CN103015894A - 一种具有轴向爬行功能的减摩降阻工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体钻大位移井或水平井，具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，主要由上接头、上锥形体、外套筒、爬行轮、爬行轮定位内衬、摩擦式超越离合器、蜗轮、蜗杆芯轴、下接头等组成。上接头与蜗杆芯轴螺纹连接传递钻进扭矩和轴向压力，同时配合外套筒和下接头与安装动密封机构的硬质合金上下锥体形成卡紧机构，上下锥形体通过键槽卡死外套筒。蜗杆芯轴与蜗轮啮合，通过蜗轮蜗杆机构、蜗轮传动轴和爬行轮传动轴单向传递扭矩于爬行轮，形成轴向爬行机构。旋转钻进时，钻柱带动轴向爬行机构主动向前爬行，外套筒不转动，牵引钻柱轴向前进。本发明具有轴向爬行、减摩降阻、提高大位移井或水平井钻柱延伸能力的效能。

Description

一种具有轴向爬行功能的减摩降阻工具
技术领域
本发明涉及一种用于气体钻大位移井或水平井，具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，用于油气田钻井工程。
背景技术
大位移井和水平井技术的应用大大提高单井产量和油气田采收率，降低了油气开发成本，但钻进时一个重要特征——高摩阻、高扭矩，导致水平段长度受限。气体钻井技术能大幅缩短建井周期、保护油气层。气体钻井技术与水平井、大位移井技术结合产生的气体钻水平井、大位移井技术是非常规油气藏、边际油气藏开发的有力手段，但该技术在钻井过程中会遭遇更高的摩阻和扭矩，抑制了该项技术的广泛应用。
提高气体钻大位移井、水平井的延伸能力以及有效的降低摩阻扭矩是该结合技术成功的关键。因此设计发明了一种用于气体钻大位移井或水平井，具有轴向爬行功能的减摩降阻工具。常规减摩降阻工具分为旋转和非旋转两大类，主要包括非旋转钻杆保护器、钻杆轴承短节、DSTR短节、低钻杆扭矩及各种井下振动器、牵引器、助推器等，减磨降阻机理是通过此类工具降低钻杆在转动摩擦中的有效接触尺寸，减小有效接触点处的摩擦阻力。本发明立足于材料力学、工程力学和空气动力学，通过合理的设计，不仅降低钻杆在转动摩擦中的有效尺寸，减小有效接触点处的摩擦阻力，同时结合牵引器的原理牵引工具轴向前进，主动爬行，有效地提高钻柱在井眼中的延伸能力。
发明内容
本发明的目的：提供一种具有提高钻柱井下延伸能力、减小摩擦阻力的工具，特别提出一种气体钻大位移井或水平井用的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具。
为了达到上述目的，本发明解决此技术问题所采用的技术方案是：一种具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，主要由上接头、上锥体、外套筒、蜗杆芯轴、下锥体、下接头、蜗轮、蜗轮传动轴、支架、摩擦式超越离合器、爬行轮定位内衬、爬行轮、左斜齿轮、右斜齿轮、爬行轮传动轴和盖板等组成，通过蜗杆芯轴、蜗轮、摩擦式超越离合器、左斜齿轮、右斜齿轮和爬行轮的组合传动作用，使该工具在钻进过程中具有主动轴向爬行的功能。
蜗杆芯轴与蜗轮啮合，将钻柱钻进时的扭矩能量部分转换成工具轴向爬行的动力。
蜗杆芯轴转动带动蜗轮转动，通过蜗轮传动轴带动摩擦式超越离合器转动，摩擦式超越离合器将动力传递到左斜齿轮和右斜齿轮，最后经过爬行轮传动轴带动爬行轮向前运动。
进一步的给出扭矩传动机构的连接关系，蜗杆芯轴与蜗轮啮合，蜗轮和摩擦式超越离合器固定于蜗轮传动轴的两端，蜗轮传动轴安装于两固定支架上，两个支架固定在外套筒内，通过蜗杆芯轴、蜗轮和蜗轮传动轴把扭矩传递到摩擦式超越离合器，形成扭矩传动机构；
进一步的给出爬行机构的连接关系，蜗轮传动轴上固定的摩擦式超越离合器同时与左斜齿轮和右斜齿轮啮合；左斜齿轮和一个爬行轮固定于一根爬行轮传动轴的两端，右斜齿轮和另一个爬行轮固定于另一根爬行轮传动轴的两端；左斜齿轮、右斜齿轮、两根爬行轮传动轴和两个爬行轮均设置在爬行轮定位内衬中，爬行轮定位内衬放在设于外套筒上的孔中并用螺钉固定，爬行轮定位内衬上设置盖板；摩擦式超越离合器转动时同时带动两个爬行轮向前运动，形成爬行机构，提供爬行能力。
摩擦式超越离合器为单向旋转机构，当上提钻柱时，爬行轮反转但不会传递扭矩到蜗轮芯轴和钻柱。
优选的一个方案为，蜗杆芯轴与按相位角120°分布的三个蜗轮啮合，形成三组扭矩传动机构，在外套筒上设置具有相位角为120°的三个相同的孔，每个孔中安装一组爬行轮定位内衬，这样的设置可以保证爬行轮在任意周向方位与井壁接触，牵引钻柱轴向前进。
将爬行轮定位内衬放入孔中并用螺钉固定，左斜齿轮和一个爬行轮固定于一根爬行轮传动轴两端，右斜齿轮和另一个爬行轮固定于另一个根爬行轮传动轴两端，接着分别将两组爬行轮传动轴放置于定位内衬中，让左斜齿轮和右斜齿轮同时与摩擦式超越离合器啮合，加上盖板，爬行轮定位内衬与盖板用螺钉固定。摩擦式超越离合器和蜗轮同时固定于蜗轮传动轴两端，最后将蜗杆芯轴旋转进圆套筒内，让蜗轮与蜗杆啮合，以提供爬行动力。当摩擦式超越离合器转动时，扭矩通过左斜齿轮和右斜齿轮传递到爬行轮传动轴，最后带动爬行轮向前转动，形成爬行机构，起到减摩降阻，主动轴向爬行，牵引钻柱轴向前进的功效。
本发明是一种具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，为了达到蜗杆芯轴随钻柱旋转而外套筒相对静止的效果，上接头和下接头内部分别通过螺纹与蜗杆芯轴连接，上接头和下接头外部分别与上锥体和下锥体通过动密封机构连接，外套筒两端分别与上锥体和下锥体通过键槽固定；保证上锥体、外套筒和下锥体在钻柱转动时相对静止，减小钻柱扭矩；爬行轮使外套筒与井壁的滑动摩擦变成滚动摩擦，减小摩擦阻力。
本发明上接头两端均为母接头，一端连接钻杆，另一端连接蜗杆芯轴；而下接头两端则为一公一母接头，公接头接钻杆，母接头固定蜗杆芯轴；同时，上下接头外部具有台阶，能将上下锥体与外套筒扣紧，以达到将钻杆的扭矩传递给蜗杆芯轴并且越扭越紧的效果。
本发明提供的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，结构优化后的上锥体和下锥体的斜面锥度均为18°，在上下锥体斜面及表面喷涂硬质合金层，提高该工具抗磨损和抗冲蚀能力，延长工具的使用寿命。
本发明外套筒内安装的蜗杆芯轴、蜗轮、摩擦式超越离合器和蜗轮传动轴的组合，具有单向运动的传动机构。蜗杆芯轴不但能够传递轴向拉伸和压缩力，也能传递扭矩。
上接头与蜗杆芯轴螺纹连接传递钻进扭矩和轴向压力，同时配合外套筒和下接头与安装动密封机构的硬质合金上下锥体形成卡紧机构，上下锥体通过键槽卡死外套筒。蜗杆芯轴与按相位角120°分布的三个蜗轮啮合时，通过三个蜗轮蜗杆机构、蜗轮传动轴和爬行轮传动轴单向传递扭矩于爬行轮，形成轴向爬行机构。旋转钻进时，钻柱带动轴向爬行机构主动向前爬行，外套筒不转动，牵引钻柱轴向前进。本发明具有轴向爬行、减摩降阻、提高大位移井或水平井钻柱延伸能力的效能。
本发明具有的有益效果是：由于外套筒相对静止，该套筒内传动装置不仅降低了钻柱扭矩，更能在旋转钻进时将钻柱的扭矩部分转化为钻柱轴向前进的动力，提高定向井及水平井延伸能力、降低摩阻和扭矩。而当上提钻柱时，由于摩擦式超越离合器为单向机构，爬行轮的反转并不会对钻柱产生反向扭矩。
本发明外套筒上安装的爬行轮是通过盖板经螺钉固定在定位内衬里的，爬行轮磨损后只需更换新爬行轮，而外套筒、爬行轮定位内衬以及盖板可以继续使用，有利于降低钻井成本。本发明可以根据不同地层换用不同的爬行轮以提高爬行效率。
与现有技术相比，本发明提供的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，在钻进时外套筒相对静止，减小了扭矩；爬行轮不仅能够降低钻进时的摩擦阻力，还能将钻柱旋转时的扭矩转换成爬行轮向前爬行的动力；提升钻井效率的同时牵引钻柱前进，提高了气体钻大位移井或水平井的延伸能力。本发明为气体钻大位移井或水平井技术提供了一种新的装备。
附图说明
图1是本发明具有轴向爬行功能的减摩降阻工具的三维视图。
图2是本发明具有轴向爬行功能的减摩降阻工具的结构视图。
图3是图2中位置A局部放大示意图。
图4是图2中B-B视图，为本发明传动机构示意图。
图5是图1中A-A视图，为本发明爬行机构示意图。
图6是图2中位置B局部放大示意图。
图7是图5中位置C局部放大示意图。
图中标号：1-上接头、2-上锥体、3-外套筒、4-蜗杆芯轴、5-下锥体、6-下接头、7-蜗轮、8-蜗轮传动轴、9-支架、10-摩擦式超越离合器、11-爬行轮定位内衬、12-爬行轮、13-左斜齿轮、14-右斜齿轮、15-爬行轮传动轴、16-盖板。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本实施例提供一种具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，如附图1、图2、图3所示，主要由上接头1、上锥体2、外套筒3、蜗杆芯轴4、下锥体5、下接头6、蜗轮7、蜗轮传动轴8、支架9、摩擦式超越离合器10、爬行轮定位内衬11、爬行轮、左斜齿轮13、右斜齿轮14、爬行轮传动轴15和盖板16组成。
通过蜗杆芯轴4、蜗轮7、摩擦式超越离合器10、左斜齿轮13、右斜齿轮14和爬行轮12的组合传动作用，使该工具在钻进过程中具有主动轴向爬行的功能。
蜗杆芯轴4与蜗轮7啮合，将钻柱钻进时的扭矩能量部分转换成工具轴向爬行的动力。
蜗杆芯轴转动带动蜗轮转动，通过蜗轮传动轴带动摩擦式超越离合器转动，摩擦式超越离合器将动力传递到左斜齿轮和右斜齿轮，最后经过爬行轮传动轴带动爬行轮向前运动。
如图4所示，蜗杆芯轴4与蜗轮7啮合，蜗轮7和摩擦式超越离合器10固定于蜗轮传动轴8的两端，蜗轮传动轴8安装于两固定支架上，两个支架9固定在外套筒3内，通过蜗杆芯轴4、蜗轮7、蜗轮传动轴8把扭矩传递到摩擦式超越离合器10，形成扭矩传动机构。
蜗轮传动轴8上固定的摩擦式超越离合器10同时与左斜齿轮13和右斜齿轮14啮合；左斜齿轮13和一个爬行轮固定于一根爬行轮传动轴的两端，右斜齿轮14和另一个爬行轮固定于另一根爬行轮传动轴的两端；左斜齿轮13、右斜齿轮14、两根爬行轮传动轴和两个爬行轮均设置在爬行轮定位内衬11中，爬行轮定位内衬放在设于外套筒上的孔中并用螺钉固定，爬行轮定位内衬11上设置盖板16；摩擦式超越离合器10转动时同时带动两个爬行轮12向前运动，形成爬行机构，提供爬行能力。
蜗杆芯轴与按相位角120°分布的三个蜗轮啮合，形成三组扭矩传动机构。在外套筒上设置具有相位角为120°的三个相同的孔，每个孔中安装一组爬行轮定位内衬11，这样的设置可以保证爬行轮在任意周向方位与井壁接触，牵引钻柱轴向前进。
摩擦式超越离合器10为单向旋转机构，当上提钻柱时，爬行轮反转但不会传递扭矩到蜗轮芯轴4和钻柱。
如图1和图2所示，为了达到蜗杆芯轴随钻柱旋转而外套筒相对静止的效果，上接头1和下接头6内部分别通过螺纹与蜗杆芯轴4连接，上接头1和下接头6外部分别与上锥体2和下锥体5通过动密封机构连接，外套筒3两端分别与上锥体2和下锥体5通过键槽固定，使当蜗杆芯轴4转动时，上接头1、外套筒3和下接头6相对静止，减小钻柱扭矩。
本发明上接头两端均为母接头，一端连接钻杆，另一端连接蜗杆芯轴；而下接头两端则为一公一母接头，公接头接钻杆，母接头固定蜗杆芯轴；同时，上下接头外部具有台阶，能将上下锥体与外套筒扣紧，以达到将钻杆的扭矩传递给蜗杆芯轴并且越扭越紧的效果。
本发明提供的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，结构优化后的上锥体和下锥体的斜面锥度均为18°，在上下锥体斜面及表面喷涂硬质合金层，提高该工具抗磨损和抗冲蚀能力，延长工具的使用寿命。
如图5和图6所示，将爬行轮定位内衬11放入设在外套筒上的孔中并用螺钉固定，把一个爬行轮和左斜齿轮13固定于一根爬行轮传动轴两端，另一个爬行轮和右斜齿轮14固定于另一根爬行轮传动轴两端，分别将两组爬行轮传动轴安装于爬行轮定位内衬11中，让左斜齿轮13和右斜齿轮14同时与摩擦式超越离合器10啮合，爬行轮定位内衬11与盖板16用螺钉固定。当摩擦式超越离合器10转动时，扭矩通过左斜齿轮13和右斜齿轮14传递到爬行轮传动轴，最后带动爬行轮12向前转动，形成爬行机构，起到减摩降阻，主动轴向爬行，牵引钻柱轴向前进的功效。
使用该工具时要特别注意本具有轴向爬行功能的减摩降阻工具与钻柱的联接方向。配合本发明使用，下放钻柱时要合理控制速度并旋转钻柱。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：主要由上接头（1）、上锥体（2）、外套筒（3）、蜗杆芯轴（4）、下锥体（5）、下接头（6）、蜗轮（7）、蜗轮传动轴（8）、支架（9）、摩擦式超越离合器（10）、爬行轮定位内衬（11）、爬行轮、左斜齿轮（13）、右斜齿轮（14）、爬行轮传动轴（15）和盖板（16）组成，通过蜗杆芯轴（4）、蜗轮（7）、摩擦式超越离合器（10）、左斜齿轮（13）、右斜齿轮（14）和爬行轮（12）的组合传动作用，使该工具在钻进过程中具有主动轴向爬行的功能。
2.根据权利要求1所述的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：蜗杆芯轴（4）与蜗轮（7）啮合，将钻柱钻进时的扭矩能量部分转换成工具轴向爬行的动力。
3.根据权利要求1所述的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：蜗杆芯轴转动带动蜗轮转动，通过蜗轮传动轴带动摩擦式超越离合器转动，摩擦式超越离合器将动力传递到左斜齿轮和右斜齿轮，最后经过爬行轮传动轴带动爬行轮向前运动。
4.根据权利要求1所述的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：蜗杆芯轴（4）与蜗轮（7）啮合，蜗轮（7）和摩擦式超越离合器（10）固定于蜗轮传动轴（8）的两端，蜗轮传动轴（8）安装于两固定支架上，两个支架（9）固定在外套筒（3）内，通过蜗杆芯轴（4）、蜗轮（7）和蜗轮传动轴（8）把扭矩传递到摩擦式超越离合器（10），形成扭矩传动机构。
5.根据权利要求1所述的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：蜗轮传动轴（8）上固定的摩擦式超越离合器（10）同时与左斜齿轮（13）和右斜齿轮（14）啮合；左斜齿轮（13）和一个爬行轮固定于一根爬行轮传动轴的两端，右斜齿轮（14）和另一个爬行轮固定于另一根爬行轮传动轴的两端；左斜齿轮（13）、右斜齿轮（14）、两根爬行轮传动轴和两个爬行轮均设置在爬行轮定位内衬（11）中，爬行轮定位内衬放在设于外套筒上的孔中并用螺钉固定，爬行轮定位内衬（11）上设置盖板（16）；摩擦式超越离合器（10）转动时同时带动两个爬行轮（12）向前运动，形成爬行机构，提供爬行能力。
6.根据权利要求1所述的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：摩擦式超越离合器（10）为单向旋转机构。
7.根据权利要求1所述的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：蜗杆芯轴与按相位角120°分布的三个蜗轮啮合，形成三组扭矩传动机构，在外套筒上设置具有相位角为120°的三个相同的孔，每个孔中安装一组爬行轮定位内衬（11），以保证爬行轮在任意周向方位与井壁接触，牵引钻柱轴向前进。
8.根据权利要求1所述的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：上接头（1）和下接头（6）内部分别通过螺纹与蜗杆芯轴（4）连接，上接头（1）和下接头（6）外部分别与上锥体（2）和下锥体（5）通过动密封机构连接，外套筒（3）两端分别与上锥体（2）和下锥体（5）通过键槽固定。
9.根据权利要求1所述的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：上接头两端均为母接头，一端连接钻杆，另一端连接蜗杆芯轴；而下接头两端则为一公一母接头，公接头接钻杆，母接头固定蜗杆芯轴；同时，上下接头外部具有台阶，能将上下锥体与外套筒扣紧。
10.根据权利要求1所述的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，其特征在于：上锥体和下锥体的斜面锥度均为18°，在上下锥体斜面及表面喷涂有硬质合金层。
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