一種利用液體摩擦的鉆桿離合器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種利用液體摩擦的鉆桿離合器，屬于定向井、水平井井眼軌跡控制領(lǐng)域。本裝置包括接頭、外殼和芯軸；所述接頭的下端與外殼的上端連接；所述芯軸的中部位于外殼的內(nèi)孔中，芯軸的兩端分別伸出所述外殼的兩端，在芯軸上位于外殼上端外的部分設(shè)有螺紋，在該螺紋處安裝有固定螺母；在芯軸上位于外殼下端外的部分設(shè)有公扣接頭；所述外殼與芯軸之間形成密閉空間，在該密閉空間內(nèi)充滿粘性液體。本實(shí)用新型降低了軸向鉆壓傳遞阻力，可提高機(jī)械鉆速2?5倍。同時(shí)由于利用液體摩擦來(lái)產(chǎn)生扭矩，離合器部件的磨損量很小，壽命很長(zhǎng)，有效提高了工具的性能可靠性，并降低了工具本身的成本。
【專利說明】
一種利用液體摩擦的鉆桿離合器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于定向井、水平井井眼軌跡控制領(lǐng)域，具體涉及一種利用液體摩擦 的鉆桿離合器，尤其適合于非常規(guī)油氣田開發(fā)常用的長(zhǎng)水平段水平井的井眼軌跡控制，可 以在保持動(dòng)力鉆具不旋轉(zhuǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆柱的旋轉(zhuǎn)，以此降低鉆柱與井壁的軸向摩阻、提高 鉆進(jìn)速度。
【背景技術(shù)】
[0002] 水平井鉆進(jìn)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)井眼軌跡控制的目標(biāo)，螺桿鉆具的彎角需要保持在一定 的位置，因此螺桿鉆具的外殼不允許旋轉(zhuǎn)，與螺桿鉆具相連接的鉆柱也不能旋轉(zhuǎn)，由此導(dǎo)致 鉆柱與井壁之間軸向摩阻巨大，嚴(yán)重阻礙鉆壓傳遞，降低了鉆進(jìn)速度。為解決滑動(dòng)鉆進(jìn)的缺 點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外開發(fā)了各種技術(shù):使用先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，由于導(dǎo)向時(shí)可旋轉(zhuǎn)鉆柱，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 克服了滑動(dòng)導(dǎo)向技術(shù)的不足，鉆壓傳遞順利，機(jī)械鉆速高，井眼質(zhì)量好。
[0003] 在保持井眼軌跡控制能力的前提下，通過研究大彎角螺桿復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，降低滑 動(dòng)鉆機(jī)比例，提高鉆井速度;研究應(yīng)用可變徑穩(wěn)定器等螺桿導(dǎo)向鉆具的配置工具和措施，盡 可能提尚常規(guī)導(dǎo)向鉆具的性能等；
[0004] 頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)震蕩鉆具技術(shù)也是目前正在研究應(yīng)用的技術(shù)，其技術(shù)原理是:通過對(duì)頂 驅(qū)程序進(jìn)行改變，在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，頂驅(qū)首先正轉(zhuǎn)一定的圈數(shù)，再反轉(zhuǎn)相同的圈數(shù)，持續(xù)往復(fù) 上述過程，一定長(zhǎng)度的鉆柱即受到持續(xù)正反的震蕩作用，可降低鉆柱與井壁之間的摩擦力， 正反轉(zhuǎn)圈數(shù)要限制在一定數(shù)值范圍內(nèi)。
[0005] 專利"鉆井用水力振蕩器"（CN201310732942)主要由動(dòng)力部分、閥軸系統(tǒng)和振蕩短 節(jié)部分組成，將常規(guī)井下動(dòng)力工具與特殊的閥相結(jié)合，把鉆井液動(dòng)能轉(zhuǎn)化為沿鉆具軸向的 振動(dòng)機(jī)械能，并把常規(guī)的旋轉(zhuǎn)破巖方式改成鉆壓柔和變化的回轉(zhuǎn)破巖，使鉆具與井壁處于 動(dòng)摩擦狀態(tài)，減小了摩阻，降低粘卡可能性，增加鉆壓，從而進(jìn)一步提高破巖效率，但影響范 圍小整體降阻效果不明顯，并且水力壓耗大。
[0006] 專利"上轉(zhuǎn)下滑鉆井減摩降扭工具"（CN201220454297)，提出了一種用于減阻的工 具，通過采用上提下放的控制方式，實(shí)際鉆進(jìn)過程中存在劇烈軸向振動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)控制困難的 問題;且沒有抑制螺桿鉆具反扭矩的裝備，因此實(shí)用性差。
[0007] 長(zhǎng)水平段水平井可以擴(kuò)大井眼與儲(chǔ)層的接觸面積，是開發(fā)頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣 藏，以及低滲油氣田的重要技術(shù)手段，但是長(zhǎng)水平段鉆井時(shí)由于鉆柱與井壁之間的摩阻，導(dǎo) 致井眼軌跡控制難，工具面擺放困難導(dǎo)致井眼軌跡控制難，托壓嚴(yán)重導(dǎo)致機(jī)械鉆速低。
[0008] 充分挖掘常規(guī)導(dǎo)向工具技術(shù)的潛力是目前國(guó)內(nèi)外重要的研究方向，目前研發(fā)的各 類工具，正在推廣使用，但都存在缺點(diǎn)，因此目前迫切需要一種以常規(guī)導(dǎo)向工具為基礎(chǔ)高效 鉆進(jìn)、導(dǎo)向工具。
[0009] 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，由于導(dǎo)向時(shí)可旋轉(zhuǎn)鉆柱，鉆壓傳遞順利，機(jī)械鉆速高，井眼 質(zhì)量好，但由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具為機(jī)電液一體化設(shè)備，使用及維護(hù)成本昂貴，不利于建井成本 的降低。
[0010] 在保持井眼軌跡控制能力的前提下，通過研究大彎角螺桿復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，降低滑 動(dòng)鉆機(jī)比例，提高鉆井速度，但大彎角螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)其斷裂、磨損等失效頻率升高； 研究應(yīng)用可變徑穩(wěn)定器等螺桿導(dǎo)向鉆具的配置工具和措施，盡可能提高常規(guī)導(dǎo)向鉆具的性 能等;通過對(duì)頂驅(qū)程序進(jìn)行改變，在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，通過持續(xù)正反震蕩鉆柱降低鉆柱與井壁之 間的摩擦力，但震蕩長(zhǎng)度有限，并且存在卸扣的風(fēng)險(xiǎn);研發(fā)水力振蕩器，利用水力能量使鉆 柱產(chǎn)生軸向震蕩，降低柱與井壁之間的摩擦力，但消耗的水力能量很大。
[0011] 因此目前迫切需要一種以常規(guī)導(dǎo)向工具為基礎(chǔ)，同時(shí)可以導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以 順利傳遞鉆壓，并能有效控制工具面的工具。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0012] 本實(shí)用新型的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種利用液體摩擦 的鉆桿離合器，與螺桿鉆具配合使用，在螺桿鉆具滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱可以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以 解決滑動(dòng)鉆機(jī)脫壓、機(jī)械鉆速低等問題。
[0013] 本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0014] -種利用液體摩擦的鉆桿離合器，包括接頭、外殼和芯軸；
[0015] 所述接頭的下端與外殼的上端連接；
[0016] 所述芯軸的中部位于外殼的內(nèi)孔中，芯軸的兩端分別伸出所述外殼的兩端，在芯 軸上位于外殼上端外的部分設(shè)有螺紋，在該螺紋處安裝有固定螺母;在芯軸上位于外殼下 端外的部分設(shè)有公扣接頭；
[0017] 所述外殼與芯軸之間形成密閉空間，在該密閉空間內(nèi)充滿粘性液體。
[0018] 所述外殼的上端內(nèi)壁上設(shè)有上臺(tái)階，在上臺(tái)階處設(shè)有密封槽，在密封槽內(nèi)安裝有 上密封結(jié)構(gòu);在與所述外殼下端接觸處的芯軸外壁上設(shè)有下臺(tái)階，在下臺(tái)階處設(shè)有密封槽， 在密封槽內(nèi)安裝有下密封結(jié)構(gòu)；
[0019] 所述上臺(tái)階、下臺(tái)階、外殼內(nèi)壁和芯軸外壁圍合形成所述密閉空間。
[0020] 在所述上臺(tái)階與固定螺母之間安裝有上推力軸承，在所述外殼的下端面處安裝有 下推力軸承。
[0021] 所述固定螺母的外徑大于外殼的內(nèi)徑。
[0022] 所述接頭的下端通過螺紋與外殼的上端連接。
[0023]所述接頭為母扣接頭，采用API標(biāo)準(zhǔn)扣型，用于連接鉆桿。
[0024]所述芯軸的公扣接頭采用API標(biāo)準(zhǔn)扣型，用于連接螺桿鉆具。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:將本實(shí)用新型鉆桿離合器加入螺桿 鉆具的上方，鉆桿離合器以上的鉆柱在地面轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，鉆桿離合器以下的 螺桿鉆具在鉆桿離合器扭矩和自身反扭矩作用下保持平衡，處于不轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài);這樣就可 以在保持螺桿鉆具滑動(dòng)定向鉆進(jìn)的同時(shí)，保持鉆桿離合器以上的鉆柱旋轉(zhuǎn)，降低軸向鉆壓 傳遞阻力，可提高機(jī)械鉆速2-5倍。同時(shí)由于利用液體摩擦來(lái)產(chǎn)生扭矩，離合器部件的磨損 量很小，壽命很長(zhǎng)，有效提高了工具的性能可靠性，并降低了工具本身的成本。
【附圖說明】
[0026] 圖1本實(shí)用新型利用液體摩擦的鉆桿離合器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0028] 本實(shí)用新型鉆桿離合器的上段連接鉆柱，下端連接螺桿鉆具等底部鉆具組合，當(dāng) 滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，螺桿鉆具產(chǎn)生扭矩破碎巖石，同時(shí)螺桿鉆具不旋轉(zhuǎn)保持工具面穩(wěn)定，因此需要 在鉆桿上產(chǎn)生一個(gè)扭矩來(lái)抵消螺桿鉆具的扭矩才能保持其平衡，正常鉆井條件下，鉆桿周 向上被鎖死不能轉(zhuǎn)動(dòng)，與鉆桿硬連接的螺桿鉆具也被鎖死，從而保持不旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，由于整 個(gè)鉆柱處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此產(chǎn)生了很大的軸向摩阻。鉆桿離合器的作用是保持鉆桿旋轉(zhuǎn)，同 時(shí)產(chǎn)生一個(gè)扭矩來(lái)保持螺桿鉆具平衡不旋轉(zhuǎn)，同時(shí)保持扭矩可控，以達(dá)到滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆柱 可以旋轉(zhuǎn)的效果。
[0029] 如圖1所示，本實(shí)用新型利用液體摩擦的鉆桿離合器，包括母扣接頭1、固定螺母2、 上推力軸承3、上密封結(jié)構(gòu)4、外殼5、帶公扣接頭的芯軸6、粘性液體7、下密封結(jié)構(gòu)8和下推力 軸承9;公扣接頭、母扣接頭均為API標(biāo)準(zhǔn)扣型；芯軸6的一端為公扣接頭，另一端加工有螺 紋，外殼5安裝在芯軸6的外面，固定螺母2通過芯軸的螺紋將外殼5與芯軸6固定在一起，外 殼5兩端安裝有上推力軸承3、下推力軸承9,可以降低與芯軸的摩擦;芯軸6與外殼5之間存 在環(huán)形空間，中間充滿粘性液體7;芯軸6的兩端加工有密封槽，與外殼5形成上密封結(jié)構(gòu)4、 下密封結(jié)構(gòu)8,兩對(duì)密封結(jié)構(gòu)可保證環(huán)形空間的粘性液體不受到外界的污染。母扣接頭1通 過螺紋與外殼5連接。
[0030] 鉆桿離合器的母扣連接鉆桿，公扣連接螺桿鉆具。鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)母扣接頭1和 外殼5旋轉(zhuǎn)。外殼5與芯軸6之間通過上推力軸承3、下推力軸承9及粘性液體相連，軸承的摩 擦力很小，芯軸6與外殼5之間的環(huán)形空間很長(zhǎng)，且間隙很小，當(dāng)粘性液體充滿環(huán)形空間時(shí)， 根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，芯軸6與外殼5之間的摩擦力很大。摩擦力作用于半徑上就產(chǎn)生了摩 擦扭矩，鉆桿離合器的摩擦扭矩計(jì)算公式為：
[0031]
[0032]其中，u--液體粘性系數(shù)；
[0033] Re一一當(dāng)量半徑即指鉆桿離合器中心線到環(huán)形空間中間的位置，m;
[0034] η--旋轉(zhuǎn)速度，:r/min;
[0035] 1--圓筒的長(zhǎng)度，m;
[0036] Y一一外殼與芯軸之間的間隙，m;
[0037] 根據(jù)扭矩需求的大小，利用摩擦扭矩計(jì)算公式來(lái)設(shè)計(jì)鉆桿離合器的參數(shù)。如216mm 井眼鉆進(jìn)時(shí)PDC鉆頭需要3000Nm的扭矩，在井筒尺寸的限制條件下，可以設(shè)計(jì)出如下參數(shù)： 液體粘性系數(shù)，230cP;當(dāng)量半徑0.0725m;圓筒的長(zhǎng)度，9m;外殼與芯軸之間的間隙，1mm;旋 轉(zhuǎn)速度，40r/min;
[0038] 上述參數(shù)中，旋轉(zhuǎn)速度可由轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)調(diào)節(jié)，其余參數(shù)都是固定的。如果需要調(diào)節(jié) 扭矩，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度改變時(shí)，扭矩也隨之發(fā)生變化。
[0039]與常規(guī)離合器利用摩擦片產(chǎn)生摩擦力不同，鉆桿離合器的摩擦力是使用液體的摩 擦產(chǎn)生的，外殼與芯軸的磨損量非常小，因此鉆桿離合器的壽命很長(zhǎng)。
[0040]本實(shí)用新型的外殼與芯軸之間設(shè)計(jì)有環(huán)形空間，空間內(nèi)注入粘性液體，當(dāng)外殼與 芯軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液體的摩擦作用產(chǎn)生摩擦力和扭矩。扭矩受到轉(zhuǎn)速越高扭矩越大。將離合 器加入螺桿鉆具的上方，鉆桿離合器一端連接鉆桿，另一端連接螺桿鉆具，鉆進(jìn)時(shí)開動(dòng)轉(zhuǎn)盤 或頂驅(qū)帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，螺桿鉆具在其自身的反扭矩和鉆桿離合器扭矩的作用下保持平衡， 處于工具面穩(wěn)定的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)可旋轉(zhuǎn)鉆柱的效果，從而有效降低托壓效應(yīng)，提 尚了機(jī)械鉆速。
[0041 ]本實(shí)用新型的使用方法如下：
[0042]首先根據(jù)井眼尺寸、鉆頭類型大致確定螺桿鉆具的反扭矩，然后根據(jù)鉆桿離合器 的摩擦扭矩公式確定工具的參數(shù)，在基本滿足鉆井需要的同時(shí)，還可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)扭 矩。
[0043]將參數(shù)已確定鉆桿離合器加入螺桿鉆具的上方，鉆桿離合器一端連接鉆桿，另一 端連接螺桿鉆具。當(dāng)全部鉆具下入井底開始鉆進(jìn)時(shí)，螺桿鉆具產(chǎn)生扭矩驅(qū)動(dòng)鉆頭破巖的同 時(shí)，產(chǎn)生了使其外殼旋轉(zhuǎn)的反扭矩，開動(dòng)轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，鉆桿離合器產(chǎn)生的扭矩 抵消螺桿鉆具反扭矩而保持螺桿鉆具外殼穩(wěn)定，從而保持了工具面的穩(wěn)定。通過隨鉆測(cè)量 可實(shí)時(shí)測(cè)量工具面的狀態(tài)，當(dāng)工具面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要相應(yīng)的降低轉(zhuǎn)速；當(dāng)工具面逆時(shí)針 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要相應(yīng)的增加轉(zhuǎn)速;通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)維持合理的工具面。
[0044] 如果需要復(fù)合鉆進(jìn)，即鉆桿離合器以上的鉆桿和以下的螺桿鉆具都處于旋轉(zhuǎn)狀 態(tài)，可提高鉆桿轉(zhuǎn)速，使鉆桿離合器產(chǎn)生的扭矩高于螺桿鉆具反扭矩，螺桿即進(jìn)入順時(shí)針旋 轉(zhuǎn)狀態(tài)。
[0045] 上述技術(shù)方案只是本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言， 在本實(shí)用新型公開了原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進(jìn)或變形，而不僅限于本實(shí) 用新型上述具體實(shí)施例所描述的結(jié)構(gòu)，因此前面描述的只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的 意義。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用液體摩擦的鉆桿離合器，其特征在于:所述利用液體摩擦的鉆桿離合器包 括接頭、外殼和芯軸； 所述接頭的下端與外殼的上端連接； 所述芯軸的中部位于外殼的內(nèi)孔中，芯軸的兩端分別伸出所述外殼的兩端，在芯軸上 位于外殼上端外的部分設(shè)有螺紋，在該螺紋處安裝有固定螺母;在芯軸上位于外殼下端外 的部分設(shè)有公扣接頭； 所述外殼與芯軸之間形成密閉空間，在該密閉空間內(nèi)充滿粘性液體。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用液體摩擦的鉆桿離合器，其特征在于:所述外殼的上端內(nèi) 壁上設(shè)有上臺(tái)階，在上臺(tái)階處設(shè)有密封槽，在密封槽內(nèi)安裝有上密封結(jié)構(gòu);在與所述外殼下 端接觸處的芯軸外壁上設(shè)有下臺(tái)階，在下臺(tái)階處設(shè)有密封槽，在密封槽內(nèi)安裝有下密封結(jié) 構(gòu)； 所述上臺(tái)階、下臺(tái)階、外殼內(nèi)壁和芯軸外壁圍合形成所述密閉空間。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用液體摩擦的鉆桿離合器，其特征在于:在所述上臺(tái)階與固 定螺母之間安裝有上推力軸承，在所述外殼的下端面處安裝有下推力軸承。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用液體摩擦的鉆桿離合器，其特征在于:所述固定螺母的外 徑大于外殼的內(nèi)徑。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用液體摩擦的鉆桿離合器，其特征在于:所述接頭的下端通 過螺紋與外殼的上端連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的利用液體摩擦的鉆桿離合器，其特征在于:所述接頭 為母扣接頭，采用API標(biāo)準(zhǔn)扣型，用于連接鉆桿。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用液體摩擦的鉆桿離合器，其特征在于:所述芯軸的公扣接 頭采用API標(biāo)準(zhǔn)扣型，用于連接螺桿鉆具。
【文檔編號(hào)】E21B17/04GK205578550SQ201620310489
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】鄭德帥, 牛成成, 李夢(mèng)剛, 馮江鵬, 豆寧輝
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院