CN203756051U - 钻头扭矩过载保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种钻头扭矩过载保护器，包括：外壳体、中心轴、联轴器、扭矩弹簧，其中，外壳体上部轴向延伸有中心管，外壳体与中心管之间形成弹簧腔，外壳体下端设置内凸沿，中心轴上部与中心管下部轴向滑动密封配合，中心轴下部外壁上径向设置外凸沿，中心轴的外凸沿与外壳体、外壳体下端的内凸沿与中心轴相互滑动密封配合并构成密闭的环形腔，联轴器设在环形腔内并与外壳体和中心轴联动，扭矩弹簧设在中心轴与外壳体之间的弹簧腔内，扭矩弹簧的上下端分别于外壳体和中心轴固连。钻头扭矩过载保护器既能消弱粘滑效应对钻头的破坏，减少能量损失、提高钻井效率，化害为利，而且还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点。

Description

钻头扭矩过载保护器

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等行业钻具领域，具体是一种钻头扭矩过载保护器。

背景技术

在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探的过程中，由于地层岩石的非均质性，在难钻地层钻进时，钻头经常得不到足够大的扭矩破碎地层，导致钻头短时间内停止旋转，与此同时钻柱在井口转盘的驱动下仍然继续旋转并开始卷绕，沿钻柱长度储存扭转能量。当破碎地层所需要的扭矩值一旦达到，钻柱上储存的扭转能量瞬间释放，驱动钻头快速旋转，其结果必然使得对钻头切削齿的冲击载荷要远大于正常值，造成切削齿破损，影响钻头使用寿命，而且下部钻柱快速旋转，相对于上部钻柱具有更高的转速，极易引发钻柱螺纹倒扣，导致下部钻柱脱扣掉井，造成钻井事故的发生，以上过程反复出现即发生所谓的钻头粘滑效应。在钻探过程中，粘滑效应频率越高，对钻头的冲击破坏作用越大，不仅减小钻头的正常使用寿命、影响钻探速度的提高，而且增加钻探施工成本，造成安全隐患。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的问题，提供一种能够最大限度减弱粘滑效应对钻头的破坏性冲击，在提高钻进速度缩短钻井周期的同时，减少井底粘滑效应造成的危害，延长钻头的使用寿命的钻头扭矩过载保护器。

本实用新型的技术方案是：

钻头扭矩过载保护器包括：外壳体、中心轴、联轴器、扭矩弹簧，其中，外壳体上部轴向延伸有中心管，外壳体与中心管之间形成弹簧腔，外壳体下端设置内凸沿，中心轴上部与中心管下部轴向滑动密封配合，中心轴下部外壁上径向设置外凸沿，中心轴的外凸沿与外壳体、外壳体下端的内凸沿与中心轴相互滑动密封配合并构成密闭的环形腔，联轴器设在环形腔内并与外壳体和中心轴联动，扭矩弹簧设在中心轴与外壳体之间的弹簧腔内，扭矩弹簧的上下端分别于外壳体和中心轴固连。

上述方案还包括：

所述联轴器是由联轴器外轮、联轴器内轮、联轴器滚柱组成，联轴器外轮内壁加工多组楔形槽，每个楔形槽内均安装一个联轴器滚柱，联轴器分别通过联轴器外轮和联轴器内轮与外壳体和中心轴联动。

在中心管顶部设有连通弹簧腔与轴心的旁通孔，在中心管的下部设有吸入阀，在中心管下方的中心轴内壁设置内凸沿，内凸沿内设有排出阀和空化射流发生器，在中心轴内凸沿下部的中心轴上设有连通弹簧腔与轴心的旁通孔，吸入阀和排出阀之间构成高压腔。

所述的吸入阀和排出阀均为单向阀，在中心轴的外凸沿与外壳体、外壳体下端的内凸沿与中心轴之间滑动结合部分别设置密封件。

上述方案更进一步包括：

外壳体的上端设有公接头，中心轴的下端设有母接头。

本实用新型的钻头扭矩过载保护器安装在井下钻具组合与钻头中间，正常钻进时，扭矩经外壳体、联轴器传递至中心轴，然后驱动钻头旋转破岩；当井底发生粘滑效应时，钻头扭矩过载使得钻头旋转停止，此时联轴器分离，外壳体相对于中心轴继续转动，能量由扭矩弹簧吸收，并使弹簧压缩，同时提起钻头脱离井底，弹簧压缩时驱动中心轴运动，压缩高压腔内的钻井液，经过排出阀、空化射流发生器形成高压脉冲空化射流。钻头脱离井底后，钻头过载扭矩瞬间消失，扭矩弹簧复位并下放钻头，同时吸入阀打开，钻井液进入高压腔，联轴器啮合驱动钻头转动破岩，从而消弱了由于扭矩过载导致的粘滑效应对钻头的冲击作用，同时将过载扭矩能量转化为提高射流辅助破岩效果的能量，化害为利，保护钻头的同时提高了钻井速度。

钻头扭矩过载保护器还具有结构设计简单可靠、加工方便、运行平稳等特点。

附图说明

图1是依据本实用新型所提出的钻头扭矩过载保护器结构示意图。

图2是依据本实用新型所提出的钻头扭矩过载保护器中联轴器结构示意图。

图中1-外壳体、2-旁通孔、3-扭矩弹簧、4-中心轴、5-吸入阀、6-高压腔、7-排出阀、8-空化射流发生件、9-旁通孔、10-密封件、11-联轴器、12-密封件、13-联轴器外轮、14-联轴器内轮、15-联轴器滚柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详细描述本发明。

实施例1

参照图1，钻头扭矩过载保护器包括：外壳体1、中心轴4、联轴器11、扭矩弹簧3。其中，外壳体1上部轴向延伸有中心管（图中未标出，对应图1中2所示部分），这里的外壳体1与中心管为一体结构，即图1所示，也可以为分体结构连接组成，外壳体1与中心管之间形成弹簧腔，外壳体1下端设置内凸沿。中心轴4上部与中心管下部轴向滑动密封配合，中心轴4下部外壁上径向设置外凸沿，中心轴4的外凸沿与外壳体1、外壳体1下端的内凸沿与中心轴4相互滑动密封配合并构成密闭的环形腔。联轴器11设在环形腔内并与外壳体1和中心轴4联动。扭矩弹簧3设在中心轴4与外壳体1之间的弹簧腔内，扭矩弹簧3的上下端分别于外壳体1和中心轴4固连。

实施例2

在实施例1的基础上，参照附图2，其中的联轴器11是由联轴器外轮13、联轴器内轮14、联轴器滚柱15组成，联轴器外轮13内壁加工多组楔形槽，每个楔形槽内均安装一个联轴器滚柱15，联轴器11分别通过联轴器外轮13和联轴器内轮14与外壳体1和中心轴4联动。

上述两种简化方案的实施例的工作原理是：

钻头扭矩过载保护器安装在井下钻具组合与钻头中间，正常钻进时，扭矩经外壳体、联轴器传递至中心轴，然后驱动钻头旋转破岩；当井底发生粘滑效应时，钻头扭矩过载使得钻头旋转停止，此时联轴器分离，外壳体相对于中心轴继续转动，能量由扭矩弹簧吸收，并使弹簧压缩，同时提起钻头脱离井底，弹簧压缩时驱动中心轴运动。钻头脱离井底后，钻头过载扭矩瞬间消失，扭矩弹簧复位并下放钻头，联轴器啮合驱动钻头转动破岩。

实施例3

在实施例2的基础上，具体结合附图1和2给出典型应用实施例。中心轴4安装在外壳体1内部，中心轴4与外壳体1之间安装密封件10、12和扭矩弹簧3，外壳体1上部加工旁通孔2，中心轴4下部加工旁通孔9，外壳体1中心管下部安装吸入阀5，中心轴4上加工高压腔6，并安装排出阀7和空化射流发生装置8，联轴器11安装在外壳体1与中心轴4之间，联轴器滚柱15安装在联轴器外轮13与联轴器内轮14之间。

实施例3钻头扭矩过载保护器安装在井下钻具组合与钻头中间，正常钻进时，扭矩经外壳体、联轴器传递至中心轴，然后驱动钻头旋转破岩；当井底发生粘滑效应时，钻头扭矩过载使得钻头旋转停止，此时联轴器分离，外壳体相对于中心轴继续转动，能量由扭矩弹簧吸收，并使弹簧压缩，同时提起钻头脱离井底，弹簧压缩时驱动中心轴运动，压缩高压腔内的钻井液，经过排出阀、空化射流发生装置形成高压脉冲空化射流。钻头脱离井底后，钻头过载扭矩瞬间消失，扭矩弹簧复位并下放钻头，同时吸入阀打开，钻井液进入高压腔，联轴器啮合驱动钻头转动破岩。

Claims (5)

1.钻头扭矩过载保护器，其特征是包括：外壳体、中心轴、联轴器、扭矩弹簧，其中，外壳体上部轴向延伸有中心管，外壳体与中心管之间形成弹簧腔，外壳体下端设置内凸沿，中心轴上部与中心管下部轴向滑动密封配合，中心轴下部外壁上径向设置外凸沿，中心轴的外凸沿与外壳体、外壳体下端的内凸沿与中心轴相互滑动密封配合并构成密闭的环形腔，联轴器设在环形腔内并与外壳体和中心轴联动，扭矩弹簧设在中心轴与外壳体之间的弹簧腔内，扭矩弹簧的上下端分别于外壳体和中心轴固连。

2.根据权利要求1所述的钻头扭矩过载保护器，其特征是：所述联轴器是由联轴器外轮、联轴器内轮、联轴器滚柱组成，联轴器外轮内壁加工多组楔形槽，每个楔形槽内均安装一个联轴器滚柱，联轴器分别通过联轴器外轮和联轴器内轮与外壳体和中心轴联动。

3.根据权利要求1或2所述的钻头扭矩过载保护器，其特征是：在中心管顶部设有连通弹簧腔与轴心的旁通孔，在中心管的下部设有吸入阀，在中心管下方的中心轴内壁设置内凸沿，内凸沿内设有排出阀和空化射流发生器，在中心轴内凸沿下部的中心轴上设有连通弹簧腔与轴心的旁通孔，吸入阀和排出阀之间构成高压腔。

4.根据权利要求3所述的钻头扭矩过载保护器，其特征是：所述的吸入阀和排出阀均为单向阀，在中心轴的外凸沿与外壳体、外壳体下端的内凸沿与中心轴之间滑动结合部分别设置密封件。

5.根据权利要求4所述的钻头扭矩过载保护器，其特征是：外壳体的上端设有公接头，中心轴的下端设有母接头。