CN117145386A - 井下反扭矩自适应平衡工具 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种井下反扭矩自适应平衡工具，包括离合总成、正向预摩擦总成、自适应调节总成；其具有两种工作状态：预平衡状态和复合锁止状态。根据井下钻具所受反扭矩的变化，通过调节钻压来改变预摩擦矩的大小，由于井下钻具所受扭矩具有一定波动，当预摩擦矩不足以平衡掉井下反扭矩时，自适应调节总成提供一个正向扭矩，实现与井下钻具的反扭矩平衡。本发明可有效实现在定向钻进状态时对井下钻具的稳定控制，解决了在定向钻进状态时无法平衡钻具所受反扭矩的问题，提高钻井效率的同时，有效提高了钻井中靶精度，该项工具的研发对石油行业具有重要意义。

Description

井下反扭矩自适应平衡工具

技术领域

本发明属于石油钻井、矿山开采、地质钻探等领域，具体涉及一种用于导向钻井的井下反扭矩自适应平衡工具。

背景技术

随着社会的不断发展，人们对于石油资源的需求日益增加，但随着浅层油气资源无法满足国民的需求，使得油气井向深井、超深井、大位移水平井等复杂井等方向发展。相较于常规井而言，水平井与大位移井可横向钻穿多个裂缝产层，并使得井筒与油气藏的接触面积更大，进而提高产油率，大大节约开采成本；可由于井身结构越来越复杂，钻井作业装备质量的好坏将直接影响钻井作业效率、安全性以及经济效益，为了保证钻井工程的作业顺利开展，必须严格要求钻井设备的可靠性和稳定性。因此，需要研发高精度、高效率、并且可靠性高的定向钻井设备。

基于上述原因，研发出一种井下反扭矩自适应平衡工具应用于定向钻井具有重要意义。井下反扭矩自适应平衡工具能控制下部钻具的正向旋转与反向旋转。工程师可通过随钻测量仪观测工具面变化，根据实际需求，调整钻压大小。井下反扭矩自适应平衡工具需定向钻进时，钻柱全程保持旋转，仅下部钻具组合外壳保持轴向滑动。这种钻井姿态极大的减小了钻柱***的摩阻，减轻了钻头的粘滑振动现象，从而提高机械钻速以及钻井中靶精度。所以，该项技术的研发对整个石油工业有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下反扭矩自适应平衡工具，为解决背景技术中所描述的定向钻井工程的相关问题，提高钻井中靶精度。井下反扭矩自适应平衡工具具有两种工作状态：复合钻进和定向钻进。当处于复合钻进时，上部钻柱与下部钻具同步旋转，此时钻头在一个方向钻进，下部钻具与上部外壳正向旋转。当处于定向钻进时，井下反扭矩自适应平衡工具产生的正向摩擦矩约等于下部钻具传递上来的反扭矩，工具外壳与下部钻具保持静止。根据工具面的变化，调节上部的电控模块，从而改变钻具的工作状态，完成定向钻井工作。

遇到不同地层时反扭矩大小不同，在地面时，根据所钻地层与岩石信息，预计算出反扭矩大小，从而改变钻压大小，控制预摩擦矩大小发生变化，总的正向摩擦矩也随着反扭矩变化而变化，以达到自适应的效果。

本发明的技术方案是：井下反扭矩自适应平衡工具，其特征在于：井下反扭矩自适应平衡工具位于上部钻柱与下部钻具之间，包括离合总成、正向预摩擦总成、自适应调节总成；所述离合总成包括所述离合总成包括上外壳、上芯轴、电控离合筒、推力套筒、转换筒端帽、推力球轴承A、上花键套、花键外壳、下花键套、弹簧推套、内花键外壳、花键芯轴、推力球轴承B、弹簧推头、弹簧；所述离合总成上端与钻柱连接，可实现内部旋转结构与外部壳体独立旋转，上外壳通过花键外壳将钻柱钻压传递至内花键外壳， 上芯轴传递扭矩至下花键套；上外壳、花键外壳、内花键外壳和下花键外壳通过螺纹依次连接，上芯轴与花键芯轴采用螺纹连接，电控离合筒、推力套筒、转换筒端帽、推力球轴承A、上花键套、下花键套、弹簧推套、推力球轴承B、弹簧推头和弹簧依次布置置于上芯轴与花键芯轴之上；推力球轴承A装在上花键套上端，推力球轴承B安装在弹簧推头上；使电控离合筒能够控制钻具的钻进状态。

所述预摩擦总成包括下花键外壳、串轴承A、摩擦轴、摩擦座、上部外壳；下花键外壳与上部外壳之间为花键连接，钻压可通过下花键外壳经串轴承A、摩擦轴、摩擦座和串轴承B传给中部外壳。在复合钻进状态时，由于摩擦轴与摩擦座以及外壳之间无相对运动，所以不产生摩擦矩。在定向钻进时，由摩擦轴与摩擦座之间的钻压以及摩擦轴的正向转动会使摩擦座产生一个正向预摩擦矩，再由后传力杆传给收紧柱，以此来平衡一部分外壳上的反扭矩。且该摩擦矩可由地面工程师根据随钻测量仪器发回数据进行设定，通过改变钻压的参数大小，来改变预摩擦总成所产生的预摩擦矩的大小。

所述自适应调节总成包括下花键外壳、串轴承A、下芯轴、摩擦轴、摩擦块、前传力杆、后传力杆、串轴承B、摩擦座、上部外壳。收紧柱与中部外壳为花键连接，依靠下部外壳实现轴向定位，收紧柱上的4个槽口周向均布，倾斜摆放；当预摩擦矩不足以平衡外壳所受反扭矩，且外壳具有反转趋势时，收紧柱上槽口会令4根传力杆收紧，从而令4个摩擦块抱紧摩擦轴，以此提供一个正向摩擦矩。外壳的反转倾向越大，4个摩擦块抱的越紧，当反扭矩变小时，4个摩擦块松开，以此达到自适应平衡井下反扭矩的目的。

所述平衡钻具内部芯轴与外壳可独立转动，内部芯轴接上部芯轴，外壳接上部外壳，钻井液只在芯轴内部流动。

本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：（1）与传统滑动定向钻井相比，该井下反扭矩自适应平衡工具减小了钻柱***的摩阻，减轻了钻头粘滑振动，提高了机械钻速；（2）通过地面的控制可改变井下反扭矩自适应平衡工具的工作状态；（3）与旋转导向***相比，井下反扭矩自适应平衡工具制造成本低，且其靠机械结构实现，可靠性高；（4）与现有旋转控制器相比，井下反扭矩自适应平衡工具在定向钻进时仍可通过地面控制，对其旋转方向进行细微控制。

附图说明

附图1为本发明所述井下反扭矩自适应平衡工具的结构示意图；

附图1中零件名称：1-上外壳、2-上芯轴、3-电控离合筒、4-推力套筒、5-转换筒端帽、6-推力球轴承A、7-上花键套、8-花键外壳、9-下花键套、10-弹簧推套、11-内花键外壳、12-花键芯轴13-推力球轴承B、14-弹簧推头、15-弹簧、16-动活塞、17-下花键外壳、18-串轴承A、19-下芯轴、20-摩擦轴、21-摩擦块、22-前传力杆、23-后传力杆、24-串轴承B、25-下部外壳、26-转换接头、27-摩擦座、28-上部外壳、29-中部外壳、30-收紧柱。

附图2为本发明图1中A-A面的截面图。

附图3为本发明图1中B-B面的截面图。

附图4为本发明图1中C-C面的截面图。

附图5为本发明图1中D-D面的截面图。

附图6为本发明图1中E-E面的截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参见附图1，本发明的技术方案是：井下反扭矩自适应平衡工具，其特征在于：井下反扭矩自适应平衡工具位于上部钻柱与下部钻具组合之间，包括离合总成、正向预摩擦总成、自适应调节总成；所述离合总成包括上外壳1、上芯轴2、电控离合筒3、推力套筒4、转换筒端帽5、推力球轴承A 6、上花键套7、花键外壳8、下花键套9、弹簧推套10、内花键外壳11、花键芯轴12、推力球轴承B 13、弹簧推头14、弹簧15；所述离合总成上端与钻柱通过螺纹连接，可实现内部旋转结构与外部壳体独立旋转，上外壳1通过花键外壳8将钻柱钻压传递至内花键外壳11，上芯轴2传递扭矩至下花键套7；参见附图2和附图3，所述的离合总成中上花键套7与上芯轴2之间通过花键连接，上花键套7可在上芯轴2上轴向滑动；内花键外壳11内部设计有花键槽，通过控制电动控制筒3可推动下花键套9在花键芯轴12上的轴向移动，以及弹簧15，实现下花键套9与内花键外壳11的啮合，从而实现复合钻进与定向钻进两种工作状态。

所述预摩擦总成包括下花键外壳17、串轴承A 18、摩擦轴20、摩擦座27、上部外壳28；下花键外壳17与上部外壳28之间为花键连接，钻压可通过下花键外壳17经串轴承A 18、摩擦轴20、摩擦座27和串轴承B 24传给中部外壳29。在复合钻进状态时，由于摩擦轴与摩擦座以及外壳之间无相对运动，所述预摩擦总成不发生所用。在定向钻进时，由摩擦轴20与摩擦座27之间的钻压以及摩擦轴20的正向转动会使摩擦座27产生一个正向预摩擦矩，再由后传力杆23传给收紧柱30，以此来平衡外壳上的部分反扭矩。

所述自适应调节总成包括下花键外壳8、串轴承A 18、下芯轴19、摩擦轴20、摩擦块21、前传力杆22、后传力杆23、串轴承B 24、摩擦座27、上部外壳28。自适应调节总成将下部钻具与外壳的反向旋转作为输入，4个摩擦块21与摩擦轴20之间的摩擦力作为输出，实现随外壳所受反扭矩的大小波动而自适应的功能。

参见附图3、附图4和附图5，所述的预摩擦总成与自适应调节总成中所涉及到的收紧柱30与中部外壳29之间采用花键连接，实现收紧柱30与外壳的同步转动，4个摩擦块21环向均布于摩擦轴20四周。摩擦座27通过串轴承B 24安装在外壳上，可实现自由转动，摩擦座27上均布有4个导向槽口，4根后传力杆23布置在这些槽口之中，传力杆23直径略小于摩擦座27与收紧柱上的槽口直径。当预摩擦矩不足以平衡井下反扭矩，且外壳具有一定反转趋势时，由于摩擦座27具有正向旋转趋势，4根后传力杆23收紧柱上的4个斜槽向轴线收紧，实现井下反扭矩自适应平衡。在定向钻进时，若想略微改变钻进方向，可通过增大钻压来增大摩擦轴20与摩擦座27之间的摩擦力，达到暂时实现复合钻进的状态。

最后应进行说明的是，以上所述仅为本发明方案中的最优选择而已，并不会对本发明产生任何限制。虽然前文所述实施方案中对本发明进行了较为详细的阐述说明，但对于本领域的技术人员来说，任然可以对以上所述技术方案进行修改，或者对其中部分相关技术参数进行等效替换。凡是处于本发明的精神和原则之内，任何所作修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.井下反扭矩自适应平衡工具，其特征在于：井下反扭矩自适应平衡工具位于上部钻柱与下部钻具组合之间，包括离合总成、正向预摩擦总成、自适应调节总成；

所述离合总成包括上外壳（1）、上芯轴（2）、电控离合筒（3）、推力套筒（4）、转换筒端帽（5）、推力球轴承A（6）、上花键套（7）、花键外壳（8）、下花键套（9）、弹簧推套（10）、内花键外壳（11）、花键芯轴（12）、推力球轴承B（13）、弹簧推头（14）、弹簧（15）；所述离合总成上端与钻柱连接，可实现内部旋转结构与外部壳体独立旋转，上外壳（1）通过花键外壳（8）将钻柱钻压传递至内花键外壳（11），上芯轴（2）传递扭矩至下花键套（9）；

所述预摩擦总成包括下花键外壳（17）、串轴承A（18）、摩擦轴（20）、摩擦座（27）、上部外壳（28）；所述预摩擦总成产生一个平衡反扭矩的正向预摩擦矩，并由后传力杆（23）以及收紧柱（30）依次传递，最终通过外壳传给下部钻具；

所述自适应调节总成包括下花键外壳（17）、串轴承A（18）、下芯轴（19）、摩擦轴（20）、摩擦块（21）、前传力杆（22）、后传力杆（23）、串轴承B（24）、摩擦座（27）、上部外壳（28）；所述自适应调节总成可在预摩擦矩不足以平衡井下反扭矩时，并且当外壳与下部钻具具有反转趋势时，产生一个正向摩擦矩，伴随反扭矩的增大减小而自适应，从而保证下部钻具实现定向钻进。

2.根据权利要求1所述的井下反扭矩自适应平衡工具，其特征在于：摩擦座（27）与收紧柱（30）上有4个均布的槽口，摩擦块（21）、前传力杆（22）和后传力杆（23）通过螺纹连接在一起，该组合一共4组，摩擦块（21）均布在摩擦轴（20）周围后传力杆（23）位于4个槽口内部；摩擦轴（20）头部为蘑菇头形状，可实现下部钻具的防掉。

3.根据权利要求1所述的井下反扭矩自适应平衡工具，其特征在于：收紧柱（30）与中部外壳（29）为花键连接，依靠下部外壳（25）实现轴向定位，收紧柱（30）上的4个槽口周向均布，倾斜摆放；后传力杆（23）位于槽口之间，其直径略小于凹槽宽度，当下部钻具与其所连接壳体有反转趋势时，4根后传力杆（23）向轴线方向靠拢，并带动4个摩擦块（21）抱紧摩擦轴（20），通过摩擦锁死反向转动，令外壳与下部钻具保持静止，且外壳反扭矩越大，其所受摩擦矩越大。

4.根据权利要求1所述的井下反扭矩自适应平衡工具，其特征在于：推力套筒（4）和转换筒端帽（5）位于上外壳（1）与上芯轴（2）之间，并且存在一定间隙，可在轴向滑动。

5.根据权利要求1所述的井下反扭矩自适应平衡工具，其特征在于：上心轴（2）下半部分为花键，并与上花键套（7）实现花键配合，上芯轴（2）尾部与花键芯轴（12）之间螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的井下反扭矩自适应平衡工具，其特征在于：所述位于上芯轴（2）与花键芯轴（12）上的推力套筒（4）、转换筒端帽（5）、推力球轴承A（6）、上花键套（7）、下花键套（9）、弹簧推套（10）、推力球轴承B（13）、弹簧推头（14）可在电控离合筒（3）的控制下实现上下轴向活动。

7.根据权利要求1所述的井下反扭矩自适应平衡工具，其特征在于：下花键外壳（17）与上部外壳（28）之间为花键连接，钻压可通过下花键外壳（17）经串轴承A（18）、摩擦轴（20）、摩擦座（27）和串轴承B几个中间结构传给中部外壳（29）。