用于鉆柱的井下轉(zhuǎn)矩限制組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于保護(hù)附接到設(shè)置在井眼中的“鉆柱”的井下工具(稱為工具管柱)的系統(tǒng)、組件和方法，在井眼中可能存在考驗(yàn)工作管柱在井眼中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等惡劣的工作條件。
【背景技術(shù)】
[0002]在油氣勘探中，保護(hù)鉆柱和連接到鉆柱的井下工具的結(jié)構(gòu)完整性非常重要。參照圖1，一般而言，位于地面12處或位于地面12之上的鉆機(jī)10使設(shè)置在地面之下的井眼中的鉆柱20旋轉(zhuǎn)。該鉆柱典型地包括鉆桿22和鉆環(huán)24，鉆桿和鉆環(huán)被旋轉(zhuǎn)并沿鉆孔向下對鉆頭50或附接到鉆柱遠(yuǎn)端的其他井下設(shè)備(一般被稱為“工具管柱”)40傳遞轉(zhuǎn)矩。為了使鉆頭鉆入地層的地殼而形成井眼60，鉆機(jī)上的地面設(shè)備14旋轉(zhuǎn)鉆柱20和鉆頭50。然而，鉆頭通常在穿過各種地質(zhì)構(gòu)造時(shí)會(huì)遭遇差異，各種地質(zhì)構(gòu)造對鉆頭提供不同的阻力量。在很多情況下，這樣的阻力可能是意料之外的并會(huì)導(dǎo)致從地面沿著鉆柱傳遞過量的轉(zhuǎn)矩，從而可能導(dǎo)致鉆柱或連接到鉆柱的工具管柱被損壞和/或破裂。這樣的斷裂導(dǎo)致除了產(chǎn)生停工期相關(guān)的成本外，還需要額外的工作和費(fèi)用以恢復(fù)破裂的鉆柱和工具管柱的節(jié)段以及修復(fù)損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]總體而言，本公開描述了一種與井下鉆井工具和/或井下完井工具結(jié)合使用的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制組件。該旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制組件包括具有內(nèi)部空腔的旋轉(zhuǎn)輸入構(gòu)件，該內(nèi)部空腔具有楔塊插孔(sprag receptacles)。旋轉(zhuǎn)輸出構(gòu)件設(shè)置在內(nèi)部空腔之內(nèi)，第二旋轉(zhuǎn)構(gòu)件具有徑向突起和凹槽。徑向棘輪構(gòu)件沿徑向設(shè)置在輸入構(gòu)件與輸出構(gòu)件之間，每個(gè)棘輪構(gòu)件具有徑向內(nèi)表面和包括至少一個(gè)徑向突起楔塊的徑向向外表面。軸承沿徑向設(shè)置在棘輪構(gòu)件與輸出構(gòu)件之間。保持組件適于提供順應(yīng)力以維持棘輪構(gòu)件、軸承和第二旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的接觸。每個(gè)軸承至少部分地保持在棘輪構(gòu)件中的一個(gè)與第二旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間，且每個(gè)楔塊至少部分地保持在相應(yīng)的楔塊插孔之內(nèi)。
[0004]一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)將在附圖和以下說明中闡述。
【附圖說明】
[0005]圖1是設(shè)置在井眼中的鉆機(jī)和井下設(shè)備的示意圖。
[0006]圖2是包括井下轉(zhuǎn)矩限制裝置的示例的鉆柱節(jié)段的下部的立體圖。
[0007]圖3是圖2的井下轉(zhuǎn)矩限制裝置的示例的局部立體圖。
[0008]圖4是棘輪構(gòu)件的示例的立體圖。
[0009]圖5是井下轉(zhuǎn)矩限制裝置的示例的剖視圖。
[0010]圖6是處于轉(zhuǎn)矩限制模式中的井下轉(zhuǎn)矩限制裝置的示例的剖視圖。
[0011]圖7A-7C是井下轉(zhuǎn)矩限制裝置的示例的剖視圖。具體實(shí)施方案
[0012]參照圖1，一般而言，位于地面12處或位于地面12之上的鉆機(jī)10使設(shè)置在地面之下的井眼中的鉆柱20旋轉(zhuǎn)。該鉆柱20典型地包括鉆桿22和鉆環(huán)24，鉆桿和鉆環(huán)被旋轉(zhuǎn)并沿鉆孔向下對鉆頭50或附接到鉆柱20的遠(yuǎn)端的其他井下設(shè)備(一般被稱為“工具管柱”)40傳遞轉(zhuǎn)矩。為了使鉆頭鉆入地層的地殼而形成井眼60，鉆機(jī)上的地面設(shè)備14旋轉(zhuǎn)鉆柱20和鉆頭50。井眼60在套管34與鉆孔之間的環(huán)形區(qū)域中被套管34和水泥環(huán)32加固。然而，鉆頭50通常在穿過各種地質(zhì)構(gòu)造25時(shí)會(huì)遭遇差異，各種地質(zhì)構(gòu)造對鉆頭提供不同的阻力量。在很多情況下，這樣的阻力可能是意料之外的并會(huì)導(dǎo)致從地面12沿著鉆柱20傳遞過量轉(zhuǎn)矩。在其他情況下，在偏斜井眼中，鉆柱20或工具管柱40可能被卡在井眼60中，而且導(dǎo)致在鉆柱20或工具管柱中產(chǎn)生過量轉(zhuǎn)矩。在其他情況下，鉆孔壁可能使包裹鉆頭50、工具管柱40或鉆柱20的成型材料脫落，并使得這些元件中的一個(gè)或多個(gè)被卡住且導(dǎo)致在鉆柱20中產(chǎn)生過量轉(zhuǎn)矩。
[0013]在一些實(shí)施例中，工具管柱40可以是鉆井工具管柱、完井工具管柱或再入工具管柱。鉆井工具管柱包括工具元件，例如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具系統(tǒng)、泥漿馬達(dá)、管下擴(kuò)孔器和/或隨鉆測量(MWD) /FEffD裝置。為了避免鉆柱20和/或工具管柱40的元件過度扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩限制裝置110可插置在鉆柱20與工具管柱40之間。
[0014]當(dāng)越過(橫跨)轉(zhuǎn)矩限制裝置110的鉆柱20與工具管柱40之間的扭轉(zhuǎn)力超出預(yù)定量時(shí)，裝置110將使兩個(gè)節(jié)段旋轉(zhuǎn)地脫離接合，直到作用力回到預(yù)定量以下。
[0015]圖2是井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110的立體圖。參照圖1和圖2，在一些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)矩限制裝置110限制從連接到鉆柱20 (參見圖1)并接收來自鉆柱20的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)輸入構(gòu)件(例如，外部殼體114)傳輸?shù)叫D(zhuǎn)輸出構(gòu)件(例如，驅(qū)動(dòng)軸112)的轉(zhuǎn)矩的量。在一些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)矩限制裝置能夠用于限制當(dāng)外部殼體114旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)直接地或間接地聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)軸112的鉆頭50 (參見圖1)時(shí)、沿著工具管柱節(jié)段40 (參見圖1)發(fā)生的轉(zhuǎn)矩的量。
[0016]轉(zhuǎn)矩限制裝置110包括:徑向棘輪組件120 ;彈簧支撐組件122a，鄰近徑向棘輪組件120的上孔軸端設(shè)置；彈簧支撐組件122b，鄰近徑向棘輪組件120的下孔軸端設(shè)置。彈簧節(jié)段124a沿軸向提供彈簧支撐組件122a與徑向棘輪組件之間的軸向壓縮。彈簧節(jié)段124b沿軸向提供彈簧支撐組件122b與徑向棘輪組件之間的軸向壓縮。
[0017]軸承組件130被設(shè)置為限制驅(qū)動(dòng)軸112的相對運(yùn)動(dòng)，以及使驅(qū)動(dòng)軸112與轉(zhuǎn)矩限制裝置110的外殼體(圖中未示出)旋轉(zhuǎn)地脫離接合。密封殼體140被設(shè)置為阻止或至少最小化入侵的污物(例如，鉆井碎肩、顆粒懸浮體、灰塵、泥漿、沙子)進(jìn)入轉(zhuǎn)矩限制裝置110的內(nèi)部部件。
[0018]圖3是井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110的示例的局部立體圖。徑向棘輪組件120包括一系列滾柱軸承202和一系列徑向棘輪構(gòu)件204。在圖3的視圖中，圖2的徑向棘輪組件120被示出為徑向棘輪構(gòu)件204中的一個(gè)被移除以提供滾柱軸承202的視圖。
[0019]圖4是徑向棘輪構(gòu)件204和滾柱軸承202的示例的立體圖。如下面將進(jìn)一步詳述的，該系列滾柱軸承202至少部分地設(shè)置在形成于每個(gè)徑向棘輪構(gòu)件204的徑向內(nèi)表面304之內(nèi)的一系列相應(yīng)凹槽302內(nèi)。
[0020]圖5是井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110的示例的剖視圖。如圖5所示，該系列徑向棘輪構(gòu)件204被彈簧支撐組件122a和122b徑向地限制。該限制是順應(yīng)的，其中每個(gè)徑向棘輪構(gòu)件204的傾斜面(angular face，成角度面)210滑動(dòng)接觸彈簧支撐組件122a和122b的相應(yīng)的傾斜面212。這些部件的其他細(xì)節(jié)將在對圖7A到圖7C的說明中進(jìn)行討論。
[0021 ] 圖6是處于轉(zhuǎn)矩限制模式中的井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110的示例的剖視圖。在操作中，當(dāng)井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110兩端發(fā)生的扭轉(zhuǎn)力大體上為零時(shí)，徑向棘輪構(gòu)件204 —般處于例如圖5的示例所示出的壓縮構(gòu)造。在操作中，隨著越過井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110發(fā)生的轉(zhuǎn)矩的量的增加，如圖6的示例中所描繪，徑向棘輪構(gòu)件204被徑向向外驅(qū)使。該徑向向外擴(kuò)展的過程將在圖7A到圖7C的說明中進(jìn)一步討論。
[0022]彈簧節(jié)段124a_124b朝向彼此軸向地壓縮彈簧支撐構(gòu)件122a_122b。該壓縮順應(yīng)地驅(qū)使徑向棘輪構(gòu)件204徑向向內(nèi)。在使用中，沿著井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110發(fā)生的扭轉(zhuǎn)力用作驅(qū)使徑向棘輪構(gòu)件204徑向向外。該向外擴(kuò)展使得傾斜面210抵靠傾斜面212施加軸向力，從而驅(qū)使彈簧支撐構(gòu)件122a-122b軸向地遠(yuǎn)離徑向棘輪組件120，這進(jìn)而壓縮彈簧節(jié)段 124a-124bo
[0023]在一些實(shí)施例中，彈簧節(jié)段124a_124b各自包括一系列一個(gè)或多個(gè)截頭圓錐形彈簧(例如，錐形盤彈簧、錐形彈簧墊圈、盤形彈簧、杯狀彈簧墊圈、碟形彈簧、碟形墊圈)。在一些實(shí)施方案中，彈簧可以是螺旋壓縮彈簧，例如模具彈簧(die spring)。在一些實(shí)施方案中，多個(gè)彈簧可被堆疊以改變由彈簧節(jié)段124a-124b提供的彈簧常數(shù)。在一些實(shí)施方案中，多個(gè)彈簧可被堆疊以改變由彈簧節(jié)段124a-124b提供的撓曲量。例如，沿相同方向堆疊彈簧能并行地增加彈簧常數(shù)，從而形成具有大體相同撓曲的較剛性的接頭。在另一示例中，沿交替的方向堆疊彈簧能執(zhí)行與串聯(lián)增加彈簧大體相同的功能，從而導(dǎo)致較低的彈簧常數(shù)和較大的撓曲。在一些實(shí)施方案中，混合和/或匹配彈簧方向能提供預(yù)定的彈簧常數(shù)和撓曲能力。在一些實(shí)施方案中，通過改變彈簧節(jié)段124a-124b的撓曲和/或彈簧常數(shù)，同樣也可改變使井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110進(jìn)入轉(zhuǎn)矩限制模式所需的轉(zhuǎn)矩的量。
[0024]圖7A到圖7C是橫過徑向棘輪組件120的軸向中心點(diǎn)截取的、井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110的示例的剖視圖。參照圖7A，井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110包括外殼體602 (相當(dāng)于圖2的殼體114)。外殼體602包括內(nèi)部空腔604。內(nèi)部空腔604包括內(nèi)表面606，該內(nèi)表面包括一系列插孔608。
[0025]徑向棘輪構(gòu)件204包括一個(gè)或多個(gè)突起(楔塊)610，所述突起(楔塊)從徑向向外表面612沿徑向向外延伸。在使用中，楔塊610至少部分地保留在插孔608之內(nèi)(下文稱為“楔塊插孔”)。應(yīng)理解的是，楔塊610被示出為三角形。然而，應(yīng)理解的是，可使用其他幾何形狀的突起和相配的插孔，“楔塊”和楔塊形狀不限于三角形。
[0026]如前所述，徑向棘輪構(gòu)件204還包括徑向內(nèi)表面614。徑向內(nèi)表面614包括至少一個(gè)半圓凹槽616。每個(gè)半圓凹槽616形成為部分地保持一系列滾柱軸承202中的相應(yīng)的一個(gè)。該系列滾柱軸承202與驅(qū)動(dòng)軸112大體上保持滾動(dòng)接觸。
[0027]驅(qū)動(dòng)軸112包括一系列徑向突起620和徑向凹槽622。在由彈簧節(jié)段124a_124b提供的壓縮下(例如，圖3、圖4、圖5和圖6)，徑向棘輪構(gòu)件204被徑向向內(nèi)驅(qū)使。這樣，在井下轉(zhuǎn)矩限制裝置110經(jīng)受大體上為零的轉(zhuǎn)矩的條件下，滾柱軸承202將大體上被滾動(dòng)到徑向凹槽622的基座(例如，以允許彈簧節(jié)段124a-124b停留在相對低勢能的點(diǎn)處)。
[0028]圖7B示出在驅(qū)動(dòng)軸112與外殼體602之間發(fā)生一些轉(zhuǎn)矩(例如，轉(zhuǎn)矩的量小于預(yù)定轉(zhuǎn)矩臨界值)的情況下、徑向棘輪組件120的示例。在使用中，外殼體602 (在圖2中也被稱為114)被旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)力被傳遞到滾柱軸承202、徑向棘輪構(gòu)件204和驅(qū)動(dòng)軸112。
[0029]隨著外殼體602與驅(qū)動(dòng)軸112之間的扭轉(zhuǎn)力的增加，