CN117090501A - 井下应急传动工具及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气资源钻探工程技术领域，尤其涉及一种井下应急传动工具及控制方法，该井下应急传动工具配合旋转离合钻井工具使用，包括外壳、传动轴和中心轴，外壳设置为筒状结构；传动轴位于外壳内且与外壳同轴；中心轴的第一端与传动轴连接并能够带动传动轴一同旋转，中心轴的第二端穿出外壳，中心轴包括与外壳分离的第一状态和带动外壳一同旋转的第二状态。旋转离合钻井工具正常使用时，中心轴仅带动与传动轴连接的旋转离合钻井工具的驱动轴旋转，旋转离合钻井工具失效后，中心轴外壳旋转，外壳与旋转离合钻井工具的从动轴连接，此时，旋转离合钻井工具相当于一根钻杆，钻柱能够通过常规定向方法完成定向作业。

Description

井下应急传动工具及控制方法

技术领域

本发明涉及油气资源钻探工程技术领域，尤其涉及一种井下应急传动工具及控制方法。

背景技术

定向钻井是指按照预先设计的井斜、方位进行钻井，达到预期井眼轨迹的钻井技术。现有的定向钻井技术，根据导向工具工作方式的不同可分为滑动定向钻井技术与旋转导向钻井技术。

滑动定向钻井技术与旋转导向钻井技术有不同的适应范围，所以在钻井过程中对应不同的工况选择不同的钻井方式具有必要性。旋转导向钻井技术价格昂贵，仅适合在重点井和高效益区块使用，在储层相对稳定区域，滑动定向仍作为主要定向钻井方式。随着水平段增加，传统滑动定向钻井过程中摩阻较大，托压问题凸显。

基于此，旋转离合钻井工具应运而成，该工具集成了滑动定向和旋转导向钻井技术的优势，在钻井过程中上方钻柱通过该工具向底部钻具组合(BHA)传递驱动扭矩，该驱动扭矩用于平衡下部螺杆钻具传递的反扭矩，通过调节驱动扭矩的大小可以实现钻井过程中复合钻井和定向钻井的切换。在滑动定向钻井过程中，钻柱可以全程旋转，减小水平段摩阻，从而减少托压现象。

例如公开号为CN111852334A的文件中公布一种“用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置、钻井管串和方法”，包括上接头、芯筒、固定设置在芯筒下端的下接头、设置在芯筒的外壁和上接头的内壁之间的自动平衡组件。当钻井液排量等于第一预定值时，上接头与芯筒之间产生的摩擦扭矩(驱动扭矩)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井，当钻井液排量高于第一预定值时，上接头与芯筒之间产生的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井。

上述旋转离合钻井工具下方的底部钻井组合的旋转动力来自于旋转离合钻井工具上方钻柱，一旦该工具失效，上接头难以带动芯筒旋转，则与芯筒连接的下接头就无法向螺杆钻具传递旋转动力，导致定向钻井无法完成。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种井下应急传压工具，能够在旋转离合钻井工具失效时完成定向钻井，避免起钻，降低经济损失。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

井下应急传动工具，配合旋转离合钻井工具使用，包括外壳、传动轴和中心轴，所述外壳设置为筒状结构；所述传动轴位于所述外壳内且与所述外壳同轴；所述中心轴的第一端与所述传动轴连接并能够带动所述传动轴一同旋转，所述中心轴的第二端穿出所述外壳，所述中心轴包括与所述外壳分离的第一状态和带动所述外壳一同旋转的第二状态。

可选地，所述传动轴和所述中心轴均设置为筒状结构，所述中心轴相对于所述外壳能够做轴向运动，所述中心轴的外周上沿轴向间隔设置有第一外花键和第二外花键，所述外壳的内周设置有能够与所述第一外花键啮合的第一内花键，所述传动轴的内周设置有与所述第二外花键啮合的第二内花键；所述中心轴处于所述第一状态时，所述第二外花键与所述第二内花键)啮合，所述第一外花键与所述第一内花键脱开；所述中心轴处于所述第二状态时，所述第一外花键与所述第一内花键啮合。

可选地，还包括第一锁紧组件和第二锁紧组件，所述第一锁紧组件和所述第二锁紧组件均包括锁定状态和解锁状态，所述第一锁紧组件被配置为在所述中心轴处于所述第一状态时对所述中心轴进行轴向限位，初始时，所述第一锁紧组件处于锁定状态，所述第二锁紧组件被配置为在所述中心轴处于所述第二状态时对所述中心轴进行轴向限位，初始时，所述第二锁紧组件处于解锁状态。

可选地，所述第一锁紧组件包括剪切销钉，所述剪切销钉两端分别连接所述中心轴和所述传动轴。

可选地，所述第二锁紧组件包括锁紧销钉以及弹性件，所述锁紧销钉沿径向设置于所述中心轴和所述外壳中的一个上，所述中心轴和所述外壳中的另一个上设置有供所述锁紧销钉插入的环形限位槽，所述弹性件被配置为使所述锁紧销钉保持向所述限位槽内插入的趋势。

可选地，所述外壳包括筒体和密封端盖，所述密封端盖设置于所述筒体一端且与所述筒体密封连接，所述密封端盖上开有供所述中心轴穿过的通孔，所述密封端盖与所述中心轴密封滑动连接。

可选地，所述锁紧销钉设置于所述密封端盖上，所述密封端盖沿径向开设贯通所述密封端盖的内壁和所述密封端盖的外壁的安装孔，所述安装孔贯通所述密封端盖外壁的一端螺接有盖板，位于所述安装孔内的所述弹性件一端与所述盖板连接，另一端与所述锁紧销钉连接。

可选地，所述第二内花键的长度大于所述第一内花键的长度，所述中心轴处于第二状态时，所述第一外花键与所述第一内花键保持啮合。

可选地，所述第一外花键和/或第一内花键的凸起两端设置有楔形导向面。

本发明的另一目的在于提供一种控制方法，该控制方法用于控制上述第一锁紧组件为剪切销钉的井下应急传动工具，控制方法如下：

旋转离合钻井工具失效后，地面加钻压，剪切销轴在钻压作用下被剪断，中心轴在推力作用下下移至第一外花键和第一内花键啮合，第二锁定组件切换为锁定状态。

本发明的有益效果为：本发明中的井下应急传动工具能够配合旋转离合钻井工具使用，在旋转离合钻井工具失效后仍能向BHA传递扭矩，从而通过常规定向方法完成定向作业，避免起钻维修，降低了经济损失。

附图说明

图1是本发明实施例中井下应急传动工具在旋转离合钻井工具正常工作时的结构示意图；

图2是本发明实施例中井下应急传动工具在旋转离合钻井工具失效后的结构示意图；

图3是中心轴的结构示意图；

图4是密封端盖的结构示意图。

图中，1、中心轴；11、第一外花键；12、第二外花键；13、限位槽；

2、传动轴；21、第二内花键；

3、外壳；31、筒体；311、第一内花键；32、密封端盖；321、盖板；322、安装孔；

4、剪切销钉；

5、弹性件；

6、锁紧销钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明提出一种井下应急传动工具，该工具设置于旋转离合钻井工具与钻柱之间，用于在旋转离合钻井工具失效后向BHA传递上方钻柱的扭矩，在旋转离合钻井工具正常工作过程中该井下应急传动工具不工作，不影响通过旋转离合钻井工具的正常定向作业。旋转离合钻井工具失效后通过地面向井下施加大钻压触发该工具进入工作模式，BHA通过该工具获取上方钻柱的旋转动力，此时，旋转离合钻井工具可等效为一根钻杆，定向井工程师仍能通过传统定向方法完成定向作业，可有效避免因旋转离合钻井工具失效，降低经济损失。

本实施例中将现有的旋转离合工具中与BHA连接并带动BHA旋转的构件定义为从动轴，将与上部钻柱连接并被上部钻柱带动旋转的构件定义为驱动轴，从动轴包括随驱动轴一同旋转以及不随驱动轴旋转的两种状态，当旋转离合工具失效后，驱动轴难以将上方钻柱的旋转动力传递至BHA，例如公开号为CN111852334A的文件中，上接头相当于驱动轴，芯筒以及与芯筒连接的下接头相当于从动轴，当自动平衡组件失效时，上接头的动力不能传递给螺杆钻具的外壳，定向钻井工作难以完成。

图1-图4所示的是本发明其中一个实施例中的井下应急传动工具，该工具包括中心轴1、传动轴2和外壳3，外壳3设置为筒状结构，其第一端能够与旋转离合钻井工具的从动轴连接，传动轴2位于外壳3内且与外壳3同轴，传动轴2的第一端能够与旋转离合组件的驱动轴连接，中心轴1的第一端与传动轴2连接并能够带动传动轴2一同旋转，第二端穿出外壳3能够与上部钻柱连接，中心轴1包括与外壳3分离的第一状态和带动外壳3一同旋转的第二状态。

上述井下应急传动工具在旋转离合钻井工具正常工作过程中，中心轴1将上方钻柱的旋转动力传递给旋转离合钻井工具的驱动轴，不影响旋转离合钻井工具的正常使用，而当旋转离合钻井工具失效导致旋转动力难以传递时，中心轴1相对于传动轴2以及外壳3做轴向运动，上方钻柱的旋转动力通过中心轴1传递给从动轴，BHA通过该工具获取上方钻柱的旋转动力，旋转离合钻井工具可等效为一根钻杆，此时可以通过传统定向方法完成定向作用，有效避免因旋转离合钻井工具失效造成的起钻，降低经济损失。可以理解的是，中心轴1处于第二状态时，既可以脱离传动轴2，也可以继续带动传动轴2旋转，不影响中心轴1向BHA传递扭矩。

参考图1所示，中心轴1第一状态和第二状态的转化通过中心轴1相对于外壳3的轴向移动实现。传动轴2也设置为筒状结构，中心轴1的外周上沿轴向间隔设置有第一外花键11和第二外花键12，外壳3的内周以及传动轴2的内周则分别对应设置有第一内花键311和第二内花键21，中心轴1处于第一状态时，第二外花键12和第二内花键21啮合，而第一外花键11脱离第一内花键311，当中心轴1需要由第一状态转化为第二状态时，中心轴1沿轴向移动，使第一外花键11与第一内花键311啮合，外壳3能够在中心轴1带动下旋转。

中心轴1同样设置为筒状结构，钻井液能够经中心轴1流入传动轴2内，为了形成密封，外壳3包括筒体31和密封端盖32，密封端盖32设置于筒体31一端且中心设置有供中心轴1穿过的通孔，密封端盖32与中心轴1以及外壳3之间均通过密封圈密封滑动连接。具体的，密封圈沿中心轴1的轴向间隔设置有多个。本实施例中，外壳3采用分体式结构，该井下应急传动工具组装时，先将传动轴2置于筒体31内，中心轴1插入筒体31后再连接密封端盖32与筒体31，完成装配。

本实施例中，第二内花键21的长度大于第一内花键311的长度，以在外壳3随中心轴1旋转时，传动轴2也随中心轴1旋转，则传动轴2相对于外壳3静止，可以减少传动轴2与外壳3之间的摩擦，降低能源损耗。示例性的，第二内花键21的长度是第一内花键311长度的两倍，第二外花键12的长度也是第一外花键11长度的两倍，初始状态时，第二外花键12与第二内花键21的啮合长度为第二外花键12的一半，当第一外花键11与第一内花键311啮合时，第二外花键12与第二内花键21处于完全啮合状态。为了保证中心轴1在任一角度均能将第一外花键11插入第一内花键311内实现啮合连接，第一外花键11和/或第一内花键311的凸起(花键是由交替设置的凸起和凹槽构成的周向联接件)两端设置楔形导向面。更具体的，第二外花键12的深度可以设置为第一外花键11深度的一半，以顺利插入位于外壳3内的传动轴2内。

本实施例中的井下应急传动工具还包括第一锁紧组件和第二锁紧组件，以避免中心轴1在不被期待的情况下(旋转离合钻井工具正常使用时)相对于外壳3以及传动轴2沿轴向移动，第一锁紧组件和第二锁紧组件均包括锁定状态和解锁状态，第一锁紧组件被配置为在中心轴1处于第一状态时对中心轴1进行轴向限位，初始时，第一锁紧组件处于锁定状态，第二锁紧组件被配置为在中心轴1处于第二状态时对中心轴1进行轴向限位，初始时，第二锁紧组件处于解锁状态。

第一锁紧组件解锁后中心轴1能够相对于传动轴2轴向移动。为了实现自动解锁，第一锁紧组件包括剪切销钉4，剪切销钉4两端分别沿径向插入中心轴1和传动轴2中，当传动轴2和中心轴1之间的轴向推力大于剪切销钉4被剪断的预设推力时，剪切销钉4被剪断，中心轴1与传动轴2之间在推力作用下发生轴向移动。本实施例中，传动轴2与中心轴1之间轴向推力的变化可以通过地面加大钻压实现。即要对中心轴1相对于外壳3的状态进行切换时，只需要增大钻压即可。

第二锁紧组件包括锁紧销钉6以及弹性件5，锁紧销钉6沿径向设置于中心轴1和外壳3中的一个内，中心轴1和外壳3中的另一个上则设置有供锁紧销钉6插入的限位槽13，弹性件5被配置为使锁紧销钉6保持向限位槽13内插入的趋势。本实施例中，密封端盖32上沿径向开设有销钉安装槽，锁紧销钉6和弹性件5均位于销钉安装槽内。对应的，限位槽13开设在中心轴1上，为了避免中心轴1的旋转角度干涉锁紧销钉6的插入，限位槽13设置为环形凹槽。为方便加工，密封端盖32沿径向开设贯通密封端盖32内壁和外壁的安装孔322，安装孔322贯通密封端盖32外壁的一端螺接有盖板321，盖板321与安装孔322的孔壁共同围合形成销钉安装槽，弹性件5一端与盖板321连接，另一端与锁紧销钉6连接。弹性件5可以选用处于压缩状态的压缩弹簧或具有弹性的橡胶片等，当中心轴1移动至限位槽13与锁紧销钉6处于同一周向高度时，锁紧螺钉插入限位槽13内对中心轴1进行轴向限位。

本发明还提出一种控制方法，用于控制上述井下应急传动工具状态。具体的控制方法如下：当与该井下应急传动工具配合使用的旋转离合钻井工具正常功能时，由于剪切销轴的轴向限位，第二外花键12保持与第二内花键21的啮合连接，而第一外花键11与第一内花键311处于脱开状态，上方钻柱的旋转动力只传递至旋转离合钻井工具的驱动轴；旋转离合钻井工具失效后，地面加钻压，剪切销轴在钻压作用下被剪断，轴向限位作用失效，中心轴1下移使第一外花键11和第一内花键311啮合，直至锁紧销钉6进入限位槽13内，上方钻柱的旋转动力此时不光可以传递给旋转离合钻井工具的驱动轴，还能传递给旋转离合钻井工具的从动轴，保证在旋转离合钻井工具失效后仍能通过常规定向方法完成定向作业，避免起钻，降低经济损失。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.井下应急传动工具，配合旋转离合钻井工具使用，其特征在于，包括：

外壳(3)，所述外壳(3)设置为筒状结构；

传动轴(2)，位于所述外壳(3)内且与所述外壳(3)同轴；

中心轴(1)，所述中心轴(1)的第一端与所述传动轴(2)连接并能够带动所述传动轴(2)一同旋转，所述中心轴(1)的第二端穿出所述外壳(3)，所述中心轴(1)包括与所述外壳(3)分离的第一状态和带动所述外壳(3)一同旋转的第二状态。

2.根据权利要求1所述的井下应急传动工具，其特征在于，所述传动轴(2)和所述中心轴(1)均设置为筒状结构，所述中心轴(1)相对于所述外壳(3)能够做轴向运动，所述中心轴(1)的外周上沿轴向间隔设置有第一外花键(11)和第二外花键(12)，所述外壳(3)的内周设置有能够与所述第一外花键(11)啮合的第一内花键(311)，所述传动轴(2)的内周设置有能够与所述第二外花键(12)啮合的第二内花键(21)；

所述中心轴(1)处于所述第一状态时，所述第二外花键(12)与所述第二内花键(21)啮合，所述第一外花键(11)与所述第一内花键(311)脱开；

所述中心轴(1)处于所述第二状态时，所述第一外花键(11)与所述第一内花键(311)啮合。

3.根据权利要求2所述的井下应急传动工具，其特征在于，还包括第一锁紧组件和第二锁紧组件，所述第一锁紧组件和所述第二锁紧组件均包括锁定状态和解锁状态，所述第一锁紧组件被配置为在所述中心轴(1)处于所述第一状态时对所述中心轴(1)进行轴向限位，初始时，所述第一锁紧组件处于锁定状态，所述第二锁紧组件被配置为在所述中心轴(1)处于所述第二状态时对所述中心轴(1)进行轴向限位，初始时，所述第二锁紧组件处于解锁状态。

4.根据权利要求3所述的井下应急传动工具，其特征在于，所述第一锁紧组件包括剪切销钉(4)，所述剪切销钉(4)两端分别连接所述中心轴(1)和所述传动轴(2)。

5.根据权利要求3所述的井下应急传动工具，其特征在于，所述第二锁紧组件包括锁紧销钉(6)以及弹性件(5)，所述锁紧销钉(6)沿径向设置于所述中心轴(1)和所述外壳(3)中的一个上，所述中心轴(1)和所述外壳(3)中的另一个上设置有供所述锁紧销钉(6)插入的环形限位槽(13)，所述弹性件(5)被配置为使所述锁紧销钉(6)保持向所述限位槽(13)内插入的趋势。

6.根据权利要求5所述的井下应急传动工具，其特征在于，所述外壳(3)包括筒体(31)和密封端盖(32)，所述密封端盖(32)设置于所述筒体(31)一端且与所述筒体(31)密封连接，所述密封端盖(32)上开有供所述中心轴(1)穿过的通孔，所述密封端盖(32)与所述中心轴(1)密封滑动连接。

7.根据权利要求6所述的井下应急传动工具，其特征在于，所述锁紧销钉(6)设置于所述密封端盖(32)上，所述密封端盖(32)沿径向开设贯通所述密封端盖(32)的内壁和所述密封端盖(32)的外壁的安装孔(322)，所述安装孔(322)贯通所述密封端盖(32)外壁的一端螺接有盖板(321)，位于所述安装孔(322)内的所述弹性件(5)一端与所述盖板(321)连接，另一端与所述锁紧销钉(6)连接。

8.根据权利要求2-7中任一所述的井下应急传动工具，其特征在于，所述第二内花键(21)的长度大于所述第一内花键(311)的长度，所述中心轴(1)处于第二状态时，所述第一外花键(11)与所述第一内花键(311)保持啮合。

9.根据权利要求2-7中任一所述的井下应急传动工具，其特征在于，所述第一外花键(11)和/或第一内花键(311)的凸起两端设置有楔形导向面。

10.控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求4-7中任一所述井下应急传动工具，控制方法如下：

旋转离合钻井工具失效后，地面加钻压，剪切销轴在钻压作用下被剪断，中心轴(1)在推力作用下下移至第一外花键(11)和第一内花键(311)啮合，第二锁紧组件切换为锁定状态。