井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及用于將額外旋轉(zhuǎn)扭矩傳輸至安置于井筒中的工具串的井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)、組合件和方法，其中可能存在不利的條件以挑戰(zhàn)井筒中的工具串的旋傳遞動(dòng)。
技術(shù)背景
[0002]在油和氣的勘探中，保護(hù)鉆桿和連接至其的井下工具的操作進(jìn)展是重要的。一般來(lái)說(shuō)，位于地面處或上方的鉆探設(shè)備可耦接至井筒中的鉆桿的近端以使鉆桿旋轉(zhuǎn)。鉆桿通常包括動(dòng)力部分(例如，容積式泥漿馬達(dá))，其包括定子和轉(zhuǎn)子，定子和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)且將扭矩沿著鉆孔向下傳遞至耦接至鉆桿的遠(yuǎn)端的鉆頭或其它井下設(shè)備(一般稱(chēng)作“工具串”)。鉆探設(shè)備上的地面設(shè)備在鉆頭鉆孔至地殼中時(shí)使鉆桿和鉆頭旋轉(zhuǎn)以形成井筒。在正常操作期間，地面設(shè)備使定子旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)子因?yàn)閯?dòng)力部分上的相對(duì)于定子的泵送的流體壓力差異而旋轉(zhuǎn)。諸如鉆桿、動(dòng)力部分、工具串和鉆頭的井下組件的旋轉(zhuǎn)速度通常按照每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)來(lái)表示。隨著鉆頭上的重量或鉆探的地層阻力增大，鉆頭速度減慢。當(dāng)鉆頭速度等于或小于定子的速度時(shí)(如可用RPM表示)，動(dòng)力部分被稱(chēng)作“停轉(zhuǎn)的”。
[0003]附圖簡(jiǎn)述
[0004]圖1是鉆探設(shè)備和包括安置在井筒中的旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的井下設(shè)備的示意性說(shuō)明。
[0005]圖2A是實(shí)施例井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的部分透視圖。
[0006]圖2B是圖2A的實(shí)施例井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的另一橫截面視圖。
[0007]圖3A至6B包括處于各個(gè)嚙合階段的實(shí)施例井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的俯視橫截面視圖和側(cè)視橫截面視圖。
[0008]圖7A至9B展示處于各個(gè)脫離階段的實(shí)施例井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的俯視橫截面視圖和側(cè)視橫截面視圖。
[0009]圖10是用于提供旋轉(zhuǎn)鎖定以將旋轉(zhuǎn)扭矩傳輸至井下工具串的實(shí)施例過(guò)程的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]參看圖1，一般來(lái)說(shuō)，位于地面12處或上方的鉆探設(shè)備10使在地面下方的安置于井筒60中的鉆桿20旋轉(zhuǎn)。鉆桿20通常包括井下容積式馬達(dá)(例如，Moineau型馬達(dá))的動(dòng)力部分22，井下容積式馬達(dá)包括定子24和轉(zhuǎn)子26，定子24和轉(zhuǎn)子26旋轉(zhuǎn)且將扭矩沿著鉆孔向下傳遞至附接至井下容積式馬達(dá)的縱向輸出軸45的鉆頭50或其它井下設(shè)備(一般稱(chēng)作“工具串”)40。鉆探設(shè)備上的地面設(shè)備14在鉆頭50鉆孔至地殼中時(shí)使鉆桿20和鉆頭50旋轉(zhuǎn)以形成井筒60。井筒60通過(guò)套管34和在套管34與鉆孔之間的環(huán)中的水泥護(hù)套32加固。在正常操作期間，地面設(shè)備14使定子24旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)子26因?yàn)閯?dòng)力部分22上的相對(duì)于井下容積式馬達(dá)的定子24的泵送的流體壓力差異而旋轉(zhuǎn)。隨著鉆頭50上的重量或鉆探的地層阻力增大，和/或當(dāng)由動(dòng)力部分產(chǎn)生的扭矩不足以克服此阻力時(shí)，鉆頭50速度減慢。當(dāng)鉆頭50速度等于或小于定子24的RPM時(shí)，動(dòng)力部分22被稱(chēng)作“停轉(zhuǎn)的”。
[0011]在此階段，鉆頭50和轉(zhuǎn)子26的旋轉(zhuǎn)落后于定子24的旋轉(zhuǎn)，這意味著轉(zhuǎn)子26相對(duì)于定子24相對(duì)地向后轉(zhuǎn)動(dòng)。在馬達(dá)停轉(zhuǎn)期間，機(jī)械負(fù)荷和高壓流體侵蝕的結(jié)合可迅速導(dǎo)致對(duì)定子的彈性體的嚴(yán)重?fù)p壞，且可減少動(dòng)力部分22的工作壽命和效率。
[0012]在一些情形中，可通過(guò)將額外扭矩提供至鉆頭50以便穿透導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)阻力的地層來(lái)避免馬達(dá)停轉(zhuǎn)。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，提供井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)100以將額外扭矩從定子24傳輸至鉆頭50。
[0013]在正常操作下，定子24和轉(zhuǎn)子26彼此大體上旋轉(zhuǎn)地去耦。在停轉(zhuǎn)或接近停轉(zhuǎn)的情況下，井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)100嚙合以使定子24旋轉(zhuǎn)地耦合至由轉(zhuǎn)子26驅(qū)動(dòng)的輸出驅(qū)動(dòng)軸102，以將額外扭矩遞送至可拆卸地緊固至輸出驅(qū)動(dòng)軸的縱向輸出軸45。當(dāng)阻力減小時(shí)，井下抗旋轉(zhuǎn)工具脫離以使定子24與轉(zhuǎn)子26大體上去耦。
[0014]圖2A和2B展示實(shí)施例井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)100的部分透視圖和橫截面視圖。機(jī)構(gòu)100包括輸出驅(qū)動(dòng)軸102和管狀外殼104。管狀外殼包括縱向孔103和內(nèi)壁105。輸出驅(qū)動(dòng)軸102可由圖1的轉(zhuǎn)子26驅(qū)動(dòng)，且管狀外殼104可耦接至定子24且由定子24驅(qū)動(dòng)。
[0015]主動(dòng)齒輪110位于縱向孔103中沿圓周在輸出驅(qū)動(dòng)軸102與管狀外殼104之間。主動(dòng)齒輪I1包括緊固至縱向孔103的內(nèi)壁105的外圍邊緣111。主動(dòng)齒輪110與管狀外殼104 —起旋轉(zhuǎn)，且個(gè)別地不耦合至輸出驅(qū)動(dòng)軸102的旋轉(zhuǎn)。主動(dòng)齒輪110包括以鋸齒形棘輪的圖案沿圓周切割的鋸齒形配置的“齒輪齒”112，其安置于穿過(guò)主動(dòng)齒輪110的中心縱向孔114的周?chē)?br>[0016]從動(dòng)齒輪120位于縱向孔103中沿圓周在輸出驅(qū)動(dòng)軸102與管狀外殼104之間。從動(dòng)齒輪120的下表面包括以鋸齒形棘輪的圖案沿圓周切割的齒輪齒122，其對(duì)應(yīng)于齒輪齒112且可與齒輪齒112配套。從動(dòng)齒輪120包括一個(gè)或多個(gè)縱向凹槽123，其軸向地安置于從動(dòng)齒輪120的縱向孔114的內(nèi)壁125中以收納一個(gè)或多個(gè)花鍵124，花鍵124適合于允許從動(dòng)齒輪在輸出軸102上縱向地滑動(dòng)。花鍵124縱向地定向在輸出驅(qū)動(dòng)軸102的外部外圍表面106的周?chē)沂占{在從動(dòng)齒輪120的孔的內(nèi)壁中的配套的縱向凹槽123中，使得從動(dòng)齒輪120能夠沿著輸出驅(qū)動(dòng)軸102縱向地滑動(dòng)，且花鍵124將旋轉(zhuǎn)扭矩從從動(dòng)齒輪120傳輸至輸出軸102。
[0017]在一些實(shí)施方式中，花鍵124可形成(例如，機(jī)械加工或模制)為輸出驅(qū)動(dòng)軸102的部分。在一些實(shí)施方式中，花鍵124可以可拆卸地連接至輸出驅(qū)動(dòng)軸102。舉例來(lái)說(shuō)，花鍵124可形成為通過(guò)系固件、焊接件或任何其它適當(dāng)?shù)倪B接器縱向地附著至驅(qū)動(dòng)軸的條。在一些實(shí)施方式中，花鍵124可形成為一個(gè)或多個(gè)鎖定鍵，且縱向凹槽123可以是被形成來(lái)接納鎖定鍵的一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)鍵槽。舉例來(lái)說(shuō)，輸出驅(qū)動(dòng)軸102可包括一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或任何其它適當(dāng)?shù)臄?shù)目的鎖定鍵，且從動(dòng)齒輪120可包括對(duì)應(yīng)數(shù)目的鍵槽。在一些實(shí)施方式中，花鍵124可形成為大體上圍繞輸出驅(qū)動(dòng)軸120的外圍的縱向肋條的集合，且縱向凹槽123可形成為在從動(dòng)齒輪120的縱向孔103的大體上整個(gè)內(nèi)壁105中形成的對(duì)應(yīng)凹槽的集合。在一些實(shí)施方式中，花鍵124和縱向凹槽123橫截面可以是大體上矩形的。在一些實(shí)施方式中，花鍵124和縱向凹槽123橫截面可以是大體上三角形的。
[0018]從動(dòng)齒輪120包括螺旋形凸輪凹槽126和圓周凹槽128的集合。凹槽126至128形成以接納球頭螺桿130的集合。球頭螺桿130螺旋穿過(guò)管狀外殼104中形成的螺紋132以部分地延伸至凹槽126至128中。
[0019]圓周凹槽128形成在從動(dòng)齒輪120的徑向向外的表面內(nèi)且沿圓周在從動(dòng)齒輪120的徑向向外的表面周?chē)?。圓周凹槽128形成，使得球頭螺桿130在圓周凹槽128內(nèi)傳遞以允許從動(dòng)齒輪120自由地旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將從動(dòng)齒輪120大體上維持在沿著輸出驅(qū)動(dòng)軸102的軸線(xiàn)的一位置處，使得齒輪齒122脫離主動(dòng)齒輪110的齒輪齒112。
[0020]螺旋形凸輪凹槽126形成在從動(dòng)齒輪120的徑向向外的表面內(nèi)，從而在交叉點(diǎn)134處與圓周凹槽128交叉且螺旋地延伸遠(yuǎn)離圓周凹槽128和齒輪齒122。螺旋形凸輪凹槽126形成，使得球頭螺桿130在螺旋形凸輪凹槽126內(nèi)傳遞以在管狀外殼104相對(duì)于輸出驅(qū)動(dòng)軸102旋轉(zhuǎn)時(shí)使從動(dòng)齒輪120沿著花鍵124縱向地移動(dòng)。從動(dòng)齒輪120的縱向移動(dòng)在管狀外殼104在第一方向上旋轉(zhuǎn)得相對(duì)快于輸出驅(qū)動(dòng)軸102時(shí)使齒輪齒122與齒輪齒112嚙合，如圖3A至6B所展示，且在管狀外殼104旋轉(zhuǎn)得比輸出驅(qū)動(dòng)軸102更慢時(shí)使齒輪齒122脫離齒輪齒112，如圖3A至6B所展示。
[0021]圖3A至6B展示處于各個(gè)嚙合階段的實(shí)施例井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)100的俯視橫截面視圖和側(cè)視橫截面視圖。參看圖3A和3B，機(jī)構(gòu)100展示為處于脫離配置。在一些實(shí)施方式中，輸出軸102可適合于將旋轉(zhuǎn)扭矩傳輸至安置于井筒60中的在井下旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)100下方的鉆頭50。
[0022]從動(dòng)齒輪120的齒輪齒122不與主動(dòng)齒輪110的齒輪齒112旋轉(zhuǎn)接觸。在正常操作下，輸出驅(qū)動(dòng)軸102和管狀外殼104兩者在相同方向上旋轉(zhuǎn)，其中輸出驅(qū)動(dòng)軸102的旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)快于管狀外殼104的旋轉(zhuǎn)速度。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，兩個(gè)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)展示為如從圖3A所示的角度觀看是順時(shí)針的，但在一些實(shí)施方案中，機(jī)構(gòu)100可被配置用來(lái)執(zhí)