一种利用液体摩擦的钻杆离合器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种利用液体摩擦的钻杆离合器，属于定向井、水平井井眼轨迹控制领域。本装置包括接头、外壳和芯轴；所述接头的下端与外壳的上端连接；所述芯轴的中部位于外壳的内孔中，芯轴的两端分别伸出所述外壳的两端，在芯轴上位于外壳上端外的部分设有螺纹，在该螺纹处安装有固定螺母；在芯轴上位于外壳下端外的部分设有公扣接头；所述外壳与芯轴之间形成密闭空间，在该密闭空间内充满粘性液体。本实用新型降低了轴向钻压传递阻力，可提高机械钻速2?5倍。同时由于利用液体摩擦来产生扭矩，离合器部件的磨损量很小，寿命很长，有效提高了工具的性能可靠性，并降低了工具本身的成本。
【专利说明】
一种利用液体摩擦的钻杆离合器
技术领域
[0001] 本实用新型属于定向井、水平井井眼轨迹控制领域，具体涉及一种利用液体摩擦 的钻杆离合器，尤其适合于非常规油气田开发常用的长水平段水平井的井眼轨迹控制，可 以在保持动力钻具不旋转的同时实现钻柱的旋转，以此降低钻柱与井壁的轴向摩阻、提高 钻进速度。
【背景技术】
[0002] 水平井钻进时，为了实现井眼轨迹控制的目标，螺杆钻具的弯角需要保持在一定 的位置，因此螺杆钻具的外壳不允许旋转，与螺杆钻具相连接的钻柱也不能旋转，由此导致 钻柱与井壁之间轴向摩阻巨大，严重阻碍钻压传递，降低了钻进速度。为解决滑动钻进的缺 点，国内外开发了各种技术:使用先进的旋转导向工具，由于导向时可旋转钻柱，旋转导向 克服了滑动导向技术的不足，钻压传递顺利，机械钻速高，井眼质量好。
[0003] 在保持井眼轨迹控制能力的前提下，通过研究大弯角螺杆复合钻进技术，降低滑 动钻机比例，提高钻井速度;研究应用可变径稳定器等螺杆导向钻具的配置工具和措施，尽 可能提尚常规导向钻具的性能等；
[0004] 顶驱旋转震荡钻具技术也是目前正在研究应用的技术，其技术原理是:通过对顶 驱程序进行改变，在滑动钻进时，顶驱首先正转一定的圈数，再反转相同的圈数，持续往复 上述过程，一定长度的钻柱即受到持续正反的震荡作用，可降低钻柱与井壁之间的摩擦力， 正反转圈数要限制在一定数值范围内。
[0005] 专利"钻井用水力振荡器"（CN201310732942)主要由动力部分、阀轴系统和振荡短 节部分组成，将常规井下动力工具与特殊的阀相结合，把钻井液动能转化为沿钻具轴向的 振动机械能，并把常规的旋转破岩方式改成钻压柔和变化的回转破岩，使钻具与井壁处于 动摩擦状态，减小了摩阻，降低粘卡可能性，增加钻压，从而进一步提高破岩效率，但影响范 围小整体降阻效果不明显，并且水力压耗大。
[0006] 专利"上转下滑钻井减摩降扭工具"（CN201220454297)，提出了一种用于减阻的工 具，通过采用上提下放的控制方式，实际钻进过程中存在剧烈轴向振动，会出现控制困难的 问题;且没有抑制螺杆钻具反扭矩的装备，因此实用性差。
[0007] 长水平段水平井可以扩大井眼与储层的接触面积，是开发页岩气等非常规油气 藏，以及低渗油气田的重要技术手段，但是长水平段钻井时由于钻柱与井壁之间的摩阻，导 致井眼轨迹控制难，工具面摆放困难导致井眼轨迹控制难，托压严重导致机械钻速低。
[0008] 充分挖掘常规导向工具技术的潜力是目前国内外重要的研究方向，目前研发的各 类工具，正在推广使用，但都存在缺点，因此目前迫切需要一种以常规导向工具为基础高效 钻进、导向工具。
[0009] 先进的旋转导向工具，由于导向时可旋转钻柱，钻压传递顺利，机械钻速高，井眼 质量好，但由于旋转导向工具为机电液一体化设备，使用及维护成本昂贵，不利于建井成本 的降低。
[0010] 在保持井眼轨迹控制能力的前提下，通过研究大弯角螺杆复合钻进技术，降低滑 动钻机比例，提高钻井速度，但大弯角螺杆钻具复合钻进时其断裂、磨损等失效频率升高； 研究应用可变径稳定器等螺杆导向钻具的配置工具和措施，尽可能提高常规导向钻具的性 能等;通过对顶驱程序进行改变，在滑动钻进时，通过持续正反震荡钻柱降低钻柱与井壁之 间的摩擦力，但震荡长度有限，并且存在卸扣的风险;研发水力振荡器，利用水力能量使钻 柱产生轴向震荡，降低柱与井壁之间的摩擦力，但消耗的水力能量很大。
[0011] 因此目前迫切需要一种以常规导向工具为基础，同时可以导向钻进时旋转钻进以 顺利传递钻压，并能有效控制工具面的工具。 【实用新型内容】
[0012] 本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种利用液体摩擦 的钻杆离合器，与螺杆钻具配合使用，在螺杆钻具滑动钻进时，钻柱可以顺时针旋转，可以 解决滑动钻机脱压、机械钻速低等问题。
[0013] 本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0014] -种利用液体摩擦的钻杆离合器，包括接头、外壳和芯轴；
[0015] 所述接头的下端与外壳的上端连接；
[0016] 所述芯轴的中部位于外壳的内孔中，芯轴的两端分别伸出所述外壳的两端，在芯 轴上位于外壳上端外的部分设有螺纹，在该螺纹处安装有固定螺母;在芯轴上位于外壳下 端外的部分设有公扣接头；
[0017] 所述外壳与芯轴之间形成密闭空间，在该密闭空间内充满粘性液体。
[0018] 所述外壳的上端内壁上设有上台阶，在上台阶处设有密封槽，在密封槽内安装有 上密封结构;在与所述外壳下端接触处的芯轴外壁上设有下台阶，在下台阶处设有密封槽， 在密封槽内安装有下密封结构；
[0019] 所述上台阶、下台阶、外壳内壁和芯轴外壁围合形成所述密闭空间。
[0020] 在所述上台阶与固定螺母之间安装有上推力轴承，在所述外壳的下端面处安装有 下推力轴承。
[0021] 所述固定螺母的外径大于外壳的内径。
[0022] 所述接头的下端通过螺纹与外壳的上端连接。
[0023]所述接头为母扣接头，采用API标准扣型，用于连接钻杆。
[0024]所述芯轴的公扣接头采用API标准扣型，用于连接螺杆钻具。
[0025] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:将本实用新型钻杆离合器加入螺杆 钻具的上方，钻杆离合器以上的钻柱在地面转盘或顶驱的驱动下旋转，钻杆离合器以下的 螺杆钻具在钻杆离合器扭矩和自身反扭矩作用下保持平衡，处于不转动的状态;这样就可 以在保持螺杆钻具滑动定向钻进的同时，保持钻杆离合器以上的钻柱旋转，降低轴向钻压 传递阻力，可提高机械钻速2-5倍。同时由于利用液体摩擦来产生扭矩，离合器部件的磨损 量很小，寿命很长，有效提高了工具的性能可靠性，并降低了工具本身的成本。
【附图说明】
[0026] 图1本实用新型利用液体摩擦的钻杆离合器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：
[0028] 本实用新型钻杆离合器的上段连接钻柱，下端连接螺杆钻具等底部钻具组合，当 滑动钻进时，螺杆钻具产生扭矩破碎岩石，同时螺杆钻具不旋转保持工具面稳定，因此需要 在钻杆上产生一个扭矩来抵消螺杆钻具的扭矩才能保持其平衡，正常钻井条件下，钻杆周 向上被锁死不能转动，与钻杆硬连接的螺杆钻具也被锁死，从而保持不旋转的状态，由于整 个钻柱处于静止状态，因此产生了很大的轴向摩阻。钻杆离合器的作用是保持钻杆旋转，同 时产生一个扭矩来保持螺杆钻具平衡不旋转，同时保持扭矩可控，以达到滑动钻进时钻柱 可以旋转的效果。
[0029] 如图1所示，本实用新型利用液体摩擦的钻杆离合器，包括母扣接头1、固定螺母2、 上推力轴承3、上密封结构4、外壳5、带公扣接头的芯轴6、粘性液体7、下密封结构8和下推力 轴承9;公扣接头、母扣接头均为API标准扣型；芯轴6的一端为公扣接头，另一端加工有螺 纹，外壳5安装在芯轴6的外面，固定螺母2通过芯轴的螺纹将外壳5与芯轴6固定在一起，外 壳5两端安装有上推力轴承3、下推力轴承9,可以降低与芯轴的摩擦;芯轴6与外壳5之间存 在环形空间，中间充满粘性液体7;芯轴6的两端加工有密封槽，与外壳5形成上密封结构4、 下密封结构8,两对密封结构可保证环形空间的粘性液体不受到外界的污染。母扣接头1通 过螺纹与外壳5连接。
[0030] 钻杆离合器的母扣连接钻杆，公扣连接螺杆钻具。钻杆旋转时，带动母扣接头1和 外壳5旋转。外壳5与芯轴6之间通过上推力轴承3、下推力轴承9及粘性液体相连，轴承的摩 擦力很小，芯轴6与外壳5之间的环形空间很长，且间隙很小，当粘性液体充满环形空间时， 根据牛顿内摩擦定律，芯轴6与外壳5之间的摩擦力很大。摩擦力作用于半径上就产生了摩 擦扭矩，钻杆离合器的摩擦扭矩计算公式为：
[0031]
[0032]其中，u--液体粘性系数；
[0033] Re一一当量半径即指钻杆离合器中心线到环形空间中间的位置，m;
[0034] η--旋转速度，:r/min;
[0035] 1--圆筒的长度，m;
[0036] Y一一外壳与芯轴之间的间隙，m;
[0037] 根据扭矩需求的大小，利用摩擦扭矩计算公式来设计钻杆离合器的参数。如216mm 井眼钻进时PDC钻头需要3000Nm的扭矩，在井筒尺寸的限制条件下，可以设计出如下参数： 液体粘性系数，230cP;当量半径0.0725m;圆筒的长度，9m;外壳与芯轴之间的间隙，1mm;旋 转速度，40r/min;
[0038] 上述参数中，旋转速度可由转盘或顶驱调节，其余参数都是固定的。如果需要调节 扭矩，当旋转速度改变时，扭矩也随之发生变化。
[0039]与常规离合器利用摩擦片产生摩擦力不同，钻杆离合器的摩擦力是使用液体的摩 擦产生的，外壳与芯轴的磨损量非常小，因此钻杆离合器的寿命很长。
[0040]本实用新型的外壳与芯轴之间设计有环形空间，空间内注入粘性液体，当外壳与 芯轴相对转动时，液体的摩擦作用产生摩擦力和扭矩。扭矩受到转速越高扭矩越大。将离合 器加入螺杆钻具的上方，钻杆离合器一端连接钻杆，另一端连接螺杆钻具，钻进时开动转盘 或顶驱带动钻杆旋转，螺杆钻具在其自身的反扭矩和钻杆离合器扭矩的作用下保持平衡， 处于工具面稳定的状态，实现滑动定向钻进可旋转钻柱的效果，从而有效降低托压效应，提 尚了机械钻速。
[0041 ]本实用新型的使用方法如下：
[0042]首先根据井眼尺寸、钻头类型大致确定螺杆钻具的反扭矩，然后根据钻杆离合器 的摩擦扭矩公式确定工具的参数，在基本满足钻井需要的同时，还可以调节转速来调节扭 矩。
[0043]将参数已确定钻杆离合器加入螺杆钻具的上方，钻杆离合器一端连接钻杆，另一 端连接螺杆钻具。当全部钻具下入井底开始钻进时，螺杆钻具产生扭矩驱动钻头破岩的同 时，产生了使其外壳旋转的反扭矩，开动转盘或顶驱带动钻杆旋转，钻杆离合器产生的扭矩 抵消螺杆钻具反扭矩而保持螺杆钻具外壳稳定，从而保持了工具面的稳定。通过随钻测量 可实时测量工具面的状态，当工具面顺时针转动时，需要相应的降低转速；当工具面逆时针 转动时，需要相应的增加转速;通过调节转速来维持合理的工具面。
[0044] 如果需要复合钻进，即钻杆离合器以上的钻杆和以下的螺杆钻具都处于旋转状 态，可提高钻杆转速，使钻杆离合器产生的扭矩高于螺杆钻具反扭矩，螺杆即进入顺时针旋 转状态。
[0045] 上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言， 在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实 用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的 意义。
【主权项】
1. 一种利用液体摩擦的钻杆离合器，其特征在于:所述利用液体摩擦的钻杆离合器包 括接头、外壳和芯轴； 所述接头的下端与外壳的上端连接； 所述芯轴的中部位于外壳的内孔中，芯轴的两端分别伸出所述外壳的两端，在芯轴上 位于外壳上端外的部分设有螺纹，在该螺纹处安装有固定螺母;在芯轴上位于外壳下端外 的部分设有公扣接头； 所述外壳与芯轴之间形成密闭空间，在该密闭空间内充满粘性液体。2. 根据权利要求1所述的利用液体摩擦的钻杆离合器，其特征在于:所述外壳的上端内 壁上设有上台阶，在上台阶处设有密封槽，在密封槽内安装有上密封结构;在与所述外壳下 端接触处的芯轴外壁上设有下台阶，在下台阶处设有密封槽，在密封槽内安装有下密封结 构； 所述上台阶、下台阶、外壳内壁和芯轴外壁围合形成所述密闭空间。3. 根据权利要求2所述的利用液体摩擦的钻杆离合器，其特征在于:在所述上台阶与固 定螺母之间安装有上推力轴承，在所述外壳的下端面处安装有下推力轴承。4. 根据权利要求3所述的利用液体摩擦的钻杆离合器，其特征在于:所述固定螺母的外 径大于外壳的内径。5. 根据权利要求4所述的利用液体摩擦的钻杆离合器，其特征在于:所述接头的下端通 过螺纹与外壳的上端连接。6. 根据权利要求1至5任一所述的利用液体摩擦的钻杆离合器，其特征在于:所述接头 为母扣接头，采用API标准扣型，用于连接钻杆。7. 根据权利要求6所述的利用液体摩擦的钻杆离合器，其特征在于:所述芯轴的公扣接 头采用API标准扣型，用于连接螺杆钻具。
【文档编号】E21B17/04GK205578550SQ201620310489
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】郑德帅, 牛成成, 李梦刚, 冯江鹏, 豆宁辉
【申请人】中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院