台肩50B、52B中的一者传递到另一者的实施方案。如图所示，一些颗粒84B1-5具有金刚石状形状，其中这些颗粒的外表面的部分是平坦的，并且其它外表面具有锥形部分或是不规则形状的。颗粒84B1-5的形状不限于图4B所示的示例，而是包括任何形状或构型。此外，在此示例中，颗粒84B1-3具有嵌入在台肩50B、52B中的每一者中的部分；而颗粒84B4具有仅嵌入在台肩52B中的一部分，并且颗粒84B5中没有一个部分嵌入在台肩50B、52B中的任一者中。相反，颗粒84B5被示出为楔入在台肩50B、52B之间。虽然颗粒84B4嵌入在台肩50B、52B中的单个台肩中，并且颗粒84B5不嵌入在台肩50B、52B中的任一者中，但在一个示例中，扭矩t、扭转载荷或旋转力的全部或一部分通过颗粒84B4、5中的一者或两者在台肩50B、52B之间传递。在另选实施方案中，通过预载力施加预压缩来迫使锁紧元件进入接合表面中的至少一者中；将台肩50B、52B与位于台肩50B、52B之间的锁紧元件一起预压缩使台肩50B、52B中的至少一者以将迫使锁紧元件进入台肩50B、52B中的一者或两者中的方式弹性地或非弹性地变形。任选地，垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈(未示出)中的一者或多者设置在上述台肩(即，50、50A、50B、52、52A、52B)中的任一者上，并且该一者或多者任选地配备有除了所述台肩(即，50、50A、50B、52、52A、52B)中的一者或多者上的凸起特征和/或颗粒之外或作为这些凸起特征和/或颗粒的另选方案的凸起特征和/或颗粒。在非限制性示例中，垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈具有由与相对台肩(即，50、50A、50B、52、52A、52B)相比更硬的材料制成的凸起特征和/或颗粒。在一个示例中，垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈由与上部子部件36B/下部子部件38B的相对台肩(即，50、50A、50B、52、52A、52B)相比更硬的材料制成，并且特征或颗粒任选地由垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈的材料制成。在一个实施方案中，凸起特征和/或颗粒位于垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈的两侧上，并且另选地，上部子部件36B/下部子部件38B的相应的对应台肩(即，50、50A、50B、52、52A、52B)不具有锁紧元件(例如，凸起特征/颗粒)。在此实施方案中，通过预载力施加预压缩迫使垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈上的锁紧元件进入上部子部件36B/下部子部件38B的对应台肩(即，50、50A、50B、52、52A、52B)的接合表面中的至少一者中；将台肩50B、52B与位于台肩50B、52B之间的垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈一起预压缩使台肩50B、52B中的至少一者以迫使垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈的锁紧元件进入台肩50B、52B中的一者或两者中的方式弹性地或非弹性地变形。在此实施方案中，被发现在上部子部件36B/下部子部件38B之后磨损的垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈上的锁紧元件可通过更换或翻新垫圈状环、垫片环、轴承环或轴承座圈来更换；这提供了优于返工和/或更换上部子部件36B/下部子部件38B中的一者或两者的时间和成本效率以及节省的优点。此外任选地，材料层诸如金属嵌体或涂层(例如，镍涂层)设置在上述台肩(即，50、50A、50B、52、52A、52B)中的任一者上，并且颗粒嵌入在该台肩中。当钻井扭矩通过螺纹连接提供到钻头而同时钻头的旋转在螺纹连接处产生扭转振荡例如高频扭转振荡时，由锁紧元件提供的优点防止相对台肩之间的相对移动。台肩50B、52B任选地包括可更换环85B、87B的示例。
在图5A中以侧视图提供了连接组件30C的一部分的示例，其中凸起构件42C具有截头锥形形状。如图所示，凸起构件42C的较大直径部分安装在上部子部件36C的台肩50C上并且与下部子部件38C的凸起构件44C啮合。凸起构件42C、44C的示例性长度(即，从台肩50C、52C到这些凸起构件的自由端)包括高达约5mm、高达约3mm、高达约1mm、高达约800μm、高达约500μm和高达约100μm。凸起构件44C还具有截头锥形构型，并且其中较大直径部分安装到下部子部件38C的台肩52C。凸起构件42C被示出为与凸起构件44C啮合并且被定位成使得上部子部件36C和下部子部件38C中的一者的旋转跨构件42C、44C的接面将旋转力的扭矩t施加到上部子部件36C和下部子部件38C中的另一者上。构件44C的尖端56C终止于未达到台肩50C处，并且限定尖端56C和台肩50C之间的空间86C。类似的空间88C限定在尖端53C和台肩52C之间。在此示例中，凸起构件44C不与相对台肩50C接触，并且凸起构件42C在预压缩时(即，在压缩地预载时)不与相对台肩52C接触；这允许在预压缩期间有足够的空间，并且在预压缩时将台肩50C定位成背离台肩52C并且未与之接触。存在尖端56C、53C中的一者或多者与台肩50C、52C接触的另选方案。在图5B中以侧视图示出了分别从台肩50D、52D突出的凸起构件42D、44D的另选示例。凸起构件42D、44D的尖端53D、56D是大致倒圆的，并且被示出为插入相邻构件42D、44D之间的互补形状的凹部中。凸起构件42D、44D的示例性长度(即，从台肩50D、52D到这些凸起构件的自由端)包括高达约5mm或更小、高达约3mm、高达约1mm、高达约800μm、高达约500μm和高达约100μm。与图5A的构型类似，构件42D、44D的啮合旋转地联接上部子部件36D和下部子部件38D。图5B的示例还示出了尖端56C和台肩50D之间的空间90D以及尖端53C和台肩52D之间的空间92D。任选地，凸起构件42D的尖端或自由端与台肩52D间隔开，凸起构件44D的尖端或自由端与台肩50D间隔开，使得当预压缩时凸起构件44D不与相对台肩50D接触并且凸起构件42D不与相对台肩52D接触，以允许在预压缩期间有足够的空间；在此示例中，当预压缩时，台肩50D和台肩52D也不接触，例如，直接接触。在一个另选方案中，尖端53D、56D中的一者或多者与台肩50D、52D接触。虽然图2A和图2B主要关于图2C进行论述，并且图3A、图3B主要关于图3C进行论述，但这并不意味着限制本文描述的任何事项；类似地，关于图2A、图2B、图3A、图3B、图4A、图4B、图5A和图5B论述的所有实施方案可有利地如关于图2C、图3C、图6和图7所示和所论述地使用(如下文将论述)。
现在参考图6，以侧面剖视图示出了穿过地层16E形成井筒12E的井底组件22E的另选示例。在此示例中，管状件20E的端部附接到连接组件30E，该连接组件包括联接在一起的上部子部件36E和下部子部件38E。管状件20E的示例包括井底组件22E的钻杆或子部件。更具体地，在所示的示例中，上部子部件36E直接联接到管状件20E，并且在与上部子部件36E相反的端部上，下部子部件38E联接到钻头24E。存在以下选项：代替钻头24E，井底组件22E的另一子部件附接到下部子部件38E的下端。在所示的示例中，上部子部件36E和下部子部件38E围绕并沿着井底组件22E的共同旋转或纵向轴线Ax设置，并且钻头24E被示出为与下部子部件38E直接接触。另选地，子部件(未示出)设置在下部子部件38E和钻头24E之间，使得钻头24E与下部子部件38E间接接触，而不是直接接触。在一个非限制性示例中，在钻头24E与地层16E直接接触时，管状件20E、子部件36E、38E和钻头24E围绕旋转或纵向轴线Ax同时以相同速度旋转，从而穿透地层16E并形成井筒12E。管状件20E、子部件36E、38E以及钻头24E围绕旋转或纵向轴线Ax的旋转任选地由地表装置或由井下马达诸如马达28提供动力。在一个非限制性操作示例中，通过使与地层16E直接接触的钻头24E旋转，形成钻头24E、子部件36E、38E以及管状件20E内的扭转振荡(例如，高频扭转振荡)，这些扭转振荡覆盖由地表装置或井下马达产生的管状件20E、上部子部件36E和下部子部件38E以及钻头24E围绕旋转或纵向轴线Ax的旋转。在一些情况下，扭转振荡(也称为扭转振动)产生加速度，例如周期性振荡，这些加速度中的一些处于损坏井下部件诸如零件、联接或连接的量值。至少部分地围绕驱动轴设置的套筒26E被示出为部分环绕上部子部件36E和下部子部件38E的相邻部分。套筒26E通过径向和/或轴向轴承71E选择性地可旋转地联接到子部件36E、38E；通过轴承71E，套筒26E能够以与子部件36E和38E不同的速度旋转。在另选方案中，套筒26E是静态的，或者以比子部件36E、38E的角速度慢的角速度相对于地层16E旋转。任选地，一个或多个致动器93E被示意性地示出为包括在套筒26E中，在一个示例中，该套筒在被致动时接合井眼12E的壁，以便操纵井底组件22E并调整或改变钻井方向。在所示的示例中，套筒26E具有小于钻头24E的直径的最大外径，该钻头限定井眼12E的直径。套管26E还具有取决于套筒26E的所需壁厚的最小内径。与图2C的示例类似，上部子部件36E和下部子部件38E利用紧固件联接在一起；该紧固件诸如螺纹紧固件，示例中所示的紧固件包括扭矩螺母62E和托管架48E；在另一示例中，紧固件包括如先前图3C所示的细长扭矩构件62A(例如，具有头部的螺栓)。在利用井下组件22E钻井的一个非限制性示例中，操作扭矩作用在上部子部件36E上，并且通过这种联接来传输到下部子部件38E，并且进一步传输到钻头24E，该钻头被示出为附接到下部子部件38E的与该下部子部件与上部子部件36E的连接相反的端部。在一个示例中，扭矩螺母62E(或同样的细长扭矩构件62A(例如，具有头部的螺栓)，如先前图3C所示)不将扭矩从上部子部件36E传输到下部子部件38E，或从上部子部件36E和/或下部子部件38E传输到钻头24E。而是，间隙83E限定在扭矩螺母62E和钻头24E之间以及在托管架48E和钻头24E之间，以在将钻头24E螺纹连接到驱动轴的下部子部件38E时实现全预压缩。任选地，上部子部件36E和下部子部件38E在套筒22E内并相对于该套筒旋转，并且两者都传输完整的钻井扭矩(由于驱动轴构件的外径和壳体或井眼之间的接触造成的损失除外)。上部子部件36E的接近该上部子部件的下部末端的一部分具有减小的直径以限定托管架48E。上部子部件36E的外径在托管架48E启动以形成面向下的台肩50E的位置处突然转变。托管架48E被示出为插入下部子部件36E中并由该下部子部件环绕，并且其中台肩50E邻接形成在下部子部件38E的上部末端上的台肩52E。台肩50E、52E的接合形成连结40E，并且与上述连结40、40A类似地提供力的传递。在一个示例中，在上部子部件36E和下部子部件38E之间传递的大部分钻井扭矩跨连结40E发生，并且小部分钻井扭矩跨紧固件(例如，扭矩螺母62E和托管架48E)传输。跨紧固件的力传递通常通过配合接触面处的静态摩擦或粘附并且无需另外的锁紧元件来发生。在上部子部件36E和下部子部件38E之间跨连结40A-40E的总扭矩传递的示例性百分比在以下范围内：约50％至约90％以及其间的所有值；并且跨紧固件的百分比在以下范围内：约10％至约50％以及其间的所有值；在特定非限制性示例中，跨连结40A-40E的扭矩传递百分比为约75％，并且跨上述紧固件的扭矩传递百分比为约25％。出于制造原因，连结40E和台肩50E和52E的接合区域的外径受套筒26E的最小内径的限制，并且在示例中小于井底组件22E内的其它RSTC，诸如管状件20E和驱动轴的上部子部件36E之间或下部子部件38E和钻头24E之间的连接。在示例中，限制连接组件30E的上部子部件36E和下部子部件38E的最小内径以便为流动通过内孔37E到达钻头24E以冷却和润滑钻头24E的流体提供足够的空间。在这种情况下，与井底组件22E内的RSTC相比，台肩50E和52E接合所在的接合区域受限且减小；(该RSTC诸如管状件20E和上部子部件36E之间或下部子部件38E和钻头24E之间的连接)，这归因于上部子部件36E和下部子部件38E的最大内径和套筒26E的最小内径。减小的接合区域不允许在连结40E处有与井底组件22E内的其它RSTC(诸如管状件20E和驱动轴的上部子部件36E之间或下部子部件38E和钻头24E的之间连接)相同量的预压缩。此外，跨连结40E传输扭矩t(诸如使连接组件30E的上部子部件36E和下部子部件38E以及与地层16E接触的钻头24E旋转所需的扭矩加上通过由于与地层16E接触的钻头24E的旋转而造成的扭转振荡形成的扭矩)的能力因该连结的降低的直径而减小，因为井底组件22E内的其它RSTC(诸如管状件20E和驱动轴的上部子部件36E之间或下部子部件38E和钻头24E之间的连接)具有更大直径。在其中驱动轴的上部子部件36E和下部子部件38E之间的连结40E限制在驱动轴的最大内径和套筒26E的最小内径之间的特殊情况下，台肩50E和52E中的一者或两者可有利地设置有诸如上文和下文更详细地示出和描述的扭转锁紧元件。由于钻井组件22E内可存在若干扭转振荡模式，因此当连结40E相对靠近钻头24E时，例如当连结40E和钻头24E之间的距离不超过5m或不超过3m时，台肩50E和52E中的一者或两者可有利地设置有诸如上文和下文更详细地示出和描述的扭转锁紧元件110e。
仍然参考图6，所示的扭矩螺母62E是在内圆周上具有螺纹66E的基本上环形构件，这些螺纹选择性地接合上部子部件36E的外圆周的一部分上的螺纹68E。螺纹68E被示出为接近上部子部件36E的下部末端。在此示例中，凸缘65E被描绘为位于下部子部件38E的内表面上，并且定位在下部子部件38E的中间部分中。凸缘65E是被示出为面朝钻头24E的径向表面，并且形成在穿过下部子部件38E的轴向孔的直径突然改变的位置处。扭矩螺母62E的背对钻头24E的侧端沿着大致径向接面邻接凸缘65E。在一个非限制性操作示例中并且与上述示例类似，使分别位于扭矩螺母62E和下部子部件38E上的螺纹66E、68E接合导致压缩预载力用于继续接合台肩50E、52E，并且连结40E在上部子部件36E和下部子部件38E之间提供限制了上部子部件36E和下部子部件38E之间的相对旋转移动或滑动的旋转联接。在一个示例中，相对旋转移动或滑动是由于扭转振荡、诸如通过使与地层16E接触的钻头24E旋转而形成的高频扭转振荡造成的。连结40E任选地还包括定位在配合台肩50E、52E之间的锁紧元件42E。图6进一步示出了设置在上部子部件36E和套筒26E之间以及也在下部子部件38E和套筒26E之间的径向和/或轴向轴承。
井底组件22F的另一另选方案在图7中以侧面剖视图示出，并且该另选方案用于形成井筒12F。与图6的井底组件类似，图7的井底组件22F包括具有相对台肩50F、52F的上部子部件36F和下部子部件38F，这些台肩包括位于它们之间的锁紧元件，这些台肩形成用于在由紧固件压缩预载时传递力和/或扭矩(例如，超过上部子部件36F和下部子部件38F之间的钻井扭矩的50％)的连结40F。在此示例中，井底组件22F包括细长柔性轴94F，该细长柔性轴被示出为安装到上部子部件36F的与下部子部件38F相反的端部，该下部子部件继而连接到钻头24F。如图所示，上部子部件36F和下部子部件38F围绕并且沿着井底组件22F的共同旋转或纵向轴线Ax设置。在图7中，钻头24F被示出为与下部子部件38F直接接触，另选地其它子部件(未示出)设置在下部子部件38F和钻头24F之间；使得钻头24F与下部子部件38F间接接触，而不是直接接触。在一个非限制性示例中，子部件36F和38F、柔性轴94F以及钻头24F在钻头24F与地层16F直接接触时围绕旋转或纵向轴线Ax旋转，从而穿透地层16F并形成井筒12F。任选地，子部件36F和38F、柔性轴94F以及钻头24F围绕旋转或纵向轴线Ax的旋转由地表装置或由井下马达诸如马达28提供动力。在另选方案中，使与地层16F直接接触的钻头24F旋转来形成钻头24F、子部件36F和38F以及柔性轴94F内的扭转振荡(例如，高频扭转振荡)，这些扭转振荡覆盖由地表装置或井下马达产生的管状件20F、上部子部件36F和下部子部件38F以及钻头24F围绕旋转或纵向轴线Ax的旋转。扭转振荡(也称为扭转振动)另选地造成损坏井下部件诸如零件或联接/连接的重复的高加速度。壳体26F至少部分地围绕驱动轴和柔性轴94F设置，该驱动轴和柔性轴例如通过径向和/或轴承71F可旋转地连接到子部件36F和/或38F。通过轴承71F，壳体26F以与子部件36F、38F和柔性轴94F不同的速度选择性地旋转。在示例中，壳体26F是静态的，或者以比子部件36F和38F的角速度小的角速度旋转。旋转示例是围绕轴线AX并相对于地层16F的。壳体26F具有小于钻头24F的直径的最大外径，该钻头限定井眼12F的直径。壳体26F还具有取决于壳体26F的所需壁厚的最小内径。位于柔性轴94F的与上部子部件36F相反的端部上的转子96F插入定子98F中。转子96F和定子98F沿着形成在该转子和该定子的相应外表面和内表面上的互补起伏彼此接合。转子96F和定子98F一起形成马达的示例，诸如图1的马达28。定子98F被示出为安装在壳体26F的上端和管状件20F的下端之间，该管状件在一个示例中是钻杆或井底组件22F的另一部件。在一个实施方案中，壳体26F包括一个或多个壳体构件，并且任选地包括井底组件22F的其它子部件(未示出)。在一个示例中，轴承71F促进经由定子98F、壳体26F和子部件36F、38F中的至少一者将轴向载荷从管状件20F传递到钻头24F，并且扭矩经由柔性轴94F和一个或多个子部件36F、38F从转子96F传递到钻头24F。井筒流体(诸如钻井液)任选地泵送通过管状件20F的内孔，并且该井筒流体流入转子96F和定子98F之间的环形空间、柔性轴94F和壳体26F之间的环形空间、子部件36F、38F和壳体之间的环形空间以及子部件36F和38F的内孔中到达钻头24F的内孔，以用于润滑和冷却钻头24F。柔性轴94F的示例性材料是柔软且相对柔性的材料(例如，钛)，在所示的示例中，柔性轴94F不包括用于钻井液流动的内孔或其它通道。在此示例中，钻井液从柔性轴94F和壳体26F之间的环形空间以及子部件36F和38F的内孔的传递通过上部子部件36F中的开口或上部子部件36F和柔性轴94F之间的任选的阀盖替代品(未示出)中的开口发生。在一个操作示例中，转子96F通过使井筒流体(诸如钻井液)流动通过管状件20F并进入定子98F中来在定子98F内旋转。转子96F的旋转继而使柔性轴94F、上部子部件36F和下部子部件38F旋转，并且在一个实施方案中，使钻头24F旋转。与图2C的示例类似，上部子部件36F和下部子部件38F利用紧固件诸如螺纹紧固件联接在一起；示例中所示的紧固件包括扭矩螺母62F和托管架48F；在另一示例中，紧固件包括如先前图3C所示的细长扭矩构件62F(例如，具有头部的螺栓)。在一个示例中，当钻井时，操作扭矩作用在上部子部件36F上，并且通过这种联接来传输到下部子部件38F，并且进一步传输到钻头24F，该钻头被示出为附接到下部子部件38F的与该下部子部件与上部子部件36F的连接相反的端部。在一个示例中，扭矩螺母62F(或同样的细长扭矩构件62F(例如，具有头部的螺栓)，如先前图3C所示)不将扭矩从上部子部件36F传输到下部子部件38F，或从上部子部件36F和/或下部子部件38F传输到钻头24F。而是，间隙83F限定在扭矩螺母62F和钻头24F之间以及在托管架48F和钻头24F之间，以在将钻头24F螺纹连接到下部子部件38F时实现全预压缩。任选地，上部子部件36F和下部子部件38F在壳体26F内并相对于该壳体旋转，并且两者都传输完整的钻井扭矩(由于驱动轴构件的外径和壳体壳体或井眼12F之间的接触造成的损失除外)。上部子部件36F的接近该上部子部件的下部末端的一部分具有减小的直径以限定托管架48F。上部子部件36F的外径在托管架48F启动并形成面向下的台肩50F的位置处突然转变。托管架48F被示出为插入下部子部件36F中并由该下部子部件环绕，并且其中台肩50F邻接形成在下部子部件38F的上部末端上的台肩52F。在一个实施方案中，台肩50F、52F的接合形成连结40F，并且与上述连结类似地提供力(相应地大部分钻井扭矩(诸如约75％))进一步跨上部子部件36F和下部子部件38F的传递。同样在此实施方案中，钻井扭矩的小部分剩余部分(诸如约25％)通过配合接触面处的静态摩擦或粘附并且无需另外的锁紧元件来跨压缩元件或紧固件(扭矩螺母62F和托管架48F)传输。在一个示例中，连结40F具有小于轴承71F的外径，在此示例中，连结40F包括轴承71F的零件，诸如位于台肩50F和52F之间的一个或多个轴承座圈。一个或多个轴承座圈任选地具有与连结40F的台肩50F和/或52F互补的台肩，并且还任选地包括与由台肩邻接的其它子部件(诸如其它轴承座圈)的台肩互补的台肩。在一个示例中，在上部子部件36F和下部子部件38F的台肩50F和52F之间预压缩轴承环或座圈的堆叠以形成连结40F。任选地包括在轴承环或座圈的台肩中的是扭转锁紧元件，其方式与贯穿本公开关于螺纹连接的其它子部件所论述的方式相同。在这种情况下，连结40F和台肩50F和52F的接合区域的外径受轴承71F的最大外径的限制，并且小于井底组件22E内的其它RSTC，诸如管状件20F和驱动轴的下部子部件36F之间以及驱动轴的下部子部件38F和钻头24F之间的连接。此外，限制驱动轴的上部子部件36E和下部子部件38E的最小内径以便为流动通过内孔99F到达钻头24F以冷却和润滑钻头24F的流体提供足够的空间。在这种情况下，与井底组件22F内的其它RSTC(诸如定子94F和壳体26F之间或下部子部件38F和钻头24F之间的连接)相比，台肩50F和52F接合所在的接合区域受限且减小，这归因于驱动轴的上部子部件36F和下部子部件38F的最大内径和轴承71F的最大外径。减小的接合区域不允许在连结40F处有与井底组件22F内的其它RSTC(诸如管状件20F和驱动轴的上部子部件36F之间或下部子部件38F和钻头24F的之间连接)相同量的预压缩。此外，连结40F的减小的直径继而限制跨连结40F传递的最大扭矩t，诸如使驱动轴的上部子部件36F和下部子部件38F以及与地层16F接触的钻头24F旋转所需的扭矩t，加上通过由于与地层16F接触的钻头24F的旋转而造成的扭转振荡形成的扭矩。在一些情况下，跨连结40F传递的最大扭矩t小于井底组件22F内的具有更大直径的RSTC(诸如管状件20F和驱动轴的上部子部件36F之间或下部子部件38F和钻头24F之间的连接)的最大扭矩。在驱动轴的上部子部件36F和下部子部件38F之间的连结40F限制在驱动轴的最大内径和轴承71F的最大外径之间的特殊情况下，台肩50F和52F中的一者或两者(以及台肩50F和52F之间的子部件(例如，轴承座圈)的互补台肩)有利地设置有诸如上文和下文更详细地示出和描述的扭转锁紧元件。在钻井组件22F内存在若干扭转振荡模式的示例中，扭转锁紧元件设置在台肩50F和52F中的一者或两者上，如上文和下文更详细地示出和描述。任选地，当连结40F和钻头24F之间的距离高达约8m、高达约5m或高达约3m时，包括扭转锁紧元件。在操作示例中，转子96F通过使流体流动通过钻杆20F并进入定子98F中来在定子98F内旋转。转子96F的旋转致使柔性轴94F、96F旋转，这继而使上部子部件36F和下部子部件38F旋转。在一个实施方案中，钻头24F和连结40F之间的距离在高达约三米的范围内。柔性轴94F的轴线A94F通过柔性轴94F的旋转围绕轴线AX旋进。
图8A示意性地表示第一子部件101，该第一子部件具有第一纵向轴线A101和具有与上述台肩50-50E类似的台肩103的第一端部102。第二子部件104被示出为背离第一子部件101轴向间隔开并且具有第二纵向轴线A104。所示的第二子部件104还包括第二端部105和与上述台肩52-52E类似的台肩106。预载力F107被示意性地示出为从第一子部件101并朝向第二子部件104轴向地指向。锁紧元件108的示例在虚线轮廓内示出，并且可旋转地互锁(微观或宏观尺度)配合端104、105。示例性锁紧元件108包括凸起构件109，该凸起构件被示出为从台肩103轴向突出并且互相啮合在各自从台肩106突出的凸起构件110和凸起构件111之间。在一个示例中，锁紧元件108构成上述扭转锁紧元件。凸起构件109的第一表面112与凸起构件110的第一表面113接触，并且凸起构件109的第二表面114与凸起构件111的第二表面115接触。表面112、113、114、115被示出为平坦的并且取向成与轴线A104大致倾斜。第一表面向量V112和第二表面向量V114示意性地表示为在分别与第一表面112和第二表面114大致垂直的方向上延伸的箭头。还示意性地示出了在方向上与第一表面向量112相反的表面向量V113，和表示区段101的并围绕轴线A101的旋转扭矩的扭矩t101。
类似地，图8B示意性地表示第一子部件101A，该第一子部件具有第一纵向轴线A101和具有与图8A的台肩103类似的台肩103A的第一端部102A。第二子部件104A与第一子部件101A间隔开并且具有第二纵向轴线A104，第二子部件104A的第二端部105A面向第二端部103A并且包括与图8A的台肩106类似的台肩106A。预载力F107A被示意性地表示为从第一子部件101A轴向地指向第二子部件104A。锁紧元件108A在虚线轮廓内表示，并且该锁紧元件包括与台肩103A接触并且部分嵌入在台肩106A中的不规则形状构件109A。构件109A的第一表面112A接合位于台肩106A内的第二表面113A，并且构件109A的被示出为背对第一表面112A的第二表面114A与也位于台肩106A内的第二表面115A接触。第一表面向量V112A和第二表面向量V114A示意性地表示为在分别与第一表面112A和第二表面114A大致垂直的方向上延伸的箭头。还示意性地示出了在方向上与第一表面向量V112A相反的表面向量V113A，和表示区段101A的并围绕轴线A101A的旋转扭矩的扭矩t101A。
通过本公开实现的优点是阻碍或预防滑动(循环或以其它方式)，例如，连接(诸如一对管状件之间的连接)的相对表面之间的扭转或旋转滑动，并且管状件中的一个管状件响应于另一管状件的旋转而旋转。相对表面的示例包括处于RSTC中的连接中的台肩，这些台肩在经受如HFTO的循环扭转载荷时以其它方式经受滑动。环(例如，垫圈环、垫片环、轴承环或座圈或任何其它部件)任选地插入上部子部件36-36E和下部子部件38-38E的台肩50-50E、52-52E之间并且也由紧固件压缩地预载。在另选方案中，如上所述，环是锁紧元件或是锁紧元件的一部分，该环被详细描述并且任选地设置在至少一个或任何配合台肩之间以防止旋转滑动；在特定示例中诸如上部驱动轴台肩50E和环台肩之间；或配合环台肩之间(在多个环的情况下)。对井下马达或旋转导向系统的目前已知的驱动轴连接的类似修改也呈现出显著优点。因此，通过实施本文描述的技术，避免了对台肩的损坏和当前已知连接的断裂。
因此，本文所描述的本发明非常适于实现这些目的并实现所提及的目的和优点，以及其中固有的其他目的和优点。虽然出于公开的目的仅给出了本发明的当前优选实施方案，但用于实现期望结果的工序的细节中存在许多改变。这些和其他类似的修改例对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且旨在涵盖在本文所公开的本发明的精神和所附权利要求书的范围内。
下面示出了前述公开的一些实施方案：
实施方案1.一种井下组件，该井下组件包括：轴线；第一管状构件；第二管状构件；紧固件，该紧固件与该第一管状构件和该第二管状构件选择性地同时接合，该紧固件的直径小于该第一管状件和该第二管状件的直径，即，该紧固件与该第二管状构件过盈接触，并且选择性地构造成处于轴向压缩；第一接触表面，该第一接触表面位于该第一管状构件上；第二接触表面，该第二接触表面位于该第二管状构件上，当该紧固件处于轴向压缩时，该第二接触表面与该第一接触表面接合；第一特征，该第一特征位于该第一接触表面上、包括小面；以及第二特征，该第二特征位于该第二接触表面上、包括小面，这些小面与该第一特征的这些小面互补并且邻接该第一特征的这些小面。
实施方案2.根据实施方案1所述的井下组件，其中该第一特征和该第二特征包括位于该第一接触表面和该第二接触表面上的凸起构件，并且其中这些小面包括这些凸起构件的侧面。
实施方案3.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中细长托管架从该第一管状构件轴向延伸并且插入该第二管状构件中的孔中，并且其中该紧固件螺纹接合该托管架的在该第一管状构件远侧的端部。
实施方案4.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中该紧固件设置在环形空间中，该环形空间限定在该孔的半径沿着该第二管状构件的一部分增大并且该紧固件与形成在该环形空间的端部处的台肩过盈接触的位置处。
实施方案5.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中该紧固件包括设置在该第二管状构件中的孔中的环形构件，并且其中该紧固件与该第一管状构件的内径选择性地接合。
实施方案6.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中该紧固件的外径沿着该紧固件的在该第一管状构件远侧的一部分增大以限定凸起衬圈，并且其中该凸起衬圈设置在环形空间中，该环形空间环绕该孔的一部分。
实施方案7.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中该凸起衬圈的面向该第一管状构件的侧面与限定在该环形空间的端部处的台肩过盈接触。
实施方案8.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中该组件包括钻井马达并且附接到选择性地设置在井筒中的钻头。
实施方案9.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中该第一管状构件包括上部驱动轴，并且其中该第二管状构件包括下部驱动轴。
实施方案10.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中该第一接触表面和该第二接触表面各自位于与该轴线基本上垂直的平面中。
实施方案11.一种井下组件，该井下组件包括：第一管状构件；第二管状构件，该第二管状构件利用联接与该第一管状构件选择性地接合，该联接的外径小于该第一管状构件的外径和该第二管状构件的外径；该第一管状构件和该第二管状构件之间的接面，并且跨该接面传输该第一管状构件和该第二管状构件之间的旋转扭矩；第一台肩和第二台肩，该第一台肩和该第二台肩分别设置在该第一管状构件和该第二管状构件上，该第一台肩和该第二台肩在该接面形成时彼此选择性地接合；以及突出部，这些突出部位于该第一台肩和该第二台肩中的至少一者上，并且通过这些突出部传输该第一管状构件和该第二管状构件之间的旋转扭矩的一部分。
实施方案12.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中这些突出部包括第一组凸起构件，该第一组凸起构件从该第一台肩轴向突出，并且具有与该第一管状构件的轴线倾斜的侧面。
实施方案13.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中这些突出部还包括第二组凸起构件，该第二组凸起构件从该第二台肩轴向突出，并且具有与该第一组凸起构件上的这些侧面互补的侧面。
实施方案14.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中该联接包括环形紧固件，该环形紧固件具有螺纹连接到该第一管状构件的部分，以及与该第二管状构件压缩接合的远侧部分。
实施方案15.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中当该第一管状构件和该第二管状构件接合时，该环形紧固件处于压缩作用下。
实施方案16.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中这些突出部包括颗粒，这些颗粒位于该第一台肩的第一表面上，并且在该第一管状构件和该第二管状构件接合时压入该第二台肩上的第二表面中。
实施方案17.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中这些颗粒嵌入在该第一表面中。
实施方案18.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中该接面包括该联接以及该第一台肩和该第二台肩。
实施方案19.根据任一前述实施方案所述的井下组件，其中这些台肩是环形的并环绕该联接。
实施方案20.一种井下钻井组件，该井下钻井组件包括：第一轴构件区段，该第一轴构件区段具有第一纵向轴线；第二轴构件区段，该第二轴构件区段具有第二纵向轴线；钻头，该钻头位于端部处；该第一轴构件区段和该第二轴构件区段中的一者扭转地固定连接到该钻头；壳体；该第一轴构件区段和该第二轴构件区段中的至少一者设置在该壳体内；该第一轴构件区段和该第二轴构件区段连接以通过连接将扭矩传输到该钻头；该连接包括通过预载力彼此接合的该第一轴构件区段的第一端部和该第二轴构件区段的第二端部，该预载力具有平行于该第一纵向轴线和该第二纵向轴线中的一者的分量；该接合是通过两个端部平行于第一纵向轴线和第二纵向轴线中的一者朝向彼此相对移动而不抵靠彼此旋转获得的；锁紧元件，该锁紧元件与该两个端部中的至少一者的至少一部分形成旋转互锁；该锁紧元件包括位于该第一端部处的各自由至少一个表面向量限定的第一表面和第二表面，该至少两个表面向量中的每个表面向量具有垂直于该第一纵向轴线的分量；位于该第二端部处的各自由至少一个表面向量限定的第三表面和第四表面，该至少两个表面向量中的每个表面向量具有垂直于该第二纵向轴线的分量；该第一表面和该第三表面彼此接合，从而限定第一对接合表面和第一连续接触区域，在扭矩下在该第一连续接触区域处传输第一冲击力；该第二表面和该第四表面彼此接合，从而限定第二对接合表面和第二连续接触区域，在扭矩下在该第二连续接触区域处传输第二冲击力；第一连续接触区域和第二连续接触区域的每个中心偏心于第一纵向轴线和第二纵向轴线；该第一冲击力和该第二冲击力中的每一者具有垂直于第一纵向轴线和第二纵向轴线中的一者的分量。

Claims (9)

1.一种井下组件，所述井下组件包括：
钻头；
管状构件；
轴，所述轴连接到所述钻头并且被构造成在所述管状构件内并相对于所述管状构件旋转以使所述钻头旋转；并且
所述轴包括:
具有第一台肩的第一轴构件，
通过与所述第一台肩间隔开的螺纹连接选择性地联接到所述第一轴构件的第二轴构件，所述第二轴构件具有第二台肩，和
环元件，所述环元件位于所述第一轴构件和第二轴构件之间，所述环元件具有与所述第一台肩接合的第一表面、以及与所述第二台肩接合的第二表面，和
布置在所述第一台肩和所述第一表面之间以及在所述第二台肩和所述第二表面之间的一个或多个扭转锁紧元件，所述一个或多个扭转锁紧元件由比所述第一台肩、所述第二台肩、和所述环元件中的至少一者硬的材料制成。
2.根据权利要求1所述的井下组件，其中所述一个或多个扭转锁紧元件包括位于所述第一台肩和所述第二台肩中的至少一者上的凸起构件。
3.根据权利要求1所述的井下组件，其中所述螺纹连接是利用压缩元件的连接。
4.根据权利要求1所述的井下组件，其中所述轴和所述管状构件由位于所述轴和所述管状构件之间的一个或多个轴承联接。
5.根据权利要求1所述的井下组件，其中所述第一台肩和所述第二台肩在接合时处于压缩作用下。
6.根据权利要求1所述的井下组件，其中所述一个或多个扭转锁紧元件包括位于所述第一台肩和所述第二台肩中的一者上的颗粒，其中当所述第一台肩和所述第二台肩接合时，所述颗粒压入所述第一台肩和所述第二台肩中的另一者中。
7.根据权利要求1所述的井下组件，其中所述螺纹连接具有外径，并且所述管状构件具有内径，并且其中所述螺纹连接的所述外径小于所述管状构件的所述内径。
8.根据权利要求1所述的井下组件，其中所述组件包括钻井马达，所述钻井马达包括定子和转子，并且其中所述轴连接到所述转子。
9.根据权利要求1所述的井下组件，其中在所述第一表面与所述第一台肩接合的位置处限定了第一接合区域，在所述第二表面与所述第二台肩接合的位置处限定了第二接合区域，并且其中所述第一接合区域和所述第二接合区域位于与所述钻头相距小于5m的距离处。
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