CN116044921A - 一种用于机械式旋转导向的井下液压离合器及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机械式旋转导向的井下液压离合器及工作方法，该井下液压离合器包括传动轴，所述传动轴的下端与分流接头、转子、转子下接头、延伸轴依次连接并相互密封且共同构成第一组件；所述传动轴的中下部的外侧连接有轴承外套，所述轴承外套的下部与定子、中间接头、壳体、壳体下接头依次螺纹连接并形成密封且共同构成第二组件，所述第二组件位于所述第一组件的外侧，所述第一组件形成贯通的中心流道，所述第二组件的内壁面与所述第一组件的外壁面之间形成转子定子流道，所述分流接头的侧面开设有多个分流孔。采用本发明的井下液压离合器，在定向钻井时可保证钻柱旋转，大大降低了卡钻风险，使得摩阻降低，钻压传递更有效和准确。

Description

一种用于机械式旋转导向的井下液压离合器及工作方法

技术领域

本发明涉及油气田井下工具技术领域，特别是涉及一种用于机械式旋转导向的井下液压离合器。

背景技术

随着目前页岩油气藏和其他非常规油气藏资源等开发越来越多，定向钻井目前应用越来越广泛。定向钻井是一种使井身沿着预先设计的方向和轨迹钻达目的层的钻井工艺方法。定向钻井可广泛应用于斜向钻井、水平钻井和对接钻井。

常规的定向钻井管柱通常随钻具一起下井，在进行定向钻井时，钻杆停止旋转，通过控制钻柱的钻压与钻头所产生的反扭矩的相互关系来调整工具面朝向，使工具面朝向指定方向，以此来进行定向钻井。但是，这种常规的定向钻井方式有很多缺点，比如：在定向钻井过程中因为钻杆不旋转的原因将会更容易产生“粘滑”，造成钻具损伤。另外，在特殊情况突然停泵时，由于井下管柱和钻柱之间没有缓冲部位，也会使得钻头在突然的冲击下损坏，以上这些类型的损坏严重者甚至造成井下马达和MWD等仪器的失效，造成严重经济损失。再者，这种常规定向技术在定向时不旋转钻杆的操作，也会带来钻井碎屑返排不及时，严重时造成卡钻，影响钻井效率和安全性，对井下管柱的磨损也会增加，降低管柱寿命。

因此，如何对现有的定向钻井工具进行改进成为了本领域亟需解决的难题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于机械式旋转导向的井下液压离合器及工作方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

一种用于机械式旋转导向的井下液压离合器，包括传动轴，所述传动轴的下端与分流接头、转子、转子下接头、延伸轴依次连接并相互密封且共同构成第一组件；所述传动轴的中下部的外侧连接有轴承外套，所述轴承外套的下部与定子、中间接头、壳体、壳体下接头依次螺纹连接并形成密封且共同构成第二组件，所述第二组件位于所述第一组件的外侧，所述第一组件形成贯通的中心流道，所述第二组件的内壁面与所述第一组件的外壁面之间形成转子定子流道，所述分流接头的侧面开设有多个分流孔。

其中，所述壳体和延伸轴之间的转子定子流道中从上至下依次设有多组喷嘴总成。

其中，所述延伸轴的下端位于壳体下接头的内部，所述中心流道与转子定子流道在延伸轴下方的混合出口汇合。

其中，所述轴承外套的上端与所述传动轴之间形成第一旋转密封；所述轴承外套与所述传动轴的接触面上设有TC轴承。

其中，所述传动轴的顶部中央为进液口。

其中，所述转子下接头与延伸轴旋转连接，二者的连接部形成第二旋转密封。

使用时，所述用于机械式旋转导向的井下液压离合器的上端与钻杆相连，下端与无磁钻铤相连。

本发明所述用于机械式旋转导向的井下液压离合器的工作方法，具体为：来自钻杆的流体通过进液口流经工具内部，在分流接头处分成两路流体；

其中，第一路流体通过转子定子流道往下，经过多组喷嘴总成流至混合出口处；第二路流体流经中心流道往下，至混合出口处与第一路流体汇合。

在工具下入井中时，将传动轴与钻杆螺纹连接，壳体下接头与下端钻井管柱螺纹连接；

通过旋转钻杆，带动传动轴、转子、转子下接头一起正转，在转子正转的过程中，将会使得由钻杆输送过来的流体通过中心流道泵至下方，并且由于转子的旋转，将会迫使定子、中间接头、壳体、壳体下接头整体产生正转的趋势，形成一个正转扭矩T1；通过调整钻杆的旋转速度，可以调整液压离合器产生的正转扭矩T1的大小；

混合出口处的流体将会往下流至泥浆马达从而带动钻头正转以向下完成钻进操作。

在钻头正转并钻进的过程中，它将会给整个井下钻井管柱一个有反转趋势的反扭矩T2；

当在某一钻杆旋转速度下使得T1＝T2时，此速度为定向钻速，此时整个井下钻井管柱的旋转速度为0，它将会始终朝着一个方向往前钻进；

当某一钻杆旋转速度下使得T1＞T2时，井下钻井管柱将会持续正转，此速度为钻进速度，在该速度下，可以用来钻直线段，加快钻井效率；

当某一钻杆旋转速度下使得T1＜T2时，井下钻井管柱将会有反转趋势，此速度为调整速度，在该速度下，可以用来调整工具面的朝向，使得它朝向设计方向，一旦将工具面调整为设计方向后，可以再将钻杆旋转速度调整为定向速度或钻井速度，完成所需要井段钻进的操作。

同现有技术相比，本发明的突出效果在于：

(1)采用本发明的用于机械式旋转导向的井下液压离合器的钻井管柱与常规的定向钻井管柱相比，仅是额外在钻杆和MWD之间增加了该井下液压离合器。本发明工具的加入允许钻井管柱在完成定向钻井时钻柱仍然以一定的速度旋转，钻柱的旋转将会通过该井下液压离合器内设计的扭矩发生器产生一个相应的扭矩，以此扭矩来对抗钻头在钻井时产生的反扭矩。通过调整钻杆的转速和该井下液压离合器的相关参数，来调整对抗扭矩和反扭矩的相互关系，从而使得工具面朝向指定的方向以完成定向。

(2)采用本发明的井下液压离合器，在定向钻井时保证钻柱旋转，大大降低了卡钻风险；而且，定向钻井时钻柱旋转，使得摩阻降低，施加在钻头上的钻压传递更有效和准确，且使得井眼排屑顺畅，井眼更清洁；井下碎屑减少，降低了井下钻井管柱的疲劳和磨损，提高了使用寿命。另外，定向钻井时钻柱持续旋转，提高了钻进速度。

(3)由于本发明的井下液压离合器的定子和转子为柔性连接，使得液压离合器在整个井下管柱中具备缓冲能力，钻井时突然停泵不会造成危险，在停泵时能吸收冲击。

(4)本发明的井下液压离合器采用纯机械结构，稳定性更强，续航能力强。

下面结合附图说明和具体实施例对本发明的用于机械式旋转导向的井下液压离合器及工作方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明用于机械式旋转导向的井下液压离合器的上半部分示意图；

图2为本发明用于机械式旋转导向的井下液压离合器的下半部分示意图；

图3为采用本发明用于机械式旋转导向的井下液压离合器的定向钻井管柱连接示意图。

其中，1-钻头，2-弯接头，3-泥浆马达，4-M/LWD，5-无磁钻铤，6-用于机械式旋转导向的井下液压离合器，7-钻杆；

10-传动轴，11-轴承外套，12-TC轴承，13-分流接头，14-转子，15-定子，18-中间接头，19-转子下接头，20-壳体，21-延伸轴，22-壳体下接头；

100-进液口，101-第一旋转密封，103-分流孔，104-中心流道，105-转子定子流道，109-第二旋转密封，201-喷嘴总成，202-混合出口，P1-一级降压压力，P2-二级降压压力，P3-三级降压压力。

具体实施方式

如图1-2所示，一种用于机械式旋转导向的井下液压离合器，包括传动轴10，所述传动轴10的下端与分流接头13、转子14、转子下接头19、延伸轴21依次连接并相互密封且共同构成第一组件；所述传动轴10的中下部的外侧连接有轴承外套11，所述轴承外套11的下部与定子15、中间接头18、壳体20、壳体下接头22依次螺纹连接并形成密封且共同构成第二组件，所述第二组件位于所述第一组件的外侧，所述第一组件形成贯通的中心流道104，所述第二组件的内壁面与所述第一组件的外壁面之间形成转子定子流道105，所述分流接头13的侧面开设有多个分流孔103。传动轴10的顶部中央为进液口100。

延伸轴21的下端位于壳体下接头22的内部，所述中心流道104与转子定子流道105在延伸轴21下方的混合出口202汇合。

壳体20和延伸轴21之间的转子定子流道105中从上至下依次设有三组喷嘴总成201。在其他有益实施例中，喷嘴总成的数量可以增加或者减少。

轴承外套11的上端与所述传动轴10之间形成第一旋转密封101；所述轴承外套11与所述传动轴10的接触面上设有TC轴承12。转子下接头19与延伸轴21旋转连接，二者的连接部形成第二旋转密封109。

如图3所示，使用时，将用于机械式旋转导向的井下液压离合器6的上端与钻杆7相连，下端与无磁钻铤5相连，无磁钻铤5的下端依次与M/LWD 4、泥浆马达3、弯接头2、钻头1紧密连接。

该用于机械式旋转导向的井下液压离合器的工作方法，具体为：

本工具下入井中时，如图3的连接方式进行连接，将传动轴10与钻杆7螺纹连接，壳体下接头22与下部的钻井管柱螺纹连接；

通过旋转钻杆，带动传动轴、转子、转子下接头一起正转，在转子正转的过程中，将会使得由钻杆输送过来的流体通过中心流道泵至下方，并且由于转子的旋转，将会迫使定子、中间接头、壳体、壳体下接头整体产生正转的趋势，形成一个正转扭矩T1。

混合出口处的流体将会往下流至泥浆马达从而带动钻头正转以向下完成钻进操作。

在钻头正转并钻进的过程中，它将会给整个井下钻井管柱(包括无磁钻铤5、M/LWD4、泥浆马达3、弯接头2或者称为工具面)一个有反转趋势的反扭矩T2。其中，该反扭矩的大小与地层平均硬度、泥浆密度、钻头形状等有密切关系。在常规钻井定向的时候，钻杆7停止旋转，通过调整地面对井下钻井管柱施加的钻压，来平衡该反扭矩T2，以使得工具面始终朝向所需方向。

在本实施例中，通过调整钻杆的旋转速度，可以调整液压离合器产生的正转扭矩T1的大小；

当在某一钻杆旋转速度下使得T1＝T2时，此速度为定向钻速，此时整个井下钻井管柱的旋转速度为0，它将会始终朝着一个方向往前钻进；

当某一钻杆旋转速度下使得T1＞T2时，井下钻井管柱将会持续正转，此速度为钻进速度，在该速度下，可以用来钻直线段，加快钻井效率；

当某一钻杆旋转速度下使得T1＜T2时，井下钻井管柱将会有反转趋势，此速度为调整速度，在该速度下，可以用来调整工具面的朝向，使得它朝向设计方向，一旦将工具面调整为设计方向后，可以再将钻杆旋转速度调整为定向速度或钻井速度，完成所需要井段钻进的操作。

来自钻杆的流体通过进液口流经工具内部，在分流接头处分成两路流体；其中，第一路流体通过转子定子流道往下，经过喷嘴总成流至混合出口处；第二路流体流经中心流道往下，至混合出口处与第一路流体汇合。

当流体流经喷嘴总成201时，由于喷嘴组合产生截流压降，因此图3中，一级降压压力P1>二级降压压力P2>三级降压压力P3。这些喷嘴的数量和多少可以对转子14和定子15内的液体压力进行调整，进而实现对正转扭矩T1进行调整。喷嘴组合将会在下入井中之前根据目标井况的实际情况完成调整。通过此设计大大增加了本工具的适用范围。

由于井下地层平均硬度、泥浆密度、钻头形状这些参数可能是经常变化的，因此可以通过调整钻杆的钻速、喷嘴组合以及地面钻压，以使得井下工具面朝向设计方向。由于本发明井下液压离合器的使用，使得定向和钻井时钻杆均能以一定的速度持续旋转。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于机械式旋转导向的井下液压离合器，其特征在于：包括传动轴(10)，所述传动轴(10)的下端与分流接头(13)、转子(14)、转子下接头(19)、延伸轴(21)依次连接并相互密封且共同构成第一组件；所述传动轴(10)的中下部的外侧连接有轴承外套(11)，所述轴承外套(11)的下部与定子(15)、中间接头(18)、壳体(20)、壳体下接头(22)依次螺纹连接并形成密封且共同构成第二组件，所述第二组件位于所述第一组件的外侧，所述第一组件形成贯通的中心流道(104)，所述第二组件的内壁面与所述第一组件的外壁面之间形成转子定子流道(105)，所述分流接头(13)的侧面开设有多个分流孔(103)。

2.根据权利要求1所述的用于机械式旋转导向的井下液压离合器，其特征在于：所述壳体(20)和延伸轴(21)之间的转子定子流道(105)中从上至下依次设有多组喷嘴总成(201)。

3.根据权利要求2所述的用于机械式旋转导向的井下液压离合器，其特征在于：所述延伸轴(21)的下端位于壳体下接头(22)的内部，所述中心流道(104)与转子定子流道(105)在延伸轴(21)下方的混合出口(202)汇合。

4.根据权利要求3所述的用于机械式旋转导向的井下液压离合器，其特征在于：所述轴承外套(11)的上端与所述传动轴(10)之间形成第一旋转密封(101)；所述轴承外套(11)与所述传动轴(10)的接触面上设有TC轴承(12)。

5.根据权利要求4所述的用于机械式旋转导向的井下液压离合器，其特征在于：所述传动轴(10)的顶部中央为进液口(100)。

6.根据权利要求5所述的用于机械式旋转导向的井下液压离合器，其特征在于：所述转子下接头(19)与延伸轴(21)旋转连接，二者的连接部形成第二旋转密封(109)。

7.根据权利要求6所述的用于机械式旋转导向的井下液压离合器，其特征在于：使用时，所述用于机械式旋转导向的井下液压离合器(6)的上端与钻杆(7)相连，下端与无磁钻铤(5)相连。

8.权利要求1-7任一所述用于机械式旋转导向的井下液压离合器的工作方法，其特征在于：来自钻杆的流体通过进液口流经工具内部，在分流接头处分成两路流体；

其中，第一路流体通过转子定子流道往下，经过多组喷嘴总成流至混合出口处；第二路流体流经中心流道往下，至混合出口处与第一路流体汇合。

9.根据权利要求8所述的井下液压离合器的工作方法，其特征在于：下入井中时，传动轴与钻杆螺纹连接，壳体下接头与下端钻井管柱螺纹连接；

通过旋转钻杆，带动传动轴、转子、转子下接头一起正转，在转子正转的过程中，将会使得由钻杆输送过来的流体通过中心流道泵至下方，并且由于转子的旋转，将会迫使定子、中间接头、壳体、壳体下接头整体产生正转的趋势，形成一个正转扭矩T1；通过调整钻杆的旋转速度，可以调整液压离合器产生的正转扭矩T1的大小；

混合出口处的流体将会往下流至泥浆马达从而带动钻头正转以向下完成钻进操作。

10.根据权利要求9所述的井下液压离合器的工作方法，其特征在于：在钻头正转并钻进的过程中，它将会给整个井下钻井管柱一个有反转趋势的反扭矩T2；

当在某一钻杆旋转速度下使得T1＝T2时，此速度为定向钻速，此时整个井下钻井管柱的旋转速度为0，它将会始终朝着一个方向往前钻进；

当某一钻杆旋转速度下使得T1＞T2时，井下钻井管柱将会持续正转，此速度为钻进速度，在该速度下，可以用来钻直线段，加快钻井效率；

当某一钻杆旋转速度下使得T1＜T2时，井下钻井管柱将会有反转趋势，此速度为调整速度，在该速度下，可以用来调整工具面的朝向，使得它朝向设计方向，一旦将工具面调整为设计方向后，可以再将钻杆旋转速度调整为定向速度或钻井速度，完成所需要井段钻进的操作。

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