CN115977534A - 一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具及方法，包括上接头、连接组件A、联轴器A、螺杆转子、具有螺杆状空腔的螺杆定子、连接组件B、联轴器B、中间接头、具有小直径流道的推杆、内花键壳体、具有心轴流道的心轴、连接组件C、下接头；螺杆定子上下两端分别通过连接组件A、连接组件B与上接头下端、中间接头上端连接，所述螺杆转子安装在螺杆定子的螺杆状空腔内，其上下两端分别通过联轴器A、联轴器B与上接头的内壁、中间接头的内壁连接。本发明采用了钻柱的机械转速以控制工具转换工作模式，保证了控制信号传递的可靠性；本发明采用了特定的连接组件，使得工具在承受较大轴向力作用时，工具本体不会脱离钻柱。

Description

一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具及方法

技术领域

本发明涉及一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具及方法，属于油气资源钻井工具技术领域。

背景技术

我国页岩气储量丰富，其中水平井是开采页岩油气等非常油气资源的重要措施。由于水平段的钻柱重力依靠井壁支撑力平衡，导致钻进水平段时钻柱所受摩阻远大于垂直段钻进时的摩阻，目前该问题已成为实现页岩油气低成本安全高效开采的技术瓶颈之一。目前水平井减阻主要采用化学减阻和机械减阻两种方式，其中，化学减阻主要通过调节钻井液的润滑性来降低接触表面的摩擦阻力，其贯穿了水平井钻井的全过程，但仍不能完全满足实际钻井需求；而以降低摩擦系数、减小法向接触力和改变摩擦力方向为基本原理的机械减阻技术，因其减阻性能优良、使用维护方便、环境友好等特点，逐渐成为解决水平井高摩阻扭矩问题的核心手段。但目前机械减阻技术在不同井况的减阻性能良莠不齐，基于此，开发一套新型的减阻技术，对实现页岩油气低成本安全高效开采目标具有重要现实意义。

目前国内所公开的文献，相比专利CN115467907和CN111411904的电气控制井下工具以离合上下钻柱扭矩，本发明依靠钻柱转速控制井下工具工作，避免了电气部件在井下高温环境中适应性较差而导致的控制指令无法顺利下达的问题。同时专利CN115467907和CN111411904均采用了常规平行花键啮合上下钻柱扭矩，当上下钻柱差速转动时，内外花键极有可能出现无法顺利啮合，进而导致工具无法顺利转变工作模式，而本发明采用了一种新型的异形花键，能够保证工具工作模式的顺利转变。专利CN114293913虽不存在工作模式切换问题，但其理论输出扭矩过小，无法克服下部钻柱的摩擦扭矩以驱动下部钻柱转动。专利CN115467907和CN114293913中为了分离工具外壳与上下钻柱的扭矩，其采用了轴承过盈连接，这种连接方式在工具遭受轴向力作用时，工具本体容易脱离钻柱，本发明采用了特定的连接组件，使得工具在承受较大的轴向力作用时，工具本体不会脱离钻柱。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具及方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具，包括上接头、连接组件A、联轴器A、螺杆转子、具有螺杆状空腔的螺杆定子、连接组件B、联轴器B、中间接头、具有小直径流道的推杆、内花键壳体、具有心轴流道的心轴、连接组件C、下接头；

所述螺杆定子上下两端分别通过连接组件A、连接组件B与上接头下端、中间接头上端连接，所述螺杆转子安装在螺杆定子的螺杆状空腔内，其上下两端分别通过联轴器A、联轴器B与上接头的内壁、中间接头的内壁连接，所述上接头通过螺杆转子带着中间接头相对于所述螺杆定子转动；

所述中间接头下端与内花键壳体上端连接，所述内花键壳体下端通过连接组件C与下接头上端连接，所述下接头相对于内花键壳体可转动；

所述内花键壳体具有上下连通的大直径空腔、小直径空腔，所述小直径空腔的内壁上设有内花键槽，所述推杆上套设有弹簧，且安装在内花键壳体的大直径空腔内并压缩弹簧，所述心轴的中间部分外壁上设有与内花键槽匹配的花键，下端外壁上设有异形外花键，所述下接头内壁上设有与异形外花键匹配的异形花键槽；所述心轴安装在内花键壳体的小直径空腔内，其上端与推杆下端连接，所述小直径流道与心轴流道连通。

进一步的技术方案是，所述联轴器A包括联轴器壳体A和分别安装在联轴器壳体A上下两端的十字形连接件A、十字形连接件B。

进一步的技术方案是，所述连接组件A包括阶梯轴A、具有外螺纹的T形套件A，所述T形套件A套在所述阶梯轴A的下端上，且螺纹连接在上接头下端内，所述螺杆定子上端与阶梯轴A下端螺纹连接。

进一步的技术方案是，所述联轴器B包括联轴器壳体B和分别安装在联轴器壳体B上下两端的十字形连接件C、十字形连接件D。

进一步的技术方案是，所述连接组件B包括阶梯轴B、具有外螺纹的T形套件B，所述T形套件B套在所述阶梯轴B的上端上，且螺纹连接在中间接头上端内，所述螺杆定子下端与阶梯轴B上端螺纹连接。

进一步的技术方案是，所述连接组件C包括阶梯轴C、具有外螺纹的T形套件C，所述T形套件C套在所述阶梯轴C的上端上，且螺纹连接在内花键壳体下端内，所述下接头上端与阶梯轴C下端螺纹连接。

进一步的技术方案是，所述中间接头下端与内花键壳体上端螺纹连接。

一种基于钻柱转速控制的井下扭矩离合方法，包括以下步骤：

S1、将钻头、螺杆钻具、随钻测量工具、无磁钻铤、钻铤、井下液力离合器、加重钻杆、钻杆依次连接并放入井下；

S2、驱动顶驱或转盘以30 r/min的转速转动，扭矩传递至上接头，扭矩再传递至螺杆转子，这时螺杆转子也以30 r/min的转速转动，在螺杆转子转动的过程中，由螺杆转子和螺杆定子所组成的螺杆泵不断向中间接头与推杆组成的液压腔中输送钻井液，由于螺杆转子的转速相对较低，中间接头与推杆组成的液压腔内的液体在通过推杆内的小截面流道时，钻井液受到的流动阻力较低，这样中间接头与推杆组成的液压腔内的液体压力较低，无法推动推杆运动，中间接头与推杆组成的液压腔内所有液体均经过小直径流道、心轴流道流向下部钻柱；

S3、当钻进直井段时，即全井钻柱处于旋转状态，以进一步降低摩阻的影响，地面工作人员将顶驱或转盘转速提升至60 r/min，螺杆转子以60 r/min左右转速的转动，这时螺杆转子和螺杆定子所组成的螺杆泵输出至中间接头与推杆组成液压腔的钻井液流量升高至较高水平，钻井液在经过推杆内的小截面流道时，钻井液受到了较大阻力，这时中间接头与推杆组成的液压腔内钻井液压力升高，推动推杆向下滑动，使心轴底部异形外花键与下接头的异形花键槽啮合，进而带动下部钻柱转动；

S4、当进行造斜作业时，需要下部钻柱保持滑动状态，以稳定工具面，地面工作人员将顶驱或转盘转速降低至30 r/min，螺杆转子与螺杆定子所形成螺杆泵输出的钻井液流量降低，中间接头与推杆组成的液压腔内钻井液压力降低，在弹簧的作用下，推杆向上滑动，心轴的底部异形外花键退出下接头内异形花键槽，下接头没有扭矩输出，从而使得下接头保持静止状态，进而使得下部钻柱相对于井壁保持静止，实现上部钻柱旋转的同时，下部钻柱保持滑动钻进。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用了异性花键以啮合上下钻柱的扭矩，保证了本发明上下钻柱在差速旋转的过程中，上下钻柱能够有效啮合，避免了工作模式无法顺利转换的问题；

2、本发明采用了钻柱的机械转速以控制工具转换工作模式，保证了控制信号传递的可靠性；

3、本发明采用了特定的连接组件，使得工具在承受较大轴向力作用时，工具本体不会脱离钻柱。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明图1中心轴结构示意图；

图3为本发明图1中A-A剖面视图；

图4为本发明图1中B-B剖面视图；

图5为本发明图1中联轴器壳体结构示意图；

图6为本发明图1中下接头的上视图；

图7为本发明图1中十字形连接件的结构示意图。

图中所示：1-上接头、2-十字形连接件A、3-联轴器壳体A、4-阶梯轴A、5-T形套件A、6-十字形连接件B、7-螺杆转子、8-螺杆定子、9-十字形连接件C、10-联轴器壳体B、11-T形套件B、12-阶梯轴B、13-十字形连接件D、14-中间接头、15-推杆、16-弹簧、17-内花键壳体、18-心轴、19-阶梯轴C、20-T形套件C、21-下接头。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接。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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-6所示，本发明提供了一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具，包括上接头1、连接组件A、联轴器A、螺杆转子7、具有螺杆状空腔的螺杆定子8、连接组件B、联轴器B、中间接头14、具有小直径流道的推杆15、内花键壳体17、具有心轴流道的心轴18、连接组件C、下接头21；

所述螺杆定子8上下两端分别通过连接组件A、连接组件B与上接头1下端、中间接头14上端连接，所述螺杆转子7安装在螺杆定子8的螺杆状空腔内，其上下两端分别通过联轴器A、联轴器B与上接头1的内壁、中间接头14的内壁连接，所述上接头1通过螺杆转子7带着中间接头14相对于所述螺杆定子8转动；

所述中间接头14下端与内花键壳体17上端螺纹连接，所述内花键壳体17下端通过连接组件C与下接头21上端连接，所述下接头21相对于内花键壳体17可转动；

所述内花键壳体17具有上下连通的大直径空腔、小直径空腔，所述小直径空腔的内壁上设有内花键槽，所述推杆15上套设有弹簧16，且安装在内花键壳体17的大直径空腔内并压缩弹簧16，所述心轴18的中间部分外壁上设有与内花键槽匹配的花键，下端外壁上设有异形外花键，所述下接头21内壁上设有与异形外花键匹配的异形花键槽；所述心轴18安装在内花键壳体17的小直径空腔内，其上端与推杆15下端连接，所述小直径流道与心轴流道连通；所述中间接头14下端内腔与推杆15之间形成液压腔。

如图1和6、7所示，在本实施例中，所述联轴器A包括联轴器壳体A3和分别安装在联轴器壳体A3上下两端的十字形连接件A2、十字形连接件B6；所述上接头1通过十字形连接件A2与联轴器壳体A3上端连接，所述联轴器壳体A3下端通过十字形连接件B6与螺杆转子7上端连接，实现螺杆转子7与上接头1偏心传递扭矩。

同时所述联轴器B包括联轴器壳体B10和分别安装在联轴器壳体B10上下两端的十字形连接件C9、十字形连接件D13，所述螺杆转子7下端通过十字形连接件C9与联轴器壳体B10上端连接；所述联轴器壳体B10下端通过十字形连接件D13与中间接头14连接，实现螺杆转子7与中间接头14偏心传递扭矩。

如图1所示，在本实施例中，所述连接组件A包括阶梯轴A4、具有外螺纹的T形套件A5，所述T形套件A5套在所述阶梯轴A4的下端上，且螺纹连接在上接头1下端内，所述螺杆定子8上端与阶梯轴A4下端螺纹连接，所述连接组件B包括阶梯轴B12、具有外螺纹的T形套件B11，所述T形套件B11套在所述阶梯轴B12的上端上，且螺纹连接在中间接头14上端内，所述螺杆定子8下端与阶梯轴B12上端螺纹连接，所述连接组件C包括阶梯轴C19、具有外螺纹的T形套件C20，所述T形套件C20套在所述阶梯轴C19的上端上，且螺纹连接在内花键壳体17下端内，所述下接头21上端与阶梯轴C19下端螺纹连接。

本发明拥有两种工作模式，且分别对应钻井过程中的定向钻井模式和复合钻井模式；

其中复合钻井模式是上接头1具有较高的转速，中间接头14与推杆15所组成的液压腔具有较大液压，液体推动推杆15克服弹簧16的弹力向下滑动，使心轴18的异形外花键与下接头21的异形内花键槽啮合，使下接头21与上接头1同步转动，该模式下全井钻柱处于旋转状态；

其中定向钻井模式是上接头1具有相对较低的转速，中间接头14与推杆15所组成的液压腔中的液压不足以克服弹簧16的弹力，该模式下，工具以上钻柱旋转，工具之下钻柱滑动导向钻进。

一种水平井降摩减阻液力离合器钻井方法，包括以下步骤：

S1、将钻头、螺杆钻具、随钻测量工具、无磁钻铤、钻铤、井下液力离合器、加重钻杆、钻杆依次连接并放入井下；

S2、驱动顶驱或转盘以较低的转速转动，扭矩传递至上接头1，扭矩再传递至螺杆转子7，这时螺杆转子7也以较低转速的转动，在螺杆转子7转动的过程中，由螺杆转子7和螺杆定子8所组成的螺杆泵不断向中间接头14与推杆15组成的液压腔中输送钻井液，由于螺杆转子7的转速相对较低，中间接头14与推杆15组成的液压腔内的液体在通过推杆15内的小截面流道时，钻井液受到的流动阻力较低，这样中间接头14与推杆15组成的液压腔内的液体压力较低，无法推动推杆15运动，中间接头14与推杆15组成的液压腔内所有液体均经过小直径流道、心轴流道流向下部钻柱；

S3、当进行复合钻井作业时，即全井钻柱处于旋转状态，以进一步降低摩阻的影响，地面工作人员将顶驱或转盘转速提升至较高水平，螺杆转子7以较高转速转动，这时螺杆转子7和螺杆定子8所组成的螺杆泵输出至中间接头14与推杆15组成液压腔的钻井液流量升高，钻井液在经过推杆15内的小截面流道时，钻井液受到了较大阻力，这时中间接头14与推杆15组成的液压腔内钻井液压力升高，推动推杆15向下滑动，使心轴18底部异形外花键与下接头21的异形花键槽啮合，进而带动下部钻柱转动；

S4、当进行定向钻井作业时，需要下部钻柱保持滑动状态，以稳定工具面，地面工作人员将顶驱或转盘转速降低至较低水平，螺杆转子7与螺杆定子8所形成螺杆泵输出的钻井液流量降低，中间接头14与推杆15组成的液压腔内钻井液压力降低，在弹簧16的作用下，推杆15向上滑动，心轴18的底部异形外花键退出下接头21内异形花键槽，下接头21没有扭矩输出，从而使得下接头21保持静止状态，进而使得下部钻柱相对于井壁保持静止，实现上部钻柱旋转的同时，下部钻柱保持滑动钻进。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具，其特征在于，包括上接头（1）、连接组件A、联轴器A、螺杆转子（7）、具有螺杆状空腔的螺杆定子（8）、连接组件B、联轴器B、中间接头（14）、具有小直径流道的推杆（15）、内花键壳体（17）、具有心轴流道的心轴（18）、连接组件C、下接头（21）；

所述螺杆定子（8）上下两端分别通过连接组件A、连接组件B与上接头（1）下端、中间接头（14）上端连接，所述螺杆转子（7）安装在螺杆定子（8）的螺杆状空腔内，其上下两端分别通过联轴器A、联轴器B与上接头（1）的内壁、中间接头（14）的内壁连接，所述上接头（1）通过螺杆转子（7）带着中间接头（14）相对于所述螺杆定子（8）转动；

所述中间接头（14）下端与内花键壳体（17）上端连接，所述内花键壳体（17）下端通过连接组件C与下接头（21）上端连接，所述下接头（21）相对于内花键壳体（17）可转动；

所述内花键壳体（17）具有上下连通的大直径空腔、小直径空腔，所述小直径空腔的内壁上设有内花键槽，所述推杆（15）上套设有弹簧（16），且安装在内花键壳体（17）的大直径空腔内并压缩弹簧（16），所述心轴（18）的中间部分外壁上设有与内花键槽匹配的花键，下端外壁上设有异形外花键，所述下接头（21）内壁上设有与异形外花键匹配的异形花键槽；所述心轴（18）安装在内花键壳体（17）的小直径空腔内，其上端与推杆（15）下端连接，所述小直径流道与心轴流道连通。

2.根据权利要求1所述的一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具，其特征在于，所述联轴器A包括联轴器壳体A（3）和分别安装在联轴器壳体A（3）上下两端的十字形连接件A（2）、十字形连接件B（6）。

3.根据权利要求2所述的一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具，其特征在于，所述连接组件A包括阶梯轴A（4）、具有外螺纹的T形套件A（5），所述T形套件A（5）套在所述阶梯轴A（4）的下端上，且螺纹连接在上接头（1）下端内，所述螺杆定子（8）上端与阶梯轴A（4）下端螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具，其特征在于，所述联轴器B包括联轴器壳体B（10）和分别安装在联轴器壳体B（10）上下两端的十字形连接件C（9）、十字形连接件D（13）。

5.根据权利要求4所述的水平井降摩减阻液力离合器钻井工具法，其特征在于，所述连接组件B包括阶梯轴B（12）、具有外螺纹的T形套件B（11），所述T形套件B（11）套在所述阶梯轴B（12）的上端上，且螺纹连接在中间接头（14）上端内，所述螺杆定子（8）下端与阶梯轴B（12）上端螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具，其特征在于，所述连接组件C包括阶梯轴C（19）、具有外螺纹的T形套件C（20），所述T形套件C（20）套在所述阶梯轴C（19）的上端上，且螺纹连接在内花键壳体（17）下端内，所述下接头（21）上端与阶梯轴C（19）下端螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的一种水平井降摩减阻液力离合器钻井工具，其特征在于，所述中间接头（14）下端与内花键壳体（17）上端螺纹连接。

8.一种水平井降摩减阻液力离合器钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将钻头、螺杆钻具、随钻测量工具、无磁钻铤、钻铤、井下液力离合器、加重钻杆、钻杆依次连接并放入井下；

S2、驱动顶驱或转盘以较低的转速转动，扭矩传递至上接头（1），扭矩再传递至螺杆转子（7），这时螺杆转子（7）也以较低的转速转动，在螺杆转子（7）转动的过程中，由螺杆转子（7）和螺杆定子（8）所组成的螺杆泵不断向中间接头（14）与推杆（15）组成的液压腔中输送钻井液，由于螺杆转子（7）的转速相对较低，中间接头（14）与推杆（15）组成的液压腔内的液体在通过推杆（15）内的小截面流道时，钻井液受到的流动阻力较低，这样中间接头（14）与推杆（15）组成的液压腔内的液体压力较低，无法推动推杆（15）运动，中间接头（14）与推杆（15）组成的液压腔内所有液体均经过小直径流道、心轴流道流向下部钻柱；

S3、当进行复合钻井作业时，即全井钻柱处于旋转状态，以进一步降低摩阻的影响，地面工作人员将顶驱或转盘转速提升至较高水平，螺杆转子（7）以较高转速的转动，这时螺杆转子（7）和螺杆定子（8）所组成的螺杆泵输出至中间接头（14）与推杆（15）组成液压腔的钻井液流量升高至较高水平，钻井液在经过推杆（15）内的小截面流道时，钻井液受到了较大阻力，这时中间接头（14）与推杆（15）组成的液压腔内钻井液压力升高，推动推杆（15）向下滑动，使心轴（18）底部异形外花键与下接头（21）的异形花键槽啮合，进而带动下部钻柱转动；

S4、当进行定向钻井作业时，需要下部钻柱保持滑动状态，以稳定工具面，地面工作人员将顶驱或转盘转速降低至30 r/min，螺杆转子（7）与螺杆定子（8）所形成螺杆泵输出的钻井液流量降低，中间接头（14）与推杆（15）组成的液压腔内钻井液压力降低，在弹簧（16）的作用下，推杆（15）向上滑动，心轴（18）的底部异形外花键退出下接头（21）内异形花键槽，下接头（21）没有扭矩输出，从而使得下接头（21）保持静止状态，进而使得下部钻柱相对于井壁保持静止，实现上部钻柱旋转的同时，下部钻柱保持滑动钻进。

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